Werkstoffe Gefüllte Hohlräume

Hohes Leichtbau- und Dämpfungspotenzial prädestiniert Metallschäume für Anwendungen im Werkzeugmaschinenbau.

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Hermann Kemper GmbH & Co. KG - Hersteller für CNC Drehteile

GGB Heilbronn GmbH

Franke GmbH

Für die Umsetzung von Leichtbaukonzepten werden in der Industrie, besonders im Ma­schinenbau und in der Automobilindustrie, immer wieder neue, in ihren Ei­genschaften dem Fertigungsprozess und den späteren Funktionsmerkmalen angepasste Werkstoffe gewünscht und gefordert. Dazu zählen auch die zellularen metallischen Werkstoffe - die so genannten Me­­tall­schäume. Sie gehören zu einer Werkstoffgruppe, die ein hohes Leichtbaupotenzial hat [1 und 2].Das Metallschaumzentrum Chemnitz besteht seit Anfang 2000 und fasst die seit 1995 laufenden Forschungsarbeiten zu Metallschäumen am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz zusammen. 2004 wurde dort ein neues Versuchsfeld mit 1000 m2 Fläche zur Fertigung von Prototypen und Kleinserien errichtet. Die Arbeitsschwerpunkte des Zentrums reichen von Metallschaum­prototypen bis zu Serienbaugruppen: von der Idee über die Simula­tion und Konstruktion bis hin zum fertig vermessenen Prototyp.Erhöhung der Steifigkeitohne ÜberdimensionierungKennzeichnend für Metallschäume und -schaumverbunde - insbesondere geschlossen-porige Aluminiumschäume und Stahl-Aluminium-Schaumverbunde - sind ein hohes Leichtbau- und Dämpfungsvermögen. Diese Eigenschaftskombination - in einem Metall vereint - prädestiniert sie für höchste Ansprüche des modernen Werkzeugmaschinenbaus (Bild 1). Dazu finden sich viele potenzielle Anwendungen, etwa dün­ne Wände und dünnwandige Profile innerhalb der Maschinenstruktur. Diese Komponenten müssen bezüg­lich der erforderlichen statischen Steifigkeit (kriti­sches Druckspan­nungsniveau) oftmals überdimensioniert werden, um Knicken oder flächenhaftes Beulen zu vermeiden.Diese Beul- oder Knickgefährdung kann umgangen werden, indem man in der Konstruktion vorhandene Hohlräume mit Metallschaum füllt und so dünne Wände hinterfüttert. Ist kein auszufüllender Hohlraum vorhanden, lässt sich die knickgefährdete Wand durch ein Metallschaumsandwich ersetzen oder mit einer se­paraten Metallschaumplatte oder Rippe stützen. Sandwichplatten aus Stahl-Aluminiumschaum sind besonders bei Biegebelas­tung deutlich leichter als Massivkons­truktio­nen. Im Vergleich zu masseäquivalenten Stahlblechen haben der­artige Sandwichteile wegen des hohen Flächenträgheitsmoments eine etwa 30- bis 40-fache Biegesteifigkeit.Im Maschinenbau ist die Fähigkeit zur Schwingungsdämpfung einer Struktur meist erwünscht oder un­erlässlich. Ein bekannter, gut dämpfender Werkstoff ist Reaktionsharzbeton. Zwar hat Aluminiumschaum im Vergleich zu diesem ein um etwa 25% niedrigeres Dämpfungsvermögen, jedoch bei nur einem Viertel der Masse. Daher ist Aluminiumschaum ein sehr geeigneter Werkstoff für bewegte Baugruppen mit Leichtbau- und Dämpfungserfordernissen. Es gilt der Grundsatz: Je mehr Metallschaum die Baugruppe enthält, desto höher das Dämpfungspotenzial. Metallschaum ist vor­teilhaft als Isolations- oder Pufferelement zwischen Schwingungserregern oder deren Krafteinleitungsstellen und der sich anschließenden Struktur platzierbar. Das sollte zum Beispiel direkt unter den Führungen geschehen: bei Linearmotoren zwischen Primärteil und zu bewegender Struktur oder in Form ausgeschäumter Profile als Kraftübertragungselemen­te bei Koppelgetrieben. Um Schwingungen von Wänden zu vermeiden, lässt sich die betreffende Stahlwand durch einen leichteren und steiferen Stahl-Aluminiumschaum-Sandwich substituieren. Idealerweise sollte eine Baugruppe, die bezüglich Leichtbau und Dämpfung optimiert wurde, eine filigrane Werkstoffstruktur mit hohem Elastizitätsmodul haben. Die­se Struktur wird gezielt mit Metallschaum gefüllt. Dabei ist zu achten, dass der Metallschaum einen hohen Masse- oder Volumenanteil im Vergleich zum Werkstoff mit hohem E-Modul (meist Stahl) hat [2 und 4].Hohe Belastbarkeittrotz GewichtsreduzierungIm Rahmen eines Direktauftrags wur­de der Schlitten einer Fräsmaschine mit Metallschaum-Sandwichelemen­ten ausgeführt. Die Hochleistungsmaschine ist für den Werkzeug- und Formenbau konzipiert (Bild 2). Erstmals wurden dabei Aluminiumschaum-Sandwichelemente mit stark unterschiedlichen Deckblechdicken verwendet. So waren die Belastungsforderungen noch besser erfüllbar. Der Schlitten wurde in seiner Masse um über 30% reduziert. Dabei erhöh­ten sich die dynamische Steifigkeit und insbesondere die Dämpfung. Dies führt unter anderem zu einem sehr guten dynamischen Verhalten mit optimaler Genauigkeit und Oberflächengüte am Werkstück.Die Maschine entspringt einer Ko­operation der Firmen Mikron Agie Charmilles AG, Nidau/Schweiz und der Niles-Simmons Industrieanlagen GmbH, Chemnitz. Die Erarbeitung des Know-hows sowie die Fertigung der Schaum-Verbundteile sind Aufgaben des Metallschaumzentrums Chemnitz. Die Maschine Mik­ron HPM 1850 U wurde vor zwei Jahren auf der Metav vorgestellt. Sie wird heute in einer der Maschinengröße angemessenen Serie gefertigt [5].