Herstellungsverfahren und physikalische Eigenschaften von Aluminiumschaum und Aluminiumschaum-Platten


Hausarbeit, 2019
20 Seiten

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. EINLEITUNG

2. PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN ALUMINIUM

3. DEFINITION ALUMINIUMSC1HAUM

4. HERSTELLUNG ALUMINIUMSCHAUM-PLATTEN
4.1 Herstellung Aluminiumschaum
4.1.1 Schmelzmetallurgie
4.1.2 Pulvermetallurgie
4.2 Herstellung Aluminiumschaumplatten

5. PHYSIKALISCHE EIGENSCHAFTEN ALUMINIUMSCHAUMPLATTEN

6. ANWENDUNGSBEREICHE
6.1 Theoretische Anwendungsbereiche
6.2 Konkrete Anwendungsbeispiele
6.2.1 INNOVATIVER EINSATZ IM SCHIENENVERKEHR
6.2.2 INNOVATIVER EINSATZ IM BEREICH WERKZEUGMASCHINEN

7. FAZIT

QUELLEN

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Schematische Darstellung eines kontinuierlichen schmelzmetallurgischen Herstellungsprozesses zur Fertigung von kommerziell angebotenen Aluminiumschaumplatten (Wood, 1997)

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Prozessschritte bei der schmelzmetallurgischen Herstellung von kommerziell erhältlichem Aluminiumschaum (Hartmann, 2015)

Abbildung 3: Schematische Darstellung pulvermetallurgischer Prozessrouten zur Herstellung KOMMERZIELL ERHÄLTLICHER ALUMINIUMSCHÄUME (HARTMANN, 2015)

Abbildung 4: Spannungs-Stauchungs-Diagramme für AlSi6Cu4-SchAume verschiedener Dichten (Banhart, Baumeister, & Melzer, 1998)

Abbildung 5: Druckversuch, 26 mm, 30 mm und 34 mm Sandwichdicke (Kreybig, Auersperg, Walter, & Michale, 2006)

Abbildung 6: Die drei Hauptanwendungsfelder von Metallschäumen (Jung, 2011)

Abbildung 7: ICE 3 Triebkopfhaube (Hipke, 2015)

Abbildung 8: HPM 1850U (https://res.mdpi.com/materials/materials-09- 00085/article_deploy/html/images/materials-09-00085-g003.png)

1. Einleitung

Mit fortschreitender technischer Entwicklung stellen Konstrukteure immer höhere Anforderungen an Werkstoff und Konstruktion. Technische Konstruktionen müssen immer leichter werden, höhere Nutzlasten tragen und gleichzeitig umweltverträglich sein. Das Streben nach einer energie- und ressourcenschonenden Lebensweise lässt der Materialforschung eine gesteigerte Bedeutung zukommen. Neue Werkstoffe haben die Anforderung Multifunktionalität und Gewichtsersparnis miteinander zu vereinen.

Mit der Entwicklung von Aluminiumschäumen ist in den letzten Jahren eine Werkstoffgruppe entstanden, die aufgrund ihrer verschiedenen Eigenschafften genau diesen Anforderungen gerecht wird. Der Werkstoff verbindet eine hohe Multifunktionalität und liefert gleichzeitig einen großen Beitrag zum Stoffleichtbau. Durch seine poröse Struktur ist der Werkstoff in der Lage, Energie in Form von Schwingung oder kinetischer Energie durch teils große Deformationswege in Verformungsenergie umzuwandeln.

Durch den Verbund mit Deckplatten erhält der Werkstoff eine hohe Steifigkeit, was ihn in Verbindung mit seinem geringen Gewicht interessant für zahlreiche Einsätze macht.

Aluminiumschaum-Platten stehen zur industriellen Anwendung heute schon am Markt zur Verfügung. Eine breite industrielle Anwendung bleibt dem Werkstoff aber bis heute noch verwehrt. Als wesentlicher Grund werden häufig die hohen Herstellungskosten genannt.

In dieser Arbeit soll zunächst grundlegend auf die physikalischen Eigenschaften des Rohstoffs Aluminium eingegangen werden, ehe eine Definition für Aluminiumschaum-Platten getroffen wird. In Folge dessen werden in Kapitel 4 die verschiedenen Herstellungsverfahren von Aluminiumschaum und Aluminiumschaum-Platten erläutert. Im darauffolgenden Kapitel werden die physikalischen Eigenschaften der Aluminiumschaum-Platten betrachtet. Das vorletzte Kapitel beschäftigt sich mit theoretischen und konkreten Anwendungsbereichen des Werkstoffs. Am Ende der Arbeit wird ein Fazit getroffen.

Diese Arbeit ist das Ergebnis einer Literaturrecherche.

2. Physikalische Grundlagen Aluminium

Aluminium ist ein Chemisches Element mit dem Elementsymbol Al und unter der Ordnungszahl 13 im Periodensystem zu finden. Zusammen mit Bor (B), Gallium (Ga), Indium (In) und Thallium (Tl) bildet Aluminium nach der IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) die 13. Gruppe im Periodensystem, die so genannte Borgruppe. Die verschiedenen Gruppen des Periodensystems ordnen sich nach der Anzahl der Elektronen in der äußeren Elektronenhülle, welche bei allen Elementen der Gruppe identisch sind. Anders als Bor, welches ein überwiegend nicht metallisches Verhalten aufweist, zeigen die restlichen Elemente der Gruppe 13, typisch metallische Eigenschaften (Binnewies et al., 2016a). Diese Eigenschafften sind z.B. eine leichte plastische Verformbarkeit sowie eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit als auch ein hohes Reflexionsvermögen und ein typisch metallener Glanz (Binnewies et al., 2016b; Hornbogen, Eggeler, & Werner, 2017). Diese für Metall charakteristischen Eigenschaften lassen sich durch verschiedene Theorien der metallischen Bindungen erklären.

„Das einfachste Bindungsmodell für Metalle ist das Elektronengasmodell. Ein Metall besteht danach aus ortsfesten Ionen (Atomrümpfen) und aus im gesamten Metallgitter frei beweglichen Elektronen, die den elektrischen Strom leiten. Die Bewegung der Valenzelektronen bewirkt die Wärmeleitfähigkeit eines Metalls. Auch die mit steigender Temperatur sinkende elektrische Leitfähigkeit kann mit diesem einfachen Modell plausibel gemacht werden: Erwärmt man ein Metall, werden durch die zugeführte Wärme die Atome bzw. Ionen in Schwingungen um ihre Ruhelage versetzt. Die Bewegung der Elektronen durch das Metallgitter wird dadurch behindert und die elektrische Leitfähigkeit sinkt. Das Modell des Elektronengases ist anschaulich, erlaubt aber keinen tieferen Einblick in die metallische Bindung“ (Binnewies et al., S. 141, 2016b).

Auf andere Theorien der metallischen Bindungen soll an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden. Betrachtet man den mikrostrukturellen Aufbau einer Alumini um- Elementarzelle, so zeigt sich eine kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur (Riedel & Janiak, 2007). Reine Metalle sind in der Regel, aufgrund ihrer geringen mechanischen Eigenschaften, nicht als Werkstoffe zu gebrauchen. Die Festigkeit kann jedoch durch geeignete mechanische oder thermisch Verfahren, als auch durch Legierungen gesteigert werden (Hornbogen et al., 2017). Auf diese Verfahren zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften soll unter dem Punkt „mechanische Eigenschaften“ dieser Arbeit noch genauer eingegangen werden.

Aufgrund seiner geringen Dichte von nur 2,7 g/стз ist Aluminium in der Kategorie der Leichtmetalle einzuordnen (Werkstoffe kleiner 5,0 g/стз) und findet vor allem im Bereich des Leichtbaus Anwendung. Mit seiner geringen Dichte ist Aluminium, unter den als Werkstoff einsetzbaren Leichtmetallen, an zweiter Stelle hinter Magnesium (1,7 g/стз) einzuordnen. Vergleicht man die Dichte des Aluminiums mit der Dichte von Stahl (7,9 g/стз), so wiegt ein Werkstück aus Stahl knapp dreimal so viel wie das entsprechende Stück aus Aluminium (Binnewies et al., 2016a). Durch die Zugabe von Legierungen kann diese Dichte bis zu +- 3 % schwanken. Eine Ausnahme stellt hierbei die Aluminium-Lithium-Legierung da, deren dichte bis zu 15% geringer sein kann als die des reinen Aluminiums (Osterman, 2014).

Bei Aluminiumlegierungen lässt sich allgemein zwischen Knet- und Gusslegierungen unterscheiden, die je nach weiterer Verarbeitung, Vorteile aufweisen. Nahezu reines Aluminium mit einem 99,98% Aluminiumgehalt (Bsp. EN-AW1080) ist ein sehr weiches und zähes Metall. Aufgrund seiner niedrigen Zugfestigkeit Rm von maximal 90 N/mm2 und einer Streckgrenze von Rpo,2 von ca. 20 N/mm2 ist es als Konstruktionswerkstoff eher ungeeignet. EN-AW1080 findet industrielle Anwendung in Bereichen, in welchen Festigkeit eine untergeordnete Rolle spielt, z.B. bei der Herstellung von Lebensmittelverpackungen.

Die elektrische Leitfähigkeit von 99,99% reinem Aluminium liegt laut dem International Annealed Copper Standard (IACS) bei 63,8% (Osterman, 2014). Dieser Standard vergleicht die elektrische Leitfähigkeit σ des jeweiligen Materials bei 20°, prozentual mit der Leitfähigkeit von elektrolytisch reinem, geglühtem Kupfer bei derselben Temperatur (“The International Annealed Copper Standard,” 1913). D. h. folglich leitet Aluminium bei gleichem Volumen mehr als ein Drittel schlechter als elektrolytisch reines, geglühtes Kupfer. Konkret leitet Aluminium mit einer Geschwindigkeit von 37 * 106 S/m (Gesamtverband der Aluminiummindustrie e.V., 2007).

Die Wärmeleitfähigkeit λ, angegeben in der Einheit W/mK, ist definiert als Wärmestrom, welcher bei einem Temperaturunterschied von 1 Kelvin (K) durch eine 1m2 große und 1m dicke Schicht eines Stoffes geht. Ein kleiner Wert λ steht folglich für eine hohe Dämmfähigkeit eines Materials. Der 1-Wert versteht sich als Laborwert auf trockene Stoffe (Wosnitza & Hilgers, 2012). Mit 235 W/mK leitet Aluminium Wärme sehr gut und wird aufgrund dieser Eigenschaft häufig bei der gezielten Verteilung und dem Abtransport von Wärme lokaler Wärmequellen eingesetzt. Die thermische Belastung bestimmter Bauteile kann so verringert werden (Osterman, 2014).

3. Definition Aluminiumsclhaum

Bei Aluminium-Foam-Sandwich-Strukturen handelt es sich um ein dreischichtiges Ausgangsmaterial, bestehend aus einem aufgeschäumten Aluminiumkern, umschlossen von zwei Aluminiumdecklagen. Die Deckschichten sind dabei mit metallisch, oder mit Hilfe eines Klebstoffes, mit der Kernschicht verbunden (pohltec metal foam GmbH, 2015).

4. Herstellung Aluminiumschaum-Platten

In diesem Kapitel soll zuerst auf die Herstellung von Aluminiumschaum durch unterschiedliche Verfahren eingegangen werden. Konkret werden die pulvermetallurgischen und schmelzmetallurgischen Verfahren vorgestellt, ehe im letzten Teil des Kapitels die Herstellung der eigentlichen Aluminiumschaum-Platten erläutert wird.

4.1 Herstellung Aluminiumschaum

In den letzten Jahren wurden einige verschiedene Verfahren zur Herstellung von Al- Schäumen entwickelt (Singer & Körner, 2010). Im Rahmen dieses Kapitel dieser Arbeit soll jedoch nur auf die, in der Industrie am häufigsten eingesetzten Verfahren eingegangen werden. So lassen sich die Verfahren fertigungstechnisch in die Gruppen Schmelzmetallurgie, Pulvermetallurgie und Beschichtungstechnologie unterteilen, wohingegen letzteres in der heutigen Fertigung eine untergeordnete Rolle spielt.

Im Folgenden sollen die Fertigungstechniken der Schmelzmetallurgie und der Pulvermetallurgie genauer betrachtet werden.

4.1.1 Schmelzmetallurgie

Zur Herstellung von Aluminiumschaumbauteilen mittels schmelzmetallurgischem Verfahren existieren zwei wirtschaftlich relevante Prozesse.

Ein relevantes Herstellungsverfahren zur Produktion von Aluminiumschaumplatten basiert auf der direkten Einleitung von Gas in eine durch Keramik stabilisierte Aluminiumschmelze (Hartmann, 2015). Der schematische Prozessablauf ist in Abbildung 1 dargestellt. Das Ausgangsmaterial zur Aluminiumschaumherstellung ist bei diesem Verfahren eine Schmelze aus Aluminiumknet,- oder Aluminiumgusslegierung mit einem Anteil von 10 bis 20 Volumenprozent Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid-Partikeln mit einer Korngröße von 5-20 μm. Die Zugabe der Keramik-Partikeln erhöht die Viskosität der Schmelze und verbessert so das Aufschäumverhalten während des Schäumprozesses. Die Keramik-Partikel gehen keine stoffschlüssige Verbindung mit der Aluminiumschmelze ein, weshalb sie durch intensives Rühren in die Schmelze eingebracht werden müssen. Die angereicherte Schmelze wird anschließend für den nächsten Prozessschritt in eine abgetrennte Kammer geleitet, in welcher der Schäumprozess erfolgt. In dieser abgetrennten Kammer wird nun i.d.R. mittels eines rotierenden Impellers ein Gas, wie z.B. Argon oder Stickstoff, in manchen Verfahren auch Luft, in die Schmelze eingebracht. Der so entstehende Aluminiumschaum steigt durch seine geringe Dichte an die Oberfläche, wo er abgezogen werden kann und anschließend, ähnlich einem horizontalen Stranggießverfahren zwischen zwei Förderbändern erstarrt (Wood, 1997). Durch das Einblasen von oxidhaltigem Gas kommt es innerhalb der einzelnen Zellen in Sekundenbruchteilen zur Oxidation (Jung, 2011). Dieser Effekt schützt die Zellen vor Korrosion und kann sich darüber hinaus auch noch positiv auf die Werkstoffeigenschaften auswirken. Die Eigenschafften des Aluminiumschaums lassen sich durch verschiedene Prozessparameter, wie z.B. Impellerdesign, Rotationsgeschwindigkeit, Gasdurchflussrate oder die Erstarrungsbedingungen (Erstarrungsdruck, Erstarrungsgeschwindigkeit) kontrollieren (Wood, 1997)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Partikel stabilisierter schmelzflüssiger Al-Schaum

Abbildung 1: Schematische Darstellung eines kontinuierlichen schmelzmetallurgischen Herstellungsprozesses zur Fertigung von kommerziell angebotenen Aluminiumschaumplatten (Wood, 1997)

Die entstehenden Aluminiumschaumplatten haben eine Porosität zwischen 80 und 98 %. Daraus ergeben sich scheinbare Dichten von 0.05 bis 0,55 g/cm3. Dabei verhält sich die Dichte des Aluminiumschaums indirekt proportional zum mittleren Zellendurchmesser, der zwischen 3 mm und 25 mm variiert (Wood, 1997).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Prozessschritte bei der schmelzmetallurgischen Herstellung von kommerziell erhältlichem Aluminiumschaum (Hartmann, 2015)

Beim zweiten industriell eingesetzten Verfahren handelt es sich um einen diskontinuierlichen Gießprozess (Hartmann, 2015). Abbildung 2 skizziert den groben Prozessablauf bei diesem Verfahren.

[...]

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Details

Titel
Herstellungsverfahren und physikalische Eigenschaften von Aluminiumschaum und Aluminiumschaum-Platten
Hochschule
Ernst-Abbe-Hochschule Jena, ehem. Fachhochschule Jena
Autor
Jahr
2019
Seiten
20
Katalognummer
V511606
ISBN (eBook)
9783346083203
ISBN (Buch)
9783346083210
Sprache
Deutsch
Schlagworte
herstellungsverfahren, eigenschaften, aluminiumschaum, aluminiumschaum-platten
Arbeit zitieren
Leo Siegle (Autor), 2019, Herstellungsverfahren und physikalische Eigenschaften von Aluminiumschaum und Aluminiumschaum-Platten, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/511606

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