Werkstoffwissenschaften: DFG fördert FAU-Projekt

Magnesiumschaum - ein neuer Leichtbauwerkstoff

Lasttragende Komponenten in der Natur besitzen sehr häufig eine zellulare, also schaumartige Struktur. So können beispielsweise Holz und Knochen eine hohe mechanische Stabilität bei geringstem Gewicht gewährleisten. Dieses Bauprinzip aufgreifend, wurde am Erlanger Lehrstuhl Werkstoffkunde und Technologie der Metalle (WTM) von Prof. Dr.-Ing. Robert F. Singer ein neuartiger metallischer Werkstoff mit zellularer Struktur entwickelt. Es handelt sich um einen Verbundwerkstoff, bei dem keramische Hohlkugeln in das leichteste Konstruktionsmetall, nämlich Magnesium, eingebettet werden. Das geringe Gewicht und die Fähigkeit, bei einem Aufprall kinetische Energie sehr effektiv in Verformungsenergie umzuwandeln, bietet eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere in der Verkehrstechnik.

 

Leichtbau mit dem Ziel, Treibstoff einzusparen, um Ressourcen zu schonen und gleichzeitig die Umweltbelastung zu reduzieren, ist beim Bau von Kraftfahrzeugen, Zügen und Flugzeugen eine der wesentlichen Aufgabenstellungen für die Zukunft. Im Zuge der daraus resultierenden, immer größer werdenden Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe ist in den letzten Jahren eine neue Materialklasse entstanden, die zellularen metallischen Werkstoffe. Diese zeichnen sich durch sehr geringe Dichten aus und können bei einem Aufprall kinetische Energie sehr effektiv in Verformungsenergie umwandeln. Sie sind daher sehr gut geeignet, Fahrzeuggewichte zu reduzieren und gleichzeitig die passive Sicherheit zu erhöhen.

 

Insbesondere zur Herstellung von Aluminiumschäumen haben sich in den letzten Jahren zwei Verfahren etabliert: Zum einen ein schmelzmetallurgisches Verfahren, das auf dem direkten Einleiten von Gas in eine Schmelze basiert, und zum anderen ein pulvermetallurgisches Verfahren, bei dem das Schäumen durch die Gasabspaltung eines Treibmittels beim Aufschmelzen eines pulvermetallurgisch hergestellten Vormaterials erreicht wird. Beiden Verfahren ist gemeinsam, daß der dynamische Prozeß des Aufschäumens schwierig zu kontrollieren ist und häufig zu einer ungleichmäßigen Porenstruktur, d. h. stark schwankenden Porengrößen führt. Darüber hinaus ist die Anwendbarkeit der Verfahren auf Magnesium (Magnesium hat eine gegenüber Aluminium um 30 % reduzierte Dichte) wegen dessen chemischer und physikalischer Eigenschaften nur unter großem technischem Aufwand möglich.

 

Hohlkugeln in einer Magnesiummatrix

Am Lehrstuhl WTM wurde daher ein grundsätzlich anderes Prinzip zur Herstellung zellularer Strukturen auf Magnesiumbasis aufgegriffen. Während der ersten zwei Jahre eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projektes wurde ein neuartiger zellularer Werkstoff entwickelt, bei dem dünnwandige keramische Hohlkugeln in einem gießtechnischen Prozeß in eine Magnesiummatrix eingebettet werden. Diese Werkstoffstrukturen werden auch als syntaktische (griech. syntaxis = zusammengestellt) Magnesiumschäume bezeichnet.

 

Die mechanische Prüfung dieser Schäume zeigt vielversprechende Eigenschaften. So ist der neu entwickelte syntaktische Magnesiumschaum den konventionellen Aluminiumschäumen hinsichtlich der Gleichmäßigkeit in der Porenstruktur, der Festigkeit unter Druckbelastung und in bezug auf das spezifische Energieabsorptionsvermögen überlegen, d.h. den Energiebetrag, der pro eingesetztem Gewicht während eines Aufpralls in Verformungsenergie umgewandelt werden kann.

 

Ziel des laufenden Forschungsprojektes ist es, die neuen Werkstoffe weiter zu optimieren. Dabei soll einerseits ein detaillierteres Prozeßverständnis zur Herstellung dieser Werkstoffstrukturen erarbeitet werden. Andererseits gilt es im Rahmen von Grundlagenuntersuchungen, den Einfluß der Verbundkomponenten auf die Eigenschaften der Gesamtstruktur genauer zu untersuchen. Die Untersuchungen zielen dabei insbesondere auf ein besseres Verständnis des Zusammenhangs zwischen den mechanischen Eigenschaften der eingesetzten Hohlkugeln bzw. der jeweiligen Magnesiumlegierung, der Porenstruktur, d. h. der Hohlkugelanordnung und den daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften ab. Die ermittelten Zusammenhänge sollen schließlich eine gezielte Anpassung der Werkstoffe auf verschiedene Anforderungsprofile ermöglichen.

 

Das Projekt wird von der DFG für weitere zwei Jahre mit einem Finanzvolumen von 476.000 Mark gefördert. Es steht in engem thematischem Zusammenhang zu weiteren Forschungsvorhaben des Lehrstuhls im Rahmen eines neuen DFG-Schwerpunktprogramms unter dem Titel "Zellulare metallische Werkstoffe", an dem 21 Forschergruppen aus der ganzen Bundesrepublik beteiligt sind und das von Prof. Singer koordiniert wird.

 

· Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Robert F. Singer, Dipl.-Ing. Mark Hartmann
Lehrstuhl Werkstoffkunde und Technologie der Metalle
Martensstraße 5, 91058 Erlangen
Tel.: 09131/85 -27512, -27514, Fax: 09131/85 -27515
E-mail: rfsinger@ww.uni-erlangen.de markh@ww.uni-erlangen.de
Internet: http://www.wtm.uni-erlangen.de

Mediendienst FORSCHUNG Nr. 552 vom 17.06.1999

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