Neue Leichtbaupotenziale durch leichtes Fügen von Hybrid-Metallschäumen und Werkstoff-Hybriden

Werkstoffe 06. 11. 2019
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Die Fügetechnik hat die Aufgabe, Lösungen für das Verbinden verschiedenster Werkstoffe bereitzustellen. Das Fügen von konventionellen offenporigen Aluminiumschäumen mit ihren schwachen und ungleichmäßigen Porenstrukturen oder Werkstoff-Hybriden mit ihren unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften ist eine große Herausforderung.

Die noch wenig bekannte, aber in Serienfertigung seit mehreren Jahrzehnten bewährte Werkstoffklasse OPENPORE offenporiger Aluminium-Kokillenguss beseitigt ­Grenzen zwischen massivem Aluminium, Sinterwerkstoffen und konventionellen Aluminiumschäumen. Sie erlaubt die zuverlässige Herstellung von leichten, offenporigen beziehungsweise selektiv-offenporigen, belastbaren und multifunktionalen Leichtmetallbauteilen und -Hybriden mit einstellbaren isotropen Eigenschaften und beliebigen Geometrien.

Die umweltfreundliche Modifikation von mechanischen, elektrischen, thermischen, chemischen, optischen und anderen Oberflä­cheneigenschaften von Leichtmetallbauteilen und -Hybriden im neuartigen METAKER®-
Verfahren eröffnet weitere, bisher für unmöglich gehaltene ­Anwendungspotenziale. Die multifunktionalen, mikrostrukturierten, mikroporösen und aktivierten METAKER®-Oberflächen statten die Leichtmetalle mit neuen Werkstoffeigenschaften für bessere Leistung, Funktionsintegration, Kompatibilität und Fügbarkeit aus.

Für das leichte Fügen solcher Bauteile stehen zahlreiche Verbindungslösungen zur Verfügung, die neue, wirtschaftliche Multi-Material-Anwendungen mit neuen Leichtbaupotenzialen ermöglichen.

1 Offenporiger Aluminium-Kokillenguss

Offenporiger Aluminium-Kokillenguss gehört zu den schmelzmetallurgischen Gießverfahren mit verlorenen Platzhaltern. Der Herstellungsprozess (Abb. 1) besteht aus nur vier Arbeitsschritten:

  • Befüllung der Kokille bis zu einem definierten Volumen mit NaCl-Salzgranulat
  • weiteres Auffüllen der Form mit Alumi­niumschmelze
  • konventionelle, mechanische Bearbeitung des Formteils
  • Ausspülen des Salzes aus den Poren

Das Ergebnis ist ein fertiges Formteil mit offener Porenstruktur.

Abb. 1: Standardmäßiges Kokillengussverfahren

 

2 Materialeigenschaften

Die morphologischen, mechanischen, thermischen, dekorativen und anderen Eigenschaften des offenporigen Aluminiumgusses unterscheiden sich deutlich von bekannten aufgeschäumten Metallschmelzen oder Sintermetallen und eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten. Aktuelle Serienprozesse erlauben die Herstellung von unterschiedlichen Eigenschaftenprofilen. Je nach Aufgabenstellung können die standardmäßigen Material­eigenschaften durch Prozessanpassung geändert oder neu entwickelt werden.

Wie jede Flüssigkeit verfügt auch die Aluminiumschmelze über eine Oberflächenspannung. Das Umgießen von NaCl-Platzhaltern erzeugt dadurch immer eine strömungsgünstige Porentopologie ohne scharfe Kanten. Eine solche Porentopologie (Abb. 2) bietet signifikante Vorteile im Vergleich zu gesinterten Metallen. Die mehrfach räumlich miteinander verbundenen, sanduhrförmigen, strömungsgünstigen Poren bilden ein einmaliges Kapillarnetz und bieten die besten Rahmenbedingungen für die Verteilung und Verklammerung von Harzen, Kunststoffen, Klebstoffen oder chemischer und biologischer Lösungen.

Abb. 2: Materialbeispiel mit gezielt gemischten Porengrößen (links); große Poren (D) werden durch die NaCl-Platzhalter definiert, kleine Verbindungsporen (d) entstehen im Gießprozess. Rechts ist ein 2D-Schnitt durch eine CT-Aufnahme im kleinporigen Bereich des Bauteils zu sehen

 

Die sehr gute Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumlegierung kann für eine ­optimale Temperierung von temperaturabhängigen Synthesereaktionen bei der Bildung von Verbundwerkstoffen genutzt werden. Im Gegen­satz zu den undefiniert aufgeschäumten Leichtmetallen besitzen die Strukturen aus offenporigem Aluminiumguss die ­isotropen Materialeigenschaften. Das erlaubt eine plausible numerische Simulation bei der Produktentwicklung und die Herstellung von komplexen und genauen Bauteilen. Das Gussgefüge verfügt über eine erhöhte Dichte der Legierung, eine feinkörnige Struktur und hohe Werte der mechanischen Eigenschaften.

Ein enormer Vorteil von offenporigem Aluminiumguss liegt in seiner Flexibilität in Bezug auf mögliche Fügeverfahren:

  • Zusammensetzen (Einsetzen, Einhängen, Ineinanderschieben)
  • Füllen von Hohlräumen mit Werkstoffen (Kunststoff-Spritzgießen)
  • An- und Einpressen (Schrauben, Nageln, Presspassung)
  • Umformen (Bördeln, Biegen, Nieten)
  • Urformen (Gießen)
  • Löten und Kleben
  • Hybridfügen (Kombination von mehreren Fügeverfahren)

Aktuelle Serienprozesse erlauben die Herstellung von unterschiedlichen Eigenschaftenprofilen. Je nach Aufgabenstellung können die standardmäßigen Materialeigenschaften durch Prozessanpassung geändert oder neu entwickelt werden.

3 Verbindungslösungen

3.1 Einbringen von Stoffen in Hohlräume

Die Fügeverfahren, die durch das Einbringen von Flüssigkeiten, Gasen, Pulvern oder Pasten in Hohlräume erfolgen, sowie der offenporige Aluminiumguss mit seinen einstellbaren Poren (Abb. 3), können für die Herstellung neuartiger Hybridteile mit neuen strukturellen und multifunktionellen Eigenschaften genutzt werden.

Abb. 3: Glasfaserlaminat (links) und Kunststoffspritzguss (rechts) mit einem Kern aus ­offenporigem Aluminiumguss

 

Abb. 4: OPENPORE-Aluminiumteil (oben) modifiziert im METAKER®-Verfahren (links) und nachträglich PVD beschichtet (rechts)

 

Die Oberflächeneigenschaften der Aluminiumkomponenten können entweder vor dem Verbinden mit anderen Werkstoffen oder auch danach im METAKER®-Verfahren funktionalisiert, mikrostrukturiert und aktiviert werden. Solche Bauteile (Abb. 4) verfügen im Makrobereich über die strukturellen Eigenschaften von porösem Aluminium und im Mikrobereich über die neuen multifunktionellen Eigenschaften, die - je nach Anwendung - eine Substitution von anderen Werkstoffen, wie beispielsweise Stahl, Bronze, Messing, Keramik, Edelstahl und anderen erlauben.

3.2 Konventionelle Hybridteile

Das Kokillengussverfahren erlaubt die Herstellung unterschiedlicher Hybridteile durch die Möglichkeit, die Einlegeteile aus Werkstoffen mit hohen Schmelztemperaturen, wie zum Beispiel Glas, Stahl oder Kupfer, einzugießen. Viele neue Möglichkeiten, die Eigenschaften und die Geometrie von porösen Bauteilen einzustellen und sie mit den Eigenschaften und Geometrien von Einlegern aus anderen Werkstoffen zu kombinieren, erlauben die Entwicklung neuer Konzepte für poröse oder selektiv-poröse Multi-­Material-Anwendungen.

In aktuellen Serienprozesse lassen sich unterschiedliche Eigenschaftenprofile realisieren. Je nach Aufgabenstellung können die standardmäßigen Materialeigenschaften durch Prozessanpassung geändert oder neu entwickelt werden.

3.3 Selektiv poröse Leichtmetallbauteile

Selektiv poröse Leichtmetallbauteile können auf unterschiedliche Arten hergestellt werden (Abb. 5). Die massiven und die porösen Bereiche sind stoffschlüssig miteinander verbunden. Je nach Anwendung und Herstellungsart lassen sich weitere unterschiedliche Funktionen in die massiven und porösen Bereiche integrieren.

Abb. 5: Selektiv poröses Bauteil (unten) und ein Hybridteil aus offenporigem Aluminium mit einem eingegossenen Stahlrohr (oben)

 

3.4 OPENPORE-3D Hybridtechnik

Sowohl beim offenporigen Aluminiumguss, als auch bei additiver Fertigung werden Aluminium-Gusslegierungen eingesetzt. Durch eine spezifische Prozessanpassung ­lassen sich 3D-Aluminiumstrukturen auf einem Bauteil aus porösem Aluminium stoffschlüssig aufdrucken (Abb. 6).

Abb. 6: Bei der OPENPORE-3D Hybridtechnologie wird Aluminium-Digitaldruck mit einem offenporigem Aluminiumbauteil kombiniert

 

Abb. 7: METAKER®-Oberfläche auf einem generativ hergestellten Aluminiumbauteil erweitert dessen Anwendungspotenziale und Fügbarkeit

 

Die rauen, unbehandelten Oberflächen der 3D-gedruckten Aluminiumbauteile eignen sich nur bedingt für das Lackieren, Beschichten oder Verkleben. Die METAKER®-Schicht lässt sich auch auf solchen Oberflächen hervorragend erzeugen (Abb. 7). Außer Korro­sionsschutz und anspruchsvoller Optik kann die neuartige mikrostrukturierte Oberfläche die feinen 3D-Strukturen nicht nur funktionalisieren und chemisch aktivieren, sondern auch versteifen.

3.5 Schraubverbindungen

Neue Materialeigenschaften des offenporigen Aluminiumgusses bieten eine neue Möglichkeit, die Schraubverbindungen umzusetzen. Das Gewinde kann dabei entweder massiv, porös oder selektiv-porös ausgeführt werden und ist in allen Fällen zuverlässig ­belastbar (Abb. 8).

Abb. 8: Hybrid-Bauteile mit massivem (links), modifiziertem (Mitte) und offenporigem (rechts) Gewinde

 

Die Modifikation des Gewindes im METAKER®-Verfahren erlaubt die verschleiß- und
korrosionsbeständige Verschraubung mit anderen Werkstoffen, wie unter anderem Stahl, Messing oder Kupfer. Die aktivierten, mikro­strukturierten und mikroporösen METAKER®-Oberflächen bieten viele weitere funktionelle Vorteile, beispielsweise für die Sicherung von dynamisch belasteten Schraubverbindungen durch mikroverkapselte Klebstoffe.

3.6 bigHead®-Befestiger

Eine gleichermaßen elegante wie flexible Lösung zum Anbringen unterschiedlicher Befestigungssysteme, wie Stifte, Nägel, Muttern, Gewinde oder auch Haken findet sich ebenfalls im Bereich der Leichtbautechnologie: Ohne Vorbohrung und unter Beibehaltung der positiven Materialeigenschaften können durch das Aufkleben eines bigHead®-Befestigers hohe Kräfte übertragen werden – auch bei dünnen Wandstärken. Denn die Grundplatte (Head) überträgt sämtliche Belastun­gen gleichmäßig in das Bauteil. Das vielfach bewährte System eignet sich zudem gut für den offenporigen Aluminiumguss, da der Klebstoff sehr gut in den Poren des Bauteils verfließen kann und nach Aushärtung eine gute Verankerung herstellt. Die über 400 Standardvarianten der bigHead®-Befestiger lassen sich hinsichtlich ihrer Größe und der Art des Verbindungspunkts flexibel an die jeweilige Anforderung anpassen. Auf diese Weise sind bereits mehr als 5000 Individualversionen entstanden. Somit geht positiv Bewährtes aus dem Leichtbau eine perfekte Symbiose mit dem neuartigen Werkstoff ein. Die Kombination beider Technologien ergibt folglich unzählige neue Möglichkeiten (Abb. 9).

Abb. 9: bigHead®-Befestiger auf offenporigem OPENPORE-Aluminium

 

3.7 bigHead®-LeanBonding® und METAKER® Surface

Kleben ist branchenübergreifend bei leichten Verbundwerkstoffen und dünnen Metall­materialien etabliert und bewährt. Bestmögliche Ergebnisse lassen sich jedoch nur dann erzielen, wenn sämtliche Vorgaben eingehalten werden – angefangen bei der korrekten Lagerung, exakten Dosierung und Anwendung der Klebstoffe, bis hin zur Beachtung der Aushärtezeiten für die Weiterverarbeitung.

Für viele Unternehmen sind das genügend Gründe, um nach wie vor auf herkömmliche Befestigungselemente zu setzen. In der Folge kommen dann beispielsweise Schweißbolzen zum Einsatz, die zwar funktional ihre Aufgabe erfüllen, aber aus optischer Sicht Nachteile bieten. Insbesondere, wenn Leichtbau und Designvorgaben nur dünne Metallstärken erlauben. Hier gehen die METAKER® Surface-Technologie und eine neue Entwicklung von bigHead®, die LeanBonding®-Technologie (Abb. 10) Hand in Hand. Ein bereits auf dem Befestigungselement vorapplizierter Klebefilm mit Vernetzungspotenzial und strukturellen Klebeeigenschaften wird innerhalb von Sekunden aktiviert und geht mit der funktionalisierten, mikrostrukturierten, mikro­porösen und aktivierten METAKER®-Ober­fläche eine feste Verbindung ein.

Abb. 10: LeanBonding®-Befestigungselement auf einem 0,3 mm starken Aluminiumblech mit METAKER®-Oberfläche

 

Die Ein-Komponenten-Anwendung bietet im Vergleich zu klassischen Methoden mehr Sicherheit und Flexibilität, da kurze Aushärtezeiten realisiert werden können und aufwendige Dosier- und Applikationsprozesse entfallen. Testreihen auf verschiedenen METAKER® Surface-Modifikationen belegen ein gutes Adhäsionsverhalten des eingesetzten PUR-Klebstofffilms.

3.8 ecosyn®-BCT (Bulge Control Technology)

In offenporigen Aluminiumstrukturen überzeugt ebenfalls die für Kunststoffe und Leichtbaumaterialien entwickelte Blindnietmuttern-Technologie. Durch die gezielte Auslegung des Befestigungselements entsteht eine definierte Wulstbildung ohne Lochleibung im Trägermaterial. Dies garantiert sowohl einen sicheren Sitz des Gewindesystems als auch einen idealen Toleranzausgleich. Dadurch werden mit ecosyn®-BCT selbst dünnwandige Bereiche und Hohlstrukturen für tragfähige Befestigungspunkte nutzbar (Abb. 11 und 12). Zur Montage ist nur eine einseitige Zugänglichkeit erforderlich; darüber hinaus kann bewährtes Ver­arbeitungsequipment eingesetzt werden. Somit ist die hohe Prozesssicherheit auch bei schnellen Taktzyklen gegeben. Diverse Varianten in unterschiedlichen Größen, Werkstoffen (Stahl verzinkt, Aluminium, Edelstahl A2 und A4) und mit unterschiedlichen Köpfen (Flach-, Senk- und Sonderformen), sowie spezielle Micro-Ausführungen bieten eine hohe Designfreiheit.

Abb. 11: ecosyn®-BCT-Blindnietmuttern auf offenporigem OPENPORE-Aluminium

 

Abb. 12: bigHead®-Befestiger und ecosyn®-BCT-Blindnietmutter auf offenporigem OPENPORE-Aluminium

 

3.9 MultiMaterial-Welding

Mit MultiMaterial-Welding (MM-W) steht eine weitere neuartige Methode zur Funktio­nalisierung und Verbindung von offenpori­gem Aluminiumguss zur Verfügung (Abb. 13). Das auf Ultraschallenergie basierende Verfahren hat sich bereits in der Holzverbindungs- und Medizintechnik (Knochen) bewährt. Es beruht auf der mikroformschlüssi­gen Verbindung von Bauteilen/Befestigungselementen mit thermoplastischen Eigenschaften und porösen Trägermaterialien.

Abb. 13: MultiMaterial-Welding™-Befestigungselement auf offenporigem OPENPORE-Aluminium

 

Die offenporige Aluminiumstruktur bietet ideale Grundvoraussetzungen für das spannungsfreie und tiefe Einfließen der nur partiell verflüssigten Kunststoffkomponenten. Innerhalb einer Sekunde wird das polymere Bauteil fest im Porenguss verankert. Hierbei kommt der Energieeintrag durch den Ultraschall nicht nur schnell und präzise, sondern auch rein über die Z-Achse. Das bedeutet, dass das MultiMaterial-Welding-Verfahren nicht auf rotationssymmetrische Geometrien limitiert ist. Darüber hinaus sind übliche GF und nicht GF-verstärkte Kunststoffe als Füge­partner möglich. In Verbindung mit der innovativen MM-W-Technologie ermöglicht die neue Werkstoffklasse bislang nicht für möglich gehaltene Konstruktionsansätze.

4 Anwendungen

Die Hauptanwendungsgebiete von offenporigem Aluminiumguss sind derzeit Schalldämpfer, Filterbauteile für Fluide und Gase, mit denen Aluminium nicht reagiert und mechanischer Sensorschutz. Mediendurchlässige Gehäuse schützen Sensoren vor Staub, Spritzwasser, Crash oder Flamme. Wegen ihrer technisch besseren Eignung und der günstigeren Herstellungskosten haben die Aluminiumkomponenten bei einer Reihe von Unternehmen die Komponenten beispielsweise aus Keramik, Sinterbronze oder Metalldrahtgewebe inzwischen substituiert.

Abb. 14: OPENPORE-Aluminium-Sensorgehäuse für unterschiedliche Anwendungen

 

Abb. 15: OPENPORE-Aluminium-Schalldämpfer für pneumatische Anwendungen

 

Viele weitere Anwendungen, wie zum Beispiel Vakuumtische, Werkzeuge für das Thermoformen oder dekorative Produkte für den Innen- und Außenbereich gehören zum Angebotssortiment. Ganz neuartige Anwendungsmöglichkeiten (Abb. 14 und 15) eröffnet offenporiger Aluminiumguss durch viele neue Werkstoffeigenschaften, die konventionelle Aluminiumschäume nicht haben:

  • einstellbare, reproduzierbare mechanische Eigenschaften und plausible numerische Simulation
  • beliebige Formgebung durch konventionelle mechanische Bearbeitung
  • neue Möglichkeiten für die Funktionsintegration, wie zum Beispiel Gewinde
  • bessere Wärmeleitung durch einen höheren Materialanteil in der Struktur
  • definierbare Kraftübertragung bei Einsatz in den Werkstoffhybriden
  • höhere Dichte und bis zu 20-mal höhere Druckfestigkeit
  • bis zu sechsmal höhere thermische Leit­fähigkeit
  • flexibel einstellbare Porengrößen von ­wenigen Mikrometern bis zu einigen Zentimetern
  • neuartige, sanduhrförmige Porentopologie mit neuen mechanischen, strömungsmechanischen und akustischen Eigenschaften
  • flexible Integration von massiven Materialbereichen in die Schaumstruktur
  • flexible Integration von selektiv porösen Bereichen in das massive Material
  • flexible Fügetechnik

Dies gilt sowohl für den offenporigen Aluminiumguss als eigenständige Material­klasse, als auch als werkstoffhybride Funktionsstrukturen. Bereits in der Standardausführung bietet das neue Material ein hohes Potential für neue, multifunktionale Anwendungen in unterschiedlichen Bereichen:

  • funktionsintegrierter Leichtbau
  • multifunktionale Werkstoffhybride
  • integrierte Crashelemente
  • integrierte Wärmeübertrager
  • gas- und fluiddurchlässige Gehäuse
  • Energie- und Wärmespeicher
  • Homogenisierung und Verteilung unter anderem von Luft oder Kraftstoff
  • Energie- und Vibrationsabsorption
  • optimal temperierte Werkzeuge für das Thermoformen und den Kunststoffspritzguss

    5 Zusammenfassung

Mit seinen neuartigen Eigenschaften schlägt der offenporige Aluminium-Kokillenguss eine Brücke zwischen massivem Aluminium-Kokillenguss, Sinterwerkstoffen und konventionellen Aluminiumschäumen. Die meisten Füge­technologien, die für massive Metalle zur Verfügung stehen, können auch beim offenporigen Aluminiumguss eingesetzt werden. Die modernen multifunktionalen, mikrostrukturierten, mikroporösen und aktivierten METAKER®-Oberflächen erweitern die Funktionalität und Fügbarkeit von Leichtmetallen und Werkstoffhybriden. Die neuen Freiheitsgrade erlauben es den Ingenieuren, die Eigen­schaften von massiven Aluminiumteilen mit porösen Aluminiumstrukturen und Polymeren innovativ und flexibel zu kombinieren und mit anderen Werkstoffen leicht zu fügen, um neue interessante Perspektiven für viele Anwendungsfelder zu realisieren.

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