Materialeffekte Neue Werkstoffe schaffen Nachhaltigkeit

Ein Stück Metall, so leicht wirkend, wie Milky Way? Nun, so neu ist das nicht. Aber das, und noch mehr, kann man auf der EMO 2025 in Hannover erleben – vor allem auch die Vorteile davon.

Dieses Stück Metall ist so locker und leicht, das schwimmt sogar in Milch. Die Rede ist von Metallschaum. Das Material enthält bis zu 90 Prozent Luft und hat verblüffende Eigenschaften. In der Fabrik eingesetzt sorgt es etwa für mehr Nachhaltigkeit und trägt dazu bei, die Umweltbilanz in der industriellen Produktion zu verbessern. Das ist durchaus relevant, denn wegen steigender regulatorischer Anforderungen stehen Produktionstechnikanbieter weltweit vor der Herausforderung. Dazu gehören leistungsfähigere und umweltschonendere Materialien, die es zu verwenden gilt. Was es in dieser Hinsicht schon gibt, wird auf der EMO Hannover 2025, der Weltleitmesse für Produktionstechnologie, vom 22. bis 26. September präsentiert. Besonders Metallschäume und Ersatzstoffe für per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) geraten dabei in den Fokus. Metallschäume helfen dabei, Maschinen leichter aber gleichzeitig stabiler zu machen, wodurch deren Effizienz steigt. Der hochporöse Werkstoff weist – ähnlich wie seine natürlichen Vorbilder Knochen oder Naturschwamm – eine zellulare Struktur auf, die etwa schwingungsdämpfend wirkt. Die Herstellung ist sozusagen dem Bäckerhandwerk entliehen.

Metallschaumherstellung ist wie Brotbacken

Aluminiumschaum, es geht aber auch mit Stahl, kann in einem Verfahren hergestellt werden, das im Prinzip ähnlich abläuft wie das Brotbacken. Man nehme Metallpulver, Treibmittel und erwärme das Ganze – fertig ist der Aluminiumschaum. Im Detail gestaltet sich die Herstellung des Hightech-Werkstoffs freilich etwas komplexer. Für die Herstellung von Aluminiumschäumen werden ein Aluminiumlegierungs- und ein Treibmittelpulver miteinander vermischt. „Beides wird durch Axialpressen vorkompaktiert und dann durch Strangpressen zu schäumbaren Strängen verdichtet“, erklärt Carsten Lies, Abteilungsleiter Funktionsintegrierter Leichtbau am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz. Und für die Herstellung von Sandwiches aus Aluminiumschaum werden die schäumbaren Aluminiumstränge zugeschnitten und zwischen zwei im Abstand zueinander positionierte Deckbleche gelegt. Dann wird geheizt, wodurch das schäumbare Aluminium um ein Vielfaches an Volumen gewinnt. Der entstehende Metallschaum verbindet sich dabei fest mit den beiden Deckblechen – fertig ist das Metall-Sandwich. Das Ganze wird abgekühlt und auf die finalen Endabmessungen zugeschnitten. „Metallschäume – speziell Aluminiumschäume – werden vorwiegend als Kernmaterial in Sandwiches eingesetzt“, merkt Lies an. Deren Deckbleche sind aber meist aus Stahl oder Aluminium. Die Decklagen nehmen aber Kräfte besser auf. Der Kern hält die Bleche dabei auf konstantem Abstand, erklärt der Fraunhofer-Forscher. Der Verbund zwischen Decklagen und Kern entsteht dabei meist durch reinen Stoffschluss.

Gewicht runter, Steifigkeit rauf – der Sandwich-Effekt

Je nach Auslegung sind diese Sandwiches sehr biegesteif, wie es weiter heißt. Dieser Effekt wird dann genutzt, um Baugruppen zwar leichter zu machen, dabei aber nichts an Steifigkeit zu verlieren, oder sogar hinzuzugewinnen. Massive Metallkomponenten können also damit ersetzt werden. Je nach Optimierungskriterium könnten im Vergleich zu üblichen Baugruppen bei gleichem Gewicht deutliche Steifigkeitserhöhungen von bis zu 30 Prozent erreicht werden. Die konkreten Vorteile beim Einsatz von Metallschaum in der Maschine mit Blick auf Effizienz und Nachhaltigkeit sind laut Lies also die verbesserte Dämpfung bei Schwingungen und der Leichtbaueffekt. Positiv für die Umweltbilanz sei, dass Metallschäume problemlos recycelt werden könnten. Es gibt ja keinen Klebstoff – also Fremdmaterial – für die Sandwichfertigung. So kann alles in den Materialkreislauf von Stahl respektive Aluminium eingeschleust werden.

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