Aluminium Das Potential von Aluminiumschaum und seine Anwendung

Konstruktionen mit integriertem Aluminiumschaum sind leicht, absorbieren Energie und dämpfen Vibrationen und Geräusche. Umgesetzt wurden bisher endformnahe Schaumbauteile und dreidimensional formbare Sandwichstrukturen. Jetzt kommt die APM-Technologie hinzu. Mit ihr können die Aluminiumschäume in Form von Kugeln einfach, flexibel und kostengünstig für vielfältige Produkte genutzt werden.

Anbieter zum Thema

GGB Heilbronn GmbH

Franke GmbH

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angew. Materialforschung - IFAM -

Vergleicht man Metallschäume mit Polymerschäumen, so unterscheiden sie sich im Wesentlichen nur durch das metallische Matrixmaterial. Ein Metallschaumbauteil weist eine geschlossene Oberfläche und einen hochporösen zellularen Kern auf (vergleichbar mit z.B. menschlichen Knochen). Metallschäume können in einer Vielzahl an Verfahren hergestellt werden. Bei der pulvermetallurgischen Verfahrensroute wird ein Metallpulver mit einem Treibmittelpulver (z.B. Titanhydrid) homogen vermischt und zu einem expandierbaren Vormaterial mit ca. 98% Dichte kompaktiert. Wird dieses Vormaterial auf die Schmelztemperatur des Metalls erhitzt, setzt das Treibmittel bei der Erwärmung ein Gas (z.B. Wasserstoff) frei. Sobald das Metall schmelzflüssig wird, expandiert das Gas die Schmelze zum flüssigen Metallschaum. Anschließend wird der Metallschaum bei Erreichen der maximalen Schaumexpansion unterhalb Solidustemperatur des Metalls abgekühlt und so in die feste Phase überführt.

Endformnahe Aluminium-Schaumbauteile

Dieser Prozess kann in geeigneten Schäumformen erfolgen, so dass der expandierende Metallschaum die Innenkontur der Schäumform annimmt. Nach dem Erkalten kann das endformnahe Metallschaumbauteil aus der Form entnommen werden. Hauptanwendungsbereiche sind Leichtbau, Energieabsorption und Vibrations-/Schalldämpfung. So kann z.B. durch das lokale Einbringen eines Aluminiumschaums in eine PKW-A-Säule deren Energieabsorption, und damit die passive Sicherheit des Fahrzeugs, um 40% gesteigert werden. Ist Leichtbau das Ziel, wird die Blechstärke der A-Säule reduziert. Der damit verbundene Verlust an Energieabsorption wird durch den Metallschaumkern kompensiert, so dass das Niveau der passiven Sicherheit bei insgesamt verringertem Gewicht konstant bleibt oder geringfügig steigt.

Eine interessante Kombination aus Leichtbau und Schall-/Vibrationsdämpfung wird durch das gezielte Einbringen von Metallschaumsegmenten z.B. in Zahnrädern erreicht (Bild 1). Die Körperschallemission des Bauteils wird reduziert und in andere Frequenzbereiche verschoben. In einer Studie wurden Stahlzahnräder mit Aluminiumschaumsegmenten bestückt und verschiedenen Prüfläufen unterzogen. Im Vergleich zum konventionellen Zahnrad konnte eine Gewichtsreduktion um bis zu 30 % und eine Schallreduktion von bis zu 10 dB A durch die Integration der Aluminiumschaumsegmente erreicht werden. Diese vibrationsdämpfende Wirkung des Aluminiumschaums wird auch erfolgreich in Tragbalken und Fundamenten von Werkzeugmaschinen ausgenutzt, so dass neben der Verringerung der Geräuschemission auch eine erhöhte Bearbeitungspräzision erzielt wird.

Aluminiumschaum-Sandwich AFS

Eine weitere Möglichkeit, Aluminiumschaum für den Leichtbau anzuwenden, ist das so genannte Aluminiumschaum-Sandwich AFS (Aluminium Foam Sandwich). Dabei werden zwei Decklagen einer konventionellen Aluminiumlegierung mit einer mittleren Kernlage aus expandierbarem Aluminium durch Walzplattieren verbunden. Aus diesem dreilagigen Vormaterialverbund kann mit konventionellen Blechumformverfahren ein komplex geformtes Blechteil hergestellt werden. In einer nachfolgenden Wärmebehandlung wird die Kernlage zum Aluminiumschaum expandiert (Bild 2). So werden ohne Gewichtszunahme die Blechdicke und damit das für die Biegesteifigkeit entscheidende Flächenträgheitsmoment vervielfacht. Dieser für den Leichtbau ideale Werkstoffverbund wurde u.a. in einem Hubarmhalter einer mobilen Arbeitsbühne verbaut. So konnte am Hauptmast der Bühne Gewicht eingespart werden, das gleich wieder in einen verlängerten Arm investiert wurde. Die mobile Arbeitsbühne bleibt unterhalb der Gewichtsgrenze für den PKW-Führerschein und weist eine im Vergleich zum Wettbewerb deutlich größere Reichweite auf.

Advanced Pore Morphology Technologie (APM)

Größte Hürde für eine größere Verbreitung von Aluminiumschäumen über die genannten Beispielanwendungen hinaus waren bisher die aufwändige und schwierig zu automatisierende Erzeugung bzw. Weiterverarbeitung der Schaumbauteile sowie die damit verbundenen erhöhten Kosten. Die Fragestellung, wie die einzigartige Eigenschaftskombination der Metallschäume einfach, flexibel und kostengünstig in einer Vielzahl unterschiedlicher Produkte genutzt werden könnte, führte das Fraunhofer IFAM zum neuartigen Advanced Pore Morphology (APM) – Technologiekonzept.

APM-Metallschaumbauteile (Bild 3) bestehen aus einer Vielzahl kleinvolumiger, bis zu 4 cm3 großen Metallschaumkugeln, die durch einen separaten Prozessschritt, beispielsweise Kleben, miteinander verbunden werden. Der verklebte APM-Schaum weist weitgehend gleiche Eigenschaften wie andere Metallschäume auf. Vergleichbar zu den bisher bekannten Metallschäumen können APM-Schäume pur, als Komponente in einer Verbundstruktur oder als Kernlage in leichtgewichtigen Sandwichverbunden eingesetzt werden.

Herstellung und Verarbeitung der Aluminiumkugeln

Das einzelne Schaumelement wird aus einem Vormaterialgranulatpartikel in einem Ofen expandiert und kann in einem nachfolgen Prozess z.B. mit einem thermoplastischen Klebstoff beschichtet werden. Wird eine Vielzahl derartig beschichteter Elemente in eine Form bzw. Hohlstruktur geschüttet und erwärmt, so schmilzt die Klebstoffbeschichtung auf. An den Kontaktflächen zweier benachbarter Elemente verbindet sich die Klebstoffbeschichtung, sodass nach dem Erkalten insgesamt eine „verklebte“ Schaumelementschüttung und damit das APM-Bauteil bzw. die APM-gefüllte Verbundstruktur entsteht. Eine metallische Verbindung ist durch Einsatz von Flussmitteln/Loten ebenfalls denkbar.

Die Vorteile der APM-Technologie für den Konstrukteur

Ein bestimmter Typ von Schaumelementen kann für eine Vielzahl von verschiedenartigen APM-Bauteilen eingesetzt werden. Der Endanwender bezieht die einsatzfertigen APM-Schaumelemente von einem spezialisierten Anbieter und muss nicht notwendigerweise Kenntnisse zur Metallschaumexpansion erwerben. Die Metallschaumbauteile werden durch eine vergleichsweise einfache Fügeoperation (z.B. Kleben) erzeugt. Diese Aufteilung der Fertigungsprozesskette ist ideal für den Schaumelementfertiger, der eine Anlage mit vielen Anwendern auslasten kann, und die Endanwender, die fertig expandierte und flexibel in verschiedenen Bauteilen/Geometrien verarbeitbare APM-Schaumelemente kostengünstig beziehen.

*Dipl.-Phys. Joachim Baumeister arbeitet am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung in Bremen

(ID:209285)