EMO 2025 viser innovative materialer: Metallskum og PFAS-substitusjon forbedrer økologisk fotavtrykk

Dette metallstykket er så lett og luftig at det til og med flyter i melk. Vi snakker om metallskum. Det innovative materialet er laget av opptil 90 prosent luft og har fantastiske egenskaper. I fabrikken sikrer det større bærekraft og bidrar til å forbedre det økologiske fotavtrykket i industriell produksjon.

Hovedfokuset er på metallskum og erstatninger for per- og polyfluoralkylstoffer (PFAS). Metallskum bidrar til å gjøre maskiner mer effektive, lettere og samtidig mer stabile. I likhet med sine naturlige forbilder bein eller tre, har det svært porøse materialet en cellulær struktur, som kan absorbere energi i form av svingninger, støt eller lyd.

Som å bake brød

Aluminiumskum kan produseres i en prosess som i prinsippet ligner på å bake brød. Ta litt pulver, et blåsemiddel og varme, og det ferdige produktet er aluminiumskum. Imidlertid er produksjonen av det høyteknologiske materialet selvfølgelig noe vanskeligere.

- For fremstilling av aluminiumskum blandes en aluminiumlegering og et blåsemiddel sammen, i de fleste tilfeller forhåndskomprimeres ved aksial kompresjon og komprimeres deretter til skumbare seksjoner ved ekstrudering, forklarer Carsten Lies, avdelingsleder for funksjonelt integrert lettvektskonstruksjon ved Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology (IWU) i Chemnitz.

- For produksjon av aluminiumskumsandwich plasseres tilpassede, skumbare aluminiumseksjoner mellom to dekkplater plassert i avstand fra hverandre, legger ingeniøren til og beskriver produksjonsprosessen.

I den påfølgende varmebehandlingen utvides det skumbare aluminiumet mange ganger. Det oppståtte skummet danner en solid binding med de to dekkplatene for å lage en sandwich. Etter avkjøling kuttes sandwichen til de endelige dimensjonene.

- Metallskum, spesielt aluminiumskum, brukes først og fremst som kjernemateriale i sandwich, forklarer Lies. Dekkplatene deres er vanligvis laget av stål eller aluminium.

- De øverste lagene støtter belastninger, kjernen forhindrer direkte kontakt mellom platene.

Slik forklarer Fraunhofer-forskeren de spesielle egenskapene til det høyteknologiske materialet. Bindingen mellom topplag og kjerne skjer vanligvis i den metalliske limbindingen.

Luftig, lett og stiv: sandwich med skumfyll

- Avhengig av design har sandwich veldig høy bøyestivhet. Denne effekten brukes til å gjøre sammenstillinger lettere og dermed opprettholde eller til og med forbedre stivheten i sammenstillingen, sier Lies.

De erstatter massive elementer i den konvensjonelle monteringen. Ifølge forskeren, avhengig av optimaliseringskriteriet, kan enten betydelige vektbesparelser med samme stivhet (opptil rundt 30 prosent) eller betydelige økninger i stivheten med jevn vekt oppnås. De spesifikke fordelene ved bruk av metallskum i maskinen når det gjelder effektivitet og bærekraft er, ifølge Lies, "betydelig forbedret demping av skumkjernen og betydelige vektbesparelser ved bruk av sandwich".

Det faktum at metallskum også enkelt kan resirkuleres har en positiv effekt på det økologiske fotavtrykket.

- Siden det ikke brukes lim til sandwichproduksjonen, kan materialet brukes i eksisterende sykluser for behandling av metallskrap bestående av stål og aluminium, sier forskeren fra Chemnitz.

Skreddersydd fra 3D-printeren

Komponenter laget av metallskum – eller mer presist komponenter laget av hybridporøse (HyPo) materialer – kan også produseres i 3D-printing. Fordel med additivt produsert metallskum: Luftkamrene kan plasseres nøyaktig. Komponenter produsert på denne måten kan optimaliseres ytterligere for spesielle bruksområder fordi den graderte justeringen av porestrukturen inne i komponenten gir flere alternativer enn luftblåsing i metall ettersom de dannes under skumdannelse av gass. For eksempel kan maskinkomponenter formes i 3D-printeren med skreddersydde og nøyaktig definerte egenskaper.

- En gradert justering av porestruktur og egenskapsprofiler er svært vanskelig eller ikke engang mulig i et monolitisk produsert materiale, da verken produksjonsprosessen eller den videre bearbeidingen til den endelige komponentgeometrien ikke samsvarer med de endelige kravene til bruken, forklarer Thomas Hassel fra Institute of Materials Science ved Leibniz University Hanover (LUH).

Doktorgradsingeniøren fremhever at additiv fremstilling klarer å muliggjøre "nær-nettformet produksjon" av komponenter og samtidig "introdusere graderingen på de tilsvarende stedene på en slik måte at den plasseres nøyaktig i kravprofilen".

Forskningen tar for seg spesifikke bruksområder i verktøymaskinindustrien og hvordan det innovative materialet kan bidra til å øke effektiviteten og bærekraften i fabrikken. Fokuset er på komponenter i en verktøymaskin (verktøyveksler, verktøyholder, spindelbærer) med hensyn til stivhet, demping, termoelastisk oppførsel, ubalanse, samt hardhet og overflatekvalitet, forklarer Hassel. Gjennom implementering av HyPo-komponentene, for eksempel i en formemaskin, forskes det på hvilke fordeler som oppnås med de graderte komponentene.

- Driftsatferden under prosessering skal analyseres ettersom freseprosessen involverer et bredt spekter av forskjellige belastningsforhold, sier Hassel.

- Dette gjør det mulig å bestemme innflytelsen av HyPo-komponenten på de mekaniske og termiske maskinegenskapene og forbedre ytelsen til slike maskiner betydelig.

Substitusjon for "evighetskjemikalier"

Større bærekraft gjennom lette materialer er en av mange tilnærminger som er tatt i bruk for å forbedre det økologiske fotavtrykket i industriell produksjon. I mellomtiden rettes mer oppmerksomhet mot miljøvennlige alternativer for de såkalte "evighetskjemikaliene". Fokuset er på miljøskadelige per- og polyfluoralkylstoffer (PFAS), som brukes i produksjonen, spesielt der ekstreme forhold råder; høye temperaturer, betydelig slitasje eller aggressive kjemiske forhold. PFAS finnes i tetninger, rør eller beslag.

- Det er ikke noe generelt svar på spørsmålet om en substitusjon av PFAS er mulig, og en individuell vurdering må utføres avhengig av applikasjonen, sier Frank Schönberger, leder for syntese og formulering ved Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF fra Darmstadt.

- En 1:1 erstatning av fluorpolymerer er generelt ikke mulig, men avhenger alltid av de individuelle kravene til den respektive applikasjonen.

Det er situasjoner der en fluorpolymer kan erstattes med en annen høyytelsespolymer (som PEEK, PEI eller PPS) avhengig av krav, for eksempel hvis temperatur- og mediekravene er moderate eller innen området tribologiske forbindelser.

- Men det er også bruksområder der de komplekse kravene – i dag – ikke kan oppfylles av noe annet materiale, legger forskeren til.

- Fluorpolymerer har i stor grad universell kjemisk motstand og har høy temperaturbestandighet. I applikasjoner der dette er nødvendig, for eksempel i pumper eller maskiner som må tåle forskjellige medier under varierende forhold, trenger fluorpolymerer til nå ikke å byttes ut, oppsummerer Schönberger og legger til:

- Det kan være muligheter i applikasjoner der det fulle potensialet til fluorpolymerene ikke er nødvendig, og i situasjoner der, eksempelvis et redesign er mulig.

PFAS-substitusjon også relevant for USA

Ifølge Schönberger er PFAS-substitusjonen også relevant for markeder utenfor Europa, spesielt USA. I USA er det også forskrifter, delvis avhengig av den respektive føderale staten. Dette viser også at større bærekraft i produksjonsteknologi er en global utfordring, som må svares på i fabrikkene i alle industriland.

For mer informasjon se: www.trrhypo.de og www.vdw.de/en og www.iwu.fraunhofer.de og www.iw.uni-hannover.de/de og www.lbf.fraunhofer.de og www.emo-hannover.com