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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung von Bauteilen aus metallischen offenporösen Werkstoffen. Es kann so ein Körper, der aus miteinander verbundenen metallischen offenporösen Bauteilen und ggf. mindestens einem Bauelement gebildet ist, hergestellt werden.
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Bauteile aus offenporösen Werkstoffen werden z. B. als Elektrodenmaterial in Batterien, als Filtermaterial, in Wärmetauschern oder als Strukturbauteile eingesetzt. Dafür ist eine Anbindung der Bauteile an die unterschiedlichsten Komponenten, wie z. B. je nach Anwendung Bleche, weitere poröse Werkstoffe, Drähte oder ganze Bauteile, erforderlich.
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Für Strukturbauteile werden in der Regel Sandwichstrukturen eingesetzt, bei denen Deckbleche entweder stoffschlüssig in-situ oder ex-situ über Kleben oder Löten an das Bauteil aus porösem Werkstoff angebunden werden. Das Fügen dieser Strukturen erfolgt im Weiteren nicht über das Bauteil aus offenporösem Werkstoff, sondern über die Deckbleche der Sandwichstruktur. So werden die Deckbleche mittels Ultraschallschweißen, Laserstrahlschweißen oder über andere Fügetechnologien (Kleben, Schrauben, Löten) gefügt.
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Offenporöse Werkstoffe, wie Metallschäume werden nach dem aktuellen Stand der Technik durch Löten mit und ohne Flussmittel, Schrauben und Kleben gefügt. In der Literatur wird zum Beispiel das direkte Kondensatorimpulsschweißen in Verbindung mit dem Laserstrahlschweißen von offenporigen Metallschäumen mit einer Dichte von 1,51 g/cm3 beschrieben. Hier wird der Laserstrahl (CO2) auf dem Stumpfstoß stärker auf der Seite des soliden Werkstoffes angeordnet, um den thermischen Einfluss auf den Schaum gering zu halten. Unter Verwendung von drahtförmigen Zusatzstoffen werden Einschweißtiefen bis zu 10 mm erreicht.
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Bei den bekannten Verfahren ist es nachteilig, dass die porösen Werkstoffe in der Regel in Form einer Sandwichkonstruktion durch Deckbleche umschlossen werden müssen und die Anbindung der Bauteile aus offenporösen Werkstoffen an andere Werkstoffe oder Bauteile im Wesentlichen über die Verbindung mit den Deckblechen erfolgt. So müssen beispielsweise beim Anbinden eines solchen Sandwichelements durch Verschrauben, Bohrungen durch die gesamte Sandwichkonstruktion ausgebildet werden.
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Das Ver- und Anbinden der Bauteile aus metallischen offenporösen Werkstoffen durch Schweißen kann nur stark eingeschränkt erfolgen und führt abhängig vom Werkstoff zu einer unterschiedlich starken Zerstörung der Schaumstruktur. Es erfordert zudem häufig die Verwendung eines Zusatzwerkstoffes beim stoffschlüssigen Verbinden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, durch das Bauteile aus metallischen offenporösen Werkstoffen auch ohne zusätzliche Elemente, wie Deckbleche, einfach und sicher miteinander verbunden und/oder an andere Bauelemente angebunden werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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In einem ersten Schritt werden erfindungsgemäß mindestens zwei Bauteile aus einem metallischen offenporösen Werkstoff in einem Fügebereich übereinander angeordnet und mittels wirkender Druckkräfte zusammengepresst, so dass zum einen eine formschlüssige Verbindung der Schaumstege untereinander erreicht, und zum anderen die Dicke und die Porosität in diesem Bereich stark reduziert wird. Es wird so eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung ausgebildet. Die Porosität der Ausgangswerkstoffe kann mindestens 90 % betragen und mit dem Zusammenpressen sollte bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Porosität auf maximal 40 % reduziert werden. Infolge der so reduzierten Porosität kann eine stoffschlüssige Verbindung im Fügebereich durch ein thermisches Verfahren, insbesondere Laserschweißen, ausgebildet werden. In Abhängigkeit des jeweilig eingesetzten Bauteilwerkstoffs, was auch auf die Porosität und die Porengrößen zutrifft, kann beim Zusammenpressen ein Druck im Bereich 150 MPa bis 300 MPa auf den Fügebereich ausgeübt werden, Dadurch kann die Porosität im Fügebereich ausreichend reduziert werden.
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Unter Fügebereich soll der Teil der Fläche der miteinander zu verbindenden Bauteile aus metallischem offenporösem Werkstoff verstanden werden, der in seinen Abmaßen für eine stabile und dauerhafte Verbindung der Bauteile genutzt werden soll. Vorteilhaft sollte er an einem Rand der Bauteile ausgebildet sein.
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In einer Alternative der Erfindung kann in einem mit mehreren Bauteilen gebildeten Stapel je nach Anwendungsgebiet im Fügebereich ein plastisch verformbares und/oder ein mit Durchbrechungen versehenes Bauelement, beispielsweise in Form von metallischen Folien oder plattenförmigen Elementen, eingepresst werden. Dünne Folien werden direkt in den Stapel eingelegt und beim Zusammenpressen plastisch verformt.
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Folien und plattenförmige Elemente mit einer Dicke > 50 µm, die nicht oder nur geringfügig plastisch verformbar sind, sollte mindestens eine bevorzugt mehrere Durchbrechungen aufweisen, in die der offenporöse Werkstoff der Bauteile beim Zusammenpressen eindringen kann. Sie werden zwischen die Bauteile aus metallischem offenporösem Werkstoff eingelegt und dann erfolgt das Zusammenpressen. Der so entstandene komprimierte Bereich bildet durch die Durchbrechungen im Bauelement eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung.
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Dabei sollten die jeweilige Dicke von offenporösen Bauteilen, die Porengrößen und die freie Querschnittsfläche der Durchbrechungen berücksichtigt werden. Je nach Anwendung sollten also die freien Querschnittsflächen der Durchbrechungen, die Dicke der Bauteile, des/der Bauelemente(s), die Porengrößen, die Porosität und/oder der Druck, mit dem ein Zusammenpressen erfolgt, berücksichtigt werden.
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Einzelne Durchbrechungen sollten so groß sein, dass der Werkstoff der offenporösen Bauteile durch das Zusammenpressen den Raum der Durchbrechungen zumindest teilweise ausfüllt und zumindest ein gewisses Maß an Formschluss damit erreicht werden kann. Der freie Querschnitt der Durchbrechungen sollte daher größer als der mittlere Porendurchmesser des Werkstoffes der offenporösen Bauteile sein.
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In einem weiteren Schritt kann im Fügebereich erfindungsgemäß eine thermische Behandlung, bevorzugt mit einem Energiestrahl, durchgeführt werden. Dieser Energiestrahl kann ein Laser- oder Elektronenstrahl sein, der auf eine Oberfläche im Bereich des Fügebereichs, in dem die Porosität reduziert worden ist, gerichtet werden kann. Mit der so eingetragenen Energie können die übereinander angeordneten Bauteile miteinander durch Ausbildung mindestens einer Schweißnaht verbunden werden, die durch die miteinander gefügten Bauteile reicht.
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Die thermische Behandlung sollte bevorzugt aber auch ohne einen Zusatzwerkstoff durchgeführt werden können. Durch die thermische Behandlung wird eine stoffschlüssige Verbindung erreicht.
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Die Form und Position von mindestens einer Schweißnaht sollte dabei sowohl an die Verbindungsanforderungen, als auch an die eventuell vorhandenen Durchbrechungen der Bauelemente angepasst sein. Die Schweißnaht kann z.B. als Linie, Kreis, Sinus oder mäanderförmig ausgeführt werden. Die mindestens eine Schweißnaht sollte dabei außerhalb der eventuell vorhandenen Durchbrechungen der plastisch verformbaren Bauelemente liegen und/oder kann entlang der Kontur der Durchbrechungen geführt werden.
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Die Bauteile aus metallischen offenporösen Werkstoffen können aus Nickel, Nickelbasislegierungen, Kupfer, Edelstahl, Titan oder Aluminium bestehen. Die optional einzupressenden plastisch verformbaren und/oder mit Durchbrechungen versehenen Bauelemente können aus Nickel, Kupfer, Aluminium, Titan und anderen metallischen und elektrisch leitenden Werkstoffen ausgewählt sein, wobei sie vorteilhafterweise mit dem metallischen offenporösen Werkstoff verschweißt und bevorzugt für elektrische oder elektrochemische Elemente genutzt werden können.
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Soll ein einzelnes Bauteil aus einem metallischen offenporösen Werkstoff an einen anderen Werkstoff oder ein anderes Bauteil angebunden oder mit diesen verbunden werden, kann das erfindungsgemäße Verfahren in angepasster Form durchgeführt werden:
Im Fügebereich werden dann mehrere zusätzliche schmale Streifen zumindest von der Größe des jeweiligen Fügebereichs aus dem metallischen offenporösen Werkstoff oberhalb und unterhalb des Fügebereiches übereinander gestapelt, und dann zusammengepresst. Auch hier kann optional mindestens ein plastisch verformbares und/oder ein mit Durchbrechungen versehenes Bauelement in den Stapel eingepresst und mit den Bauteilen aus metallischem offenporösem Werkstoff verbunden werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Fügen von Bauteilen aus metallischen offenporösen Werkstoffen macht es möglich, diese stark eingeschränkt insbesondere durch Schweißen oder Löten zu fügenden Werkstoffe einfach und sicher miteinander zu verbinden. Mehrere Bauteile des metallischen offenporösen Werkstoffes können untereinander verbunden, und mit plastisch verformbaren und/oder mit Durchbrechungen versehenen Bauelementen gefügt werden. Das Einpressen und Verschweißen der eingelegten plastisch verformbaren und/oder mit Durchbrechungen versehenen Bauelemente führt zu einer kraft-, form- und stoffschlüssigen Verbindung mit den metallischen offenporösen Werkstoffen. Die Verbindungen weisen dabei in der Regel bessere mechanische und elektrische Eigenschaften auf, als die metallischen offenporösen Grundwerkstoffe und sind in diesen Eigenschaften mit den konventionellen Fügeverfahren in Form von Kleben, Schrauben, Nieten und Löten hergestellten Verbindungen überlegen. Außerdem kann das Verbinden der Bauteile aus hochporösen Werkstoffen durch thermische Behandlung ohne Zusatzwerkstoffe erfolgen.
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Alternativ zum Einlegen von plastisch verformbaren und/oder mit Durchbrechungen versehenen Bauteilen können auch Lote in Form von Pasten oder Folien zwischen die Bauteile aus offenporösen Werkstoffen eingebracht werden. Der Stapel wird dann zusammengepresst und im Anschluss mit einer thermischen Quelle, wie einem Ofen, Kolben, Laser, induktiv o.ä. bis zum Erreichen einer für das Löten geeigneten Temperatur erwärmt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann überall dort zum Einsatz kommen, wo poröse metallische Werkstoffe eingesetzt werden.
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So können mit dem Verfahren Filtermaterialien miteinander verbunden, an Halterungen oder Rahmen angebunden oder mit einem Saum versehen werden.
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Bei der Herstellung von Wärmetauschern können die verwendeten Metallschäume gefügt oder in einen Rahmen eingefasst werden.
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Eine weitere Anwendung ist das Kontaktieren von 3D-Stromkollektoren untereinander und mit Ableitern zur Herstellung von Batteriezellen. Dabei können Bauelemente so dimensioniert sein, dass sie bis außerhalb der gefügten Bauteile geführt sind, und der frei liegende Bereich als elektrischer Kontaktanschluss fungieren kann. Der verbliebene offenporöse Teil der Bauteile kann einen Elektrolyten einer elektrochemischen Zelle aufnehmen. Zumindest ein Teilbereich von offenporösem Werkstoff kann mit einem für elektrochemische Anwendungen geeigneten Aktivmaterial beschichtet oder damit infiltriert sein.
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Auch in der Architektur werden zellulare Werkstoffe als Designwerkstoffe eingesetzt und müssen häufig gefügt werden, so dass ein Einsatz auch auf diesem Anwendungsgebiet möglich ist.
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Metallische Schäume werden aktuell schon in der Medizin eingesetzt, so dass auch hier verschiedene Anwendungsgebiete möglich sind.
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Nachfolgend soll das Verfahren anhand von Beispielen näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 den Aufbau eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Körpers,
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2 schematisch den Fügeprozess, und
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3 schematisch den Aufbau eines Werkstückes aus nur einer Lage des offenporösen Werkstoffes mit Anschlussmöglichkeit an ein streifenförmiges Zusatzelement aus einem anderen Werkstoff oder ein anderes Bauteil.
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1 zeigt einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Körper. Dabei sind mehrere Bauteile 1 aus einem offenporösen metallischen Werkstoff übereinander gestapelt. Zwischen die einzelnen Bauteile 1 des offenporösen metallischen Werkstoffes ist ein plastisch verformbares und mit Durchbrechungen versehenes Bauelement 2 eingelegt. Durch das Zusammenpressen im Fügebereich 3 wird ein komprimierter Bereich, in dem die Verschweißung erfolgt und in dem die Schweißnaht 4 in ihrer Form an die Durchbrechungen des Bauelementes 2 angepasst ist, ausgebildet. Bauteile 1 und ein Bauelement 2 können aus einem oder auch mehreren der im allgemeinen Teil der Beschreibung angegebenen Werkstoffe gebildet sein. Die übereinander in gestapelter Anordnung vorliegenden Bauteile 1 aus dem offenporösen Werkstoff hatten eine Porosität von 93 %. Nach dem Zusammenpressen im Fügebereich 3 reduzierte sich die Porosität auf 35 %. In 1 ist im Bereich des Fügebereichs 3 eine Durchbrechung erkennbar. Die Schweißnaht 4 ist neben der Durchbrechung in Richtung auf die nicht verpressten Bereiche der Bauteile 1 aber innerhalb des Fügebereichs 3 ausgebildet worden. In nichtdargestellter Form kann die Schweißnaht 4 auch umlaufend um die Durchbrechung ausgebildet werden. Ein Teil des Bauelements 2 ragt nach außen über den Rand des Fügebereichs 1 der gefügten Bauteile 1 hinaus und kann dort ggf. als elektrischer Anschlusskontakt oder für eine weitere Befestigung bzw. Verbindung genutzt werden.
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In 2 wird schematisch der Fügeprozess gezeigt. Hier werden ein einem ersten Schritt a die Bauteile 1 aus einem offenporösen metallischen Werkstoff gestapelt und ein plastisch verformbares Bauelement 2 zwischen die Bauteile 1 des offenporösen Werkstoffes eingelegt. In einem zweiten Schritt b wird auf den Fügebereich 3 eine Kraft F aufgebracht, so dass ein komprimierter Bereich ausgebildet und in diesem Fügebereich die Porosität des Bauteilwerkstoffs auf 32 % reduziert wird. Im dritten Schritt c wird in diesem komprimierten Fügebereich 3 die Schweißnaht 4 in geeigneter Form hergestellt. Bei dem gezeigten Beispiel verläuft die Schweißnaht 4 senkrecht zur Längsachse des Bauelements 2.
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3 zeigt den Aufbau eines Bauteiles im Fügebereich vor dem Zusammenpressen und der thermischen Behandlung, bei dem ein einzelnes Bauteil 1 des offenporösen metallischen Werkstoffes an einen anderen Werkstoff oder ein anderes Bauteil 1 angebunden werden soll. Dazu werden im Fügebereich 3 schmale Streifen 5 des offenporösen Werkstoffs oberhalb und unterhalb des Bauteils 1 aus offenporösem Werkstoff gestapelt und ein plastisch verformbares und/oder mit Durchbrechungen versehenes Bauelement 2 dazwischen gelegt. Zumindest die Breite der aufgelegten Streifen 5 soll dabei an die erforderliche Breite des Fügebereichs 3 angepasst sein. Zum Fügen werden die Streifen und das Bauteil 1 innerhalb des Fügebereichs 3 zusammengepresst. Anschließend kann im zusammengepressten Fügebereich 3 mindestens eine Schweißnaht (nicht dargestellt) mit einem in der Darstellung von oben oder unten auf eine Oberfläche des zusammengepressten Fügebereichs 3 gerichteten Laserstrahl ausgebildet werden.
