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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur spanenden Bearbeitung offenporiger Metallkörper. Dabei kann es sich um Metallschäume, wie sie mit dem als Verfahren nach Schwarzwalder bekannten Herstellungsverfahren herstellbar sind, handeln. Bei diesem Verfahren wird ein polymerer Schaumkörper mit einem Schlicker an seiner Oberfläche so beschichtet, dass der polymere Schaumkörper die Kontur des Schaumkörpers aus Metall vorgibt. Der Schlicker wird in Form einer Suspension eingesetzt, in der Partikel des jeweiligen Metalls enthalten sind. Bei einer Wärmebehandlung werden die organischen Komponenten ausgetrieben und es erfolgt eine Sinterung. Offenporige Metallkörper können auch aus miteinander verbundenen Metallfasern hergestellt werden, bei denen die Metallfasern bevorzugt miteinander versintert sind.
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Herstellungsbedingt treten aber Toleranzen von einigen Prozent, insbesondere durch die Schwindung beim Sintern auf. Außerdem ist es auch nicht möglich, bei einer Wärmebehandlung sämtliche gewünschten geometrischen Konturen auszubilden. Daher ist eine nachträgliche Formgebung bei einer Nachbearbeitung häufig erforderlich. Da die offenporigen Metallkörper dünnwandige Stege oder Zellwände aufweisen, ist deren Festigkeit begrenzt, so dass es bei einer mechanischen spanenden formgebenden Bearbeitung, wie dem Schleifen, Drehen, Fräsen oder Bohren, dazu kommt dass sich Stege oder Zellwände verbiegen und im jeweiligen Bearbeitungsbereich die offenporige Struktur zerstört oder zumindest soweit gestört wird, dass die vorteilhaften Eigenschaften eines offenporigen Metallkörpers an der so bearbeiteten Oberfläche nicht mehr eingehalten werden können.
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Aus diesem Grunde erfolgt bisher die Bearbeitung durch die Bearbeitungsverfahren Erodieren oder einen Werkstoffabtrag durch den Einfluss von Strahlen eines Lasers oder eines Wasserstrahls. Diese hier genannten Formgebungsverfahren weisen aber sämtlichst Nachteile auf, die zu erhöhten Fertigungskosten führen. Beim Einsatz von Laser- oder Wasserstrahl ist auch noch die zu bearbeitende Dicke begrenzt, da die Strahlen wegen der Zellstruktur eines offenporigen Metallkörpers abgelenkt werden und dadurch unerwünschte Richtungsänderungen auftreten, die zu einer ungenauen Formgebung führen würden.
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So ist es aus der
DE 1 039 345 bekannt, poröse Körper aus Wolfram vor einer Schneidbearbeitung mit einem niedrigschmelzenden Stoff zu befüllen.
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Die
DE 601 01 523 T2 betrifft ein Verfahren eines wabenförmigen Kerns, der beispielsweise aus einem Metall gebildet sein kann.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine nachträgliche Formgebung an offenporigen Metallkörpern durchzuführen, die kostengünstig ist und bei der die offenporige Struktur im jeweiligen Bearbeitungsbereich beibehalten werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 realisiert, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten technischen Merkmalen erreicht werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in einem ersten Verfahrensschritt i) – Poren eines offenporigen Metallkörpers zumindest in einem zu bearbeitenden Oberflächenbereich mit einem flüssigen Werkstoff befüllt. Es ist auch eine vollständige Befüllung aller Poren möglich. Dadurch wird aber der Aufwand für eine spätere Entfernung etwas erhöht.
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Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt ii) – durch eine Behandlung ein Phasenwechsel in den festen Aggregatzustand des Werkstoffs erreicht.
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Darauf folgend wird im Verfahrensschritt iii) – die jeweilige spanende Bearbeitung, die zu einer Formgebung des Metallkörpers führt, durchgeführt.
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Nach der gewünschten Formgebung, bei der die gewünschte Kontur, Geometrie oder Oberflächengüte erreicht worden ist, wird im Verfahrenschritt iv) – der in Poren verbliebene Werkstoff durch eine weitere Behandlung in den flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand überführt und aus den Poren dadurch entfernt.
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Der Metallkörper soll mit dem Werkstoff in einer Tiefe ausgehend von seiner Oberfläche befüllt werden, die mindestens dem Zweifachen der maximalen Porengröße entspricht.
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Die Befüllung kann erfindungsgemäß alternativ dazu auch so durchgeführt werden, dass Poren im durch eine spanende Bearbeitung vollständig zu entfernenden Bereich so befüllt werden, dass mindestens die Poren in diesem Bereich, der entfernt werden soll, mit dem Werkstoff befüllt sind. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn ein tieferer Werkstoffabtrag ausgehend von der Oberfläche durchgeführt werden soll, wie dies beispielsweise beim Bohren oder Fräsen der Fall sein kann. Vorteilhaft ist es auch, in diesem Fall, zusätzlich Poren mit dem Werkstoff im an den zu entfernenden Werkstoff angrenzenden Bereich, zu befüllen. Dabei kann dies auch in einer Schichtdicke, die ca. dem Zweifachen der maximalen Porengröße im angrenzenden Bereich entspricht, erfolgen.
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Die Befüllung von Poren im Verfahrensschritt i) mit dem flüssigen Werkstoff kann durch eine Infiltration, ein Eintauchen, einen Auftrag des flüssigen Werkstoffs, Besprühen und/oder Spritzen erreicht werden. Dabei kann ein thermisches Spritzen eingesetzt werden. Bei der Befüllung können Druckkräfte, bevorzugt eine Unterdruckunterstützung, oder die Wirkung von elektrostatischen bzw. Kapillarkräften unterstützend ausgenutzt werden.
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Der Phasenwechsel in den festen Aggregatzustand kann im Verfahrensschritt ii) durch eine Abkühlung, eine Polymerisationsreaktion oder eine Vernetzungsreaktion eines Polymers erreicht werden.
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Im Verfahrensschritt iv) kann die Entfernung des Werkstoffs durch eine Erwärmung, die zum Übergang des Werkstoffs in den flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand führt, ein Lösen oder Ätzen des Werkstoffs erreicht werden. Die Erwärmung muss bis lediglich geringfügig oberhalb der Schmelztemperatur erfolgen, wenn es sich im Wesentlichen um einen anorganischen Werkstoff handelt. Bei Kohlenwasserstoffverbindungen, wie dies beispielsweise Polymere sind, kann die Entfernung bei höheren Temperaturen durch Pyrolyse erreicht werden. Werkstoffe, wie z. B. Kohlenwasserstoffverbindungen können ggf. auch mit einem für den Werkstoff geeigneten Lösungs- oder Ätzmittel entfernt werden. Der Werkstoff des Metallkörpers sollte gegenüber dem jeweiligen Lösungs- oder Ätzmittel resistent sein.
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Bei der Erfindung kann für die Befüllung der Poren ein Werkstoff eingesetzt werden, der ausgewählt ist aus Wasser, einem Lot dessen Schmelztemperatur kleiner als die Schmelztemperatur des Werkstoffs aus dem der Metallkörper gebildet ist, einem flüssigen aushärtbaren, oder vernetzbaren Polymer.
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Er sollte im festen Aggregatzustand eine mechanische Festigkeit und/oder einen E-Modul aufweisen, die/der maximal 50%, bevorzugt maximal 20% kleiner als die/der des metallischen Werkstoffs aus dem der Metallkörper gebildet ist, ist/sind.
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Im einfachsten Fall kann Wasser bei der Erfindung eingesetzt werden, dass nach der Befüllung soweit abgekühlt wird, bis es als Eis in fester Phase in den Poren enthalten ist. Bei der spanenden Bearbeitung kann eine zusätzliche Kühlung, beispielsweise mit Trockeneis vorgenommen werden, um ein Schmelzen des Eises während der spanenden Bearbeitung zu verhindern oder zumindest zu verzögern. An Stelle von Wasser können auch ähnliche Flüssigkeiten mit geeigneter Schmelztemperatur eingesetzt werden.
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Werden Polymere als Werkstoff zum Befüllen von Poren eingesetzt, kann eine Aushärtung oder Vernetzung, die durch einen zusätzlichen Energieeintrag unterstützt wird, zur Erreichung des festen Aggregatzustands oder einer festen Phase erreicht werden. Der Energieeintrag kann durch Erwärmung oder geeignete Bestrahlung erreicht werden.
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Mit der Erfindung ist es auf einfache und kostengünstige Weise möglich, eine Formgebung an offenporigen Metallkörpern durch eine spanende Bearbeitung durchzuführen, ohne dass die poröse Zellstruktur im Bearbeitungsbereich nachteilig beeinflusst oder gar zerstört wird. Der Zusatzaufwand ist begrenzt, so dass die Wirtschaftlichkeit bei der Erfindung gegeben ist.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Beispiel I
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Ein offenporiger Metallschaumkörper aus Titan oder einer Titanlegierung mit einer mittleren Porengröße von 1 mm, der nach dem Schwarzwalder-Verfahren hergestellt worden ist, wird mit geschmolzenem Polyoxymethylen infiltriert. Dabei wird der Metallkörper mit schmelzflüssigen Polymers an seiner zu bearbeitenden Oberfläche beschichtet, wobei die Beschichtung mit Druckkraftunterstützung erfolgt. Es ist ausreichend den Metallkörper bis in eine Tiefe von 2,5 mm zu befüllen. Sollen mehrere Oberflächenbereiche spanend bearbeitet werden, kann dieser Vorgang sukzessive durch Einsetzen des Metallkörpers in unterschiedlicher Ausrichtung in das Bad des geschmolzenen Polymers mehrfach durchgeführt werden.
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Nach einer Abkühlung geht das Polyoxymethylen in die feste Phase über und es kann die spanende formgebende Bearbeitung durch beispielsweise Fräsen durchgeführt werden.
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Nach Abschluss der Formgebung wird eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von ca. 250°C so lange durchgeführt, bis die polymeren Komponenten vollständig thermisch zersetzt und in die Gasphase überführt worden sind, so dass sämtliche Poren frei vom polymeren Werkstoff sind und die Herstellung des Metallkörpers in der gewünschten Form und Dimensionierung abgeschlossen worden ist.
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Beispiel II
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Dabei wird ein offenporiger Metallkörper mit einer Porosität von 70%, der aus miteinander versinterten metallischen Fasern hergestellt worden ist, in ein Gefäß, dessen innere Abmessungen geringfügig größer als die äußeren Abmessungen des Metallkörpers sind, eingesetzt. Das Gefäß kann auch aus einem elastisch verformbaren Material gebildet sein. Dadurch kann die Ausdehnung des Metallkörpers bei einer Abkühlung unterhalb der Gefriertemperatur von Wasser, mit dem das Gefäß zumindest soweit befüllt wird, bis der gewünschte und später zu spanend zu bearbeitende Bereich des Metallkörpers im Wasser steht, kompensiert werden.
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Nachdem der Metallkörper ausreichend im Wasser steht erfolgt eine Abkühlung bis unter die Schmelztemperatur des Wassers, so dass Hohlräume des Metallkörpers mit dem gebildeten Eis ausgefüllt sind. Die Abkühlung sollte bis ca. 10 K unterhalb der Schmelztemperatur erfolgen, um einen ausreichenden zeitlichen Puffer für die spanende Bearbeitung einhalten zu können. Die sich anschließende spanende Bearbeitung kann dann ohne zusätzliche Kühlung erfolgen. Das Wasser geht erst nach der spanenden Bearbeitung in die wässrige Phase über, was allein bei normalen Umgebungstemperaturen bereits der Fall ist. Es sind bei diesem Beispiel keine weiteren zusätzlichen Maßnahmen erforderlich. Selbstverständlich kann der Vorgang durch eine zusätzliche Erwärmung, beispielsweise mit heißer Luft, die auch die Trocknung des Metallkörpers fördert, unterstützt und beschleunigt werden.
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Bei entsprechender Gestaltung und erforderlicher spanender Bearbeitung, wobei letzteres die Zugänglichkeit der zu bearbeitenden Oberfläche betrifft, kann diese Bearbeitung auch erfolgen, wenn sich der Metallkörper noch im Gefäß befindet.
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Der Metallkörper war bei diesem Beispiel aus Metallfasern mit einem äußeren Durchmesser von 50 μm gebildet. Die Fasern wurden durch Schmelzextraktion hergestellt. Sie bestanden aus einer FeAlCr-Legierung. Es konnte eine spanende Bearbeitung durch Fräsen und Bohren erfolgen, ohne dass die einzelnen Fasern oder Faserenden im Bereich der vom jeweiligen Werkzeug betroffen worden ist, beschädigt, abgebrochen oder unerwünscht verformt worden sind.