AT504305A1 - Metallformkörper und verfahren zur herstellung eines metallformkörpers - Google Patents

Metallformkörper und verfahren zur herstellung eines metallformkörpers Download PDF

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AT504305A1 AT0167006A AT16702006A AT504305A1 AT 504305 A1 AT504305 A1 AT 504305A1 AT 0167006 A AT0167006 A AT 0167006A AT 16702006 A AT16702006 A AT 16702006A AT 504305 A1 AT504305 A1 AT 504305A1
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Description

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Metallformkörper und Verfahren zur Herstellung eines Metallformkörpers
Die gegenständliche Erfindung betrifft einen mehrschichtigen Metallformkörper mit einer Metallschaummatrix, in die ein ein- oder mehrteiliges Einlageelement eingebettet ist, wobei die 5 Metallschaummatrix und das Einlageelement formschlüssig miteinander verbunden sind, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Metallformkörpers.
Ein solcher Metallformkörper geht z.B. aus der DE 203 13 655 U1 hervor, die ein schussfestes Element aus Aluminiumschaum mit einer in den Aluminiumschaum eingebetteten, netzar-10 tigen Armierung beschreibt, wobei die Armierung als Maschengeflecht oder -gewebe aus einem Stahldraht gebildet ist. Ein Maschengeflecht ist dabei ein Geflecht, bei dem eine Vielzahl von durchgehenden Drähten zu einem Geflecht verbunden werden. Die Kontaktstellen zwischen den einzelnen Drähten können dabei starr oder lose sein. Unter Beschuss werden diese durchgehenden Drähte durch das zu stoppende Projektil oder Geschoss aber hohen iS Zugspannungen und Dehnungen ausgesetzt, sodass entweder ein hochfester und hochdehnbarer Stahldraht benötigt wird, oder der Stahldraht entsprechend dimensioniert sein muss. Obwohl damit eine gute Schussfestigkeit erzielt werden kann, können dadurch die Kosten eines solchen Metallformkörpers in die Höhe getrieben werden. 20 Die Aufgabe der gegenständlichen Erfindung liegt somit darin, einen Metallformkörper anzugeben, der die obigen Nachteile nicht aufweist und darüber hinaus eine noch bessere Festigkeit gegen eindringende oder aufprallende Körper, wie ein Anprall eines Körpers, z.B. durch eine naheliegende Explosion, oder durch ein Geschoss, besitzt. 25 Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst, indem das Einlageelement als schubweiches Ringgeflecht mit lose ineinander verbundenen Ringen ausgebildet ist. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Metallformkörpers zeichnet sich durch folgende Schritte aus: Bereitstellen einer Kokille für den Metallformkörper; Anordnen zumindest eines ein- oder mehrteiligen Einlageelements in Form eines schubweichen Ringge-30 flechts mit lose ineinander verbundenen Ringen in der Kokille; Aufschmelzen eines Metalls; Einleiten von Gas in das aufgeschmolzene Metall, um das aufgeschmolzene Metall aufzuschäumen, wobei ein fließfähiger Metallschaum hergestellt wird; Verbringen des fließfähigen Metallschaums in die Kokille; und Abkühlen des Metalls in der Kokille, wobei das Metall erstarrt, um den Metallformkörper zu bilden.
Unter Belastung (durch seitlichen Anprall oder unter Beschuss) gleiten die einzelnen Ringe des schubweichen Ringgeflechts in der Metallschaummatrix aneinander ab. Dadurch wird -1- 35 ·· · ·· ···· ···· ·· ······ · ··· :: : : : .· .· ·..: hk-3099.at ······ · · ·· ··· ·· # · f« die Belastung auf den einzelnen Ring stark reduziert, die Festigkeit des Verbundes aber gleichzeitig erhöht, da dieser Verbund ein hohes Maß an Energie dissipieren kann. Mit einem erfindungsgemäßen Metallformtei! kann somit ein sehr leichter Bauteil mit der höchsten Beschussklasse B7 erzielt werden. Ein solcher Metallformteil kann z.B. als Panzerung bei 5 Fahrzeugen oder an Gebäuden verwendet werden, aber auch als Schild für Personen.
Die Wirkung kann weiters erhöht werden, wenn in der Metallschaummatrix mehrere Ringeflechte neben- oder hintereinander angeordnet sind, wobei die Ringgeflechte auch zueinander versetzt angeordnet sein können. 10
Je nach Anwendung kann die Metallschaummatrix eine im Wesentlichen monomodale Blasengrößenverteilung aufweisen. Die Blasengrößen der Metallschaummatrix können aber auch von einer Seitenfläche des Metallformkörpers zur gegenüberliegenden Seitenfläche graduell zunehmen, wodurch die Festigkeit des Metallformkörpers weiter erhöht werden 15 kann.
Eine weitere Erhöhung der Festigkeit des Metallformkörpers erzielt man, durch eine Vorspannung des Ringgeflechts in der Metallschaummatrix. 20 Ganz besonders für Anwendung als schussfeste Panzerung ist es vorteilhaft, wenn an einer Seitenfläche des Metallformkörpers eine weitere Schicht aus einem homogenen und/oder isotropen Material, wie eine Steinfolie, aufgebracht wird, da diese das aufprallende Geschoss aufbricht und die Bahn des Geschosses verändert und somit dessen Wirkung reduziert wird. Für eine solche Anwendung ist es günstig, diese Schicht dem Beschuss zuzuwen-25 den.
Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand der schematischen, nicht einschränkenden Figuren 1 bis 7 beschrieben, die vorteilhafte Ausführungsbeispiele zeigen. Dabei zeigt 30 Fig. 1 eine Darstellung eines mehrschichtigen Metallformkörpers,
Fig. 2 bis 4 Querschnitte eines erfindungsgemäßen Metallformkörpers,
Fig. 5 eine Ansicht eines Ringgeflechts,
Fig. 6 Bespiele möglicher Ringe für ein Ringgeflecht und
Fig. 7 eine Vorrichtung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Metallformkörpers.
Fig. 1 zeigt einen starren, flächigen, mehrschichtigen Metallformkörper 1, wobei die Längen-, Höhen- und Breitenverhältnisse vorteilhaft gemäß der Beziehung I, h » b gewählt werden, -2- 35 • · • · • ♦ • ···· ···· ·· • · · · ·
HK-3099.AT womit man einen flächigen Metallformkörper 1 mit einer großflächigen Seitenfläche 2 erhält. Der Metallformkörper 1 kann dabei als Platte, Scheibe oder als Schale mit beliebiger Krümmung und mit einem beliebigen Querschnitt ausgeführt sein. Der Metallformkörper 1 besteht im Wesentlichen aus einer Metallschaummatrix 4, bevorzugt Aluminiumschaum, in den ein s oder mehrere, ein- oder mehrteilige Einlegelemente 3 eingebettet sind. Metallschaum 4 und Einlegeelement(e) 3 sind dabei formschlüssig miteinander verbunden und bilden einen Verbundteil. Aufgrund der Art der Herstellung des Metallformkörpers 1 (durch ein Gießverfahren) kann es durch die Adhäsion auch zu einer gewissen materialschlüssigen Verbindung kommen, allerdings nur zu ca. max. 30% bezogen auf die Bruch- und Auszugsfestigkeit. 10
Die Einlegeelemente 3 können dabei nahezu beliebig angeordnet sein, wie in den Figuren 2 bis 4 angedeutet. Z.B. kann nur ein einziges Einlegeelement 3 am Rand oder in der Mitte des Metallformkörpers 1 vorgesehen sein. Es können aber auch mehrere nebeneinander oder hintereinander angeordnete Einlegeelemente 3 vorgesehen sein. Ebenso ist es denk-15 bar, Einlegeelemente 3 nicht im Wesentlichen parallel zu einer Seitenfläche 2 anzuordnen, sondern in einem bestimmten Winkel dazu. Genau so kann vorgesehen sein, ein oder mehrere Einlageelement(e) 3 vor dem Einbetten in die Metallschaummatrix 4 mit einer bestimmten Kraft F vorzuspannen. 20 Der Metallschaum 4 weist in einer bevorzugten Ausführung eine im Wesentlichen monomodale Verteilung auf, d.h. die Blasengrößen sind im Wesentlichen alle gleich groß und homogen verteilt. Alternativ dazu kann aber auch vorgesehen sein, die Blasengröße der Metallschaummatrix 4 von einer Seitenfläche 2 des Metallformkörpers 1 zur gegenüberliegenden Seitenfläche graduell zunehmen zu lassen, wie in Fig. 3 angedeutet, was durch eine ent-25 sprechende Steuerung des Schäumprozesses möglich ist.
Selbstverständlich ist es möglich die obigen Ausgestaltungen und Anordnungen beliebig zu kombinieren und somit auf eine bestimmte Anwendung abzustimmen. 30 Weiters kann an einer Seitenfläche 2 eine zusätzliche Schicht 5 aus einem homogenen und/oder isotropen Material mit einem geeigneten Verfahren, wie z.B. durch Stoffschluss oder Materialschluss durch eine flächige Verklebung, aufgebracht werden, bevorzugt eine dünne Steinfolie, z.B. aus Granit oder ähnlichem. Diese Schicht 5 wirkt sich insbesondere bei einer Anwendung als schussfestes starres Formteil positiv aus, da dadurch die zulässige 35 Beschussklasse erhöht und die Sprengwirkung gemindert oder sogar eliminiert werden kann. Diese Schicht 5 ist dazu dem Beschuss zuzuwenden. Durch eine solche Schicht 5 wird ein -3- ·· · ·♦ ·»·· ···· »· • · ·· « · · · · ·
HK-3099.AT • · · · « + · ··· ······ · § ·· ··· ·♦ # · «· aufprallendes Geschoss aufgebrochen und die Bahn des Geschosses verändert (im Wesentlichen indem es beim Aufprall ins Trudeln gebracht wird) und die Wirkung somit abgemindert.
Ein Einlegeelement 3 ist erfindungsgemäß als schubweiches Ringgeflecht ausgeführt, wie in 5 Fig. 5 angedeutet. Ein solches Ringgeflecht besteht dabei aus einer Vielzahl von Ringen 6, die ineinander greifen, aber ansonsten lose ineinander angeordnet sind, also keinerlei feste Kontaktstellen aufweisen. Somit ist ein solches Ringgeflecht in allen Richtungen vollkommen schubweich und die Ringe 6 gleiten unter Belastung aneinander ab. Die Herstellung eines solchen Ringgeflechts ist an sich bekannt und erfolgt z.B. durch Verschweißen der einzelnen 10 Ringe 6 zu einem Geflecht. Das Ringgeflecht kann dabei z.B. als 1:4,1:6 oder 2:8 Geflecht, gemäß Ring in Ring Definition, ausgeföhrt sein. In Fig. 6 sind Beispiele möglicher Ringformen dargestellt, wobei in einem Geflecht unterschiedliche Ringformen auch kombiniert werden können. 15 Die erfindungsgemäße Wirkung entfaltet ein solches schubweiches Ringgeflecht in der Metallschaummatrix 4. Unter Belastung (durch Anprall oder unter Beschuss) gleiten die einzelnen Ringe 6 in der Metailschaummatrix 4 aneinander ab. Dadurch wird die Belastung auf den einzelnen Ring 6 stark reduziert, die Festigkeit des Verbundes aber gleichzeitig erhöht, da dieser Verbund ein hohes Maß an Energie dissipieren kann. Zudem wird die Schockwel-20 lenausbreitung in dem Verbund deutlich reduziert und es können sich breite Rissfronten zur Energieabsorption ausbilden. Mit einem erfindungsgemäßen Metallformteil kann somit ein sehr leichter Bauteil bis zur höchsten Beschussklasse B7 erzielt werden. Ein solcher Metallformteil kann z.B. als Panzerung bei Fahrzeugen oder an Gebäuden verwendet werden, a-ber auch als Schild für Personen. 25
Ein möglicher erfinderischer Metallformkörper 1 könnte dabei aus einer Aluminium- (oder einem anderen geeigneten Metall) Metallschaummatrix 4 gebildet werden, in der ein Ringgeflecht aus Stahl, Titan, oder Aluminium-Ringen eingebettet ist. Die Ringe können dabei z.B. Außendurchmesser von 3 - 20mm aufweisen (je nach Anwendung) und auch die Blasen-30 große der Metailschaummatrix 4 wird je nach Anwendung gewählt, z.B. bis zu 30mm Blasengröße. Die Ringstärken können z.B. zwischen 1 und 2mm gewählt sein. Das Ringgeflecht kann auch oberflächenbehandelt und gehärtet sein. Die Vorspannung eines Ringgeflechts in der Metailschaummatrix 4 kann z.B. 1kN betragen. Eine solche Anordnung ist geeignet als schussfester Metallformteil für 1kg TNT bei 5m Entfernung oder 15kg Plastiksprengstoff bei 35 15m Entfernung.
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Nachfolgend wird anhand der Fig. 7 beispielhaft die Herstellung eines erfindungsgemäßen Metallformteils 1 beschrieben.
In einer zweiteiligen Kokille 10 wird ein oder mehrere, ein- oder mehrteilige Einlegeele-5 ment(e) 3 in Form eines schubweichen Ringgeflechts mit lose ineinander verbundenen Ringen 6 in der gewünschten Position innerhalb eines Hohlraums 12, der die Außenform des Metallformteils vorgibt, angeordnet. Das Einlegeelement 3 kann dabei auch mit einer bestimmten Kraft vorgespannt werden. In einem Ofen 14 wird Metall, z.B. Aluminium, erhitzt und in einen flüssigen Zustand versetzt. Der Hohlraum 12 der Kokille 10 ist über eine Einfüll-10 Öffnung 11 und«inem Füllstück 13 (oder einer ähnlichen Einrichtung) mit dem Ofen 14 verbunden. Das Füllstück 13 taucht dabei in das flüssige Metallbad 16 im Ofen 14 ein. Im Ofen 14, unterhalb des Füllstücks 13, ist weiters eine Schäumeinrichtung 18, wie z.B. eine Düsenanordnung oder ein Impeiler, vorgesehen. Geeignete Schäumvorrichtungen und Schäumverfahren sind z.B. in den Patenten EP 1 288 320 B1 und EP 1 419 835 B1 der Anmelderin be-15 schrieben. Der Schäumeinrichtung 18 wird über eine Zuleitung 20 Gas, vorzugsweise Luft, zugeführt, das über die Schäumeinrichtung 18 in das flüssige Metalibad 16 austritt und im Metallbad Blasen 22 bildet. Diese Blasen 22 steigen im Metallbad 16 und im Füllstück 13 auf (angedeutet durch den Pfeil in Fig. 7) und gelangen so in den Hohlraum 12 der Kokille 10. Der Schäumvorgang wird dabei solange durchgeführt, bis der gesamte Hohlraum 12 mit Bla-20 sen 22 bzw. mit Metallschaum 4 gefüllt ist. Der Metallschaum kann dabei in den Hohlraum 12 der Kokille 10 gedrückt werden, z.B. indem ein Druck auf das Metallbad 16 ausgeübt wird. Dadurch wird der (die) Einlegeteil(e) 3, zumindest teilweise, bevorzugt aber vollständig, mit flüssigem Metallschaum umgeben und in die Metallschaummatrix 4 eingebettet. Selbstverständlich können auch unter Umständen notwendige Entlüftungsöffnungen zwischen Ko-25 kille 10 oder dem Ofen 14 und der Außenwelt vorgesehen sein, um während des Befüllens einen Druckausgleich zu bewirken. Nach dem Schäumvorgang kann der Hohlraum 12 verschlossen und die Kokille 10 zum Abkühlen entfernt werden.
Nach dem Befüllen wird die Kokille 10 bzw. der darin befindliche Metallformkörper 1 abge-30 kühlt, bis der flüssige Metallschaum verfestigt ist und die Metallschaummatrix 4 bildet. Danach kann die Kokille 10 geöffnet und der fertige Metallformkörper 1 entnommen werden.
Grundsätzlich ist es aber möglich, den Hohlraum 12 der Kokille 12 vor dem Schäumen teilweise oder vollständig mit flüssigem Metall zu füllen, z.B. in dem auf das flüssige Metallbad 35 16 ein Druck ausgeübt wird, womit der Flüssigkeitsspiegel im Füllstück 13 und folglich auch im Hohlraum 12 steigt. Wird nun das flüssige Metall wie oben beschrieben aufgeschäumt, steigen die Blasen 22 wieder nach oben und verdrängen dabei das flüssige Metall im Hohl- -5- ·· · ·· ft·· ···· ·· ······ · ···
• · · · t ·* · ··· HK-3099.AT ······ · · ·· ·*· tt · » ·# raum 12, bis dieser zur Ausbildung der Metallschaummatrix 4 vollständig mit Metallschaum gefüllt ist. Dazu kann auch ein gewisser Druckausgleich vorgesehen sein, um eine gleichmäßige Schaumbildung sicherzustellen, z.B. in dem die Kokille während des Schäumvorgangs langsam angehoben wird oder in dem der Druck auf das Metallbad 16 langsam abge-s senkt wird.
Der Schäumprozess kann aber auch so gesteuert werden, dass der Metallformkörper 1 Bereiche mit Metallschaum und Bereiche aus kompaktem Metall nebeneinander liegen. Dazu können auch geeigneten Trennelemente in der Kokille 10 angeordnet werden, io
Ebenso ist es natürlich möglich, den Schäumvorgang und den Gießvorgang zu trennen. Dazu kann in einer separaten Vorrichtung, wie ein Ofen 14, Metallschaum erzeugt werden, z.B. nach herkömmlichen bekannten Verfahren, und dieser Metallschaum mit einer geeigneten Vorrichtung, wie z.B. einem Schöpfer oder eine Kelle, zu einer separaten Kokille 10 befördert iS werden. Dort kann der flüssige Metallschaum in den Hohlraum 12 der Kokille 10 gefüllt werden. Das kann z.B. erfolgen, in dem der flüssige Metallschaum in dem Hohlraum 12 der Kokille gedrückt wird, z.B. mittels eines Stempels. -6-

Claims (16)

  1. «· · ·· #·#· ···# ·* «···#· « · t · :: : : · .· .· *.·ί hk-3099.at ······ · · ·· ··· ·· · · +· Patentansprüche 1. Mehrschichtiger Metallformkörper mit einer Metallschaummatrix (4), in die ein ein- oder mehrteiliges Einlageelement (3) eingebettet ist, wobei die Metallschaummatrix (4) und das Einlageelement (3) formschlüssig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlageelement (3) als schubweiches Ringgeflecht mit lose ineinander verbundenen Ringen (6) ausgebildet ist.
  2. 2. Mehrschichtiger Metallformkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Metallschaummatrix (4) mehrere Einlageelemente (3) neben- oder hintereinander angeordnet sind.
  3. 3. Mehrschichtiger Metallformkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschaummatrix (4) eine im Wesentlichen monomodale Blasengrößenverteilung aufweist.
  4. 4. Mehrschichtiger Metallformkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blasengrößen der Metallschaummatrix (4) von einer Seitenfläche (2) des Metallformkörpers (1) zur gegenüberliegenden Seitenfläche graduell zunehmen.
  5. 5. Mehrschichtiger Metallformkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlageelement (3) in der Metallschaummatrix (4) vorgespannt ist.
  6. 6. Mehrschichtiger Metallformkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Seitenfläche (2) des Metallformkörpers (1) eine weitere Schicht (5) aus einem homogenen und/oder isotropen Material aufgebracht ist.
  7. 7. Mehrschichtiger Metallformkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Schicht (5) als Steinfolie ausgeführt ist.
  8. 8. Verwendung des Metallformkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als schussfestes starres Formteil.
  9. 9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Schicht (5) aus einem homogenen und/oder isotropen Material auf der dem Beschuss zugewandten Seitenfläche des Metallformkörpers (1) angeordnet ist. -7- ··
    • · · · · · · • t · t · ··· • · · ♦ · · HK-3099.AT ··
  10. 10. Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Metallformkörpers (1) mit folgenden Schritten: Bereitstellen einer Kokille (10) für den Metallformkörper (1); Anordnen zumindest eines ein- oder mehrteiligen Einlageelements (3) in Form eines schubweichen Ringgeflechts mit lose ineinander verbundenen Ringen in der Kokille (10); Aufschmelzen eines Metalls; Einleiten von Gas in das aufgeschmolzene Metall (16), um das aufgeschmolzene Metall (16) aufzuschäumen, wobei ein fließfähiger Metallschaum hergestellt wird; Verbringen des fließfähigen Metallschaums in die Kokille (10); und Abkühlen des Metalls in der Kokille (10), wobei das Metall erstarrt, um den Metallformkörper (1) zu bilden.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der fließfähige Metallschaum in die Kokille (10) gedrückt oder in diese gefüllt wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille (10) mit einer Füllöffnung (11) oberhalb der Metallschmelze (16) angeordnet wird, dass ein Hohlraum (12) der Kokille (10) in flüssigmetalldichtender Welse mit einem Füllstück (13) verbunden wird, wobei das Füllstück (13) in die Metallschmelze (16) einragt und dass der fließfähige Metallschaum durch das Füllstück (13) in den Hohlraum (12) der Kokille (10) geleitet wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille (4) mit einer Füllöffnung (11) oberhalb der Metallschmelze (16) angeordnet wird, dass ein Hohlraum (12) der Kokille (19) in flüssigmetalldichtender Weise mit einem Füllstück (13) verbunden wird, wobei das Füllstück (13) in die Metallschmelze (16) einragt, dass der Flüssigmetallspiegel der Metallschmelze (16) durch das Füllstück (13) und die Füllöffnung (11) nach oben in den Hohlraum (12) der Kokille (10) geleitet wird und dass die Metallschmelze (16) im Hohlraum (12) durch den fließfähigen Metallschaum verdrängt wird.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Einlegelement (3) vor dem Verbringen des fließfähigen Metallschaums vorgespannt wird.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schäumvorgang so gesteuert wird, dass die Blasengröße des Metallschaums während des Schäumens graduell zu- oder abnimmt.
  16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Seitenfläche (2) des erstarrten Metallformkörpers (1) eine weitere Schicht (5) aus ei- -8- ·· • · • · • ·· ···· ···· ·· ·· · · · t · t HK-3099.AT • · · · · · · • · · · » ··· • · · · · · ··· ·· · · ·· nem homogenen und/oder isotropen Material aufgebracht wird. -9-
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