Metallschaumzentrum

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

© Bernd Müller/Fraunhofer-Gesellschaft

Das Metallschaumzentrum des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik in Chemnitz ist Ansprechpartner für die Entwicklung von Leichtbaukonzepten und Baugruppen mit Metallschaum. Dafür bieten wir Ihnen ein komplettes Dienstleistungsportfolio an, das von der Ideen-Entwicklung über die Konstruktion und Simulation bis hin zur Baugruppenfertigung und experimentelle Eigenschaftsanalyse reicht. Natürlich beraten wir Sie auch gern bezüglich alternativer Werkstoffkonzepte und bei Fragen rund um den Werkstoff.

Metallschaum ist ein hochporöser Werkstoff, der gleich den Vorbildern in der Natur – zum Beispiel Holz und Knochen – sehr leicht ist. Aufgrund der zellularen Struktur absorbieren die Metallschäume hervorragend Energie in Form von Schwingungen, Stoß und Schall. Gegenüber Kunststoffschäumen sind die Metallschäume in der Regel deutlich stabiler und temperaturbeständiger. Die Schäume eignen sich auch gut für die Abschirmung elektromagnetischer Wellen.

Stand der Technik sind Schäume auf der Basis von Aluminium, die in Abhängigkeit vom Herstellungsverfahren Dichten von weniger als 0,5 g/cm3 aufweisen können.

Meist wird der Schaum im Verbund mit Stahl oder Aluminium in Form von Sandwiches angeboten. Die Sandwiches weisen eine vielfach höhere Biegesteifigkeit als massive Bleche bei gleichzeitig geringem Gewicht auf. Daraus ergeben sich Anwendungsfelder in zahlreichen steifigkeits- und crashrelevanten Bereichen.

Am Ende ihrer Lebenszeit können die Schäume und Schaumverbunde problemlos in bestehende Materialkreisläufe überführt werden.

Die Herstellung metallischer Schäume ist nach verschiedenen Verfahren möglich. Es wird in die schmelzmetallurgischen und die pulvermetallurgischen Verfahren unterschieden.

Pulvermetallurgische Prozesskette

Die pulvermetallurgische Verfahrensroute der Schaumherstellung beinhaltet das Mischen eines Metallpulvers (z. B. Al) mit einem Gas abspaltenden Treibmittel (z. B. Titanhydrid). Weitere Zusätze dienen meist der Schaumstabilisierung. Das Pulvergemisch wird anschließend verdichtet und in einem Wärmebehandlungsprozess aufgeschäumt. Für Aluminiumschäume liegt die Volumenzunahme bei etwa dem 5fachen des Ausgangsvolumens – entsprechend werden Schaumdichten von etwa 0,5 g/cm³ erreicht.

Schmelzmetallurgische Prozesskette

Bei der schmelzmetallurgischen Schaumherstellung wird der Schaum durch das Einblasen in eine Metallschmelze erzeugt. Die Herstellung zellularer Strukturen ist auch nach der Platzhaltermethode realisierbar.

Idee

Die Kunden haben häufig die besten Ideen, welche Gestaltungs- und Einsatzmöglichkeiten für Metallschäume bestehen. Vielleicht können aber auch wir Sie aufgrund unserer täglichen Arbeit mit diesem neuen Werkstoff zu neuartigen Lösungen inspirieren.

Entwurf / Simulation

Wir unterstützen Sie gern beim Entwurf Ihrer Baugruppe. Mit Hilfe der FE-Methode simulieren wir nach Wunsch das Bauteilverhalten statisch, dynamisch und thermisch. So werden Schwachpunkte bereits im Entwicklungsstadium erkannt und können beseitigt werden. Wir bieten Ihnen die Berechnung mehrerer alternativer Varianten und einen Relativvergleich zur Originalkonstruktion. Durch die Modifikation der Schaumdichte können die Eigenschaften in gewissen Grenzen variiert und somit an den jeweiligen Einsatzfall angepasst werden.

Konstruktion

Wir konstruieren die entworfenen Baugruppen nach Ihren Wünschen. Dies beinhaltet Entwurfs-, Einzelteil- und Zusammenbauzeichnungen sowie die Stücklisten. Die Daten können als Pro/ENGINEER®- oder AutoCAD®-Dateien übergeben werden.

Wenn der Kunde die Konstruktion selbst übernehmen möchte, bieten wir eine Beratung zur schaumgerechten Gestaltung der Bauteile an. Wir unterstützen Sie auch bei Fragen zum Fügen der Schaumkomponenten mit den anderen Halbzeugen der Baugruppe.

Fertigung

Wir nutzen für die Metallschaumherstellung , in der Regel Aluminiumschaum, bevorzugt das pulvermetallurgische Verfahren.

Für die Fertigung stehen mehrere Öfen zur Verfügung, in denen diskontinuierlich und auch kontinuierlich Bauteile geschäumt und auch wärmebehandelt werden können.

Bauteile können direkt ausgeschäumt bzw. geschäumt werden. Große Baugruppen werden vorzugsweise aus vorgefertigte Schaumhalbzeugen wie Sandwiches und ausgeschäumte Profilen gefügt.

Dazu werden die Halbzeuge entsprechend den Anforderungen geschäumt, zugeschnitten und in der Regel durch Verschweißen miteinander gefügt.

Experimentelle Eigenschaftsanalyse

Wir bieten Ihnen an, die hergestellten Bauteile einzeln oder im eingebauten Zustand zu untersuchen. Dabei sind statische, dynamische und thermische Messungen möglich.

Als Ergebnisse bieten wir Ihnen Aussagen zu: 

  • Nachgiebigkeiten
  • Verformungsanteilen
  • Schwachstellenanalysen
  • Nachgiebigkeitsfrequenzgängen
  • Eigenfrequenzen
  • Eigenschwingformen
  • Dämpfungsverhalten
  • Betriebsschwingungsanalysen
  • Thermischer Verformung
  • Temperaturverteilungen
  • Akustisches Verhalten

Bietet der Aluminiumschaum nicht die gewünschten Effekte?

In diesem Fall beraten wir Sie bei der Auswahl anderer Werkstoffe  und führen auch gern vergleichende Werkstoffstudien durch.

Sandwiches mit Aluminiumschaumkern und Stahl- bzw. Aluminiumdeckblechen eignen sich hervorragend für Leichtbaukonstruktionen. Der leichte Aluminiumschaumkern wirkt als schubsteifer Kern, der die Decklagen auf definiertem Abstand hält. Die massiven Decklagen nehmen die wirkenden Lasten auf. Da das Kernmaterial eine geringe Dichte aufweist, sind die Halbzeuge gegenüber massiven Stahlplatten bei gleicher Tragfähigkeit deutlich leichter. Dieser Vorteil in Kombination mit dem guten Energieabsorptionsverhalten prädestiniert diese Halbzeuge für den Werkzeugmaschinenbau – einen anerkannten Anwendungsfall stellen Maschinenschlitten dar.

Der Metallschaum ist auch als Wand- und Deckenelement im Bauwesen – erweitert mit Komfortfunktionen wie Wärmspeicherung und Brandschutz – nutzbar.

Aufgrund seiner zellularen Struktur ist der Schaum als Crashabsorber prädestiniert. Erst nach einem hohen Umformgrad werden tragende Strukturen von PKW und Nutzfahrzeugen in Mitleidenschaft gezogen.

Das Potenzial des Schaums ist damit noch nicht erschöpft. Die Schaumbildung ist mit einer großen Volumenexpansion verbunden. Da der Schaum so große Spalte überbrücken und einen Stoffschluss mit Metallen eingeht, fungiert das Material ähnlich einem Kleber als Fügewerkstoff.

 

Anwendungsgebiet Einsatzbereich
Automobilbau Knotenbereiche, Längsträger, Crashabsorber
Maschinenbau Bewegte, schwingungsanfällige Baugruppen
Bauindustrie Leichte Decken- und Wandelemente mit integrierten Komfortfunktionen, z.B. Wärmespeicherung und Brandschutz
Schiffbau Luken, Türen, Spanten, Aufbauten
Schienenfahrzeuge Bodenplatten, Crashabsorber, komplette Frontmodule
Design Trennwände, Schmuck, Dekoration

 

Wir fertigen Sandwiches, ausgeschäumte Profile und komplexe Baugruppen auf Kundenwunsch. Sandwiches mit Stahldeckblechen können in einem Stück mit flächigen Abmessungen bis maximal 2.500 mm x 1.250 mm geschäumt werden. Größere Abmessungen sind durch Fügen mittels Schweißens realisierbar. Je nach flächiger Abmessung werden Schaumkernhöhen bis etwa 50 mm erreicht.

Ist eine Wärmebehandlung der Decklagen des Sandwiches nicht gewünscht oder möglich, fertigen wir auch geklebte Verbunde her. Gegenüber den direkt geschäumten Verbunden wird eine verbesserte Ebenheit erreicht.

Ausgeschäumte Profile können mit einer Länge von maximal 6 m gefertigt werden. In der Regel stellen wir Schäume aus Aluminiumlegierungen her. Aber auch Schäume anderer Basislegierungen, z. B. Zink und Kupfer, bieten wir auf Anfrage an.

Indirekte Strangpresse

  • NE-Metall-Presse
  • Presskraft: 6,3 MN
  • Blockdurchmesser: 100 mm
  • max. Pressquerschnitt: 50 mm

 

Durchlaufofen

  • Maximaltemperatur: 800 °C
  • Durchlass: 1.200 mm x 530 mm
  • beheizbare Länge: 8.000 mm (3 beheizbare Kammern)
  • drei separate Heizzonen je Kammer mit Luftumwälzung
  • eine Kühlkammer mit Luftgebläse
  • Ofenatmosphäre: Luft

Infrarot-Strahlungsofen

  • erreichbare Bauteiltemperatur ca. 1.000 °C
  • Fläche: 2.500 mm x 1.250 mm
  • Ofenatmosphäre: Luft

 

Kammeröfen

(2 Anlagen)

  • Maximaltemperatur: 1.000 °C
  • Nutzraum: 2.200 mm x 1.600 mm x 1.200 mm
  • fünf separate Heizzonen mit Luftumwälzung
  • Ofenatmosphäre: Luft

 

Vakuumgießanlage mit Hochtemperaturofen

  • Kippgießanlage mit Induktionsschmelzkammer und beheizbarer Gießform
  • geeignet für Titanlegierungen und Edelstahl
  • Maximaltemperatur Schmelztiegel: 1.750 °C
  • Maximaltemperatur Gießform: 1.750 °C
  • Schmelzvolumen ca. 5 l
  • Vakuum: 5 x 10-3 mbar
  • Schutzgase: Argon, Stickstoff

Ausgewählte, aktuelle Publikationen

S. Rybandt, J. Hohlfeld, O. Andersen, H. Göhler, G. Kaufmann, C. Schulze
Multifunktionale Leichtbauelemente aus zellularen Werkstoffen für innovatives Bauen
Bauingenieur 88 (2013) 10, S. 420-434

T. Hipke, J. Hohlfeld, S. Rybandt
Functionally Aluminum Foam Composites for Building Industry
MetFoam 2013 - 8th Conference on Porous Metals and Metallic Foams; June 23 - 26, 2013; Raleigh, North Carolina, USA

C. Hannemann, S. Rybandt, J. Hohlfeld
Aluminum foam - a material for the building industry?!
Presentation held at Building Solutions World Congress; 22-24 May 2013, Barcelona; Construmat 2013

J. Hohlfeld, R. Meltke, C. Lies
Neue Werkstoffe für den Werkzeugmaschinenbau
Ingenieurspiegel (2013) 3; S. 28-29

F. Pabst, C. Rotsch, C. Hannemann
Biomechanical characterization of porcine trachea. First investigations towards the development of an individual tracheal implant
Presentation held at Spanisch-Deutsche Gesellschaft für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, 13-15 September 2012, Dresden

T. Hipke, G. Lange, R. Poss
Taschenbuch für Aluminiumschäume
1. Auflage; Aluminium-Verlag; 2007