Die markanteste Eigenschaft der Werkstoffgruppe der Metallschäume ist ihre geringe Dichte im Vergleich zum Vollmaterial. Daneben weisen Metallschäume auch sehr gute Crash-Eigenschaften auf: Sie haben ein hohes Potenzial, kinetische Energie durch Deformation zu absorbieren.
Metallschäume bieten damit die Möglichkeit, beispielsweise Karosseriebauteile, die bei einem Crash die Energie des Aufpralls aufnehmen und so die Insassen schützen sollen, hinsichtlich ihrer Steifigkeit und Wandstärken ganz neu auszulegen. Hier werden deutliche Leistungssteigerungen möglich. Durch Kombinieren einer strukturgebenden Außenhülle mit einem ausgeschäumten Innenvolumen lassen sich das Energieaufnahmepotential und die Steifigkeit enorm verbessern, ohne zugleich die Masse zu erhöhen. Im Gegenteil: Im Vergleich zu massiven oder dickwandigeren Bauteilen lässt sich das Bauteilgewicht sogar reduzieren.
Das Institut für Werkstoffkunde (IW) der Leibniz Universität Hannover arbeitet zurzeit daran, die Fertigungseffizienz solcher Metallschaum-Bauteile deutlich zu steigern. Ein neues Herstellverfahren, das im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekts erforscht wird, ist das prozessintegrierte Ausschäumen von Hohlprofilen in einem Verbundstrangpressprozess. Dabei wird ein modifizierter Pressblock aus einer Aluminiumknetlegierung zusammen mit einem schäumbaren Halbzeug zu einem Hohlprofil umgeformt. Das Innenvolumen dieses gepressten Profils wird in einer anschließenden Wärmebehandlung vollständig und kontrolliert ausgeschäumt. Die Quer- und Längsansicht im Bild zeigen das Ergebnis.
Beliebige Profile lassen sich während der Herstellung ausschäumen
Diese Prozesskette ermöglicht es somit, nahezu beliebige Profilgeometrien während der Herstellung auszuschäumen. Dabei ergibt sich insbesondere auch eine feste, metallurgische Anbindung des Metallschaumwerkstoffs an die tragende Außenstruktur. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit, fertig bearbeitete Schaumelemente nachträglich in ein Hohlprofil einzukleben.
Ein bisher noch nicht untersuchtes Potential, das Metallschäume aufgrund Ihrer Porenmorphologie aufweisen, ist ihre Verwendung als Anbindungsstruktur für artfremde Materialen, um eine möglichst feste Verbindung zu erzeugen. Dieser Thematik nimmt sich das Projekt „HyFunk“ des IW in Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) der TU Braunschweig an. In dem Projekt werden kontinuierlich erzeugte Aluminium-Strangpressprofile im 3D-Druck zu maßgeschneiderten, an die Anwendung angepassten Bauteilen veredelt. Als additives Verfahren kommt das drucklose Extrudieren von Polymerwerkstoffen zum Einsatz.
3D-gedruckter Kunststoff dockt an Metallschaumporen an
Für die besonders gute Anbindung und Kraftübertragung zwischen Profil und additiv gefertigten Polymerkomponenten soll eine schäumbare Randzone auf dem Strangpressprofil sorgen. Nach dem lokalen Aufschäumen fungieren mechanisch geöffnete Metallschaumporen als Verbindungsstruktur durch Verklammerung.
Über die Aufschäumparameter lässt sich einerseits die Porengröße gezielt einstellen. Über die Stellgrößen des additiven Extrudierprozesses wird andererseits das Füllverhalten des Kunstoffs in den Metallschaumporen beeinflusst. Erste Hybridproben zeigen makroskopisch bereits eine vielversprechende Anbindung zwischen den verschiedenen Werkstoffklassen.
Zum Forschungsschwerpunkt „Biomedizintechnik und Leichtbau“ am IW
Kontakt:
Institut für Werkstoffkunde
An der Universität 2
30823 Garbsen
Tel.: +49 511 762–4312
www.iw.uni-hannover.de
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