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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Offenzelliger Metallschaum
© Fraunhofer IFAM Dresden
Metallische Werkstoffe
Projektinfo 11/2016

Latentwärme-Speichereinheit mit Aluminiumschaum-Paraffin-Verbundwerkstoff
© Fraunhofer IFAM Dresden

Für Wärmeübergangsmessungen wurden neben Metallschäumen auch ausgewählte Faserstrukturen als Sandwichprobe gefertigt.
© Fraunhofer IFAM Dresden

In einem Modellkühler ersetzt Metallschaum die Lamellenstruktur.
© Fraunhofer IFAM Dresden
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Metallschaum – ein Werkstoff für die Wärmetechnik

Metallschäume entwickeln sich immer mehr zu Werkstoffen mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten. Während sich Metallschäume mit geschlossenen Poren als steife und feste Leichtbaumaterialien bereits etabliert haben, eignet sich die offenzellige Variante für wärmetechnische Anwendungen. Bisher findet sich der Werkstoff selten in Wärmeübertragern oder Kühlern, denn die Herstellung ist teuer und die Anwendung wenig erprobt. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden wollen dies ändern. Gemeinsam mit Industriepartnern entwickeln sie die Produktionsverfahren weiter, charakterisieren unterschiedliche Metallschäume und testen sie in der Praxis.

Das Material bietet ideale Voraussetzungen für den Bau von Wärmeübertragern, Kühlern oder Konvektoren. Sie lassen sich bei einer Porosität von bis zu 95 Prozent gut von Gasen oder Flüssigkeiten durchströmen. Dabei ermöglicht die große Oberfläche des Schaums zusammen mit der guten Leitfähigkeit des Metalls die Übertragung großer Wärmemengen. Offenzellige Metallschäume können mit Zellenweiten zwischen 0,3 und 5 mm hergestellt werden. Das thermische und strömungstechnische Verhalten der unterschiedlichen Metallschäume war aber nicht ausreichend erforscht. Dies war, zusammen mit den hohen Herstellungskosten, die größte Hürde für den Einsatz des Werkstoffs in der Energietechnik. Die m.Pore GmbH ist eines der wenigen Unternehmen, die offenporige Metallschäume in einem Feingussverfahren herstellen kann: Als Modell für den Guss dienen offenzellige Polyurethanschäume, die in unterschiedlichen Porengrößen verfügbar sind. Die Größe der Poren und die Dicke der Stege zwischen den Poren geben die späteren Eigenschaften des Metallschaumes vor. In einem ersten Schritt stabilisieren die Techniker die dünnen Stege mit Wachs und bringen sie dadurch auf die gewünschte Dicke. Anschließend umgießen sie den Kunststoff mit einer dünnflüssigen Keramiksuspension. Diese kann aufgrund eines hohen Wasseranteils in die feinen Poren eindringen und diese ausfüllen. Bei einer Temperatur von 120 °C trocknet und erstarrt sie. Eine weitere Temperaturerhöhung auf 600 °C zersetzt den formgebenden Kunststoff und härtet die so entstandene feuerfeste Form. Jetzt kann die noch heiße Gussform mit einer beliebigen gussfähigen Metalllegierung befüllt werden. Für die meisten Anwendungen wird eine Aluminiumlegierung verwendet. Nach dem Abkühlen zerfällt die Spezialkeramik und lässt sich auswaschen.

Für einen neuen Unternehmensstandort optimierten die Wissenschaftler jeden einzelnen Verfahrensschritt. Durch eine Teilautomatisierung konnten sie den Ofendurchsatz mehr als verdoppeln und den spezifischen Energieverbrauch senken. Künftig sollen sowohl das Wasser als auch die Keramik aufbereitet und wiederverwendet werden. Mit dem Fertigungsverfahren werden Schaummetallplatten in der Größe 450 mal 250 mal 40 Millimeter hergestellt. Deren innere Oberfläche entspricht in etwa der Fläche eines Fußballfeldes.

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Pulvermetallurgisches Verfahren

Wenn Metallschäume mit sehr kleinen Zelldurchmessern benötigt werden, stößt das Feingussverfahren an seine Grenzen. Bei Porendurchmessern unter etwa einem Millimeter fließt das Metall nicht mehr vollständig in die Hohlräume. Solche filigranen Strukturen können Wissenschaftler des Fraunhofer IFAM in Dresden mit einer bereits vor Jahren entwickelten pulvermetallurgischen Fertigungstechnologie erzeugen. Auch sie nutzen wachsstabilisierten PU-Schaum als formgebendes Modell. Diesen beschichten sie mit einer Metallpulver-Binder-Suspension. Anschließend zersetzen sie den Kunststoff und den Binder durch hohe Temperaturen. Übrig bleibt ein Metallpulver-Skelett, das bei ca. 80% der Schmelztemperatur der verwendeten Metalllegierung zu einem festen Gefüge gesintert wird. Die Kunst dabei ist, Rissbildung und Porendefekte zu vermeiden. Mit neuen Pulvern und Bindern haben die Forscher das Verfahren verbessert. Insbesondere gelingt es ihnen neuerdings, kleinzellige Kupferschäume herzustellen.

Metallschäume systematisch vermessen

Porengröße, Stegdicke und –form und die Wahl der Metalllegierung legen die thermischen und strömungstechnischen Eigenschaften der Metallschäume im Wesentlichen fest. Es gelingt aber noch nicht, diese präzise mit mathematischen Modellen vorherzusagen. Deshalb entwickelten die Wissenschaftler verschiedene Teststände, um die effektive Wärmeleitfähigkeit der Metallschäume und Metallfaserproben, den Wärmeübergang an eine Gasströmung und den durch die Metallstrukturen erzeugten Druckverlust systematisch zu messen. Die Messergebnisse fassten sie in einer Datenbank zusammen. Diese dient auch als Basis, um Metallschäume besser mathematisch zu modellieren.

Können Metallschäume und Metallfasern ihre physikalischen Vorteile gegenüber konventionellen Kühlern, Wärmeübertragern oder Konvektoren auch in der Praxis ausspielen? Diese Frage sollten experimentelle Untersuchungen an verschiedenen technischen Systemen beantworten.

Projektinfo 11/2016:
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Merkzettel

Adressen

Systematische Charakterisierung offenzelliger Metallstrukturen, Projektleitung
Fraunhofer IFAM

Entwicklung prototypischer Komponenten für Wärmetransport und Wärmespeicherung
WätaS GmbH

Gießtechnischer Herstellung offenzelliger Metallschäume
m.Pore GmbH

BINE-Projektinfo 11/2016
(PDF, 4 Seiten, 910 kB)

Infotipps

Metallschäume in der Wärmetechnik.
BINE-Projektinfo 12/2005

Links

IFAM
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM

IWU
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.