DE10003175A1 - Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauelementes und Leichtbauelement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauelementes aus gesintertem metallischen, oxidischen oder keramischen Hohlkugeln, bei dem auf die Hohlkugeln eine Beschichtung aufgebracht wird und die beschichteten Hohlkugeln als Schüttung in eine Einrichtung zur Formgebung des Leichtbauelementes eingebracht werden. DOLLAR A Innerhalb der Einrichtung werden die Beschichtungen einer physikalischen und/oder chemischen Behandlung ausgesetzt, bei der die aneinander liegenden Beschichtungen verschiedener Hohlkugeln miteinander verbunden werden. DOLLAR A Als Beschichtung kann ein metallisches Pulver oder ein Kunststoffpulver ausgewählt werden, welche eine Schmelztemperatur aufweisen, die geringer ist als die Temperatur, bei der die Hohlkugeln instabil werden. DOLLAR A Die Erfindung betrifft auch Leichtbauelemente, die nach dem Verfahren hergestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauelementes aus gesinterten metallischen, oxidi­ schen oder keramischen Hohlkugel sowie eine Leichtbau­ element, welches nach dem Verfahren hergestellt wurde.

Die Herstellung und Anwendung gesinterter metallischer, oxydische oder keramischer Hohlkugeln sind allgemein bekannt. Da weisen die Hohlkugeln je nach dem vorgesehenen Einsatzzweck sehr unterschiedliche Strukturen und Geome­ trien auf.

Die EP 0 300 543 A1 beschreibt ein Verfahren zum Her­ stellen von metallischen oder keramischen Hohlkugeln, bei dem eine Feststoffschicht auf ein im wesentlichen kugel­ förmiges Teilchen aus geschäumten Polymer aufgebracht und der beschichtete Polymerkern pyrolysiert wird. Die kugel­ förmigen Teilchen werden dabei unter Bewegung mit einer wässrigen Suspension behandelt, die gelöstes oder suspen­ diertes Bindemittel und metallische und/oder keramische Pulverteilchen enthält. Die beschichteten und getrockneten Teilchen werden unter Bewegung bei 400 bis 500°C pyroly­ siert und bei Temperaturen von 1000 bis 1500°C unter Bewe­ gung gesintert.

Die DE 197 50 042 C2 beschreibt die Herstellung eines schüttfähigen Produktes, welches aus je einem Kern mit mindestens einer Hüllschicht besteht. Die Kerne werden zum Aufbau der Hüllschicht durch einen kegelförmigen Rotor mit vertikaler Rotorachse sowie oberhalb des Rotors peripher und statisch angeordneten Leitschaufeln in eine Umwälzung versetzt. Die Hüllschicht wird aus einem pulverförmigen Ausgangsmaterial und einem flüssigen Bindemittel aufge­ baut. Die Trocknung der Hüllschicht erfolgt während oder nach der Beschichtung der Kerne durch Beaufschlagung mit einem Trocknungsgas.

Die derart hergestellten Hohlkugeln können in eine ge­ sonderte Sinterform eingebracht und derart hohen Tempera­ turen ausgesetzt werden, dass die einzelnen Hohlkugeln mit einander versintern. Regelmäßig erfolgt das unter mecha­ nischen Drücken und mit Deformierungen der einzelnen Hohlkugeln.

Die DE 198 17 959 C1 gibt ein Leichtbauelement an, das mit wenigstens eine äußere Oberflächenschicht und eine Füllung aufweist, wobei die Füllung aus metallischen Hohlkugeln besteht, die fest miteinander verbunden sind. Die Ober­ flächenschicht besteht aus Aluminiumblechen oder Carbon­ platten. Die metallischen Hohlkugeln sind mit einem auf Klebstoffbasis formulierten Klebstoff verklebt. Der Kleber kann auf Polyurethan- oder Polyesterbasis, Epoxykleber oder PMMA beruhen. Die metallischen Hohlkugeln werden dabei mit dem Klebstoff zu einem "Kugelbrei" vermischt und dieser vor dem Aushärten zwischen die Oberflächenschichten eingebracht.

Die Lösung hat dabei den Nachteil, dass grundsätzlich Oberflächenschichten vorhanden sein müssen, und dass der "Kugelbrei" umgehend vor dem Aushärten verarbeitet werden muss. Die Suspension aus Hohlkugeln und Klebstoff kann sich während der Einbringung zwischen die Oberflächen­ schichten auch entmischen.

Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauelementes der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die gesinterten metalli­ schen, oxidischen oder keramischen Hohlkugel derart aufbe­ reitet werden, dass Sie zu beliebiger Zeit und ohne ge­ sonderte Vorbereitungen zu einem Leichtbauelement geformt werden können. Die Menge des eingesetzten Beschichtungs­ materials soll weitgehend minimiert werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Leichtbauelement, welches nach einem derartigen Verfahren hergestellt wurde.

Die Erfindung löst die Aufgabe für das Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkma­ le. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 gekennzeichnet und werden nach­ stehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung, einschließlich der Zeichnung, näher dargestellt. Die Aufgabe für ein Leichtbauelement wird in Anspruch 10 angegeben.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass auf die ges­ interten metallischen, oxidischen oder keramischen Hohlku­ geln, aus denen ein Leichtbauelement geformt werden soll, in einem relativ unabhängigen Verfahrensabschnitt eine Beschichtung aufgebracht wird, die geeignet ist, dass sie später im Verfahrensschritt der Formgebung mit einer physikalischen oder chemischen Behandlung derart an- bzw. aufgelöst oder aufgeschmolzen werden kann, dass die anein­ ander liegenden Beschichtungen verschiedener Hohlkugeln sich miteinander verbinden.

Die Beschichtung wird mit einem beliebigen als solche bekannte Verfahren auf die fertig gesinterten Metallkugeln aufgebracht, wobei die Beschichtung auch unmittelbar in einem Verfahrenszyklus mit der Herstellung der Hohlkugeln auf diese aufgebracht werden kann.

Die Beschichtung kann in einem breiten Maße aus verschie­ denen Materialien ausgewählt werden. Nach Anspruch 2 wird als Beschichtung ein metallisches Pulver ausgewählt, welches eine Schelztemperatur aufweist, die geringer ist, als die Temperatur, bei der die Hohlkugeln instabil wer­ den. Beispielsweise kann die Hohlkugel aus einem rost­ freien hochfesten und hitzebeständigen Edelstahl-Sinter­ metall bestehen und die Beschichtung aus einer Kupferle­ gierung. Die Beschichtung kann auch aus einem niedrig schmelzenden Metallpulver wie eine Zinnlegierung her­ gestellt werden. In jedem Fall ist der spätere Einsatz­ zweck für die Materialauswahl ausschlaggebend.

In einer Vielzahl von Fällen kann es ausreichend oder vorteilhaft sein, wenn entsprechend Anspruch 3 als Be­ schichtung ein Kuststoffpulver ausgewählt wird, welches physikalisch durch Wärme oder auch chemisch durch ge­ eignete Lösungsmittel zu einer Art Kunststoff-Klebstoff aktiviert werden kann.

Von besonderer Bedeutung ist es, dass die Verbindung der einzelnen Hohlkugeln untereinander mittels des Beschich­ tungsmaterials erfolgt, welches grundsätzlich gegenüber der jeweiligen Hohlkugel als relativ dünne Beschichtung aufgebracht wird. Entgegen der bekannten Lösungen nach dem Stand der Technik bleiben die Hohlkugeln im Wesentlichen als solche erhalten, d. h. sie werden nicht mechanisch verformt. Auch zwischen den einzelnen Hohlkugeln bleiben die Räume vorhanden, d. h. diese Räume werden nicht durch Kleber ausgefüllt. Die einzelnen Hohlkugeln werden mittels des Beschichtungsmaterials im Wesentlichen nur an den Berührungsflächen miteinander verbunden. Die Menge des eingesetzten Beschichtungsmaterials kann gegenüber dem Stand der Technik wesentlich minimiert werden und damit kann auch die Gesamtmasse des fertigen Leichtbauelementes relativ gering gehalten werden.

Die Aktivierung der Beschichtung zur Verbindung der ein­ zelnen Hohlkugeln miteinander kann mittels verschiedener physikalischer oder chemischer Verfahren erfolgen. Maß­ gebend ist jeweils der spätere Einsatzzweck des Leichtbau­ elementes, die verwendeten Materialien für die Hohlkugeln und das spezifisch ausgewählte Material für die Beschich­ tung. In vielen Fällen kann das Beschichtungsmaterial durch Wärme aufgeschmolzen werden. Die Wärme kann dabei beispielsweise mittels Heißluft, Strahlungswärme oder Induktionswärme zugeführt werden. Nach Anspruch 4 ist es auch möglich, ein flüssiges oder gasförmiges Reaktions­ medium durch die Schüttung zu leiten. Dieses Verfahren kann besonders vorteilhaft bei der Anwendung von Kunst­ stoffen als Beschichtungsmaterial angewendet werden.

Nach Anspruch 5 kann es für spezifische Anwendungen vor­ teilhaft sein, wenn die Schüttung vor der physikalisch oder chemischen Behandlung mechanisch verdichtet wird. Neben einfachen Druckverdichtungen eignen sich dabei insbesondere Verfahren mit Vibrationsverdichtung. Dabei können besonders vorteilhaft auch spezifische Ausformungen oder Hinterschneidungen dicht mit Hohlkugeln verfüllt werden. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass die be­ schichteten Hohlkugeln trocken eingebracht werden können und bei diesem somit kein Verkleben auftreten kann.

Das Verfahren eignet sich in besonderer Weise zur Her­ stellung eines Leichtbauelementes ohne eine gesonderte Oberflächenschicht, die Oberfläche wird durch die jeweils äußeren Hohlkugeln gebildet, wobei die jeweilige Größe der Hohlkugeln auch die Rauigkeit der Oberfläche definiert. Diese Oberfläche kann wahlweise auch mit beliebigen Be­ schichtungen versehen werden. Anspruch 6 gibt ein Verfah­ ren an, bei dem vor dem Einbringen der Schüttung in die Einrichtung zur Formgebung des Leichtbauelementes an die Wandung der Einrichtung ein Hüllmaterial angebracht wird, welches sich während der physikalischen oder chemischen Behandlung mit den Beschichtungen verbindet. Dadurch kann auch eine beispielsweise glatte oder spezifisch aufgeraute äußere Oberfläche erzielt werden, je nachdem wie die Oberfläche der Einrichtung zur Formgebung strukturiert ist.

Es kann auch vorteilhaft sein, wenn nach Anspruch 7 die Schüttung innerhalb der Einrichtung nur einer ersten physikalischen oder chemischen Behandlung ausgesetzt wird, derart dass danach das Leichtbauelement als Roh-Leichtbau­ element problemlos aus der Einrichtung entnommen werden kann. Das als solches gut handhabbare Roh-Leichtbauelement kann danach in besonderer Weise eine Endbehandlung unter­ zogen werden. Beispielsweise kann das Roh-Leichtbauelement dann im Ruhezustand einer umfangreicheren Sinterung unter­ zogen werden. Dabei kann das Verfahren auch derart er­ weitert werden, dass die Hohlkugeln als solche an ihren Berührungspunkten miteinander sintern und das Beschich­ tungsmaterial im Wesentlichen verdampft wird.

Dabei kann die erste physikalische oder chemische Be­ handlung auch mit Verfahren erfolgen, die überwiegend nur die äußeren Bereiche beeinflussen.

Insbesondere für komplizierte Formteile kann es vorteil­ haft sein, wenn das Roh-Leichtbauelement entsprechend Anspruch 8 mit einer ersten Form hergestellt wird und die endgültige Form des Leichtbauelementes ausgebildet wird, indem vor der endgültigen physikalischen oder chemischen Behandlung das Roh-Leichtbauelement mit gesonderten tech­ nischen Mitteln bearbeitet wird. Als gesonderte technische Mittel können spanlose Verformungen (Biegen oder Pressen) oder auch spanende Verformungen eingesetzt werden. In einem solchen Fall ist es vorteilhaft, ein Material für die Beschichtung auszuwählen, welches der vorgesehene Verformung standhält, ohne dass das Roh-Leichtbauelement auseinander bricht. Vorteilhaft ist dabei ein Beschich­ tungsmaterial, welches in mehreren Stufen härtbar ist, d. h. bei dem nach der ersten physikalischen oder che­ mischen Behandlung die Verbindung zwischen den einzelnen Hohlkugeln noch relativ leicht plastisch verformbar ist und die endgültige Härte der Verbindungen erst bei einer endgültigen physikalischen oder chemischen Behandlung hergestellt wird.

Das Verfahren kann zyklisch angewandt werden, wobei das Leichtbauelement chargenweise in einer formgebenden Ein­ richtung hergestellt wird. Das Verfahren kann aber auch kontinuierlich oder quasi kontinuierlich ausgebildet werden. Im letzteren Fall können insbesondere Leichtbau­ elemente in Form von Halbzeugen vorteilhaft hergestellt werden.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbei­ spiel näher erläutert werden. Dabei soll ein Schwingungs­ dämpfer mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen Schnitt durch eine Einrichtung zur Formgebung des Leichtbauelementes.

Als Leichtbauelement 1 soll im Ausführungsbeispiel ein Schwingungsdämpfer aus gesinterten korrosionsfesten metal­ lischen Hohlkugeln hergestellt werden. Die gesinterten Hohlkugeln werden in einem gesonderten Prozess außerhalb der Erfindung hergestellt und weisen einen äußeren Durch­ messer von ca. 1,0 mm auf.

Diese Hohlkugeln werden in einer Einrichtung, wie sie im Stand der Technik unter der Patentschrift DE 197 50 042 C2 beschrieben ist, mit einem Pulver aus einer Kupferlegie­ rung, auch kurz nur Kupferpulver genannt, beschichtet. Die Dicke der Beschichtung beträgt ca. 0,3 mm. Dabei ist dieser Verfahrensschritt relativ selbstständig gegenüber den nachfolgenden Verfahrensschritten.

Zur Ausformung des Leichtbauelementes 1 in Form eines Schwingungsdämpfers wird eine Einrichtung 2 eingesetzt, die aus mehreren Einzelteilen besteht, welche an Verbin­ dungsflächen 3 spaltfrei zur Einrichtung 2 zusammengefügt und nach der Herstellung des Leichtbauelementes 1 auch wieder getrennt werden können.

Die Einrichtung 2 weist oben eine Einfüllöffnung 4 auf und im Bereich der inneren Oberflächen sind elektrische Hei­ zelemente 5 vorgesehen. Die Einrichtung 2 ist auf einer Vibrationseinrichtung 6 gelagert.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Anwendung der beschriebenen Einrichtung 2 näher erläutert.

Die mit Kupferpulver beschichteteten Hohlkugeln werden durch die Einfüllöffnung 4 in die Einrichtung 2 einge­ füllt. Dabei wird die Vibrationseinrichtung 6 in Betrieb gesetzt, damit die Hohlkugeln dicht in alle Ausformungen der Einrichtung 2 eingebracht werden. Parallel dazu werden bereits die elektrischen Heizelemente 5 mit einer Span­ nungsquelle verbunden und die gesamte innere Oberfläche der Einrichtung 2 wird aufgeheizt. Dadurch kommt es zum Schmelzen des als Beschichtung auf den Hohlkugeln befind­ lichen Kupferpulvers. Die geschmolzene Kupferlegierung umschließt die Hohlkugeln und verbindet sich mit dem geschmolzenen Material auf anderen Hohlkugeln. Nach einer empirisch vorgegebenen Zeit werden die elektrischen Hei­ zelemente 5 von der Spannungsquelle getrennt und die Einrichtung 2 kühlt relativ schnell auf eine Temperatur ab, bei der die geschmolzene Kupferlegierung erstarrt.

Gegebenenfalls kann über gesonderte Öffnungen an der inneren Oberfläche der Einrichtung 2 Kühlluft durch das poröse Leichtbauelement 1 geleitet werden.

In diesem Verfahrensschritt ist es nicht erforderlich, dass auch das im Inneren der Hohlkugel-Schüttung befindli­ che Kupferpulver vollständig aufgeschmolzen wurde. Wichtig ist, dass die Hohlkugel-Schüttung mindestens im äußeren Bereich so intensiv mit Kupferpulver verschmolzen ist, dass ein stabil handhabbares Roh-Leichtbauelement aus der formgebenden Einrichtung entnommen werden kann.

Nachfolgend wird das Roh-Leichtbauelement in einem weite­ ren gesonderten Verfahrensschritt in einem Sinterofen einer weiteren Wärmebehandlung unterzogen, derart dass im Wesentlichen das gesamte Kupferpulver aufgeschmolzen wird. Durch eine spezifische Auswahl der Kupferlegierung wird dabei gesichert, dass das Roh-Leichtbauelement seine Stabilität behält und letztlich das gewünschte fertige Leichtbauelement in Form eines Schwingungsdämpfers ausge­ bildet wird.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das be­ schriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist es ohne weiteres möglich, das Beschichtungsmaterial im angegebenen Umfang in weiten Grenzen zu variieren. Insbesondere kann auch eine nachfolgende Oberflächenbeschichtung durch­ geführt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauelementes aus gesinterten metallischen, oxidischen oder keramischen Hohlkugeln, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Hohl­ kugeln eine Beschichtung aufgebracht wird, dass die beschichteten Hohlkugeln als Schüttung in eine Ein­ richtung (2) zur Formgebung des Leichtbauelementes (1) eingebracht werden und dass die Beschichtungen einer physikalischen und/oder chemischen Behandlung ausge­ setzt wird, bei der die aneinander liegenden Beschich­ tungen verschiedener Hohlkugeln miteinander verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtung ein metallisches Pulver ausge­ wählt wird, welches eine Schmelztemperatur aufweist, die geringer ist als die Temperatur, bei der die Hohl­ kugeln instabil werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtung ein Kunststoffpulver ausgewählt wird, welches eine Schmelztemperatur aufweist, die geringer ist als die Temperatur, bei der die Hohlku­ geln instabil werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung der aneinander liegenden Beschich­ tungen verschiedener Hohlkugeln ein flüssiges oder gasförmiges Reaktionsmedium durch die Schüttung gelei­ tet wird, welches die Beschichtungen mindestens kurz­ zeitig derart erweicht, dass sich die aneinander lie­ genden Beschichtungen miteinander verbinden.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schüttung vor der physikalischen oder chemischen Behandlung einer mechanischen Verdichtung ausgesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen der Schüttung in die Einrichtung zur Formgebung des Leichtbauelementes an die Wandung der Einrichtung ein Hüllmaterial angebracht wird, welches sich während der physikalischen oder chemischen Behandlung mit den Beschichtungen verbindet.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schüttung innerhalb der Einrichtung (2) zur Formgebung einer ersten physikalischen oder chemischen Behandlung aus­ gesetzt wird, bei der die Beschichtungen mindestens derart miteinander verbunden werden, dass ein handhab­ bares Roh-Leichtbauelement aus der Einrichtung ent­ nehmbar ist, und dass das Roh-Leichtbauelement au­ ßerhalb der Einrichtung einer endgültigen physika­ lischen oder chemischen Behandlung zur Ausbildung des Leichtbauelementes (1) unterzogen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Roh-Leichtbauelement vor der endgültigen physikalischen oder chemischen Behandlung mechanisch verformt wird.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schüttung in einem kontinuierlich oder quasi kontinuierlichen Pro­ zess in eine Einrichtung zur Formgebung eingebracht wird und das Leichtbauelement bzw. das Roh-Leichtbau­ element nach der physikalischen oder chemischen Be­ handlung kontinuierlich oder quasi kontinuierlich aus der Einrichtung entnommen wird.

10. Leichtbauelement, welches mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt wurde.