Von der Natur gelernt – die poröse Struktur eines Knochens und die eines Metallschaums

Metallschaum ist ein künstlich hergestellter, metallischer Festkörper mit einer zellulären, schwammartigen Struktur. Die Poren können entweder miteinander verbunden (offenporiger Metallschaum) oder aber voneinander getrennt mit Gaseinschlüssen (geschlossenporiger Metallschaum) sein.

Metallschaum ist typischerweise ein ultra-leichtes Material, welches durch die hohe Porosität (als Maß für den Anteil an Hohlraum am Gesamtvolumen) erreicht wird. Die geringe Dichte zusammen mit der hohen Steifigkeit machen Metallschäume zum idealen Material für Leichtbauanwendungen. Durch die Wahl der Porosität, des Beschichtungsmaterials und dessen Schichtdicke kann das Gewicht eines Teiles gezielt erzeugt werden.

Metallschaum, speziell offenporiger, ist durch seine vorteilhafte Spannungs-Dehnungs-Charakteristik (siehe Spannungs-Dehnungs-Diagramm) ein überragender Baustoff zur Energieabsorption und vergleichbaren massiven Metallteilen weit überlegen. Im Spannungs-Dehnungs-Diagramm ist dies anhand der Fläche unterhalb der Kurve klar ersichtlich, da diese die vom Metallschaum bzw. vom massiven Metallteil absorbierte Energiemenge darstellt. Die zelluläre Mikrostruktur ermöglicht zum einen große plastische Verformungen bei nahezu konstanter Spannung und zum anderen resultiert daraus ein auf die Masse bezogen enorm großes Energieabsorptionsvermögen. Metallschäume sind demnach neben ihrer geringen Dichte ein idealer Energieabsorber z. B. für die Automobil- oder Luftfahrtindustrie. Ein weiteres ideales Anwendungsfeld im militärischen oder auch privaten Bereich ist der Schutz vor Geschossen oder Explosionen (Bomben, Minen, Sprengfallen, etc.) und der damit einhergehenden Druckwellen und Splitter.

Neben Anwendungen im Leichtbau und als Energieabsorber gibt es noch eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten, die einzigartigen Eigenschaften von Metallschäumen „smart“ einzusetzen. Unabhängig davon, ob der Metallschaum offen- oder geschlossenporig ist, kann dieser durch sein metallisches Material als elektromagnetische Abschirmung dienen. Metallschäume sind weiterhin sehr temperaturbeständig und können als feuerfestes Material verwendet werden. Auch bietet sich die interessante futuristische Morphologie für architektonische Anwendungen mit besonderem Design an.

Im Gegensatz zu geschlossenporigen Schäumen können bei offenporigen Metallschäumen Gase oder Flüssigkeiten den Metallschaum durchströmen und sich so die große innere Oberfläche zunutze machen. Gepaart mit der hohen thermischen Leitfähigkeit, der chemischen Beständigkeit und dem hohen Schmelzpunkt von Metallen können sie hervorragend z. B. als Filter, Katalysator oder aber Wärmetauscher eingesetzt werden. Außerdem sind Metallschäume ausgezeichnete Vibrations- bzw. Schalldämpfer. Auf den Metallschaum treffende Schallwellen werden innerhalb der Poren vielfach reflektiert und schwächen sich dabei stark ab.

Durch die Verbindung der Poren untereinander können offenporige Metallschäume ebenfalls mit einem weiteren Medium, unabhängig ob flüssig oder fest, gefüllt werden. Der offenporige Metallschaum kann demnach auch eine stabile Gerüststruktur für Füllungen bieten, wodurch sich eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten ergeben. Der Metallschaum kann z. B. mit Dämmmaterial gefüllt werden, so dass daraus ein eigentragfähiger Dämmstoff mit Metallschaum als Tragstruktur entsteht. Auch elektrochemische Anwendungen sind möglich, bei denen z. B. der Metallschaum als Matrixmaterial innerhalb einer Batterie dient.

Es gibt gute Gründe dafür, dass sich Mac Panther Materials auf offenporige Metallschäume konzentriert.

Nur durch offenporige Metallschäume können Gase oder Flüssigkeiten strömen und damit z. B. als Filter, Wärmetauscher, Katalysator oder aber Batteriekomponente dienen.

Auch im Fall von Schallabsorption können Schallwellen durch die offenen Poren besser in den Metallschaum eindringen und sich durch Vielfachreflexionen abschwächen.

Energieabsorption kann bei geschlossenporigen Metallschäumen nicht stattfinden, da im Falle einer Kollision das Gas innerhalb der geschlossenen Poren nicht entweichen kann und es damit zu einem Rückfedern kommt. Dieses Rückfedern stellt einen reversiblen Effekt dar, bei dem keine Energie absorbiert wird. Selbst punktuelle Belastungen führen bei offenporigen Schäumen zu keinen Beschädigungen in unmittelbarer Umgebung, was z. B. für Schutzeinrichtungen von Relevanz ist.

Weiterhin erlauben offenporige Metallschäume eine Oberflächenveredelung etwa als Korrosionsschutz oder zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften.

Reproduzierbare Eigenschaften von Metallschäumen sind für eine industrielle Nutzung von großer Bedeutung. Hierbei sind beschichtete, offenporige Metallschäume von Vorteil. Reine Metallschäume weisen durch Gussdefekte oder eine fehlerhafte Porenstruktur bis zu 20 % Streuung in den mechanischen Eigenschaften auf. Bei beschichteten Metall- bzw. Polyurethanschäumen, allgemein auch Hybridschaum genannt, bestimmt im Wesentlichen die Beschichtung, welche reproduzierbar hergestellt werden kann, diese Eigenschaften. Sie sind deshalb für eine industrielle Nutzung besser geeignet.