article - Helmholtz

'ENTWICKLUNG WERKSTOFFE
Geschäumte Metalle: Vielfältig einsetzbar
Herstellung
vereinfacht
Geschäumte Metalle, im Prinzip bekannt seit den fünfziger
Jahren, fanden im Gegensatz
zu Kunststoffen bisher nur wenig Resonanz. Sie besitzen iedoch viele Eigenschaften, die
sie für eine Anwendung attraktiv machen.
Geschäumte Metalle erreichten
nicht die Bedeutung wie geschäumte Kunststoffe, obwohl sie
zahlreiche interessante Eigenschaften besitzen. Ihre geringe
Dichte, relativ hohe Festigkeit,
die gute Wärme- und Schallisolierung sowie die Fähigkeit zur
Stoßenergieabsorption ergeben
ein breites Anwendungsfeld. Zudem sind sie den Kunststoffen in
der Feuer- und Hitzebeständigkeil weit überlegen und auch gut
recyclierbar.
Mit einem neu entwickelten pul- Wird das Halbzeug in
vertechnologischen
Verfahren einer Hohlform
konnten auch die Schwierigkei- oufgeschöumt, füllt
ten beim Herstellen geschäumter der expandierende
Metalle überwunden werden. Schaum den HohlDer pulverförmige Ausgangs- raum völlig aus. So
werkstoffwird miteinem Treibmit- Iossen sich verschie·
tel gemischt, zu einem Halbzeug densie Formteile aus
Metollschaum herstel·
verdichtet und durch Umformen
len. Die Außenhaut ist
weiterverarbeitet.
Verdichtet geschlossen. Aufgrund
wird durch axiales Heißpressen der geringen Dichte
oder. Extrusion. Der entstandene von 0,3 bis 0,8 g/cm 3
Werkstoff ist makroskopisch nicht schwimmen die
von herkömmlichem Metall zu un- Körper im Wasser
terscheiden. Beim Erwärmen bis
nahe über den Schmelzpunkt jedoch schmilzt das Metall, das
Gas wird freigesetzt und der Aufschäumvorgang ausgelöst. Die
Schmelze expandiert und en tw ikkelt eine halbflüssige, schau m:c, ~
Konsistenz. Ist der gewünsci ,:6
Aufschäumgrad erreicht, wird
abgekühlt und die Schaumstruktur stabilisiert. Man erhält einen
porösen Werkstoff mit gleichmäßiger Porenstruktur.
Bei den mechanischen Eigenschaften fällt auf, daß die Festi qkeit und der E-Modul mit stei ge·: der Dichte stark ansteigen . f .Jßerdem spiegelt sich die höhe re
Festigkeit von A1Cu4 gegenüber
reinem Aluminium auch im
Schaum wieder. Die Leitfähigkeit
der Schäume ist gegenüber den
massiven Materialien stark reduziert, während der thermisc he
Ausdehnungskoeffizient unv, ·
ändert bleibt.
Eine Eigenschaft von Aluminiumschaum ist das günstige Verhältnis von Masse zu Steifigkeit. Diese Eigenschaft legt einen Einsatz
großflächiger Schaumbauteile
Ausgangspulver
INDUSTRIE 37/9 ".J
-\ '\ZEICEH
WERKSTOFFE ENTWICKLUNG
Jhe, bei denen die Anforderun~n an die Steifigkeit hoch sind.
~ispiele dafür sind die Bodenuppe im Kraftfahrzeug, MotorJuben, Kofferraumdeckel und
:hiebedächer. Diese Teile sollen
:h unter dem Einfluß etwa des
Jhrtwindes nicht elastisch verrmen oder gar anfangen zu
hwingen.
ne interessante Eigenschaftvon
luminiumschaum ist, das Knick1d Stauchverhalten von Metall)hlprofilen oder -teilen nachhal3 zu beeinflussen, wenn diese
it einem Kern aus diesem
:haum gefüllt werden . Das legt
nen Einsatz zur Versteifung von
oßstangen,
Unterfahrschutzementen von Lastwagen, KFZonstruktionselementen wie der
Säule oder anderen knick- oder
auchgefährdeten Hohlteilen na-
sem Bereich sind beispielsweise
Honigwabenstrukturen,
deren
Nachteile' mit entsprechenden
Konst~uktionen aus Aluminiumschaum vermieden werden könnten.
Die Tatsache, daß der nach dem
pulvermetallurgischen Verfahren
hergestellte Schaum geschlossenporig ist, führt dazu, daß er in
Wasser schwimmt. Dies war Ausgangspunkt für die Überlegung,
Alumiumschaum als Schwimmermaterial für Füllstandsmesser in
druck- und temperaturbelasteten
flüssigen Medien zu verwenden
und in Konkurrenz zu herkömmlichen aus Titanblech und Stützringen
zusammengeschweißten
Konstruktionen zu treten.
Hohe Steifigkeit
bei geringer Masse
:!.
n einer Erweiterung
der
:häumtechnik auf Schäume mit
ffener Porosität sowie auf
:häume aus höherschmelzenen Metallen (etwa Stahl) wird
erzeil gearbeitet. Offenporige
\etallschäume könnten als Die~lrußpartikelfilter,
Wärmetau:her oder Luftfilter dienen, falls
s gelingt, die offene Porosität
ntsprechend
einzustellen.
chäume aus Stahl kämen für
ochtemperaturanwendungen
'ir für die Isolation des Auspuff·ümmers oder als Katalysatoräger in Frage, bei denen der
chmelzpunkt von Aluminium zu
iedrig liegt.
~ontrollierte
chaumentwicklung
1 der
Luftfahrt und in noch stärke~m Maße in der Raumfahrt ist
as niedrige spezifische Geticht von Aluminiumschaum im
usammenspiel mit seinen günstien Eigenschaften der Grund für
ie Nachfrage aus diesen Gebiem. Biegesteife großflächige
trukturen könnten als Bodenplatm, Trennwände oder auch für
oezielle Konstruktionen, wie
um Beispiel Bordküchen, vertendet werden. Herkömmlich
erwendete Materialien in die~DUSTRIE 37/93
l\ZEI «; EH
Aus den günstigen mechanischen Dämpfungseigenschaften
der Aluminiumschäume und den
guten Schollabsorptionseigenschaften von irregulären Strukturen allgemein ergeben sich Anwendungen im Bereich der Kapselung von geräusch-und körperschallerzeugenden Aggregaten,
wie Motoren und Getrieben. Aufgrund der schon erwähnten reduzierten Wärmeleiteigenschaften
ist auch eine thermische Dämmung und Kapselung solcher Aggregate bei Temperaturen möglich, die mit Kunststoffen nicht erreichbar sind.
Weitere Anwendungen ergeben
sich fast zwangsläufig aus den
Eigenschaften der Aluminiumschäume. Beispielsweise wurde
ein Einsatz als Grundmaterial für
Kochtöpfe vorgeschlagen . Weiterhin ist es denkbar, sehr leichte
Walzen für die Druck- oder Papierindustrie durch Ausschäumen einer dünnen Blechhülse mit
Aluminium herzustellen.
Dr. John Banhart, Dipi.-Phys.
Joachim Baumeister und Dipl.lng. Markus Weber sind Mitarbeiter am Fraunhofer-lnstitut für
Angewandte Materialforschung
IFAM in Bremen
I
~~
Die oufgeschöumten
Körper hoben eine
geschlossenporige
Struktur. Werden sie
mit konventionellen
Aluminiumblechen
verbunden, entstehen
Sandwich-Verbundstrukturen, die rein
metallisch oder
geklebt sein können
Legierung
AJ99. 5
AJCu4
verwendetes Treibmittel
TiH2
TiH2
ausgehärtet
AJ99. 5 massiv
Wärmebehandlung des Schaumes
keine
Dichte
0.4 g/cml
0.7 g/cml
2.7 glcm 3
mittlerer Porendurclunesser
4mm
3 mm
-
Druckfestigkeit
'
Energieabsorption bei 30% Stauchung
3MPa
21 MPa
0.72MJ/ml
5.2M.Jfm3
=!.Sk.J/kg
=7.4k.Jikg
Elastizitätsmodul
2.4 GPa
7 GPa
67 GPa
dynamischer Verlustfaktor ( I kHz)
25·1o-'
--
<S· J0-4
34 rnl(n ·mm2)
elektrische Leitfähigkeit
2.1 rnl(n ·mm2)
3.5 rn!(n·mm2)
spezifischer elektrischer Wid erstand
48 fl!l ·cm
29 1t!1·cm
2.9 fl!l·cm
thermische Leitfahigkeit
12 W/(m·K)
..
235 W/(m K)
thermischer Au sdehnungskoeffizi ent
23· J06 1/K
24·1 06 1/K
23.6· 106 1/K
Typisch für die
spezifischen Eigenschohen der Aluminiumschäume sind die
Daten der drei
angeführten Legierungen. Sie zeigen zum
Beispiel das günstige
Verhältnis von Masse
zu Steifigkeit.
He r s t e llung
von Sc h a u mmeta ll
6
Me t allpulve r
Ein pulverförmiger
metallischer Ausgangswerkslaff wird
intensiv mit dem
Treibmitttel, beispielsweise Titanhydrid,
gemischt. Die so
erhaltene Mischung
wird unter kontrollierten Bedingungen zu
einem Halbzeug
verdichtet und kann
durch Umformen
weiter bearbeitet
werden (Bilder: IFAM)
Ausgangs materiali e n
Treibm itte l
Mische n
Kompa kti eren
a ufsch äum bares
Halbzeu g
Um f ormen
Au f s c lülume n
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