DE102015002561A1

DE102015002561A1 - Verfahren zum Herstellen eines metallischen Verbundkörpers sowie metallischer Verbundkörper

Info

Publication number: DE102015002561A1
Application number: DE102015002561.9A
Authority: DE
Inventors: Richard Ketzscher; Carsten Lies
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2016-09-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Verbundkörpers, der einen metallischen Basiskörper mit einer Decklage aufweist, wobei der metallische Basiskörper eine verdichtete Mischung aus einem Metallpulver und einem Treibmittel ist, die zu einem Metallschaum austreibbar ist, und wenigstens die eine Decklage an den Basiskörper mittels einer durch Hochenergieumformen erzeugten Druckwelle aufgebracht wird, sowie den Verbundkörper als auch ein Fahrzeug mit dem Verbundkörper.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Verbundkörpers, der einen metallischen Basiskörper mit einer Decklage aufweist, wobei der Basiskörper eine verfestigte Mischung aus einem Metallpulver und einem Treibmittel aufweist und die Decklage mittels einer durch Hochenergieumformung erzeugten Druckwelle an dem Basiskörper angebracht wird, sowie den metallischen Verbundkörper an sich, und ein Fahrzeug mit dem Verbundkörper.
Bei der Herstellung eines Verbundkörpers mit einem metallischen Basisschaumkörper und metallischen Decklagen nach dem Stand der Technik, insbesondere eines Aluminiumschaum-Verbundkörpers, wird ein Aluminiumschaumkern mit einer metallischen Decklage durch Warmwalzen metallisch verbunden, wobei die Decklage bevorzugt aus Aluminium ist. Ein derartiger Aluminiumschaumverbundkörper hat den Vorteil, dass er hinsichtlich der gewichtsspezifischen Steifigkeit, der Schweißbarkeit und der Wärmebeständigkeit im Vergleich zu anderen Metallverbindungen besondere vorteilhafte Eigenschaften aufweist. Durch diese Eigenschaften grenzt sich dieser Werkstoffverbund funktionell deutlich von anderen Verbundkörpern in Sandwichbauweise, wie beispielsweise auf Polymerbasis, ab.
Das Hauptproblem bei der Herstellung des Aluminiumschaum-Verbundkörpers mit metallischer Verbindung zwischen dem Aluminiumschaumkern und der metallischen Decklage besteht darin, dass sowohl der Aluminiumschaumkern als auch die Decklage Aluminium als Hauptlegierungsanteil aufweisen müssen.
Um einen stoffschlüssigen Verbund zwischen der metallischen Decklage und dem Aluminiumschaumkern herzustellen, gibt es bisher nur eine Technologie, die wirtschaftlich anwendbar ist. Es hat sich gezeigt, dass die Fertigung des Verbundkörpers vor dem Aufschäumen einen vorgelagerten Prozessschritt benötigt. Dabei wird ein dreilagiger Verbundkörper mit aufschäumbarem Basiskörper mittels Warmwalzen hergestellt. Der aufschäumbare Basiskörper besteht aus mit Treibmittel angereichertem kompaktierten Aluminiumpulver, das beidseitig mit Decklagen aus Aluminium versehen ist. Das schaumfähige Halbzeug kann durch Wärmezufuhr im Bereich der Schmelztemperatur aufgeschäumt werden. Entscheidende Nachteile dieser bestehenden Technologie sind:
Die Maße der Halbzeuge sind abhängig von der Walzenbreite der Walzanlage. Ein Walzen ist erst ab einer sehr hohen Stückzahl wirtschaftlich, und nur bei einem sehr hohen Bedarf einsetzbar. Die Flexibilität bezüglich der Sandwichdimensionierung ist stückzahlbedingt sehr gering. Die Kosten für Kleinserien und Einzelteile sind daher sehr hoch. Ferner ist aufgrund der Nischenanwendung die Lieferzeit sehr lange bzw. sind die Lagerkosten sehr hoch.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Verbundkörpers mit mindestens einer Decklage und einem aufschäumbaren Basiskörper anzugeben, mit dem jede Größe auch in geringer Stückzahl kostengünstig herstellbar ist.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen metallischen Verbundkörper mit mindestens einer Decklage und aufschäumbaren Basiskörper anzugeben, der unabhängig von der Größe der Umformwerkzeuge auch bei Kleinserien in jeder Größe herstellbar ist.
Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung ein Fahrzeug anzugeben, in dem oder an dem ein Verbundkörper verwendet wird, der besonders leicht zu reparieren und ein gutes Schlagabsorptionsverhalten zeigt.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Herstellen eines metallischen Verbundkörpers gelöst, der einen metallischen Basiskörper mit einer Decklage aufweist, wobei der metallische Basiskörper eine verfestigte Mischung aus einem Metallpulver und einem Treibmittel ist, die zu einem Metallschaum austreibbar ist, und die wenigstens eine Decklage an den Basiskörper mittels einer durch Hochenergieumformen erzeugten Druckwelle aufgebracht wird.
Nach einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Druckwelle des Hochenergieumformens mittels magnetischen Hochenergieumformen, Lichtbogen-Hochenergieumformen und/oder Sprengplattieren bei einem Basiskörper durchgeführt.
Nach einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Basiskörper aus der verdichteten Mischung mit dem Metallpulver und dem Treibmittel ausgebildet, wobei die Verdichtung durch Heißpressen, Strangpressen und/oder Vakuumverdichtung, insbesondere in einem Vakuumsack zu einem paneelförmigen Basiskörper oder eine Mehrzahl von Einzelprofilen erzielt wird und der Verdichtungsgrad der verdichteten Mischung in einem Bereich von etwa 97% bis 99,8% oder größer liegt.
Nach einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird der Basiskörper aus einer Mehrzahl von Einzelprofilen ausgebildet, die zum Ausbilden des Basiskörpers seitlich angrenzend gegeneinander gestoßen werden, um den zu plattierenden Basiskörper auszubilden, wobei das jeweilige Einzelprofile eine verdichtete Mischung aus dem Metallpulver und dem Treibmittel mit gleichem oder unterschiedlichem Verdichtungsgrad ausweist.
Nach einer Ausführungsform des Verfahrens weisen das Metallpulver des Basiskörpers und das Metall der Decklage jeweils das gleiche Metall bzw. die gleiche Metalllegierung, insbesondere Aluminium, oder unterschiedliche Metalle, wie Stahl bzw. Aluminium auf und als Treibmittel wird ein Treibmittel zum Metallausschäumen verwendet, insbesondere TiH₂, CaCO, und/oder MgH₂.
Nach einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Basiskörper an wenigstens zwei Seiten mit einer Decklage versehen, wobei die Decklagen gleichzeitig oder nacheinander mit einer durch Hochenergieumformen erzeugten Druckwelle an dem Basiskörper angebracht werden.
Nach einer Ausführungsform des Verfahrens werden folgende Schritte durchgeführt:
Verdichten der Mischung aus dem Metallpulver und dem Treibmittel zu dem Basiskörper mit einem Verdichtungsgrad im Bereich von etwa 97% bis etwa 99,8% oder größer;
Anordnen des Basiskörpers in einer flächigen Position, so dass eine zu plattierende Seite des Basiskörpers mit einer der Decklagen in eine flächige Verbindung bringbar ist,
Auflegen wenigstens einer Decklage auf der zu plattierenden Seite des Basiskörpers,
Aufbringen von einem Sprengstoff auf der Seite der Decklage, die der zu plattierenden Seite des metallischen Basiskörpers abgewandt ist, und
Zünden des Sprengstoffs, wobei die Decklage von der Druckwelle des gezündeten Sprengstoffes gegen die zu plattierende Seite des Basiskörpers stoffschlüssig an den Basiskörper geformt wird.
Nach einer Ausführungsform des Verfahrens wird der mit der Decklage plattierte Basisköper vor oder nach einem Aufschäumen des Treibmittels des Basiskörpers in einem Formwerkzeug umgeformt und/oder in einem anderen Formwerkzeug in die endgültigen Endmaße umgeformt.
Nach einer Ausführungsform des Verfahrens weist die Decklage ein Metall bzw. eine Metalllegierung mit einer anderen Schmelztemperatur auf, wie das Metall bzw. die Metalllegierung des Basiskörpers.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verbundkörpers erfindungsgemäß mit einem Verbundkörper gelöst, der eine sandwichartige Struktur aus wenigstens einem Basiskörper, der aus einer verdichteten Mischung aus einem Metallpulver und einem Treibmittel zum Aufschäumen des Metallpulvers besteht, und einer Decklage aufweist, insbesondere ein Verbundkörper der nach einem Verfahren gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellt worden ist, wobei die Decklage mit dem Basiskörper durch Sprengplattieren unvermischt stoffschlüssig, insbesondere intermetallisch, verbunden ist. Unter einer unvermischten stoffschlüssigen Verbindung ist hierbei eine Verbindung der Decklage und dem Basiskörper zu verstehen, wobei zwar eine atomare und/oder molekulare Verbindung zwischen den Materialien der Decklage und dem Basiskörper besteht, ohne dass es zu einer Gefügeveränderung und ausgeprägten metallurgischen Mischungs- und Wärmeeinflusszone, wie beispielsweise beim Schweißen, zwischen der jeweiligen Decklage und dem Basiskörper kommt. Unvermischt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Material der Decklage und des Basiskörpers sich nicht vermischt, sondern dass es eine Grenzlinie zwischen den Materialschichten des Basiskörpers und der durch Hochenergieumformen daran angebrachten Decklage gibt.
Nach einer Ausführungsform des Verbundkörpers weist die Verbindungstelle zwischen dem Basiskörper und der jeweiligen Decklage einen wellenförmigen Verlauf und oder eine stoffschlüssige Verbindung auf atomarer Ebene mit dem Basiskörper auf, wobei wenigstens eine der Decklagen ein Metall, und/oder eine Metalllegierung aufweist.
Nach einer Ausführungsform des Verbundkörpers ist der Basiskörper ein Halbzeug mit ungeschäumtem Treibmittel und ist mittels eines Umformwerkzeugs in seine endgültige Gestalt umformbar.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Fahrzeuges erfindungsgemäß mit einem Fahrzeug nach Anspruch 13 gelöst. Die Anwendung des Verbundkörpers mit den Merkmalen nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 12 bzw. des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verbundkörpers in einem Fahrzeug hat den Vorteil, dass dieser Verbundkörper, wenn er in ein Fahrzeug mit geformtem und aufgeschäumten Basiskörper verbaut ist, einfach zu reparieren ist und dennoch leicht ist und eine hohe Schlagabsorption aufweist. Beispielsweise sind CFK-(carbonfaserverstärkter Kunststoff)Bauteile zwar leicht und weisen eine hohe Schlagfestigkeit auf, sind aber kaum oder nur sehr aufwendig reparierbar.
Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens, des Verbundkörpers und des Fahrzeugs ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
1A in einer schematischen Querschnittsansicht eine erste Ausführungsform eines metallischen Verbundkörpers mit einem Basiskörper aus einer Mehrzahl von stranggepressten Profilen aus einer verdichteten Mischung aus einem Metallpulver und einem Treibmittel und beidseitig angebrachten Decklagen nach einer Schnittführung A-A nach 1B
1B in einer schematischen Draufsicht den in 1A gezeigten Verbundkörper,
2A in einer schematischen Querschnittsansicht eine zweite Ausführungsform eines metallischen Verbundkörpers mit einem Basiskörper aus einem Paneel aus einer verdichteten Mischung aus einem Metallpulver und einem Treibmittel sowie beidseitig daran befestigte Decklagen nach einer Schnittführung B-B nach 2B,
2B in einer schematischen Draufsicht den in 2A gezeigten Verbundkörper,
3A bis 3B in schematischen Querschnittsansichten Verfahrensschritte der Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers mittels eines Ausführungsbeispiels einer Hochenergieumformung, wobei die Hochenergieumformung durch Sprengplattieren durchgeführt wird,
3C in einer schematischen Querschnittansicht den Basiskörper mit einer Metalllage nach der Hochenergieumformung,
4 in einer schematischen Querschnittsansicht ein Formgeben des Verbundkörpers durch Auftreiben des Treibmittels in dem plattierten Basiskörper in einer Umformvorrichtung, und
5 in einem schematischen Verfahrensablauf ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen des in 3A bis 3C gezeigten Verbundkörpers.
1A zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht ein Halbzeug 10 eines metallischen Verbundkörpers 100 mit einer ersten und zweiten Decklage 11, 12.
Zwischen der ersten Decklage 11 und zweiten Decklage 12 ist ein Basiskörper 13G aus einer einer Mehrzahl von stranggepressten Profilen 13.1, 13.2, 13.3 bis 13.n, wobei n eine natürliche Zahl > 1, der an dessen Außenfläche eine formschlüssige Verbindung mit der ersten und zweiten Decklage 11, 12 eingehen soll.
Die strangepressten Profile 13.1, 13.2, 13.3 bis 13.n weisen eine verdichtete Mischung 17 aus einem Metallpulver 1 und einem Treibmittel 3 auf. Das Metallpulver 1 und das Treibmittel 3 sind bevorzugt derart verdichtet, dass die Profile 13.1, 13.2, 13.3 bis 13.n die Festigkeit von gesinterten Profilen aufweisen können. Bevorzugt weist jedes Profil 13.1, 13.2, 13.3 bis 13.n einen Verdichtungsgrad von etwa 97% bis 99,8% oder höher auf.
Der Verdichtungsgrad der Mischung 17 ist bevorzugt bei jedem Profil 13.1, 13.2, 13.3, 13.n bis 13.n gleich, kann aber je nach Anforderung über die Bauteildicke und Bauteillänge des jeweiligen Profils 13.1, 13.2, 13.3 bis 13.n graduiert werden, um in jedem Profil ein anderes Aufschäumverhalten zu erzielen. Neben einem unterschiedlichen Verdichtungsgrad, kann auch jedes Profil 13.1, 13.2, 13.3 bis 13.n unterschiedliche Mischungsverhältnisse in der Mischung 17 aus Metallpulver 1 und Treibmittel 3 aufweisen.
Das Mischungsverhältnis aus Metallpulver 1 und Treibmittel 3 kann bei den Profilen 13.1 bis 13.n bei vorbestimmten Profilen unterschiedlich sein, um unterschiedliche Porenräume 131 und Porengrößen in dem zu bildenden Metallschaum 130 zu erzeugen. Beispielsweise können die randseitigen Profile 13.1, 13.n einen höheren Anteil an Treibmittel 3 als Metallpulver 1 als die mittigen Profile 13.2, 13.3 bis 13.n – 1 aufweisen, um einen Metallschaum mit randseitig größerem Porenraum als mittig ausbilden zu können.
Wie in den 1A und 1B gezeigt, grenzen die einzelnen Profile 13.1 bis 13.n an seitlichen Längsseiten 14.1 bis 14.2 bündig aneinander an, um das Gesamtpaneel 13G zu bilden, das auf einer jeweiligen Seite 21 vollständig oder teilweise mit den Decklagen 11, 12 durch Hochenergieumformen plattiert werden soll.
Die Decklage 11, 12 ist bevorzugt aus dem gleichen Material bzw. Metall wie das Metallpulver 1. Die Decklage kann auch aus anderen Metallen und Metalllegierungen als das Metallpulver bestehen, insbesondere Metalle, die auf herkömmliche Weise nur schwer aneinander befestigbar sind. Bevorzugt hat das Metall bzw. die Metalllegierung der Decklage 11, 12 eine andere Schmelztemperatur als das Metall bzw. die Metalllegierung des Basiskörpers 13, 13G.
Der Querschnitt der Profile 13.1, 13.2, 13.3 bis 13.n ist bevorzugt rechteckig. Es sind auch andere Querschnitts- und Gesamtformen möglich, solange mit diesen Querschnitten ein Basiskörper 13G zusammengesetzt und ausgebildet werden kann, der mittels einer Druckwelle 20 aus einem Hochenergieumformprozess mit einer Decklage 11, 12 stoffschlüssig verbindbar ist. Beispielsweise können die Gestalt der Profile 13.1, 13.2, 13.3 bis 13.n im Querschnitt und/oder in Längsschnitt auch im Wesentlichen dreieckförmig, honigwabenförmig bis hin zu kreisförmig ausgebildet sein. Vorteilhafterweise haben die Profile 13.1, 13.2, 13.3 bis 13.n einen solchen Querschnitt bzw. eine solche Gestalt, dass durch aneinander Anlegen aus den einzelnen Profilen, der Basiskörper 13G als Gesamtpaneel mit einer Fläche von mehr als 2 m² ausbildbar ist.
Außerdem können die Profile 13.1, 13.2, 13.3 bis 13.n zueinander komplementäre Abschnitte aufweisen, die ein kraft- und/oder formschlüssiges Verbinden der der einzelne Profile 13.1, 13.2, 13.3 bis 13.n erlauben, um den Basiskörper 13G als Gesamtpaneel zu bilden. Beispielsweise können die Profile 13.1, 13.2, 13.3 bis 13.n in der Draufsicht-Längsansicht puzzle- oder tatzenkreuzartige Abschnitte aufweisen, wobei der jeweilige Vorsprung des einen puzzle- oder tatzenkreuzartigen Körpers des Profils 13.1, 13.2, 13.3 bis 13.n in eine korrespondierende Ausnehmung eines anderen puzzle- oder tatzenkreuzartigen Körpers des Profils 13.1, 13.2, 13.3 bis 13.n montierbar bzw. steckbar ist.
Bei dem in 2A dargestellten erfindungsgemäßen metallischen Verbundkörper 10 ist der Basiskörper 13 ein einteiliges Paneel aus einer verdichtete Mischung 17, insbesondere eine vakuumverdichtete Mischung 17 aus einem Metallpulver 1 und einem Treibmittel 3. Bei der paneelförmigen, vakuumverdichteten Mischung 17 wird bevorzugt ein Vakuumsack verwendet, mit dem das Treibmittel 3 und das Metallpulver 1 zu dem einteiligen Basiskörper-Paneel 13 vorkompaktiert wird. Das einteilige Basiskörper-Paneel 13 ist auf gegenüberliegenden Seite 21 mit den Decklagen 11, 12 dargestellt, die durch Hochenergieumformen an den Basiskörper 13, 13G befestigt werden.
Das Mischungsverhältnis an Treibmittel 3 und Metallpulver 1 kann über die Länge, Breite und Dicke des einteiligen Basiskörper-Paneel 13 variiert werden, um unterschiedliche Porenräume 130 und Porengrößen in dem Metallschaum 130 zu erzeugen.
Das Metallpulver 1 weist eine Korngröße auf, die zum Aufschäumen mittels eines Treibmittels 3 geeignet ist. Bei dem Treibmittel 3 kann es sich um ein Metallhydrid, wie beispielsweise Titandihydrid TiH₂, handeln. Durch Einstellen der Mischverhältnisse aus Treibmittel 3 und Metallpulver 1 kann die Größe und die Verteilung der Poren eines Porenraumes 131 des Metallschaumes 130 und die den Porenraum 131 umgebende Metallstruktur 132 definiert und variiert werden.
Der Basiskörper 13, 13G besteht bevorzugt aus einer vorverdichteten Mischung 17 aus einem Metallpulver 1 und einem Treibmittel 3 zum Aufschäumen des Metallpulvers zu einem Metallschaum, wie beispielsweise eine Mischung 17 aus Al-TiH₂.
Das Verdichten der Mischung 17 aus Metallpulver 1 und Treibmittel 3 kann durch Heißpressen, Strangpressen und/oder Vakuumverdichten durchgeführt werden.
3A bis 3C zeigen in schematischen Querschnittansichten die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels zum Herstellen eines metallischen Verbundkörpers 10 mit einem Basiskörper 13, 13G, der eine verfestigte Mischung 17 aus einem Metallpulver 1 und einem Treibmittel 3 aufweist, an dessen gegenüberliegenden Außenseiten Decklagen 11, 12 durch Hochenergieumformen, hier Sprengplattieren, angeformt werden.
Unter ”Sprengplattierung” ist hierbei ein sprengtechnisches Verfahren zu verstehen, bei dem ein brisanter Sprengstoff 15 verwendet wird, um ein sandwichartiges Bauteil aus einem metallischen Verbundkörper 10 mit einem Basiskörper 13 und Decklagen 11, 12 ausbilden zu können. Beim Sprengplattieren wird eine Druckwelle 200 erzeugt, mittels der die jeweilige Decklage 11, 12 gegen den Basiskörper 13 geformt wird. Durch die Druckwelle 200 der Sprengung eines Sprengstoffes 15 beim Sprengplattieren soll eine unvermischte, stoffschlüssige Verbindung zwischen der Decklage 11, 12 und dem Basiskörper 13, 13G ausgebildet werde.
Es sind auch andere Ausführungsformen von Hochenergieumform-Verfahren anwendbar, wie beispielsweise Lichtbogenhochenergieumformen, wobei die Druckwelle 200 durch eine Zündung eines Lichtbogens erzeugt wird, und/oder magnetisches Hochenergieumformen, wobei die Druckwelle 200 durch ein schlagartig aufgebautes Magnetfeld erzeugt wird.
Das Hochenergieumformen mittels Sprengplattierens wird bevorzugt bei großflächigen Bauteilen mit Abmessungen über 2 m² durchgeführt, wobei das magnetische Hochenergieumformen bzw. das Lichtbogen-Hochenergieumformen bevorzugt bei Bauteilen mit Abmessungen unter 2 m² verwendbar ist.
3A zeig in einem ersten Verfahrensschritt den Basiskörper 13, 13G aus einer verfestigten bzw. verdichteten Mischung 17 aus einem Metallpulver 1 und einem Treibmittel 3, zu dem beabstandet die erste bzw. zweite Decklage 11, 12 angeordnet ist. Ferner ist an der Seite der Decklage 11, 12, die dem Basiskörper 13 abgewandt ist, ein brisanter Sprengstoff 15 flächig angeordnet.
Unter einem brisanten Sprengstoff ist hierbei ein Sprengstoff zu verstehen, der eine Detonationsgeschwindigkeit von 2000 bis 5000 m/s aufweist. Bei dem brisanten Sprengstoff wird vorzugsweise ein Sprengstoff verwendet, der flächig aufgetragen und gleichmäßig verteilt werden kann, wie beispielsweise hochbrisante TNT-, PETN-, RDX- und HMX-Sprengstoffe, wie Semtex mit Detonationsgeschwindigkeiten von mehr als 5000 m/s.
3B zeigt den Zündvorgang 20 und das sprengtechnische Plattieren, wobei durch einen optionalen Abstand 16 zwischen der ersten bzw. der zweiten Metalllage 11, 12 und dem Basiskörper 13 die angesprengte Metalllage 11, 12 von der Druckwelle 200 gegen den Basiskörper 13, 13G beschleunigt wird und hierdurch ohne eine Gefügeveränderung oder ausgeprägte metallurgische Mischungs- und Wärmeeinflusszone eine unvermischte, stoffschlüssige Verbindung 170 zwischen dem Basiskörper 13 und der jeweiligen Metalllage 11, 12 erzeugt wird. Hierbei wird die in 3B dargestellte unvermischte stoffschlüssige Verbindung 170 mit einem Wellenmuster 22, bevorzugt eine metallische Verbindung zwischen einer Decklage 11, 12 aus Metall und dem Basiskörper 13 aus einer verdichten Mischung mit Metallpulver 1 und Treibmittel 3 ausgebildet. Unter einem Wellenmuster 22 ist hierbei der Grenzverlauf zwischen dem Material des Basiskörpers 13, 13G und des Materials der jeweiligen, auf den Basiskörper 13 plattierten Decklage 11, 12 zu verstehen, wobei dieser Grenzverlauf in der Schnittansicht des plattierten Basiskörpers 13, 13G einen wellenförmigen Verlauf aufweist.
Beim Sprengplattieren wird die Decklage 11, 12 bevorzugt mittels der durch die Sprengwirkung 20 erzeugte Druckwelle 200 des brisanten Sprengstoffes mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 m/s vorzugsweise unter einem Winkel von etwa 2° bis 30° gegen den Basiskörper 13, 13G gezwängt. Die beim Aufprall der Decklage 11, 12 auf den Basiskörper 13 erzeugte Kollisionskraft bringt die Decklage 11, 12 mit dem Basiskörper 13, 13G bis auf atomarer Ebene unvermischt und stoffschlüssig zusammen, so dass auch die atomaren Gitterkräfte der Moleküle der Decklage 11, 13 und der Moleküle des Basiskörpers 13, 13G interagieren und zusammenwirken.
Wenn die Decklage 11, 12 und die Basiskörper 13, 13G aus Metalllegierungen, insbesondere Aluminiumlegierungen bestehen, ist darauf zu achten, dass die Schmelztemperaturen der Metalllegierungen der Decklagen 11, 12 nicht mit der Schmelztemperatur der Metalllegierungen der Basiskörper 13, 13G übereinstimmen. Falls die Schmelztemperatur der Metalllegierung der Decklagen 11, 12 mit der Schmelztemperatur der Metalllegierung des Basiskörpers 13, 13G übereinstimmt, kann es beim Schäumvorgang des Basiskörpers zu einem Anschmelzen der Decklagen kommen.
Bevorzugterweise werden für die Decklage 11, 12 und dem Basiskörper Metall- bzw. Aluminiumlegierungen mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen verwendet.
Nachträglich kann, wie in 4 dargestellt, das Halbzeug des Verbundkörpers 100 mit der ersten und zweiten Decklage 11, 12 versehene Basiskörper 13 in einer Formvorrichtung 30 unter Aufschäumung des Treibmittels 3 des Basiskörpers 13 weiter umgeformt werden, so dass die Mischung 17 aus Metallpulver 1 und das Treibmittel einen Metallschaum 130 ausbilden, der trotzdem bündig und fest mit der ersten und zweiten Decklage 110, 120 verbunden ist und in die vorbestimmte Gestalt gebracht wird.
Damit ein Aufschäumen des Basiskörpers 13, 13G zu einem Metallschaum 130 möglich ist, sollte der Basiskörper wenigstens eine Verdichtung im Bereich von etwa 97% bis 99,8 oder größer aufweisen, da bei einer kleineren Verdichtung die Gefahr besteht, dass das Treibmittel 3 über einen unverdichteten Zwischenraum aus dem Basiskörper 13, 13G entweichen kann, ohne dass es zu einer Schaumbildung kommt und der Basiskörper nicht zu einem Metallschaum 130 aufschäumbar ist.
Mittels der Sprengplattierung können der Basiskörper 13, 13G und die Decklagen 11, 12 aus unterschiedlichem Material insbesondere gleichen oder unterschiedlichen Metallen stoffschlüssig auf atomarer Ebene miteinander verbunden werden. Bei dem Metallpulver 1 handelt es sich bevorzugt um ein Aluminiumpulver. Ebenso ist die erste und zweite Decklage 11, 12 aus einem Metall, bevorzugt Aluminium.
In 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrensablauf zum Herstellen eines Verbundkörpers 10 aus einem Basiskörpers 13 an den durch eine Hochenergieumformung mittels einer Druckwelle, die durch eine Sprengung erzeugt wird, wenigstens eine Decklage 11 plattiert wird.
In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird der Basiskörper 13 als eine verdichtete Mischung 14 aus einem Metallpulver 1 und einem Treibmittel 3 bereitgestellt. Bei dem Metallpulver 1 kann es sich um ein Aluminiumpulver, Stahlpulver, Kupferpulver, Bleipulver und/oder Eisenpulver handeln, die mit einem Treibmittel zu einem Metallschaum auftreibbar sind. Bevorzugt wird die Mischung auf einen Verdichtungsgrad von 99,8% oder größer verdichtet. Der Verdichtungsgrad soll nicht unter 97% sein, da ansonsten die Gefahr besteht, dass das Treibmittel 3 nicht wirken kann und die von dem Treibmittel erzeugten Gase durch einen Stützkornzwischenraum der Metallkörner des Metallpulvers ausdiffundiert und nicht genug Treibkraft ausbilden kann, um einen Porenraum 131 zum Ausbilden eines Metallschaumes 130 zu bilden.
Bei der Verdichtung wird die Mischung 17 in ein Profil 13.1, 13.2, 13.3 bis 13.n oder ein einteiliges Paneel 13, 13G verdichtet, die jeweils eine vorbestimmte Gestalt und Querschnitt aufweisen. Der Querschnitt des Profils 13.1, 13.2, 13.3 bis 13.n oder Paneels 13, 13G ist bevorzugter Weise derart zu wählen, dass das Paneel 13, 13G an sich eine Fläche von mehr als 2 m² aufweist oder dass die einzelnen Profile 13.1, 13.2 bis 13.n derart aneinander angrenzend angelegt werden können, dass die Profile 13.1, 13.2 bis 13.n in aneinander anliegender Form einen Basiskörper 13G mit einer Fläche von 2 m² bilden können.
In Schritt S2 wird der Basiskörper 13 flächig bzw. werden die einzelnen Basiskörper 13.1, 13.2, 13.3 bis 13.n möglichst seitlich bündig aneinander angrenzend angeordnet, so dass eine Decklage 11, 12 auf denselben anordenbar ist.
Im Schritt S3 wird dann die Decklage 11, 12 auf die zu plattierende Seite 21 des Basiskörpers 13, 13G angelegt und aufgelegt. Die Decklagen 11, 12 können mit einem vorbestimmten Abstand 16 oder direkt auf die zu plattierenden Seite des Basiskörpers 13 aufgelegt werden.
Im nachfolgenden Schritt S4 wird zum Erzeugen einer Druckwelle 200 für eine Hochdruckenergieumformung auf der dem Basiskörper 13 abgewandten Seite der Decklage 11, 12 eine Sprengstoffschicht 15 flächig aufgetragen, so dass bei einer Zündung 20 dieser Sprengstoffschicht 15 die Decklage 11, 12 von der Druckwelle 200 stoffschlüssig gegen den Basiskörper 13, 13G gedrückt wird, insbesondere derart, dass eine unvermischte, stoffschlüssige Verbindung 170 auch auf atomarer Ebene zwischen dem Basiskörper 13, 13G und der angeformten Decklage 110, 120 erzielt wird. Als Sprengstoff 15 kommen hier brisante Sprengstoffe in Frage, die eine Detonationsgeschwindigkeit von mehr als 5.000 m/s erzeugen können, um die Decklage 11 gegen den Basiskörper 13, 13G zu plattieren.
Die Schritte S2 bis S5 können wiederholt werden, um den Basiskörper 13G, 13 an einer anderen oder derselben Seiten mit einer anderen Decklage 11, 12 zu plattieren.
Für das Hochenergieumformen der Decklage 11 gegen den Basiskörper 13 sind auch andere Hochenergieumform-Verfahren anwendbar. Das Hochenergieumformen durch Sprengplattieren wird bevorzugt bei zu plattierenden Basiskörpern 13 mit einer Fläche großer als 2 m² eingesetzt. Bei kleineren Flächen als 2 m² können auch Hochenergieumform-Verfahren wie beispielsweise Lichtbogenhochenergieumformen, wobei die Druckwelle 200 durch eine Zündung eines Lichtbogens erzeugt wird, und/oder magnetisches Hochenergieumformen, wobei die Druckwelle 200 durch ein schlagartig aufgebautes Magnetfeld erzeugt wird.
Nachdem der Basiskörper 13 auf einer Seite mit einer Decklage 11, 12 plattiert worden ist, wird bevorzugt die der neu plattierten Seite entgegengesetzte Seite mit einer zusätzlichen Decklage 12 plattiert. Hierfür kann es erforderlich sein, dass der frisch plattierte Basiskörper 13, 13G auf die Seite gelegt wird, die mit der Decklage 110, 120 plattiert worden ist. Dann werden die Schritte S2 bis S5 zum Plattieren der unplattierten Seite des Basiskörpers 13 wiederholt.
Bevorzugt sind die Decklagen 11, 12 aus dem gleichen Material bzw. dem gleichen Metall. Die Decklagen können auch aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Vorteilhafterweise haben die Decklagen 11, 12 eine andere, insbesondere eine höhere Schmelztemperatur als der Basiskörper 13, sodass ein Anschmelzen der Decklagen beim Treibungsformen des Basiskörpers 13, 13G vermieden wird. Als Decklagen-Material sind beispielsweise Eisen, Stahl, Aluminium, Blei sowie Chrom-Legierungen und andere geeignete Metalle und Metalllegierungen vorgesehen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines metallischen Verbundkörpers (10, 100), der einen metallischen Basiskörper (13, 13.1, 13.2, bis 13.n, 13G) mit einer Decklage (11, 12, 110, 120) aufweist, wobei der metallische Basiskörper (13, 13.1, 13.2, bis 13.n, 13G) eine verdichtete Mischung (14) aus einem Metallpulver (1) und einem Treibmittel (3) ist, die zu einem Metallschaum (130) austreibbar ist, und wenigstens die eine Decklage (11, 12) an den Basiskörper (13, 13.1, 13.2, bis 13.n) mittels einer durch Hochenergieumformen erzeugten Druckwelle (200) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwelle (200) des Hochenergieumformens mittels magnetischem Hochenergieumformen, Lichtbogen-Hochenergieumformen und/oder Sprengplattieren (20) ausgebildet wird, wobei bevorzugt eine Sprengplattierung bei einem Basiskörper (13, 13.1, 13.2, bis 13.n, 13G) durchgeführt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper (13, 13.1, 13.2, bis 13.n) aus der verdichteten Mischung (14) mit dem Metallpulver (1) und dem Treibmittel (3) ausgebildet wird, wobei die Verdichtung durch Heißpressen, Strangpressen und/oder Vakuumverdichtung, insbesondere in einem Vakuumsack zu einem paneelförmigen Basiskörper (13) oder eine Mehrzahl von Einzelprofilen (13.1, 13.2, bis 13.n), erzielt wird und der Verdichtungsgrad der verdichteten Mischung (14) in einem Bereich von etwa 97% bis 99.8% oder größer liegt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper (13) aus einer Mehrzahl von Einzelprofilen (13.1, 13.2, bis 13.n) ausgebildet wird, die zum Ausbilden des Basiskörpers (13, 13G) seitlich angrenzend gegeneinander gestoßen werden, um den zu plattierenden Basiskörper auszubilden, wobei das jeweilige Einzelprofile (13.1, 13.2, bis 13.n) eine verdichtete Mischung (14) aus dem Metallpulver (1) und dem Treibmittel (3) mit gleichem oder unterschiedlichem Verdichtungsgrad ausweist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver (1) des Basiskörpers (13, 13G) und das Metall der Decklage (11, 12, 110, 120) jeweils das gleiche Metall bzw. die gleiche Metalllegierung, insbesondere Aluminium, oder unterschiedliche Metalle, wie Stahl bzw. Aluminium aufweisen und als Treibmittel (3), ein Treibmittel zum Metallausschäumen verwendet wird, insbesondere TiH₂, CaCO, und/oder MgH₂.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper (13) an wenigstens zwei Seiten mit einer Decklage (11, 12) versehen wird, wobei die jeweilige Decklage (11, 12) gleichzeitig oder nacheinander mit einer durch Hochenergieumformen erzeugten Druckwelle (200) an dem Basiskörper (13) angebracht werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch: Verdichten der Mischung (14) aus dem Metallpulver (1) und dem Treibmittel (3) zu dem Basiskörper (13, 13.1, 13.2, bis 13.n, 13G) mit einem Verdichtungsgrad im Bereich von etwa 97% bis etwa 99,8% oder größer; Anordnen des Basiskörpers (13, 13.1, 13.2, bis 13.n, 13G) in einer flächigen Position, so dass eine zu plattierende Seite des Basiskörpers mit einer der Decklagen in eine flächige Verbindung bringbar ist, Auflegen wenigstens einer Decklage (11, 12) auf der zu plattierenden Seite des Basiskörpers (13, 13.1, 13.2, bis 13.n, 13G), Aufbringen von einem Sprengstoff (15) auf der Seite der Decklage, die der zu plattierenden Seite des Basiskörpers abgewandt ist, und Zünden des Sprengstoffs (15), wobei die Decklage (11, 12) von der Druckwelle (200) des gezündeten Sprengstoffes gegen die zu plattierende Seite des Basiskörpers (20) unvermischt stoffschlüssig (170) an den Basiskörper (13) geformt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Decklage (11, 12) plattierte Basisköper (13, 13.1, 13.2, bis 13.n, 13G) vor oder nach einem Aufschäumen des Treibmittels (3) des Basiskörpers (13, 13G) in einem Formwerkzeug umgeformt und/oder in einem anderen Formwerkzeug in die endgültigen Endgestalt umgeformt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Decklage (11, 12) ein Metall bzw. eine Metalllegierung mit einer anderen Schmelztemperatur aufweist, wie das Metall bzw. die Metalllegierung des Basiskörpers (13, 13G).
Verbundkörper (10, 100), der einen sandwichartigen Aufbau aus wenigstens einem Basiskörper (13, 13.1, 13.2, bis 13.n), der aus einer verdichteten Mischung aus einem Metallpulver und einem Treibmittel zum Aufschäumen des Metallpulvers besteht, und einer Decklage aufweist, insbesondere ein Verbundkörper der nach einem Verfahren gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt worden ist, wobei die Decklage (11, 12) mit dem Basiskörper mittels einer durch Hochenergieumformen erzeugten Druckwelle (200) unvermischt stoffschlüssig (170), insbesondere intermetallisch verbunden ist.
Verbundkörper (10, 100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung (160) zwischen dem Basiskörper (13) und der jeweiligen Decklage (110, 120) einen wellenförmigen Verlauf und/oder eine stoffschlüssige Verbindung auf atomarer Ebene mit dem Basiskörper (13) hat, wobei wenigstens eine der Decklagen (11, 12) ein Metall, und/oder eine Metalllegierung aufweist.
Verbundkörper (10, 100) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper (13) ein Halbzeug mit ungeschäumten Treibmittel ist und mittels eines Umformwerkzeugs (30) in seine endgültige Gestalt umformbar ist.
Fahrzeug mit einem Verbundkörper (10, 100), insbesondere einen Verbundkörper (10, 100) der nach einem Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt worden ist.
Fahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundkörper Teile des Fahrzeugaufbaus, der Karosserie und/oder tragende Abschnittes, insbesondere Abschnitte eines kraftabsorbierenden Abschnitts, beispielsweise das Frontmodul eines Hochgeschwindigkeitszuges, bildet.
Fahrzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundkörper (100) mit aufgeschäumten Basiskörper (130) in dem Fahrzeug verbaut wird.