DE102015204752A1

DE102015204752A1 - Verfahren zur Herstellung eines porösen Bauteils aus mindestens einem Material M und mit einer Schaumstruktur sowie ein danach hergestelltes poröses Bauteil

Info

Publication number: DE102015204752A1
Application number: DE102015204752.0A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Sauer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-03-17
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2016-09-22
Also published as: WO2016146120A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Bauteils (1) aus einem Material (M) und mit einer Schaumstruktur, umfassend folgende Schritte: – Einbringen eines Granulats (6) umfassend ein erstes Pulver enthaltend mindestens ein Polymer und umfassend weiterhin ein zweites Pulver aus dem Material (M) in eine Spritzgussmaschine (2), mittels welcher das Granulat (6) gefördert und in eine Formmasse (6a) überführt wird; – Begasen der Formmasse (6a); – Ausbringen der begasten Formmasse (6a´) aus der Spritzgussmaschine (2) in eine Spritzgussform (9) unter Ausbildung einer aufgeschäumten Formmasse und eines Spritzlings (10), sowie Verfestigung des Spritzlings (10); – Entbindern des verfestigten Spritzlings (10) und Sintern des entbinderten Spritzlings (10) unter Bildung des porösen Bauteils (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Bauteils aus mindestens einem Material M und mit einer Schaumstruktur sowie ein nach dem Verfahren hergestelltes poröses Bauteil.
Poröse Bauteile mit einer Schaumstruktur, die aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind, wie beispielsweise aus Metall, Metalllegierungen, Keramik, Glas oder Kunststoff, sind bereits bekannt.
So offenbart die DE 197 17 894 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern auf Basis von Metallschaum. Dabei wird ein Pulver eines Metalls oder einer Metalllegierung mit Partikeln eines Treibmittels, das bei erhöhten Temperaturen ein Gas abspaltet, zu einem Roh-Formkörper kompaktiert und auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels sowie der Schmelztemperatur des metallischen Pulvers erwärmt. Die sich ausbildende metallische Schmelze wird durch das sich bildende Gas des sich zersetzenden Treibmittels geschäumt und der gebildete Metallschaum durch Abkühlen zu einem Formkörper verfestigt.
Als weitere Möglichkeiten zur Herstellung von Metallschaum ist das Einblasen von Gas in eine Metallschmelze bekannt, die zuvor durch Zugabe fester Bestandteile schäumbar gemacht wurde.
Die DE 10 2006 053 155 A1 beschreibt ein Verfahren zu Herstellung von offenporigem Keramikschaum, wobei eine offenporige, abbrennbare Schaumstruktur mit einer wässrigen Talk-, Kieselsäure- sowie Kaolinit-enthaltenden Suspension imprägniert und getrocknet wird. Anschließend wird die imprägnierte Schaumstruktur bei einer Temperatur kalziniert, bei welcher die Schaumstruktur abbrennt und der Talk, die Kieselsäure und der Kaolinit zusammensintern, um den Keramikschaum auszubilden.
Die DE 44 05 331 A1 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zu Herstellung eines Keramikbauteils mit einer Keramikschaum-Struktur, bei welchem ein Formkörper umfassend im Wesentlichen nichtoxidische Keramikbestandteile durch von einer Oberfläche des Formkörpers ausgehendes Oxidieren hergestellt wird. Die Schaumstruktur wird dabei ebenfalls durch Imprägnieren eines offenporigen Kunststoffschaums mit einem Keramikschlicker bereitgestellt.
Die Deutsche Patentschrift Nr. 634405 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Schaumglas, wobei ein nicht geläutertes Glas enthaltend Sulfatreste mit reduzierenden Stoffen bis zum Aufblähen der Schmelze gefrittet wird.
Zur Herstellung von Schaumstoffen aus Kunststoff sind mehrere Verfahren bekannt. Bei einem physikalischen Schäumen wird eine Kunststoffschmelze durch einen physikalischen Vorgang geschäumt, beispielsweise durch Freisetzung von Gas bei einer Polymerisationreaktion. Bei einem chemischen Schäumen wird einem Kunststoffgranulat ein Treibmittel zugegeben und das Granulat erschmolzen. Durch die Wärmezufuhr spaltet sich ein flüchtiger Bestandteil des Treibmittels ab, was zum Aufschäumen der Schmelze aus Kunststoff führt. Bei einem mechanischen Schäumen wird ein Gas in die Schmelze des aufzuschäumenden Kunststoffs oder eine flüssige, noch zu polymerisierende organische Masse eingepresst.
Die DE 103 07 736 A1 beschreibt die Herstellung eines offenzelligen Schaumstoffs durch Aufschmelzen eines thermoplastischen Kunststoffs oder einer Mischung enthaltend einen thermoplastischen Kunststoff. Die dabei erhaltene Schmelze wird unter Druck mit mindestens einem Treibmittel vermischt und aufgeschäumt. Als Zellöffner wird dabei ein pulverförmiger Feststoff, insbesondere umfassend Graphit, oder ein Fremdpolymer eingesetzt. Als Treibmittel sind inerte Gase, Kohlenwasserstoffe, aliphatische Alkohole oder Ketone oder Ester, chemische Treibmittel usw. beschrieben. Diese werden gegebenenfalls in Kombination mit Wasser eingesetzt. Die Herstellung des Schaumstoffs erfolgt beispielsweise mittels eines Extruders.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines porösen Bauteils aus einem Material M und mit einer Schaumstruktur sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes poröses Bauteil bereitzustellen.
Die Aufgabe wird für das Verfahren zur Herstellung eines porösen Bauteils aus mindestens einem Material M und mit einer Schaumstruktur, umfassend folgende Schritte gelöst:

– Einbringen eines Granulats umfassend ein erstes Pulver enthaltend mindestens ein Polymer und umfassend weiterhin ein zweites Pulver aus dem mindestens einen Material M in eine Spritzgussmaschine, mittels welcher das Granulat gefördert und in eine Formmasse überführt wird;
– Begasen der Formmasse;
– Ausbringen der begasten Formmasse aus der Spritzgussmaschine in eine Spritzgussform unter Ausbildung einer aufgeschäumten Formmasse und eines Spritzlings, sowie Verfestigung des Spritzlings;
– Entbindern des verfestigten Spritzlings und Sintern des entbinderten Spritzlings unter Bildung des porösen Bauteils.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine schnelle, automatisierte und damit kostengünstige Herstellung des Spritzlings mittels eines für die Herstellung von Schaumstoff aus Kunststoffen bereits bekannten Vorgehens unter Verwendung einer Spritzgussmaschine. Dabei erfolgt das Aufschäumen der Formmasse beim Austritt der begasten Formmasse aus der Spritzgussmaschine, wobei die erforderlichen Temperaturen und Drücke genau überwacht und eingestellt werden können. Die Formmasse wird in eine Spritzgussform ausgebracht und in der Form verfestigt. Dabei wird die äußere Gestalt des gebildeten, verfestigten Spritzlings auf die gewünschte Endkontur des herzustellenden porösen Bauteils abgestimmt.
Dabei wird unter einem porösen Bauteil auch ein solches verstanden, das lediglich in einem Teilbereich seines Bauteilvolumens eine Schaumstruktur aufweist. Es können generell poröse Bauteile mit offener oder geschlossener Porosität ausgebildet werden, wobei in makroskopischen Teilbereichen des porösen Bauteils auch

– eine geschlossene Porosität neben einer offenen Porosität oder
– eine geschlossene Porosität neben einem Bereich ohne Porosität oder
– eine offene Porosität neben einem Bereich ohne Porosität oder
– eine geschlossene Porosität neben einer offenen Porosität und weiterhin neben einem Bereich ohne Porosität ausgebildet sein kann.

Als makroskopische Teilbereiche werden dabei Bauteilvolumina angesehen, die mindestens eine Wandstärke von 1 mm aufweisen.
Das Granulat wird vorzugsweise gebildet, indem ein Pulvergemenge aus dem ersten Pulver und dem zweiten Pulver gebildet wird und das Pulvergemenge in das rieselfähige Granulat überführt wird. Das Granulat wird insbesondere in einem sogenannten Compoundier-Vorgang erzeugt, bei dem das erste und das zweite Pulver innig gemischt werden und eine Formmasse erzeugt wird. Aus der Formmasse wird ein rieselfähiges Granulat erzeugt, mit welchem eine Spritzgussmaschine automatisiert beschickt werden kann. Verarbeitungsfähige Granulate können alternativ aber auch fertig bezogen werden.
Insbesondere werden für das erfindungsgemäße Verfahren zur Bildung des ersten Pulvers, zumindest anteilig, Biopolymere eingesetzt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte:

– Verwenden des Granulats, das das erste Pulver enthaltend mindestens ein thermoplastisches Polymer und weiterhin das zweite Pulver aus dem mindestens einen Material M umfasst;
– Einbringen des Granulats in die Spritzgussmaschine, mittels welcher das Granulat gefördert und erwärmt wird, bis die Formmasse in Form einer Schmelze vorliegt;
– Eindüsen eines überkritischen Gases in die Schmelze,
– Ausbringen der begasten Schmelze aus der Spritzgussmaschine in eine Spritzgussform unter Ausbildung einer aufgeschäumten Formmasse und eines Spritzlings;
– Abkühlen des Spritzlings auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzbereichs des ersten Pulvers unter Verfestigung des Spritzlings;
– Entbindern des verfestigten Spritzling und Sintern des entbinderten Spritzlings unter Bildung des porösen Bauteils.

Der Einsatz thermoplastischer Polymere ermöglicht ein mechanisches Aufschäumen der Schmelze, ohne dass gleichzeitig chemische Reaktionen in der Spritzgussmaschine ablaufen und dabei gesteuert oder zumindest überwacht werden müssten.
Dies führt zu einer Vereinfachung des Verfahrens und der erforderlichen Anlagentechnik.
Vorzugsweise schmilzt das erste Pulver umfassend das mindestens eine thermoplastische Polymer in einem Temperaturbereich von 50 °C bis 250 °C, insbesondere von 80 °C bis 180°C, auf. Der Temperaturbereich, in welchem das zweite Pulver aus dem Material M schmilzt, liegt deutlich darüber, so dass es während der Durchführung des Verfahrens seinen festen Aggregatzustand nicht ändert.
Insbesondere wird dabei mindestens ein thermoplastisches Polymer aus der Gruppe umfassend Polyacetal (POM), Polyolefine und Polyamide eingesetzt. Das erste Pulver umfasst dabei vorzugsweise das mindestens eine thermoplastische Polymer und weiterhin mindestens einen Stoff aus der Gruppe der Alkohole, Wachse und Karbonsäurederivate. Als Wachs hat sich dabei insbesondere Paraffinwachs bewährt.
Als überkritisches Gas kommt vorzugsweise überkritisches CO₂ oder überkritischer N₂ zum Einsatz
In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst dieses folgende Schritte:

– Einbringen des Granulats in die Spritzgussmaschine, mittels welcher das Granulat gefördert und erwärmt wird, bis die Formmasse in Form einer Schmelze vorliegt;
– Zuführen eines Zuschlagsstoffs zu dem Granulat und/oder der Formmasse, welcher sich zersetzt und ein Treibgas freisetzt;
– Ausbringen der begasten Schmelze aus der Spritzgussmaschine in eine Spritzgussform unter Ausbildung einer aufgeschäumten Formmasse und eines Spritzlings, sowie Verfestigung des Spritzlings;
– Entbindern des verfestigten Spritzlings und Sintern des entbinderten Spritzlings unter Bildung des porösen Bauteils.

Aufgrund der Zugabe eines festen Zuschlagsstoffs zum Granulat und/oder zur Formmasse vereinfacht sich bei diesem Verfahren der Aufbau der Spritzgussmaschine. Der feste Zuschlagstoff kann homogen eingemischt werden und damit eine besonders gleichmäßige Verteilung der Porenstruktur im porösen Bauteil erreicht werden.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst dieses folgende Schritte:

– Verwenden des Granulats, das das erste Pulver enthaltend mindestens ein Hydrokolloid und weiterhin das zweite Pulver aus dem mindestens einen Material umfasst;
– Einbringen des Granulats, optional unter Zugabe von Wasser, in die Spritzgussmaschine, mittels welcher das Granulat gefördert und verdichtet wird, bis die gebildete Formmasse als Gel vorliegt;
– Eindüsen eines überkritischen Gases in das Gel;
– Ausbringen des begasten Gels aus der Spritzgussmaschine in eine Spritzgussform unter Ausbildung eines aufgeschäumten Gels und eines Spritzlings, sowie Verfestigung des Spritzlings;
– Entbindern des verfestigten Spritzlings und Sintern des entbinderten Spritzlings unter Bildung des porösen Bauteils.

Der Begriff der „Hydrokolloide“ umfasst eine große Gruppe von Polysacchariden und Proteinen, die in Wasser als Kolloide in Lösung gehen und ein hohes Vermögen zur Gelbildung zeigen. Ein hier besonders geeignetes Hydrokolloid ist das Biopolymer Agar. Vorteilhaft ist bei dieser Verfahrensvariante, das der Spritzling durch eine Trocknung verfestigt werden kann.
In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Verbinden eines verfestigten ersten Spritzlings mit mindestens einem verfestigten weiteren Spritzling. Danach erfolgt ein gemeinsames Entbindern der miteinander verbundenen Spritzlinge und ein Sintern der entbinderten, miteinander verbundenen Spritzlinge unter Bildung des porösen Bauteils. Dabei werden insbesondere poröse Bauteile ausgebildet, die aufgrund ihrer komplexen Geometrie in einem einzigen Spritzgussvorgang nicht oder zumindest nicht ohne weiteres hergestellt werden können. Je nach eingesetztem ersten Pulver erfolgt die Verbindung der Spritzlinge beispielsweise durch ein Kunststoffschweißen, bei dem ein thermoplastisches Polymer im ersten Pulver erhitzt und die erwärmten Verbindungsflächen der Spritzlinge aneinander angepresst werden. Beim Abkühlen der Verbindungsflächen bildet sich ein fester Verbund zwischen den Spritzlingen aus, wobei der aus diesen gebildete Spritzling eine hochkomplexe Form aufweisen kann. Bei Verwendung von Hydrokolloiden im ersten Pulver kann bereits ein Anfeuchten der Verbindungsflächen der Spritzlinge und ein in Kontakt bringen dieser ausreichen, um eine Verbindung zwischen den Spritzlingen herzustellen. Nach dem Trocknen liegt auch hier ein gebildeter Spritzling vor, der eine hochkomplexe Form aufweisen kann.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der erste Spritzling und mindestens einer der weiteren Spritzlinge jeweils zweite Pulver aus unterschiedlichen Materialen M enthalten. Dadurch können poröse Bauteile ausgebildet werden, die in Teilbereichen aus unterschiedlichen Schaummaterialien gebildet sind. Damit lässt sich eine gezielte Anpassung der Eigenschaften des porösen Bauteils an den vorhandenen Anwendungsfall und insbesondere an den lokalen am Bauteil vorliegenden Anwendungsfall erreichen. Dabei können besonders auf Verschleiß beanspruchte Bereiche des porösen Bauteils beispielsweise aus Keramik gebildet werden, während korrosiv beanspruchte Bereiche aus Metallen oder Metalllegierungen gebildet sein können. Allerdings erfordert die Herstellung eines derartigen porösen Bauteils ein besonderes Augenmerk auf die Anpassung der Schwindungen bzw. des zeitlichen Schwindungsverhaltens des ersten Spritzlings und des mindestens einen weiteren Spritzlings beim Entbindern und nachfolgenden Sintern. Eine Abweichung im Schwindungsverhalten des ersten Spritzlings vom Schwindungsverhalten des mindestens einen weiteren Spritzlings führt zu Spannungen im Übergangsbereich des ersten Spritzlings zum mindestens einen weiteren Spritzling und damit zu Rissen und/oder einer strukturellen Schwächung des porösen Bauteils, sofern ein solches überhaupt maßhaltig ausgebildet werden kann.
Besonders bewährt hat es sich dabei, wenn zur Bildung des ersten Spritzling als Material M ein Vergütungsstahl und zur Bildung des mindestens einen weiteren Spritzlings als Material M ein Werkzeugstahl eingesetzt wird.
In einer besonders bevorzugten weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in die Spritzgussform mindestens ein spritzgegossenes Formteil eingelegt und die aufgeschäumte Formmasse an das mindestens eine spritzgegossene Formteil angespritzt, wobei nach Verfestigung der aufgeschäumten Formmasse der gebildete Spritzling das mindestens eine spritzgegossene Formteil umfasst. Auch hier sind hohe Anforderungen ein abgestimmtes Schwindungsverhalten des Formteils und der verfestigten, aufgeschäumten Formmasse beim Entbindern und Sintern zu stellen. Insbesondere hat es sich bewährt, wenn das erste Pulver auch zur Bildung des spritzgegossenen Formteils eingesetzt wird. Dies erleichtert das Anbinden der aufgeschäumten Formmasse an das Formteil in der Spritzgussform. Es sind poröse Bauteile herstellbar, die lediglich in einem Teil ihres Bauteilvolumens die Schaumstruktur aufweisen. Auch unterschiedliche Materialien M im Formteil und in der Formmasse können miteinander durch das Sintern verbunden werden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in die Spritzgussform gleichzeitig und/oder nacheinander mindestens zwei aufgeschäumte Formmassen eingebracht, die unterschiedliche Materialien M enthalten. Dadurch lässt sich ein fließender Übergang zwischen den Formmassen und damit auch der zweiten Pulver im hergestellten Spritzling sowie porösen Bauteil erzeugen.
Das Material M wird insbesondere aus Metall, einer Metalllegierung, Keramik oder einer Mischung von mindestens zwei dieser Materialien gebildet. Insbesondere ist das Material M aus Metall, einer Metalllegierung oder aus Keramik gebildet. Dabei liegt der Schmelzbereich für das Material M, also die Temperatur, ab der das Material M zu erweichen beginnt, generell oberhalb des Schmelzbereichs oder der Schmelztemperatur des ersten Pulvers. Als besonders bevorzugtes Metall ist hier Titan zu nennen. Metalllegierungen aus Vergütungsstahl, Edelstahl, Normalstahl und Werkzeugstahl sind ebenfalls bevorzugt. Ein besonders bevorzugtes keramisches Material M ist hier Si₃N₄.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden mindestens 50 Vol.-% und maximal 70 Vol.-% des Granulats aus dem zweiten Pulver gebildet. Bevorzugt werden 55 Vol.-% bis 65 Vol.-% des Granulats aus dem zweiten Pulver gebildet. Ein höherer Anteil des zweiten Pulvers im Granulat beeinträchtigt die Schäumbarkeit der Schmelze, während ein geringerer Anteil des zweiten Pulvers im Granulat die Standfestigkeit des zu sinternden Gerüsts aus dem Material M beeinträchtigt, das nach dem Entbindern des Spritzlings mit stabilisierenden Resten aus dem ersten Pulver verbleibt.
Ein Entbindern des Spritzlings erfolgt insbesondere mittels eines Ausheizens, mittels eines Herauslösens durch ein Lösungsmittel oder mittels einer chemischen Zersetzung der Kohlenstoff-haltigen Komponenten des ersten Pulvers. Dabei werden in der Regel nicht 100% des ersten Pulvers entfernt, sondern lediglich 80 bis 99%, insbesondere 90 bis 95%, um eine Restfestigkeit des entbinderten Spritzlings für den Sintervorgang zu gewährleisten. Beim Sintern des entbinderten Spritzlings werden die noch vorhandenen Reste des ersten Pulvers zersetzt und idealerweise vollständig entfernt.
Die Aufgabe wird weiterhin für das poröse Bauteil aus mindestens einem Material M und mit einer Schaumstruktur zumindest in Teilbereichen seines Bauteilvolumens, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, gelöst, indem die Schaumstruktur einen Schäumgrad im Bereich von 2:5 bis 1:50 aufweist.
Der Schäumgrad ist dabei das Verhältnis der Dichte der gesinterten Schaumstruktur zur Dichte des zweiten Pulvers, aus dem die Schaumstruktur gebildet ist. Derartige poröse Bauteile weisen ein reduziertes Gewicht gegenüber Bauteilen aus Vollmaterial auf und sind kostengünstig und automatisiert herstellbar.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das poröse Bauteil in Form eines Käfigs oder eines Käfigsegments für ein Wälzlager ausgebildet, wobei der Käfig oder das Käfigsegment zur Aufnahme von Wälzkörpern ausgestaltet ist. Ein derartiger Käfig in Leichtbauweise ist insbesondere für Wälzlager bei Spezialanwendungen im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik ideal.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das poröse Bauteil in Form eines Motorenelements, insbesondere in Form eines Schlepphebels, ausgebildet.
Das poröse Bauteil in Form eines Käfigs, eines Käfigsegments oder eines Motorenelements ist dabei bevorzugt aus einem Material M aus Metall und/oder einer Metalllegierung und/oder Keramik gebildet. Dabei sind Motorenelemente jedoch besonders bevorzugt aus Metall oder einer Metalllegierung gebildet.
Die 1 bis 6 sollen das erfindungsgemäße Verfahren und damit hergestellte poröse Bauteile beispielhaft erläutern. So zeigt:
1 ein Verfahren unter Einsatz eines ersten Pulvers umfassend ein thermoplastisches Polymer;
2 ein poröses Bauteil aus einer Metalllegierung;
3 ein Verfahren, bei dem zwei verfestigte Spritzlinge verbunden werden;
4 den gemäß 3 gebildeten, verbundenen Spritzling;
5 ein Verfahren, bei dem an ein spritzgegossenes Formteil eine Schaumstruktur angespritzt wird; und
6 das aus dem Spritzling gemäß 5 nach dem Entbindern und Sintern gebildete poröse Bauteil.
1 zeigt ein Verfahren unter Einsatz eines ersten Pulvers umfassend ein thermoplastisches Polymer in Form von Polypropylen. Als zweites Pulver aus dem Material M kommt hier Werkzeugstahl zum Einsatz, welcher eine höhere Schmelztemperatur aufweist als das erste Pulver aus Polypropylen. Das erste Pulver und das zweite Pulver werden miteinander gemischt, wobei ein hier nicht dargestellter Compoundier-Vorgang erfolgt, der ein rieselfähiges Granulat 6 bereitstellt. Das Granulat 6 wird über eine Einfüllhilfe 5 in eine Spritzgussmaschine 2 (beides hier im Längsschnitt dargestellt) eingefüllt und mittels einer Förderschnecke 4 verdichtet. Die Spritzgussmaschine 2 weist ein Heizband 3 auf, welches eine Erwärmung des Granulats 6 in der Spritzgussmaschine 2 bewirkt. Es bildet sich beim Erschmelzen des Granulats 6 eine Formmasse 6a in Form einer Schmelze des thermoplastischen Polymers aus, in welche das zweite Pulver eingemischt ist. Nun erfolgt ein Eindüsen eines überkritischen Gases 8, hier in Form von überkritischem N₂, über eine Gaszuführeinrichtung 7 in die Spritzgussmaschine 2 und damit die Schmelze. Ein Ausbringen der begasten Formmasse 6a´ bzw. begasten Schmelze aus der Spritzgussmaschine 2 erfolgt unter Ausbildung einer aufgeschäumten Formmasse und eines Spritzlings 10. Das in die Schmelze eingebrachte Gas 8 dehnt sich beim Austritt der begasten Formmasse 6a´ aus der Spritzgussmaschine 2 aus und schäumt die Schmelze auf. Dabei wird die aufgeschäumte Schmelze in einen Hohlraum 9c (mit gestrichelter Linie angedeutet) einer Spritzgussform 9 eingespritzt, welche aus zwei Teilen 9a, 9b besteht. Dabei ist das Teil 9b beweglich (siehe Doppelpfeil), um eine Entformung des verfestigten Spritzlings 10 (hier der besseren Übersicht halber in der geschlossenen Spritzgussform 9 sichtbar dargestellt) aus der Spritzgussform 9 zu ermöglichen. Die Verfestigung des Spritzlings 10 erfolgt durch Abkühlen des Spritzlings 10 auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des thermoplastischen Polymers in der geschlossenen Spritzgussform 9. Dazu ist die Spritzgussform 9 mit einer nicht dargestellten Kühleinrichtung verbunden. Der aus der Spritzgussform 9 entnommene, verfestigte Spritzling 10 wird durch Ausheizen entbindert, wobei sich das erste Pulver bis auf einen Rest zersetzt und verflüchtigt. Danach erfolgt ein Sintern des entbinderten Spritzlings unter Bildung eines porösen Bauteils 1 (siehe 2) aus dem zweiten Pulver.
2 zeigt ein poröses Bauteil 1 aus dem Material M, hier aus dem Werkzeugstahl, mit einem geschlossenen Porenraum 11. Dabei weist das poröse Bauteil 1 im Hinblick auf sein Bauteilvolumen generell eine Schaumstruktur auf.
3 zeigt ein Verfahren, bei dem zwei Spritzlinge 10a, 10b verbunden werden, die nach einem Verfahren wie in 1 dargestellt gebildet wurden. Dabei werden die verfestigten Spritzlinge 10a, 10b an ihren Verbindungsflächen 100 erwärmt, bis das erste Pulver erweicht und deformiert werden kann. Anschließend werden die beiden Spritzlinge 10a, 10b mit ihren erwärmten Verbindungsflächen 100 gegeneinander gedrückt (siehe Pfeile zu Kraft F), wobei sich die Verbindungsflächen 100 miteinander verbinden. Nach dem Abkühlen liegt ein Spritzling 10 (siehe 4) vor, der aus den beiden Spritzlingen 10a, 10b zusammengesetzt ist. Nun kann ein Entbindern und Sintern des Spritzlings 10 erfolgen, um ein poröses Bauteil daraus zu bilden. Auf diese Weise sind poröse Bauteile mit hochkomplexer äußerer Geometrie herstellbar.
5 zeigt ein Verfahren, bei dem an ein spritzgegossenes Formteil 12 eine Schaumstruktur angespritzt wird. Gleiche Bezugszeichen wie in 1 kennzeichnen gleiche Elemente. Auch hier ist die Spritzgussmaschine 2 im Längsschnitt dargestellt. In die Spritzgussform 9 wird ein spritzgegossenes Formteil 12 eingelegt und die Spritzgussform 9 geschlossen. Anschließend wird die begaste Formmasse 6a´ in die Spritzgussform 9 eingespritzt, wobei die gebildete aufgeschäumte Formmasse die freien Oberflächen des Formteils 12 bedeckt und sich mit diesen verbindet. Nach dem Verfestigen der aufgeschäumte Formmasse in die Spritzgussform 9 liegt ein Spritzling 10c vor, der das Formteil 12 beinhaltet.
Alternativ kann das Formteil 12 auch durch Einspritzen einer Spritzgussmasse in die Spritzgussform 9 ausgebildet werden und dieses verfestigt werden, bevor die aufgeschäumte Formmasse in die gleiche Spritzgussform 9 eingespritzt wird. Dazu wird die Spritzgussform 9 von einer ersten Spritzgussmaschine, welche zur Bildung des Formteils 12 befüllt ist, zu einer weiteren Spritzgussmaschine transportiert, welche die aufgeschäumte Formmasse bereitstellt.
6 zeigt das poröse Bauteil 1´, das aus dem Spritzling 10c umfassend das Formteil 12 (gebildet gemäß dem in 5 gezeigten Verfahren) durch nachfolgendes Entbindern und Sintern gebildet wurde. Dabei sind der Bereich des porösen Bauteils 1´, der durch das gesinterte Formteil 12´ ohne Porosität gebildet ist, und weiterhin der Bereich des porösen Bauteils 1´, der durch die gesinterte Schaumstruktur 10c´ gebildet ist, gesondert dargestellt.
Bezugszeichenliste

1, 1´: poröses Bauteil
2: Spritzgussmaschine
3: Heizband
4: Förderschnecke
5: Einfüllhilfe
6: Granulat
6a: Formmasse
6a´: begaste Formmasse
7: Gaszuführeinrichtung
8: überkritisches Gas
9: Spritzgussform, teilbar
9a, 9b: Teile der Spritzgussform 9
9c: Hohlraum
10, 10a, 10b, 10c: Spritzling
10c´: gesinterte Schaumstruktur
100: Verbindungsfläche
11: Porenraum
12: Formteil
12´: gesintertes Formteil
M: Material
F: Kraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19717894 A1 [0003]
DE 102006053155 A1 [0005]
DE 4405331 A1 [0006]
DE 634405 [0007]
DE 10307736 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines porösen Bauteils (1) aus mindestens einem Material (M) und mit einer Schaumstruktur, umfassend folgende Schritte: – Einbringen eines Granulats (6) umfassend ein erstes Pulver enthaltend mindestens ein Polymer und umfassend weiterhin ein zweites Pulver aus dem mindestens einen Material (M) in eine Spritzgussmaschine (2), mittels welcher das Granulat (6) gefördert und in eine Formmasse (6a) überführt wird; – Begasen der Formmasse (6a); – Ausbringen der begasten Formmasse (6a´) aus der Spritzgussmaschine (2) in eine Spritzgussform (9) unter Ausbildung einer aufgeschäumten Formmasse und eines Spritzlings (10), sowie Verfestigung des Spritzlings (10); – Entbindern des verfestigten Spritzlings (10) und Sintern des entbinderten Spritzlings (10) unter Bildung des porösen Bauteils (1).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Granulat (6) gebildet wird, indem ein Pulvergemenge aus dem ersten Pulver und dem zweiten Pulver gebildet wird und das Pulvergemenge in das rieselfähige Granulat (6) überführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, umfassend folgende Schritte: – Verwenden des Granulats (6), das das erste Pulver enthaltend mindestens ein thermoplastisches Polymer und weiterhin das zweite Pulver aus dem mindestens einen Material (M) umfasst; – Einbringen des Granulats (6) in die Spritzgussmaschine (2), mittels welcher das Granulat (6) gefördert und erwärmt wird, bis die Formmasse (6a) in Form einer Schmelze vorliegt; – Eindüsen eines überkritischen Gases (8) in die Schmelze,; – Ausbringen der begasten Schmelze aus der Spritzgussmaschine (2) in eine Spritzgussform (9) unter Ausbildung einer aufgeschäumten Formmasse und eines Spritzlings (10); – Abkühlen des Spritzlings (10) auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzbereichs des ersten Pulvers unter Verfestigung des Spritzlings (10); – Entbindern des verfestigten Spritzling (10) und Sintern des entbinderten Spritzlings (10) unter Bildung des porösen Bauteils (1).
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, umfassend folgende Schritte: – Einbringen des Granulats (6) in die Spritzgussmaschine (2), mittels welcher das Granulat (6) gefördert und erwärmt wird, bis die Formmasse (6a) in Form einer Schmelze vorliegt; – Zuführen eines Zuschlagsstoffs zu dem Granulat (6) und/oder der Formmasse (6a), welcher sich zersetzt und ein Treibgas freisetzt; – Ausbringen der begasten Schmelze aus der Spritzgussmaschine (2) in eine Spritzgussform (9) unter Ausbildung einer aufgeschäumten Formmasse und eines Spritzlings (10), sowie Verfestigung des Spritzlings (10); – Entbindern des verfestigten Spritzlings (10) und Sintern des entbinderten Spritzlings (10) unter Bildung des porösen Bauteils (1).
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, umfassend folgende Schritte: – Verwenden des Granulats (6), das das erste Pulver enthaltend mindestens ein Hydrokolloid und weiterhin das zweite Pulver aus dem mindestens einen Material (M) umfasst; – Einbringen des Granulats (6), optional unter Zugabe von Wasser, in die Spritzgussmaschine (2), mittels welcher das Granulat (6) gefördert und verdichtet wird, bis die gebildete Formmasse (6a) als Gel vorliegt; – Eindüsen eines überkritischen Gases (8) in das Gel; – Ausbringen des begasten Gels aus der Spritzgussmaschine (2) in eine Spritzgussform (9) unter Ausbildung eines aufgeschäumten Gels und eines Spritzlings (10), sowie Verfestigung des Spritzlings (10); – Entbindern des verfestigten Spritzlings (10) und Sintern des entbinderten Spritzlings (10) unter Bildung des porösen Bauteils (1).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend folgende weiteren Schritte: – Verbinden eines verfestigten ersten Spritzlings (10a) mit mindestens einem verfestigten weiteren Spritzling (10b); – gemeinsames Entbindern der miteinander verbundenen Spritzlinge (10a, 10b) und Sintern der entbinderten, miteinander verbundenen Spritzlinge (10a, 10b) unter Bildung des porösen Bauteils (1).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der erste Spritzling (10a) und mindestens einer der weiteren Spritzlinge (10b) jeweils zweite Pulver aus unterschiedlichen Materialen (M) enthalten.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei zur Bildung des ersten Spritzling (10a) als Material (M) ein Vergütungsstahl und zur Bildung des mindestens einen weiteren Spritzlings (10b) als Material (M) ein Werkzeugstahl eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in der Spritzgussform (9) mindestens ein spritzgegossenes Formteil (12) eingelegt wird und die aufgeschäumte Formmasse an das mindestens eine spritzgegossene Formteil (12) angespritzt wird, wobei nach Verfestigung der aufgeschäumten Formmasse der gebildete Spritzling (10c) das mindestens eine spritzgegossene Formteil (12) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in die Spritzgussform (9) gleichzeitig und/oder nacheinander mindestens zwei Formmassen (6a) eingebracht werden, die unterschiedliche Materialien (M) enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Material (M) aus Metall, einer Metalllegierung, Keramik oder einer Mischung von mindestens zwei dieser Materialien gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei mindestens 50 Vol.-% und maximal 70 Vol.-%, insbesondere 55 Vol.-% bis 65 Vol.-%, des Granulats (6) aus dem zweiten Pulver gebildet sind.
Poröses Bauteil (1) aus mindestens einem Material (M) und mit einer Schaumstruktur zumindest in Teilbereichen seines Bauteilvolumens, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Schaumstruktur einen Schäumgrad im Bereich von 2:5 bis 1:50 aufweist.
Poröses Bauteil nach Anspruch 13, welches in Form eines Käfigs oder eines Käfigsegments für ein Wälzlager ausgebildet ist, und wobei der Käfig oder das Käfigsegment zur Aufnahme von Wälzkörpern ausgestaltet ist.
Poröses Bauteil nach Anspruch 13, welches in Form eines Motorenelements, insbesondere in Form eines Schlepphebels, ausgebildet ist.