Verbundmetallschaum (CMF) ist ein sehr nützliches geschlossenzelliges poröses Material, das durch die Verteilung von Metallkugeln in einer Metallmatrix hergestellt werden kann. Aufgrund seiner einheitlichen Form und gleichmäßigen Porenverteilung kann CMF im Vergleich zu herkömmlichen Metallschäumen bessere mechanische Eigenschaften bieten. Dieses Material ist leicht und hochfest und kann in Bereichen wie Flugzeugflügeln, Fahrzeugpanzerungen und menschlichen Körperpanzerungen eingesetzt werden. Darüber hinaus verfügt CMF im Vergleich zu herkömmlichen Metallen und Legierungen wie Stahl über bessere Wärmeisolationseigenschaften, was bedeutet, dass CMF voraussichtlich auch zur Lagerung und zum Transport von Nuklearmaterial, gefährlichen Gütern, Sprengstoffen und anderen wärmeempfindlichen Materialien verwendet werden wird.

Eine Studie hat ergeben, dass das Induktionsschweißen (im Bild) zum Verbinden von Verbundmetallschäumen eingesetzt werden kann, ohne deren wünschenswerte Eigenschaften zu beeinträchtigen

CMFs sind typischerweise Hohlkugeln aus einem Metall, die in einer festen Matrix aus demselben oder verschiedenen Metallen enthalten sind. Sie sind ein bisschen wie eine Tafel Schokolade aus der Luftfahrt, wenn sie aus Metall statt aus Schokolade wäre. Eines ihrer größten Verkaufsargumente ist, dass sie leichter als herkömmliche Massivmetalle und gleichzeitig genauso stark sind. In den letzten Jahren wurde außerdem entdeckt, dass sie auch Kugeln abwehren, Strahlung blockieren und gegen hohe Temperaturen isolieren können.

Wenn unterschiedliche CMFs mit herkömmlichen Methoden zusammengeschweißt werden, verlieren sie leider diese wünschenswerten Eigenschaften an der Schweißverbindung.

Forscher der North Carolina State University haben nun eine Schweißtechnik gefunden, mit der sich Teile aus Verbundmetallschaum (CMF) miteinander verbinden lassen, ohne die Eigenschaften zu beeinträchtigen, die CMF zu einem idealen Material machen. CMF ist leicht, stark und isoliert wirksam hohe Temperaturen, sodass davon ausgegangen wird, dass es in verschiedenen Bereichen weit verbreitet sein wird.

Afsaneh Rabiei, Professorin für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der North Carolina State University, sagte: „Beim traditionellen Schmelzschweißen werden zwei Metallstücke mit einem Zusatzwerkstoff verbunden. Hier liegt das Problem, denn das Metall, das die beiden CMF-Stücke schmilzt, ist fest und weist daher auf beiden Seiten nicht die idealen Eigenschaften des CMF auf. Darüber hinaus führt jede Schweißmethode, die das geschmolzene Metall direkt erhitzt, dazu, dass sich einige Poren im CMF füllen.“

Auf der Suche nach einer Alternative untersuchten Rabiei und Kollegen eine weniger verbreitete Technologie namens Induktionsschweißen. Einfach ausgedrückt: Es nutzt Hochfrequenzstrom, um eine Induktionsspule mit Strom zu versorgen, wodurch ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld erzeugt wird, das bestimmte Metalle bis zu ihrem Schmelzpunkt erhitzt.

Da CMF nur 30-35 % Metallanteil hat, kann das elektromagnetische Feld tief in das Material eindringen und so eine gute Schweißung erzielen. Die Lufteinschlüsse, die die restlichen 65–70 % des CMF ausmachen, dienen dazu, das Material vor Hitze zu isolieren. Auf diese Weise erwärmt das Induktionsschweißen den Zielbereich, der die beiden CMF-Stücke verbindet, verhindert jedoch, dass sich die Wärme von der Verbindung nach außen ausbreitet. Dies trägt dazu bei, die Eigenschaften von CMF beizubehalten.

„Dies ist ein wichtiger Fortschritt, da CMF aufgrund seiner Eigenschaften für ein breites Anwendungsspektrum attraktiv ist. Es ist jedoch von entscheidender Bedeutung, dass es eine Möglichkeit gibt, CMF-Teile zu schweißen, ohne die Eigenschaften zu beeinträchtigen, die es attraktiv machen“, sagte Rabiei.

Ein Artikel über die Forschung wurde kürzlich in der Zeitschrift Advanced Engineering Materials veröffentlicht.