Aluminium-Morphosen Offenporiger Aluminiumguss als neue „Würze“ für den Leichtbau

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Leichtbau BW GmbH Landesagentur für Leichtbau

Alumäleon! Im wahrsten Sinne des Wortes gesalzen entsteht bei Automoteam offenporiger Aluminiumguss. Das macht das Leichtmetall auch zum einsatzflexiblen Verwandlungskünstler.

Die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg (Leichtbau-BW) präsentiert den Januar-Thinking für 2022. Mit diesem Label werden jeden Monat innovative Produkte oder Dienstleistungen gewürdigt. Am Beispiel eines Druckluft-Schalldämpfers zeigt nun die Automoteam GmbH, was offenporiger Aluminiumguss ist und was man damit machen kann.

Ganz anders als Metallschäume oder Sinterteile

Wer es nicht weiß: Offenporige Aluminiumgussteile werden mit herkömmlichem Kochsalz hergestellt. Dazu später mehr. Was dabei heraus kommt ist leicht, thermisch und mechanisch hoch belastbar sowie als Monomaterial auch noch hybridisierbar, heißt es.

Komponenten aus offenporigem Aluminiumguss unterscheiden sich allerdings in allen Aspekten von geschäumten oder gesinterten Metallen, wie die Protagonisten betonen. Möglich ist ihr Einsatz deshalb in der Schall- und Vibrationsdämpfung, als Filterelement, zur Wärmeübertragung und -speicherung sowie als Luftverteiler oder als Wasserabscheider. Auch der Flammenschutz werde unterstützt. Aufgrund des geringen Gewichts und der verlässlich einstellbaren mechanischen Eigenschaften (sie sind makroskopisch gesehen isotrop) ist diese Materialklasse ein idealer Leichtbau-Werkstoff, heißt es weiter..

Offenporiger Aluminiumguss ist für Eugen Pfeifer, dem Geschäftsführer von Automoteam, ein außergewöhnliches Material:. „Das Aluminium oder seine gebräuchlichen Gusslegierungen bekommen durch den Herstellungsprozess eine völlig neue Struktur und Porentopologie.“ Die so hergestellten Bauteile seien dann so leicht wie Kunststoffe. Die neuen Eigenschaften, die die oben aufgezählten Einsatzfelder ermöglichen, werden nach Ansicht von Pfeifer das „Denken in Alu“ verändern und neue Chancen eröffnen.

Kochsalz schafft Raum für neue Eigenschaften

Man könnte diese Materialien zunächst einfach für aufgeschäumt halten, gesintert oder 3D-gedruckt. Doch seine Poren erhält diese Art Aluminiumguss durch Natriumchlorid (NaCl), spricht einfaches Kochsalz. Wie das geht? Nun, zunächst wird eine Stahlkokille mit „Platzhaltern“ aus NaCl-Kristallen gefüllt. Diese Kristallschüttung wird beim Gießen von der Aluminiumschmelze durchtränkt. Nach der Erstarrung des Metalls wird der Rohling aus der Form entnommen und spanend auf Maß bearbeitet. Dann kann das Kochsalz umweltschonend einfach mit Wasser ausgespült werden. Wo zuvor ein Salzkörnchen war, bleibt dann eine Pore zurück.

Die Porengrößen und die Volumenporosität können laut Pfeifer durch Größe und Art der Salzkristalle spezifisch eingestellt werden. Je nach Schüttung und Partikelgröße der Kristalle kann eine Volumenporosität von etwa 55 bis maximal 70 Prozent dabei herauskommen. Eine weitere Besonderheit sei, dass bereits im Gießprozess verschiedene Funktionsbereiche im Bauteil eingestellt werden könnten. Denn es lassen sich beispielsweise Bereiche mit Vollmaterial zusammen mit porösen Sektionen in einem Schritt schaffen, betont Pfeifer. So entstehen quasi funktionsintegrierte, hybridisierte Bauteile aus Monomaterial.

Ein beispielhaft gelungenes Leichtbauteil

Den Thinking im Januar hat, wie oben schon erwähnt auch ein Bauteil verdient, das nach Ansicht der Leichtbau-BW besonders gut zeigt, welches Anwendungspotenzial im offenporigem Aluminiumguss steckt. Das Bauteil ist für Gase und Fluide durchlässig. Es handelt sich um einen Druckluft-Schalldämpfer, der nun die mechanischen Eigenschaften des Metalls mit einem besonders geringen Gewicht kombiniert. Im Vergleich zu anderen Schalldämpfern können so bis zu 70 Prozent Gewicht abgespeckt werden, wird betont. Denn die Bauteile sind deutlich kleiner, außerdem kosten sie nur etwa die Hälfte. Es können Funktionen integriert und der Montageaufwand so reduziert werden. Der Druckluft-Schalldämpfer aus diese Art offenporigem Aluminiumguss sei leistungsfähiger und umweltfreundlicher als Bauteile aus anderen offenporigen Werkstoffen, Filzen oder durch Drahtwicklung gefertigte Komponenten.

Seine hohe Volumenporosität macht in durchlässiger und unempfindlicher gegen Schmutz, führt das Unternehmen weiter aus. Und wegen der einstellbaren, strömungsgünstigen Porengeometrie verbesserten sich die mechanischen, strömungsmechanischen, akustischen und thermische Eigenschaften mit Blick auf die Anwendung. Die thermische Leitfähigkeit wird als achtmal höher angegeben als bei geschäumtem Aluminium. Auch widerstehe das Bauteil einer Temperatur von 350 °C, höherem Arbeitsdruck sowie Vibrationen und Stößen.

Offenporiger Aluminiumguss gilt als „grün“

Zur Herstellung des offenporigen Gussmaterials werden, wie man sich bereits denken kann, also keine Treibmittel, Bindemittel oder Fertigungsprozesse mit hohem CO₂-Fußabdruck benötigt. Das verwendete Salz gehört zu den Nahrungsmitteln und zum Tränken in der Kokille kann Sekundäraluminium verwendet werden.

Wird außerdem für die elektrischen Schmelzöfen und elektrisch angetriebenen Maschinen für die formgebende Bearbeitung „grüner“ Strom aus Wasserkraftwerken genutzt, entstehen eben keine CO₂-Emissionen.

Auch der Stoffkreislauf lässt sich schließen, denn die Salzlösung kann aufgefangen und für weitere Prozesse aufbereitet oder weiterverwendet werden. Und weil es sich auch im Falle einer Hybridisierung und Funktionsintegration stets um einen Reinwerkstoff handelt, sind die Bauteile nach ihrer Einsatzphase einfach nur Aluminiumschrott und deshalb recycelbar.

In der Nutzungsphase entlasten Komponenten aus offenporigem Aluminiumguss die Umwelt, weil es sich um leichtere Produkte mit besseren technischen Eigenschaften handelt. Es könnten teure und umweltbelastende Werkstoffe und deren Fertigungsprozesse vermieden werden.

Offenporiger Aluminiumguss auf einen Blick:

• Leicht und materialeffizient: Die einstellbare Volumenporosität und die Hohlraumtopologie sorgen für ein geringes spezifisches Gewicht weit unterhalb des Vollmaterials bei angepassten mechanischen Eigenschaften;

• Hohe technische Performance: Trotz und gleichzeitig wegen der Porosität ist der gas- und fluiddurchlässige Werkstoff durch seine Eigenschaftskombination in mechanischer, strömungstechnischer, akustischer, thermischer und fertigungstechnischer Hinsicht in vielen Anwendungen bisher eingesetzten Werkstoffen überlegen;

• Closed-Loop: Weil die Bauteile bereits aus rezyklierten Material – Sekundäraluminium – hergestellt sind, ist am Lebensende des Bauteils eine Rückführung in den Recyclingkreislauf leicht möglich;

• Nachhaltig: Wegen der Herstellung aus Sekundärrohstoffen unter Einsatz von Energie aus klimaneutralen Quellen verursacht offenporiger Aluminiumguss kaum CO₂-Emissionen. Seine Standzeiten und Wartungsintervalle sind um ein Vielfaches länger als bei konventionellen Schalldämpfern.

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