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METAHYBRID-Bauteile mit neuartigen strukturellen und funktionellen Eigenschaften für funktionsintegrierten Leichtbau.

25. Juni 2019

Unter Verwendung von neuen Serientechnologien OPEPORE Light Metals und METAKER® Surface lassen sich auf dem Gebiet des Multi-Material-Designs Produktideen verwirklichen, die bisher undenkbar schienen. Die mehrstufigen Kombinationen von neuartigen Werkstoff-Hybriden -  sogenannte METAHYBRIDE - verändern die Vorstellung über konstruktive, funktionale und wirtschaftliche Potenziale von Leichtmetallen und leichtmetallbasierten Hybridteilen. Den Unternehmen der herstellenden Industrie nahezu aller Branchen bieten sich daher völlig neue Lösungen für mechanische, elektrische, mechatronische, thermische, optische, chemische und viele weitere Anwendungen.

METAHYBRID Lösung wurde als BEST OF beim INDUSTRIEPREIS 2018 in der Kategorie "Forschung & Entwicklung" ausgezeichnet.

 

Leichtmetall-Kunstsoff-Metahybride.

Die konventionellen Kunststoff-Metall-Hybridbauteile kombinieren die Stärken von Kunststoff und massiven Metallen wie Stahl oder Aluminium. Sie ermöglichen die Umsetzung von einfachen Hybridstrukturen, die mit einem Werkstoff allein nicht möglich sind.

Logischerweise kombinieren solche Hybridbauteile auch die Schwächen von einzelnen Werkstoffen. So muss z. B. in einem dem Verschleiß ausgesetzten Hybridbauteil die Metallkomponente aus Stahl und nicht aus Aluminium verwendet werden. Soll das Hybridbauteil dielektrische Eigenschaften vorweisen, muss die Metallkomponente vom Kunststoff komplett ummantelt werden und kann z. B. nicht dem Verschleiß ausgesetzt werden. Das schränkt den Einsatz der Hybridbauteile bei modernen Anwendungen mit Anforderungen an die Multifunktionalität stark ein.

Das neue technologische Ökosystem METAHYBRID erlaubt es die Polymere und die Leichtmetalle mit neuartigen isotropen, anwendungsspezifisch offenporigen oder selektiv-porösen Strukturen und/oder anwendungsspezifisch modifizierten Oberflächeneigenschaften zu einem einmaligen Werkstoffsystem zu kombinieren.

Die METAHYBRID-Bauteile bieten neue konstruktive Freiheitsgrade sowie neue strukturelle und multifunktionelle Eigenschaften für die Werkstoffsubstitution und Funktionsintegration, auch bei Anwendungen mit gegensätzlichen und/oder extremen Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften. Die mehrstufige Kombination von neuen Prozess- und Werkstoffeigenschaften erlaubt die Herstellung nicht nur konventioneller Werkstoff-Hybride, sondern auch übergeordneter Hybride von Werkstoff-Hybriden – sogenannter Metahybride.

Berücksichtigung von neuen technologischen Möglichkeiten bei der Produktentwicklung eröffnet viele neue, bisher oft undenkbare Potenziale bei Multifunktionalität, Belastbarkeit, Fügbarkeit, Werkstoffverträglichkeit, Gewicht, Bauraum, Ressourcenverbrauch und Wirtschaftlichkeit von Produkten in allen Schlüsselindustrien.

 

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AUSZEICHNUNGEN

Abbildung 1: Mediendichtes, form- und kraftschlüssiges, in seinen Eigenschaften einstellbares METAHYBRID-Verbundteil, hergestellt im Spritzgießverfahren aus Polymer und Metalleinleger aus offenporigem Aluminiumguss.

 

Neue funktionelle Eigenschaften von METAHYBRID-Bauteilen.

Die funktionellen Schwächen von Leichtmetallen bei Multi-Material Anwendungen können durch eine Funktionalisierung ihrer Oberflächen im METAKER® Surface Verfahren optimiert werden.

Konventionell hergestellte oder 3D-gedruckte Leichtmetall-Bauteile, sowie wasserbeständige Werkstoff-Hybride mit einer Leichtmetall-Komponente, erhalten mit der wirtschaftlichen und sehr umweltfreundlichen METAKER® Surface Technologie eine neuartige Randschicht mit einer Dicke bis zu 200 μm. Diese Schicht ist heterogen, gradiert, multifunktional, mikrostrukturiert, mikroporös und atomar haftend.

METAKER® Randschicht ist ein Mikro-Verbundwerkstoff, dessen Eigenschaften einstellbar und kombinierbar sind, z. B.:

- Wärme leitend, mikrostrukturiert und abriebfest (Tribologie)

- dielektrisch und Wärme leitend (elektrische Kühlung, Thermoelektrik)

- elektrisch leitend und abriebfest (elektrische Kontakte, EMV Abschirmung)

- Wärme leitend, korrosionsbeständig und Licht reflektierend (LED, IR-Messgeräte)

- auf dem Untergrund atomar haftend, mikrostrukturiert und aktiviert (Kleben, Laminieren)

- körperverträglich, mikrostrukturiert und bioaktiviert (Medizin)

- u.v.m.

So kann beispielsweise ein METAKER® modifiziertes 99,5% Aluminium-Blech eine Oberflächen-Mikrohärte von über 1.000 HV, eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von 22 kV/mm und zugleich eine Wärmeleitfähigkeit von 210 W/mK vorweisen.

Nicht nur Aluminium, sondern auch Magnesium kann im METAKER® Surface Verfahren behandelt werden. Ein markantes Beispiel dafür ist eine Magnesium Autofelge. Nach METAKER® Funktionalisierung, die in einem Arbeitsschritt ohne Vor- und Nachbehandlung und ohne Einsatz von Schadstoffen erfolgt, verfügt das Rad über sehr gute Korrosionsbeständigkeit, Steinschlag Resistenz und Lackierbarkeit.

Neue Eigenschaftenprofile von Leichtmetallen erlauben bei vielen Anwendungen die schadstofffreie Substitution von schweren bzw. teuren Werkstoffen wie Stahl, Edelstahl, Keramik, Messing, Bronze, PEEK oder aufwändiger Oberflächenverfahren wie Phosphatieren, Chromieren, Chem.-Ni. u.a.

 

Abbildung 2: Kabelverschraubung aus Aluminium mit METAKER® Oberfläche (Prototyp) kann in Zukunft konventonelle Bauteile aus Edelstahl bzw. Messing vernickelt ersetzen.

 

Die modernen METAKER® Oberflächen steigern die Leistungsfähigkeit der Leichtmetall-Bauteile und Werkstoff-Hybride für mechanische, elektrische, mechatronische, thermische, chemische, optische, dekorative und andere Anwendungen auf bisher undenkbares Niveau. Dadurch können Potenziale bei Gewicht, Funktion, Lebensdauer, Wirkungsgrad, Ressourcenverbrauch sowie Produkt- und Prozesskosten im mehrstelligen Prozentbereich erreicht werden.

 

Neue strukturelle Eigenschaften von METAHYBRID-Bauteilen.

OPENPORE Light Metals - offenporige Leichtmetalle - werden im Kokillengießverfahren mit verlorenen Platzhaltern aus Kochsalz hergestellt und sind den bekannten Metallschaum- und Sinter-Verfahren weit überlegen. Dies bezieht sich auf die anwendungsspezifisch einstellbare Porengröße, die serienmäßig reproduzierbare isotrope Porosität, die hohe Stabilität vom Gussgefüge, die Möglichkeit der Herstellung nahezu jeder denkbaren Form durch herkömmliche Metallbearbeitung und die herkömmliche Oberflächenbehandlung.

 

Abbildung 3: Offenporig gegossene Leichtmetallbauteile können durch konventionelle Zerspanung in jede Form gebracht werden.

 

Offenporige Leichtmetall-Gussteile beseitigen Grenzen zwischen massiven Leichtmetallen und Leichtmetallschäumen und eröffnen zahlreiche neue mechanische, akustische, thermische, elektrische, strukturelle, dekorative und viele weitere Anwendungsmöglichkeiten.

Die strukturellen Eigenschaften der offenporigen Gussteile können durch eine Vielzahl an Parametern vorbestimmt werden:

- die Größe des Salzkorns: von einigen Mikrometern bis zu einigen Zentimetern;

- die Form des Salzkorns: Brocken aus Naturstein, rund geschliffenes Salz, Formsalz u. a.;

- die gemischten oder gradierten Salzkornmischungen;

- die Füllhöhe der Kokille mit Salz: Teilfüllung sorgt für ein teil-poröses Bauteil;

- Verwendung von anwendungsspezifischen Kokillenformen;

- Verwendung von Einlegeteilen aus Aluminium, Stahl, Glas, Kupfer u.a.;

- Variabilität bei einigen Parametern eines Gießprozesses;

- konventionelle Zerspanung und Oberflächenbehandlung des porösen Bauteils;

- Herstellung selektiv teil-poröser Leichtmetallteile;

- Herstellung von Werkstoff-Hybriden aus teil-porösen Leichtmetallen und anderen Werkstoffen;

- Funktionalisierung von Leichtmetall-Oberflächen im METAKER® Surface Verfahren;

- Verwendung von konventioneller Fügetechnik wie Zusammengesetzen, Verschrauben, Verpressen, Nieten, Kleben, - - - Löten sowohl im massiven, als auch im porösen Bauteilbereich.

Offenporiger Aluminiumguss bietet als Werkstoff eine homogene Volumenporosität von 55±5% bei einer Dichte von ca. 1,3 g/cm3. Die Porengröße ist beliebig ab 5 μm aufwärts einstellbar. Die Herstellung im einfachen Kokillenguss eignet sich sowohl für kleine, als auch für sehr große Stückzahlen.

Bereits in der Standardausführung bietet das neue Material ein hohes Potenzial für viele verschiedene Anwendungen: Filtrieren, Dämpfen, Trennen, Verteilen, Regeln, Drosseln, Fördern, Flammsperren oder Schützen, insbesondere als leichtere, bessere und günstigere Alternative zu Sinterbronze oder Sinterstahl.

Ganz neuartige Anwendungsmöglichkeiten eröffnen offenporige Leichtmetalle durch ihre besonderen Eigenschaften für den funktionsintegrierten Leichtbau, multifunktionale Werkstoff-Hybride, integrierte, multifunktionale Crashelemente, integrierte Wärmeübertrager, Energie- und Wärmespeicher, Werkzeuge für das Thermoformen und Partikelschäume, dekorative Produkte und viel mehr.

 

Abbildung 4: METAHYBRID-Verbundteil kombiniert neue strukturellen (OPENPORE Light Metals) und funktionellen (METAKER® Surface) Materialeigenschaften.

 

Industriepreis 2018. BEST OF Auszeichnung für METAHYBRID.

Der INDUSTRIEPREIS wird für die fortschrittlichsten und innovativsten Industrielösungen in 14 Kategorien - von Automotive, über Medizintechnik bis hin zu Zulieferer - vergeben. Im exklusiven Kompendium der Besten sind die fortschrittlichsten und leistungsstärksten Lösungen der deutschsprachigen Industrie vereint.

Die Huber Verlag für Neue Medien GmbH prämiert mit dem INDUSTRIEPREIS Unternehmen mit hohem wirtschaftlichem, gesellschaftlichem, technologischem und ökologischem Nutzen. Dies trifft auf den METAHYBRID Ansatz von AUTOMOTEAM zu.

Die unabhängige, hochkarätig besetzte Jury des INDUSTRIEPREIS 2018 zeichnete METAHYBRID als BEST OF Lösung in der Kategorie "Forschung & Entwicklung" aus.

 

Abbildung 5: METAHYBRID-Verbundteil hergestellt aus einem konventionellem Aluminium-Kunststoff-Verbundteil durch eine nachträgliche METAKER® Modifikation der Aluminium-Komponente.

 

Abbildung 6: METAHYBRID-Komponenten aus offenporigen Leichtmetallen erlauben verschiedene, bisher bei Metallschäumen unmögliche Fügekonzepte.

 

 

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