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Die
Erfindung betrifft ein Dämpfungselement sowie die Herstellung
und Verwendung desselben.
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Stand der Technik
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Federelemente
zur elastischen Lagerung, Schwingungsisolierung und Geräuschdämmung
sind aus der Literatur als Dämpfungselemente bekannt. Insbesondere
Puffer in zylindrischer, konischer, taillierter oder balliger Form,
Anschlagpuffer und Parabelpuffer werden bereits kommerziell hergestellt.
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Als
Material für Dämpfungselemente haben sich u. a.
Gummi-Metall-Verbindungen als besonders geeignet für schwingungsdämpfende
Elemente, insbesondere für den Vibrationsschutz und zur
Körperschallisolierung herausgestellt. Häufig
werden auch Feder- und Dämpfungselemente aus einem Elastomer
eingesetzt.
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Ferner
haben sich Metallschäume als besonders geeignet für
Energieabsorptionsanwendungen herausgestellt, die die große
Festigkeit geschäumter Metalle kombiniert mit dem von der
porösen Struktur verursachten, stark nichtlinearen Verformungsverhalten
ausnutzen. Insbesondere wird über den Einsatz von Metallschäumen
auf Basis von Al, Zn, Ti und Mg für Dämpfungsanwendungen
berichtet. Dass Metallschäume für diese Art der
Verwendung bislang noch nicht so bekannt sind, liegt unter anderem
daran, das in der Vergangenheit die dafür zur Verfügung
stehenden Herstellungsverfahren aufwendig und damit teuer waren,
durchweg schwierig zu kontrollieren waren, und somit zu nur mäßig
reproduzierbaren Ergebnissen führten. Durch Weiter- bzw.
Neuentwicklung von Verfahren in den letzten 10 Jahren stehen heute
jedoch schmelz- und pulvermetallurgische Methoden zur Verfügung,
die diese Einschränkungen aufheben, darunter insbesondere
pulvermetallurgische Verfahren zur einfachen Herstellung geschäumter
Metalle auf der Basis von Aluminium und Aluminiumlegierungen [1].
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Neuerdings
wird auch über den Einsatz so genannter Formgedächtnislegierungen
nachgedacht, die in einem bestimmten Temperaturbereich Pseudoelastizität
und somit Dämpfungseigenschaften aufweisen.
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Formgedächtnislegierungen
(FGL) sind in der Lage beim Übergang vom austenitischen
Zustand in den martensitischen Zustand reversible Verformungen durchzuführen.
Dieser Übergang erfolgt bei der so genannten Übergangstemperatur
oder der Übergangsspannung. Im zweiten Fall spricht man
dann von einer spannungsinduzierten, reversiblen Phasenumwandlung,
der so genannten Pseudoelastizität. Der Formgedächtniseffekt
kann bei metallischen Legierungen oder auch bei Kunststoffen auftreten.
Eine heutzutage häufig verwendete FGL ist NITINO1 eine
Nickel-Titan-Legierung (Nickel Titan-Narval Ordnance Lab).
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Es
hat sich herausgestellt, dass das Dämpfungsvermögen
von NiTi-Elementen für Zerspanwerkzeuge von besonderem
Vorteil ist. Durch die NiTi-Dämpfung kann insbesondere
bei Verwendung lang auskragender Werkzeuge durch eine Schwingungsreduzierung
sowohl die Bauteilqualität verbessert, als auch die Werkzeugstandzeit
verlängert werden. Lang auskragende Werkzeuge kommen z.
B. beim Innen-Längs-Drehen zum Einsatz. Der Vorteil eines
Dämpfungselements aus NiTi liegt in dem hohen Dämpfungsvermögen
dieses Werkstoffs, bedingt durch die reversible spannungsinduzierte
Phasenumwandlung (Martensit-Austenit) bei gleichzeitig hoher Steifigkeit
des Spannelements.
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Die
Herstellung von porösem NiTi mit elastischen Eigenschaften
wird beispielsweise in [2] offenbart. Die Herstellung erfolgt über
einen HIP Prozess, bei dem das Ausgangsmaterial mit Argon gefüllte
Poren aufweist. Die Gesamtporosität ist bei Porengrößen
um 21 +/– 5 μm auf maximal 16 Vol.-% limitiert.
Die Formgedächtnislegierung weist eine geschlossene Porosität
auf.
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Die
prinzipielle Herstellung poröser Bauteile, insbesondere
aus einer Formgedächtnislegierung durch das Metal Injection
Molding (MIM) in Kombination mit der Platzhaltermethode mit z. B.
NaCl als Platzhalter zur endkonturnahen Herstellung, ist aus
DE 102 48 888 bekannt.
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Aufgabe und Lösung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dämpfungselement
mit hohen definierten Dämpfungseigenschaften zur Verfügung
zu stellen sowie ein geeignetes Verfahren zur Herstellung solcher
Dämpfungselemente zu schaffen.
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Die
Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Verfahren
zur Herstellung eines Dämpfungselements gemäß Hauptanspruch
sowie einem Dämpfungselement gemäß Nebenanspruch.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie des Systems ergeben
sich aus den jeweils rückbezogenen Ansprüchen.
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Gegenstand der Erfindung
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Im
Rahmen der Erfindung wurde gefunden, dass die Dämpfungseigenschaften
von Formgedächtnislegierungen um ein Vielfaches gesteigert
bzw. gezielt gesteuert werden können, wenn diese eine definierte
Porengröße aufweisen. Unter Porengröße
ist dabei nicht nur die reine Porengröße, sondern
auch der Zusammenhang mit der Gesamtporosität und auch
der Porenform zu verstehen.
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Alle
vorgenannten Eigenschaften können nunmehr erfindungsgemäß über
ein Verfahren der Herstellung unter Einsatz der Platzhaltermethode
gezielt und gesteuert eingestellt werden.
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Dabei
sind zwar verschiedene Methoden zur Herstellung von porösem
NiTi prinzipiell bekannt, und auch der Gedanke, poröses
NiTi als Dämpfungsmaterial einzusetzen ist an sich nicht
neu. Jedoch war es bislang nicht bekannt, ein Dämpfungsmaterial
mit definierten Eigenschaften gezielt über die Herstellung
von porösem NiTi, insbesondere konkrete Dämpfungselemente über
das Herstellungsverfahren des Metal Injection Molding (MIM) kombiniert
mit der Platzhalter-Methode (PH) endkonturnah und mit definierten
Eigenschaften herzustellen.
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Die
Porosität der erfindungsgemäßen NiTi-Legierung
kann durch die Platzhalter-Methode (PH) vorteilhaft zwischen 10
und 80%, bevorzugt zwischen 30 und 70% eingestellt werden. Ebenso
ist die Porengröße einstellbar im Bereich von
10 μm bis 1 mm, insbesondere im Bereich zwischen 100 und
500 μm. Aus der Kombination von Gesamtporosität
und Porengröße ergibt sich dann das für
die jeweiligen Einsatzbereiche erforderliche und gewünschte
Dämpfungsverhalten der Formgedächtniselemente.
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Zur
gezielten Einstellung dieser Eigenschaften können insbesondere
die Festlegung der Gesamtporosität, als auch die der Porengröße
beitragen. Je höher die Gesamtporosität gewählt
wird, desto geringer wird die Dichte des Materials. Bei einer vorgegebenen
Spannung kann dabei umso mehr Energie absorbiert werden, je höher
die Gesamtporosität gewählt wird, was besonders
für lastkontrollierte Anwendungen entscheidend ist. Auf
der anderen Seite kann bei einer vorgegebenen Stauchung um so mehr
Energie absorbiert werden, je geringer die Gesamtporosität
gewählt, und damit je dichter das Material ist. Dies ist
insbesondere bei dehnungskontrollierten Anwendungen wichtig.
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Die
mittlere Porengröße selbst hat auf die mechanischen
Eigenschaften und damit auf das Energieabsorptionsvermögen
des Materials nur einen geringen Einfluss. Jedoch ergeben sich häufig
auf Grund der beabsichtigten Anwendung Vorgaben für die
Porengröße und Ausrichtung. So können
z. B. sphärische oder zylindrische Formen der Poren mit
oder ohne Vorzugsrichtung erwünscht sein. Bei einer Anwendung
als Implantat sind beispielsweise regelmäßig Porengrößen
im Bereich von 100 bis 500 μm wichtig, um das Einwachsen
von körpereigenem Material zu ermöglichen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines
Dämpfungselements aus einer NiTi-Legierung weist folgende
Vorteile auf.
- – Die Dämpfung
erfolgt über die Pseudoelastizität. Dies bedeutet,
dass eine Stauchung bis maximal 8% reversibel verläuft.
Konventionelle, poröse Strukturen aus Aluminium, Titan
oder Magnesium verformen sich demgegenüber plastisch.
- – Ferner ist über das MIM-Verfahren eine relativ
freie Formgebung für das Dämpfungselement möglich.
- – Zudem kann eine Variation der Zusammensetzung der
Formgedächtnislegierung in Form von NiTi-X mit X wenigstens
einem Element der Gruppe Zirkonium, Hafnium, Neodym, Kupfer, Platin
oder Palladium erfolgen.
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Die
ternären oder auch quaternären Legierungen ermöglichen
vorteilhaft eine Anpassung an den gewünschten Einsatzbereich
für diese porösen Dämpfungselemente.
So führen beispiels weise Zirkonium, Hafnium, Palladium,
Platin und Neodym in der Regel zu einer Erhöhung der Phasenumwandlungstemperatur,
bei dem Zusatz von Neodym bildet sich regelmäßig
eine breitere Hysterese aus und Kupfer hat sich als vorteilhaft gegenüber
Ermüdungseigenschaften gezeigt.
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Spezieller Beschreibungsteil
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und
Figuren sowie einer Tabelle näher erläutert, ohne
dass dies zu einer Einschränkung des Schutzbereichs führt.
Es zeigen:
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1:
Spannungs-Stauchungs-Kurven von zwei Kennmaterialien aus [1]
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2a:
Spannungs-Stauchungs-Kurve eines Ausführungsbeispiels der
Erfindung im Anfangsbereich
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2b:
Absorbierte Energie in Abhängigkeit der Stauchung für
ein Ausführungsbeispiels der Erfindung im Anfangsbereich
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3a:
Spannungs-Stauchungs-Kurve eines Ausführungsbeispiels der
Erfindung
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3b:
Absorbierte Energie in Abhängigkeit der Spannung für
ein Ausführungsbeispiels der Erfindung
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Ausführungsbeispiel: Herstellung
eines NiTi Druckzylinders
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Mit
Hilfe des Metal Injection Molding (MIM)-Verfahrens werden sechs
poröse Zylinder mit folgender Geometrie hergestellt: Durchmesser
5,44 ± 0,02 mm, Höhe 8,01 ± 0,02 mm.
Als Material wird NiTi eingesetzt. Mit Hilfe der Platzhaltermethode
wird über NaCl als Platzhalter eine Porosität
von ca. 50 Vol.-% erzeugt, wobei Porengrößen zwischen
355 μm und 500 μm vorliegen. Die Bestimmung der
Porosität erfolgte über eine Dichtebestimmung
und eine Bildanalyse und ergab bei 10 identisch hergestellten Proben
eine Porosität von 49,1 ± 0,8 Vol.-%.
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Die
Charakterisierung von Dämpfungseigenschaften erfolgt üblicherweise über
ein Spannungs-Stauchungs-Diagramm, wie es in den 1, 2a und 3a zu
sehen ist. Während in 1 die Eigenschaften zweier
Kennmaterialien aus [1] aufgetragen sind, zeigt 2 den
Anfangsbereich der reversiblen Stauchung mit den pseudoelastischen
Eigenschaften eines Ausführungsbeispiels der Erfindung
und 3 das Verhalten desselben Materials
im gesamten Bereich bis zum Bruch des Materials.
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Die
absorbierte Energie für eine gegebene Stauchung entspricht
jeweils der Fläche unter der Spannungs-Stauchungskurve.
In 1 ist bei Stauchungen unter ca. 15 Vol.-% die
absorbierte Energie bei Material a höher als bei Material
b. Wird eine noch höhere Stauchung erreicht, absorbiert
nunmehr Material b mehr Energie aufgrund seines höheren
Plateauwertes. Je höher das Niveau des Plateaus ist (σQ in 1), und
je schneller dies erreicht wird, umso größer ist
die verzehrte Energie aufgrund der Deformation ε. Ein schnelles Ansteigen
der Spannungs-Stauchungskurve wird durch ein großes Druckmodul
ED ermöglicht. Bei Metallschäumen
sinkt nach dem Erreichen der Druckfestigkeit σD die
Spannung in der Regel leicht ab und erreicht die Größe
der Quetschfestigkeit σQ.
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In
der 2a ist der Anfangsbereich des reversiblen Spannungs-Stauchungsverhaltens
von 50 Vol.-% porösem NiTi bei Raumtemperatur als ein erstes
Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der reversible Bereich,
bei dem die auftretenden Formänderungen auf Grund der Pseudoelastizität
vollständig reversibel verlaufen, reicht bis ca. 4 Vol.-%
Stauchung. Die dazugehörige Energieabsorption ist der 2b zu
entnehmen. Die im reversiblen Bereich maximal absorbierte Energie
beträgt ca. 2,7 MJ/m3.
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Die
Spannungs-Stauchungskurve für eine 50 Vol.-% poröse
NiTi-Probe bei Raumtemperatur und die daraus ermittelte absorbierte
Energie sind in der 3a und 3b zu
sehen.
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Aus
diesem Ausführungsbeispiel wird ersichtlich, welch hohe
Energien in Abhängigkeit von der Spannung durch ein erfindungsgemäßes
Dämpfungselement absorbiert werden können. Die
Proben mit einer 50 Vol.-%igen Porosität zeigen eine maximale
absorbierte Energie von ca. 160 MJ/m
3 bei
einer Spannung von 600 MPa, bzw. einer Stauchung von 40%. Zum Vergleich
sind in der Tabelle 1 dem erfindungsgemäßen Dämpfungsmaterial
aus porösem NiTi übliche Dämpfungsmaterialien
aus Metallschäumen aus dem Stand der Technik gegenübergestellt.
Dabei sind das Material, die vorangegangene Wärmebehandlung,
die dann vorliegende Dichte und die dabei erzielte Energieabsorption
als Kennwerte eingetragen. Tabelle 1: Energieabsorption
| Matrixlegierung | AlMg1SiCu (6061) | AlMg1SiCu (6061) | AlSi7 | AlSi7 | AlSi12 | NiTi
50 Vol.-% |
| Wärmebehandlung | ausgehärtet | unbehandelt | unbehandelt | unbehandelt | unbehandelt | elektrolytisch
poliert, as sintered |
| Dichte [g/cm3] | 0,60 | 0,60 | 0,55 | 0,63 | 0,60 | 3,45 |
| Energieabsorption
[kJ/dm3 = MJ/m3]
bei Stauchung von: |
| 50% | 7,9 | 7,7 | 4,4 | 5,3 | 3,1 | |
| 40% | | | | | | 160 |
| 8% | | | | | | 7 |
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Ferner
ergeben sich folgende prinzipielle Vorteile der Dämpfungselemente
aus einer porösen NiTi-Formgedächtnislegierung.
Je höher die vorgegebene Porosität, umso geringer
wird die Dichte und umso höher fallen die absorbierten
Energien bei einer vorgegebenen Stauchung aus. Dabei ermöglicht
die hierbei auftretende höhere Deformation bei schon geringeren
Spannungen vorteilhaft eine lastkontrollierte Anwendung. Bei geringeren
Porositäten liegen darin zwar höhere Dichten vor,
jedoch werden bei vorgegebener Stauchung höhere Energien
absorbiert, so dass eine solche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Dämpfungsmaterials, insbesondere für dehnungskontrollierte
Anwendungen, interessant ist.
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Durch
den Zusatz wenigstens eines dritten Legierungselementes aus der
Gruppe von Zirkonium, Hafnium, Neodym, Platin, Palladium oder Kupfer
kann zudem vorteilhaft die Phasenumwandlungstemperatur des hauptsächlich
als Hochtemperatur-Formgedächtnislegierung vorliegenden
Materials variiert werden, und somit auch der Einsatzbereich dieser
Legierungen als Dämpfungselemente. Geeignete Einsatzbereiche
für erfindungsgemäß hergestellte Dämpfungselemente
mit definierten Dämpfungseigenschaften sind insbesondere die
Lagerung von Motorblöcken oder die Lagerung von vibrierenden
Maschinen.
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In der Anmeldung zitierte Literatur:
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- [1] J. Banhart, J. Baumeister, in „Das
Verformungsverhalten geschäumter Metalle", Metall, 51.
Jahrgang, Nr. 1–2 (1997) Seite 25 ff..
- [2] Christian Greiner, Scott M. Oppenheimer, David C.
Dunand, in „High strenght low stiffness, porous NiTi with superelastic
properties", Acta Biomaterialia 1 (2005) 705–716.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - J. Banhart,
J. Baumeister, in „Das Verformungsverhalten geschäumter
Metalle", Metall, 51. Jahrgang, Nr. 1–2 (1997) Seite 25
ff. [0033]
- - Christian Greiner, Scott M. Oppenheimer, David C. Dunand,
in „High strenght low stiffness, porous NiTi with superelastic
properties", Acta Biomaterialia 1 (2005) 705–716 [0033]