Alu-Schaum als Kitt in Lampen

Bisher zielte der Einsatz von Aluminiumschaum besonders auf den Leichtbau und die Schwingungsdämpfung. Das Potenzial dieses Werkstoffes ist jedoch viel größer.

Da das Material beim Schäumen ein Vielfaches an Volumen gewinnt, kann es problemlos große Spaltmaße überbrücken. Hinzu kommt, dass Alu-Schaum bis etwa 500 °C thermisch beständig ist, sich im Schäumprozess mit anderen Metallen verbinden kann und beim Abkühlen immens schrumpft. Gegenüber zahlreichen Medien zeigt er eine hohe Beständigkeit. Fasst man diese Fakten zusammen, drängt sich der Gedanke „Aluminiumschaum – ein Fügewerkstoff“ geradezu auf.

Die Richtigkeit dieses Ansatzes unterstreicht die im folgenden vorgestellte Entwicklung der Osram GmbH, Berlin, mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU), Chemnitz. Sie ist ein schönes Beispiel für die Vielseitigkeit des Konstruktionswerkstoffs Aluminiumschaum und für das Potenzial interdisziplinärer Lösungsansätze.

Die Sparte Display/Optic von Osram stellt in Berlin Hochdruckentladungslampen von 50 bis 18 000 W her. Ihr Einsatzbereich reicht von medizinisch-wissenschaftlichen Applikationen über Home Entertainment und Film-Anwendungen bis hin zur effektvollen Aus- und Anleuchtung von Konzerten, Veranstaltungen und Großereignissen.

Im Leistungsbereich oberhalb 100 W stoßen die Lampenwerkstoffe jedoch schnell an ihre Belastbarkeitsgrenze. Das sogenannte Entladungsgefäß – von der Funktion her mit der Glühbirne zu vergleichen – erreicht außen Temperaturen von mehreren 100 °C. Statt normalem Glas (wie bei herkömmlichen Glühlampen) wird aus diesem Grund je nach Einsatzgebiet Quarzglas oder Keramik für das Entladungsgefäß verwendet. Gehalten wird es beidseitig von Schäften, die mit metallischen Sockelhülsen kontaktiert sind. Aufgrund der hohen Temperaturen sorgen üblicherweise Kleber auf mineralischer Basis für die Verbindung. Organische Kleber kommen nicht in Frage, weil ihre Temperaturgrenzen deutlich überschritten werden, etwa bei einer Fehlfunktion der Leuchte oder bei einigen Anwendungen sogar im Routine-Betrieb. Lediglich mineralische Kittsorten erfüllen bisher einigermaßen befriedigend die Anforderungen nach leichter Verarbeitung, Ausbildung einer robusten Verbindung, thermischer und mechanischer Beständigkeit sowie nach Langzeitstabilität. Der begrenzte Verarbeitungszeitraum dieser Keramik-Kleber (Topfzeit) ist jedoch ein Nachteil. Nachteilig sind außerdem der langwierige Ausheizprozess zum Aushärten und die teilweise unbefriedigende Langzeitstabilität unter schwierigen klimatischen Bedingungen. Hinzu kommt, dass sich bei einigen Lampen- und Sockelgeometrien der Verklebprozess nur sehr schwer automatisieren lässt.

Eine Lösung dieses Problems bietet Aluminiumschaum, der nach dem schmelz-pulvermetallurgischen Verfahren gefertigt wird: Aluminiumbasispulver wird mit einem Treibmittel vermischt und zu schäumbaren Strängen verpresst. Eine Wärmebehandlung dieser Stränge löst dann das Schäumen aus. Da das Vormaterial mit nahezu beliebiger Geometrie hergestellt werden kann, lässt es sich auch in Form einer Hülse auf das Entladungsgefäß aufschieben. Dieser lose Verbund wird in den zu kontaktierenden metallischen Sockelhülsen positioniert. Initiiert durch eine Wärmebehandlung schäumt die Vormaterialhülse auf und überbrückt den Spalt zwischen Entladungsgefäß und Sockelhülse. Die dabei entstehende Verbindung erhält ihre Stabilität durch das Aufschrumpfen des Alu-Schaums auf dem Entladungsgefäß, und weil sich eine metallische Bindung zwischen Schaum und Metallhülse bildet.

Das Sockeln mit Alu-Schaum lässt, wenn induktiv geführt, kurze Prozesszeiten mit einer einfachen Prozessführung zu und birgt daher ein erhebliches Rationalisierungspotenzial: Die Prozesszeiten für das Schäumen und Verbinden liegen unter 1 min, während beim Einsatz des mineralischen Klebers mit mindestens 30 min gerechnet werden musste (jeweils einige 10 min für Topfzeit und Aushärtezeit). Da die Lagerzeiten des zu schäumenden Vormaterials prinzipiell unbegrenzt sind, sinkt der Aufwand für Logistik und Lagerhaltung. Der Metallschaum behält seine Festigkeit auch unter tropischen Bedingungen langfristig bei und vereinfacht damit das Lagern der fertigen Lampen in Gegenden mit schwierigem Klima.

Interne Untersuchungen bei Osram haben gezeigt, dass die mit Alu-Schaum gesockelten Lampen die geforderten Standzeiten von 1500 h problemlos erreichen und die Anforderungen an Temperaturbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und Festigkeit ohne Weiteres erfüllen.