Besonderheiten des Verhaltens zellularer Metalle unter monotoner und zyklischer mechanischer Beanspruchung
Srecko Nesic
Infolge des immer wichtiger werdenden Leichtbaus wurden in den vergangen Jahren verstärkt Metallschäume und Metallschaum-Sandwichverbunde auf ihre Eignung zum Einsatz in unterschiedlichen Anwendungen untersucht. Hierfür wurden nicht nur die Herstellungsverfahren von zellularen Metallen optimiert bzw. neu entwickelt, sondern auch deren mechanische Eigenschaften untersucht. Nichtsdestotrotz ist das Werkstoffverhalten bis heute nicht gänzlich verstanden, sodass der Bekanntheitsgrad und die Akzeptanz von Metallschäumen bei Konstrukteuren gering geblieben sind. Sowohl diese Umstände als auch die teilweise mangelnde Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Schäume waren neben dem finanziellen Aspekt die treibenden Gründe für die bisherige schlechte Marktdurchdringung dieser vielversprechenden Werkstoffgruppe. So war es bisher nur in einigen wenigen Fällen möglich, Metallschaumbauteile in Großserie zu produzieren.
Eines der übergeordneten Ziele dieser Arbeit war es daher, das Verständnis des Materialverhaltens bei verschiedenen mechanischen Belastungen zu verbessern und dadurch die Akzeptanz dieser Werkstoffgruppe bei Konstrukteuren zu steigern. Hierfür fand zunächst eine systematische Auswahl verschiedener Metallschäume und Metallschaum- Sandwichverbunde statt, welche aufgrund ihrer Herstellungsart und Homogenität das größte Potenzial für Einsätze als Bauteil aufweisen. Diese Materialien wurden daraufhin verschiedenen quasistatischen, dynamischen und zyklischen mechanischen Prüfungen unterzogen, um sie mikro-, meso- und makroskopisch zu untersuchen sowie auf Gemeinsamkeiten bzw. Unterschiede hin zu bewerten. Hierfür wurde eine gänzlich neue Prüfmethode (Umlaufbiegeprüfung) entwickelt, mit deren Hilfe eine vergleichsweise schnelle und kostengünstige Erstellung von Wöhlerlinien möglich ist. Zudem wurden verschiedene Aspekte beschrieben, die bei einer Konstruktion aus zellularen Metallen berücksichtigt werden sollen.
Aufgrund der Tatsache, dass im heutigen Konstruktionsprozess in der Regel Simulationen bereits sehr früh durchgeführt werden, wurden die hier gewonnenen Ergebnisse verwendet, um die Eignung von Metallschäumen als Crashenergie-Absorptionselemente in unterschiedlichen Autositzstrukturen zu simulieren. Die Ergebnisse zeigen, dass Metallschäume durchaus in der Lage sind, bestehende Konstruktionen, z.B. bei Crashbelastung, zu verbessern.
Da im Rahmen dieser Arbeit zudem die Erarbeitung eines Konzepts für eine quasistatische Zugversuchsnorm angestoßen wurde, wurde dieses hier in Ansätzen vorgestellt.
Letztlich wird mit dieser Arbeit eine systematische Herangehensweise zur Untersuchung von Metallschäumen aufgezeigt.
