09 Aluminium

8/14/2019 09 Aluminium

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H istory of S cience and T echnology

European Pupils Magazine 196

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Seit 40 Jahren wird an einer neuen Form von

Werkstoffen geforscht und earbeitet: den sogenann-

ten Metallschäumen. Die Vorgehensweise ähnelt

dem Prinzip des Brotbackens. Metallpulver wird miteinem Treibmittel gemischt, zu einem kompakten

Vorprodukt verpresst und anschließend in einem

Wärmebehandlungsprozess aufgeschäumt. Das so

entstehende Material hat zahlreiche Vorteile gegen-

über herkömmlichen massiven Metallen. Es ist zum

Beispiel bei gleicher Masse steifer und verformt sich

durch eine andersartige Kräfteverteilung gleichmäßi-

ger.

Metallschäume waren bisher wenig bekannt, da

frühere Herstellungsverfahren aufwendig und damit

teuer waren. Durch Weiter- und Neuentwicklung

von Verfahren in den letzten 15 Jahren stehen heute

schmelz- und pulvermetallurgische Methoden zur

Verfügung, die eine höhere Qualität des geschäum-

ten Metalls versprechen.

Herstellung von MetallschaumIm Fraunhofer Institut für Angewandte Materi-

For 40 years a research has been carried on a

new form of raw material, the so-called metal

foams. The procedure is similar to the one of mak-

ing bread. Metal powder is mixed with a propellant, pressed into a compact preparatory product and then

foamed by the procedure of heat treatment. The re-

sulting material has numerous advantages in relation

to traditional solid materials. It is more inflexible for

example and shows a more proportionate deforma-

tion caused by a different distribution of energy. So

far not much was known about metal foams because

of the expensive process of manufacturing. But since

new procedures have been invented in the last 15

years, new metallurgical methods are available

nowadays, which promise a better quality of the

foamed metal.

Production of Metal Foam

At the Fraunhofer Institute for practicable ma-

terial research (IFAM) in the German town of Bre-

men a procedure for the production of flat or 3-dimensional formed sandwiches which have a nu-

A LUMINIUM FOAM A LUMINIUMSCHAUM

Zsuzsanna Gyuris Carl-Von-Linde-Realschule - www.cvl.musin.de

Ridlerstr. 26, 8033 München, Germany

[email protected]

Fig 1 DIFFERENCE BETWEEN ZINC FOAM AND BREAD. ON THE RIGHT SIDE, POWDER METALLURGICAL PRO-

CEDURE FOR THE PRODUCTION OF METAL FOAM





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alforschung (IFAM) in der deutschen Stadt Bremen

wurde ein Verfahren zur Herstellung von ebenen

oder 3-dimensionalen geformten Sandwichen mit

einer Kernlage aus Aluminiumschaum entwickelt

clear layer of aluminium foam have been developed.

This procedure is protected by patent.

The procedure goes like this:

The powdery metallic raw material is mixed in-

tensively with a propellant (for example titaniumhydroxide). The resulting mixture is compressed

and, when needed, worked up by transformation.

The compression is caused by axial pressing with

heat. As far as the exterior is concerned the resulting

material is not different from the original one. The

interesting thing is only that this metal can be

foamed. By heating the mixture roughly above the

melting- point the metal is melted, the gas of the

propellant is set free and in this way the foaming

occurs. The melting fusion expands and develops a

half-liquid foaming consistence. After the expansionhas reached the desired temperature, the foaming

procedure is stopped by cooling below its melting-

Generally the procedure to obtain foam products involves 4 basic steps:

• melting the desired aluminium alloy;

• transferring the molten material to the foaming box;

• injecting gas to form liquid foam;

• solidifying the liquid foam into desired shape.

Fig. 2 SANDWICH STRUCTURE; PICTURES SHOW THE SERIES OF Y-RAY PICTURES OF AN EXPANDED SAND-WICH DURING THE PROCEDURE

Fig. 3 PROCEDURE TO OBTAIN FOAM PRODUCTS

Fig. 4 INSTITUTE OF IFAM,-BREMEN





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und patentiert.

Der pulverförmige metallische Ausgangswerk-

stoff wird intensiv mit einem Treibmittel (z.B. Titan-hydrid) gemischt. Die so erhaltene Mischung wird

verdichtet und gegebenenfalls durch eine Umfor-

mung weiterverarbeitet. Die Verdichtung geschieht

durch axiales Heißpressen. Das resultierende Materi-

al ist äußerlich nicht von herkömmlichem Metall zu

unterscheiden. Das interessante daran ist nur, dass

dieses Metall aufschäumbar ist. Durch Erwärmung

der Mischung bis knapp über seinen Schmelzpunkt

wird das Metall geschmolzen und die Gasfreisetzung

des Treibmittels und somit der eigentliche Auf-

schäumvorgang ausgelöst. Die Schmelze expandiertund entwickelt eine halbflüssige, schaumige Konsis-

tenz. Nachdem die Expansion bis zum gewünschten

Grad erfolgt ist, wird der Schaumvorgang durch Ab-

kühlung unter den Schmelpunkt beendet und so die

Schaumstruktur stabilisiert. Man erhält einen hoch-

porösen Werkstoff mit gleichmäßiger Porenstruktur.

Dieses Vormaterial wird anschließend durch

Walzplattier Verfahren mit Deckblechen zu einem

Sandwichblech zusammengefügt. Beim nachfolgen-

den Tiefziehen werden die Sandwichbleche so um-geformt, dass sie geometrisch auf das spätere, aufge-

schäumte Bauteil abgestimmt sind. Durch eine ab-

schließende Erwärmung des Materials auf Tempera-

turen im Bereich der Schmelztemperatur der Legie-

rung der Kernlage wird das Treibmittel unter Gasab-

spaltung zersetzt. Es entsteht ein hochporöser Alu-

miniumschaum mit Porenfreien Deckschichten aus

konventionellen Blechmaterialien.

Bis jetzt haben sich Aluminumlegierungen, Zink,

Zinn, Bronze, Messing und Blei mit Erfolg erprobt,

wobei Aluminium und seine Legierungen im Vor-dergrund des Interesses stehen, weil das Anwen-

dungssprektrum breiter ist.

point. In this way the foaming structure is stabilized

and a highly porous raw material is produced which

has a proportional structure of pores. This prepara-

tory material is laminated by a special procedure soas to obtain sandwich tinplate. In this way highly-

porous aluminium foam is produced by layers free

of pores only by using conventional tin materials.

So far the procedure has been successful for alu-

minium alloy, tin, zinc, bronze, brass and lead. It has

been proved that aluminium and its alloys are more

interesting for the research because of the wider

spectrum of appliance.

Properties of Metal Foam

Due to their highly porous structures, foams have

a high specific stiffness. Aluminium foam shows

good mechanical damping and sound insulation

properties. Metal foam provides excellent energy

absorption features at the higher strength level as

compared to foamed polymers. The wide range of

service temperatures and the flammability of the ma-terial are important advantages. Finally, the material

is easily recycled.

EPMA – Award of Merit for PM Processing

Technology 1998

“Innovation in Powder Metallurgy”

Because of the progress in the section of the

foaming technology and to protect the ideas of the

procedure of the sandwich production IFAM has ap-

plied for EPMA – Award of Merit for PM Process-

ing. This prize was given in Granada to the German

Fig. 5 FOAMING PROCESS





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EPMA – Preisverleihung 1998 für die Innova-

tion in Pulvermetallurgie Aufgrund dieser Fort-

schritte im Bereich der Schäumtechnologie hat sich

das IFAM mit der zugrunde liegenden Verfahrens-idee für die Sandwichherstellung um die Preisverlei-

hung für Innovation in Pulvermetallurgie beworben.

Dieser Preis wurde anlässlich des Weltkongresses

für Pulvermetallurgie am 19. Oktober 1998 in Gra-

nada an den deutschen Erfinder des Metall Schäum-

verfahrens, Joachim Baumeister, vom IFAM ver-

liehen.

Die Zukunft von Metallschäumen

Zur Zeit wird weiter an der Verfeinerung und

Optimierung der Herstellungsverfahren gearbeitet.

Dabei geht es darum, mehr Kenntnisse über dasSchäumverhalten zu gewinnen und Schäume mit

einer homogeneren Porenstruktur zu entwickeln. Zur

Kontrolle des Schäumverhaltens

wird unter anderem ein Röntgen-

verfahren eingesetzt. Dabei werden

während des Erhitzens zwischen

500 und 1000 hochauflösende

Röntgenaufnahmen gemacht, die

den Schäumprozeß in seiner zeitli-

chen Entwicklung abbilden. Alumi-

niumschaum findet gegenwärtig

Anwendung in verschiedensten Be-

reichen, wie zum Beispiel in der

Automobilindustrie, der Raum-,

Luft-, Schiff- und Bahnfahrtindust-

rie, wobei hierfür die Dämpfungsei-

genschaften und die reduzierte

Wärmeleitfähigkeit der Metall-

schäume, vor allem für Kühlfahrzeuge, ausgenutzt

wird. Sogar die Medizintechnik findet Anwendung

für Metallschäume. Es hat sich herausgestellt, dasssich Metallschäume durch ihre Porosität an die Kno-

chenstruktur anpassen. Diese Kenntnis kann im Be-

reich der Zahnimplantationen angewendet werden.

Generell ist man bestrebt, viele der Eigenschaf-

ten der Aluminiumschäume nutzbringend einzuset-

zen, da diese zur Zeit noch recht kostspielig sind.

Iconography

http://www.tu-berlin.de/abz/pdf%20archiv/

tui_52_53/banhardt.pdf

AknowledgmentsBeate Anna Wilfling

inventor of the foaming

procedure Joachim Bau-

meister by IFAM on the

occasion of the world con-gress for powder metal-

lurgy on 19th October

1998.

The Future of Metal

Foams

At present experts are

working on the refinement

of the production. They

want to expand their

knowledge about the be-

haviour of foaming and develop foams with a morehomogeneous structure of pores. In order to control

the behaviour of foaming, a certain procedure of X-

rays is applied. During the procedure of

heating roughly 500 and 1000 X-ray photo-

graphs are made which show the temporal

development of the foaming procedure.

At the moment aluminium foam is used

in different fields, for example in car indus-

try, space industry, navigation and railway

industry where the quality of damping and

the reduced heat conductivity is used above

all for refrigerating lorries. Even in the field

of medicine metal foams can be applied. It

has been proved that metal foams can adapt

to the structure of bones because of their

porosity. This knowledge can be used in the

field of dental implantations. Generally,

experts show interest in applying as many

qualities as possible of the aluminium foams because

they are still rather expensive at present.

Bibliography

Banhart J., Ashby M.F., Fleck N.A.: Cellular Metalsand Metal Foaming Technology, Tagungsband

der 2. Internationalen Tagung 18 – Bremen

20.06.2001

Banhart J., Baumeister J.: Das Verformungsverhal-

ten geschäumter Metalle, Metall 51, 19, 1997

Banhart J., Baumeister J., Weber M.: Damping

properties of foamed aluminium, Mat. Sci. Eng.

A205, 221, 1996

Banhart J., Weaire D.: On the road again. Metal foams find favour , in Physics Today 55, 37 2002

J. BAUMEISTER

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