Aluminiumschaum
Aluminiumschaum ist ein metallischer Leichtbauwerkstoff: Aluminium wird durch Gaseinschlüsse aufgeschäumt und erreicht so eine Dichte ab 0,5 g/cm³; er ist damit leichter als Wasser und bleibt zugleich ein stabiler, formsteifer Werkstoff. Havel metal foam entwickelt und fertigt Aluminiumschaum und Aluminiumschaum-Sandwiches in Serie, mit einer gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU entwickelten Fertigungstechnologie.
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Was ist Aluminiumschaum – und was ist er nicht?
Aluminiumschaum ist geschäumtes Aluminium: ein geschlossenporiger Metallschaum, dessen zellulare Struktur aus stochastisch verteilten Hohlräumen besteht – dem Vorbild von Knochen, Korallen und Holz folgend. Er ist keine Bienenwabenstruktur (Honeycomb) und kein Polymerschaum: Die Zellen sind unregelmäßig verteilt und vollständig metallisch, ohne Kleb- oder Kunststoffe. Das Ergebnis ist ein sehr leichter Werkstoff mit erstaunlicher Steifigkeit und Stabilität.
Aluminium hat massiv eine Dichte von 2,7 g/cm³; als Schaum erreicht der Werkstoff Dichten ab 0,5 g/cm³ und schwimmt damit im Wasser.
Welche Eigenschaften machen Aluminiumschaum für den Leichtbau interessant?
Aluminiumschaum verbindet geringes Gewicht mit hoher mechanischer Belastbarkeit und bringt vier funktionale Eigenschaften mit, die in Kombination völlig neue, kosteneffiziente Industrielösungen ermöglichen: Energieabsorption, Schalldämmung, Nichtbrennbarkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit. Sein volles Potenzial schöpft der Werkstoff genau dann aus, wenn mehrere dieser Eigenschaften in einer Anwendung zusammenkommen.
- Energieabsorption
- Absorbiert Druck- und Schlageinwirkungen und verhindert Materialzerstörung (Risse, Brüche) – erhöht Sicherheit und Reparaturfähigkeit von Bauteilen.
- Schalldämmung
- Schallwellen werden bei der Durchdringung effektiv gedämpft; Dichte und Dicke des Schaums bestimmen das Ergebnis. Klirreigenschaften in Akustiksystemen verbessern sich wesentlich.
- Nicht brennbar
- Rein metallische Aluminiumstruktur ohne Kleb- oder Kunststoffe. Das Produktdatenblatt nennt einen Betriebstemperaturbereich von −20 bis 200 °C ohne Beeinträchtigung der Eigenschaften und 600 °C als maximale Temperatur.
- Wärmeleitfähigkeit
- Gehört zu den besten metallischen Wärmeleitern – einsetzbar in Kühl- wie in Heizsystemen.
Ist der Aluminiumschaum offen- oder geschlossenzellig?
Geschlossenzellig. Das folgt aus dem Herstellungsweg: Havel metal foam schäumt ein festes Vormaterial auf, nicht eine Schmelze. Für die Anwendung hängt daran mehr als eine Materialbeschreibung. Direkt nach dem Schäumen hat der Schaum eine geschlossene Guss- bzw. Schaumhaut; die Poren werden erst nach spanender Bearbeitung sichtbar. Geschlossene Zellen nehmen kaum Wasser auf, und der Schaum lässt sich beim Aufschäumen metallisch an eine Decklage binden, weil er gegen sie wächst. Erst das macht das Sandwich möglich, und weil kein Klebstoff beteiligt ist, bleibt der Verbund sortenrein und vollständig recycelbar.
Wie viel Gewicht spart Aluminiumschaum gegenüber Stahl und Aluminium?
Eine Platte von 1.000 × 1.000 × 10 mm³ wiegt als Aluminiumschaum 5–8 kg; dieselbe Platte wiegt in Stahl (S235JR) 78,5 kg und in Vollaluminium (EN-AW 5754) 27 kg. Als Aluminiumschaum-Sandwich AAS 10-1-1 (1 mm Aluminium-Decklagen, Schaumkern 0,7 g/cm³) liegt sie bei ca. 11 kg. Die Dichte des Schaums beträgt dabei 0,5–0,8 g/cm³, abhängig von der gewünschten mechanischen Auslegung. Standard sind 0,6 bis 0,7 g/cm³, regulär gefertigt werden 0,5 bis 0,8 g/cm³; höhere Dichten nach Absprache und vorheriger Prüfung.
Kennwerte nach Tabellenbuch Metall (43. Auflage 2005) und Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, das Sandwichgewicht für die Standardkonfiguration AAS 10-1-1; berechnete Schätzwerte, für konkrete Anwendungen zu verifizieren.
In welchen Formen wird Aluminiumschaum gefertigt?
Havel metal foam fertigt Aluminiumschaum in Serie in vier Produktformen: als Aluminiumschaum-Paneele, als Sandwiches mit Aluminium- oder Stahl-Decklagen (Havel Lite® AAS und SAS), als ausgeschäumte Profile und Bauteile sowie als 3D-Formteile.
- Aluminiumschaum-Paneele – flächiger Schaum ohne Decklagen
- Sandwiches (Havel Lite® AAS/SAS) – Schaumkern metallisch gebunden an Aluminium- oder Stahl-Decklagen
- Ausgeschäumte Profile & Bauteile – Hohlräume werden direkt ausgeschäumt
- 3D-Formteile – dreidimensional geformte Schaumelemente
Aufbau und Struktur
Was ist Aluminiumschaum?
Auch gefragt: Woraus besteht Aluminiumschaum? · Ist Aluminiumschaum dasselbe wie eine Wabenstruktur?
Aluminiumschaum von Havel metal foam ist aufgeschäumtes Aluminium: ein geschlossenzelliger Metallschaum, dessen Hohlräume stochastisch verteilt sind, dem Vorbild von Knochen, Korallen und Holz folgend. Die Kernlegierung ist AlSi10, also etwa 90 % Aluminium und 10 % Silizium. Eine Bienenwabenstruktur ist das nicht, denn die Zellen sind unregelmäßig verteilt statt regelmäßig angeordnet, und ein Polymerschaum ist es ebenfalls nicht: Der Werkstoff ist vollständig metallisch, ohne Kleb- oder Kunststoffe. Massives Aluminium hat eine Dichte von 2,7 g/cm³, der Schaum liegt bei 0,5 bis 0,8 g/cm³.
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Warum ist die geschlossene Zellstruktur entscheidend?
Auch gefragt: Was folgt aus geschlossenen Poren? · Ist der Schaum offenzellig oder geschlossenzellig?
Die geschlossenen Zellen tragen zwei Eigenschaften, auf denen der Werkstoff von Havel metal foam aufbaut. Erstens dringt keine Flüssigkeit ein: Beim Aufschäumen entsteht eine dünne Oxidschicht, die Poren bleiben verschlossen, und deshalb kann im Inneren des Materials keine Korrosion beginnen. Zweitens lässt sich der Schaum beim Aufschäumen metallisch an eine Decklage binden, weil er gegen sie wächst; erst dadurch entstehen die Sandwich-Bauweisen AAS und SAS ohne Klebeschritt. Beides folgt aus dem Herstellungsweg, denn aufgeschäumt wird ein festes Vormaterial und keine Schmelze. Verfahren, die aus der Schmelze schäumen, liefern offenzelligen Schaum.
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Schwimmt Aluminiumschaum auf Wasser?
Auch gefragt: Wie schwer ist Aluminiumschaum? · Welche Dichte hat Aluminiumschaum?
Ja. Mit einer Dichte von 0,5 bis 0,8 g/cm³ liegt der Aluminiumschaum von Havel metal foam unter der Dichte von Wasser mit 1,0 g/cm³ und schwimmt deshalb. Massives Aluminium wiegt mit 2,7 g/cm³ mehr als das Dreifache. Die Dichte ist dabei keine Materialkonstante, sondern wird bei der Auslegung gewählt: Über sie stellen sich Steifigkeit, Druckfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit des Kerns ein. Die vollständige Wertetabelle je Dichtestufe steht auf der Seite Werkstoffkennwerte.
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In welchen Formen wird Aluminiumschaum geliefert?
Auch gefragt: Welche Produktformen gibt es? · Gibt es Aluminiumschaum auch ohne Decklagen?
Havel metal foam fertigt den Werkstoff in vier Produktformen in Serie: als Paneel aus reinem Schaum ohne Decklagen, als Kern eines Sandwichs mit Aluminium- oder Stahl-Decklagen, den Bauweisen AAS und SAS, als Füllung in Hohlprofilen und Hohlräumen sowie als dreidimensionales Formteil. Es ist in allen vier Fällen dasselbe Material, nur in einer anderen Geometrie; Dichte und Legierung werden je Anwendung gewählt. Welche Form die richtige ist, entscheidet sich an der Bauteilgeometrie und daran, ob eine tragende Decklage gebraucht wird.
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Brandverhalten und Temperatur
Ist Aluminiumschaum brennbar?
Auch gefragt: Trägt Aluminiumschaum zur Brandlast bei? · Welche Brandprüfung wurde durchgeführt?
Nein. Der Aluminiumschaum von Havel metal foam ist rein metallisch aufgebaut, ohne Kunststoffe und ohne Klebstoffe, sodass kein brennbarer Bestandteil vorhanden ist. Die Materialprüfung von AAS und SAS nach DIN EN 45545-2 ergab eine Eingruppierung in HL3, ein Zertifikat wurde dazu nicht beantragt. Geprüft wurden damit die beiden Sandwich-Bauweisen und nicht der Schaum als Einzelwerkstoff. Zur Brandlast trägt der Werkstoff nicht bei, und das ist in Bahn, Schiffbau und Bauwesen der eigentliche Grund für die Frage.
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Welchen Temperaturbereich hält Aluminiumschaum aus?
Auch gefragt: Bis zu welcher Temperatur ist der Werkstoff einsetzbar? · Was ist die maximale Temperatur?
Das Produktdatenblatt AAS nennt für den Aluminiumschaum von Havel metal foam einen Betriebstemperaturbereich von −20 bis 200 °C ohne Beeinträchtigung der Eigenschaften sowie 600 °C als maximale Temperatur. Der obere Wert ist eine Grenze und kein Betriebspunkt: Oberhalb von 200 °C gilt die Zusicherung unveränderter Eigenschaften nicht mehr. Die Kennwerte der Datenblätter sind analytisch bestimmte Richtwerte; für ein konkretes Bauteil werden sie anwendungsspezifisch ermittelt, und für einen Einsatz bei erhöhter Temperatur gilt das besonders.
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Korrosion und Oberfläche
Wie verhält sich Aluminiumschaum gegenüber Korrosion?
Auch gefragt: Rostet Aluminiumschaum? · Ist Aluminiumschaum seewasserfest?
Der Aluminiumschaum von Havel metal foam korrodiert nicht von innen. Beim Aufschäumen entsteht eine dünne Oxidschicht, die Poren bleiben geschlossen, und deshalb gelangt keine Flüssigkeit in die Zellen; ohne Flüssigkeit im Werkstoff fehlt der Korrosion der Ort, an dem sie einsetzen könnte. Für den Einsatz in Seewasser sind zusätzlich seewasserfeste Legierungen lieferbar. Angreifbar bleiben allein bearbeitete Flächen, an denen ein Schnitt Zellen geöffnet hat, und diese Flächen werden vor dem Einsatz verschlossen.
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Wie werden offene Poren an Schnittkanten verschlossen?
Auch gefragt: Was passiert an einer gefrästen Kante? · Muss eine Schnittkante behandelt werden?
Havel metal foam verschließt eine bearbeitete Fläche auf drei Wegen: Verschweißen der Seitenflächen, Versiegeln mit Aluminium-Füllstoff oder Lackieren. Nötig wird das überall, wo ein Schnitt, eine Bohrung oder eine Fräsung Zellen geöffnet hat, denn dort verliert der Werkstoff den Schutz, den die geschlossene Zellstruktur im ungestörten Zustand bietet. Welcher der drei Wege gewählt wird, hängt vom Bauteil und von der Umgebung ab und wird bei der Auslegung festgelegt.
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Gibt es Aluminiumschaum mit geschlossener Oberfläche?
Auch gefragt: Was ist ein Paneel mit Gusshaut? · Geht eine glatte Außenfläche ohne Decklage?
Ja, und das ist der Zustand direkt nach dem Schäumen: Der Schaum hat dann eine geschlossene Guss- bzw. Schaumhaut, die Poren werden erst nach spanender Bearbeitung sichtbar. Havel metal foam liefert eine Variante als reines Schaumpaneel mit einer Aluminium-Gusshaut als Außenlage, also mit geschlossener Oberfläche ohne aufgesetzte Decklagen. Bei 3D-Formteilen wird derselbe Aufbau als umgossener Schaumkern ausgeführt. Die Gusshaut ist die Alternative zum Sandwich, wenn eine glatte, belastbare Außenfläche gebraucht wird, das Bauteil aber keine zwei tragenden Decklagen braucht. Ein eigenes Datenblatt mit Dickenbereich und Formaten gibt es für diese Variante bisher nicht; Maße werden je Anfrage abgestimmt.
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Nachhaltigkeit und Verstärkung
Ist Aluminiumschaum recycelbar?
Auch gefragt: Wie nachhaltig ist Aluminiumschaum? · Lässt sich der Sandwichverbund trennen?
Ja, zu 100 %. Havel metal foam verwendet keine Klebstoffe, deshalb bleibt der Werkstoff sortenreines Metall und geht vollständig ins Aluminiumrecycling. Das unterscheidet ihn von den faserverstärkten Leichtbauwerkstoffen, mit denen er im Wettbewerb steht: CFK und GFK verbinden ebenfalls geringes Gewicht mit hoher Steifigkeit, sind aber kaum trennbar und damit kaum recycelbar. Auch der Sandwichverbund bleibt sortenrein, weil der Schaum metallisch an die Decklage bindet und kein Klebeschritt vorkommt.
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Wie lässt sich die Zugfestigkeit des Schaums erhöhen?
Auch gefragt: Kann der Schaum verstärkt werden? · Was bringt ein eingeschäumtes Stahlgewebe?
Havel metal foam schäumt dafür ein Stahldrahtgewebe mit ein. Das Gewebe erhöht die Zugfestigkeit des Aluminiumschaums und macht ihn zugleich weniger spröde, weil ein anreißendes Zellgerüst am Gewebe abgestützt bleibt. Eingesetzt wird die Verstärkung dort, wo ein Bauteil Zug statt Druck aufnimmt, denn unter Druck arbeitet der Schaum ohnehin über plastische Verformung. Ein allgemeiner Zahlenwert für den Zugewinn existiert nicht; er wird für die konkrete Gewebespezifikation bei der Auslegung bestimmt.
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