Offenporige metallische Schäume

Anastasia August1, Britta Nestler1, Aron Kneer3, Frank Wendler2, Michael Rölle2, Michael Selzer1

1 Institut für Angewandte Materialien, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Haid-und-Neu-Str. 7, 76131 Karlsruhe, Germany

2 Institute of Materials and Processes, Hochschule Karlsruhe-Technik und Wirtschaft, Moltkestrasse 30, 76133 Karlsruhe, Germany

3 TinniT Technologies GmbH, Erbprinzenstrasse 32, 76133 Karlsruhe, Germany

Denkt man an Seifenschaum, kommt man selten auf die Idee, so etwas könnte man aus Metall herstellen. Und zwar nichtnur zur Abbildung der natürlichen Schönheit der Struktur, sondern auch als festes und stabiles Material, das wegen seiner herausragenden Eigenschaften eine große Anwendung in unterschiedlichsten Bereichen der Technik findet. Ganz besondersdie offenporigen Metallschäume sind reizvoll, denn sie sind unter Anderem durchlässig für Fluide.

Bild 1: Metallschaum aus AlSi7Mg, 10 ppi. Hersteller: m-pore GmbH, Dresden

Bild 1: Metallschaum aus AlSi7Mg, 10 ppi. Hersteller:
m-pore GmbH, Dresden

Bild 2: Ein Blick in das Innere eines Metallschaums, umgesetzt durch ein synthetisches Modell

Bild 2: Ein Blick in das Innere eines Metallschaums, umgesetzt durch ein synthetisches Modell

Zoomen wir uns einmal in das Innere einer Metallschaumprobe. Das Bild 2 zeigt eine synthetisch generierte poröse Struktur, erstellt algorithmisch mit der Software PACE3D am Institut für Angewandte Materialien des Karlsruher Instituts für Technologie. Was sofort auffällt, ist die relativ zum Volumen große Oberß äche. Jede Menge Oberß äche, über die der Schaum Wärme mit der umgebenden Luft austauschen kann. An sich ist es aufgrund der
niedrigen Wärmeleitfähigkeit nicht leicht, Luft zu erhitzen. Sie können Ihre Hand in einer 10 cm Entfernung über einem 200 Grad heißen Kochfeld halten, ohne dass es unangenehm ist. Durchdringt man aber die Luftsäule über dem Herd mit Stegen eines offenporigen Aluminiumschaums, so erhitzt sich die Luft in den Zwischenräumen schlagartig. Die Wärme breitet sich rasch im hervorragend leitenden Labyrinth der Schaumstege aus und gelangt über die metallische Oberfläche in die Luft.

Ersetzt man die Kochplatte durch ein großflächiges Feld aus einem Material, das sich durch Sonneneinstrahlung gut erhitzen lässt, so kann man das System Metallschaum-Luft zur Wärmegewinnung nutzen. Die Stege erhitzen die Luft, die durch die Struktur fließt und gezielt in Wärmetauschanlagen ins Innere eines Gebäudes geleitet werden kann. In diesem Fall proÞ tiert man nicht nur von den Wärmeleiteigenschaften des Metalls, sondern auch von der Offenporigkeit der Schaumstruktur, die den Transport der Wärme durch induzierte Strömung ermöglicht. Auch zur Wärmespeicherung eignen sich metallische Schäume außerordentlich gut. Hierzu werden sie mit einem Stoff, der seinen Aggregatzustand bei einer festen Temperatur ändert, gefüllt, zum Beispiel mit Parafin. Im flüssigen Zustand lässt sich Parafin in die Poren desoffenen Schaums eingießen, und bildet nach dem Abkühlen ein gut zu handhabendes Verbundmaterial. Die  Schmelztemperatur von Parafin liegt zwischen 45 und 60 Grad Celsius. Wird der Metall-Parafin-Block geschickt in einem Raum platziert, so schmilzt die Füllung zu heißen Zeiten des Tages und entzieht der Umgebung die Wärme.

Es speichert dabei Energie in Form von latenter Wärme. Diese Energie wird dann bei der Abkühlung der Umgebung durch das Erstarren des Parafins wieder freigesetzt. So könnten Temperaturschwankungen im Laufe des Tages abgemildert werden. Solche Eigenschaften möchte man natürlich optimal nützen. Ziel bei der Auslegung der Schäume ist eine optimale Nutzung der Wärmeleitung des Gesamtsystems. Ein experimenteller Zugang wäre am sichersten, nur sind entsprechende Versuche kostspielig und zeit-sowie materialaufwendig.

Eine Computersimulation dagegen ist flexibel und vergleichsweise günstig. Man kann Strukturen virtuell erzeugen und systematisch hinsichtlich Wärmetransport und Strömung untersuchen. In Simulationsstudien können beliebige Porositäten, Porenverteilungen und Stegformen entworfen werden. Es lassen sich qualitative und teilweise quantitative Vorhersagen treffen und Empfehlungen in Form von Prozessparametern für die Herstellung machen. Auch als Vorbereitung eines Experiments können Simulationen sehr hilfreich sein, denn sie geben wertvolle Hinweise zur Festlegung günstiger Randbedingungen, schränken den Kreis der notwendigen Untersuchungen ein und helfen so, den Aufwand zu verringern.

Wie entsteht eine Simulation? Zunächst ist es wichtig, eine hochwertige Geometrie herzustellen, die eine Schaumprobe realitätsgetreu wiedergibt. Man spricht von der Füllung eines definierten Simulationsraums. Ein dreidimensionales Gebiet wird in regelmäßige rechteckige Bausteine (Zellen) zerlegt. Jedem davon wird ein Phasenzustand zugeordnet, der entweder Metallsteg oder Füllmedium (z.B. Luft) repräsentiert. Bei einer entsprechend guten Gitterauflösung kann man eine komplexe Struktur erkennen (Bild 3).

Bild 3: Synthetisch generierte Schaumfüllung mit der PACE3DSoftware. Die Porosität entspricht 20ppi (poresperinch) und einem Metallanteil von 11,18%

Bild 3: Synthetisch generierte Schaumfüllung
mit der PACE3DSoftware. Die Porosität entspricht 20ppi (poresperinch) und einem Metallanteil von 11,18%

Der nächste Schritt ist die Formulierung eines physikalischen Modell, das innerhalb eines Schaum-Fluid-Systems die thermodynamischen Vorgänge in einem Temperaturgradienten beschreibt. Im Wesentlichen wird hierzu eine Temperaturgleichung numerisch gelöst. Findet ein Phasenübergang statt, zum Beispiel im Parafin von fest nach flüssig und umgekehrt, so muss zusätzlich eine sogenannte Phasenfeldgleichung miteinbezogen werden. Diese beschreibt die Bewegung der Grenze zwischen der festen und der flüssigen Phase und wird mit den Methoden der Phasenfeldmodellierung zum Beispiel im Softwarepaket PACE3D efÞ zientgelöst.

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