clicca qui - Aluplanet

Use of metal foams
Applicazione delle schiume metalliche
Andrea Rossi, [email protected]
Strictly speaking, the term foam
means a uniform dispersion of
a gaseous phase in a liquid. In
providing a rigorous definition
of the word, we can say that it
is a uniform dispersion of a gas
within a metal matrix obtained
by solidifying a liquid foam.
Thus, it is a material that, again,
strictly speaking, is obtained by
solidifying a mass of material
composed of bubbles of molten
metal. Often, in fact, it is commonly referred to as metal foam,
relating to any metal containing
a high percentage of cavities,
regardless of how these cavities
were obtained. More correctly
we should distinguish between
metal foams and sponges: the
former contain closed cells,
which means that the pores are
not interconnected but are separated by the walls of the different bubbles, whereas on the
contrary the latter contain open
cells, which means that all the
pores are interconnected. Due
to their different morphology,
foams and sponges can be made
with different materials. As a
result, foams and sponges have
different physical and mechanical properties and very different
fields of application. The metal
foams commonly found on the
market are made of aluminium,
zinc and lead, although foams
made of magnesium, tin, brass,
gold and in some cases steel can
be obtained with current production processes. The percentage
of porosity of a metal foam attainable is generally between
60 and 97%.
68
Practical examples and future
developments in automotive sector
Esempi concreti e sviluppi futuri
nel settore auto
Production techniques :
decomposition of foaming
agents into semisolids
This technique, that is a more
interesting and versatile procedure, is based on the decomposition of a foaming agent inside semi-solids. The procedure
starts from a mixture, as uniform
as possible, of metal powder
and foaming agent (titanium
hydride). The mixture is then
cold-sintered in order to obtain
a compact cylinder. The cylinder
is then extruded so as to obtain
a semi-finished product with the
ALUMINIUM AND ITS ALLOYS
A rigore, con il termine schiuma
si intende una dispersione uniforme di una fase gassosa all’interno di un liquido.
Volendo dare una definizione
del tutto rigorosa del vocabolo
possiamo quindi dire che si tratta di una dispersione uniforme di
un gas all’interno di una matrice
metallica ottenuta solidificando
una schiuma liquida.
Si tratta, cioè, di un materiale
che, sempre a rigore, si ottiene
solidificando una massa composta da bolle di metallo fuso.
Spesso, in realtà, nel linguaggio
1
comune si parla di schiuma metallica riferendosi ad una qualsiasi massa metallica che contenga una percentuale elevata
di cavità, indipendentemente
da come queste cavità sono
state ottenute. Più correttamente si dovrebbe distinguere tra
schiume e spugne metalliche:
le prime sono a cella chiusa, il
che significa che le porosità non
sono interconnesse ma risultano separate da pareti delle varie
bolle; le seconde sono al contrario a cella aperta, per cui tutte
le porosità sono interconnesse
tra loro. A causa della diversa
morfologia, schiume e spugne
possono essere realizzate con
materiali differenti ed hanno
proprietà fisiche e meccaniche
e quindi campi di utilizzo molto
differenti. Le schiume metalliche
comunemente reperibili sul mercato sono quelle di alluminio,
zinco e piombo, anche se con
gli attuali processi di produzione si possono ottenere anche
schiume in magnesio, stagno,
ottone, oro ed in qualche caso
anche in acciaio. La percentuale
di porosità che si può raggiungere all’interno di una schiuma
metallica è generalmente compresa tra il 60 e il 97%.
Tecniche di produzione: decomposizione di schiumogeni in semisolidi
Procedimento più interessante
e versatile, questa modalità si
basa sulla decomposizione di un
agente schiumogeno all’interno
di semi-solidi.
Si parte da una miscela, il più
6 2011
technologies
desired shape (usually rods, profiles or plates). The rods made
of said precursor material are
cut in chunks, which in turn are
inserted into a preform mould
with the shape of the desired
piece. The mould is then placed
inside a furnace and heated to a
temperature close to the melting
temperature of the base metal.
The foaming agent uniformly
dispersed in the precursor decomposes, releasing gas that
expands and forms the foam.
The time required for the formation of the foam depends on the
temperature and the shape of the
precursor material and ranges
from a few seconds to several
minutes.
The metal foam is a functional
material with significant properties for automotive applications such as light construction
(that is, capable of maximizing
the specific stiffness), thae absorption of mechanical energy,
components for the control of
mechanical vibrations and thermal and acoustic phenomena.
The material is well suited for
so-called multi-purpose applications in which different properties
are required depending on the
type of stresses at play when the
components are in operation. It
is in this kind of application that
metal foam provides its best.
Thus here we have a simple
example of a metal foam application using the sandwich
technique to improve the performance of a bent plate. Starting
with pre-set reference parameters, such as the deformation of
the panel as a function of stress
applied to its centre, the plate
can be created either using only
steel or exploiting the properties
of an AFS panel which is made
of two steel face sheets and
a aluminium foam core. When
looking for the best solution to
minimize the mass, it is found
that to have the same deformation at its centre as an AFS panel,
a steel plate must be 13.8 mm
thick with a weight of 53 kg, while
the AFS panel has the same
stiffness with 3.5mm thick steel
faces and a 40mm core. The
result is that the foam structure
represents just 40% of the mass
of the solid plate. Therefore,
starting from these principles it is
possible to make structures that
minimize weight while maintaining the same stiffness or, with the
same mass, maximize stiffness.
Mechanical properties of metal foams (energy absorption)
Another mechanical characteristic that makes foam an excellent
structural filler material is its ability to absorb a large amount of
strain energy in a gradual manner. As a result of this property
it is indicated for the production
of collapsible energy-absorbing
components.
A test sample subjected to a
compression force has a typical deformation curve (strain
curve), with a first linear section
and then a nearly constant response section, called “plateau
zone”, making the behaviour
of the foam resemble that of a
perfectly plastic elastic material
and therefore suitable to absorb
high deformation energies with
a constant response. Foams
with low specific densities show
the aforementioned behaviour
and the response in the plateau
zone remains almost constant
possibile uniforme, di polvere di
metallo ed agente schiumogeno
(idruro di titanio), sinterizzando
poi a freddo le polveri miscelate,
in modo da ottenere un cilindro
compatto. Quindi, si estrude
il cilindro ottenuto in modo da
ottenere un semilavorato della
forma voluta (solitamente barre, profilati o piastre). Le barre
di materiale precursore vengono
tagliate in spezzoni, a loro volta
inseriti all’interno di una preforma sagomata con la forma del
pezzo che si vuole ottenere.
La forma viene poi inserita
all’interno di un forno e riscaldata fino ad una temperatura
prossima a quella di fusione del
metallo base. L’agente schiumogeno uniformemente disperso
nel precursore si decompone,
liberando il gas che si espande
formando la schiuma.
Il tempo necessario alla formazione della schiuma, a seconda
delle condizioni di temperatura
e dalla forma del precursore, va
da pochi secondi a diversi minuti. La schiuma metallica rappresenta un materiale funzionale
con proprietà importanti per
applicazioni automotive quali
costruzioni leggere (ovvero che
massimizzano la rigidezza specifica), componenti per l’assorbimento di energia meccanica,
componenti per il controllo delle
vibrazioni meccaniche e di feno2
meni termici e acustici.
Il materiale si presta molto bene
ad applicazioni cosiddette multifunzionali, nelle quali siano
richieste proprietà diverse in
funzione del tipo di sollecitazione che si ha in esercizio. È proprio in tale applicazione che la
schiuma offre le migliori performances. Veniamo quindi ad un
semplice esempio dell’applicazione di schiuma metallica che
sfrutta la tecnica del sandwich
per migliorare le performances
di una lastra inflessa.
Partendo da parametri di riferimento fissati, quali la cedevolezza del centro del panello
e la forza applicata allo stesso
centro del pannello, è possibile
realizzare la lastra sia utilizzando il solo acciaio sia sfruttando
le proprietà di un pannello AFS
con pelli in acciaio e “core” in
alluminio. Cercando la soluzione ottimale, in grado di minimizzare la massa, si ottiene che a
pari cedimento del centro del
pannello una lastra di acciaio
necessita di uno spessore di
13.8 mm con un peso di 53 kg,
mentre un pannello AFS riesce
ad avere la stessa rigidezza con
uno spessore di pelle di 3.5mm
ed un “core” di 40mm: il risultato
è che la struttura con schiuma
presenta una massa inferiore
del 40%. Partendo da questi
principi è possibile quindi realizzare strutture che minimizzano
il peso a pari rigidezza oppure,
ponendosi a parità di massa,
massimizzano la rigidezza.
Proprietà meccaniche delle
schiume metalliche (assorbimento energia)
Un’altra caratteristica meccanica che fa della schiuma un ottimo materiale di riempimento
strutturale è la capacità di assorbire una grande quantità di
energia di deformazione in maniera graduale: per tale proprietà è indicato per la realizzazione
di componenti collassabili ad
assorbimento di energia.
È possibile notare come un
6 2011
ALLUMINIO E LEGHE
69
3
even for large deformations. The
increase of the stress needed at
the end is due to the densification of the material.
Intuitively, it can be noted that
increasing the specific density
there is an elevation of the strain
curve (and therefore greater
ability to absorb energy), together with a decrease of the
plateau section (under constant
stress). Hence, by knowing the
characteristic strain curves of
the foam, components can be
made specifically for the desired
application.
In conclusion, the structural stiffness and the ability to absorb
large deformations make metal
foam an excellent material for
application in the automotive
sector.
Potential structural automotive applications
So let’s take a look at a list of auto
frame components that can be
replaced by similar components
filled with metal foam. As can be
seen, there are many parts of the
frame that can be substituted by
parts using metal foams. There
are potential applications, both
for the construction of “crushable” components to increase
passive safety and components
to reinforce the frame itself. Designers can also take advantage of the typical multifunctional
70
properties of filled structures to
create components that achieve
both purposes. By appropriately
adjusting the production process
it is possible to obtain foams with
excellent characteristics for the
type of application, so as to create, for example, components
with the capacity to progressively deform for use in the front
of motor vehicles.
Let’s analyze some applications
already implemented.
The “Centro Ricerche Fiat” has
manufactured some components with metal foams that were
applied in critical areas of the
“Multipla” model frame. The areas chosen are particularly critical for the absorption of strain
energy which is released on the
frame structure during a frontal/
side collision. The areas identified are the front rail and the
lower node of the A-Pillar, called
node F. Each of these zones was
filled with aluminium foam as a
reinforcement, while maintaining
the original geometry.
The results of the crash tests
on these components were encouraging.
The reinforcement of the strut
with metal foam allowed the
absorption of more strain energy, while the reinforcement at
the node allowed higher forces
and greater impact energy to be
transmitted. However, given the
ALUMINIUM AND ITS ALLOYS
6 2011
campione sottoposto ad una
prova di compressione presenti
una curva di deformazione tipica, con un primo tratto lineare e
poi un tratto a sforzo quasi costante, detto “zona di plateau”,
facendo assomigliare il comportamento della schiuma a quello
di un materiale elastico-perfettamente plastico e pertanto adatto
ad assorbire grande energia di
deformazione con sforzo costante. Si può vedere che per
densità specifiche basse questo
comportamento è presente e lo
sforzo di plateau rimane pressochè costante anche per grandi
deformazioni.
L’incremento di sforzo finale è
dovuto alla densificazione del
materiale. Si può notare intuitivamente come all’aumentare
della densità specifica c’è un
innalzamento della curva (quindi
capacità di assorbire maggiore
energia), ma anche una diminuzione del tratto di plateau a sforzo costante. Conoscendo quindi
le curve caratteristiche della
schiuma è possibile realizzare
componenti ad hoc per l’applicazione che si vuole realizzare.
In conclusione, l’irrigidimento
strutturale e la capacità di assorbire grandi deformazioni fanno
della schiuma metallica un ottimo materiale per l’applicazione
in ambito automotive.
Potenziali applicazioni strutturali nell’automotive
Passiamo quindi a vedere un
elenco di possibili componenti di un autotelaio che possono
essere sostituiti da un medesimo componente realizzato con
riempimento in schiuma.
È possibile notare quante siano
le parti del telaio che possono
essere realizzate con l’applicazione di schiume metalliche.
Esistono potenziali applicazioni,
sia per la costruzione di componenti “crushable” per l’aumento
della sicurezza passiva sia componenti che sono di rinforzo alla
struttura del telaio.
È possibile anche sfruttare la
multifunzionalità tipica di strutture riempite per realizzare componenti con il duplice scopo.
Tarando opportunamente il processo di produzione è possibile
ottenere schiume con caratteristiche ottimali per il tipo di applicazione, così da realizzare, ad
esempio, componenti a collasso
progressivo poste nella parte
anteriore di un autoveicolo.
Veniamo quindi ad applicazioni
già realizzate. Il Centro Ricerche Fiat ha per esempio prodotto alcuni componenti in schiuma
applicati in zone critiche del telaio del modello Multipla. Le zone
scelte sono di particolare criticità per quanto riguarda l’assorbimento dell’energia di deformazione che viene rilasciata sulla
struttura del telaio durante una
collisione frontale/laterale anteriore. Le zone individuate sono
il rail frontale ed il nodo inferiore
dell’A-Pillar, detto nodo F.
Ciascuna di queste zone è stata
riempita con un rinforzo in schiuma di alluminio, pur mantenendo le geometrie originali.
I risultati dei test di impatto sui
componenti hanno dato buon
esito: nel rinforzo del puntone
l’inserto in schiuma metallica ha
permesso di assorbire una maggiore energia di deformazione,
mentre nel rinforzo al nodo ha
permesso di trasmettere forze
più alte e complessivamente
una maggior energia di impatto.
C’è però da dire che, data la modalità di deformazione, a causa
delle complesse sollecitazioni
torsionali del componente, si è
verificato il cedimento prematuro dei punti di saldatura, riducendo in parte il vantaggio dato
dalla presenza della schiuma.
Prove sperimentali sono poi state condotte al fine di ottenere un
miglioramento dell’assorbimento degli urti di un crash box frontale per autoveicoli.
Sono state realizzate due colonne di sostegno della traversa frontale: prima è stato
testato l’assieme con colonne
prive di schiuma e successiva-
technologies
manner of deformation, because
of the complex torsional stresses
on the component, there was a
premature collapse of welded
points, thus reducing some of
the advantage offered by the
presence of the foam.
Experimental tests were then
conducted in order to obtain improved shock absorption of an
automotive crash-box subjected
to frontal impact. Two columns
supporting the front beam were
constructed: the assembly was
first tested with foamless columns and a second test was conducted with the columns filled
with metal foam. The empty columns showed an energy absorption with a fluctuating response
to the stress: this is due to the
typical “folding” of the walls of
the column that trigger the generation of plastic hinges. The
deformation of the component is
significant with a total compaction of the column. The insertion
of the foam changes the values
of the energy absorbed, taking the average absorption to
around double and mitigating in
part the fluctuating response due
to the “folding” effect. It can be
noted how the component filled
with foam is less deformed in
comparison with the foamless
component after being subjected
to the same stress.
The insertion of the foam greatly
improved the behaviour of the
component and in fact, it can be
seen how the foam-filled crash
box behaves better than the sum
of the individual components
subjected to the same impact.
Calculations indicate that to
achieve the same energy absorption with respect to the previous scenario, the component
weight can be reduced by about
10%, the length of the Crashbox
by 30% and the volume by a
good 60%.
In addition, Musp conducted a
study of an anti-intrusion beam
for vehicles with a foam component. The beam suffered the
typical deformation resulting
from impact against a pole with
a significant improvement in the
absorption of strain energy. The
energy absorption increased
considerably and the component with foam has less damage
than the foamless sample. There
was a 40% increase in energy
absorption and a 16% improvement of the SEA index, despite
a 27% increase in mass. The
increase in mass is due to the
simple insertion of the foam into
the pipe, without considering any
geometry optimization.
Let’s now take a look at the
performance of the foam with
respect to the absorption of vibrations. Due to the typical morphology of closed-cell foams,
the transmission of mechanical
vibrations are highly damped.
4
mente il componente riempito.
Le colonne vuote presentano
un assorbimento dell’energia
con andamento oscillante della
forza: questo è dovuto al tipico
cedimento per “folding” delle pareti della colonna che innescano la generazione di cerniere
plastiche. La deformazione del
componente risulta notevole arrivando a compattare completamente la colonna. L’inserimento
della schiuma modifica i valori di
energia assorbita, portando la
forza media di impatto a valori
quasi doppi ed attenuando in
parte l’andamento oscillante dovuto al “folding”. Si nota come,
a parità di energia di impatto, il
componente schiumato presenta un tratto deformato minore
rispetto al componente vuoto.
L’inserimento della schiuma ha
migliorato notevolmente il comportamento del componente ed
è possibile vedere come il crash
box schiumato si comporti in
maniera migliore rispetto alla
somma dei singoli componenti
sottoposti allo stesso impatto.
È stato calcolato che per ottenere le medesime performance
di assorbimento rispetto alla soluzione precedente è possibile
ridurre il peso del componente
di circa il 10%, la lunghezza
del crashbox del 30% ed il suo
volume del 60%. Ancora, Musp
ha realizzato uno studio di una
barra laterale anti-intrusione per
autoveicoli con inserimento in
schiuma. La barra ha sostenuto
una deformazione tipica dell’impatto contro un palo ottenendo un notevole miglioramento
nell’assorbimento dell’energia di
deformazione. L’energia assorbita aumenta notevolmente e la
modalità di cedimento presenta
minori lacerazioni del materiale
rispetto alla medesima soluzione vuota.
Ci sono stati incrementi dell’energia assorbita del 40% e un
miglioramento dell’indice SEA
del 16%, nonostante un incremento della massa del 27%.
L’incremento della massa è do-
6 2011
vuto alla semplice applicazione
della schiuma al tubo, senza
pensare ad un’ottimizzazione
delle geometrie. Vediamo ora
l’applicazione della schiuma
nell’assorbimento di vibrazioni. Per la morfologia tipica della schiuma a cella chiusa, la
trasmissione delle vibrazioni
meccaniche avviene con elevato smorzamento, quindi l’inserimento della schiuma in un
componente soggetto a vibrazioni porta ad un miglioramento
del comportamento smorzante
complessivo. Data la possibilità
di produrre schiume metalliche
a cella chiusa con diverse caratteristiche è possibile tarare
il riempimento per ottenere l’effetto smorzante voluto. Nell’immagine 5 è possibile vedere un
componente in lega di alluminio
con riempimento in schiuma di
alluminio per un supporto motore. Il componente è stato realizzato per pressofusione a bassa
pressione utilizzando un’anima
in schiuma attorno alla quale è
stato pressofuso il materiale della struttura portante.
Si riesce quindi a formare una
struttura con un legame molto
resistente che porta a due vantaggi: aumento della rigidezza
e maggiore assorbimento delle
vibrazioni, pur con un lieve incremento di peso.
Passiamo all’applicazione tipica
di una spugna di metallo.
E’ stato progettato, costruito e
testato uno scambiatore di calore ad aria/acqua realizzato
con schiume metalliche a celle
aperte, che sono sempre più
spesso impiegate per realizzare
scambiatori di calore di dispositivi elettronici.
In questo caso si sfrutta la natura isotropica delle celle aperte,
aumentando notevolmente la
superficie di scambio termico, rispetto ai sistemi tradizionali del
settore automotive (“louvered
fins” - scambiatori a lamelle).
Questo scambiatore è stato applicato ad un prototipo di supercar e viene inserito frontalmente
ALLUMINIO E LEGHE
71
Consequently, the insertion of
metal foam in a component
subjected to vibration leads to
an improvement in the overall
damping behaviour. Given the
availability of closed-cell metal
foams with different characteristics it is possible to adjust the
fill to obtain the desired damping effect. The image 5 shows
an engine support component
made of aluminium alloy filled
with aluminium foam.
The component was made with
low pressure die casting techniques using a foam core around
which the material of the supporting structure was cast. This
way, the resulting structure has
a very strong bond between its
components with two major advantages: increased stiffness
and increased absorption of
vibrations, despite a slight increase in weight.
Let’s now take a look at the
typical application of a metal
sponge.
Air/water heat exchangers based
on open-cell metal foams have
been designed, constructed and
successfully tested.
Open-cell foams are increasingly used to produce heat exchangers for electronic devices.
In this case the isotropic nature
of open cells is advantageously
used to increase the heat transfer surface in comparison with
traditional systems used in the
automotive sector (based on
louvered fins).
This exchanger was applied to a
supercar prototype and placed
frontally and centrally between
two classic radiators, replacing the central one. In this case
even the shape was modified to
enhance the heat transfer of the
component hit by the air flow.
The W-shaped radiator is noticeably different from conventional
rectangular radiators. The experimental results conducted
in a wind tunnel and later confirmed by road tests, show an
increase in heat transfer of 53%
and 72% for two different proto-
72
types based on open-cell foam
technology compared to a conventional radiator mounted in the
same position.
Car mufflers have also been
made with open-cell metal foams
in order to reduce noise from the
exhaust.
The arrangement and thickness
of the different foam components
were carefully studied and special open-cell foams were used
for the test. The result is almost
identical behaviour for all usage
conditions of the engine with respect to mufflers with fibreglass
components, with the advantage
of obtaining a 30% reduction in
weight and excellent thermal
resistance.
This type of component can
be studied in such a way as
to provide good behaviour as
a silencer but also to function
as a catalyst for the reduction
of pollutants released into the
atmosphere.
Finally we come to an application not directly connected to
the car, namely the production
of helmets for motorcycles using
Alulight type aluminium foam
which has an average density of
0.5kg/dm3. Their behaviour was
assessed with standard impact
tests for helmets of this type
and the results were compared
with those obtained with helmets made of ABS. The goal
is to reduce the weight of the
helmet without compromising
the mechanical properties and
to distribute the load over a large
region of the helmet. All this
while simultaneously preventing
a sharp object from penetrating
the wall. Impact tests at 7.5 m/s
showed that the mass reduction
of the first version of the helmet
tested is about 30%, with comparable values of strength and
HIC parameter. A second version
of the helmet was studied with
numerical simulations and led
to an approximately 57% decrease in mass but with slightly
reduced HIC and transmitted
force values.
ALUMINIUM AND ITS ALLOYS
6 2011
e centralmente tra due radiatori
classici, sostituendo quello centrale. In questo caso anche la
forma è stata modificata per aumentare lo scambio di calore del
componente investito da un flusso d’aria. La forma del radiatore,
a W, è notevolmente differente
da quelle convenzionali rettangolari. I risultati sperimentali
condotti in una galleria del vento
e confermati successivamente
da test su strada, mostrano un
aumento del calore trasferito del
53% e del 72% per due diversi
prototipi con impiego di schiuma
a cella aperta, rispetto ad un radiatore di tradizionale montato
nella medesima posizione.
Usando schiume metalliche a
celle aperte sono stati realizzati dei silenziatori per automobili
allo scopo di diminuire le emissioni sonore dell’impianto di
scarico per autoveicolo.
Sono stati inoltre studiati in
modo particolare la disposizione e gli spessori dei vari componenti di schiuma e sono state
utilizzate delle particolari schiume a cella aperta.
Il risultato è un comportamento
pressochè identico, per tutto il
range di utilizzo del motore, rispetto ai silenziatori con fibre di
vetro, con il vantaggio di ottenere una riduzione del peso del
30% ed un’eccellente resistenza
termica. È possibile pensare
come un componente di questo
tipo possa essere studiato in
maniera tale da fornire un buon
comportamento come silenziatore, ma anche di fornire la funzione di catalizzatore per la diminuzione di inquinanti rilasciati
in atmosfera. Veniamo infine
ad un’applicazione non direttamente connessa all’automobile,
ossia la realizzazione di caschi
per motociclette utilizzando delle schiume metalliche di alluminio di tipo Alulight con densità
media di 0.5kg/dm3: è stato valutato il loro comportamento con
prove di impatto standard per
caschi di questo tipo e i risultati
sono stati confrontati con quelli ottenuti con caschi costruiti
in materiale ABS. L’obiettivo è
quello di ridurre il peso del casco senza compromettere le
proprietà meccaniche e di distribuire il carico su una regione
estesa del casco, evitando al
contempo che un oggetto appuntito possa penetrare la calotta. I risultati dei test di impatto a
7.5 m/s mostrano come la riduzione della massa del casco nella prima versione testata sia del
30% circa, con valori di forza e
del parametro HIC comparabili.
Una seconda versione del casco
è stata studiata con simulazioni
numeriche ed ha portato ad una
diminuzione della massa di circa
il 57%, riducendo tuttavia lievemente i valori di HIC e di forza
trasmessa.
5