In dieser Arbeit wird zunächst auf die physikalischen Eigenschaften des Rohstoffs Aluminium eingegangen, ehe eine Definition für Aluminiumschaum-Platten getroffen wird. In Folge dessen werden die verschiedenen Herstellungsverfahren von Aluminiumschaum und Aluminiumschaum-Platten erläutert. Anschließend werden die physikalischen Eigenschaften der Aluminiumschaum-Platten betrachtet. Abschließend beschäftigt sich er Autor mit theoretischen und konkreten Anwendungsbereichen des Werkstoffs.
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 Eigenschaften 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.
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
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht das Potenzial von Aluminiumschaum-Platten als multifunktionaler Werkstoff im Leichtbau. Ziel ist es, ausgehend von den physikalischen Grundlagen des Rohstoffs Aluminium, die verschiedenen Herstellungsverfahren, die mechanischen Eigenschaften sowie die aktuellen und theoretischen Anwendungsbereiche des Materials darzustellen, um die Hürden und Möglichkeiten für einen breiteren industriellen Einsatz zu identifizieren.
- Physikalische Grundlagen und Eigenschaften von Aluminium
- Verfahren der Schmelz- und Pulvermetallurgie zur Schaumherstellung
- Mechanisches Verhalten bei Druckbelastung und Energieabsorption
- Innovative Einsatzgebiete in Schienenverkehr und Maschinenbau
- Analyse wirtschaftlicher Herausforderungen und Entwicklungspotenziale
Auszug aus dem Buch
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.
Zusammenfassung der Kapitel
1. EINLEITUNG: Einführung in die Notwendigkeit von leichten und multifunktionalen Werkstoffen im modernen Leichtbau und Vorstellung der Zielsetzung der Literaturrecherche.
2. PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN ALUMINIUM: Erläuterung der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Aluminium als Basiswerkstoff, inklusive seiner Kristallstruktur und Leitfähigkeit.
3. DEFINITION ALUMINIUMSC1HAUM: Kurze Begriffsbestimmung der dreischichtigen Aluminium-Foam-Sandwich-Strukturen.
4. HERSTELLUNG ALUMINIUMSCHAUM-PLATTEN: Detaillierte Darstellung der schmelz- und pulvermetallurgischen Verfahren zur Schaumerzeugung sowie der Veredelung zu Sandwich-Platten.
5. PHYSIKALISCHE EIGENSCHAFTEN ALUMINIUMSCHAUMPLATTEN: Analyse der mechanischen Parameter, des Deformationsverhaltens und der rechnerischen Abschätzung von Materialkennwerten.
6. ANWENDUNGSBEREICHE: Übersicht über theoretische Nutzungsmöglichkeiten und konkrete Beispiele in der Industrie, wie im Schienenverkehr und bei Werkzeugmaschinen.
7. FAZIT: Zusammenfassende Bewertung der Potenziale und Hemmnisse für den industriellen Einsatz von Aluminiumschaum-Platten.
Schlüsselwörter
Aluminiumschaum, AFS-Platten, Leichtbau, Schmelzmetallurgie, Pulvermetallurgie, Energieabsorption, Werkstoffeigenschaften, Druckfestigkeit, Schwingungsdämpfung, Aluminium, Materialforschung, Konstruktion, Multifunktionalität, Crashsicherheit, Sandwichstruktur.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit Aluminiumschaum-Platten (AFS) als Werkstoff für den modernen Leichtbau, ihre Herstellung, ihre spezifischen physikalischen Eigenschaften und ihre industriellen Einsatzmöglichkeiten.
Was sind die zentralen Themenfelder der Publikation?
Die Schwerpunkte liegen auf der Materialwissenschaft des Aluminiums, den industriellen Fertigungsverfahren für Metallschäume, der mechanischen Belastbarkeit und den Anwendungsbereichen im Maschinenbau und Verkehrswesen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, auf Basis einer Literaturrecherche das Potenzial von Aluminiumschaum-Platten aufzuzeigen und zu analysieren, welche Faktoren ihren breiten industriellen Einsatz derzeit noch behindern.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer umfassenden Literaturrecherche, die verschiedene Studien und fachliche Grundlagen zur Metallschäumung zusammenfasst und auswertet.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil behandelt die physikalischen Grundlagen, die Herstellungsverfahren (Schmelz- und Pulvermetallurgie), die physikalischen Materialkennwerte sowie konkrete Praxisbeispiele für den Einsatz des Werkstoffs.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit am besten?
Wichtige Begriffe sind unter anderem Aluminiumschaum, Sandwichbauweise, Energieabsorption, Schwingungsdämpfung und Leichtbau.
Welche Rolle spielen die Herstellungskosten bei Aluminiumschaum-Platten?
Die hohen Herstellungskosten stellen aktuell die größte Barriere für einen flächendeckenden industriellen Einsatz dar, weshalb das Material derzeit primär dort eingesetzt wird, wo Gewichtseinsparung und Multifunktionalität wichtiger als der Preis sind.
Wie verbessert Aluminiumschaum die Leistung von Werkzeugmaschinen?
Durch die exzellenten Dämpfungseigenschaften des Aluminiumschaums werden Strukturschwingungen reduziert, was zu einer höheren Bearbeitungsgenauigkeit und gesteigerten Bearbeitungsgeschwindigkeiten führt.
- Citar trabajo
- Leo Siegle (Autor), 2019, Herstellungsverfahren und physikalische Eigenschaften von Aluminiumschaum und Aluminiumschaum-Platten, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/511606
