Metallschäume, poröse Metalle und Hybridschäume

APM-Aluminiumschaumelemente.
© Fraunhofer IFAM
APM-Aluminiumschaumelemente.
© Fraunhofer IFAM
Aluminiumschaum-Sandwich (AFS).

Das Fraunhofer IFAM bietet verschiedene pulvermetallurgische und gießtechnische Verfahren zur Herstellung von hochporösen Materialien (»Metallschäumen«)

Je nach Anwendungsgebieten können offen- und geschlossenporige Metallschäume unterschiedlicher Werkstoffe (Aluminium, Zink, Blei, Stahl etc.) angeboten und zielgerichtet auf das Anforderungsprofil angepasst werden.

Neben der Herstellung dieser Werkstoffe werden auch die entsprechenden serientauglichen Fertigungstechnologien, sowie komplette Bauteile und Bauteilgruppen entwickelt. Insbesondere Verbundlösungen – bestehend aus Aluminiumschaum und konventionellen Blechen oder Profilen aus Stahl oder Aluminium – ermöglichen interessante Anwendungen für den Leichtbau.

Auch energieabsorbierende und schalldämpfende Strukturen im Fahrzeugbau, sowie dreidimensionale hochsteife Formteile bieten innovative Einsatzmöglichkeiten für Metallschäume.

 

Eigenschaften

Poröse Metalle zeichnen sich durch niedrige Dichten, hohe spezifische Steifigkeiten, ein gutes Energieaufnahmevermögen und gute Dämpfungseigenschaften aus. Offenporöse Metalle besitzen große Oberflächen, eine gute mechanische und thermische Stabilität sowie gute Wärmeleitfähigkeiten. Sie bieten sich somit als Trägermaterial für chemische Aktivmaterialien wie PCM, MOFs oder Zeolithe an. Die komplexe 3D-Struktur der Schäume führt zu intensiven Kontakt- und Austauschbedingungen mit umgebenden Fluiden und verbesserten Wärme- oder Phasenübergängen.

Nanoporöses Silizium, hergestellt mittels Entlaugung
© Fraunhofer IFAM
Nanoporöses Silizium, hergestellt mittels Entlaugung

Strukturen

Das bekannteste Verfahren zur Herstellung geschlossenzelliger Metallschäume ist das so genannte pulvermetallurgische IFAM-Verfahren. Hierbei werden handelsübliche Metallpulver mit geringen Mengen eines ebenfalls pulverförmigen Treibmittels vermischt und danach zu einem kompakten Formkörper verdichtet. Durch eine anschließende Erwärmung des Vormaterials expandiert der Werkstoff und entfaltet eine hochporöse, geschlossenzellige Struktur.

Der ursprünglich für Aluminium und seine Legierungen entwickelte Prozess ist inzwischen auf verschiedene andere Metalle (Zink, Blei, Bronze, Titan, Stahl etc.) übertragen worden.

Nach dem Fraunhofer IFAM-Verfahren hergestellte Aluminiumschäume tragen die Markenbezeichnung FOAMINAL®. Bei einer Variante des Verfahrens werden Metallschaumbauteile aus einer Vielzahl kleinvolumiger Metallschaumelemente hergestellt. Diese Schaumelemente können dem entsprechenden Anforderungsprofil des Bauteils angepasst werden (Form/Geometrie, Dichte, Legierung). Sie können entweder als lose Schüttung (keine Bindung), vorverdichtet (mechanische Verklammerung) oder auch stoffschlüssig (verklebt, versintert, verlötet) eingesetzt werden. Diese Verfahrensvariante wird als »Advanced Pore Morphology (APM)« -Technologie bezeichnet.

Offenporöser Aluminiumschaum mit oberflächenintegrierten Siedesteinen.
© Fraunhofer IFAM
Offenporöser Aluminiumschaum mit oberflächenintegrierten Siedesteinen.
Gehärteter syntaktischer Stahlschaum.
© Fraunhofer IFAM, IWT Bremen
Gehärteter syntaktischer Stahlschaum.
Gradierte textile Kupfer-Hohlfaser-Struktur, angebunden an Flachrohr.
© Fraunhofer IFAM
Gradierte textile Kupfer-Hohlfaser-Struktur, angebunden an Flachrohr.

Syntaktische Metallschäume

Eine  weitere Materialvariante sind sogenannte »syntaktische« Metallschäume. Syntaktische Metallschäume bestehen aus einer Metallmatrix mit integrierten Hohlelementen, wie z. B. Mikro-Glashohlkugeln,  aber auch metallischen oder keramischen Hohlkugeln. Sie sind druckdicht, weisen eine im Vergleich zu konventionellen Metallschäumen deutlich erhöhte Druckfestigkeit auf und zeichnen sich durch eine gut definierte und – abhängig von den verwendeten Hohlkörpern – sehr feine Porenstruktur aus. 

Für funktionelle Anwendungen werden am Fraunhofer IFAM gesinterte und gegossene offenporöse Metallstrukturen, z.B. aus Aluminium, Kupfer, Magnesium oder Zink, entwickelt und untersucht. Die Herstellung erfolgt mittels verschiedener Platzhalterverfahren oder mittels adaptierter Sintertechnologien. 

Weitere Forschungsarbeiten betreffen Verbundstrukturen aus Metallschäumen und anderen Werkstoffen. Beispiele hierfür sind

  • Aluminium- und  Kupferschaum mit eingebetteten Zeolithen
  • Kombination von Aluminiumschaum mit Phasenwechselmaterialien (PCM).
  • Kombination von Zinkschaum mit biodegradierbaren Keramiken (Tricalciumphosphat)
Automobil-Längsträger mit lokaler Verstärkung aus APM-Schaum.
© Fraunhofer IFAM
Automobil-Längsträger mit lokaler Verstärkung aus APM-Schaum.
Zahnrad mit Dämpfungselementen aus Aluminiumschaum.
© Fraunhofer IFAM
Zahnrad mit Dämpfungselementen aus Aluminiumschaum.
Batteriemodul mit Hybridschaum-Sandwich Endplatten  (BMBF-Projekt e-production).
© Fraunhofer IFAM
Batteriemodul mit Hybridschaum-Sandwich Endplatten (BMBF-Projekt e-production).

Anwendungsbereiche

Anwendungsfelder für geschlossenporige Schäume sind insbesondere in den Bereichen

zu finden.

Offenporöse Schäume können u.a. eingesetzt werden für:

  • Filter,
  • Katalyseträger,
  • Energiespeicher
  • thermisches Management

Ein spezielles Feld sind Biomaterialien, z.B. permanente oder bio-resorbierbare Implantate auf Basis von Magnesium, Eisen oder Zink. 

Demonstrator Wärmetauscherstruktur für Adsorptions-Wärmepumpen mit Aluminium-Zeolith-Kompositschaum.
© Stiftung Harvest, Fraunhofer IFAM, Fraunhofer ISE
Demonstrator Wärmetauscherstruktur für Adsorptions-Wärmepumpen mit Aluminium-Zeolith-Kompositschaum.
Teststand zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit (2-Platten-Methode).
© Fraunhofer IFAM
Teststand zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit (2-Platten-Methode).
Beispiel einer CFD-Rechnung (Wärmetransport in Latentwärmespeicher mit integriertem Metallschaum).
© Fraunhofer IFAM
Beispiel einer CFD-Rechnung (Wärmetransport in Latentwärmespeicher mit integriertem Metallschaum).

Charakterisierung

Für die Charakterisierung der Metallschäume stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung, u.a

  • Mechanische Prüfverfahren
  • Leitfähigkeits-Teststände
  • Frequency & Damping Analyser (RFDA) für die Bestimmung des Dämpfungsverhaltens
  • Röntgenprüfung

Bauteilauslegung kann mittels FEM-Simulationen unterstützen werden.