DE102009060701A1

DE102009060701A1 - Superleichter Metallaufbau von Formteilen mit bedarfsorientierter Porenstruktur sowie Vorrichtung und Verfahren dazu

Info

Publication number: DE102009060701A1
Application number: DE102009060701A
Authority: DE
Inventors: Johann-Marius Milosiu
Original assignee: Milosiu Johann-Marius Dipl-Ing 91058
Current assignee: Milosiu Johann-Marius Dipl-Ing 91058
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2011-06-30

Abstract

Eine neue Technologie für die Herstellung von extrem leichten Formteilen aus Metall wird vorgestellt. Dabei werden präzise positionierte Gas- oder Vakuumeinschlüsse in den Formteilen geschickt plaziert um den Erfordernissen der mechanischen Festigkeit für das Formteil zu entsprechen bei gleichzeitigem Fehlen von überflüssiger Metallmasse. Dieses Verfahren erlaubt die Herstellung von superleichten Formteilen mit bedarfsorientierter Porenstruktur, die eine gewisse Ähnlichkeit mit der von Knochen hat. Diese Formteile werden durch Verschweißung von aufeinander geschichteten Scheiben oder Blechelementen realisiert, wobei vorher Oberflächen-Aussparungen genau berechneter Größe und Ausdehnung mittels eines galvanisch unterstützten Ätzverfahren darauf praktiziert wurden. Das Gebilde wird in einer Vorrichtung „gebacken” indem die Blechelemente bei hoher Temperatur aufeinander gepreßt werden, wobei zur Unterstützung auch ein elektrischer Strom hoher Intensität hindurchgeführt wird. Diese Vorrichtung hat eine eigene Heizung und erlaubt die Separierung von der Umgebung, so dass das Verschweißen der Blechelemente unter Vakuum oder Schutzgas stattfindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen superleichten Metallaufbau eines beliebigen Formteils hergestellt mit einer bedarfsorientierten Porenstruktur und ein entsprechendes Herstellungsverfahren mittels einer geeigneten Vorrichtung.
Stand der Technik
Leichtbau-Werkstoffe und Formteile sind bereits bekannt und kommen vor hauptsächlich im Flugzeugbau, Automobilbau oder Schiffsbau und zeichnen sich aus durch hohe Steifigkeit sowie geringe Dichte. Siehe dazu DE 10 2006 056 167 oder WO 2008/019809 . All diese Werkstoffe haben jedoch keine sehr genaue Struktur, es werden meistens chaotisch aufgeteilte Gaseinschlüsse im Metall oder Sandwich-Strukturen im Kauf genommen. Für die Anwendung im Bereich schnell drehender Rotoren, wie etwa für Gaszentrifugen oder Turbinen, eignen sich diese Werkstoffe jedoch nicht, da hierfür eine sehr genaue Aufteilung der Gaseinschlüsse notwendig wäre – um der hohen Materialbeanspruchung stand zu halten – welche aber bei solchen Verfahren nicht realisierbar sind.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft die Möglichkeit den Aufbau von Formteilen mit hoher innerer Präzision in der Aufteilung von Gaseinschlüssen oder gar der Durchbrüche verschiedener Größen zu realisieren, was zur Entstehung einer maßgeschneiderten Porenstruktur führt, die ähnlich der von Knochen ist. Praktisch jede Metallsorte eignet sich für dieses Verfahren, von wenigen Ausnahmen abgesehen. Durch die große Herstellungspräzision bedingt sind nachfolgende spanabhebende Metallbearbeitungsschritte praktisch überflüssig.
Kurzbeschreibung
Das komplette Formteil, was z. B. auch ein Rotationskörper als Rotor einer Gaszentrifuge sein kann, wird für diesen Zweck entworfen, wobei das vorrangige Ziel ist, so wenig Metall wie möglich bei gleichzeitiger Einhaltung von gleichmäßig verteilten Höchstbelastungswerten der mechanisch beanspruchten Flächen zu erreichen. Wenn einmal die mechanische Struktur festgelegt ist, werden vorzüglich per Computerprogramme Querschnitte durch das Formteil oder z. B. durch den gewünschten Rotationskörper berechnet, wie für die Zusammensetzung des Formteils aus dünnen aufeinander gestapelten Scheiben eben notwendig. Diese Scheiben oder Blechelemente werden in einem speziellen lithographischen Ätzverfahren – ähnlich dem benutzt für die Herstellung von Siliziumchips – aus Blech vom gewünschtem Metall hergestellt und in einem thermischen oder thermoelektrischen Prozeß aufeinander gepreßt und zu einem monolithischen Körper verschweißt. Um unerwünschte Einschlüsse von Metalloxiden zu vermeiden, muss die Verpressung und Verschweißung unter Schutzgas oder Vakuum stattfinden. Eine weitere Variante dieses Verfahren benutzt eine Lotschicht zwischen den Blechelementen, wobei diese Lotschicht kein Lot im herkömmlichen Sinne ist, sondern nur eine dünne Schicht eines anderen Metalls, wie z. B. Gold – möglich auch z. B. Platin, Iridium, Aluminium aber auch geeignete Legierungen u. s. w., – das sehr gute Verbindungseigenschaften aufweist, wobei eine feste Pressung bei erhöhter Temperatur und längere Preßzeit bereits für die Herstellung einer tragfähigen Verbindung ausreicht.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 Ansicht von oben, Schnitt A-A und Schnitt B-B durch ein Formteil hergestellt mit bedarfsorientierter Porenstruktur
2 Unterschiedliche Ausführungsvarianten der Porenstruktur
3 Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von Formteilen mit bedarfsorientierter Porenstruktur
4 Wichtige technologische Schritte des Verfahrens zur Herstellung der Porenstruktur von Blechelementen
Beschreibung
Die Herstellung von Formteilen als Superleichtem Metallaufbau beginnt mit dem Entwurf der Querschnitte durch das gewünschte Teil, welche letztendlich zum Entwurf von Belichtungsmasken 40 führen, die für die galvanisch unterstütze Ätzung von Blechelementen 1 dient. Diese Blechelemente 1 haben eine geeignete Anzahl von Oberflächen-Aussparungen 2 die aneinander großflächig verbunden oder vorrangig verschweißt sind. Diese Oberflächen-Aussparungen 2 sind günstig und genau so plaziert, dass die mechanische Festigkeit des zu erstellenden Formteils in mindestens einer Ebene hoch ist, bei gleichzeitigem Fehlen relativ großer Mengen von Füllmasse; dadurch entsteht eine wabenähnliche Struktur 3, die große oder kleinere aber regelmäßig verteilte Gaseinschlüsse – in einer weiteren Ausführungsvariante Vakuumeinschlüsse – oder Poren bilden, um den Erfordernissen der hohen mechanischen Festigkeit zu genügen bei gleichzeitig geringem Eigengewicht. Die Oberflächen-Aussparungen 2 der übereinander geschichteten und verschweißten Blechelemente 1 sind in miteinander korrespondierenden Spalten und Zeilen angeordnet, welche Geraden oder Kurven – abhängig von den Erfordernissen der mechanischen Auslegung – entsprechen, wobei die Wände 8 der die wabenähnliche Struktur 3 bildenden Oberflächen-Aussparungen 2 genau vorberechnete Stärken oder Dicken haben. In einer anderen Ausführungsvariante die Blechelemente 1 sind mittels eines Lots 9 – nicht dargestellt in den Zeichnungen – großflächig verbunden, welches vorrangig aus einer anderen Metallsorte besteht, mit günstigen Eigenschaften für die Realisierung der Verbindung durch Diffusion bei moderat hohen Temperaturen und Druck oder durch Verschmelzung. Die Endform des erfindungsgemäßen Formteils in jedem Blechelement 1 stellt sich als Schicht dieses Formteils dar, wobei die Waben- oder Poren-Struktur 3 auch durch Formteil bedingte Unterbrechungen 21, 22, 23 geprägt ist. Die Oberflächen-Aussparungen 2 in den Blechelementen 1 sind gestaltet entweder:

– beidseitig mit mittiger Vollplatte 4, oder
– einseitig mit seitlicher Vollplatte 5, oder
– als Durchbrüche mit separater Vollplatte 6 als weiteres Blechelement des Schichtaufbaus.

Die Wände 8 der Oberflächen-Aussparungen 2 in den Blechelementen 1 haben nur die Dicke, die unbedingt notwendig ist, um die meistens geringen mechanischen Belastungen zu übernehmen in den anderen Richtungen als die Hauptbelastungsebene. Die Vollplatten 4, 5, 6, als Teil der Blechelemente 1, 1a, 1b, 1c sowie ein Teil der Wände 8 sind nach der Richtung der maximalen mechanischen Belastung orientiert, der das Formteil in der praktischen Benutzung ausgesetzt ist und dementsprechend stark dimensioniert.
Das Verfahren zur Herstellung von superleichtem Metallaufbau von Formteilen mit bedarfsorientierter Porenstruktur verwendet folgende technologische Schritte:

– Herstellung von Blechelementen 1 mit endformorientierter Gestaltung 1a 1b 1c – s. 2 – aus dem Rohmaterial mit einer bestimmten Dicke in einem lithographischen Ätzverfahren und Prozeß wie folgt: – Bereitstellung von Rohlingen 29 für die Herstellung der Blechelemente 1 oder 1a oder 1b oder 1c mit Konturen, die annähernd dem des Gewünschten entsprechen – Beschichtung mit Ätzresist oder Fotolack 30 auf beiden Seiten des Rohlings 29 – Belichtung mit UV-Licht mittels Masken 40 – nicht dargestellt in den Zeichnungen – und Entwicklung der Vorlage, wobei die Anteile 32 des Fotolacks 30 die vom UV-Licht durchdrungen wurden, jetzt aufgelöst und entfernt werden, so dass nur die Stege 31 übrig bleiben – Die so vorbereiteten Rohlinge 39 werden in einem Elektrolyt 33, der als wasserlösliches Salz des Metalls aus denen der Rohling 29 besteht, getaucht, wo sie zwischen 2 plattförmigen Elektroden 37 und 38 plaziert werden, wobei der Rohling 29 an den positiven Pol 35 einer externen Stromversorgung mit der Spannung U und beide Elektroden 37, 38 an den negativen Pol 36 derselben Stromversorgung angeschlossen werden; es findet ein beschleunigter und sehr genauer galvanischer Abtrag von Metall aus den Rohlingen 29, der die Oberflächen-Aussparungen 2 bildet und zwar nur an den Stellen, welche nicht durch Fotolack 30 bedeckt sind; – Am Ende des galvanisch unterstützten Ätzprozesses entsteht das Blechelement 1, 1a, 1b, 1c, wobei genaue Konturen dieses oder großflächige Durchbrüche ohne Struktur ermöglicht werden und zwar dadurch, dass die Ätzung von beiden Seiten des Rohlings von statten geht.
– Aufeinanderschichtung von Blechelementen 1 in einem beheizbaren zylindrischen Raum 10 separiert von der Umgebung und versehen mit einem verschiebbaren Kolben 11, so dass darin ein Vakuum oder ein Schutzgas 12 vorhanden ist, dergestalt, dass die angepeilte innere Struktur des Formteils unter Einsatz von Zentrierungshilfen 13 entsteht;
– Erhöhung der Temperatur innerhalb des zylindrischen Raums 10 auf einem hohen Wert „T” (Kelvin) bei gleichzeitiger Ausübung eines geeigneten Anpreßdruckes „p” auf den Kolben 11, wobei die Werte der Parameter „p” und „T” ausreichend sein sollen, um eine großflächige Verschweißung der Blechelemente 1 untereinander zu erreichen;
– In einer anderen Ausführungsvariante folgt gleichzeitig auch die Zuschaltung eines elektrischen Strornes „i” von geeignetem Wert, um die Verschweißung der Blechelemente zu beschleunigen, zwischen dem Kolben 11 und dem Boden 14 des zylindrischen Raumes 10, dergestalt dass die einzelnen Blechelemente 1 insbesondere an den Stellen, wo sie aneinander berühren, vom Strom „i” durchflossen sind;
– Beibehaltung der beschriebenen Bedingungen für eine bestimmte Zeit, die ausrechend ist, um eine mechanisch tragfähige Verbindung zwischen den Blechelementen 1 entstehen zu lassen;
– Abkühlen des zylindrischen Raumes 10 bis zu einem Temperaturwert T₁, der ausreichend niedrig ist, um das Formteil aus dem zylindrischen Raum ohne Gefahr für seine Integrität oder für das Bedienungspersonal zu entnehmen, indem man den Kolben 11 hebt und das Formteil herauszieht.

Die o. a. Technologie bedarf einer Vorrichtung wie nachfolgend beschrieben, um ausgeführt werden zu können. Ein zylindrischer Raum 10 mit dicht darauf befestigtem metallischem Boden 14 dient als Aufnahme für die Gruppe von Blechelementen 1 während des Herstellungsverfahrens, wobei die Wände des zylindrischen Raumes 10 aus einem elektrisch isolierenden und beheizbaren Material besteht, wie etwa Keramik, während der Kolben 11 aus Metall ist und gleitend im zylindrischen Raum 10 sich bewegen kann, wobei er als Teil einer Preßvorrichtung 17 definiert ist, welche die Kraft F und den Anpreßdruck „p” für die Erfordernisse der angewendeten Technologie ausüben kann, und wobei eine leistungsfähige Heizung 18 in den Wänden des zylindrischen Raumes 10 angebracht ist, welche die erforderliche Temperaturen T und T1 für die Erfordernisse der angewendeten Technologie erzeugen kann. Die Abdichtung des zylindrischen Raumes 10 sowie des Kolbens 11 ist mittels Metallbalg 27 realisiert. Der abnehmbare Ring (28) aus wärmedämmendem Material dient der thermischen Isolierung nach oben des zylindrischen Raumes 10. Eine Pumpe 15 ist vorhanden, die durch Leitungen 16 und Ventil 26 im zylindrischen Raum 10 Vakuum erzeugen kann und wobei durch die Leitungen 16 und Ventil 25 der zylindrischen Raum 10 mit Schutzgas geflutet werden kann. Sowohl der Kolben 11 als auch der Boden 14 ist mit elektrischen Leitungen an einer elektrischen Stromversorgung 20 angeschlossen, die in der Lage ist, den Strom „i” gemäß der Erfordernissen der angewendeten Technologie zu erzeugen. Der Kolben 11 und der Boden 14 besteht aus einem anderen Metall als das der Blechelemente 1, dergestalt, dass keine Verschweißung zueinander während des Preßvorgangs entstehen kann, wobei aber der elektrische Strom ungehindert fließen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006056167 [0002]
WO 2008/019809 [0002]

Claims

Superleichter Metallaufbau eines Formteils, dadurch gekennzeichnet, dass a. eine geeignete Anzahl von Blechelementen (1) mit vorgeätzten Oberflächen-Aussparungen (2) aneinander großflächig verbunden oder vorrangig verschweißt sind, b. welche Oberflächen-Aussparungen (2) günstig und genau so plaziert sind, dass die mechanische Festigkeit des zu erstellenden Formteils in mindestens einer Ebene hoch ist, bei gleichzeitigem Fehlen relativ großer Mengen von Füllmasse, c. und so eine wabenähnliche Struktur (3) entsteht, die große oder kleinere aber regelmäßig verteilte Gaseinschlüsse – in einer weiteren Ausführungsvariante Vakuumeinschlüsse – oder Poren bilden, um den Erfordernissen der hohen mechanischen Festigkeit zu genügen bei gleichzeitig geringem Eigengewicht, d. wobei die Oberflächen-Aussparungen (2) der übereinander geschichteten und verschweißten Blechelemente (1) in miteinander korrespondierenden Spalten und Zeilen angeordnet sind, welche Geraden oder Kurven – abhängig von den Erfordernissen der mechanischen Auslegung – entsprechen, wobei die Wände (8) der die wabenähnliche Struktur (3) bildenden Oberflächen-Aussparungen (2) genau vorberechnete Stärken oder Dicken haben.
Metallaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer anderen Ausführungsvariante die Blechelemente (1) mittels eines Lots (9) – nicht dargestellt in den Zeichnungen – großflächig verbunden sind, welches vorrangig aus einer anderen Metallsorte besteht, mit günstigen Eigenschaften für die Realisierung der Verbindung durch Diffusion bei moderat hohen Temperaturen und Druck oder durch Verschmelzung.
Metallaufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Endform des erfindungsgemäßen Formteils in jedem Blechelement (1) als Schicht dieses Formteils sich darstellt, wobei die Waben- oder Poren-Struktur (3) auch durch Formteil bedingte Unterbrechungen (21), (22), (23) geprägt ist.
Metallaufbau nach Anspruch 1 oder einem der nachfolgendem, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen-Aussparungen (2) in den Blechelementen (1) entweder a. beidseitig mit mittiger Vollplatte (4), oder b. einseitig mit seitlicher Vollplatte (5), oder c. als Durchbrüche mit separater Vollplatte (6) als weiteres Blechelement des Schichtaufbaus. gestaltet sind.
Metallaufbau nach Anspruch 1 oder einem der nachfolgendem, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (8) der Oberflächen-Aussparungen (2) in den Blechelementen (1) nur die Dicke haben, die unbedingt notwendig ist, um die meistens geringen mechanischen Belastungen zu übernehmen in den anderen Richtungen als die Hauptbelastungsebene beschrieben im Anspruch 6.
Metallaufbau nach Anspruch 1 oder einem der nachfolgendem, dadurch gekennzeichnet, dass die Vollplatten (4), (5), (6), als Teil der Blechelemente (1), (1a), (1b), (1c) sowie ein Teil der Wände (8) nach der Richtung der maximalen mechanischen Belastung orientiert sind, der das Formteil in der praktischen Benutzung ausgesetzt ist, wobei sie dementsprechend dick dimensioniert sind.
Verfahren zur Herstellung von superleichtem Metallaufbau von Formteilen mit bedarfsorientierter Porenstruktur entsprechend der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass folgende technologische Schritte stattfinden: a. Herstellung von Blechelementen (1) mit endformorientierter Gestaltung (1a) (1b) (1c) – s. 2 – aus dem Rohmaterial mit einer bestimmten Dicke in einem lithographischen Ätzverfahren und Prozeß wie folgt: i. Bereitstellung von Rohlingen (29) für die Herstellung der Blechelemente (1) oder (1a) oder (1b) oder (1c) mit Konturen, die annähernd dem des Gewünschten entsprechen ii. Beschichtung mit Ätzresist oder Fotolack (30) auf beiden Seiten des Rohlings (29) iii. Belichtung mit JV-Licht mittels Masken (40) – nicht dargestellt in den Zeichnungen – und Entwicklung der Vorlage, wobei die Anteile (32) des Fotolacks (30) die vom UV-Licht durchdrungen wurden, jetzt aufgelöst und entfernt werden, so dass nur die Stege (31) übrig bleiben iv. Die so vorbereiteten Rohlinge (39) werden in einem Elektrolyt (33), der als wasserlösliches Salz des Metalls aus denen der Rohling (29) besteht, getaucht, wo sie zwischen 2 plattförmigen Elektroden (37) und (38) plaziert werden, wobei der Rohling (29) an den positiven Pol (35) einer externen Stromversorgung mit der Spannung U und beide Elektroden (37), (38) an den negativen Pol (36) derselben Stromversorgung angeschlossen werden; es findet ein beschleunigter und sehr genauer galvanischer Abtrag von Metall aus den Rohlingen (29), der die Oberflächen-Aussparungen (2) bildet und zwar nur an den Stellen, welche nicht durch Fotolack (30) bedeckt sind; v. Am Ende des galvanisch unterstützten Ätzprozesses entsteht das Blechelement (1), (1a), (1b), (1c), wobei genaue Konturen dieses oder großflächige Durchbrüche ohne Struktur ermöglicht werden und zwar dadurch, dass die Ätzung von beiden Seiten des Rohlings von statten geht. b. Aufeinanderschichtung von Blechelementen (1) in einem beheizbaren zylindrischen Raum (10) separiert von der Umgebung und versehen mit einem verschiebbaren Kolben (11), so dass darin ein Vakuum oder ein Schutzgas (12) vorhanden ist, dergestalt, dass die angepeilte innere Struktur des Formteils unter Einsatz von Zentrierungshilfen (13) entsteht; c. Erhöhung der Temperatur innerhalb des zylindrischen Raums (10) auf einem hohen Wert „T” (Kelvin) bei gleichzeitiger Ausübung eines geeigneten Anpreßdruckes „p” auf den Kolben (11), wobei die Werte der Parameter „p” und „T” ausreichend sein sollen, um eine großflächige Verschweißung der Blechelemente (1) untereinander zu erreichen; d. In einer anderen Ausführungsvariante folgt gleichzeitig auch die Zuschaltung eines elektrischen Stromes „i” von geeignetem Wert, um die Verschweißung der Blechelemente zu beschleunigen, zwischen dem Kolben (11) und dem Boden (14) des zylindrischen Raumes (10), dergestalt dass die einzelnen Blechelemente (1) insbesondere an den Stellen, wo sie aneinander berühren, vom Strom „i” durchflossen sind; e. Beibehaltung der beschriebenen Bedingungen für eine bestimmte Zeit, die ausrechend ist, um eine mechanisch tragfähige Verbindung zwischen den Blechelementen (1) entstehen zu lassen; f. Abkühlen des zylindrischen Raumes (10) bis zu einem Temperaturwert T₁, der ausreichend niedrig ist, um das Formteil aus dem zylindrischen Raum ohne Gefahr für seine Integrität oder für das Bedienungspersonal zu entnehmen, indem man den Kolben (11) hebt und das Formteil herauszieht.
Vorrichtung für die Ermöglichung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zylindrischer Raum (10) mit dicht darauf befestigtem metallischem Boden (14) als Aufnahme für die Gruppe von Blechelementen (1) während des Herstellungsverfahrens dient, wobei die Wände des zylindrischen Raumes (10) aus einem elektrisch isolierenden und beheizbaren Material besteht, wie etwa Keramik, während der Kolben (11) aus Metall ist und gleitend im zylindrischen Raum (10) sich bewegen kann, wobei er als Teil einer Preßvorrichtung (17) definiert ist, welche die Kraft F und den Anpreßdruck „p” für die Erfordernisse der angewendeten Technologie ausüben kann, und wobei eine leistungsfähige Heizung (18) in den Wänden des zylindrischen Raumes (10) angebracht ist, welche die erforderliche Temperaturen T und T1 für die Erfordernisse der angewendeten Technologie erzeugen kann; dabei sind folgende Details von Bedeutung: a. die Abdichtung des zylindrischen Raumes (10) sowie des Kolbens (11) ist mittels Metallbalg (27) realisiert b. der abnehmbare Ring (28) aus wärmedämmendem Material dient der thermischen Isolierung nach oben des zylindrischen Raumes (10) c. eine Pumpe (15) ist vorhanden, die durch Leitungen (16) und Ventil (26) im zylindrischen Raum (10) Vakuum erzeugen kann und wobei durch die Leitungen (16) und Ventil (25) der zylindrischen Raum (10) mit Schutzgas geflutet werden kann d. sowohl der Kolben (11) als auch der Boden (14) ist mit elektrischen Leitungen an einer elektrischen Stromversorgung (20) angeschlossen, die in der Lage ist, den Strom „i” mit hoher Intensität gemäß der Erfordernissen der angewendeten Technologie zu erzeugen e. der Kolben (11) und der Boden (14) besteht aus einem anderen Metall als das der Blechelemente (1), dergestalt, dass keine Verschweißung zueinander wähnend des Preßvorgangs entstehen kann, wobei aber der elektrische Strom ungehindert fließen kann.