Struktur von Metallschäumen und mechanisches Verhalten

Aluminiumschäume könnten zukünftig aufgrund ihrer typischen Eigenschaften, wie hohe spezifische Steifigkeit und auch Festigkeit breite Anwendung als Struktur- und Konstruktionswerkstoff erreichen. Das doch signifikant andere mechanische Verhalten von Metallschäumen im Vergleich mit bekannten Strukturwerkstoffen, das Fehlen von Werkstoffdaten und Werkstoffgesetzen, erfordert allerdings ein grundlegendes Verständnis des mechanischen Verhaltens ehe dieser neue Werkstoff sich als Ingenieurwerkstoff etablieren wird können. Heute ist weitgehend bekannt, daß die innere Struktur (Aufbau) dieses zellularen Werkstoffes Metallschaum und die Eigenschaften des Zellmaterials bestimmend für die Reaktion bei mechanischer Belastung sind. Die stark unterschiedliche Verteilung von Festmaterial und das Vorhandensein von Defektstellen im Metallschaum bedingt, daß bei anliegenden äußeren Belastungen, lokal unterschiedliche Spannungsfelder vorherrschen, die wiederum lokale Deformationen bzw. Versagensmechanismen nach sich ziehen. Primäres Ziel dieses Projektes ist es, Kenngrößen, für den strukturellen Aufbau von AI-Schaum der Marke "ALULIGHT" zu definieren, mit dem lokalen mechanischem Verhalten zu verknüpfen; diese Zusammenhänge zu analysieren, sie modellhaft zu beschreiben, um so von der lokalen zu einer wissensbasierten, globalen Beschreibung von Schaumteilen zu kommen, die in weiterer Folge in Konstruktionskriterien einfließen soll. Gegenstand dieses Projektes wird somit die Untersuchung und Charakterisierung der Metallschaumstruktur im unbelasteten als auch im belasteten (Zug- Druck) Zustand sein, sowohl an der Oberfläche von Schaumproben (2 1/2 dim.) als auch im Inneren dieser (3 dim.). Neben den Methoden der klassischen Metallographie (2 und 2 1/2 dim.) kommt auch die in der Werkstoffprüfung noch neue Methode der Röntgen Computertomographie zum Einsatz. Die Durchführung von in-situ Druckversuchen im Tomographen erfordert nicht nur einen Ausbau des experimentellen Know-hows, sondern auch eine sehr starke Fokussierung auf die 3 dim. Visualisierung und Verarbeitung von großen Datensätzen. Ergänzend dazu ist es unumgänglich, Werkstoffdaten (Zug-Druckversuche) zu ermitteln. Aufsetzend auf diese experimentellen Erkenntnisse erfolgt die Analyse der Struktur (Entwicklung von Kennparametern) und der Deformationsvorgänge mit mechanischen Modellen, die dann wiederum eine Extrapolation zum integralen Schaumverhalten ermöglichen soll. Die Durchführung der Untersuchung betreffend Computertomographie ist in Kooperation mit der BAM-Berlin geplant. Eine enge Zusammenarbeit betreffend der Strukturbeschreibung und der Defektcharakterisierung von Metallschaum ist auch mit dem Erich-Schmid Institut für Festkörperphysik der Österreichische Akademie der Wissenschaften bzw. dem Institut für Physik und Meteorologie der BOKU erfordert, um die Breite der Problemstellung besser zu erfassen.

Metallische Schäume sind Leichtbauwerkstoffe, die durch Schäumen einer Metallschmelze mit Gas hergestellt werden. Dies kann durch Zugabe eines Treibmittels oder durch direktes Gaseinblasen erreicht werden. Durch diesen Prozess entstehen geschlossenporige, metallisch Schäume mit etwa 20% der Dichte des Massivmetalls mit unterschiedlicher Zellarchitektur und Defektstruktur. Abhängig von der zellularen Struktur werden sehr unterschiedliche, mechanische Eigenschaften erreicht. Inhomogenitäten in der Struktur verursachen keine zuverlässigen und reproduzierbaren Werkstoffkennwerte. Diese Werkstoffe zeichnen sich durch eine hohe Energieabsorptionsrate aus, wenn sie gedrückt werden. Das Projekt ergab, dass Schwankungen in der Dichte zu Lokalisierungen der Verformung und zur Ausbildung von Deformationsbändern führen. Während der Stauchung verhält sich jede Probe entsprechend ihrer individuellen Dichteverteilung und ergibt ihr eigenes Verformungsmuster verbunden mit unterschiedlichen Spannungs- Stauchungsverläufen und mechanischen Werkstoffkennwerten. Nicht nur die Struktur sondern auch die Legierung aus der die metallischen Schäume hergestellt sind, beeinflussen deren Verhalten. So ist typisch für eher spröde AlSi Gusslegierungen, dass während der Stauchung die Proben verfestigen und entfestigen. Schäume aus Legierungen, die nicht ausscheidungshärtbar sind, bleiben im Festigkeitsniveau bei gleicher Dichte zurück. Basierend auf den experimentellen Beobachtungen wurde ein mesoskopisches Modell entwickelt, das die Abhängigkeit von Dichteverteilung und Werkstoffverhalten nachweisen sollte. Zu diesem Zweck wurde die metallische Struktur mit Röntgen Computertomographie dreidimensional abgebildet. Die lokale Massendichte des Körpers wird daraus berechnet. Das führt dazu, dass jedes Strukturelement durch die mittlere Dichte seiner Umgebung beschrieben wird. Durch diese Methode wird der zellulare Stoff in ein Kontinuum übergeführt, das durch kontinuumsmechanische Modelle beschrieben werden kann. Die Werkstoffeigenschaften jeder Dichtedomäne werden durch Skalierungsgesetze und das konstitutive Kontinuumsmodell von Desphande und Fleck beschrieben. Simulationen des mechanischen Verhaltens der gesamten Probe werden experimentell bestätigt. Das Modell besitzt die Kapazität die Spannungs-Stauchungskurve eines metallischen Schaums zu beschreiben, so dass mechanische Eigenschaften, wie Steifigkeit, Plateauspannung, Verdichtungsstauchung und Energieaufnahme prognostiziert werden können. Das Modell wurde sowohl für Schäume mit eher regelmäßiger Dichte und Struktur als auch für Schäume im inhomogener Dichte und stochastischer Struktur getestet. Eine Simulation zur Berechung der Energieaufnahme von geschäumtem Metall beim Aufpralltest mit einem kugelförmigen Eindringkörper half die optimale Dichteverteilung in einer Schaumplatte herauszufinden. Diese Simulation ist vergleichbar mit dem Kopfaufpralltest, der durchgeführt wird, um die Sicherheit von Passagieren in Automobilen zu bestimmen. Nach einigen weiteren Adaptionen des Modells sollte dieses in der Lage sein, als Konstruktionsinstrument zur Optimierung der Gestalt und der Dichte von geschäumten Strukturelementen eingesetzt zu werden. Es ist anzunehmen, dass durch eine derartige Möglichkeit, die Akzeptanz für diesen neuen Leichtbauwerkstoff erhöht werden kann.