Metallschäume

Bekannterweise haben Metalle eine größere Dichte als Wasser und damit sind sie im Wasser nicht schwimmfähig. Wenn ein Metall jedoch als Schaum mit geschlossener Porosität hergestellt wird, dann kann es sehr wohl im Wasser schwimmen (Abb. 1a). Und die Herstellung von Metallschämen ist heute materialtechnisch möglich.
Metallschäume sind hochporöse Werkstoffe, die ähnlich ihren Vorbildern aus der Natur (zum Beispiel wie Holz und Knochen) sehr leicht und stabil sind. Die poröse zellulare Struktur der Metallschäume ermöglicht eine hervorragende Absorption von Schwingungs-, Stoß- und Schallenergie.
Metallschäume sind neue Werkstoffe, die sich durch eine einzigartige Eigenschaftskombination auszeichnen, die kaum mit anderen Materialien erreicht werden kann. So finden sich Leichtigkeit, Festigkeit, Zähigkeit und elektrische Leitfähigkeit neben Temperaturbeständigkeit und einem durch den Porengehalt verminderten Wärmeleitvermögen. Metallische Schäume sind schon seit den 1950er Jahren bekannt, allerdings ermöglicht erst ein in den 1990er Jahren neu entwickelter Herstellungsprozess auf Basis der Pulvermetallurgie reproduzierbare Bauteile herzustellen.
Von den porösen metallischen Werkstoffen ist der mittlerweile schon recht weit entwickelte Aluminiumschaum am meisten bekannt.
Aluminiumschäume vereinen geringes Gewicht mit hoher Steifigkeit und sind insbesondere im Zusammenhang mit neuen Leichtbaukonzepten in der Automobilindustrie sehr interessant. In der letzten Zeit wurden verschiedene Aufschäumprozesse entwickelt. Dabei kann eine Aluminiumschmelze oder ein Aluminiumpulver zu Schaum verarbeitetet werden. Die Porosität lässt sich einstellen, was verschiedene Anwendungen der Schäume ermöglicht. Abb. 1b zeigt drei Schäume aus einer Aluminium-Silizium-Magnesium-Legierung, die sich in der Porosität unterscheiden. Die Porosität wird mit der Anzahl der Poren per Inch (ppi) angegeben.

        

Abb. 1 Metallschaum, a) Schwimmendes Stück von Metallschaum b) Aluminiumschäume mit verschiedener Porosität

Metallschäume können in einer Vielzahl an Verfahren hergestellt werden. Bei der pulvermetallurgischen Methode wird ein Metallpulver mit einem Treibmittelpulver (z.B. Titanhydrid) homogen vermischt und zu einem expandierbaren Vormaterial mit ca. 98% Dichte kompaktiert. Wird dieses Vormaterial auf die Schmelztemperatur des Metalls erhitzt, setzt das Treibmittel bei der Erwärmung ein Gas (z.B. Wasserstoff) frei. Sobald das Metall schmelzflüssig wird, expandiert das Gas die Schmelze zum flüssigen Metallschaum. Anschließend wird der Metallschaum bei Erreichen der maximalen Schaumexpansion unterhalb Solidustemperatur des Metalls abgekühlt und so in die feste Phase überführt. Dieser Prozess kann in geeigneten Schäumformen erfolgen, so dass der expandierende Metallschaum die Innenkontur der Schäumform annimmt. Nach dem Erkalten kann das endformnahe Metallschaumbauteil aus der Form entnommen werden.
Die porösen Werkstoffe haben ganz neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Die geringe ist ihre herausragende Eigenschaft. Da Metallschäume bis zu neunzig Prozent Luft enthalten, sind sie noch leichter als bewährte Leichtbaumaterialien wie glasfaserverstärkte Kunststoffe. Geschäumtes Aluminium bringt etwa ein Fünftel weniger auf die Waage. Metallschäume speichern Wärme und dienen als Baumaterial für die leichtesten Transportmittel der Welt. Hauptanwendungsbereiche sind Leichtbau, Energieabsorption und Vibrations- sowie Schalldämpfung. Inzwischen werden sie auch als Material für neue Knochen gesehen. <<