Gemeinsam haben die Institute Fraunhofer IWU und Fraunhofer IFAM einen Durchbruch in der Materialforschung erzielt: Der Verbundwerkstoff Hoverlight mit seinem Eigenschaftsmix aus geringem Gewicht, Steifigkeit und Schwingungsdämpfung wird von den Projektpartnern als ein neuer Maßstab für die Werkzeugkonstruktion bezeichnet.
In einem Gemeinschaftsprojekt mit einem Industriepartner gelang nun erstmals der Nachweis, dass der Verbundwerkstoff bei Serienmaschinen Schwingungen um den Faktor 3 besser dämpft – bei einer Gewichtseinsparung von 20 Prozent.
Der Verbund besteht aus Metallschaum und Hohlkugeln und kann als Kern von Sandwiches fungieren. Durch das Sandwichprinzip ergibt sich eine erhebliche Gewichtsreduzierung, der Kern aus dem neuen Verbundwerkstoff steht für die hohe Dämpfung. Der Aluminiumschaum mit den integrierten Hohlkugeln dämpft Schwingungen deutlich stärker als bislang eingesetzte Materialverbünde. Dies führt zu einer höheren Präzision in der Bearbeitung und einer längeren Lebensdauer der Maschine. Mit der Sandwichbauweise sind zudem erhebliche Gewichtseinsparungen möglich.
In einem gemeinsamen Projekt mit der Chiron Group wurde das Material bereits im Querträger einer Fräsmaschine eingesetzt. Dabei ergaben sich:
- eine Gewichtsreduzierung von 20 Prozent, die eine höhere Dynamik ermöglicht.
- eine um das Dreifache gesteigerte Schwingungsdämpfung, die zu einer höheren Präzision und einer längeren Standzeit der Werkzeuge führt.
Durch die höhere Geschwindigkeit und Präzision können so ausgestattete Maschinen mehr Teile in kürzerer Zeit produzieren.
„Mit HoverLight haben wir einen Werkstoff entwickelt, der die Grenzen des Machbaren bei der Schwingungsdämpfung verschiebt. Wir lösen den Zielkonflikt auf, der sich aus den eigentlich gegensätzlichen Anforderungen einer steifen Auslegung moderner Werkzeugmaschinen, leichter bewegten Baugruppen und effektiver Schwingungsdämpfung ergibt.“
Dr.-Ing. Jörg Hohlfeld, Forschungsbereich Metallschaum, Fraunhofer IWU
Bei Werkzeugmaschinen kann das neue Material für alle bewegten Baugruppen eingesetzt werden, beispielsweise die Maschinenschlitten. Weitere Anwendungen sind überall dort denkbar, wo es aufh Leichtigkeit, Steifigkeit und Präzision ankommt:
- In Sandwichbauweise ausgeführte Roboterarme würden von hoher Steifigkeit bei geringer Masse profitieren, da niedrigeres Gewicht höhere Geschwindigkeiten und Beschleunigungen erlaubt.
- Bei Schienenfahrzeugen kommen Wand- und Bodenelemente für den Einsatz des neuen Verbundmaterials infrage. Beispielsweise sind in der Pekinger U-Bahn die Bodenplatten als Sandwiches mit Aluminiumschaumkern ausgeführt – für eine bessere Dämpfung bei niedrigerem Gewicht.
- In Servern und Hochleistungsrechnern sind leichtgewichtige und steife Gehäuse notwendig, um Stabilität und Wärmeableitung zu gewährleisten, während sie Vibrationen dämpfen.
- Medizintechnische Anwendungen wie MRT- oder Ultraschallgeräte sind auf leichte und steife Bauweisen angewiesen; nur so können präzise Messungen garantiert und die Bildqualität beeinträchtigende Vibrationen minimiert werden.
Um diese vielfältigen Anwendungen zu erschließen, ist es notwendig den neuen Verbundwerkstoff zu wettbewerbsfähigen Kosten herstellen zu können. Bisher ist die Herstellung von Hohlkugeln aufwendig, energieintensiv und noch nicht reproduzierbar. Ein vielversprechender Ansatz ist, anstelle von Hohlkugeln auf einfacher und damit preiswerter herzustellende metallische Blister zu setzen – wie in Medikamentenverpackungen.
Bild oben: Hoverlight hat einen Kern aus Aluminium-Schaum und darin eingeschäumten Hohlkugeln (im Schnittbild als runde Öffnungen sichtbar). Die kombinierten Dämpfungseffekte von Schaum und partikelgefüllten Hohlkugeln sind mit denen von Magnesium vergleichbar. (Quelle: Fraunhofer IWU)
Quelle und weitere Infos: Industrieanzeiger, idw
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