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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von geschäumten Sandwichelementen sowie ein mittels eines solchen Verfahrens hergestelltes geschäumtes Sandwichelement.
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Ein wesentliches Ziel bei der Entwicklung neuer Produkte und Konstruktionen ist ein sparsamer und nachhaltiger Umgang mit den begrenzten natürlichen Ressourcen durch eine gesteigerte Effizienz. Dabei bietet insbesondere die Sandwichbauweise ein hohes Potential, dieses gesteckte Ziel zu erreichen. Bei der Sandwichbauweise werden Werkstoffe mit verschiedenen Eigenschaften in mehreren Lagen zu einem Sandwichelement zusammengesetzt. Die Eigenschaften solcher Sandwichelemente können dabei über verschiedene Parameter, wie beispielsweise die Materialwahl der Deck- und Kernlagen, die Anordnung bzw. Reihenfolge dieser Lagen oder die Formgebung des Sandwichelements, den Bedürfnissen individuell angepasst werden.
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Sandwichelemente werden dabei seit geraumer Zeit als Leichtbauteile für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt und ersetzen oftmals hochfeste Werkstoffe, wie metallische Werkstoffe u. dgl., und übertreffen deren Potential sowohl hinsichtlich der Festigkeit und Steifigkeit als auch des Energieaufnahmevermögens und der Dämpfung. Die Herstellung von Sandwichelementen erfolgt heute größtenteils durch Verkleben von Lagen aus Kern- und Deckmaterial, welche jeweils separat voneinander hergestellt werden. Der Nachteil dieses Herstellungsverfahrens und der daraus resultierenden Sandwichelemente ist jedoch, dass die Klebefläche zwischen dem Kern- und Deckmaterial eine Schwachstelle darstellt, welche die mechanischen Eigenschaften des Sandwichelements beeinträchtigt.
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Eine neue Entwicklung der letzten Jahre ist die Verwendung von Metallschaum als Kernmaterial in Verbindung mit Decklagen aus massiven Blechen, die der Lastaufnahme, Verteilung und Übertragung dienen. Die Anbindung des Metallschaums an die Deckbleche entsteht dabei durch einen – während des Aufschäumens realisierten – Stoffschluss. Es ist somit vorteilhafterweise kein Klebstoff notwendig und das Risiko der Delamination, verursacht durch Hitze, Kälte, Korrosion, Chemikalien oder andere Einflüsse, sinkt. Üblich ist die Verwendung von Aluminiumschaum als Kernlage, dessen Legierung je nach Anwendungsfall variieren kann. Die Deckbleche bestehen zumeist aus Stahl oder ebenfalls aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen.
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Die Bereitstellung eines aufschäumbaren, metallischen Materials erfolgt zumeist durch homogene Vermischung eines Metallpulvers mit einem Treibmittelpulver (z. B. Titanhydrid) und durch anschließende Kompaktierung und ggf. Formgebung (z. B. Strangpressen, Walzen) zu einem aufschäumbaren Vormaterial. Wird dieses Vormaterial auf die Schmelztemperatur des Metalls erhitzt, setzt das Treibmittel bei der Erwärmung ein Gas (z. B. Wasserstoff) frei. Sobald das Metall schmelzflüssig wird, expandiert das Gas die Schmelze zum flüssigen Metallschaum. Anschließend wird der Metallschaum bei Erreichen der maximalen Schaumexpansion unter die Solidustemperatur des Metalls abgekühlt und so in die feste Phase überführt.
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Bei Sandwichelementen besteht die Herausforderung darin, die zum Aufschäumen notwendige Wärmemenge durch die Decklagenschicht in die schäumbare Kernlage einzuleiten, ohne dabei jedoch die Decklagenschicht aufzuschmelzen. Geschäumt wird der vorbereitete Verbund hierzu üblicherweise in einem auf Schäumtemperatur erwärmbaren Konvektionsofen. Die Schäumtemperatur liegt dabei im Sinne einer zügigen Prozessführung etwa 10 bis 150 K über der Solidustemperatur des schäumbaren Metalls (also im Fall von Aluminium etwa zwischen 580 und 810 °C). Selbst bei diesen hohen Temperaturen bleiben Stahldeckbleche weitestgehend stabil, d. h. sie schmelzen nicht. Die Sandwichfertigung ist in diesem Fall relativ unproblematisch.
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Anders verhält es sich jedoch bei Aluminiumdeckblechen. Diese schmelzen zumindest in einem ähnlichen Temperaturbereich wie das schäumbare Kernmaterial. Um das Schmelzen der Deckbleche zu verzögern, wird bei der Materialauswahl auf eine höherschmelzende Aluminiumlegierung (z. B. AIMg 1 Si) oder sogar auf Reinaluminium zurückgegriffen, wohingegen für die Kernlage eine niederschmelzende Legierungsvariante (z. B. AISi 12) verwendet wird. Gelingt es zudem, vorab zwischen schäumbarer Kernlage und den Deckblechen einen form- und / oder stoffschlüssigen Verbund zu schaffen, wird der Wärmeübergang durch das Deckblech in das schäumbare Material deutlich beschleunigt und der Schäumprozess kann abgeschlossen werden, bevor die Deckbleche aufschmelzen.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Schaumkörpern in einer Schäumform geht aus
DE 10 2005 020 036 B3 hervor. Dabei wird zunächst ein Deckblech in die Schäumform eingelegt, auf welches anschließend das schäumbare (z. B. durch Strangpressen oder Walzen hergestellte) Material abgelegt wird, welches schließlich wiederum von einem weiteren Deckblech abgeschlossen wird. Danach erfolgt die Wärmebehandlung des vorbeschriebenen Verbundes zum Schäumen des Kernmaterials. Im Schäumprozess wird das obere Deckblech mit voranschreitender Schäumfront angehoben, bis es an der oberen Formwandung anstößt. Alternativ kann das obere Deckblech auch in einer festen Position oberhalb des schäumbaren Materials positioniert und gehalten werden, wodurch ein kippgefährdetes Anheben des oberen Deckbleches entfällt. In jedem Fall muss berücksichtigt werden, dass sich die Deckbleche beim Erwärmen ausdehnen.
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Das vorbeschriebene Verfahren hat sich bisher in der Praxis nicht durchgesetzt. Dies beruht auf verschiedenen Gründen. Zum einen liegt aufgrund von Oxidhäuten und aufgrund einer Verkippgefahr und einer unzureichenden Ebenheit der oberen Deckblechlage eine nur unzureichende Verbindung des schäumbaren Materials mit den Deckblechen vor. Zum anderen ist von Nachteil, dass eine geschlossene Schäumform erforderlich ist, die in der Regel durch Fräsen gefertigt wird und damit teuer ist.
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Aus
EP 1 000 690 A2 ,
DE 44 26 627 A1 und
EP 0 997 215 A2 ist es jeweils bekannt, durch gemeinsames Walzen zunächst zwischen der schäumbaren Kernlage und den Deckblechen einen form- und / oder stoffschlüssigen Verbund zu schaffen, sodass beim anschließenden Aufschäumen der Wärmeübergang durch das Deckblech in das schäumbare Material deutlich beschleunigt und der Schäumprozess somit abgeschlossen werden kann, bevor die Deckbleche aufschmelzen.
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Das Problem an der vorbeschriebenen Technologie liegt in der notwendigen Prozesstechnik. So ist der Walzprozess an eine entsprechende Walzanlage gebunden und die Form des Ausgangsmaterials an eine flächige Blechform. Speziell das Walzen ist ausschließlich für die Fertigung sehr großer Mengen an blechförmigem Material geeignet und für Mindermengen im Bereich weniger Quadratmeter extrem unrentabel. Auch sind die entsprechend notwendigen Kapazitäten auf derartigen Walzanlagen nur selten vorhanden.
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Aus
DE 10 2007 006 156 B3 und
DE 10 2012 005 090 B3 sind schließlich jeweils Verfahren zur Herstellung profilartiger Verbunde im Strangpressprozess durch das gemeinsame Verpressen eines massiven Metallrohrs mit einem eingelegten Block schäumbaren Metalls bekannt. Hierzu wird zunächst in ein massives Metallrohr ein schäumbarer Metallblock nahezu formfüllend eingelegt. Durch anschließendes Strangpressen des losen Verbundes wird ein Profil mit massiver Außenhaut und schäumbarer Innenschicht hergestellt. Abschließend erfolgt das Aufschäumen der Innenschicht, um ein teilweises bzw. komplettes Ausschäumen des Profilhohlraums zu erreichen.
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Auf diesem Weg ist ein rohrförmiger Verbund mit massiver Außenhaut und einem Schaumkern herstellbar, der entweder vollständig oder teilweise das innere Volumen des Rohres ausfüllt. Diese bekannten Verfahren zielen auf die Herstellung von Profilwerkstoffen und nicht auf die Fertigung von Sandwichelementen ab.
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In Anbetracht des hierin angegebenen und diskutierten Standes der Technik hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Herstellung eines geschäumten Sandwichelements anzugeben, das einfach und demzufolge auch noch für kleine Mengen wirtschaftlich anwendbar ist und dabei dennoch hohen Qualitätsanforderungen genügt. –
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Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von geschäumten Sandwichelementen, umfassend die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen einer im Querschnitt geschlossenen Hülse aus einem metallischen Deckmaterial,
- b) Auffüllen des Hülseninneren mit einem aufschäumbaren, metallischen Kernmaterial,
- c) Strangpressen der aufgefüllten Hülse zu einem stranggepressten Profil mit einer metallischen Decklage und einer aufschäumbaren, metallischen Kernlage,
- d) Aufschäumen des stranggepressten Profils zu einem geschäumten Sandwichelement mit wenigstens einer metallischen Decklage und einer aufgeschäumten Kernlage.
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Vorteilhafterweise kommt bei der Herstellung des aufschäumbaren Halbzeuges gemäß Schritt c) ein Strangpressprozess zum Einsatz. Ein Strangpressprozess lässt sich erheblich einfacher durchführen als ein Walzprozess. So sind die Mindestherstellungsmengen für das Strangpressen deutlich geringer als für das Walzen. Damit ist eine kostendeckende Fertigung auch für kleine Chargen (wenige Tonnen) möglich. Geschäumte Sandwichelemente, die gemäß Schritt d) durch Aufschäumen stranggepresster Profile gefertigt werden, besitzen daher gegenüber geschäumten Sandwichelementen auf Basis von gewälzten Halbzeugen eine deutlich bessere Ausgangssituation für den Marktzugang.
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Zudem ist von Vorteil, dass im durch Strangpressen hergestellten Profil zwischen der metallischen Decklage und der aufschäumbaren, metallischen Kernlage bereits ein Stoffschluss besteht. Durch diesen Stoffschluss wird beim anschließenden Aufschäumen der Wärmeübergang zwischen dem Deckmaterial und dem aufschäumbaren Kernmaterial derart optimiert, dass keine signifikanten Temperaturgradienten zwischen beiden Materialien auftreten können. Durch das höhere Schmelzintervall des Deckmaterials gegenüber dem Kernmaterial und den guten Wärmeübergang wird das Aufschmelzen des Deckmaterials vermieden. Die Decklagen zeigen somit keine Formänderung bzw. aufgeschmolzenen Bereiche. Zudem wird eine hohe Aufheizrate für das aufschäumbare Kernmaterial erreicht, wodurch eine gute Porenmorphologie und eine homogene Dichteverteilung im Schaumkern erzielbar sind.
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Nach einer zweckmäßigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die in Schritt a) bereitgestellte Hülse oder die in Schritt b) aufgefüllte Hülse vor dem Strangpressen gemäß Schritt c) weichgeglüht und / oder auf die Strangpresstemperatur vorgewärmt.
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Durch Weichglühen (Rekristallisationsglühen) der bereitgestellten, noch leeren Hülse oder der bereits gefüllten Hülse kann das anschließende Strangpressen erleichtert werden. Die gewählte Weichglühtemperatur und Strangpresstemperatur hängen dabei jeweils von den Legierungszusammensetzungen des Deck- und Kernmaterials ab.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem Aufschäumen gemäß Schritt d) die metallische Decklage entlang den einander gegenüberliegenden Schmalseiten des stranggepressten Profils, zum Beispiel durch Sägen, entfernt.
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Die auch als "Besäumen" bezeichnete partielle Beseitigung der Decklage an den Schmalseiten (d. h. entlang den flachen Randbereichen) des stranggepressten Profils führt zum vorteilhaften Ergebnis, dass beim nachfolgenden Aufschäumen der Widerstand der Decklage gegen die erfolgende Schaumexpansion reduziert wird. In vertikaler Richtung des Strangs kann der Schaum annähernd frei expandieren, wodurch ein hochstabiles strangförmiges Sandwichelement mit zwei abschließenden (oberen und unteren) Decklagen und einer auf maximale Höhe aufgeschäumten Kernlage erhalten wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird vor dem Aufschäumen gemäß Schritt d), insbesondere während des Strangpressens gemäß Schritt c), entlang den einander gegenüberliegenden Schmalseiten des stranggepressten Profils jeweils eine Sollbruchlinie in die metallische Decklage des stranggepressten Profils eingebracht, welche durch den beim Aufschäumen gemäß Schritt d) wirkenden Schäumdruck unter Bildung eines geschäumten Sandwichelements mit zwei Decklagen und einer aufgeschäumten Kernlage aufgebrochen wird.
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Auch diese Sollbruchlinien haben zum Ziel, die eine Schaumexpansion in vertikaler Richtung behindernden, seitlichen Decklagenschichten zu schwächen und zu ermöglichen, dass diese während des Aufschäumvorgangs aufreißen. Hierdurch kann ausgehend von einem stranggepressten Halbzeug ein qualitativ hochwertiges Sandwichelement gefertigt werden, das aus zwei massiven Decklagen und einer Kernschaumlage mit maximaler Expansionshöhe besteht.
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Vorzugsweise kann die Sollbruchlinie durch eine in die Oberfläche der Decklage eingebrachte Einkerbung erzeugt werden. Dabei erfolgt die Ausbildung der Einkerbung bevorzugt zeitlich simultan zum Strangpressprozess, z. B. durch ein seitlich auf das Profil einwirkendes, in das Strangpresswerkzeug integriertes Einprägewerkzeug. Auf diese Weise lassen sich eine oder mehrere Einkerbungen ohne zusätzliche Arbeitsschritte kostengünstig herstellen.
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In weiter vorteilhafter Weise können vor dem Aufschäumen gemäß Schritt d), insbesondere während des Strangpressens gemäß Schritt c), eine oder mehrere Einformungen in das stranggepresste Profil eingebracht werden, welche durch den beim Aufschäumen gemäß Schritt d) wirkenden Schäumdruck unter Bildung eines Sandwichelements mit einer geschlossenen Decklage und einer aufgeschäumten Kernlage wieder geglättet werden.
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Somit lässt sich durch eine spezielle Formgebung des schäumbaren Halbzeuges auch eine Fertigung ausgeschäumter Rohre und Profile (z. B. Rechteckprofile) realisieren. Bevorzugt sollte der Umfang des stranggepressten, schäumbaren Profils schon dem Umfang des späteren, ausgeschäumten Profils entsprechen, da der massive Rand (die Decklage) des schäumbaren Profils während des Schäumprozesses nicht gedehnt, sondern lediglich geformt wird. Dabei werden durch den beim Aufschäumen im geschlossenen Querschnitt entstehenden Innendruck (Schäumdruck) die vorab eingebrachten Einformungen wieder nach außen gedrückt, um die gewünschte, ausgeschäumte Querschnittsform (kreisförmig, rechteckförmig M) zu erhalten.
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Nach einer weiteren Ausführungsform können während des Strangpressens gemäß Schritt c) Eingriffs- und Gegeneingriffselemente in die Decklage des stranggepressten Profils eingebracht werden, mittels welcher vor dem Aufschäumen gemäß Schritt d) mehrere stranggepresste Profile oder nach dem Aufschäumen gemäß Schritt d) mehrere geschäumte Sandwichelemente miteinander form- und / oder kraftschlüssig in Eingriff gebracht werden.
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So ist es denkbar, während des Strangpressprozesses in die Decklage des Profils (z. B. entlang den einander gegenüberliegenden Breitseiten) Fügelaschen und Fügeklinkungen an- bzw. einzuformen, die das seitliche, formschlüssige Ineinandersetzen einzelner stranggepresster Profile zu einer sich flächenförmig erstreckenden Konstruktion oder Plattform gestatten. Diese Konstruktion oder Plattform kann daraufhin als Ganzes (z. B. unter Nutzung der Restwärme des Strangpressprozesses) unmittelbar nach dem Ineinandersetzen aufgeschäumt werden, um eine extrem biegesteife, aber dabei dennoch sehr leichte Konstruktion bzw. Plattform zu erhalten, die in vielfältigen Bereichen (z. B. im Maschinenbau, Nutzfahrzeugbau, Bauwesen u. v. m.) vorteilhaft zur Anwendung gelangen kann.
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Alternativ oder in Ergänzung zu formschlüssigen können auch kraftschlüssige Eingriffs- und Gegeneingriffselemente in Form ineinander greifender Rast-, Schnapp- oder Klickelemente vorgesehen werden. So können die stranggepressten Profile oder geschäumten Sandwichelemente z. B. mittels eines "Klick"-Systems (ähnlich wie bei Laminat) nebeneinanderliegend durch eine mechanische Verbindung hoher Festigkeit miteinander in Eingriff gebracht werden.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nachfolgend verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen näher beschrieben. Dabei zeigen:
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1 Ansichten der bei den aufeinanderfolgenden Schritten a) bis d) eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Zwischen- bzw. Endprodukte,
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2 ein schäumbares, stranggepresstes Profil und ein daraus geschäumtes Sandwichelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3 ein schäumbares, stranggepresstes Profil und ein daraus geschäumtes Sandwichelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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4 ein schäumbares, stranggepresstes Profil und ein daraus geschäumtes Sandwichelement gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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5 ein schäumbares, stranggepresstes Profil und ein daraus geschäumtes Sandwichelement gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 sind die die vier zeitlich aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte a) bis d) des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der am Ende dieser Verfahrensschritte a) bis d) jeweils erhaltenen Zwischen- bzw. Endprodukte dargestellt. Dabei sind in der oberen Zeichnungshälfte der 1 diese Zwischen- bzw. Endprodukte jeweils in Längsschnittansichten zu sehen, wohingegen in der unteren Zeichnungshälfte diese Zwischen- und Endprodukte jeweils in Querschnittsansichten gezeigt sind.
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In einem ersten Verfahrensschritt a) wird eine Hülse 2 in Form eines dickwandigen Rohrs aus Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung bereitgestellt, welches das Deckmaterial 3 der späteren Decklagen 10a, 10b des Sandwichelements 1 bildet. Ein solches Aluminiumrohr kann in konventioneller Weise durch Pressen und / oder Walzen und / oder Ziehen hergestellt worden sein. Die äußeren Abmessungen sind so zu wählen, dass die Hülse 2 im nachfolgenden Verfahrensschritt c) in den für den Strangpressprozess vorgesehenen Rezipienten des Strangpresswerkzeugs passt. Unter anderem bestimmen die Wanddicke der Hülse, der Querschnitt des Strangpressrezipienten und das Umformverhalten im Strangpresswerkzeug das spätere Verhältnis der Decklage zur geschäumten Kernlage.
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In einem zweiten Verfahrensschritt b) erfolgt das Auffüllen des Hülseninneren 4 mit einem aufschäumbaren, metallischen Kernmaterial 5. Als Kernmaterial 5 kommt eine Mischung aus Aluminiumpulver oder Aluminiumspänen mit einem Treibmittel zum Einsatz. Bei einem während des späteren Aufschäumprozesses erfolgenden Aufheizen zersetzt sich das Treibmittel unter Entstehung eines Treibgases, welches das Aufschäumen der hochviskosen Aluminiumschmelze unter Bildung einer geschäumten Kernlage 11 bewirkt.
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Um Lufteinschlüsse beim anschließenden Strangpressen zu minimieren, sollte die aufschäumbare Metallpulver- oder Metallspänemischung mit einem hohen Verdichtungsgrad in die Hülse 2 eingefüllt werden. Das Verdichten der Mischung erfolgt beispielsweise mittels uniaxialer Kompaktierung oder mittels Strangpressens. Das stranggepresste oder anderweitig kompaktierte Kernmaterial 5 wird dabei nahezu formfüllend in die massive Hülse 2 eingelegt.
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Nachfolgend kann bei Bedarf (in einer in 1 nicht näher dargestellten Weise) die mit aufschäumbarem Kernmaterial 5 gefüllte Hülse 6 einem Weichglühen unterzogen werden. Alternativ kann bereits vor dem Auffüllen, also zwischen den Verfahrensschritten a) und b), die noch ungefüllte Hülse 2 weichgeglüht werden. Unter Weichglühen, welches auch als Rekristallisationsglühen bezeichnet wird, versteht man eine Wärmebehandlung bei einer Weichglühtemperatur dicht unterhalb des unteren Umwandlungspunktes. Nach einem mehrstündigen Halten dieser Weichglühtemperatur erfolgt ein langsames Abkühlen. Im Ergebnis wird so in der behandelten Hülse 6 ein weiches Gefüge erhalten, welches eine leichtere Verarbeitbarkeit bei dem anschließenden Strangpressprozess ermöglicht.
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Die aufgefüllte und weichgeglühte Hülse 6 wird anschließend (z. B. induktiv) auf Strangpresstemperatur vorgewärmt und in den Rezipienten der Strangpresse eingeführt. Beim Auspressen durch eine formgebende Strangpressmatrize mittels eines verschiebbaren Strangpressstempels entsteht aus der Hülse 6 ein stranggepresstes Profil 7 mit dem in Ansicht c1) der 1 gezeigten Querschnitt. Das stranggepresste Profil 7 umfasst innerhalb einer geschlossenen rechteckförmigen Decklage 8 (aus einem höherschmelzenden Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung) eine aufschäumbare rechteckförmige Kernlage 9 (aus einer mit Treibmittel versetzten niederschmelzenden Aluminiumlegierung). Das derart gestaltete stranggepresste Profil 7 kann dabei beispielsweise einen rechteckförmigen Querschnitt mit den Abmessungen B × H = 300 mm × 10 mm aufweisen. Beim Strangpressen werden die für die jeweilige Legierung geeigneten Prozessparameter (wie Strangpresstemperatur, -verhältnis und -geschwindigkeit) so eingestellt, dass das für den anschließenden Aufschäumprozess gewünschte Umformergebnis erhalten wird. Das Strangpressen ermöglicht dabei die Herstellung eines Strangs, dessen Länge von einigen Metern bis zu über 100 Metern reichen kann.
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In Vorbereitung des Aufschäumprozesses wird während oder nach dem Strangpressprozess die Decklage 8 entlang den Schmalseiten 12a, 12b des stranggepressten Profils 7 (also entlang den flachen Randbereichen, die gemäß vorgenanntem Beispiel eine Kantenhöhe von 10 mm aufweisen) entfernt. Dieser auch als "Besäumen" bezeichnete Trennprozess ist in 1 als Unterverfahrensschritt zum Verfahrensschritt c) durch den Übergang von Ansicht c1) zur Ansicht c2) veranschaulicht. Das Besäumen der stranggepressten Profile 7 kann unmittelbar nach dem Strangpressprozess erfolgen, d. h. inline mit dem Strangpressprozess. Hierzu können die stranggepressten Profile über eine als Rollenbahn ausgebildete Förderstrecke längsgerichtet einer Sägevorrichtung zugeführt werden. Ein Besäumen kann jedoch auch in einem separaten Prozessschritt erfolgen.
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Durch das Besäumen wird die den späteren Schäumprozess behindernde, nicht schäumbare Decklage 8 an den Schmalseiten 12a, 12b des stranggepressten Profils 7 beseitigt. Somit kann im nachfolgenden Aufschäumprozess gemäß Verfahrensschritt d) eine maximale Schaumexpansion der Kernlage 9 in vertikaler Richtung, d. h. in Richtung der beiden noch am Profil 7 verbliebenen oberen und unteren Decklagenschichten, erfolgen. Durch die maximale Expansion der Kernlage 11 wird ein qualitativ hochwertiges Sandwichelement mit exzellenten Festigkeits-, Schallabsorptions- und Energieabsorptionsfähigkeiten erhalten.
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Statt einer kompletten Entfernung der seitlichen Decklagenschichten (wie in Ansicht c2) der 1 gezeigt) kann an den Schmalseiten 12a, 12b des stranggepressten Profils 7 auch lediglich eine bewusste Schwächung der dortigen Decklagenschicht vorgenommen werden. Diese Schwächung ist gemäß den in 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen durch Einkerbungen 13a, 13b verwirklicht, die mittig in die einander gegenüberliegenden Schmalseiten 12a, 12b des stranggepressten Profils 7 eingebracht worden sind.
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In 2 und 3 sind die in der Decklage 8 beidseitig mit Einkerbungen 13a, 13b versehenen Profile 7 dem daraus jeweils gefertigten, ausgeschäumten Sandwichelement 1 gegenübergestellt. Die Einkerbungen 13a, 13b sind zur Außenseite des Profils 7 hin jeweils V-förmig erweitert und erstrecken sich in Strangpressrichtung entlang der gesamten Länge des Profils 7. Sie bilden dabei jeweils eine Sollbruchlinie, die während des anschließenden Aufschäumprozesses gemäß Verfahrensschritt d) infolge des sich bei der Schaumexpansion ausbildenden Schäumdrucks aufreißt. Dabei entsteht ein Sandwichelement 1 mit zwei voneinander getrennten (oberen und unteren) Decklagen 10a, 10b, zwischen denen eine qualitativ hochwertige, maximal expandierte Metallschaum-Kernlage 11 angeordnet ist. Die Einkerbungen 13a, 13b können in wirtschaftlicher Weise schnell und ohne besonderen Aufwand durch ein entsprechendes, in das Strangpresswerkzeug integriertes oder dem Strangpresswerkzeug unmittelbar nachgeschaltetes Einprägewerkzeug eingebracht werden.
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Jedoch ist statt dem in 1 bis 3 gezeigten Besäumen oder Schwächen der Decklage 8 gemäß den in 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen auch möglich, durch eine entsprechende Formgebung des stranggepressten Profils 7 ein geschäumtes Sandwichelement 1 mit geschlossen umlaufender, massiver Decklage 10 zu realisieren. Bevorzugt sollte der Umfang des stranggepressten, ausschäumbaren Profils 7 schon dem Umfang des späteren ausgeschäumten Profils 1 entsprechen, da der massive Rand des schäumbaren Halbzeuges im Schäumprozess nicht gedehnt, sondern nur geformt werden kann.
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Beispielsweise wird gemäß 4 durch eine spezielle Formgebung des schäumbaren Halbzeuges die Fertigung eines Sandwichelements 1 in Form eines rechteckförmigen Profils ermöglicht. Hierzu wird in den einander gegenüberliegenden Schmalseiten 12a, 12b des schäumbaren Profils 7 jeweils eine seitliche Einformung 14a, 14b in Form einer konkaven Vertiefung eingebracht. Durch den beim Aufschäumprozess wirkenden Schäumdruck wird diese beidseitige Vertiefung 14a, 14b wieder jeweils horizontal nach außen gedrückt und es bildet sich jeweils eine geglättete, vertikal verlaufende Seitenwand des rechteckförmigen Profils.
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Bei der in 5 gezeigten Variante ist in die einander gegenüberliegenden Breitseiten 16a, 16b des schäumbaren Profils 7 eine annähernd dreieckförmige Vertiefung 14a, 14b eingeformt. Diese beidseitige Vertiefung 14a, 14b wird durch den allseitigen Schäumdruck beim anschließenden Aufschäumprozess wieder vertikal nach oben bzw. unten gedrückt, sodass sich nach Abschluss des Aufschäumprozesses ein vertiefungsfreier kreiszylindrischer Querschnitt einstellt. Somit wird im Ergebnis als Sandwichelement 1 ein rohrförmiges Profil erhalten mit einer geschäumten, zylindrischen Kernlage 11, die von einer massiven, ringförmigen Decklage 10 umgeben ist.
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Die stranggepressten Profile 7 und / oder die daraus gefertigten Sandwichelemente 11 können durch Schweißverfahren (z. B. WIG, Laser, Reibrührschweißen) zu großen, biegesteifen Konstruktionen oder Plattformen gefügt werden. Hierzu können gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel während des Strangpressprozess in die einander gegenüberliegenden Breitseiten 16a, 16b zusätzliche Fügelaschen 15a und damit kooperierende Fügeklinkungen 15b an- bzw. eingeformt werden. Mittels dieser Elemente können mehrere stranggepresste Profile 7 oder geschäumte Sandwichelemente 1 nebeneinander zu einer großen Fläche über eine sichere und fehlerfreie Verbindung formschlüssig in Eingriff gebracht werden. In Abwandlung oder Ergänzung zum Ausführungsbeispiel nach 3 können kraftschlüssige Eingriffs- und Gegeneingriffselemente in die Decklage 8 des stranggepressten Profils 7 geformt sein. So können zweckmäßigerweise in den Fügelaschen 15a und Fügeklinkungen 15b zusätzliche Klickelelemente vorgesehen sein, über die mehrere stranggepresste Profile 7 oder daraus geschäumte Sandwichelemente 1 (ähnlich eines bei Laminaten verwendeten "Klick"-Systems) zu einer flächigen Konstruktion bzw. Plattform form- und kraftschlüssig zusammensetzbar sind.
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Abschließend wird gemäß 1 bis 5 das stranggepresste und mit einem besäumten, geschwächten oder umgeformten Rand versehene Profil 7 – effizienter Weise unter Nutzung der Restwärme – unmittelbar nach dem Strangpressprozess aufgeschäumt. Für das Aufschäumen der Endkontur ist ein Schäumwerkzeug bzw. eine Schäumform zweckmäßig, jedoch nicht Bedingung. Wichtig für den Aufschäumprozess ist, dass das verwendete metallische Deckmaterial 3 (Reinmetall bzw. Legierung) einen höheren Schmelzpunkt aufweist als die im Kernmaterial 5 enthaltene metallische Komponente. Durch eine solche Materialkombination ist das Aufschäumen des Verbundes durch Erwärmen möglich, ohne dass die massiven Decklagen 10, 10a, 10b dabei durch Aufschmelzen und Legieren geschädigt werden. Die vorgeschilderte Bedingung kann nicht nur vom Basissystem Aluminium, sondern auch von anderen Metallsystemen erfüllt werden.
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Der Strangpressprozess lässt sich erheblich einfacher als der Walzprozess führen. Die Mindestherstellungsmengen sind für das Strangpressen deutlich geringer als für das Walzen. Damit wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erstmals die Möglichkeit eröffnet, eine kostendeckende Fertigung auch kleiner Chargen (wenige Tonnen) an geschäumten Sandwichelementen 1 zu realisieren. Da sich aus stranggepressten Halbzeugen geschäumte Sandwichelemente 1 kostengünstiger fertigen lassen, wird die Marktdurchsetzung solcher Sandwichelemente 1 in erheblichem Maße erleichtert. Konventionelle, durch Aufschäumen gewalzter Verbunde hergestellte Produkte weisen hingegen heute – speziell für kleinere Mengen – preislich oft ein inakzeptables Niveau auf.
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Ein erfindungsgemäß durch Strangpressen und anschließendes Aufschäumen hergestelltes Sandwichelement 1 weist ein anderes Korngefüge auf als ein konventionell, durch Aufschäumen gewalzter Halbzeuge, hergestelltes Sandwichelement. Aus einem Querschliff ist erkennbar, dass das Korngefüge des auf Basis eines gewalzten Materials hergestellten Sandwichelements eine längsgerichtete abgeflachte Form der Körner zeigt, wohingegen das erfindungsgemäß auf Basis eines strangpressten Materials hergestellte Sandwichelement 1 zwar ebenfalls längsgerichtete, aber im rechten Winkel dazu eine gleichmäßige Körnerstruktur aufweist. Bezeichnen "X" und "Y" die in einer Ebene senkrecht zur Strangpressrichtung bzw. Walzrichtung gemessene Kornbreite und Kornhöhe, so liegt für das erfindungsgemäß (durch Strangpressen) hergestellte Sandwichelement 1 ein Korn-GeometrieverhäItnis von X/Y ≈ 1 vor, während für das konventionell (durch Walzen) hergestellte Sandwichelement ein Korn-GeometrieverhäItnis X/Y ≠ 1 gilt.
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Das erfindungsgemäße Sandwichelement 1, dass durch Strangpressen und anschließendes Aufschäumen hegestellt wurde, kann in allen Bereichen zur Anwendung gelangen, in denen es auf Leichtbau bei gleichzeitig hoher Biegesteifigkeit und / oder hohem Schwingungsdämpfungsvermögen und / oder hohem Energieabsorptionsvermögen ankommt. Exemplarisch sind hier als Anwendungsbereiche der Maschinenbau, Werkzeugmaschinenbau, Schiffbau, Schienenfahrzeugbau, Nutzfahrzeugbau, Bauwesen, Automobilbau, Verfahrenstechnik oder Verpackung zu nennen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- geschäumtes Sandwichelement
- 2
- Hülse
- 3
- metallisches Deckmaterial
- 4
- Hülseninneres
- 5
- aufschäumbares, metallisches Kernmaterial
- 6
- aufgefüllte Hülse
- 7
- stranggepresstes Profil
- 8
- Decklage des stranggepressten Profils
- 9
- Kernlage des stranggepressten Profils
- 10, 10a, 10b
- Decklage(n) des Sandwichelements
- 11
- aufgeschäumte Kernlage des Sandwichelements
- 12a, 12b
- Schmalseiten des stranggepressten Profils
- 13a, 13b
- Sollbruchlinien (Einkerbungen)
- 14a, 14b
- Einformungen (Vertiefungen) des stranggepressten Profils
- 15a, 15b
- Eingriffs- und Gegeneingriffselemente (Fügelaschen und Fügeklinkungen)
- 16a, 16b
- Breitseiten des stranggepressten Profils
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005020036 B3 [0008]
- EP 1000690 A2 [0010]
- DE 4426627 A1 [0010]
- EP 0997215 A2 [0010]
- DE 102007006156 B3 [0012]
- DE 102012005090 B3 [0012]
