Das volle Potenzial von Metallschaum verstehen
Auch wenn es einem so vorkommen mag, als wenn Metalle und Schäume zwei völlig gegensätzliche Materialien sind, so entsteht doch ein sogenannter Metallschaum, wenn die Zellstruktur eines festen Metalls aus gasgefüllten Poren aufgebaut ist. Metallschaum ist nicht nur ultraleicht, sondern auch fest und eignet sich daher als ein Material der Wahl für eine Reihe von Anwendungen, die in der Automobil-, Luftfahrt- und Gesundheitsindustrie zum Einsatz kommen. Ziel des EU-finanzierten METFOAM-Projekts war es, das mechanische Verhalten dieser Metallschäume besser zu verstehen. „Was Metallschäume einzigartig macht, ist ihre Fähigkeit, Wärme effizient zu übertragen, was für die Kühlung über den Luftstrom im Schaumstoff nützlich ist“, erklärt Projektkoordinator Stefan Szyniszewski. „Wir wollten wissen, wie wir diese mechanischen Verhaltensweisen besser für reale Anwendungen nutzen können.“ Metallschaum- und Verbundplatten Ein Schwerpunkt lag zum Beispiel auf Verbundplatten mit Metallschaumkernen. Eine Verbundplatte ist eine Struktur, die aus drei Schichten besteht und in Anwendungen eingesetzt wird, bei denen eine Kombination aus hoher struktureller Festigkeit und niedrigem Gewicht erforderlich ist. Das Ziel dieser Forschung war es, Anwendungen zu finden, in denen derartige Platten herkömmliche Stahlprofile übertreffen könnten. „Im Wesentlichen haben wir versucht, ein neuartiges Material zu verstehen und eine Marktnische im Bereich der Infrastruktur sowie bei mechanischen Anwendungen zu finden“, so Szyniszewski. „Wir fanden heraus, dass Verbundplatten zehnmal höhere Lasten tragen können als dünne Stahlplatten.“ Szyniszewski zufolge könnten derartige Verbundplatten eine neue Generation von Eisenbahnbrückenträgern oder Windkraftanlagentürmen hervorbringen, da sie geschweißte Versteifungsplatten überfällig machen, die ein lokales Plattenbeulen verhindern. Solche Versteifungsplatten erzeugen Spannungskonzentrationen und erfordern regelmäßige Wartung, da von ihnen Ermüdungsrisse ausgehen können. Herausforderungen überwunden Im Laufe des Projekts hatten Szyniszewski und sein Team einige Herausforderungen zu meistern. Da Verbundplatten mit Deckschichten unter 2 mm Dicke nicht verlässlich sind, mussten die Forscher zum Beispiel eine Platte mit der Steifigkeit und Festigkeit von 5 mm dicken Stahlplatten testen. Dies bedeutete leider, Platten in der Größe eines Aufzugsschachtes zu prüfen – was mit einer auf maximal 100 Tonnen ausgelegten Projektausrüstung schier unmöglich war. Um diese Herausforderung zu bewältigen, testeten die Forscher einzelne Platten. „Wir waren gezwungen, spezielle Vorrichtungen zu entwickeln, die sowohl Rotationsfreiheit bieten, als auch erhebliche axiale Lasten übertragen können“, so Szyniszewski. Neue Potenziale für Metallschäume Durch diese Bemühungen fanden die Forscher heraus, dass das Einfügen von Keramikkugeln in die Metallschäume zu einer hervorragenden Schnittfestigkeit führte, mit der herkömmliche Massenmaterialien nicht mithalten können. „Letztendlich hat das METFOAM-Projekt bewiesen, dass Metallschäume für die Herstellung neuer Metamaterialien mit neuen Eigenschaften verwendet werden können, die für Schwermetalle oder Keramik unerreichbar sind“, ergänzt Szyniszewski. Darüber hinaus entdeckten die Forscher, dass poröse Oberflächen bei stumpfen Körpern eine Verringerung des Luftwiderstands bewirken können. „Eine strömungsbeeinflussende poröse Oberfläche löst beispielsweise Turbulenzen aus, ähnlich wie die Dellen in einem Golfball“, erklärt Szyniszewski. „Ein poröses Medium auf der Leeseite des Körpers reduziert jedoch den Basisdruck und die Intensität der Turbulenzen.“ Er fügt hinzu, dass solche Merkmale die Verwendung von Schäumen auf äußeren Oberflächen ermöglichen könnten. Obwohl das Projekt jetzt abgeschlossen ist, befassen sich die Forscher derzeit mit Anwendungen im Tiefbau, wie beispielsweise Übertragungsträgern mit extremer Knickfestigkeit, die von der Verwendung von Metallschaumplattenkomponenten profitieren könnten.
Schlüsselbegriffe
METFOAM, Metallschaum, Verbundplatten
