Metalllegierungsschäume für effiziente Abgasnachbehandlung und Schalldämpfung

Multifunktional im Maßanzug

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Ob Abgas oder Schall – das Reduzieren von Emissionen zählt zu den dringendsten Aufgaben im Fahrzeugbau. Mit offenporigen Metalllegierungsschäumen auf Eisen- und Nickelbasis gibt es jetzt ein Substrat, das sowohl bei der Abgasnachbehandlung als auch Schalldämpfung von Verbrennungsmotoren technische und wirtschaftliche Vorteile bietet: Hohe Korrosions- und Temperaturbeständigkeit, sehr gutes Dämpfungsvermögen bei geringem Gegendruck, turbulente Strömungsführung, freie Formbarkeit und einfaches Canning des Materials.

Der Einsatz metallischer Schaummaterialien beschränkt sich in der Fahrzeugindustrie bisher auf Anwendungen zur Gewichtsreduzierung. Mit Leichtigkeit überzeugt auch der Metalllegierungsschaum von Alantum, allerdings ist dies nur ein positiver Nebeneffekt. Denn entwickelt wurde der auf Nickel- oder Eisenmetallschaum basierende, offenporige Werkstoff mit hohlen Stegen für Applikationen im Abgasstrang von Verbrennungsmotoren, wie Dieselpartikelfilter (DPF), Dieseloxidationskatalysatoren (DOC), Dreiwegekatalysatoren (TWC) und Schalldämpfer. Seinen anwendungsoptimierten „Maßanzug“ erhält das mechanisch stabile Material durch metallische Legierungspulver und zusätzliche katalytische Beschichtungen. Die dadurch entstehende sehr große reaktive Oberfläche sowie die turbulente Strömungsführung ermöglichen bei DOC- und TWC-Einsätzen eine optimierte katalytische Funktion sowie signifikante Einsparungen an Edelmetall.

Optimierte Eigenschaften durch patentierten Herstellungsprozess
Die für eine gute Filtrationswirkung erforderliche, komplett offenporige Struktur des Substrats entsteht bei der Herstellung des Nickel- beziehungsweise Eisen-Metallschaums: Metallisches Besputtern macht einen nach exakt definierten Vorgaben hinsichtlich Porengröße (450, 580, 800 und 1200 µm) und Durchlässigkeit produzierten Polyurethanschaum (PU) für ein nachgeschaltetes Elektrolysebad elektrisch leitfähig. Auf dieser Schicht werden 10 µm Nickel oder Eisen abgeschieden. Anschließend wird in einer zweistufigen Wärmebehandlung der PU-Schaum ausgetrieben sowie der zurückbleibende Metallschaum weich geglüht. Dies verleiht den Schaummatten ihre Flexibilität und Formbarkeit.
Im folgenden, von Alantum patentierten, stabilen Beschichtungsprozess mit hochlegierten Metallpulvern erfolgt die Anpassung an die jeweilige Applikation. So können beispielsweise die Korrosionsbeständigkeit und eine Temperaturbeständigkeit von 1000 °C mit kurzfristigen Spitzenbelastungen bis zu 1200 °C eingestellt werden. Das Legierungspulver wird auf den mit einem Binder versehenen Metallschaum gleichmäßig aufgetragen und der Binder anschließend durch eine Wärmebehandlung entfernt, so dass ein direkter Kontakt zwischen Metallpulver und den Stegen des Metallschaums entsteht. Daran schließt sich ein Flüssigphasen-Sinterprozess an, in dem das Legierungspulver aufschmilzt und mit dem Grundmaterial reagiert. Dabei bildet sich eine homogene Metallschaumstruktur aus, der Metalllegierungsschaum. Gleichzeitig kommt es zu einer extremen Vergrößerung der spezifischen Oberfläche.
Nach der Qualitätskontrolle des Beschichtungsprozesses erfolgt in einem speziell entwickelten Verfahren eine Voroxidation. Diese Schutzschicht verleiht dem Material zum einen die gute Oxidationsbeständigkeit, andererseits ermöglicht sie die exzellente Haftung nachfolgender Beschichtungen, wie beispielsweise katalytischer Schichten, so genannter Washcoats. Diese können auch begrenzt auf bestimmte Zonen oder Lagen aufgebracht werden.
Effektiv und wirtschaftlich in der Abgasnachbehandlung
Die spezifischen Eigenschaften des Metalllegierungsschaums mit Materialdichten von 0,695; 0,581; 0,448 und 0,351 g/cm3 sowie die Möglichkeit, unterschiedlichste Katalysatoren aufzubringen, machen ihn zum optimalen Werkstoff für Abgasnachbehandlungssysteme. Dazu zählen beispielsweise DOC-Komponenten, die sich mit dem Metalllegierungsschaum kostenoptimiert herstellen lassen. Möglich wird dies durch das Zusammenspiel von enorm großer reaktiver Oberfläche und der Strömungsführung des Abgases, die im Gegensatz zu konventionellen Wallflow-Lösungen nicht laminar, sondern turbulent erfolgt. Dies führt zu einem deutlich stärkeren Kontakt zwischen Abgas und Oberfläche, wodurch signifikant weniger Edelmetall für die Beschichtung erforderlich ist.
Auch als Substrat für Retrofit-DPF-Komponenten bietet der Metalllegierungsschaum Vorteile. So lässt sich die Filtrationsrate durch die Kombination unterschiedlich poröser Matten und die Anzahl der verwendeten Schaumlagen bedarfsgerecht auslegen. Durch die turbulente Strömung und große Oberfläche werden gute Wirkungsgrade erzielt. Gleichzeitig verringert sich auch hier der für die passive Regeneration erforderliche Bedarf an Edelmetall. Der DPF kann dabei anstelle des Schalldämpfers platziert werden. Dank des hohen Schallabsorptionsvermögens sowie des geringen Gegendrucks übernimmt der Metalllegierungsschaum hier die Funktion von Partikelfilter und Schalldämpfer.
Gleichbleibende Schalldämpfung bei Hochleistungsmotoren über die Fahrzeuglebensdauer
Ein weiteres Anwendungsgebiet des Metalllegierungsschaums ist die Schalldämpfung bei Fahrzeugen mit Hochleistungsmotoren in Mittel- oder Heckmotorkonfigurationen, Rennsportfahrzeugen, Motor- und Kleinkrafträdern sowie Yachten. Insbesondere das von konventionellen Absorptionsmaterialien wie Stein-, Stahl- oder Glaswolle bekannte Problem, dass sie unter den wechselnden Druck- und Temperaturbelastungen leistungsstarker Motoren verbrennen und/oder sich zersetzen, lässt sich mit dem metallischen Schaumwerkstoff lösen. Dies liegt zum einen an der Temperaturbeständigkeit von über 1000 °C, zum anderen ist es die hohe mechanische Beständigkeit. Dadurch bleibt der Schaum auch unter den in der Auspuffanlage auftretenden Drücken formstabil; in Versuchen wurden Druckfestigkeiten bis 3,5 MPa bei 900 °C nachgewiesen. Dies ermöglicht eine Lebensdauer des Schalldämpfers, die mit der des Fahrzeugs identisch ist.
Hinsichtlich der Schallabsorption erzielt der Metalllegierungsschaum ebenfalls überzeugende Werte. Sowohl von der Gesellschaft für Akustikforschung Dresden mbH nach DIN EN ISO 10534-2 als auch im Labor für Verbrennungsmotoren an der Hochschule München an einem befeuerten Motorenprüfstand durchgeführte Messungen ergaben, dass der Werkstoff über den kompletten Frequenzbereich von 0 bis 1600 Hz ein deutlich besseres Schallabsorp- tionsvermögen aufweist als herkömmliche Materialien bei gleichem Volumen. Dabei weist der Schaum nur einen geringen Gegendruck auf, so dass es zu keinen Leistungseinbußen kommt. Das hohe Absorptionsvermögen resultiert aus der großen homogenen, offenporigen Oberfläche mit rauer Mikrostruktur. Denn die Verringerung der Amplitude der Schallwellen erfolgt durch Reibung an der Grenzschicht zwischen Luft und einer Festkörperoberfläche, also der Oberfläche des Schaums. Je größer diese Oberfläche ist, desto mehr Schallenergie wird absorbiert. Gleichzeitig lässt sich das Klangbild durch den Einsatz von Schaummatten mit unterschiedlichen Porengrößen beeinflussen.
Hohe Designfreiheit und einfaches, kostengünstiges Canning
In allen Anwendungen ermöglicht die freie Formbarkeit des gesinterten Metalllegierungsschaums – er lässt sich rollen, biegen, stapeln und schneiden – die freie Gestaltung des Bauteils. Darüber hinaus kann das Material „grün“ (ungesintert) beliebig geformt werden. So ist es möglich, mehrere Schichten des Metallschaums zu stapeln, in das gewünschte 3D-Design zu formen, zuzuschneiden und „bepulvert“ im Sinterprozess zu einem kompletten Bauteil zusammenzufügen. Form und Größe der Komponenten lassen sich dabei auf zur Verfügung stehenden Bauräume abstimmen beziehungsweise optimieren. Ein weiteres Plus ist das einfache Canning, das lediglich eine Verbindung zum äußeren Gehäuse erfordert, die sich durch Ansintern beziehungsweise durch herkömmliche Fügeverfahren (beispielsweise Laser- oder Lichtbogenschweißen) herstellen lässt. Da keine Lagermatten erforderlich sind, reduzieren sich die Herstellungskosten deutlich. Last but not least lässt sich der rein metallische Werkstoff, der keine umweltgefährdenden Stoffe enthält, problemlos recyceln.
Alantum; Telefon: 08104 6492314; E-Mail: rposs@alantum.de
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