Viel Potenzial in offenporigem Aluminiumguss

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Das Beispiel eines Druckluft-Schalldämpfers zeigt, welches Potenzial in offenporigem Aluminiumguss steckt.

Diese Anwendung sowie die vielen möglichen Anwendungen der Werkstoffklasse offenporiger Aluminiumguss und dessen Potenzial wurden mit dem Thinking der Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg im Januar 2022 ausgezeichnet.

Das Material, das mit Kochsalz als Hilfsmittel hergestellt wird, fordert wegen seiner besonderen Eigenschaftskombination zu neuem Denken in der Produktentwicklung auf. Offenporiger Aluminiumguss ist leicht, thermisch und mechanisch hoch belastbar sowie als Monomaterial hybridisierbar.

Auf einen Blick:

  • Leicht und materialeffizient: Die einstellbare Volumenporosität und die Hohlraumtopologie sorgen für ein geringes spezifisches Gewicht weit unterhalb des Vollmaterials bei angepassten mechanischen Eigenschaften.
  • Hohe technische Performance: Trotz und gleichzeitig wegen der Porosität ist der gas- und fluiddurchlässige Werkstoff durch seine Eigenschaftskombination in mechanischer, strömungsmechanischer, akustischer, thermischer und fertigungstechnischer Hinsicht in vielen Anwendungen bisher eingesetzten Werkstoffen überlegen.
  • Closed-Loop: Da die Bauteile bereits aus rezyklierten Material – Sekundäraluminium – hergestellt sind, ist am Lebensende des Bauteils eine Rückführung in den Recyclingkreislauf leicht möglich.
  • „Grüne Technologie“: Dank der Herstellung aus Sekundärrohstoffen und unter Einsatz von Energie aus klimaneutralen Quellen verursacht offenporiger Aluminiumguss kaum CO2-Emissionen.

Komponenten aus offenporigem Aluminiumguss unterscheiden sich in allen Aspekten von geschäumten oder gesinterten Metallen und eignen sich für zahlreiche Anwendungen. Die möglichen Einsatzgebiete reichen beispielsweise von der Schalldämpfung über die Filtration, die Wärmeübertragung, den Einsatz als Wärmespeicher, für die Luftverteilung, zur Wasserabscheidung, für den Flammenschutz und als Vibrationsdämpfung. Aufgrund des geringen Gewichts und der verlässlich einstellbaren, makroskopisch isotropen mechanischen Eigenschaften ist diese Materialklasse bestens für Leichtbaustrukturen geeignet.

„Offenporiger Aluminiumguss ist ein außergewöhnliches Material“, sagt Eugen Pfeifer, Geschäftsführer der Automoteam GmbH. „Das Aluminium oder seine gebräuchlichen Gusslegierungen bekommen durch den Herstellungsprozess eine völlig neue Struktur und Porentopologie. Sie sind dann so leicht wie Kunststoffe und besitzen eine einzigartige Eigenschaftskombination, die ein neues Denken in der Produktentwicklung verlangt und gleichzeitig unzählige neue Möglichkeiten eröffnet.“

Gesalzen, nicht geschäumt

Auf den ersten Blick sieht der metallische Werkstoff aus wie aufgeschäumt. Doch offenporiger Aluminiumguss unterscheidet sich bereits in der Entstehung der Hohlräume substanziell von geschäumten, gesinterten oder 3D-gedruckten Werkstoffvarianten. Zum Herstellen des Werkstoffs oder der Bauteile wird zunächst eine Stahlkokille mit Platzhaltern aus NaCl-Kristallen gefüllt. Diese Kristallschüttung wird mit Aluminiumschmelze durchtränkt. Nach dem Erkalten werden die metallischen Bauteile abtragend auf Maß bearbeitet. Im letzten Schritt werden die NaCl-Platzhalter mit Wasser ausgespült.

Die Porengrößen und die Volumenporosität können durch die Eigenschaften und Größe der Salzkristalle im Hinblick auf die spätere Anwendung spezifisch eingestellt werden. Je nach Schüttung und Partikelgröße der Kristalle ergibt sich eine homogene Volumenporosität von etwa 55 bis maximal 70 %. Eine weitere Besonderheit ist, dass bereits im Gießprozess verschiedene Funktionsbereiche im Bauteil eingestellt werden können. Es lassen sich beispielsweise Zonen mit Vollmaterial zusammen mit porösen Bauteilbereichen in einem Schritt produzieren, so dass funktionsintegrierte, hybridisierte Bauteile aus Monomaterial entstehen.

Performantes Leichtgewicht

Den ThinKing im Januar erhält nicht nur der Werkstoff, sondern auch ein Bauteil, das besonders gut zeigt, welches Potential in Komponenten aus offenporigem Aluminiumguss steckt. Durchlässig für Gase und Fluide besitzt der Druckluft-Schalldämpfer aus offenporigem Aluminiumguss die mechanischen Eigenschaften des Metalls kombiniert mit einem besonders geringen Gewicht. Bis zu 70 % können hier eingespart werden. Zusätzlich sind die Bauteile kleiner und oft um die Hälfte günstiger, denn es wird weniger Material benötigt, teure Werkstoffe substituiert, Funktionen integriert und der Montageaufwand entfällt. Der Druckluft-Schalldämpfer aus offenporigem Aluminium-Guss ist technisch performanter und umweltfreundlicher als Bauteile aus anderen geschäumten, gesinterten oder offenporigen Werkstoffen oder Filzen und Drahtwicklungen.

Offenporiger Aluminiumguss besitzt eine besonders hohe Volumenporosität, die für eine hohe Durchlässigkeit und Schmutzaufnahmefähigkeit des Schalldämpfers sorgt. Unter anderem aufgrund der einstellbaren, strömungsgünstigen Porengeometrie zeigt das Bauteil bessere mechanische, strömungsmechanische, akustische und thermische Eigenschaften. So ist beispielsweise seine thermische Leitfähigkeit achtmal höher als bei geschäumtem Aluminium. Außerdem steckt er hohe Arbeitstemperaturen bis 350 °C und höhere Arbeitsdrücke problemlos weg und ist deutlich vibrations- und stoßfester. Die Schalldämpfer werden „aus einem Guss“ produziert. Montagearbeiten für die verschiedene Teile eines handelsüblichen Druckluft-Schalldämpfers entfallen, so dass die Herstellung des Bauteils kostengünstiger wird.

Offenporiger Aluminiumguss ist eine „Grüne Technologie“

Zur Herstellung des offenporigen Gussmaterials werden keine Treibmittel, Bindemittel oder Fertigungsprozesse mit hohem CO2-Fußabdruck benötigt. Das verwendete Salz ist ein Naturprodukt, zum Tränken in der Kokille kann Sekundäraluminium verwendet werden. Wird außerdem für die elektrischen Schmelzöfen und elektrisch angetriebenen Maschinen für die formgebende Bearbeitung grüner Strom aus Wasserkraftwerken als Energiequelle genutzt, entstehen auch hier keine CO2-Emissionen. Auch der Stoffkreislauf lässt sich komplett schließen: Die Salzlösung kann zurückgeführt und für weitere Prozesse aufbereitet oder weiterverwendet werden. Und da es sich um trotz Hybridisierung und Funktionsintegration um ein Monomaterial handelt, sind Bauteile aus offenporigem Aluminiumguss am Ende der Lebensdauer als Aluminium-Schrott einfach zu recyceln.

In der Nutzungsphase entlasten Komponenten aus offenporigem Aluminiumguss die Umwelt, da es sich um leichtere Produkte mit besseren technischen Eigenschaften handelt. Es können teure und umweltbelastende Werkstoffe und deren Fertigungsprozesse ersetzt werden. Standzeiten und Wartungsintervalle – und damit auch die umweltentlastende Lebensdauer – sind um ein Vielfaches länger als bei konventionellen Schalldämpfern.

 

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