Material für den Leichtbau 15.03.2019, 07:04 Uhr

Neuer Metallschaum übersteht Explosionen

Forschern an der Universität des Saarlandes ist es gelungen, einen Metallschaum herzustellen, der extrem leicht und luftig ist und gleichzeitig großen Belastungen standhält.

Nahaufnahme Knochen

Die Nahaufnahme macht die Struktur eines Knochens deutlich. Sie dient als Vorbild für Metallschäume.

Foto: Eranicle / Panthermedia.com

Das Prinzip der Metallschäume ist nicht neu. Diese porösen Werkstoffe werden aus Metallen hergestellt und sehen einem Schwamm ähnlich. Durch die luftige Konstruktion sind sie sehr leicht. Allerdings ist es äußerst aufwändig, sie zu produzieren und deswegen auch teuer. Außerdem sind sie nur für wenige Anwendungen geeignet, weil sie relativ weich und nachgiebig sind. Ein gutes Beispiel ist Aluminium, das heute als das am häufigsten geschäumte Metall gilt. „Deshalb konnten sich Metallschäume bisher nicht auf dem Markt durchsetzen“, sagt der Werkstoffwissenschaftler Stefan Diebels, Professor für Technische Mechanik an der Universität des Saarlandes. Sein Team hat jetzt einen Weg gefunden, die Metallschäume so zu verändern, dass daraus ein neuer Werkstoff entstanden ist: immer noch leicht, aber extrem stabil.

Instrumente für die Beschichtung: Anoden-Käfig und galvanisches Bad

Im Prinzip sind Knochen das Vorbild für Metallschäume. Denn diese müssen leicht sein, damit Mensch und Tier an ihnen nicht zu schwer zu tragen haben. Gleichzeitig ist es ihre Aufgabe, permanente Belastungen und auch Stöße zu überstehen. Das funktioniert, weil ihre innere Struktur aus einem Gerüst feiner Bälkchen besteht, zwischen denen sich Hohlräume befinden. Diese reduzieren das Gewicht, während die Hülle wiederum hart ist, um eine grundlegende Festigkeit zu gewährleisten. Metallschäume sehen sehr ähnlich aus, dennoch haben sie nicht die gleichen Eigenschaften, weil die Bälkchen selbst zu nachgiebig sind. Den saarländischen Wissenschaftlern ist es gelungen, genau das zu ändern. Diebels und die Materialforscherin Anne Jung haben dafür jedes einzelne Bälkchen mit einem patentierten Verfahren beschichtet und auf diese Weise verstärkt. Die Hohlräume sind bestehen geblieben, weswegen das Gewicht weiterhin sehr gering ist.

Als Gerüst dienen die bekannten Aluminiumschäume. Für die Beschichtung nutzen die Forscher ein galvanisches Bad, bei dem Strom dazu verwendet wird, das verstärkende Material hauchdünn aufzutragen. Das größte Problem bestand nämlich darin, die stabilisierende Schicht tief und vor allem gleichmäßig im Inneren des Schaums zu verteilen. „Der Metallschaum wirkt wie ein Faraday-Käfig“, sagt Anne Jung. Sein Inneres sei rundum von leitfähigem Material umgeben, daher werde Strom samt der aufzubringenden Beschichtung außen herum abgeleitet und laufe nicht hindurch. Jung entwickelte daher einen speziellen Anoden-Käfig, um diesen Effekt zu umgehen. So gelingt es, den Schaum gleichmäßig nanokristallin zu beschichten. „Das patentierte Verfahren funktioniert auch industriell bei großflächigen Schäumen“, sagt sie. „Die so entstehenden Metallschäume haben eine geringe Dichte und große Oberfläche bei kleinem Volumen. Im Verhältnis zu ihrem Gewicht sind sie äußerst steif und fest“, ergänzt Diebels.

Einsatz für den Leichtbau oder als Schalldämmung

Der auf diese Weise hergestellte Werkstoff ist laut Aussage der Forscher so stabil, dass er als mobile Schutzwand eingesetzt werden könnte, um Stoßwellen bei Explosionen abfangen. Zum Beispiel bei Sprengungen unter Wasser könnte er Schall- und Druckwellen abfangen und empfindliche Meeresbewohner vor den Folgen schützen. „Wir denken aber vor allem an weniger spektakuläre Einsatzmöglichkeiten wie den Leichtbau“, sagt Jung. Beispielsweise wäre es möglich, den neuen Metallschaum für tragende Teile in Autos und Flugzeugen zu verwenden. „Sie können als steife Verstrebung der Karosserie verbaut werden und zugleich die Funktion des Aufprallschutzes übernehmen. Sie absorbieren viel Energie und fangen die Wucht eines Aufpralls ab, wenn einige der Porenlagen brechen.“

Weitere Anwendungsgebiete für den vielseitigen Schaum seien denkbar. Da er gleichfalls sehr hitzebeständig sei, könne er als Hitzeschild dienen. Auch für eine Schwingungsdämpfung oder als elektromagnetische Abschirmung sei er ideal. Architekten können ihn für schalldämmende Verkleidungen nutzen oder als Designelement mit Zusatznutzen.

Die Vielseitigkeit des Materials hängt auch damit zusammen, dass die Wissenschaftler in der Lage sind, es gemäß den jeweiligen Anforderungen zu verändern. Sie variieren die Beschichtung, ihre Dicke oder die Porengröße und erreichen so verschiedene Eigenschaften. Beispielsweise sorgt eine Beschichtung mit Nickel für hohe Stabilität, während Kupfer Wärme leitet, Silber antibakteriell wirkt, und Gold für Dekozwecke interessant ist.

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