Metallschäume setzen Akzente im Leichtbau

Schäume aus Metall sind ein innovativer Werkstoff mit einer breiten Spanne von Einsatzmöglichkeiten. Chemnitzer Forscher sind auf der Suche nach immer neuen Anwendungen.

Chemnitz.

Metallschaum ist ein hochporöser Werkstoff, der vor allem eine entscheidende Eigenschaft mit sich bringt: er ist sehr leicht. "Die Herstellung funktioniert eigentlich so ähnlich wie Brotbacken", erklärt Christian Hannemann, Wissenschaftler am Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU). Aluminiumpulver wird mit einem Treibmittel vermischt und dann in einen elektrisch beheizten Ofen geschoben. Das Aluminium schmilzt bei knapp 660 Grad Celsius und erreicht mit Hilfe des Treibmittels das fünf- bis sechsfache Volumen. Es entsteht eine Metallstruktur aus vielen Bläschen, die dem Bierschaum sehr ähnelt. Die Dichte sinkt von 2,7 Gramm pro Kubikzentimeter auf nur noch o,5. Die Folge: der Metallschaum ist so leicht, dass er schwimmt.

Aufgrund ihrer zellularen Struktur absorbieren die Metallschäume hervorragend Energie in Form von Schwingungen, Stoß und Schall. Zudem sind die Metallschäume gegenüber den Schäumen aus Kunststoff deutlich stabiler und auch temperaturbeständiger. Außerdem eignen sich die Schäume gut für die Abschirmung elektromagnetischer Wellen. Außer Aluminium, eignen sich auch Zink und Bronze für das Verfahren. Ein Projekt, bei dem Stahl und Titan genutzt werden, ist noch im frühen Forschungsstadium. "Wenn wir den Schaum im Verbund mit Stahl- oder Aluminiumblechen in Form eines Sandwiches herstellen, entstehen Bauteile mit einer hohen Biegesteifigkeit", erklärt Jörg Hohlfeld, Leiter der Arbeitsgruppe Metallschaum am IWU. Solche Sandwiches eignen sich hervorragend für Leichtbaukonstruktionen, meint Hohlfeld. Derzeit forschen acht Mitarbeiter an der Optimierung der Metallschäume. Das Metallschaumzentrum am IWU gibt es bereits seit 2001 in Chemnitz.

Aufgrund des hohen Leichtbaupotenzials und des sehr guten Vermögens, Energie zu absorbieren, sind die Sandwiches gut geeignet für den Werkzeugmaschinenbau. Denn für eine hohe Dynamik müssen bewegte Baugruppen in Maschinen leicht sein. Ein geringes Gewicht ist entscheidend für einen niedrigen Energieverbrauch und die Fähigkeit für einen zügigen Richtungswechsel. Ein Sandwich mit Aluminiumschaum ist da gegenüber einer Stahlplatte klar im Vorteil. Hohlfeld rechnet vor: Ein Sandwich mit einem 14 Millimeter hohen Kern aus Aluminiumschaum und einen Millimeter dicken Stahldeckblechen weist die Biegesteifigkeit einer zehn Millimeter dicken Stahlplatte auf, hat aber nur ein Drittel des Gewichts der Stahlplatte.

Der Werkstoff hat sich in der Praxis bewährt. Bereits seit 2004 werden für den Chemnitzer Maschinenbauer Niles-Simmons serienmäßig Maschinenschlitten für eine Fräsmaschine aus Aluminiumschaum-Stahl-Sandwiches gefertigt. Diese sind um 28 Prozent leichter als die konventionellen Schlitten aus Grauguss, ohne an Steifigkeit einzubüßen. Die Fräsmaschine kann auf diese Weise schneller arbeiten.

Aber der Einsatz im Maschinenbau ist längst nicht die einzige Anwendungsmöglichkeit. "Metallschaum ist ein gute Crashabsorber und kann deshalb auch gut im Fahrzeugbau eingesetzt werden", sagt Hannemann. Um das Leichtbaupotenzial zu demonstrieren, wurde in einem Forschungsprojekt die Triebkopfkabine eines Hochgeschwindigkeitszuges aus Sandwiches mit Aluminiumschaum hergestellt.

Die Aufgabe bestand darin, eine leichte, selbsttragende Triebkopfkabine in metallischer Hybridbauweise zu entwickeln und zu fertigen. Dabei mussten alle Anforderungen bezüglich Crashverhalten, Dauerfestigkeit und Brandschutz erfüllt werden. Das Ergebnis konnte sich sehen lassen. Die hohe Steifigkeit des Sandwiches erlaubte eine unterbaufreie Konstruktion, die gegenüber der konventionellen Metallbauweise mit massiven Aluminiumblechen um etwa 20 Prozent leichter war. Gleichzeitig war der Montageaufwand deutlich geringer. "Mit dem Triebkopf haben wir auch gezeigt, dass sich Halbzeuge aus Aluminiumschaum für sehr große Konstruktionen eigenen", erklärt Hohlfeld. So würden sich solche Bauteile auch im Schiffsbau oder als Decken und Wandelemente in der Bauindustrie einsetzen lassen.

Reine Metallschaumplatten eignen sich zudem sehr gut für Dekorationszwecke. Auch im Fassadenbau wird Metallschaum aufgrund seiner Einzigartigkeit eingesetzt. Der renommierte Architekt Rem Koolhaas hat beispielsweise beim Bau des Mailänder Kunstmuseums "Fondazione Prada" teilweise auf Aluminiumschaum der Marke Alusion des kanadischen Unternehmens Cymat gesetzt. Ein Ausstellungsgebäude ist außen und innen komplett mit Aluminiumschaum verkleidet. Dazu wurden vier Meter hohe Schaumplatten in einem Stück gefertigt und montiert.

Beim zuvor beschriebenen Metallschaum sind die Poren unterschiedlich groß und geschlossen, haben also Zellwände. Will man ein Werkstück mit einer homogenen und offenen Zellstruktur herstellen, die zudem gut berechenbar ist, geht man einen anderen Weg. Eine mittels CAD-Software entwickelte Zellstruktur wird aus Wachs gedruckt und mit einem Formstoff aufgefüllt. Nach dem Ausschmelzen des Wachses wird der entstandene Hohlraum mit einer Aluminiumlegierung ausgegossen. Wird der Formstoff entfernt, wird die offenzellige Aluminiumstruktur freigelegt. Die Aluminiumstrukturen eignen sich gut für Anwendungen in der Wasserbehandlung und -filtration, für Wärmetauscher und auch als Energieabsorber. "Wenn man diese Technologie mit einbezieht, eignet sich Metallschaum für viele Branchen, vom Schiffsbau bis hin zur Medizintechnik", sagt Jörg Hohlfeld.


Einen Monat für
nur 1€ testen.
Verlässliche Informationen sind jetzt besonders wichtig. Sichern Sie sich hier den vollen Zugriff auf freiepresse.de und alle FP+ Artikel.

JETZT 1€-TESTMONAT STARTEN 
0Kommentare

Die Diskussion wurde geschlossen.