AT504305B1 - Mehrschichtiger metallformkírper mit einer metallschaummatrix und dessen verwendung - Google Patents

Description

ifcftsTisfcistke AT504 305B1 2009-09-15

Beschreibung [0001] Metallformkörper und Verfahren zur Herstellung eines Metallformkörpers [0002] Die gegenständliche Erfindung betrifft einen mehrschichtigen Metallformkörper mit einer Metallschaummatrix, in die ein ein- oder mehrteiliges Einlageelement eingebettet ist, wobei die Metallschaummatrix und das Einlageelement formschlüssig miteinander verbunden sind.

[0003] 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, netzartigen 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 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. Ebenso zeigt die WO 99/52661 A1 einen solchen Metallformkörper, allerdings nicht in Bezug auf beschusssichere Bauteile.

[0004] Die CH 295 800 und das zugehörige Hauptpatent CH 386 292 zeigen eine elastische mehrschichtige schusssichere Schutzweste, bei der mehrere Lagen in der Art hart-elastischhartelastisch-... nebeneinander angeordnet werden. Eine harte Schicht kann dabei aus feinen ineinander vernieteten oder geflochtenen Ringen bestehen. Die Wirkung gegen Beschuss ergibt sich dabei allerdings nur aus dem Umlenken eines eindringenden Geschosses an den harten Schichten und ist somit beschränkt.

[0005] Verfahren zur Herstellung von Metallformkörpern aus Metallschaum gehen aus der WO 03/074163 A1 oder der EP 1 482 062 A1 hervor.

[0006] 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.

[0007] Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst, indem das Einlageelement als schubweiches Ringgeflecht mit lose ineinander verbundenen Ringen ausgebildet ist.

[0008] Unter Belastung (durch seitlichen Anprall oder unter Beschuss) gleiten die einzelnen Ringe des schubweichen Ringgeflechts in der Metallschaummatrix aneinander ab. Dadurch wird 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 Metallformteil kann somit ein sehr leichter Bauteil mit der höchsten Beschussklasse B7 erzielt werden. Ein solcher Metallformteil kann z.B. als Panzerung bei Fahrzeugen oder an Gebäuden verwendet werden, aber auch als Schild für Personen.

[0009] 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.

[0010] Je nach Anwendung kann die Metallschaummatrix eine im Wesentlichen monomodale Blasengrößenverteilung aufweisen. Die Blasengrößen der Metallschaummatrix können aber 1 /10 pätsmamt AT504 305B1 2009-09-15 auch von einer Seitenfläche des Metallformkörpers zur gegenüberliegenden Seitenfläche graduell zunehmen, wodurch die Festigkeit des Metallformkörpers weiter erhöht werden kann.

[0011] Eine weitere Erhöhung der Festigkeit des Metallformkörpers erzielt man, durch eine Vorspannung des Ringgeflechts in der Metallschaummatrix.

[0012] 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 zuzuwenden.

[0013] Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand der schematischen, nicht einschränkenden Figuren 1 bis 7 beschrieben, die vorteilhafte Ausführungsbeispiele zeigen. Dabei zeigt [0014] Fig. 1 eine Darstellung eines mehrschichtigen Metallformkörpers, [0015] Fig. 2 bis 4 Querschnitte eines erfindungsgemäßen Metallformkörpers, [0016] Fig. 5 eine Ansicht eines Ringgeflechts, [0017] Fig. 6 Beispiele möglicher Ringe für ein Ringgeflecht und [0018] Fig. 7 eine Vorrichtung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Metallformkörpers.

[0019] Fig. 1 zeigt einen starren, flächigen, mehrschichtigen Metallformkörper 1, wobei die Längen-, Höhen- und Breitenverhältnisse vorteilhaft gemäß der Beziehung I, h » b gewählt werden, 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 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.

[0020] 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 denkbar, 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 Einlage-element(e) 3 vor dem Einbetten in die Metallschaummatrix 4 mit einer bestimmten Kraft F vorzuspannen.

[0021] Der Metallschaum 4 weist in einer bevorzugten Ausführung eine im Wesentlichen mo-nomodale 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 entsprechende Steuerung des Schäumprozesses möglich ist.

[0022] Selbstverständlich ist es möglich die obigen Ausgestaltungen und Anordnungen beliebig 2/10 ί>ίίί»ί:««''6ί pätsmamt ΑΤ504 305 Β1 2009-09-15 zu kombinieren und somit auf eine bestimmte Anwendung abzustimmen.

[0023] 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 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 aufprallendes Geschoss aufgebrochen und die Bahn des Geschosses verändert (im Wesentlichen indem es beim Aufprall ins Trudeln gebracht wird) und die Wirkung somit abgemindert.

[0024] Ein Einlegeelement 3 ist erfindungsgemäß als schubweiches Ringgeflecht ausgeführt, wie in 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 Fierstellung eines solchen Ringgeflechts ist an sich bekannt und erfolgt z.B. durch Verschweißen der einzelnen 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, ausgeführt sein. In Fig. 6 sind Beispiele möglicher Ringformen dargestellt, wobei in einem Geflecht unterschiedliche Ringformen auch kombiniert werden können.

[0025] 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 Metallschaummatrix 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 Schockwellenausbreitung 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, aber auch als Schild für Personen.

[0026] 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 Blasengröße 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 15m Entfernung.

[0027] Nachfolgend wird anhand der Fig. 7 beispielhaft die Fierstellung eines erfindungsgemäßen Metallformteils 1 beschrieben.

[0028] In einer zweiteiligen Kokille 10 wird ein oder mehrere, ein- oder mehrteilige Einlegeele-ment(e) 3 in Form eines schubweichen Ringgeflechts mit lose ineinander verbundenen Ringen 6 in der gewünschten Position innerhalb eines Flohlraums 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 Flohlraum 12 der Kokille 10 ist über eine Einfüllöffnung 11 und einem Füllstück 13 (oder einer ähnlichen Einrichtung) mit dem Ofen 14 verbunden. Das Füll- 3/10

Claims (9)

1. &tC>'?iC3iSCMS pateffiamt AT504 305 B1 2009-09-15 stück 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 Impeller, vorgesehen. Geeignete Schäumvorrichtungen und Schäumverfahren sind z.B. in den Patenten EP 1 288 320 B1 und EP 1 419 835 B1 der Anmelderin beschrieben. Der Schäumeinrichtung 18 wird über eine Zuleitung 20 Gas, vorzugsweise Luft, zugeführt, das über die Schäumeinrichtung 18 in das flüssige Metallbad 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 Blasen 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 Kokille 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. [0029] Nach dem Befüllen wird die Kokille 10 bzw. der darin befindliche Metallformkörper 1 abgekühlt, bis der flüssige Metallschaum verfestigt ist und die Metalischaummatrix 4 bildet. Danach kann die Kokille 10 geöffnet und der fertige Metallformkörper 1 entnommen werden. [0030] 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 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 Hohlräum 12, bis dieser zur Ausbildung der Metailschaummatrix 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 Metallband 16 langsam abgesenkt wird. [0031] 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. [0032] 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 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. 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. 4/10 öits'rsKä sches (ötsmäftrt AT504 305 B1 2009-09-15
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. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 5/10 ί>ίίί»ί:««''β pätsmamt ΑΤ 504 305 B1 2009-09-15 6/10