Leichtbau Aluminiumschaum soll Binnenschiffe leichter machen

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Forschende des Fraunhofer IWU untersuchen leichte Sandwichbauteile mit Aluminiumschaum für Binnenschiffe. Die Konstruktion soll den Tiefgang senken und den Gütertransport auch bei niedrigen Pegelständen erleichtern.

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU untersuchen eine Sandwichbauweise mit einem Kern aus Aluminiumschaum für Schiffswände und Decks von Binnenschiffen. Angesichts zunehmender Niedrigwasserperioden an Rhein, Donau und Elbe soll die Konstruktion das Gewicht der Schiffe deutlich reduzieren. Dadurch könnten sie bei geringerem Tiefgang mehr Ladung transportieren oder bei gleicher Zuladung auch niedrigere Pegelstände befahren. Der Ansatz könnte dazu beitragen, den Bedarf an weiteren Fahrrinnenvertiefungen oder einer Verlagerung von Schwertransporten auf die Straße zu verringern.

Leichter Kern zwischen zwei Deckblechen

Ein Ansatzpunkt ist deshalb der Schiffbau selbst: Leichtere Schiffe benötigen weniger Tiefgang und können auch bei niedrigen Wasserständen mehr Güter transportieren. Nach Berechnungen der Forschenden könnten Sandwichbauteile die Zuladung im Verhältnis zum Eigengewicht um bis zu 30 Prozent erhöhen. Alternativ könnten Schiffe bei gleicher Zuladung auch niedrigere Pegelstände befahren.

Bei der vorgeschlagenen Konstruktion liegt ein Kern aus Aluminiumschaum zwischen zwei dünnen Stahl- oder Aluminiumplatten. Der Aluminiumschaum ist ein metallischer Strukturwerkstoff mit zahlreichen eingeschlossenen Poren. Seine Dichte liegt deutlich unter einem Gramm pro Kubikzentimeter.

Herstellung des Sandwichbauteils

Das Grundprinzip der Herstellung ähnelt dem Aufschäumen eines Teigs. Einem Aluminiumpulver wird ein Treibmittel, beispielsweise Titanhydrid, zugesetzt. Bei der Erwärmung setzt dieses Gas frei, meist Wasserstoff. Die Gasblasen verteilen sich im flüssigen Aluminium und bilden die poröse Struktur. 

Während des Schäumprozesses verbindet sich der Aluminiumschaum stoffschlüssig mit den metallischen Deckblechen. Für die Herstellung des Verbunds ist daher kein Klebstoff erforderlich. Das kann die spätere Wiederverwertung erleichtern. Nach dem Abkühlen und Erstarren bleibt die Schaumstruktur dauerhaft erhalten.

Steifigkeit trotz geringerem Gewicht

Der Aluminiumschaumkern hält die Deckbleche auf Abstand und sorgt dadurch für eine hohe Biegesteifigkeit. Die äußeren Bleche nehmen die angreifenden Lasten auf und leiten sie innerhalb der Konstruktion weiter.

„Bei etwa 30 Prozent Mindergewicht gegenüber herkömmlichem Schiffbaustahl stehen sie bisherigen Stahlplatten an Steifigkeit keineswegs nach“, sagt Dr. Jörg Hohlfeld, Leiter der Gruppe Metallschaum am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU.

Das Fraunhofer IWU entwickelt Sandwichkonstruktionen mit Aluminiumschaum bereits für andere Anwendungen, beispielsweise für Werkzeugmaschinen und Gehäuse von Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen. Die Erfahrungen aus diesen Bereichen sollen auch für den Einsatz im Schiffbau genutzt werden.

Fertigung im Großformat

Nach Einschätzung der Forschenden bestehen für die Herstellung großvolumiger Bauteile keine grundlegenden technischen Hindernisse. Die gleichmäßige Verteilung der Poren im Schaumkern lässt sich inzwischen auch bei größeren Bauteilen kontrollieren. Dadurch können reproduzierbare Werkstoffeigenschaften sichergestellt werden.

Die Sandwichbauteile könnten beispielsweise mit Abmessungen von bis zu 2,0 mal 1,5 Metern vorgefertigt werden. Anschließend lassen sie sich mit gängigen Schweißverfahren wie dem Metallaktivgasschweißen, kurz MAG, zu größeren Baugruppen verbinden.

Die Material- und Prozesskosten liegen voraussichtlich über denen herkömmlicher Stahlplatten. Im Schiffbau könnten sich diese Mehrkosten jedoch durch die höhere Zuladung, die bessere Einsatzfähigkeit bei Niedrigwasser und mögliche ökologische Vorteile ausgleichen. Besonders relevant ist das vor dem Hintergrund, dass Perioden mit geringen Niederschlägen und niedrigen Pegelständen in den vergangenen Jahren häufiger aufgetreten sind.