DE102005023595A1

DE102005023595A1 - Leichtbau-Verbundwerkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102005023595A1
Application number: DE102005023595A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Girlich
Original assignee: Mpore GmbH; M Pore GmbH
Current assignee: Mpore GmbH; M Pore GmbH
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2025-05-19
Also published as: DE102005023595B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen zellularen Verbundwerkstoff, der sich durch eine weitgehend gleichmäßige Struktur und damit durch ein hohe Reproduzierbarkeit von mechanischen Kennwerten auszeichnet, und ein Feingußverfahren zu dessen Anwendung. Zudem sind vorteilhafte Verwendungen angegeben. Erfindungsgemäß besteht der Leichtbau-Verbundwerkstoff aus zwei- oder dreidimensional zueinander angeordneten metallischen Hohlkugeln 2, die von einem Metall, einer Metalllegierung oder mehreren unterschiedlichen Metalllegierungen, deren Schmelzpunkte unterhalb des Schmelzpunktes der Stützschalen der Hohlkugeln 2 liegen, umschlossen sind. Für die Herstellung des Werkstoffes ist wesentlich, dass offenporiger Metallschaum 3 als Gießfilter und als Stütze gegen das Aufschwimmen der Hohlkugeln 2, die in einem endkonturnahen Formkörper 1 eingeschüttet sind, wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft einen zellularen Verbundwerkstoff, der sich durch eine weit-gehend gleichmäßige Struktur und damit durch eine hohe Reproduzierbarkeit von mechanischen Kennwerten auszeichnet, und ein Feingußverfahren zu dessen Herstellung. Zudem werden vorteilhafte Verwendungen des Werkstoffes angegeben.
In der Technik besteht vielfach die an sich ambivalente Forderung, daß bewegte Massen möglichst wenig Gewicht bei guten mechanischen Kennwerten vereinen. Insbesondere werden im Maschinenbau leichte und stabile bewegliche Bauteile verlangt, damit die Bearbeitungs-/Arbeitsgeschwindigkeit gesteigert werden kann ohne an Präzision einzubüßen.
Unter diesen Aspekten hat geschlossenporiger Metallschaum als Werkstoff in jüngster Zeit zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die hohe spezifische Steife und das gute Energieabsorptionsvermögen machen diesen Metallschaum für den Leichtbau überaus interessant.

Aus den Schriften EP 0804982 , DE 197 34 394 , DE 42 06 303 , DE 197 44 300 , DE 11 64 102 , DE 603 00 068 , JP 2,898,437 , JP A-55 138039, US 5,865,237 und WO 02/22295 sind Verfahren zur Herstellung von Metallschaum bekannt, bei denen ein Gemisch aus gasabspaltendem Treibmittel und Metallpulver benutzt wird. Derartige Gemische werden zu Rohren, Stangen oder Platten kompaktiert und in entsprechenden Formen aufgeheizt. Beim Schmelzen des Metalls wird das Treibmittel freigesetzt und schäumt das Metall auf.

Für die Herstellung von geschlossenporigen Metallschaum ist in DE 102 05 070 ein Verfahren zur Herstellung von Metallschaum-Verbundkörpern beschrieben. Dieses Verfahren ermöglicht eine flexible und eine nahezu größenunabhängige Herstellung von Metallschaum-Verbundkörpern mit komplexer Oberflächenkontur sowie Metallschaum-Laminat, indem auf einen Grundkörper aus Metallschaum eine Beschichtung aufgebracht wird. Dadurch wird ein Verbundbauteil erzeugt, das eine dünne massive Außenhaut mit einem tragenden, dämpfenden Metallschaumkern aufweist.

Aus den Druckschriften DE 198 32 794 und DE 44 16 371 sind Verfahren bekannt, um Hohlprofile aus Metallschaum herzustellen. Dazu wird ein gepreßter Rohling, der aus einem auszuformenden metallischen Werkstoff und einem Schäummittel besteht, abschnittsweise aufgeschäumt. Die Form des erzeugten Metallschaumkörpers entspricht in etwa der Innenkontur des Hohlprofils. Das Verfahren wird verbessert, indem bereits im Zuge der Herstellung des Hohlprofils dieses mit aufschäumender Metallschmelze ausgefüllt wird.

In DE 197 53 658 wird vorgeschlagen, für ein Umformverfahren mittels Metallschaum als Umformdruckmedium auf ein Deckblech einzuwirken, wobei dieses plastisch verformt und an die Endkontur des herzustellenden Verbundkörpers angepreßt wird.

Aus DE 101 31 041 ist ein Verfahren zur Herstellung von Metallschäumen bekannt, daß metallisches Pulver mit einem Treibgas gemischt auf einen metallischen Träger aufschleudert. Dieses Spritzverfahren arbeitet mit relativ niedriger Temperatur und erzielt eine relativ gute Verdichtung der aufgespritzten Metallpartikel. Eine derartige Zusammensetzung erzeugt eine zellartige Auflage auf dem Substrat.

Nachteil der beschriebenen Herstellungsverfahren ist, daß die Poren in den aufgeschäumten Metallen durch Zufallsprozesse entstanden sind. Ebenso unterliegt die Porengröße einer zufälligen Verteilung, die sich nachteilig besonders auf die mechanische Festigkeit, die Bearbeitbarkeit und die Möglichkeit stabile Befestigungen an den Verbundkörper anzubringen, auswirkt. Die äußere Schale der Metallschäume ist zudem nicht glatt und erfordert eine Nachbearbeitung durch Laminieren, Beschichten oder Umhüllen mittels Profile. Lötverbindungen zwischen Deckplatte und Metallschaum sind aufgrund der rauhen Oberfläche nur schwer herstellbar und führen zu einer überproportionalen Gewichtszunahme des Bauteils. Diese Arbeitsschritte verteuern das Produkt erheblich und erfordern eine aufwendige Qualitätskontrolle. Die Auswahl möglicher Legierungen für schäumbare Metalle ist des weiteren eingeschränkt; hinzu kommt, daß die Treibmittelzusätze zu spröden Bauteilen führen.

In den Schriften DE 100 46 174 , EP 0300543 , US 4,917,857 , US 5,713,974 , DE 197 50 042 , DE 198 17 959 , DE 199 17 874 , DE 101 60 640 und DE 196 03 196 werden Verfahren zur Herstellung von Hohlkugeln mit keramischer oder metallischer Stützschale beschrieben, die im Leichtbau vorteilhafte Anwendungen finden sollen. Für spezifische Anwendungen werden die Stützschalen mit Funktionsschichten überzogen. Derartige Funktionsschichten können als Korrosionsschutz, Siedeschicht, verbesserte Adhäsionsverbindung, Infrarot-Reflektor oder Kleber ausgeführt sein.

Zur Herstellung von Leichtbauelementen werden Hohlkugeln in einen Formkörper oder ein die äußere Hülle des Leichtbauelementes bildendes Gefäß möglichst volumenfüllend gefüllt. Die Verdichtung erfolgt durch Druck oder Vibration. Durch Auswahl der Funktionsschicht können die Hohlkugeln verklebt, versintert oder durch ein aufschäumbares Material, wie Polymer oder Metallschaum, verstärkt werden. Derart umschäumte Hohlkugeln weisen gute Dämpfungs- und Isolationseigenschaften auf; versinterte Hohlkugeln können bekanntermaßen als Kern in einem Formwerkzeug in einer Kunststoffspritzgußmaschine umspritzt werden.

Die Herstellung von Kugelschüttungen ist zwar einfach zu bewerkstelligen, führt jedoch beim Verkleben zu mechanisch wenig belastbaren und unter thermischen Einwirkungen sich rasch auflösenden Verbunden. Der Sinterprozeß ist mit hohen Kosten verbunden und hat zudem den Nachteil, daß die Kugeln nur über Kontaktstellen verbunden sind, so daß ein so strukturiertes Bauteil mechanisch nur bedingt für höhere Belastungen geeignet ist. Ursächlich hierfür ist auch, daß die einzelnen Hohlkugeln von vornherein eine geringe mechanische Festigkeit besitzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der geschäumten Metalle, namentlich die zufällige Verteilung der Poren und deren Größe zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst; weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich jeweils aus den nachfolgenden Unteransprüchen. Verwendungen, für die der erfindungsge mäße Leichtbau-Verbundwerkstoff prädestiniert ist, können den Ansprüchen 10 bis 13 entnommen werden.

Der Leichtbau-Verbundkörper wird demzufolge mittels metallischer Hohlkugeln und einem Metall, einer oder mehrerer metallischen Legierungen als Matrix-Element nach dem Feingußverfahren hergestellt, wobei offenporiger Metallschaum als Stütze für die ansonsten während des Gießprozesses aufschwimmenden Metallkugeln genutzt wird. Erfindungsgemäß wird demgemäß eine Schüttung aus metallischen Hohlkugeln durch Vakuumguß umschlossen.

Es ist also auch vorgesehen, daß die Hohlkugeln von verschiedenartigen Metalllegierungen, die mit Ihren Schmelzpunkten alle unterhalb des Schmelzpunktes der Stützschalen der Kugeln liegen, umschlossen werden. Vorzugsweise werden jedoch Schmelzen aus Aluminium und dessen Legierungen eingesetzt.

Das Verfahren, Verbundkörper aus metallischen Hohlkugeln und metallischen Schmelzlegierungen herzustellen, ist durch folgende Schritte charakterisiert:

a) ein endkonturnaher Formkörper wird mit metallischen Hohlkugeln gefüllt, deren Durchmesser nachhaltig die mechanische Festigkeit und das Gewicht des Verbundkörpers bestimmen, wobei es vorteilhaft sein kann, daß Kugeln unterschiedlichen Durchmessers eingesetzt werden, da so eine vollständigere Füllung des Volumens des Formkörpers erreicht wird,
b) die Eingußstelle wird mit einem offenporigen Metallschaum belegt, wobei die Legierung des Metallschaums identisch sein kann zu der zum Umgießen gewählten Legierung oder höherschmelzend; im ersten Fall löst sich der Metallschaum während des Eingußprozesses auf, so daß dieses Metall homogen im Gußteil verbleibt,
c) die Form wird entsprechend der Gießfähigkeit der Legierung vorgeheizt,
d) das Metall wird eingefüllt, wobei der offenporige Metallschaum als Gießfilter und Stütze gegen das Aufschwimmen der Hohlkugeln wirkt; der Metallschaum kann die Metallkugeln auch vollumfänglich umschließen.

Die metallischen Hohlkugeln werden bevorzugt so eingebracht, daß eine dreidimensionale Hohlkugelschüttung entsteht; ggf. kann es vorteilhaft sein, die Kugeln nur zweidimensional, also flächig anzuordnen.

Dem Wesen der Erfindung folgend ist auch vorgesehen, die Hohlkugelschüttung durch Einlegen von unidirektional ausgerichtete Fasern aus Glas und/oder Carbon oder Aramid zu verstärken. Zudem kann die Oberfläche des Leichtbau-Verbundwerkstoffes durch eine gegossene Außenhaut, die dadurch entsteht, daß die Hohlkugeln gesintert oder gepackt in die Form eingebracht sind, glatt erzeugt werden. Der Gießwerkstoff kann – neben Aluminium und dessen Legierungen – vorteilhaft auch aus Kupfer und dessen Legierungen sowie aus einer Legierung aus niedrig schmelzendem Stahl D2 bestehen.

Der erfindungsgemäße Leichtbau-Verbundwerkstoff besteht also aus kleinen und sehr leichten metallischen Hohlkugeln, die in eine Form gebracht und über einen Gießprozeß mit einem flüssigen Metall infiltriert werden. Durch die Kugeln werden viele Grenzflächen und Hohlräume geschaffen, wodurch, verbunden mit der Möglichkeit Krafteinleitungs- und Befestigungselemente zu integrieren, dies zu deutlich reduziertem Gewicht bei gleichzeitig definiert einstellbaren Verformungseigenschaften führt. Durch das niedrige spezifische Gewicht, dem gleichmäßigen und gut reproduzierbaren Schaumaufbau, den guten Formgebungsmöglichkeiten und das günstige Energieabsorptionsvermögen bietet dieser zellulare Verbundwerkstoff vielfältige Vorteile für den Leichtbau. Insbesondere für Sandwichkonstruktionen kann der Verbundwerkstoff als Kernmaterial eingesetzt werden und liefert dabei gute Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften. Das günstige Energieabsorptionsvermögen von geschlossenporigen Schäumen verspricht darüber hinaus stark modulierbare Lösungen für Crash-Probleme.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes bietet sich so u. a. als Leichtbauelement im Maschinen- und Fahrzeugbau, z. B. als energieabsorbierende Strukturbauteile, aber auch als Dämpfungselement für Schall und Schwingung an. Ebenso vorteilhaft kann er angewendet werden für sicherheitsrelevante Bereiche (Brandschutztür, Minenschutz, Schutzplatte vor Beschuß und Stichwaffen). Zudem können Rohrleitungen, Tiefziehwerkzeuge, begehbare Platten im Fahrzeug- und Wohnungsbau weitere vorteilhafte Anwendungen sein.

Der Verbundwerkstoff kann zudem ohne weiteres mit anderen Materialien kombiniert sein; vorteilhafte Anwendungen sind z. B. Rohre oder Platten, die mit Aluminium oder Zink umgossen in Stahlprofilen eingebracht sind. Des weiteren kann der erfindungsgemäße Werkstoff als 3D-Gußteil mit komplexer Kontur ausgeführt sein.

Für die weitaus meisten Anwendungsfälle wird das formsteife, stoffschlüssige Verbundgußteil aus metallischen Hohlkugeln und Metall, als Platte, Stange oder Rohr konfektioniert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1 zeigt hierzu, daß zunächst in einem endkonturnahen Formkörper 1 eine Schüttung von Metallkugeln 2 eingebracht wird, die während des Gießprozesses durch den offenporigen Metallschaum 3 so abgedeckt wird, daß die Kugeln 2 nicht aufschwimmen können. In den Hohlräumen 4, die zwischen den Kugeln 2 entstehen, wird eine Aluminiumlegierung eingebracht. Der Leichtbau-Verbundwerkstoff besteht also aus dreidimensional zueinander angeordneten metallischen Hohlkugeln 2, die in einer Aluminium-Matrix eingebettet sind.
Aus 2 ist zu entnehmen, daß die offenporige Metallstruktur 3, die in beschriebener Weise als Gießfilter und Stütze wirkt, die Kugelschüttung vollumfänglich umschließt, so daß, wenn der Schmelzpunkt des Metallschaums 3 gleich oder niedriger als der des Gießwerkstoffes ist, eine homogene umschließende Metallschicht 5 entsteht. Der offenporige Metallschaum 3 kann die Kugelschüttung auch nur partiell einhüllen; in jedem Fall muß diese Abdeckung wie beschrieben oberflächlich, also am Einguß, vorhanden sein.
3 und 4 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung in Form von Rohr bzw. Stange.

Claims

Leichtbau-Verbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß er aus zwei- oder dreidimensional zueinander angeordneten metallischen Hohlkugeln, die von einem Metall, einer Metalllegierung oder mehreren unterschiedlichen Metalllegierungen, deren Schmelzpunkte unterhalb des Schmelzpunktes der Stützschalen der Kugeln liegen, umschlossen sind, besteht.
Leichtbau-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Hohlkugeln unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Leichtbau-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Hohlkugeln symmetrisch angeordnet sind.
Leichtbau-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkugelstruktur durch Einlagen von unidirektional ausgerichteten Fasern aus Glas und/oder Carbon oder Aramid verstärkt sind.
Leichtbau-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Hohlkugeln von Aluminium oder dessen Legierungen umschlossen sind.
Leichtbau-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Hohlkugeln von Kupfer oder dessen Legierung umschlossen sind.
Leichtbau-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Hohlkugeln von einer Legierung aus dem niedrig schmelzenden Stahl D2 umschlossen sind.
Verfahren zur Herstellung eines Leichtbau-Verbundwerkstoffes gemäß Anspruch 1 bis 7 unter Verwendung metallischer Schmelzen, wobei a) ein endkonturnaher Formkörper (1) mit metallischen Hohlkugeln (2) gefüllt, b) die Eingußstelle mit einem offenporigen Metallschaum (3), hergestellt aus dem gleichen oder einem höher schmelzenden Werkstoff wie dem Gießwerkstoff, abgedeckt, c) der Formkörper (1) entsprechend der Gießfähigkeit des Gießwerkstoffes vorgeheizt und d) der Gießwerkstoff durch den offenporigen Metallschaum (3), der als Gießfilter und als Stütze gegen das Aufschwimmen der Hohlkugeln (2) wirkt, eingefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der offenporige Metallschaum (3) so in den Formkörper (1) eingebracht wird, daß er die Schüttung der metallischen Hohlkugeln (2) vollumfänglich oder partiell umschließt.
Verwendung des Leichtbau-Verbundwerkstoffes nach Anspruch 1 bis 9 als Kernmaterial in Sandwichkonstruktionen, beispielsweise in Stahlprofilen und Arbeitstischen für Werkzeugmaschinen.
Verwendung des Leichtbau-Verbundwerkstoffes nach Anspruch 1 bis 9 als energieabsorbierendes Strukturbauteil, beispielsweise als Stoßfänger an Fahrzeugen.
Verwendung des Leichtbau-Verbundwerkstoffes nach Anspruch 1 bis 9 als Dämpfungselement für Schall, Schwingungen, Wärme und Hitze, beispielsweise als Brandschutztür.
Verwendung des Leichtbau-Verbundwerkstoffes nach Anspruch 1 bis 9 als Schutzmodul, beispielsweise als Schutzplatte vor Hohlladungen, Beschuß und Stichwaffen.