Metallschäume

Metallschäume, poröse Metalle und darauf basierende Hybridmaterialien weisen aufgrund ihrer spezifischen Strukturen ein vielfältiges Eigenschaftsspektrum auf. Sie werden inzwischen in vielen Bereichen wie dem Automobilbau oder der Medizintechnik zur Verbesserung technischer Systeme eingesetzt. Das Fraunhofer IFAM bietet verschiedene pulvermetallurgische und gießtechnische Verfahren zur Herstellung von offen- und geschlossenporigen Metallschäumen an.  

Die besonderen Eigenschaften von Metallschäumen

Poröse Werkstoffe sind im Alltag weit verbreitet und werden in vielen Bereichen, z.B. Isolierung, Dämpfung, Filterung oder Crashabsorption eingesetzt. Im Vergleich zu Keramiken, Gläsern und Polymeren sind Schäume aus Metallen eine eher junge Werkstoffgruppe. Sie bieten aufgrund der Kombination von metallischem Charakter und Porenstruktur interessante 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 Phase Change Materials (PCM), Metalorganic Frameworks (MOFs) oder Zeolithe an. Die komplexe 3D-Struktur der Schäume führt zu intensiven Kontakt- und Austauschbedingungen mit umgebenden Fluiden und verbesserten Wärme- oder Phasenübergängen.

Verschiedene Fertigungsverfahren ermöglichen unterschiedlichste Strukturen der porösen Metalle

Metallschäume können, je nach Anforderungen, in verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Das bekannteste Verfahren zur Herstellung geschlossenzelliger Metallschäume ist das so genannte pulvermetallurgische Fraunhofer 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.

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)
• nanoporöse Metalle

Von Schwingungsdämpfern über Implantate bis zu Wärmetauschern – die Anwendungsfelder von Metallschäumen sind vielfältig

Die Eigenschaften von Metallschäumen können durch die gezielte Einstellung unterschiedlicher Parameter wie Dichte, Legierungszusammensetzung, Wärmebehandlungszustand und Porenmorphologie auf spezifische Kundenbedürfnisse abgestimmt werden. Dadurch sind unterschiedlichste Anwendungen realisierbar: 

Wir sind für Sie da: Profitieren Sie von unserer langjährigen Erfahrung im Bereich Metallschäume

Das Fraunhofer IFAM bietet F&E-Dienstleistungen zur Herstellung, Charakterisierung, Auslegung und Integration von hochporösen Metallstrukturen an. 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.

Für die Charakterisierung der Metallschäume stehen am Institut verschiedene Verfahren zur Verfügung, u. a mechanische Prüfverfahren, Leitfähigkeits-Teststände und Verfahren zur Bestimmung des Dämpfungsverhaltens. Die Bauteilauslegung kann mittels FEM-Simulationen unterstützen werden.