Die Hand aufgelegt

Author: Dr.-Ing. Jörg Hohlfeld, Dr. Thomas Hipke, Fraunhofer IWU | 31. Oktober 2008

Das Fraunhofer-Institut IWU zeigt warum Aluminiumschäume Werkzeugmaschinen gut tun und für zukünftige Anforderungen besser rüsten.

Schaum- und Verbundteile glänzen durch ein geringes Gewicht und gute Dämpfungseigenschaften.

Haben Sie Ihre Hand schon einmal an eine Werkzeugmaschine im Betrieb gelegt? Sie spüren sofort die Vibrationen! Diese Schwingungen übertragen sich auf das Werkzeug und das Werkstück. Letztlich sind diese ein Grund, warum Bearbeitungstoleranzen von Werkzeugmaschinen nicht beliebig verringert werden können. Was tun? Die Masse der Baugruppen wesentlich erhöhen, um Schwingungen zu vermeiden? Darunter leidet besonders die Dynamik bewegter Baugruppen und stellt somit nicht den idealen Lösungsansatz dar. Struktur- und Stoffleichtbau in Kombination bieten einen Ansatz, die Schwingungen an Bearbeitungsmaschinen zu reduzieren und zugleich die Dynamik bewegter Baugruppen zu erhöhen. Bewährt, und das bereits in Serie, haben sich Sandwiches mit Aluminiumschaumkern. Diese bieten hervorragende Biegesteifigkeiten sowie ein hohes Schwingungsdämpfungspotenzial.

Ein Kern mit großer Zukunft

Aluminiumschaum ist ein hochporöser Werkstoff, der wegen seiner Dichte von etwa 0,5 g/cm3 sehr leicht ist. Da das Schaumgerüst in der Regel aus einer Aluminiumlegierung besteht, ist trotz geringer Dichte die Festigkeit noch relativ hoch. Wegen der Feinporigkeit - Poren mit Durchmessern von etwa 1 bis 5 mm sind die Regel - können Flächenlasten gut aufgenommen werden, ohne dass Einbeulungen auftreten. Verstärken lässt sich dieser Effekt in Sandwiches mit Stahldeckblechen und Aluminiumschaumkern. Aluminiumschaum absorbiert wegen seiner zellularen Struktur viel Energie. So bleibt das Druckspannungsniveau bis zu sehr hohen Stauchwegen relativ konstant. Die zellulare Struktur des Aluminiumschaums ermöglicht die Ableitung und den Abbau von Schwingungsenergie durch sehr kleine plastische Verformungen der dünnen Zellwände und die Reibung der Rissoberflächen in den Porenwänden. Durch diese Eigenschaftsvielfalt sind Aluminiumschäume für zahlreiche Anwendungen prädestiniert. Erste Serienanwendungen im Werkzeugmaschinenbau als Leichtbau- und Dämpfungselement und im Automobilbau als Crash-Absorber belegen diese Aussage.

Die Herstellung

Für die Aluminiumschaumherstellung haben sich grundsätzlich zwei Herstellungsmethoden etabliert - das schmelzmetallurgische und das pulvermetallurgische Verfahren. Die pulvermetallurgische Route birgt den Vorteil in sich, dass Verbundwerkstoffe wie Sandwiches aus Aluminiumschaum und Stahl mit metallurgischer Bindung geschaffen werden können.

Im Verbund

Hergestellt werden derartige Verbunde, in dem schäumfähiges Aluminium zwischen zwei fixierten Blechen aufgeschäumt und im Schäumprozess ein fester Verbund geschaffen wird. Angeboten werden diese Sandwiches vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik in Chemnitz in verschiedenen Abmessungen. Standardmäßig werden Sandwiches mit flächigen Abmessungen von 1.500 x 1.000 mm und Höhen bis 30 mm angeboten. Aber selbst deutlich größere Abmessungen werden auf Anfrage realisiert. Die Bearbeitung dieser Halbzeuge ist mit gängigen Verfahren wie Sägen und Wasserstrahl-Abrasivschneiden möglich. Zum Fügen eignen sich konventionelle Methoden wie Kleben, Schrauben und Schweißen.

Geeignet für den Maschinenbau

Verbunde aus Aluminiumschaum und Stahl erfüllen durch ihr hohes Leichtbau- und Dämpfungsvermögen die hohen Anforderungen des Werkzeugmaschinenbaus. Als immer wiederkehrende Konstruktionselemente sind dünne Wände und dünnwandige Profile innerhalb der Maschinenstruktur zu nennen. Diese müssen oftmals bezüglich der erforderlichen statischen Steifigkeit überdimensioniert werden, um eine Knickung zu vermeiden. Diesen Umstand kann man umgehen, indem man in der Konstruktion vorhandene Hohlräume mit Metallschaum füllt und so dünne Wände hinterfüttert. Wenn kein auszufüllender Hohlraum vorhanden ist, kann die knickgefährdete Wand durch ein Metallschaumsandwich ersetzt werden.

Leicht und dennoch äußerst stabil

Sandwiches mit Aluminiumschaumkern und Stahldeckblechen, die besonders im Fall von Biegebelastung eingesetzt werden, sind deutlich leichter als Massivkonstruktionen. Gegenüber den masseäquivalenten Stahlblechen besitzen derartige Sandwichs wegen des hohen Flächenträgheitsmoments eine bis zu 40fache Biegesteifigkeit. Im Maschinenbau ist eine Schwingungsdämpfung der Struktur in der Regel unerlässlich.

Optimale Dämpfung

Ein gut dämpfender Werkstoff ist Reaktionsharzbeton. Aluminiumschaum besitzt diesem gegenüber ein ähnliches Dämpfungsvermögen mit jedoch nur einem Viertel der Masse. Allgemein gilt der Grundsatz, dass mit zunehmender Menge Metallschaum in der Baugruppe die Dämpfung verbessert wird. Die bezüglich Leichtbau und Dämpfung optimierte Baugruppe sollte idealerweise eine filigrane Struktur eines Werkstoffs mit hohem Elastizitätsmodul sein, die gezielt mit einer relativ großen Menge Metallschaum gefüllt ist. Insbesondere kann der Metallschaum als Pufferelement zwischen Schwingungserregern oder deren Krafteinleitungsstellen und der sich anschließenden Struktur platziert werden. Das sollte beispielsweise direkt unter Führungen sein, bei Linearmotoren zwischen Primärteil und zu bewegender Struktur, oder in Form ausgeschäumter Profile als Kraftübertragungselemente in Koppelgetrieben. Um Schwingungen von Wänden zu verhindern, kann die betreffende Stahlwand durch ein wesentlich leichteres und steiferes Aluminiumschaum-Stahl-Sandwich substituiert werden. Mittlerweile existieren mehrere Serienanwendungen für Aluminiumschaum im Werkzeugmaschinenbau. Da diese Anwendungen im Rahmen bilateraler Entwicklungsprojekte entstanden sind, dürfen die Ergebnisse in der Regel nicht publiziert werden. Anhand von zwei bekannten Beispielen soll jedoch das Potenzial des Aluminiumschaums als Leichtbau-Konstruktionswerkstoff belegt werden.

Aluminiumschaum im Serieneinsatz

Für den Universalschlitten der Fräsmaschine HPM 1850 U - die Fräsmaschine wird von Niles-Simmons Industrieanlagen in Chemnitz für Mikron Agie Charmilles AG in Nidau gefertigt - werden seit 2004 Aluminiumschaum-Stahl-Sandwiches eingesetzt. Hier handelt es sich um die erste Serienanwendung von Aluminiumschaum im Werkzeugmaschinenbau. Durch den Einsatz von Aluminiumschaum-Sandwiches und konstruktive Maßnahmen konnte die Masse des Schlittens um 28 Prozent reduziert und die dynamische Steifigkeit sowie die Dämpfung erhöht werden. Ein weiteres Beispiel stellen die beiden verfahrbaren Querportale einer Fräsmaschine des Unternehmens Mikromat Werkzeugmaschinen dar - momentan die größten Aluminiumschaumbaugruppen auf der Welt. Front- und Grundplatte jedes Portals wurden mit Stahlplatten, alle anderen Balkenwände sowie innere Abstützungen mit Sandwiches ausgeführt. Die Fläche der vorgefertigten Sandwiches betrug in etwa 1.200 mm x 1.200 mm.

Top-Eigenschaften

Messtechnische Untersuchungen belegten, dass sich die Portale von je sechs Tonnen trotz des hohen Eigengewichts nur um 14 Mikrometer durchbiegen und Dämpfungswerte für die Biegeschwingungen in x- und z-Richtung von 2,3 beziehungsweise 2,9 Prozent aufweisen. Hingegen weisen reine Schweiß-Stahlbaugruppen meist Dämpfungswerte von weniger als einem Prozent auf. Die Realisierung der Sandwichbauweise an den Querportalen der Fräsmaschine verdeutlicht, dass Standard-Schaumteile wie Sandwiches und ausgeschäumte Profile zu großen Konstruktionen gefügt werden können.

Quelle: BBR Bänder Bleche Rohre 10/2008