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Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von Schaummetall- bzw. Schaum- metall/Metall-Verbund-Formkörpern bzw. Werkstücken auf Basis von Metallen oder Metalllegierun- gen, vorzugsweise auf Basis von Aluminium, wobei ein jeweils zu schäumendes Grundmetall in ein auf eine über dessen Schmelztemperatur beheizbares Durchlaufgefäss eingebracht und geschäum- tes Metall unter Formgebung ausgebracht und mit gewünschter Form bzw. Profilquerschnittsform erstarren gelassen wird und wobei im Abstand vor der Auslauföffnung des Durchlaufgefässes in dem sich in geschmolzenem Zustand befindlichen Metall Schäumgasporen generiert werden, An- lagen zur Durchführung des Verfahrens und die Verwendung derselben.
Eine bekannte Technik zur Herstellung derartiger Formkörper besteht darin, dass ein Gemisch bzw. Gemenge von Partikeln mindestens eines derartigen Metalls bzw. einer derartigen Legierung, bevorzugt in Pulverform, mit Partikeln mindestens eines - bei erhöhten Temperaturen ein Gas abspaltenden - Treibmittels, ebenfalls bevorzugt in Pulverform, unter Druckbeaufschlagung zu einem Roh-Formkörper kompaktiert wird, wonach derselbe meist nach entsprechender, einer gewünschten Enddimension angepassten Teilung oder echter Zerkleinerung in eine Kokille, die hier im wesentlichen die Funktion einer Schaumungsform aufweist, eingebracht und dort auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels und der Schmelztemperatur der metallischen Matrix gebracht und in dieser Schäumkokille zum gewünschten Formkörper bzw Werkstück geschäumt wird.
Es sind nun an sich verschiedene Verfahren zur Herstellung poröser Formkörper auf Metall- und Legierungsbasis, bei denen ein Metallpulver-Treibmittelgemisch zu einem Rohling verarbeitet und dann in einer Form zu einer definierten Form aufgeschäumt wird, bekannt geworden.
So beschreibt die US 30 87 807 ein Verfahren, bei dem eine Mischung aus einem Metallpulver und einem Treibmittelpulver bei einem Pressdruck von mindestens 80 Mpa in einem ersten Schritt kalt kompaktiert wird. Durch anschliessendes Warmstrangpressen wird die so kompaktierte Mi- schung umgeformt und dann durch Erhitzung auf mindestens die Schmelztemperatur des Metalles in einer Form zum gewünschten porosen Metallkorper aufgeschäumt.
Weitere Verfahren zur Herstellung von porösen Metallkörpern sind in der DE 40 18 360 bzw. in der EP 460 392 A1 beschrieben Anstelle eines wie oben erwähnten Kaltkompaktierens mit nachfolgendem Strangpressen mit hohen Umformgraden wird dort ein echtes Heisskompaktieren unterhalb der Gasentwicklungstemperatur vorgeschlagen. Die Herstellung des aufschäumbaren Vormaterials erfolgt durch Heisskompaktierung bei höheren Temperaturen Das erhaltene Vormate- rial kann dann in einer beheizten Form aufgeschäumt werden.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von aufschäumbaren Vormaterialkörpern auf Basis einer Metallmatrix beschreibt die GB 939 612. Der dort durch Strangpressen erhaltene Vormaterial- Formkörper wird dann in einer Schäumform einer Erhitzung auf eine Temperatur unterworfen, die über der Zersetzungstemperatur des Treibmittels und meist knapp unterhalb der Schmelztempera- tur des Metalles liegt.
Die Nachteile aller dieser Verfahren bestehen neben der kostenaufwendigen Herstellung der Roh-Formkörper, insbesondere in deren dann notwendigen Zerkleinerung derselben, der aufwen- digen Infrastruktur sowie in den langen Exponierzeiten beim Schäumen der Rohlinge.
Weitere wesentliche Nachteile bestehen darin, dass bei diskontinuierlicher oder kontinuierlicher Verarbeitung des Vormaterials zum metallischen Schaummaterial in jedem Fall der Einsatz von auf die Zersetzungstemperatur der gasabgebenden Substanz bzw. über die Schmelztemperatur der Metallmatrix zu erhitzenden Formgebungsorganen, also Kokillen bzw. Schäumformen unumgäng- lich ist.
Bei diskontinuierlichen Verfahren kommt noch der jeweils nötige Schritt der Befüllung der Schäumform mit dem in festem Zustand vorliegenden, zerkleinerten, schäumfähigen Vormaterial, also etwa nach Art eines Einschüttens oder durch Einlegen von abgelängtem Stangenmaterial in die Form hinzu.
In jedem Fall bleibt weiters noch zu berücksichtigen, dass z. B. bedingt durch den Temperatur- gradienten von der Formwand zur Mitte des aufzuschäumenden Metallmaterials hin, Inhomogenitä- ten in den Porengrossen und in deren Verteilung im Schaummetallkörper auftreten, wozu noch durch die Aussenflächen der Vormaterial-Formkörper selbst unerwünschte Unregelmässigkeiten und Einschlüsse kommen können.
Bezüglich weiterer, den Stand der Technik auf dem Gebiet der Schaummetall-Herstellung
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betreffender Druckschriften sei auf die EP 544 291 A1 eingegangen, welche ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung eines Metallschaumes mit der Aufgabe betrifft, einen homogenen Metallschaumkörper mit genau festgelegtem Profil zu schaffen. Dieser Schrift ist ein beheiztes Formwerkzeug mit einem Kanal zu entnehmen, in welchem eine Schäumung des
Metalls stattfindet und mit einem dem Kanal unmittelbar angeschlossenen Mundstück mit ver- schiedenen Kanalprofilen. Der dort gebildete Metallschaum wird nach seinem Entstehen durch das mit dem gewünschten Querschnittprofil ausgestattete Mundstück geführt und kontinuierlich zu einem Metallschaumkörper geformt.
Gemäss dieser EP-A1 wird zur Bildung der angestrebten Porigkeit des Metalls in das schon im gesamten Rezipienten und selbstverständlich in dessen Auslasskanal im von vornherein aufge- schmolzenen und dann eben im geschmolzenen Zustand vorliegende Metall ein Gas von aussen eingebracht und der durch diese Gaseinbringung entstehende Metallschaum wird über ein dem
Kanal angeschlossenes Mundstück mit dem jeweils gewünschten Profilquerschnitt ausgebracht.
Die Zufuhr des Gases zur Schaumbildung im Metall erfolgt gemäss dieser Schrift entweder da- durch, dass das Schäumgas direkt über Düsen-Fritten od.dgl. in das flüssige Metall eingebracht wird, oder indirekt, indem dem flüssigen Metall ein zur Gasentwicklung befähigter Draht an der
Stelle zugeführt wird, wo die Schaumbildung im sich im Rezipienten befindlichen geschmolzenen
Metall erwünscht ist.
Gemäss der WO 92/21457 A1 wird in gleicher Weise wie gemäss der eben behandelten
EP 544 291 A1 in das voll im geschmolzenen Zustand vorliegende, in einem mit vertikaler Trenn- wand ausgestatteten Schmelzbehälter befindliche Metall über einen rotierenden Rührer Gas zuge- führt, wodurch das Metall in einen im separierten Teil des Behälters aufsteigenden Metallschaum übergeführt wird. Dabei findet aber beim Austrag zuerst einmal keine Formgebung mittels einer
Düse statt, vielmehr quillt der frisch gebildete Metallschaum praktisch frei nach oben und wird erst nach einer gewissen Wegstrecke in eine profil-formgebende Walzen- oder Bandkokille einge- bracht, wo eine Endformgebung des Metallschaumes zum Schaummetall erfolgt.
Nachteilig ist hier, dass neben der Problematik der Erreichung einer gleichmässigen Verteilung des Schäumgases über den gesamten Querschnitt des geschmolzenen Metalles, welche Proble- matik im übrigen in gleicher Weise beim Schäumverfahren gemäss der vorbehandelten EP-A1 auf- tritt, der Effekt auftritt, dass der Schäum- und Formvorgang nur schwer zu kontrollieren und zu steuern ist, wenn dem jeweils entstehenden und aus dem Schäumgefäss austretenden Metall- schaum zuerst die Freiheit zur durch keine Düse od.dgl. behinderten Entfaltung gegeben ist, und dann erst dessen End-Formung zum jeweils gewünschten Profil erfolgen soll.
Es sei dazu auf die nicht zu verhindernden Unregelmässigkeiten bei der Volumsentwicklung und auf die raschere Ab- kühlung der äusseren Schichten des Schaumes sowie auf eine eventuell dadurch hervorgerufene Rinden-Krustenbildung od.dgl. hingewiesen, was später innerhalb der Formgebungs-Kokille für die End-Formung des Schaummetallprofils zu Schwierigkeiten und insbesondere zu ungleichmässiger Schaumstruktur führt.
Auch gemäss der weiters zu nennenden GB 901 917 ist eine schmelzmetallurgische Verfah- rensweise für die Herstellung von Schaummetall vorgesehen, wobei das schaumgas-generierende Mittel in flüssiger Phase ebenfalls mittels Rührer in die Flüssigmetall-Phase eingebracht wird. Im übrigen ist auch gemäss dieser Schrift ein freier Überlauf des geschäumten Metalls vorgesehen und erst daran schliesst sich eine Endformung in einer Form oder Kokille.
Allen drei soeben behandelten Schriften des Standes der Technik gemeinsam ist, dass sie auf einem schmelzmetallurgischen Verfahren basieren, also keinen pulvermetallurgie-basierten Schäu- mungsprozess betreffen. Bei diesen schmelzmetallurgischen Schaum-Verfahren wird in eine Schmelze direkt das Schäum-Gas eingemischt oder aber es wird ein Treibmittel, aus welchem das Schäumgas in der Hitze freigesetzt wird, z. B. in Form eines kompakten Drahtes, eingebracht.
Diese Verfahren haben den wesentlichen Nachteil, dass in einem wie z.B. gemäss der vorerwähn- ten EP 544 291 A1 angewandten, einstufigen Aufschäumvorgang, der oberhalb der Schmelztem- peratur der Metallmatrix stattfindet, die betrieblichen Parameter nur bedingt und schwierig konstant gehalten werden können. Um während des Aufschäumvorganges ein Kollabieren des Schaum- körpers zu vermeiden bzw. die Gefahr des Kollabierens zu vermindern, wird z. B. gemäss der EP 544 291 A1 die Viskosität der Schmelze durch Zugabe von bis zu 20 % Partikeln, z.B. auf Basis von SiC oder AI203 reguliert bzw. erhöht.
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Es sollen Schäumgas bzw Treibmittel und die genannten viskositäts-regulierenden Partikel gleichmässig und im richtigen Mengenverhältnis in die Schmelze eingebracht werden. Da dies schwierig zu erreichen ist, wurden verschiedene Vorschlage gemacht, die zu einer Verbesserung dieser gegebenen Situation beitragen sollen. Die erwähnte EP 544 291 A1 betrifft einen solchen typischen Verbesserungsvorschlag. Wenn dort auch die Einbringung eines Drahtes, also eines kompakten, das Treibgas erst generierenden Feststoff-Stranges od.dgl. vorgesehen ist, so bleibt dennoch der Nachteil bestehen, dass dieser Treibmitteldraht bzw. -strang zwar in festem Zustand in das flüssige Bad des zu schäumenden Metalles eingebracht wird, dort jedoch durch Erhitzung im
Metallbad selbst aufschmilzt, wobei die im Draht enthaltenen Schaumbildner das Schäumgas generieren, welches in die Schmelze dringt.
Auch beim Einbringen eines derartigen Schaum-
Drahtes an einer bestimmten Stelle der Strang-Querschnittsfläche können die Gleichmässigkeit und
Konformität der Schaumbildung über den gesamten Querschnitt des Schaummetalles nicht erreicht werden.
In der weiters zu nennenden DE 44 16 371 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Schaum- metall in Langmaterial-Form beschrieben, bei welchem eine periodisch abwechselnd einmal als
Schäum-Rezipient für das aufzuschäumende Ausgangsmaterial und danach als Formgebungs- kokille für den erstarrenden Metallschaum fungierende "Form" von der Einlaufseite her, und zwar keineswegs den Innenquerschnitt der "Form" füllend, mit einem kompaktierten schäumfähigen
Metall/Treibmittel-Vormaterial beschickt wird.
Diese nicht querschnittsfüllende Beschickung hat den
Nachteil, dass in der von der dortigen, die Form umgebenden Heizvorrichtung gebildeten, immer nur längsabschnittsweise wirkenden, Aufheiz- und Aufschäumzone das Vormaterial zuerst nur von jener Seite und von jenem Bereich her intensiv mit Heizenergie beaufschlagt werden kann, auf welcher bzw. mit welchem es an der Innenseite der genannten Form anliegt. Dies führt zu einem Temperatur-Gradienten in einer Richtung quer zur Form- bzw. Strang-Längserstreckung, was einen Inhomogenitäts-Quergradienten bezüglich Porengrösse und -gestalt, und auch bezüglich der mechanisch-metallurgischen Eigenschaften der Stege zwischen den Poren des erhaltenen Scha- ummetallstranges nach sich zieht.
Dazu kommt noch, dass durch die räumliche Trennung von der dort vorgesehenen rohrartigen Form und der dieselbe rundum umgebenden Heiz- und Kühlvorrichtung ein relativ breiter Zwi- schenraum freigelassen sein muss, da die absatzweise Ausdehnung der genannten Form beim Erhitzen für das Aufschäumen des Halbzeuges und deren ebenfalls absatzweises Zusammen- ziehen beim Herunterkühlen des in ihr gebildeten Metallschaums zu berücksichtigen sind.
Es ist also gemäss dieser DE-A1 von deren "Heizeinrichtung" zur dortigen Form hin nur eine indirekte, durch Abstandsänderung beim Erhitzungs/Kühlungswechsel noch zusätzlich beeinflusste, indirekte Erhitzung möglich. Bei einer derartigen indirekten Zuführung von Hitzeenergie zur Form lasst sich eine exakte und gezielte Steuerung der Wärmezufuhr zum Vormaterial in der Form vor und während des Schaumvorganges nicht erreichen. Weiters ist zu bemerken, dass der Kühl- vorgang während des Verfahrens-Abschnittes des Kühlens des sich in der Form befindlichen aufgeschäumten Metalls in der Kühlvorrichtung ebenfalls ein indirekter ist, womit auch hierbei eine exakt gezielte Beeinflussung der Metallurgie des die Festigkeit des fertigen Schaummetalls bestim- menden Stegmatenals zwischen den Poren jedenfalls zumindest erschwert ist.
Die in dieser DE-A1 beschriebene Art der Bildung eines Schaummetallstrangproduktes weist zusätzlich zu den schon erwähnten Nachteilen einen weiteren sehr schwerwiegenden Nachteil auf : Der Schaumstoffstrang ist infolge seiner durch jeweils abschnittsweises Aufheizen und Schaumen und danach folgendes, ebenfalls abschnittsweises Kühlen des gebildeten Metallschaums in seiner Längsrichtung zwar innerhalb jedes der einzelne Abschnitte einigermassen homogen, weist jedoch jeweils an den Grenz- bzw. Übergangszonen zwischen den einzelnen Längsabschnitten, also etwa dort, wo an einen ersten abgekühlten Schaummetallstrang-Abschnitt ein zweiter bzw. nachster Schaummetallstrang-Abschnitt sozusagen angeschweisst ist, von den Parametern im mittleren Teil jedes der Abschnitte durchaus abweichende Eigenschafts-Parameter auf.
Der erhaltene Metall- strang ist also durch - vom Takt von dessen abschnittsweiser Bildung abhängig - periodisch inho- mogene Übergangszonen in seiner Längserstreckung gekennzeichnet.
Der abschnittsweise Schaummetall-Herstellungsprozess gemäss der DE-A1 ist wegen seines diskontinuierlichen Ablaufes jedenfalls aufwendiger als ein kontinuierlicher Prozess und führt den- noch zu schlechteren Qualitäten als Folge der taktweisen Arbeitsweise. Diese Nachteile werden
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noch dadurch verstärkt, dass auch der Aufbau der für diesen bekannten Prozess vorgesehenen
Anlage mit einer innerhalb einer Heiss- und einer Kühlmantel-Einrichtung oszillierend verschiebba- ren Form komplizierter und störungsanfälliger ist als eine sequentielle Anordnung von statischem, kontinuierlich heissen Metallschaum lieferndem Schäumrezipienten und demselben nachgeschalte- ter Formgebungs- und Abkühlungskokille.
Nicht zu unterschätzen ist weiters die Tatsache, dass an eine dauernder Temperaturwechsel- beanspruchung unterworfene Form, wie sie die DE-A1 vorsieht, wesentlich höhere Anforderungen gestellt sind, als an einen, gleichmässig bei höherer Temperatur betriebenen Schäumrezipienten und einer von mit ihm nicht identischen, kühl gehaltenen Kokille.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein sowohl über den Querschnitt als auch in Längser- streckung bei Langprodukten möglichst porenhomogenes bzw. bezüglich seiner Porenstruktur defi- niert reproduzierbares Schaummetallmaterial zu schaffen, wobei der Prozess zu dessen Herstel- lung mit geringem zeitlichen und technisch-infrastrukturellen Aufwand beherrschbar sein und gerin- ge Störungsanfälligkeit aufweisen soll.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein wie eingangs erwähntes Verfahren zur Herstellung von Schaummetall- bzw. Schaummetall/Metall-Verbund-Formkörpern bzw. Werkstücken auf Basis von
Metallen oder Metalllegierungen, vorzugsweise auf Basis von Aluminium, wobei - mindestens ein durch Kompaktierung eines Gemisches von Partikeln mindestens eines Metalls bzw. einer Metalllegierung mit Partikeln mindestens eines - bei erhöhten Temperaturen ein Gas abspaltenden - Treibmittels gefertigter, im festen Aggregatzustand vorliegender Vormaterial-
Formkörper, in einen beheizbaren Heiz- und Schäum-Durchlauf-Rezipienten eingebracht wird, und erst wahrend des Durchgangs innerhalb desselben auf eine oberhalb der Zersetzungstem- peratur des Treibmittels und zumindest auf eine oberhalb, der Schmelztemperatur des Metalls bzw. der niedrigstschmelzenden Legierungskomponente bzw.
Komponenten-Zusammensetzung des Vormaterials (Solidustemperatur) liegende Temperatur erhitzt wird und wobei - der infolge Zersetzung des Treibmittels unter Volumszunahme im Rezipienten in Nähe von dessen Ausbringungsöffnung sich ausbildende, heisse Metallschaum danach zum Erstarren gebracht wird, - wonach gewünschtenfalls ein Entformen des erstarrten, Poren aufweisenden, Schaummetall-
Formkörpers bzw.-Werkstückes und dessen eventuelle Final-Formgebung bzw.-Behandlung erfolgt, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass - dass im wesentlichen unter Verschluss bzw.
Abdichtung zur Einbringungsöffnung hin mittels einer kontinuierlichen Vorschubbewegung oder eines kontinuierlich bewegten Kolbens auf den bzw. die in den Heiz- und Schäumrezipienten eingebrachten Vormaterial-Formkörper von der
Einbringungsseite des genannten Rezipienten her in Richtung zu dessen Ausbringungsöffnung hin eine Kraft- bzw.
Druckbeaufschlagung erfolgt, und der sich bildende, zumindest bis zur ge- nannten Ausbringungsöffnung hin in fliessfähig-plastischem Zustand gehaltene heisse Metall- schaum in Form eines kontinuierlich ausgetragenen, fliessfähig-flexiblen Metallschaum-Stranges in zumindest einen mit dem Schaummetall zu erfüllenden Hohlraum, insbesondere in das Innere, einer Schaummetall-Formgebungs-Kokille volumsfüllend eingebracht wird, - wobei durch im wesentlichen stetige, Verengung des ein jeweils gegebenes Innenprofil aufwei- senden, im wesentlichen rohrartigen Innenraumes des Durchlauf-Rezipienten im Bereich vor dessen Ausbringungsöffnung und zu derselben hin die Querschnittsfläche der den Rezipienten durchlaufenden Vormaterial-Füllung vor Austritt des in diesem Bereich generierten, plastifizier- ten Metallschaums aus der Ausbringungsöffnung im wesentlichen stetig,
insbesondere düsen- artig, verringert wird, und - wobei im Falle der Fertigung von Schaummetall/Metall-Verbund-Formkörpern bzw. -Werkstük- ken an zumindest einer, bevorzugt an zwei einander im wesentlichen gegenüberliegenden, Sei- tenfläche(n) des die Schaum-Formgebungs-Durchlaufskokille kontinuierlich verlassenden Metall- schaum-Strangs zumindest eine, bevorzugt vorerhitzte, gegebenenfalls mit Öffnungen verse- hene, Folie aus mit dem Schaummetall kompatiblem bzw. verschweissfähigem, insbesondere mit demselben identischem Metall, an der Einlaufseite der Formgebungs-Kokille in dieselbe eingezo- gen und - an den Metallschaum anliegend und mit demselben zumindest punktuell verschwei- #
end - mit dem Schaummetallstrang durch die, vorzugsweise sich in Schaummetallstrang-
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Bewegungsrichtung von 0,5 bis 25 % querschnittsverengend ausgebildete, Formgebungs-Kokille geführt wird.
Es ist ein ganz wesentliches Merkmal des neuen Verfahrens, dass die Schäumung des "latent schäumfähigen" Vormaterials nicht, wie bisher, in einer jedenfalls auf eine über die Zersetzungs- temperatur des Treibmittels und über die Solidustemperatur des Matrixmetalls liegende Tempera- tur zu erhitzenden Form bzw. Kokille erfolgen muss, wobei z. B. im Falle des Schäumens von stückigem Vormaterial in Einzelkokillen jede derselben für sich aufzuheizen ist, was jedenfalls erhöhten technischen Aufwand, Materialaufwand und Energieverbrauch nach sich zieht.
Hiebei ist aber insbesondere noch jener Zeit- und Manipulations-Aufwand hinzuzurechnen, der nötig ist, um zuerst jede der Kokillen mit dem festen, latent schäumfähigen Metall-Vormaterial in Form von
Stücken, Pellets, abgelängten Bändern, Drähten, Barren, Stangen od.dgl zu füllen und sie dann erst auf die oben erwähnte, hohe Schäumtemperatur zu erhitzen, wonach wiederum die Abkühlung des gebildeten Schaummetalls in der es umschliessenden Kokille abzuwarten ist, bevor deren
Neubefüllung erfolgen kann.
Auch bei Durchlaufkokillen für Schaummetall-Endlosprofile u.dgl. ist eine in jedem Fall auf- wendige Hochtemperatur-Beheizung und damit eine teure Ausrüstung dieser an sich schon tech- nisch-aufwendigen Einrichtungen notwendig.
Gemäss der Erfindung erfolgt hingegen eine direkte Erhitzung des schäumfähigen, kompakten Vormaterials in der Aufheiz- und Schäumungs-Initiations-Zone des Vormaterials eines repetitiv oder kontinuierlich mit dem Vormaterial zu beschickenden Heiz- und Schäumrezipienten, aus wel- chem als direkte Folge der Eigenvolumsvergrösserung des Vormaterials bei Erreichung der Schäumbedingungen der plastisch-flexible und fliessfähige, heisse Metallschaum, im wesentlichen sich selbst aus dem Rezipienten verdrängend, praktisch fertig mit End-Expansionsvolumen vor- liegend, nach Art des Spritzens von geschlagenem Schlagobers, (wobei dort dasselbe rückseitig mit Druck beaufschlagt wird, z.B. mittels Kolben oder Spritzsack) od.dgl., als formausfüllender Schaumstrang in die letztlich formgebende Kokille einfliessen gelassen wird.
Die Volumsvergrösse- rung des Metallmatrixmaterials vom Vormaterial zum Metallschaum hin liegt, je nach Porengrösse - abhängig vom Treibmittelgehalt, von der Schäumtemperatur, der Matrixmetall-Viskosität u.dgl.
Parametern - bei Werten zwischen 1 :2 etwa 1:10, ein typischer Wert liegt im Bereich von etwa
1:5. Es ist ein wesentliches Merkmal des neuen Verfahrens, dass alles, was mit dem Schäumen zusammenhängt, in dem Heiz- und Schäumrezipienten konzentriert und zentralisiert ist, während die Form-Kokillen praktisch nur periphere, flexibel einsetzbare Finalisierungsgeräte darstellen.
Was die Abdichtung des Rezipienten zu dessen Einbringungsseite hin betrifft, so ist damit gemeint, dass der sich im materialflussabwärtigen Nahbereich der Ausbnngungsöffnung(en) aus- bildende, fliessfähige Metallschaum an einem Austreten aus der Einbringungsöffnung des Rezipien- ten gehindert sein soll, z. B. durch eine Art einbringungsseitigen Deckel, einen in den Hohlraum des Rezipienten passenden Kolben, bevorzugterweise jedoch durch das eingebrachte, Innenwand- anliegende Vormaterial selbst, eventuell zusammen mit dem zwischen Innenwand und Strang zurückflutenden, jedoch dabei erstarrenden Metallschaummaterial.
Zu den erfindungsgemäss zum Einsatz gelangenden Schaum-Formgebungskokillen selbst ist zu bemerken, dass sie bloss wärmefest zu sein brauchen, da ihnen praktisch nur die Aufgabe der Begrenzung des Volumens des fliessfähigen Metallschaums in einer gewünschten Gestalt in möglichst alle Volumsbereiche der Schäumform erfüllender Weise zukommt. Da die Schaummen- ge durch Treibmittelanteil und -zusammensetzung, Schäumtemperatur im Rezipienten und Metall- Viskosität steuerbar ist und das Schaummetall praktisch schon im Endvolumsumfang aus dem Rezipienten in die Schäumform einfliessen gelassen wird, ist es zur Sicherung einer vollkommenen Volumserfüllung nicht notwendig, wesentlich mehr Vormaterial in die Schäumform einzubringen als theoretisch erforderlich.
Dieser Materialüberschuss und damit -verlust beträgt bei der bisher üblichen, oben beschriebenen Vorgehensweise bei Einzelformen immerhin 30 bis 50 %.
Beim erfindungsgemässen Verfahren wird durch querschnittsfüllendes Einbringen des Metall/ Treibmittel-Vormaterials und durch Druck- bzw. Kraftbeaufschlagung desselben ein allseitig sattes Anliegen des Vormaterials an der Innenseite des Erhitzungs- und Schäumrezipienten erreicht, wodurch die oben im Zusammenhang mit der DE 44 16 371 A1 erwähnten Inhomogenitäten über den Querschnitt des ausgetragenen Schaummetall-Körpers bzw.-Strangs vermieden sind.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung gegenüber dem Verfahren gemäss der DE-A1
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besteht darin, dass durch die Beheizung des Rezipienten selbst ein direkter Wärmeübergang in das innen allseitig anliegende Vormaterial und somit eine gezielt exakte Steuerung der Wärme- zufuhr in dasselbe gewährleistet ist.
Die erfindungsgemäss vorgesehene auslaufseitige Verengung des Rezipienten leistet einen wesentlichen Beitrag zum Erhalt einer hohen Porenhomogenität über den gesamten Querschnitt des aus dem Rezipienten ausgebrachten und in die nachfolgende Formgebungskokille eingebrach- ten Metallschaums.
Bei der Erzeugung von Langmaterial treten infolge der Vermeidung einer abschnittsweisen Strangbildung Inhomogenitäten in Strang-Längserstreckungsrichtung infolge von Strangabschnitts- Grenzflächen nicht auf
Als direkte Folge der nunmehr nicht mehr notwendigen Erhitzung einer Schaummetall-Bil- dungskokille bzw.-form auf Schmelztemperatur des Matrixmetalls ist es zum ersten Mal möglich, von einer etwa der Giesstechnik entsprechenden Kokille mit hocherhitzter Innenwandung abzuge- hen und wesentlich dünnerwandige Hohlräume mit einem gewünschten Schaummetall-Körper aus- zufüllen. So ermöglicht es die Erfindung zum ersten Mal, Hohlprofile oder z.B.
Karosserie-Hohlteile direkt mit Metallen auszuschäumen, was bisher wegen der viel zu hohen Temperatur beim direkten Schäumen des metallischen Vormaterials in der Schäumform selbst und der daraus resultierenden Phasenumwandlungen, Rekristallisationsphänomene u.dgl. im metallischen Werkstoff des auszu- schäumenden Formteils nicht möglich war. Vielmehr musste zuerst in einer erhitzten Kokille ein dem auszufüllenden Hohlraum entsprechender Schaummetall-Körper hergestellt werden, der dann nach dem Erstarren in ein Hohlprofil eingeschoben oder in einen aufzufüllenden Hohlraum ein- gebracht werden musste, was nur bei relativ einfach geformten Hohlräumen, die keine inneren Erweiterungen und Hintergreifungen aufweisen, möglich war und wobei immer der Mangel eines tatsächlich satten allseitigen Anliegens der Schaummetallfüllung an die Innenwandung des Form- teils besteht.
Dieses satte Anliegen kann bei Anwendung der erfindungsgemässen Technik eventu- ell noch durch eine Art Verlötungs- oder Verschweissungs-Mikroprozess ergänzt werden.
Im folgenden seien übersichtsweise die Nachteile der bisherigen Verfahren den Vorteilen des erfindungsgemässen Verfahrens gegenübergestellt.
Die Nachteile der bisher bekannten Verfahrensweise sind im wesentlichen folgende : - Der Aufschäumvorgang erfolgt bei Einzelkokillentechnik diskontinuierlich für jeden Formteil.
- Stranggepresstes Vormaterial muss fragmentiert werden.
- Das Vormaterialstückgut muss in den Formen angeordnet werden.
- Vormaterial, Schäumkammem und Kokillen müssen geheizt und gekühlt werden, sind also im
Bau und Betrieb aufwendig.
- Es bedarf einer Ofenanlage, welche grösser ist als die Form.
- Die Reproduzierbarkeit der Aufschäumvorgänge ist erschwert. Die Oberfläche des Schaum- metalls zeigt die Überstruktur des Einsatz-Vormaterials.
- Die Materialausbeute liegt wegen des erforderlichen Überlaufs nur zwischen 50 und 70 %.
- Dünnwandige und hitzeempfindliche Formen können nicht ausgeschäumt werden.
- Die Homogenität bzw. Porenhomogenität des Schaummetalls lässt zu wünschen übrig.
Die Vorteile des erfindungsgemässen, neuen Verfahrens liegen etwa in folgendem: - Kontinuierlich kompaktierte Vormaterialien, wie Drähte, Bander und Strangpressprofile können kontinuierlich zum Aufschäumen gebracht werden.
- Das Vormaterial braucht nicht zuerst gestückelt und dann erst in die Schäumform eingebracht oder eingelegt zu werden.
- Die Schäummetallkörper konnen analog zum Kokillenguss-Karussel gefertigt werden.
- Es können kontinuierlich Schaumlangprodukte wie Stangen, Profile, Bänder, Bleche und dgl. hergestelltwerden.
- Die Schaumqualität ist mit hoher Reproduzierbarkeit, sowohl über den Querschnitt als auch in
Längserstreckungsrichtung wesentlich gleichmässiger.
- Die Herstellung der Schaummetallprodukte erfolgt mit herabgesetztem Energieeinsatz.
- Die Vormaterialnutzung beträgt mindestens 90 %.
- Die Taktzeiten der Herstellung sind kürzer bzw. die Einbringung des fertigen, jedoch noch form- baren Metallschaums in die "kalte" Kokille erfolgt kontinuierlich und die Herstellung wird damit insgesamt wirtschaftlicher.
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- Die Schaumdüse allein oder zusammen mit dem Rezipienten kann mobil ausgeführt werden und bei grossvolumigen Formen bzw. auszuschäumenden Hohlräumen von grösseren Anlagen direkt an das Werkstück in jeweils geeignete Position herangebracht werden. So besteht praktisch jegliche Automatisierungsmöglichkeit, z. B. analog zu Schweissrobotern.
Die erfindungsgemäss vorgesehene Kraftbeaufschlagung des Vormatenals von der Einbrin- gungsseite des Rezipienten her erleichtert die Steuerung des gesamten Schaummetall-Bildungs- prozesses und der Produktionsgeschwindigkeit.
Unterstützend für die eben genannte Druckbeaufschlagung wirkt die wichtige ausgangsseitige Verengung des Rezipienten-Hohlraumes. Dieses Verfahrensmerkmal erbringt eine wesentlich ver- besserte Poren-Grössen- und Verteilungshomogenität im fertigen Schaummetall-Werkstück im Ver- gleich zu den bisher bekannten Prozessen.
Dieser Homogenitätseffekt ist günstigerweise noch zu intensivieren, wenn die Bereiche der
Dimensionierungsverhältnisse gemäss Anspruch h 2 eingehalten werden.
Dies gelingt in besonders hohem Masse dann, wenn die Vormaterial-Schäumungszone inner- halb des Heiz-Rezipienten in den im Anspruch h 3 genannten Bereichen desselben gehalten wird.
Es hat sich insbesondere für eine kontinuierliche Schaummetall-Profilfertigung als günstig erwiesen, im Rezipienten die geometrischen Bedingungen gemäss Anspruch h 4 einzuhalten.
Besonders wirtschaftlich und technisch wenig aufwendig ist eine Art der kontinuierlichen Einbringung des in Festform vorliegenden, latent schäumfähigen Vormaterials in den Rezipienten gemäss Anspruch 5.
Der oben erwähnten Kraft- bzw. Druckausübung und der Forderung nach "Abdichtung" der Eingangsseite des Rezipienten dienlich kann auf vorteilhafte Weise eine Abstimmung von Vorma- tenal-Aussen- und Rezipienten-Innenquerschnitt aufeinander gemäss Anspruch h6 sein.
Eine auf die jeweilige Schäumungsaufgabe und auf die Eigenschaften des letztlich erhaltenen Schaummetall-Formkörpers gerichtete und vormaterial-angepasste, bevorzugte Verfahrensweise, die auf der Beobachtung der Lage der Schaumbildungsfront im zugeführten Metall-Kompaktstrang basiert, offenbart der A n s p r u c h 7.
Die Detektion dieser der genannten Schaumbildungs-Front ist durch eine relativ abrupte Mate- rialeigenschaftsänderung vom Matrixmetall/Treibmittel-Kompakt-Formkörper zur poren-aufgeweite- ten Metallmatrix erleichtert, und kann z.B. mit Sensoren auf Basis einer Gammastrahlen-Dicken- messung oder von Ultraschall erfolgen. Besonders günstig ist es, hier Sensoren einzusetzen, wel- che auf Basis einer Induktionsankopplung arbeiten, wobei der Umstand ausgenutzt wird, dass die Leitfähigkeit beim Übergang vom kompakten Vormaterial zum Metallschaum etwa um eine Zehner- potenz sinkt, womit sich der Kompaktmaterial/Schaum-Grenzbereich exakt und reproduzierbar lokalisieren lässt.
Anpassend ist und gleichzeitig den realen, oft rauen Verfahrensbedingungen im Betrieb Rech- nung trägt eine bevorzugte Verfahrensführungs-Variante gemäss Anspruch h 8, wobei die vorer- wähnten Sensoren besonders hilfreich sind.
Unnötige Reibungsverluste und Störungen im Verfahrensablauf können mit Gleit-Agentien ge- mass Anspruch h 9 vermieden werden.
Diesem wichtigen Aspekt vorteilhaft Rechnung trägt auch eine robustere Variante gemäss An- spruch 10.
Zur weitestgehenden Vermeidung von wie weiter oben schon angesprochenen Vormatenals- verlusten kann in sehr effizienter Weise der Einsatz eines Rezipienten-zu-Formgebungs-Kokille- Anschlusses gemäss Anspruch h 11 beitragen
Ein "Zusammenfallen" des in die Kokille eingebrachten Schaums bzw. die sofortige Ausbildung einer späteren, Inhomogenitäten und Materialfehler hervorrufenden, festen Haut am flexiblen Schaummetall-Strang kann in vorteilhafter Weise durch eine Temperierung der Schaumformungs- Kokille gemäss Anspruch h 12 verhindert werden.
Besonders bevorzugt ist eine Verfahrensführung mit echt kontinuierlich arbeitendem Schäum- rezipienten und daran sich anschliessender Durchlauf-Schaumformungs-Kokille gemäss An- spruch 13.
An dieser Stelle sei daran erinnert, dass das neue Verfahren auch für die Herstellung von mit Deckfolien versehenen Schaummetall-Strängen vorgesehen ist, was zu einer geschlossenen,
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praktisch porenfreien Schaummetallprofil-Oberfläche führt.
Eine Verbesserung der Bindung von auf den erfindungsgemäss erhältlichen Schaummetall-
Strang aufzukaschierenden Folien mit dem Schaummetall lässt sich durch Einsatz eines etwa lotmetall-plattierten metallischen Folienmaterials gemäss Anspruch h 14 erzielen.
Die soeben beschriebene Herstellung von mit Kompaktmetallfolien beschichtetem Schaum- metall zeigt, dass die neue Verfahrenskonzeption der "Metallschaumbildung noch vor Einbnngung in die gestaltgebende Form" die Erschliessung ganz neuartiger Produktionstechnologien für kom- pakte Metall/Metallschaum-Verbundmaterialien und Werkstücke aus denselben ermöglicht.
So ist es z.B. bevorzugt, Rohre oder andere Hohlprofile gleichmässig mit Metallschäumen gewünschter Qualität zu füllen, wie dies gemäss Anspruch h 15 vorgesehen ist. Dabei wird der
Effekt genutzt, dass der auf einer Seite des Hohlprofils eingebrachte Metallschaum beim Erstarren etwas schrumpft, also nicht mehr ganz satt an der Hohlraum-Innenwandung anliegt und im Hohl- profil gleitbar und somit darin mechanisch verschieblich geworden, ein immer länger werdender
Stopfen aus erstarrtem Schaummetall vom noch nachdrängenden Schaum in den Profil Hohlraum geschoben wird, bis dasselbe jeweils in seiner vollen Länge mit Schaummetall erfüllt ist.
Bei einer nach diesem Prinzip arbeitenden Verfahrensvariante gemäss Anspruch h 16 ist vor- gesehen, gleichzeitig mit dem Fortschreiten der Produktion eines Hohlprofils, dessen Inneres mit
Metallschaum zu füllen. So kann z.B. als Hohlprofil-Erzeugungsanlage eine Strangpresse vorge- sehen sein, in deren "Dorn" die Ausbringungsdüse des Metallschaum-Generierungsrezipienten angeordnet ist. Synchron mit der Auspressung des Profils erfolgt die Schaumeinbringung in dessen
Innenraum.
Eine bevorzugte, weniger aufwendige Ausführungsform einer derart synchronen Formherstel- lung und -ausschäumung bildet den Gegenstand des Anspruches 17.
Weiters kann eine "mitbewegende" Ausbildungsform des Verfahrens gemäss Anspruch h 18 von Vorteil sein.
Einen satten, zumindest mechanischen Verbund von Schaummetall und Hohlprofil kann man schliesslich nach Art des Anspruches 19 erzielen.
Was die erfindungsgemäss besonders bevorzugt einzusetzenden Vormaterialien betrifft, sind diese in den Ansprüchen n 20 bis 22 angeführt, woraus erhellt, dass die erfindungsgemäss er- hältlichen Schaummetalle keineswegs nur auf Leichtmetall-Komponenten beschränkt sind, obwohl dieselben bis jetzt in grösserer Zahl untersucht worden sind und auch wegen ihrer niedrigeren Schmelzpunkte technisch leichter handhabbar sind.
Die Erfindung betrifft weiters eine neue Anlage zur Durchführung des oben in verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Verfahrens.
Diese Anlage zur Herstellung von Schaummetall- bzw. Schaummetall-/Metall-Verbund-Form- körpern bzw.-Werkstücken auf Basis von (Leicht-)Metallen bzw. (Leicht-)Metalllegierungen, vor- zugsweise auf Basis von Aluminium, mit einem mittels Heizeinnchtung auf Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes des jeweils zu schäumenden Metalls beheizbaren Durchlaufgefäss mit Ein- bringungsöffnung für das Metall und mit einer Formgebungsdüse od.dgl. ausgestatteten Ausbrin- gungsöffnung für das geschäumte Metall und einer derselben nachgeschalteten End-Formge- bungseinrichtung, bevorzugt Band- oder Walzenkokille, ist dadurch gekennzeichnet, dass - sie mindestens einen, von einer Zuführungs- und Vorschubeinrichtung, insbesondere mit Vor- schubrollen oder -walzen, mit mindestens einem aus latent schäumfähigem, durch an sich bekannte Kompaktierung eines Gemisches bzw.
Gemenges von Partikeln mindestens eines
Metalls bzw. einer Metalllegierung mit Partikeln mindestens eines - bei erhöhten Temperaturen ein porengenerierendes Gas abspaltenden - Treibmittels gebildetem Vormaterial gefertigter Vor- materialkörper in Lang- bzw. Endlosform, wie insbesondere in Stangen-, Draht-, Band- oder
Profil-Form, einbringungsseitig versorgbaren, mittels der Heizeinrichtung, bevorzugt auf Basis von Induktion, im wesentlichen in voller Länge heizbaren, im wesentlichen rohrartigen Metall- schaum-Generierungs-Rezipienten mit in Vorschubrichtung länglichem Innenraum jeweils ge- wünschter Querschnittsform umfasst, dessen Querschnittsfläche im Nahbereich seiner mindes- tens einen Ausbringungsöffnung, bevorzugt stetig, zu dieser Öffnung bzw.
zu diesen Öffnungen hin sich verjüngend ausgebildet ist, - an welche, bevorzugt düsenartig ausgebildete(n), Ausbringungsöffnung (en) für den im Rezi- pienten mittels Heizung generierten, fliessfähig-plastischen Metallschaum die Einbringungsöff-
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nung (en) mindestens einer an sich bekannten Einzel-Formgebungs-Kokille, eines einen mit
Schaummetall zu füllenden Hohlraum aufweisenden Werkstücks, insbesondere Hohlteils, Hohl- profils oder einer - ebenfalls an sich bekannten - Durchlauf-Formgebungskokille mit beweglichen
Bandern und/oder Rollen bzw.
Walzen als Wandungselemente, im wesentlichen metallschaum- dicht, angeschlossen ist bzw. anschliessbar ist, und - dass für die Fertigung von Schaummetail-/Metall-Verbund-Fofmkorpern bzw.-Werkstücken im
Bereich der Metallschaum-Einlauföffnung der Durchlauf-Formgebungs-Kokille mindestens eine, bevorzugt mit Heizung ausgestattete, Einrichtung für den Einzug mindestens einer Metallfolie zur zumindest einseitigen Metall-Beschichtung bzw.-Kaschierung des in die Kokille gelangenden heissen und dort erstarrenden Schaummetall-Profilstranges angeordnet ist.
Wenn der Innenraum des Durchlaufrezipienten in seinem Querschnitt der Aussenkontur des
Vormaterialstrangs angeglichen ist, wie gemäss Anspruch h 24 vorgesehen, ist damit im wesent- lichen eine sichere Abdichtung gegen ein rückseitiges Austreten von Metallschaum aus dem Rezi- pienten gegeben.
Eine materialstromabwärtige stetige Verengung des Rezipienten-Innenraums bzw. Schaum- umlenkung bzw. Vormaterial/Schaum-Querschnittsdimensions- und/oder -gestalts-Änderung (d. h., z. B., dass kreisförmiger Vormaterialeintritt und schlitzförmiger Austritt des Metallschaums vorge- sehen sind), innerhalb der im Anspruch h 25 genannten Grenzen sichert in günstiger Weise eine gleichmässige Schaumstruktur des erhaltenen Schaummetall-Formkörpers oder einer Schaum- metall-Füllung eines hohlen Werkstücks.
In diesem Sinne vorteilhaft ist auch eine Ausbildung der Ausbringungsöffnung(en) im Vergleich um Rezipienten-Innenquerschnitt gemäss Anspruch h 26.
Die hier angesprochene Verengung des Innenraums bzw. Schaumumlenkung verursacht einen lokalen Druckanstieg, welcher einer letztlich günstigen Schaumstruktur förderlich ist.
Um den Schäumvorgang tatsächlich technisch voll im Griff zu haben und eine Feinsteuerung oder Korrekturen von z. B. durch ungleichmässige Betriebsbedingungen bedingten Störungen vor der Schaumausbringung in die Kokille zu ermöglichen, ist eine Ausführungsart der erfindungsge- mässen Anlage gemäss Anspruch h 27 zu bevorzugen.
Reproduzierbare Produktionsbedingungen und damit geringer Ausschuss lassen sich beson- ders vorteilhaft mit einer Ausstattung der erfindungsgemässen Anlage gemäss Anspruch h 28 erreichen.
Eine Art Schmierung des Vormaterial-Stranges gemäss Anspruch h 29 trägt zur Produktions- sicherheit wesentlich bei.
Weitere, der Qualität und dem Einsatzspektrum der Schaummetallkörper förderliche, vorteilhaf- te Ausgestaltungen und Ausstattungsvarianten der erfindungsgemässen Produktionsanlage bilden die Gegenstände der A n s p r ü c h e 30 bis 32.
Die gemäss der Erfindung vorgesehene Schaummetall-Kaschierungseinrichtung führt z. B. zu sandwicharmierten Schaummetall-Strangprodukten mit kompaktmetall-kaschierten, porenfreien Oberflächen, wobei eine leicht konische Ausbildung der Durchlaufkokille gemäss Anspruch h 31 ein Eindrücken der Metallfolie in den Schaum und damit eine bessere Bindung an denselben wesentlich unterstützen kann.
Der Anspruch h 32 offenbart ein wesentliches, neues Gebiet der Anwendung der neuen Anlage, nämlich, dass statt einer Schäumkokille gleich ein mit Metallschaum auszufüllender Hohl- körper an den Rezipienten anschliesst.
Eine bevorzugt ausgestaltete Anlage zur schon beschriebenen Herstellung von mit Metall ausgeschäumten, länglichen Hohlprofilen bildet den Gegenstand des Anspruches 33, wobei hier eine synchrone und gleich gerichtete Generierung von Metallschaum und der mit diesem zu füllenden Form, die durch ein gerade in Erzeugung befindliches Hohlprofil, z. B. Rohr, gebildet ist, vorgesehen ist
Im Prinzip ähnlich, jedoch mit entgegengesetzten Richtungen von fortschreitend generiertem Hohlprofil und synchron generiertem Metallschaum arbeitet die Anlage gemäss Anspruch h 34, wobei eine Ausgestaltung gemäss Anspruch h 35 besonders gut reproduzierbare Produktions- bedingungen zu erreichen gestattet.
Schliesslich ist es vorteilhaft, den mechanischen Verbund von Hohlprofil und Metallschaumkern mit einer Anlage gemäss Anspruch h 36 zu sichern.
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Letztlich bildet die Verwendung des neuen Verfahrens und der Einsatz der Anlage im Rahmen des Herstellungsprozesses, wie sie dem Anspruch 37 zu entnehmen ist, einen weiteren wesentlichen Gegenstand der Erfindung, wobei die völlig neue Möglichkeit der Ausschäumung von temperaturempfindlichen Formteilen mit Metallen ein völlig neues Einsatz-Segment auf diesem sich technisch rasch entwickelnden Gebiet eröffnet.
Im folgenden sollen die Erfindung und einige Details derselben aus der Praxis noch ergänzend erlautert werden :
Das kompaktierte, Treibmittel enthaltende, metallische Vormaterial in Form von Langprodukten wird in den mit einem rohrförmigen Durchlaufofen gebildeten Rezipienten eingebracht und im Ver- lauf dessen in einer dem Querschnitt des Vormaterials entsprechenden Führung bis wenige Grade über die Solidustemperatur erhitzt. Die Führung weist an der Innenseite einen schwer- oder nicht benetzbaren Werkstoff auf. Die Ausgangsöffnung der Führung ist bevorzugt wie eine Düse ausge- führt, durch die der Schaum dann in das Formgebungs-Werkzeug austritt.
Der Aufschäumvorgang erfolgt in der Führung, wobei die Materialexpansion seitlich durch die Führung nach hinten, bevor- zugterweise durch das passende, noch feste Vormaterial verhindert wird, sodass der heisse, visko- se Schaum nur durch die Austrittsdüse in das formgebende Werkzeug dringen kann. Die Austritts- düse kann bei Bedarf zusätzlich gesondert beheizt werden. Das Werkzeug, also die Schaumform- gebungskokille muss nur soweit angewärmt sein, dass es bzw. sie das Ausfliessen und Ausbreiten des Schaums in die gesamte Form hinein erlaubt. Die Zuführung des festen Vormaterials wird vorteilhaft über Laufrollen nach Geschwindigkeit und Transportkraft so gesteuert, dass die Maten- alzuführung der Schäumgeschwindigkeit angepasst wird und die Aufschäumfront im in der Führung befindlichen Vormaterial weitgehend stationär bleibt.
Es bedarf keines Schaum Überlaufes, wenn z. B. die Luft aus dem Formgebungswerkzeug z. B. durch deren Einlauföffnung verdrängt werden kann.
Zur Herstellung von Einzel-Formteilen ist es günstig, die Schaum-Formen mit einer der Düse des Rezipienten angepassten Eingussöffnungen auszustatten, in die die Düse eingeführt wird und ein seitliches Austreten des Schaumes solange verhindert, bis die Form vollständig ausgeschäumt ist. Die Vormaterialzuführung wird vorteilhafterweise abwärtsgeneigt angebracht, sodass die Schwerkraft das Ausfliessen des Schaumes in die Form unterstützt. Mehrere Schäum-Formen sind für eine wirtschaftliche Herstellung grösserer Stückzahlen auf einem Karussel anordenbar und es laufen dann die Takte Beschlichten, Vorwärmen, Befüllen, Kühlen, Ausformen, Kokillenreinigung parallel ab.
Zur kontinuierlichen Herstellung von Lang- und Flachprodukten ist die Vormaterialzuführung vorteilhaft horizontal bzw. abwärts gering geneigt angeordnet. Die Austrittsdüse des Durchlauf- Heiz- und Schäumrezipienten mündet zwischen formgebenden Umlaufbändern und/oder Rollen, zwischen denen der plastische Schaum nach der Formgebung erstarrt Die der jeweiligen Durch- laufrate entsprechende Temperaturführung kann durch entsprechende Beheizung und Kühlung der Bänder bzw. Rollen erfolgen.
Je nach Breite und Dicke des herzustellenden Schaumproduktes können auch mehrere Vor- materialstränge gleichzeitig in den Durchlauf-Rezipienten eingeführt werden. Es können jedoch auch mehrere Stränge in parallelen Führungen eines Rezipienten oder mehrerer davon geschäumt und auf die Umlaufbänder des Formgebungswerkzeugs gebracht werden. Die getrennt einlaufen- den Schaumstränge werden dann durch die Umlaufbänder der Schäumungskokille zusammenge- presst, damit sie noch im viskosen Zustand miteinander zu einem einheitlichen Schaum-Lang- material verschweissen.
Für die Herstellung von Verbunden mit Deckfolien bzw. -blechen können zwischen der/den Austrittsdüsen und den Umlaufbändern Bleche auf beiden Seiten eingebracht werden, die vorteil- hafterweise entsprechend vorgewärmt sind, so dass sie mit dem heissen Schaum verschweissen.
Bleche mit Lotplattierung können die metallurgische Bindung erleichtern. Die Einlaufgeschwindig- keit der Deckbleche kann über Forderwalzen mit der Schäum- und Schaumbewegungsrate syn- chronisiert werden.
Zusammengefasst sind insbesondere folgende Vorteile der Erfindung wichtig:
Eine kontinuierliche Aufschäumung des Vormaterials ergibt : wirtschaftliche Taktzeiten für Formteile, die Einsparung der Vormaterialzerstückelung, wesentlich gleichmässigere Schaumquali- tät als bisherige Verfahren und wesentlich verbesserte Materialausbringung, also Ausbeute als
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Folge einer Minimierung der Verluste durch Überschussschaum zur Sicherstellung der vollstän- digen Formerfüllung.
Die erfindungsgemässe Konzentration der Energiezuführung auf das Vormaterial in einem zentralen, flexibel einsetzbaren Schaumgenerator ergibt eine wesentliche Einsparung von Ener- giekosten und eine höhere Lebensdauer der Kokillen. Zusätzlich ist eine wie schon weiter vorne erwähnte, problemlose Automatisierungsmöglichkeit gegeben.
Die Kombination mit Umlaufbandern bzw. -walzen erlaubt eine kontinuierliche Herstellung von
Lang- und Flachprodukten aus praktisch fertig bereitetem Metallschaum sowie die Produktion von
Metallschäumen mit Deckblechen, auch mit stoffgleichen und einseitig oder mehrseitig verschweiss- ten oder verlöteten Deckblechen.
Anhand der folgenden Beispiele wird die Erfindung näher erläutert:
Beispiel 1:
Vormaterial Draht (Durchmesser 8 mm) aus Aluminium mit 0,8 Gew.% TiH2-Treibmittel, strang- press-kompaktiert, wird von einer Rolle mittels geschwindigkeits- und kraftgesteuerter Förderrollen in ein Führungsrohr aus Grafit mit 8 mm Innendurchmesser geführt. Das Führungsrohr befindet sich in einem senkrechten, mit einem Rohrofen hoher Energiedichte gebildeten Metallschaum- Generator, der ca. 10 g AI/s zum Schmelzen bringt. Das Führungsrohr ist mit einer Grafitdüse (Durchmesser 4 mm) abgeschlossen, die aussen kegelförmig ausgebildet ist. Aus der Düse dringt viskoser AI-Schaum mit etwa 20-facher Geschwindigkeit der Vormaterialeinbringungsrate.
Die kegelförmige Düse passt von oben in den Anguss einer Stahl-Schaumformgebungskokille für einen 3D-Formteil, die innen beschlichtet und auf 350 C vorgewärmt ist. Sobald das Formvolumen mit Schaumaluminium gefüllt ist, was an einem kleinen Überlauf beim Einguss erkennbar ist, wird die
Düse abgesetzt und auf eine nächste Kokille aufgesetzt, während die vorhergehende Kokille gekühlt wird. Sechs derartig teilbare Kokillen befinden sich auf einem Karussel mit den Arbeits- stationen. Beschlichten, Vorwärmen, Schäumofen (Schäumgenerator) aufsetzen und Kokille bzw.
Form mit Metallschaum füllen, Abkühlen der Form, Ausformen und schliesslich Reinigen der Form
In Taktzeiten von etwa 1 min lassen sich so gleichmässig geschäumte Formteile mit einem Ein- zelvolumen von etwa 1 I erzeugen.
Beispiel 2:
Ein Band aus aufschäumbarem Vormaterial aus Al-Si-Gusslegierung mit dem Querschnitt 5 x 30 mm2 wird in einem horizontalen Schäumungs-Durchlaufofen-Rezipienten mit Führungsrohr aus Grafit mit gleichem Innenquerschnitt kontinuierlich eingebracht, sodass 100 g Alls aufge- schmolzen werden. Die Austrittsdüse hat einen Öffnungsquerschnitt von 3 x 80 mm2 und es schliessen sich oben und unten 100 mm breite Förderbänder und seitliche, formgebende Walzen einer Durchlauf-Formgebungskokille an.
Es tritt ca. 0,2 I Aluminiumschaum/s aus der Düse auf das untere Band. Das obere Band begrenzt die Dicke des Metallschaums auf 5 mm, sodass ein Schaumaluminiumband mit einem Querschnitt von 100 x 5 mm2 mit einer Geschwindigkeit von ca. 400 mm/s produziert wird. Der Schaum beginnt in seiner Hülle zu erstarren, sobald er in die Umlaufbänder eingelaufen ist.
Beispiel 3 :
Es werden 5 Düsen gemäss dem vorangegangenen Beispiel nebeneinander gereiht und simul- tan mit Vormatenalbandern beschickt, die in einem Schäum-Rezipienten mit einem Mehrzonen- Durchlaufofen erhitzt werden. Die Umlaufbänder der Formgebungs-Durchlaufkokille an den Aus- trittsdüsen sind 50 cm breit und mit Rollen seitlich begrenzt. Auf diese Weise kann ein Blechband mit 50 cm Breite kontinuierlich mit einer Rate von etwa 20 m/min hergestellt werden.
An der Unter- seite der Formgebungs-Kokille wird ein einseitig lotplattiertes Aluminiumblech mit 50 cm Breite und 0,5 mm Dicke mit gleicher Geschwindigkeit in auf 500 C vorgewärmtem Zustand eingespult Die Durchlauflängen der Umlaufbander in der Kokille sind etwa 1 m lang und der Spalt zwischen Ober- und Unterband nimmt von anfänglich 12 mm auf 9 mm ab, um den Schaum auf das Deckblech
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aufzudrücken. Der Schaum verlötet sich mit dem Blech und es entsteht ein ca. 9 mm hinter- schäumtes Aluminiumblech.
Beispiel 4 :
Ausschäumen von hohlen Längsholmen in einer Fertigungsstrasse von Kraftfahrzeugsrahmen (insbesondere AI-Spaceframe-Konstruktionen): Die Schaumdüse (n) Schaumgenerierungs-Rezipienten wird (werden) automatisiert an Ein- spritzöffnungen der Holme herangeführt und die Heizung und Vormaterial-Drahtzuführung in Betrieb genommen, wodurch die Holme mit AI-Schaum ausgefüllt werden, ohne thermisch überbe- ansprucht zu werden. Die neue Methode eignet sich besonders auch für die Fertigung von CrashAbsorbern und zur allgemeinen Steifigkeitserhöhung.
Vorschrift für eine Art der Herstellung des Vormaterials:
AlMg0,6Sio.4-Pulver mit einer Korngrösse von < 400 m mit 0,4 % TiH2 ( < 300 m) wird in einer
Presse zu einem zusammenhängenden Körper mit einer Dichte von 2,4 g/cm3 primär-kompaktiert, um dessen Weiterverarbeitung in einer Horizontalstrangpresse zu ermöglichen. Der Körper wird mit einer Temperatur von 200 C in eine Strangpresse eingelegt und innerhalb von 5 s mit einem
Pressdruck von 750 Mpa zu einem Rechteckprofil stranggepresst. Die Temperatur des Rezipienten selbst betrug 300 C. Das entstandene Profil hat eine Dichte von 2,7 g/cm3 und kann, so wie es ist, im erfindungsgemässen Verfahren eingesetzt werden.
Anhand der Zeichnung werden das erfindungsgemässe Verfahren und zu dessen Durchführung besonders geeignete Ausführungsformen der Produktionsanlage näher erläutert, wobei die Fig. 1 eine Schaummetall-Herstellung mit Einzel-Schaumformgebungs-Kokille, die Fig. 2 eine solche mit Durchlauf-Schaumformgebungs-Kokille, die Fig. 3 eine Schaummetallstrang-Formgebung mit entsprechend profilierten Walzen, die Fig. 4 schematisch eine Ansicht eines Schäumungsrezipienten mit drei Aufheiz- und Schäumung-Räumen für das Vormaterial und einer einzigen, gemeinsamen Ausbringungsdüse für den Metallschaum, die Fig. 5 ein Schema eines Rezipienten mit der Anordnung einer Mehrzahl von Schaumausbringungs-Düsen, welche eine einzige Durchlaufkokille beliefert und die Fig. 6 sowie 7 und 8 schematisch zwei Arten der Fertigung eines mit Metall ausgeschäumten Hohlprofils, konkret eines Rohres, zeigen.
Die Schaummetall-Fertigungsanlage 1000 der Fig. 1 a umfasst im wesentlichen eine Einbringungs- und Vorschubeinrichtung 10 mit Vorschubwalzen 101 mit Antrieb 110 für einen, hier aufgerollten Endlos-Strang aus kompaktiertem Metallschaum-Vormaterial 501, welcher über die mit einer Beschlichtungs-Einrichtung 201 mit einem Schlichtmittel 202 versorgbare Einbringungsöffnung 21 kontinuierlich in den Führungs- und Aufheizkanal 25 eines vorderseitig mit einer Isolierung 2031 versehenen Heiz- und Schäumungs-Durchlaufrezipienten 20 mit jeweils gruppenweise rundum angeordneten Heizspiralen oder umgebende Induktionsspulen 273 und 274 einer elektrischen Heizung 27 eingeführt wird.
In der Aufheiz- und Schäumungsinitiations-Zone 203 wird das Vormatenal 501 stetig steigend im wesentlichen auf Schäumungs- und Schmelztemperatur bzw. etwas darüber erhitzt und beginnt, im in die Schaumbildungs- und-austritts-Zone 204 des Rezipienten 20 übergehenden Strangteil 502 des - insgesamt mit 50 bezeichneten - Metallstrangs an der Schaumbildungsfront 55 - im wesentlichen gleichzeitig plastisch-fliessfähig werdend - durch Gasentwicklung aus dem Treibmittel einen Metallschaum zu bilden. Der durch die Schaumbildungszone 204 weiter bewegte Metallschaumstrangabschnitt 502 wird dort in seinem Querschnitt verengt und durch die Heizzone 274 nach-konditioniert.
Er tritt letztlich als fliessfähig-plastischer Metallschaum-Strang aus der Ausbringungsöffnung 22 des Austritts-Düsenteils 220 aus und gleich durch die anschliessende, gegebenenfalls mit der Aussenseite der Düsenöffnung 22, bzw. Düse 220 schaumdicht koopenerend ausgebildete Einbringungsöffnung 31 in die vorerwärmbare Schaumformgebungs-Kokille 30 ein, wobei der Metallschaum in derselben als Schaummetall-Formkörper 503 gewünschten Gestalt erstarrt.
Dieser Erstarrungsvorgang innerhalb der Kokille ist als Erstarrungsfront 5035 symbolisiert.
Mittels an eine zentrale Steuerung 75 angeschlossenem Sensor 70 kann die Schäumungsfront 55 im Strang 50(501,502) lagemässig detektiert werden, und aufgrund dieser Daten steuert die Steuerung 75, z. B. ein Personalcomputer, den Antrieb 110 der Vormaterial-Vorschubrollen 101.
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Der Innenquerschnitt q, des Rezipienten-Führungshohlraumes 25 entspricht im wesentlichen dem Kontur-Querschnitt q5 des Vormaterialstrangs 501 Nach Passieren der Schaumentstehungs- front 55 verengt sich die Querschnittsflache bzw. ändert sich die Form des Querschnitts q1. bis er die Dimension bzw. Querschnittsgestalt q2, also jene der Schaum-Ausbringungsöffnung 22 auf- weist.
In Fig. 1b ist noch schematisch das Temperaturprofil des Material-Gesamtstrangs 50 innerhalb von Durchlauf-Rezipienten 20 und Formgebungs-Kokille 30 wiedergegeben, wobei etwa im Bereich der Düse - angedeutet durch unterbrochene Linien - ein kleines Temperaturmaximum auftreten kann.
Fig. 2a zeigt - bei sonst völlig gleichbleibenden Bezugszeichen-Bedeutungen gegenüber Fig. 1 eine kontinuierlich arbeitende Anlage 1000 mit waagrecht ausgerichteten, in der Bauart sonst mit jenem der Fig. 1 praktisch identischen und gleich ausgestatteten Durchlauf-Rezipienten 20 und einer kontinuierlich arbeitenden, ebenfalls waagrecht angeordneten Durchlauf-Formgebungskokille
300 für den innerhalb des Gesamt-Vormaterialstranges 50 gebildeten Schaummetallstrang 503.
Der Strang 501 des kompaktierten, wie in Fig. 2b und 2c im Querschnitt gezeigten Rund- oder
Rechteck-Vormaterials wird hier von einer Endlosmateriairolle abgespult und gelangt - von den
Rollen 101 der Einzugs- und Vorschubseinnchtung 10 gezogen - in den Führungsraum 25 des mit
Heizeinrichtung 27 ausgestatteten Heiz- und Schäumrezipienten 20, dessen Komponenten völlig analog zu Fig. 1 bezeichnet sind und auch in identischer Weise funktionieren.
Direkt nach seinem Austreten aus der Rezipientenöffnung 22 der Ausbringungsdüse 220 gelangt der heisse, fliessfähige Schaummetall-Strangabschnitt 502 zwischen die beiden Endlosbän- der 301 der Schaumformgebungs-Kokille 300, wobei zwischen die Bänder 301 und den Schaum- strang oben und unten jeweils ein Blechband 05 - von Rollen 350 abgespult - zur Kaschierung des Metallschaum-Strangs 503 eingezogen werden. Vorteilhaft sind die Bänder 301 strangbewegungs- fortschreitend in flachem Winkel aufeinander zulaufend ausgerichtet, wodurch die Bindung der Blechfolie 05 an das Schaummetall gefestigt wird. Hilfreich dafür ist weiters die Erhitzungseinrich- tung 351 für die Folienbänder 05 vor ihrem Einzug in die Einbringungsöffnung 31 der Kokille 300.
Nach Erstarrung und dem Verlassen der Kokille 300 durch deren Schaummetallausbringungs- öffnung 32 durchläuft der nun feste - in Fig. 2d als Rechteckprofil gezeigte - Schaummetallstrang 503 noch durch, gegebenenfalls etwa auch angetriebene, paarweise Führungs- oder Abzugsrollen 302. Die Steuerung der Anlage 1000 kann analog zu jener gemäss Fig. 1 ebenfalls mittels die Schäumungsfront 55 im Strang 50,501,502 detektierendem Sensor 70 und mit ihm und dem Antrieb 110 der Rezipienten-Einzugsrollen 101 sowie der Heizung 27,273,274 des Rezipienten 20 steuerungssignal-verbundener Steuerungseinheit 75 vorgenommen werden.
Die Fig. 3a zeigt schematisch, wie anstelle einer mit Formgebungs-Bändern ausgerüsteten Durchlauf-Kokille eine solche auch mit - bevorzugterweise in hier nicht dargestellter Mehrzahl vor- liegenden und vorteilhafterweise heiz- und/oder kühlbaren Formgebungswalzen 302 mit entspre- chender Profilierung zur Herstellung von Schaummetall-Profilen 503 beispielsweise runden oder quadratischen Querschnitts (Fig. 3b, 3c) dienen können.
Fig. 4 zeigt schematisch, wie in einem Heiz- und Schäumrezipienten 20 mit Heizspiralen 273 nebeneinander drei Führungskanale 25 kreisrunden Querschnitts für rundes, schäumfähiges Vor- material vorgesehen sein können, welche letztlich - nach entsprechender Vereinigung und Verjün- gung - in eine gemeinsame Ausbringungs-Düsenöffnung 22 für den austretenden fliessfähigen Metallschaumstrang münden.
Ebenfalls nur grob schematisch soll Fig. 5 zeigen, wie sich drei aus innerhalb einer umschrei- benden Rechteckform an deren Umfangslinie angrenzenden Düsenöffnungen 22 eines - nicht ge- zeigten - Durchlaufrezipienten - austretenden Metallschaumsträngen 502 nach deren Vereinigung in einer Durchlauf-Kokille 300 mit Begrenzungswalzen 302 - ein Metallschaum-Strang 503 recht- eckigen Querschnitts produzieren lässt.
Für eine in der Fig. 6 (mit ansonsten zu den vorherigen Fig. analogen Bezugszeichenbe- deutungen) gezeigten Fertigung von mit Schaummetall gefüllten Hohlprofilen, beispielsweise Roh- ren 30 ist eine Anlage vorgesehen, bei welcher das auszuschäumende Werkstück 30 selbst erst während des Einströmens des Metallschaumes 502 fortschreitend gebildet wird. Die Gesamtan- lage weist hier als Hohlprofil-Erzeugungseinrichtung eine Strangpresse 60 für metallische Werk- stoffe mit Rezipienten 62, Pressbolzen 61 und Düse 63 mit Dorn 631 auf, aus welcher kontinuier-
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lich ein Metallrohr 30, z. B. aus einer AI-Legierung 3, ausgepresst wird. Der Dorn 631 der Düse 63 ist nun so ausgebildet, dass in ihn die Ausbringungsöffnung 22 bzw. -düse 220 eines erfindungs- gemässen Metallschaum-Generierungsrezipienten 20 integriert ist.
Zeit/Mengen-synchron mit der fortschreitenden Bildung des auszuschäumenden Hohlprofils 30 wird in dasselbe Metallschaum 502 aus dem Rezipienten 20 über die Dorn-Düse 220 eingebracht und erfüllt gleichzeitig mit der Bildung des Hohlprofils 30 dasselbe fortschreitend mit dem genannten Metallschaum 502, wobei unter Umständen gleich eine zumindest punktuelle Verschweissung von letztlich erstarrtem Schaum 503 und Hohlprofil 30 erfolgen kann. Da gleichzeitig mit der an sich volumsvermindernden Erstar- rung des Schaums 502 zu 503 auch das Hohlprofil 30 querschnittsmässig "schrumpft", kann er- reicht werden, dass der mechanische Verbund von Schaumkern und Profil-Wandung gleich erhal- ten bleibt. Für den Fall verschiedener Schrumpfungsraten kann eine den Profil-Innenquerschnitt verringernde Letztbehandlung des erhaltenen Schaummetall/Metall-Verbundprofils, z.
B. durch Recken, vorgesehen sein.
Bei einer Verfahrensweise gemäss den Fig. 7 und 8 ist ebenfalls eine Hohlprofil-Erzeugungs- einrichtung vorgesehen, im konkreten Fall wieder eine Strangpresse 60, aus welcher fortschreitend ein Hohlprofil 30 ausgepresst wird. An die Öffnung 31 des freien Endes des Hohlprofils 30 ist an dieses - metallschaumdicht anliegend oder mit diesem verbunden - die Metallschaum 502-Ausbrin- gungsöffnung 22 bzw. Düse 220 eines Metallschaum-Generierungsrezipienten 20 angeschlossen und die Düse 220 bzw. mit ihr der Rezipient 20 wandern synchron mit dem Fortschreiten des Profilausstosses aus der Strangpresse 60 mit (zurück), wobei zeit/mengen-synchron Metallschaum 502 aus dem Rezipienten 20 in den Innenraum des Hohlprofils 30 eingebracht wird.
Zur Strang- pressdüse 63 hin erstarrt der Schaum 502 volumsvermindernd und bildet eine Art Stopfen 503, der infolge Kontraktion im sich fortschreitend bildenden Hohlprofil 30 gleitbar verschieblich ist und bei entsprechend gesteuerter Synchronisation von Strangpress- und Schäumrate positionskonstant bleibend in Richtung zum Schaumgenerator 20 hin mit der Hohlprofil-Verlängerung mitwächst. Hier ist letztlich eine den Hohlprofil-Innenquerschnitt verringernde Nachbehandlung, z. B. eine Reckung vorzusehen.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zur Herstellung von Schaummetall- bzw. Schaummetall/Metall-Verbund-Form- körpern bzw. Werkstücken auf Basis von Metallen oder Metallegierungen, vorzugsweise auf Basis von Aluminium, wobei ein jeweils zu schäumendes Grundmetall in ein auf eine über dessen Schmelztemperatur beheizbares Durchlaufgefäss eingebracht und geschäum- tes Metall unter Formgebung ausgebracht und mit gewünschter Form bzw.
Profilquer- schnittsform erstarren gelassen wird und wobei im Abstand vor der Auslauföffnung des
Durchlaufgefässes in dem sich in geschmolzenem Zustand befindlichen Metall Schäumgas- poren generiert werden, bei welchem Verfahren - mindestens ein durch Kompaktierung eines Gemisches von Partikeln mindestens eines
Metalls bzw. einer Metallegierung mit Partikeln mindestens eines - bei erhöhten Tem- peraturen ein Gas abspaltenden - Treibmittels gefertigter, im festen Aggregatzustand vorliegender Vormaterial-Formkörper, in einen beheizbaren Heiz-und Schäum-Durchlauf-
Rezipienten eingebracht wird, und erst während des Durchgangs innerhalb desselben auf eine oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels und zumindest auf eine oberhalb, der Schmelztemperatur des Metalls bzw. der niedrigstschmelzenden Legie- rungskomponente bzw.
Komponenten-Zusammensetzung des Vormaterials (Solidustem- peratur) liegende Temperatur erhitzt wird und wobei - der infolge Zersetzung des Treibmittels unter Volumszunahme im Rezipienten in Nähe von dessen Ausbringungsöffnung sich ausbildende, heisse Metallschaum danach zum
Erstarren gebracht wird, - wonach gewünschtenfalls ein Entformen des erstarrten, Poren aufweisenden, Schaum- metall-Formkörpers bzw.-Werkstückes und dessen eventuelle Final-Formgebung bzw.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.