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Wie Knochen aus Metall

Stahlharte Schäume als Sprengschutz

| Redakteur: Christian Lüttmann

Die Materialforscher Stefan Diebels (l.) und Anne Jung (r.) haben sich von den schwammartigen Strukturen aus Knochen inspirieren lassen, um stabile aber leichte Metallschäume herzustellen.
Die Materialforscher Stefan Diebels (l.) und Anne Jung (r.) haben sich von den schwammartigen Strukturen aus Knochen inspirieren lassen, um stabile aber leichte Metallschäume herzustellen. (Bild: Oliver Dietze, Uni Saarland)

Bei Schäumen denkt man nicht unbedingt zuerst an Explosionsschutz oder Aufprallschutz im Auto. Doch Metallschäume sind dank ihrer knochenartigen Struktur derart stabil, dass sie für solche Aufgaben bestens geeignet sind. Wie Forscher der Universität des Saarlandes die Schäume noch härter gemacht haben, verrät der folgende Beitrag.

Saarbrücken – Knochen sind eine geniale Entwicklung der Natur: Sie sind stabil und halten Belastungen fast so gut aus wie Stahl. Und trotzdem sind sie so leicht, dass Mensch wie Tier an ihnen nicht schwer zu schleppen haben. Das Geheimnis ihrer leichtgewichtigen Stabilität liegt in einer harten Hülle und einem Gerüst aus feinen Bälkchen, die im Innern des Knochens Platz lassen für ungezählte Hohlräume. Die Konstruktion spart Material und macht den Knochen leicht.

Metallschäume bilden dieses Vorbild nach: Diese porösen Werkstoffe werden aus Metallen hergestellt und sehen aus wie ein Schwamm. Die heute üblichen Schäume sind zwar leicht, jedoch ist es aufwändig und teuer, sie herzustellen. Auch sind die Bälkchen für viele Anwendungen zu weich und nachgiebig – so etwa beim heute am häufigsten geschäumten Aluminium. „Deshalb konnten sich Metallschäume bisher nicht auf dem Markt durchsetzen“, meint der Werkstoffwissenschaftler Stefan Diebels, Professor für Technische Mechanik an der Universität des Saarlandes.

Sein Forscherteam hat einen Weg gefunden, das Gerüst der Metallschäume tiefgreifend zu verstärken und so einen leichten, extrem stabilen und variantenreichen Werkstoff zu schaffen. Diebels und die Materialforscherin Anne Jung beschichten dazu jedes der Bälkchen mit einem patentierten Verfahren derart, dass der so von innen heraus stabilisierte Metallschaum größeren Belastungen standhält. Dabei ist er nach wie vor luftig leicht.

Hürden bei der durchdringenden Beschichtung

Die Herausforderung für die Forscher war es, die hauchfeine Beschichtung tief und vor allem gleichmäßig im Innern des Schaums aufzutragen. Dazu nutzten sie ein galvanisches Bad. Das Problem dabei ist, dass das Material sich selbst elektrisch abschirmt, wie Jung erklärt: „Der Metallschaum wirkt wie ein Faraday-Käfig.“ Sein Inneres ist rundum von leitfähigem Material umgeben, daher wird Strom außen herum abgeleitet und läuft nicht hindurch. Die Folge ist, dass auch die Beschichtung nicht ins Innere des Schaums vordringt.

Die Materialforscherin schaffte es aber mit einem speziellen Anoden-Käfig den Schaum doch gleichmäßig und durch und durch nanokristallin zu beschichten. „Das patentierte Verfahren funktioniert auch industriell bei großflächigen Schäumen“, sagt sie.

Einsatz als Sprengschutz oder Hitzeschild

Als Gerüst nutzen die Wissenschaftler Aluminiumschäume und inzwischen sogar günstige Kunststoffschäume aus Polyurethan, die dann allein durch die Beschichtung stark werden. „Die so entstehenden Metallschäume haben eine geringe Dichte und große Oberfläche bei kleinem Volumen. Im Verhältnis zu ihrem Gewicht sind sie äußerst steif und fest“, sagt Diebels. Sie sind so stark, dass sie als mobile Schutzwände Stoßwellen bei Explosionen abfangen, wie die Forscher betonen. Auch bei Sprengungen unter Wasser können sie Schall- und Druckwellen einfach „schlucken“ – und so empfindliche Meeresbewohner schützen.

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„Wir denken aber vor allem auch an weniger spektakuläre Einsatzmöglichkeiten wie den Leichtbau“, sagt Privatdozentin Anne Jung. So lassen sich tragende Teile in Autos und Flugzeugen aus dem Metallschaum herstellen: „Sie können als steife Verstrebung der Karosserie verbaut werden und zugleich die Funktion des Aufprallschutzes übernehmen. Sie absorbieren viel Energie und fangen die Wucht eines Aufpralls ab, wenn einige der Porenlagen brechen“, erklärt Jung. Die Einsatzmöglichkeiten der Schäume sind darüber hinaus vielseitig: als Katalysator, da das Material durchströmt werden kann, als Schwingungsdämpfung oder als Hitzeschild, da es sehr hitzebeständig ist. Auch kann es als elektromagnetische Abschirmung oder sogar in der Architektur verwendet werden, etwa für schalldämmende Verkleidungen oder als Designelement. Diese vielfältigen Einsatzgebiete von Metallschaum zeigen einmal mehr, dass es sich oft lohnt, Inspiration aus der Natur zu holen.

Publikation zum Thema Beschichtung von Metallschäumen: Christine Grill, Anne Jung, Stefan Diebels: Modelling and Simulation of the Coating Process on Open Porous Metal Foams. PAMM, Volume 18, Issue 1, Special Issue: 89th Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM), December 2018; DOI: 10.1002/pamm.201800254

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