Metallschäume mit hoher Steifigkeit

Future - Leichtbau

Metallische Schaumstrukturen bieten vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten und wiegen allein durch ihre Struktur deutlich weniger als Festkörper. Ziel eines Forschungsprojekts von Leichtbau BW ist die Entwicklung von Leichtbauwerkstoffen auf Basis offenporiger Schäume für Industrieanwendungen.

17. Oktober 2017
Digitalmikroskopische Aufnahme des strukturellen Aufbaus eines offenporigen Metallschaumes IWWT. Bild: Hochschule Pforzheim
Bild 1: Metallschäume mit hoher Steifigkeit (Digitalmikroskopische Aufnahme des strukturellen Aufbaus eines offenporigen Metallschaumes IWWT. Bild: Hochschule Pforzheim)

Durch die Kombination von Metallschäumen mit anderen Stoffen können maßgeschneiderte Materialien entwickelt werden, deren Eigenschaften ganz gezielt auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden können – von der Fahrzeugindustrie über den Maschinenbau bis zur Luft- und Raumfahrt.

Neue Kombinationen, neue Verfahren

Im ganzheitlichen Ansatz werden die Forscher des neuen baden-württembergischen Forschungsprojekts und Verbundvorhabens »Innovative Schaumstrukturen für effizienten Leichtbau« (Insel) in den kommenden Jahren auf der Basis von offenporigen Metallschäumen eigenständige zelluläre Leichtbauwerkstoffe und Komposite mit inhärentem Stützgerüst entwickeln.

Parallel dazu soll ein neues Verfahren umgesetzt werden, mit dem monodisperse Polymerschäume durch den Einsatz von Tensiden hergestellt werden können. Dieses Verfahren soll zur Substitution des spezifischen Herstellungsprozesses von Gussmodellen für die zellulären Leichtbaustrukturen dienen und in Verbindung mit dem Feingussverfahren auch eine genau definierte und reproduzierbare Schaumstruktur ermöglichen.

Große Oberflächen mit speziellen Funktionen

Bei offenporigen Metallschäumen gibt es zwischen den einzelnen Zellen keine Trennwände mehr. Dadurch ist eine Durchlässigkeit für weitere Stoffe gewährleistet. Zudem kann die sehr große Oberfläche für funktionale Zwecke dienen, das heißt, die mechanischen Eigenschaften des Metallschaums lassen sich mit weiteren Merkmalen kombinieren.

Metall plus Keramik– oder umgekehrt

Im Rahmen von Insel geht es jetzt darum, die Eigenschaftsprofile von Metallschäumen zu schärfen und zu verbessern. Dafür wird es mehrere Teilprojekte geben, wobei teilweise die metallischen Stege mit einer Zweitphase, zum Beispiel in Form leichter Keramiken, versehen werden sollen, um die Festigkeiten zu steigern, oder die nichtmetallische Phase durch einen weiteren Werkstoff infiltiriert wird.

So kann man beispielsweise einen Matrixwerkstoff mit guten Dämpfungseigenschaften mit einer netzwerkartigen und hochfesten Stützstruktur vereinen. »Wir nehmen die offenporigen Metallschäume, wie sie bereits bekannt sind, modifizieren sie durch die Entwicklung neuer Verfahren, um Werkstoffkombinationen zu erzielen, die es bislang so nicht gab«, sagt der Sprecher des Forschungsverbundes, Prof. Dr. Norbert Jost von der Hochschule Pforzheim. »Das Potenzial und die Anwendungsvielfalt dieser neuen Werkstoffe scheint nahezu unerschöpflich.«

Offenporige Metallschäume eignen sich durch die Kombination des Basismaterials in Verbindung mit ihrer Struktur für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten, wozu neben den Bereichen der Wärme-/Kältetechnik und medizinischen Implantaten auch Stoß-/Crashabsorber und Strukturleichtbau zählen.

Ganz neue Eigenschaften

Im Leichtbau liegt der Fokus darauf, die Steifigkeiten ohne zusätzlichen Materialaufwand effizient zu steigern und die Festigkeiten unter verschiedenen Belastungsmodi zu verbessern.

In diesem Zusammenhang bieten offenporige Metallschäume vielversprechende Eigenschaften. Hervorzuheben sind dabei die hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit. So werden beispielsweise bei identischer Belastung durch Druck und Biegung in Abhängigkeit der dadurch induzierten Dehnung, Gewichtseinsparungen von 50 Prozent im Vergleich zu Festkörpern erzielt. Des Weiteren haben offenporige Metallschäume ein ausgezeichnetes Dämpfungsverhalten.

Gefördert mit 1,5 Millionen Euro

Das Insel-Projekt wird als Zentrum für angewandte Forschung mit 1,5 Millionen Euro durch das Land Baden-Württemberg und Strukturfondsmittel der Europäischen Union gefördert. Die Hochschulen Pforzheim, Karlsruhe und Reutlingen schließen sich zusammen mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), dem Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Institut an der Universität Tübingen sowie dem Fraunhofer Institut für Chemische Technologie (ICT) in Pfinztal-Berghausen.

Geplant ist eine mittelfristige Umsetzung der entwickelten Leichtbauwerkstoffe an gezielten industrienahen Anwendungen sowie die Anwendung der entwickelten monodispersen Polymerschäume als formgebende Ursprungsmodelle für die zellulären metallischen Werkstoffverbunde. Interessierte Unternehmen, die sich im Projekt einbringen wollen, sind erwünscht.

Um die Marktpotenziale und Fertigungsmöglichkeiten der neuen Werkstoffe anwendungsnah weiterzuentwickeln, beteiligen sich auch zahlreiche Unternehmen an dem Vorhaben, darunter unter anderem Indutherm Giesstechnologie aus Walzbachtal, Tinnit und BTE aus Karlsruhe sowie Mayser in Lindenberg und Cirp aus Heimsheim. Der Austausch zwischen Theorie und Praxis wird in dem Projekt auch durch die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg sowie die Industrie- und Handelskammern Nordschwarzwald und Karlsruhe begleitet.

Nach dem Projektauftakt ist einmal jährlich ein öffentliches Insel-Symposium geplant mit Fachvorträgen der Arbeitsgruppen und ausgewählten themenspezifischen Gastvorträgen.

www.leichtbau-bw.de

Zahlen & Fakten

Zentren für angewandte Forschung an Hochschulen für angewandte Wissenschaften sind interdisziplinäre, hochschul- und fakultätsübergreifende Forschungsverbünde. Sie werden vom baden-württembergischen Wissenschaftsministerium über einen Zeitraum von drei Jahren finanziert. Bisher wurden landesweit 11 Zentren für angewandte Forschung an verschiedenen Hochschulen gefördert. Dafür wurden Fördermittel in Höhe von 26,5 Millionen Euro zur Verfügung gestellt (davon 8,75 Millionen Euro EU-Mittel sowie 17,75 Millionen Euro Landesmittel).

Erschienen in Ausgabe: 06/2017