Metallische Schaumstrukturen bieten enormes Anwendungspotenzial

Metallische Schaumstrukturen bieten vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten und weisen allein schon durch ihre Struktur ein deutlich geringeres Gewicht auf als Festkörper. Durch die Kombination mit anderen Stoffen können maßgeschneiderte Materialien entwickelt werden, deren Eigenschaften und Verhalten ganz gezielt auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden können – von der Fahrzeugindustrie über den Maschinenbau bis zur Luft- und Raumfahrt, in der Energietechnik wie auch in der Biomedizin. Dies ist Gegenstand des neuen baden-württembergischen Forschungsprojekts und Verbundvorhabens "Innovative Schaumstrukturen für effizienten Leichtbau" (InSeL). Ziel ist die Entwicklung von funktionsoptimierten Leichtbauwerkstoffen auf der Basis von offenporigen Schäumen für industrienahe Anwendungen.

Die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg präsentiert diese Innovation mit ihrem ThinKing im März 2017. Die Leichtbau BW GmbH gibt mit diesem Label monatlich innovativen Produkten oder Dienstleistungen im Leichtbau aus Baden-Württemberg eine Plattform. Im ganzheitlichen Ansatz werden die Forscher 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.

Metallschaum-Oberfläche dient funktionalen Zwecken

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, dadurch lassen sich die interessanten mechanischen Eigenschaften des Metallschaums mit weiteren Eigenschaftsmerkmalen kombinieren. Im Rahmen von InSeL geht es nun darum, die Eigenschaftsprofile von Metallschäumen zu schärfen und auch zu verbessern. Dafür wird es mehrere Teilprojekte geben, wobei teilweise die metallischen Stege mit einer Zweitphase (z.B. in Form von leichten Keramiken) versehen werden sollen, um die Festigkeiten zu steigern oder die nichtmetallische Phase (wobei es sich bei offenporigen Schäumen lediglich um Luft handelt) durch einen weiteren Werkstoff infiltriert wird.

Große Anwendungsvielfalt der neuen Werkstoffe

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 – und eben auch genau im Bezug zum Thema Leichtbau – 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. Im Leichtbau liegt der Fokus darauf, die Steifigkeiten möglichst 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 sehr hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit. So werden z. B. bei identischer Belastung durch Druck und Biegung in Abhängigkeit der dadurch induzierten Dehnung, Gewichtseinsparungen von 50 Prozent im Vergleich zu Festkörpern erzielt. Des Weiteren verfügen offenporige Metallschäume über ein ausgezeichnetes Dämpfungsverhalten.

Quelle und Fotos: Leichtbau BW GmbH