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Knochen als Vorbild: Leichter Metallschaum wird mit Beschichtung beinhart – hält Explosionen stand

Saar-Forscher und Uni-Ausgründung schaffen extrem stabile, poröse Werkstoffe

18.03.2019

Universität des Saarlandes

Oliver Dietze

Die Materialforscher Stefan Diebels (l.) und Anne Jung können belastbare und zugleich leichte Metallschäume für vielseitige Anwendungen maßschneidern. Vorbild aus der Natur ist der Aufbau von Knochen.

Sie sind so stark, dass sie nicht nur als Aufprallschutz im Auto, sondern auch gegen Stoßwellen bei Sprengungen schützen: Die Materialforscher Stefan Diebels und Anne Jung von der Universität des Saarlandes können extrem belastbare und zugleich luftig leichte Metallschäume für vielseitige Anwendungen maßschneidern. Vorbild aus der Natur ist der Aufbau von Knochen. Mit einem patentierten Beschichtungsverfahren schaffen sie äußerst stabile, poröse Werkstoffe etwa für den Leichtbau. Als Grundgerüst dienen Alu- oder Kunststoffschäume, ähnlich einem einfachen Haushaltsschwamm.

Knochen sind eine geniale Entwicklung der Natur: Sie sind stabil und hart im Nehmen, halten Belastungen aus fast wie Stahl. Trotzdem sind sie so leicht, dass Mensch wie Tier an ihnen nicht schwer zu schleppen haben. Das Geheimnis 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 meisten geschäumten Aluminium. „Deshalb konnten sich Metallschäume bisher nicht auf dem Markt durchsetzen“, sagt 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 hat so einen leichten, extrem stabilen und variantenreichen Werkstoff geschaffen. Diebels und die Materialforscherin Anne Jung beschichten jedes der Bälkchen mit einem patentierten Verfahren derart, dass der so von innen heraus stabilisierte Metallschaum extremen Belastungen standhält. Dabei ist er nach wie vor luftig leicht. Als Gerüst nutzen sie Aluminiumschäume und inzwischen sogar günstige Kunststoffschäume aus Polyurethan, die 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“, erklärt Stefan Diebels. Sie sind so stark, dass sie als mobile Schutzwände Stoßwellen bei Explosionen abfangen. Auch bei Sprengungen unter Wasser können sie Schall- und Druckwellen einfach „schlucken“ – und so empfindliche Meeresbewohner vor Folgen schützen.

„Wir denken aber vor allem auch an weniger spektakuläre Einsatzmöglichkeiten wie den Leichtbau“, erklärt Privatdozentin Anne Jung. Sie erhielt für die erste ihrer zwei Doktorarbeiten über die Metallschäume den Deutschen Studienpreis der Körber-Stiftung für „die wichtigste Dissertation des Jahres mit besonderer gesellschaftlicher Bedeutung.“ Nach dem Vorbild der Natur können viele Produkte leichter und stabiler werden. So können tragende Teile in Autos und Flugzeugen aus dem Metallschaum hergestellt werden: „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“, sagt Anne Jung. Die Einsatzmöglichkeiten der Schäume sind 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.

Für die Beschichtung nutzen die Forscher ein galvanisches Bad. Der kniffligste Teil bestand nämlich darin, die hauchfeine Beschichtung tief und vor allem gleichmäßig im Innern des Schaums aufzutragen. Das Problem dabei: „Der Metallschaum wirkt wie ein Faraday-Käfig“, sagt Anne Jung. Sein Inneres ist rundum von leitfähigem Material umgeben, daher wird Strom wie auch die Beschichtung außen herum abgeleitet und läuft nicht hindurch - wie ein Blitz ums Auto. Die Materialforscherin schaffte mit einem speziellen Anoden-Käfig den Durchbruch und kann den Schaum jetzt gleichmäßig und durch und durch nanokristallin beschichten. „Das patentierte Verfahren funktioniert auch industriell bei großflächigen Schäumen“, sagt sie.

Mit ihren wissenschaftlichen Veröffentlichungen zählt die Saarbrücker Gruppe inzwischen weltweit zu den führenden in der mikromechanischen Charakterisierung der Metall-Bälkchen. Mit Experimenten, Simulationen, Zug- und Druckversuchen, Lichtmikroskopie sowie Röntgencomputertomographie haben sie Struktur, Geometrie der Poren und die Krümmung der Stege untersucht und unter anderem gezeigt, wie verschieden dicke Nanobeschichtungen dem Metallschaum unterschiedliche Materialeigenschaften verleihen. Indem sie die Beschichtung, ihre Dicke oder die Porengröße variieren, können sie das Material verschiedenen Anforderungen anpassen. So macht etwa die Beschichtung mit Nickel die Schäume stabil, mit Kupfer gut wärmeleitend, mit Silber antibakteriell und mit Gold sieht der Schaum als Dekoration gut aus. Die Forscher arbeiten daran, den Prozess und das Material weiter zu optimieren. Auch Studenten und Doktoranden sind an diesen Forschungen beteiligt.

Ihr Verfahren zeigen die Forscher und ihre aus der Uni gegründete Firma Mac Panther Materials GmbH (Bremen) auf der Hannover Messe: Vom 1. bis 5. April in Halle 2 am saarländischen Forschungsstand B46.

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