Metallschäume

Herstellung, Eigenschaften, Potenziale und Forschungsansätze – mit Schwerpunkt auf Aluminiumschäume

Günther Lange

• Verlag: De Gruyter
• Jahr: 2020
• eBook-ISBN: 9783110681796
• Auflage: 1
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Werkstoffwissenschaft

Metallschäume – insbesondere Aluminiumschäume – werden heute zur Klasse der porösen Metalle gezählt. Das Buch gibt einen Überblick über die verschiedenen Herstellungsmöglichkeiten, Eigenschaften und aktuelle Anwendungen bis hin zu Forschungsthemen der letzten Jahre für offen- und geschlossenporige Metallschäume.

1 Einleitung

Seit den 1990er‐Jahren ist das Thema „Leichtbau“ in den Ingenieur- und Werkstoffwissenschaften zunehmend in den Fokus von Forschung und Entwicklung gerückt. Der weltweit zunehmende Energieverbrauch zwingt uns zu einem schonenden Umgang mit den Ressourcen und der Energie. Die gesellschaftliche und industrielle Entwicklung, vor allem in China, hat in den letzten zehn bis 15 Jahren die Themen „Energie“ und „Ressourcenschonung“, insbesondere in den Bereichen Stahl, Aluminium und Seltene Erden, in den weltweiten Mittelpunkt gerückt. Der andauernde Bedarf nach Eisen- und Stahlwerkstoffen, die Investitionen in die Stahlerzeugung und -verarbeitung – hauptsächlich in Indien und China –, die schnell anwachsende Weltbevölkerung und das Wirtschaftswachstum trieben und treiben den Weltenergiebedarf in erschreckende Höhen.

Abb. 1.1 Weltstahlerzeugung aus dem Jahr 2008. Quelle: in der Abbildung

Die Abb. 1.1 zeigt den steigenden Energiebedarf in China u. a. durch einen starken Anstieg der Stahlerzeugung seit den 1990er‐Jahren. Im Jahr 2014 produzierte China ca. 50 % der Welt‐Rohstahlerzeugung (ca. 834 Mio. Tonnen Rohstahl) (Quelle: World Steel Association).

Abb. 1.2 Mögliche Anwendungen metallischer Schäume als Funktion der Porosität. Quelle: [39]

Aus den oben genannten Gründen sind wir zunehmend in Forschung und Entwicklung aufgefordert, Leichtbauthemen, besonders aus werkstoff‌licher Sicht, neu zu bewerten und neue Werkstoffe zu entwickeln. Eine reine Materialsubstitution (z. B. Aluminium anstelle von Stahl oder Magnesium anstelle von Aluminium) reicht heutzutage bei den komplexen Anwendungen und Eigenschaftsanforderungen (z. B. niedrige Dichte, hohe Festigkeiten und hohe Dehnungen, ein gutes Energieaufnahmevermögen, Korrosionsschutz, Verschleißfestigkeit u. a.) der Werkstoffe nicht mehr aus. Neue Werkstoffe und Verbundwerkstoffe mit definierten und angepassten Eigenschaften müssen zukünftig die geforderten Anforderungen erfüllen. Dadurch kommt auch dem Thema „Leichtbau“ eine zukünftig immer wichtiger werdende Bedeutung zu. Die bisher angewandten Leichtbaustrategien – Formleichtbau, Werkstoffleichtbau, Fertigungs- und/oder Strukturleichtbau und Konzeptleichtbau – müssen zukünftig angepasst, erweitert und sogar neu definiert werden, um auch den neuen Werkstoffen und Werkstoffsystemen gerecht zu werden. Dies trifft auch auf die zukünftigen Megatrends, wie z. B. Green Mobility und Silver Age, sowie auf weitere Industriebereiche, wie beispielsweise den Automobilbau, die Luft- und Raumfahrtindustrie und Bau- und Architekturanwendungen, zu. Durch diese gesellschaftlichen und energiepolitischen Entwicklungen können die metallischen Schäume bzw. porösen Metalle im Bereich der Werkstoffentwicklung zukünftig einen wichtigen Stellenwert einnehmen. Die bisher identifizierten Anwendungsfelder für offen- und geschlossenporige Metallschäume zeigt die Abb. 1.2. Als mögliche Anwendungsfelder wurden im Jahr 2002 u. a. Wärmetauscher, Filter, Katalysatoren, biomedizinische Implantate, Gleitlager und Energieabsorber identifiziert. Bis heute sind jedoch keine größeren Fortschritte erreicht worden.

Poröse metallische Werkstoffe decken heute alle Größenskalen ab. So werden heute nanoporöse Werkstoffe und Beschichtungen bis hin zu offen- bzw. geschlossenporigen Materialien mit mehreren Millimeter großen Zellen bzw. Poren hergestellt. Werkstoffe bzw. Halbzeuge aus Metallfasern wie auch aus Metallhohlkugeln (siehe Abschn. 4.2.6) werden heutzutage auch zu den porösen Werkstoffen gezählt. Die Abb. 1.3 zeigt einige Beispiele der Strukturtypen mit ihren Porengrößen.

Abb. 1.3 Strukturtypen und Porengrößen unterschiedlicher poröser Metalle (Metallfaser, offenporiger Metallschaum, Hohlkugelstruktur. Quelle: [165]

Lefevre [115] und Banhardt [41] geben jeweils einen guten, aber kurzen Überblick über die Entwicklung der Aluminiumschäume seit den 1950er‐Jahren. Die Anfänge der Metallschäume gehen aber bis in 1920er‐Jahre zurück (siehe auch Kapitel 2).

Das Interesse an dieser immer noch innovativen Werkstoffklasse zeigt auch Tab. 1.1 mit einer Auf‌listung der im Metallschaumbereich tätigen Unternehmen in den letzten ca. 15 Jahren. Allerdings ist eine industrielle Anwendung der metallischen Schäume immer nur in Prototypen oder Kleinstserien erfolgt.

Tab. 1.1Hersteller von Aluminiumschäumen.

Ein entscheidender Grund für die immer noch prototypenhafte Anwendung oder Kleinserienfertigung von porösen Metallen bzw. geschlossenporigen Aluminiumschäumen ist die ungleichmäßige Verteilung der Poren in Größe und Geometrie. Auch dadurch weisen die Metallschäume im Vergleich zu den entsprechenden Monomaterialien immer noch zu geringe mechanische Eigenschaften auf, was ihren Einsatz stark hemmt. Der Sandwichverbund mit einem Aluminiumschaumkern ist heute noch die bekannteste und am häufigsten eingesetzte Anwendung von Aluminiumschäumen. Die Abb. 1.4 zeigt für verschiedene Aluminiumschäume (hier als Kernschicht in einer Sandwichstruktur) die Schwankungen der Porengröße und -verteilung.

Abb. 1.4 Schnitte durch verschieden Sandwichstrukturen; Schwankungen der Porengröße und Verteilung in den Aluminiumschaumkernen aus industrieller Produktion. Quelle: [159].

Die Einflüsse auf die Porengröße bzw. -verteilung und damit einhergehend auch auf die mechanischen Eigenschaften werden in Abschn. 6.1 dargestellt und diskutiert.

2 Metallschäume von 1925 bis heute

In diesem Kapitel werden einige Patente, die die Entwicklung der Aluminiumschäume zeigen, beschrieben. Des Weiteren soll auch die Entwicklung der Herstellungsverfahren, Eigenschaften und Werkstoffe innerhalb der Metallschäume dargestellt werden. Diese Entwicklungen zeigen bis zum heutigen Tag deutlich das Potenzial dieser Werkstoffklasse.

Die Entwicklung der Metallschäume begann 1925 in Frankreich mit einem Patent von De Meller über die Herstellung erster metallisch aufgeschäumter Materialien. Das Patent wurde 1926 offengelegt [15]. Die Abb. 2.1 zeigt einige auf- und ausgeschäumte Bauteile (Fig. 1 bis 6) aus den Originalskizzen des Patents.

Abb. 2.1 Originalskizze aus dem Patent von De Meller, eingereicht 1925, veröffentlicht im Dezember 1926. Quelle: [15].

Im Jahr 1943 gelang es Benjamin Sosnick ...

Inhaltsverzeichnis

• Title Page
• Copyright
• Contents
• Danksagung
• 1 Einleitung
• 2 Metallschäume von 1925 bis heute
• 3 Motivation und Forschungsbedarf
• 4 Poröse Metalle und Metallschäume
• 5 Eigenschaften und Struktur
• 6 Forschungs- und Entwicklungsansätze
• 7 Zusammenfassung und Ausblick
• Stichwortverzeichnis