Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Herstellungsverfahren für pulvermetallurgische Aluminiumschäume mit optimierter Mikrostruktur durch Mechanisches Legieren

Pulvermetallurgisch hergestellter Aluminiumschaum ist ein hervorragender Leichtbauwerkstoff mit hohem Schwingungsdämpfungsvermögen. Er wird in einer Vielzahl von Nischen und unter anderem in Werkzeugmaschinen-Baugruppen auch serienmäßig verwendet. Die Etablierung in Bereichen mit hohen Sicherheitsanforderungen, wie z.B. im Flugzeugbau, war hingegen bisher nicht möglich. Die Ursache liegt vor allem in einer inhomogenen Schaumstruktur. Diese ist bislang nur bedingt beeinflussbar und deshalb auch kaum vorhersagbar. Das ist bedauerlich, da besonders dort das enorme Leichtbaupotenzial zu beträchtlichen technischen und wirtschaftlichen Verbesserungen führen würde. Im angestrebten Projekt erfolgt zunächst die Herstellung eines Preformpulvers durch den Prozessschritt Hochenergiekugelmahlen. Mittels dieses Verfahrens besteht die Möglichkeit eine homogene Verteilung spröder Partikel in duktiler Matrix zu erzeugen. Es wird daher üblicherweise auch für die pulvermetallurgische Herstellung partikelverstärkter Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe eingesetzt. Ziel ist zunächst die Entwicklung einer industrietauglichen Prozesskette. Ferner muss erarbeitet werden in welchen Grenzen und unter welchen Randbedingungen Schäume hergestellt werden können, deren Eigenschaften nur geringen Schwankungen unterworfen sind. Zudem wird eine deutliche Eigenschaftsverbesserung gegenüber konventionellen pulvermetallurgischen Schäumen angestrebt. Bei Erfolg des Vorhabens profitieren einerseits KMU, die sich in die Herstellungsroute der angestrebten Halbzeuge einbringen können. Darunter ist für Schaumhersteller durch die direkte Verbesserung der Produkte und der damit einhergehenden vorausblickenden Portfolioerweiterung die deutlichste Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit zu erwarten. Außerdem profitieren Verarbeiter von Schaumhalbzeugen sowie Endanwender der Produkte, die aufgrund der besseren Vorhersagbarkeit und der neuen Produkteigenschaften erschlossen werden können sollten.

Ergebniszusammenfassung:

Der Werkzeugkasten zur Herstellung pulvermetallurgischer Aluminiumschäume wird um eine Verfahrenstechnik bereichert, die es ermöglicht, besonders homogen und feinporig strukturierte Al-Schäume zu erzeugen. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass diese Schäume während der Herstellung unempfindlicher gegen "Überschäumen" sind. Während normalerweise bei einer nicht rechtzeitigen Erstarrung des Schaumes aus dem schmelzflüssigen Zustand Drainageeffekte dominieren, die letztlich zur Zerstörung der Schaumstruktur führen, bleibt die feine HEM-Schaumstruktur länger intakt. Dadurch wird ein breiteres Prozessfenster und somit potenziell die Herstellung größerer und vor allem geometrisch komplexerer Teile (z. B. Sandwiches mit variierender Dicke oder/und Aufbau) ermöglicht. Aufgrund der homogenen Schaumausbildung sind die auftretenden Drücke geringer als üblich, was die Werkzeugauslegung erleichtert und bei der Synthese von SAS (Sandwich mit Stahldeckblechen) geringere Blechdicken erlaubt.

Unter der Voraussetzung, dass es gelingt eine preiswerte Herstellung des "HEM-Schaum"-Verbundpulvers, etwa durch die Verwendung großer Trommelmühlen, zu etablieren, sind alle bisher denkbaren Anwendungsszenarien und darüber hinaus solche mit hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Vorhersagbarkeit erschließbar.

Höherwertige Anwendungen sollten aufgrund der besseren Vorhersagbarkeit und der stetigeren und damit besseren Produkteigenschaften erschlossen werden können. Neben dem klassischen Werkzeugmaschinenbau sind Branchen mit stetig wachsender Forderung nach Leichtbaulösungen, wie die Automobilindustrie und der Schiff- und Schienenfahrzeugbau im Fokus. Die höhere Zuverlässigkeit lässt auch Anwendungen in Luft- und Raumfahrt (z. B. Wandelemente) sowie in der Architektur (z. B. Treppen, Balkone) realistisch erscheinen. Im Zusammenhang mit Elektromobilität, ist durch die zu erwartenden Gewichtseinsparungen (Karosserieteile, Batteriegehäuse etc.) mit Reichweitenerhöhungen zu rechnen.