Zellulare Metalle

Gießtechnologische Fertigung offenzelliger Metallschäume

Das Anwendungsspektrum zellularer Metallstrukturen ist noch längst nicht ausgeschöpft.

Aluminiumdruckgießereien stehen als energieintensive Produzenten vor immer größeren wirtschaftlichen und ökologischen Herausforderungen. Gleichzeitig werden die Gussteile zunehmend komplexer und können nur mit neuester Technologie qualitativ hochwertig gegossen werden. Da die in Druckgießanlagen eingesetzte Energie zu einem großen Teil auf den thermischen Haushalt entfällt, birgt eine angepasste Temperierung der Gießwerkzeuge großes Einsparpotenzial.

VON TOBIAS SCHUBERT, CHRISTIAN HANNEMANN, CHEMNITZ UND ERIC RIEDEL, MAGDEBURG


Bild 1: Beispielstrukturen offenzelliger Metallschäume.

Metallische Komponenten, die leichter sind als Wasser! Eine metallische Funktionsstruktur, durch die man hindurchschauen kann! Eine innere Oberfläche, die weit über die Summe ihrer Grenzflächen hinausgeht! Das Potenzial zellularer Metalle (Bild 1) ist unbestritten hoch. Vor allem, da Rohstoff – und Energieeffizienz einen immer höheren Stellenwert in der Produkt- und Prozessentwicklung einnehmen und die zellularen Metalle einen wertvollen Beitrag dazu leisten können. Nur woran scheitert diese Technologie, die bereits seit über 50 Jahren in diversen wissenschaftlichen Kreisen untersucht wird, den Sprung in die industrielle Anwendung zu realisieren?

Die Antwort ist so komplex wie die Herstellung der offenzelligen Metallschäume selbst. Die Kosten liegen aufgrund der erwähnten Fertigungskomplexität zu hoch, es fehlt an Kapazitäten, Know-how und Anlagentechnik oder schlichtweg der Mut, für eine neue Technologie der erste Anwender zu sein.

Kooperationsnetzwerk

Bild 2: Internationales Innovationsnetzwerk zur fertigungstechnologischen Weiterentwicklung zellularer Metallstrukturen: www.inocem.net.

All diese Hemmnisse zu überwinden ist gerade für klein- und mittelständische Unternehmen allein eine sehr große Herausforderung. Die Potenziale besonders im Bereich der Wärmetauscher, Elektromobilität und selbst der Wasserstoffproduktion sind jedoch so hoch, dass sich nach über einem Jahr der Planung und Antragsstellung Mitte 2020 ein Team aus Wissenschaft und Wirtschaft bestehend aus 16 Partnern aus vier Ländern im internationale Innovationsnetzwerk für Metallische Schäume (INOCEM – International Network of Cellular Metals) zusammengetan hat, an dieser Thematik zu arbeiten (Bild 2). Unter der Koordination des Fraunhofer Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU), das über Erfahrung aus fast 25 Jahren Forschung und Entwicklung hinsichtlich der zellularen Metalle verfügt, haben sich Partner aus Polen, Österreich, den USA und Deutschland zusammengetan, um die zellularen Metalle auf ein neues Anwendungsniveau zu heben. Ob als Filter, Wärmetauscher, Crashabsorber oder Heizelement, dem Anwendungsspektrum sind keine Grenzen gesetzt.

Bild 3: Netzwerk-Struktur und -Aufbau.

Zielsetzung

Ziel des Netzwerkes ist die Konzeption, Entwicklung und Realisierung innovativer technologischer und systemintegrierbarer Verfahren und Produkte. Diese basieren auf der Herstellung neuer, innovativer zellularer metallischer Materialien mit Fokus auf Anwendungsorientierung entlang der gesamten Wertschöpfungskette (Bild 3). Für das Kooperationsnetzwerk wurden die folgenden Handlungsfelder mit konkreten Schwerpunkten zur Entwicklung eigener innovativer Gieß- und Fertigungslösungen einbezogen:

Das erste Handlungsfeld zielt auf die prozessseitige Entwicklung und Optimierung von Herstellungsverfahren offenzellularer Metalle auf Basis ökologischer und ökonomischer Gesichtspunkte. Diese umfassen die gesamte Fertigungstiefe von den Ausgangsstoff en und der Geometriefestlegung über die Fertigungsumsetzung bis zum Recycling der Endprodukte und Verbrauchsstoff e während der Herstellung. Dabei ist es Aufgabe des Netzwerkmanagements, die F&E-Lücken zu identifizieren und durch die geschickte Auswahl von Partnern und Kooperationen zu schließen.

Das zweite Handlungsfeld befasst sich mit dem Aufbau und der Entwicklung von systemintegrativen Lösungen für den Einsatz der zellularen Metalle. Dazu gehören sowohl die Parameterermittlung und Anwendungsentwicklung als auch die Erfassung der potenziellen Preisgestaltung.

Durch die Beteiligung möglicher Anwender bereits in den Gestaltungsprozessen und während der Geometrieauslegung fließen die Anforderungen und Bewertungen in alle Prozessstufen der Forschungs- und Entwicklungsprojekte mit ein und nehmen damit unmittelbaren Einfluss auf die seriennahe und industrielle Machbarkeit aller Teilschritte.

Da die Partnerauswahl primär entlang der Prozesskette der Herstellungsverfahren erfolgte, leistet jeder Partner seinen individuellen Beitrag zur Bewältigung der eingangs erwähnten Herausforderungen und schließlich zum Erreichen der gesetzten Ziele. Der Erfolg des Netzwerks liegt in der Stärke jedes einzelnen Netzwerkpartners und somit vor allem in der Bündelung des gesamten zur Verfügung stehenden Know-hows. Dabei sind wir als Team zu jeder Zeit off en für Anregungen und freuen uns über weitere Partner, neue Ideen, neue Herausforderungen und jedwede weitere Kooperation.

Bild 4: Mögliche Prozesskette zur Herstellung offenzelliger Metallschäume.

Themenfelder

Der Fokus liegt auf der Entwicklung von Herstellungsverfahren und Anwendungen zellularer Metalle. Dies ist der Ausgangspunkt aller Aktivitäten, ob es sich jedoch bei den F&E-Projekten um eine Neu- oder Weiterentwicklung eines gießtechnologischen Verfahrens, die metallische Beschichtung zellularer Kunststoffstrukturen, die Additive Fertigung/den 3-DDruck oder eine gezielte Anwendungsentwicklung zu einer offenen Problemstellung eines der Partner handelt, ist dabei vollkommen frei. Bislang wurden zwei Fördermittelanträge beim VDI/VDE Innovation + Technik im Rahmen der ZIM-Förderung gestellt, die sich mit der Verfahrensentwicklung unter Verwendung additiver Fertigungsverfahren und mit dem Einsatz von Salz als Formstoff beschäftigen:

Feingießtechnologische Fertigung offenzelliger Aluminium- und Kupferschäume: Ziel ist die konkrete Erarbeitung einer Fertigungsstrategie, die es unter Zuhilfenahme additiver Fertigungsverfahren ermöglicht, eine kosteneffiziente Fertigung von Metallschäumen im Feingießverfahren zu realisieren (Bild 4).Gemeinsam mit den im Netzwerk vertretenen Forschungspartnern stehen neben der Realisierung der Gussteile umfassende numerische Vorbetrachtungen im Zentrum des Vorhabens. Ferner sollen geeignete Prüfmethoden entwickelt werden, die gezielt auf das Anforderungsprofil offenzelliger Metallschäume ausgelegt sind. Vereinfachung der Problemstellung hinterschnittiger Strukturen: Was bei der Betrachtung der offenzellularen Metallschäume sofort ersichtlich ist, findet sich auch im Trend der immer effizienteren, aber auch komplexeren Wärmetauscher oder Turbolader wieder. Das abformende Material sicher aus den Tiefen der Struktur zu entfernen, stellt den Gießer vor immer größere und teilweise fast unlösbare Herausforderungen. In der Eigenschaft „unlösbar“ steckt die Grundidee des Forschungsansatzes des Projekts. Wird die Form aus Salz gefertigt, kann sie nach dem Erstarren der Metallschmelze in Wasser aufgelöst und herausgewaschen werden; das Gussteil lässt sich somit sicher und schonend vom Formmaterial „lösen“. Eine im Rahmen einer Masterarbeit durchgeführte Machbarkeitsstudie bestätigte den Ansatz grundsätzlich und führte zu einer ersten Patentanmeldung. Im Rahmen des Projektes soll dieser Ansatz zur industriellen Reife weiterentwickelt werden.

Neun weitere Ideen befinden sich derzeit im Skizzenstatus, wozu unter anderem die Entwicklung von offenzelligen Metallschäumen aus Stahl- und Titanlegierungen und ein Ansatz zur Fertigung offenzellularer Aluminiumschäume im Druckgießverfahren zählen.

Gefördert durch:

aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Das internationale Innovationsnetzwerk INOCOM (Förderkennziffer 16KN098501) wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.

Weitere Informationen:
Christian Hannemann / Dr. Tobias Schubert
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
Reichenhainer Straße 88
09126 Chemnitz
Tel.: +49 371 5397 1972
www.INOCEM.net