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Bild 4: Aluminiumschaumproben
Metallische Hohlkugeln
Gefüllte Hohlkugelstrukturen ermöglichen
die Kombination von geringer Dichte
und hoher Dämpfung. In den meisten Fällen
finden Stahlhohlkugeln mit Durchmessern
von 2 bis 5 mm Durchmesser
Verwendung. Abhängig von der Verarbeitungsroute
der gefüllten Hohlkugeln
zu Bauteilen variiert die Dichte zwischen
0,6 g/cm3 und 2,3 g/cm 3 .
Die Grundlage der pulvermetallurgischen
Herstellung metallischer Hohlkugeln ist
Bild 5: Hohlkugelproben
die Wirbelbettbeschichtung polymerer
Trägerkugeln (meist Expandiertes Polystyrol
– EPS) mit einer Metallpulver-Binder-Suspension.
Um in die Hohlkugeln
Partikel einschließen zu können, werden
Trägerkugeln verwendet, die die Dämpfungspartikel
enthalten. Anschließend
erfolgt das Verkleben der beschichteten
Kugeln mit Heißdampf zu Formteilen.
Die Formteile werden einer anschließen-
Bild 6: Faserproben
METALL | 65. Jahrgang | X-X/2011 1-2/2011
den Wärmebehandlung unterzogen, um
die organischen Bestandteile zu entfernen
und die Metallpulverschicht durch Sintern
zu einem festen Gerüst aus geschlossenen
Kugelschalen zu verdichten. Im
Inneren der Hohlkugeln liegen nach der
Wärmebehandlung frei bewegliche Keramikpartikel
vor. Diese wirken als Schwingungsdämpfer.
Die gesinterten Formkörper
können formgebend bearbeitet und
durch Löten oder Kleben zu Sandwiches
verarbeitet werden. Die Werkstoffauswahl
sowohl für die Deckbleche als auch
die Entscheidung zwischen Löten und
Kleben richten sich nach den Erfordernissen
der Anwendung.
In Bild 3 ist schematisch in einem Ausschnitt
der Aufbau eines Leichtbauverbundwerkstoffes
mit partikelgefüllten
Hohlkugeln dargestellt. Auf die Matrix
übertragene Schwingungen werden
abhängig vom gewählten Matrixwerkstoff
leicht gedämpft. Sobald die Schwingung
die Hohlkugelschalen erreicht, bewegen
sich Abschnitte der Kugelschalen. Diese
Bewegungen geben die Energie an die
Partikel weiter. Die Schwingungsenergie
wird zu einem großen Teil als Bewegungsenergie
der Partikel zwischengespeichert
und anschließend durch Reibung und
teilelastische Stöße in Wärmeenergie
umgewandelt. Dieser Prozess ist nicht
temperaturabhängig. Deshalb ist der
Einsatz partikelgefüllter Hohlkugelstrukturen
zur Schwingungsdämpfung
im Leichtbau nicht auf Raumtemperaturanwendungen
beschränkt [7, 8].
Faserstrukturen
Die metallischen Faserstrukturen werden
aus Kurzfasern durch Schütten, Pressen
und Sintern hergestellt. Bei der Herstellung
der Kurzfasern wurde auf das am IFAM
Dresden betriebene Schmelzextraktionsverfahren
zurück gegriffen, da hochfeste
Fasern aus dem aushärtbaren Stahl 1.4542
(17-4 PH) verwendet werden sollten, die
handelsüblich nicht erhältlich sind. Eine
Besonderheit der Faserstrukturen ist ihre
ausgeprägte Anisotropie [9]. Die Verbindung
der Kernlagen mit den Deckblechen
kann sowohl in einem Schritt durch
Versintern erzielt werden als auch nach
der Herstellung der Faserstruktur durch
Anlöten. Abhängig von den Herstellungsparametern
werden Porositäten zwischen
50 % und 95 % erreicht, das entspricht der
0,05 bis 0,5fachen Dichte des verwendeten
Kompaktmaterials.
METALL-FORSCHUNG
METALL-RUBRIK
Bild 7: Biegeschwingung einer RFDA-Probe
(schematisch)
Eigenschaften im Vergleich
Zur Demonstration dieser Eigenschaften
wurde der Spindelträger einer Hochleistungsfräsmaschine
ausgewählt. Der
vormals aus Gusseisen hergestellte Spindelträger
sollte zum Vergleich der Machbarkeit
und der Dämpfungseigenschaften
als Sandwichkonstruktion ausgeführt
werden. Es wurden zwei Demonstratoren
gebaut. Einer enthält als Kernlagen der
Sandwichbauteile Aluminiumschaum,
für den anderen sollte unter den übrigen
ZMW (Zellulare Metallische Werkstoffe)
derjenige Werkstoff mit der höchsten
Dämpfung der Eigenfrequenzen ausgewählt
werden.
Dazu wurden vier unterschiedliche Arten
von Kernlagen untersucht: Aluminiumschaum,
metallische Faserstrukturen,
metallische Hohlkugelstrukturen mit
und ohne Partikelfüllung. Beispiele für
die untersuchten Proben sind in den Bildern
4 bis 6 zu sehen.
Bestimmung mechanischer Kennwerte
mittels RFDA-Messungen
Die Resonanzfrequenz- und Dämpfungsanalyse
(RFDA) ist eine zerstörungsfreie
Testmethode, um die Resonanzfrequenzen
und die Dämpfung dieser Resonanzfrequenzen
eines Probekörpers zu bestimmen.
Die Resonanzfrequenzen einer Pro-
Bild 8: Frequenzspektrum der Eigenschwingung
einer Aluminiumschaumprobe
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