DE102021204741A1

DE102021204741A1 - Verfahren zur Herstellung eines porösen metallischen oder keramischen Bauteils sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Bauteil

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Publication number: DE102021204741A1
Application number: DE102021204741.6A
Authority: DE
Inventors: Alexander Füssel; Gisela Standke; Daniela Haase; Jörg Adler; Ulf Waag
Original assignee: hollomet GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: hollomet GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2022-11-17
Also published as: EP4337405A1; WO2022238399A1; JP2024518981A; KR20240007239A; CN117295571A; CA3217583A1

Abstract

Bei dem Verfahren wird ein offenporiger polymerer Schaumkörper mit einer metallischen Beschichtung oder Beschichtung an den Oberflächen von Stegen des Schaumkörpers versehen. Am Halbzeug wird an Oberflächenbereichen eine Suspension, die mit metallischen oder keramischen Partikeln gebildet ist, in der zusätzlich Gasblasen enthalten sind, mit der Oberfläche des Schaumkörpers in Kontakt und in eine vorgegebene Form gebracht. Ein Teil dieser Suspension dringt in offene Poren des Schaumkörpers ein. Nachfolgend wird eine thermische Behandlung durchgeführt, bei der Flüssigkeit ausgetrieben, polymere Komponenten entfernt werden und nachfolgend eine Sinterung durchgeführt werden. Es werden ein erster Volumenbereich mit dem Metall oder der Keramik, das/die der Suspension entstammt, gebildet, der eine kleinere Porosität aufweist. Angrenzend an diesen ersten Volumenbereich wird ein zweiter Volumenbereich ausgebildet wird, der ebenfalls porös und mit dem Metall oder der Keramik aus der Beschichtung der Stege des Halbzeugs und dem Metall oder der Keramik der Suspension gebildet worden ist. Der zweite Volumenbereich wird mit dem aus dem beschichteten Schaumkörper erhaltenen dritten Volumenbereich verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines porösen metallischen oder keramischen Bauteils sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Bauteil. Poröse Bauteile kommen in den verschiedensten technischen Gebieten zur Anwendung. Sie werden zur Filterung oder die Aufnahme von festen oder flüssigen Medien aber auch als Wärmetauscher eingesetzt. Sie dienen häufig auch als Isolator oder Dämpfungselement. Bei vielen Anwendungen ist eine offenporöse Struktur erwünscht. Die offene Porosität führt aber zu Festigkeits- und Stabilitätseinbußen, so dass es für viele Anwendungen erforderlich ist, stützende gesonderte Rahmenstrukturen einzusetzen, die zwar eine höhere Festigkeit gewährleisten sich aber nicht oder nur schwer mit ausreichender dauerhafter Festigkeit mit einem offenporösen Schaumkörper verbinden lassen.
Problematisch ist es außerdem Anschlussmöglichkeiten an offenporöse Körper zu schaffen, mit denen beispielsweise eine elektrische Kontaktierung für die Zufuhr elektrischer Energie oder eine Zu- und/oder Abführung eines Mediums, insbesondere eines Fluids möglich ist, wie dies beispielsweise bei elektrischen Heizelementen oder Wärmetauschern erforderlich ist.
Es ist bekannt, einen offenporösen Schaumkörper mit einem Rahmen oder anderen Elementen formschlüssig zu verbinden. Dabei treten aber Probleme bei einer dauerhaften Verbindung auf, da es zum Brechen von Stegen im Verbindungsbereich infolge mechanischer Belastungen kommen kann. Diese Probleme können aber auch mit einer alleinigen oder zusätzlichen stoffschlüssigen Verbindung nicht ausreichend berücksichtigt werden. Durch Schweißen, Löten oder Kleben treten an den Verbindungspunkten Schwachstellen oder Grenzflächen auf, die zum Bruch der Verbindung führen können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben mit denen die Stabilität offenporöser Bauteile erhöht und/oder Anschlussmöglichkeiten an eine offenporöse Struktur zu bieten, mit denen eine sichere und dauerhafte Zu- bzw. Abfuhr von Medien oder Energie erreicht werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 10 definiert ein entsprechend hergestelltes Bauteil. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei der Herstellung der in Rede stehenden offenporösen metallischen und/oder keramischen Bauteile, das mindestens drei aneinander grenzende Volumenbereiche mit unterschiedlicher Porosität aufweist, wird so vorgegangen, dass zuerst ein Halbzeug in an sich bekannter Art und Weise vorbereitet wird, das eine offenporöse Struktur aufweist, die mit einem offenporösen Schaumkörper, der aus einem polymeren Material gebildet ist. Das polymere Material ist dabei an den Oberflächen von Stegen des Schaumkörpers mit einer metallischen Beschichtung oder einer mit metallischen oder keramischen Partikeln gebildeten Beschichtung so versehen worden, dass eine offenporöse Grundstruktur erhalten geblieben ist. Dies kann beispielsweise mit einem an sich bekannten, CVD-, oder PVD-Verfahren, galvanisch oder nach dem so genannten Schwartzwalder-Verfahren, bei dem die Stege mit einer metallische oder keramische Partikel enthaltenden Beschichtung versehen worden sind, erreicht werden. Ein mit dem Schwartzwalder-Verfahren erhaltenes Halbzeug sollte vor der Weiterbearbeitung insoweit getrocknet werden, dass eine ausreichende Grünfestigkeit erreicht worden ist. Die entsprechende bekannte Vorgehensweise ist beispielsweise in US 3 090 094 B oder US 3 111 396 B beschrieben.
Als offenporöse Schaumkörper, der aus einem polymeren Material gebildet ist, wird vorzugsweise ein Zuschnitt aus einem retikulierten offenzelligen Polyurethanschaumstoff verwendet. Als Zellgröße ist hierzu der gesamte Bereich der kommerziell nach pores per inch (gemäß ASTM D3576-77) klassifizierten retikulierten Schaumstoffe von 8 ppi bis 100 ppi verwendbar, aber es ist vorteilhaft, wenn gröbere Schaumstoffe im Bereich 8 ppi -30 ppi verwendet werden. Eine Umrechnung der ppi-Werte in Porengrößen in mm ist durch lichtoptische oder computertomografische Methoden leicht möglich.
Aber es können auch andere offenporöse Strukturen, die aus Polymeren gebildet werden, verwendet werden, z.B. Faservliese oder mittels additiven Verfahren hergestellte Gitter.
An einem so erhaltenen Halbzeug wird dann an vorgegebenen Oberflächenbereichen eine Suspension, die mit metallischen oder keramischen Partikeln, einer Flüssigkeit, und einem polymeren Binder gebildet ist, in der zusätzlich Gasblasen enthalten sind, die vorab in der Suspension gebildet worden sind, mit einer Oberfläche des Schaumkörpers in Kontakt und in eine vorgegebene Form gebracht. Dabei dringt ein Teil dieser Suspension in offene Poren des Schaumkörpers als Halbzeug in einen Randschichtbereich ein.
Nachfolgend wird eine Trocknung mit einer thermischen Behandlung durchgeführt, bei der zuerst in der Suspension enthaltene Flüssigkeit ausgetrieben, danach oder gleichzeitig polymere Komponenten, insbesondere polymere Komponenten des Binders und das polymere Material des Schaumkörpers, entfernt werden und nachfolgend daran eine Sinterung durchgeführt wird.
Bei der Sinterung wird ein erster Volumenbereich mit dem Metall oder dem keramischen Werkstoff, das/der der Suspension entstammt, gebildet, der eine kleinere Porosität als die Porosität des Halbzeugs aufweist, die ausschließlich infolge der in der Suspension enthaltenen Gasblasen erhalten worden ist, und angrenzend an diesen ersten Volumenbereich ein zweiter Volumenbereich ausgebildet wird, der ebenfalls porös ist oder sein kann, und dabei der zweite Volumenbereich mit dem Metall oder Keramik aus der Beschichtung der Stege des Halbzeugs und dem Metall oder der Keramik der Suspension gebildet worden ist, wobei diese Metalle und/oder Keramiken stoff- und formschlüssig innerhalb des zweiten Volumenbereichs miteinander verbunden werden. Dadurch verbindet der zweite Volumenbereich den ersten Volumenbereich mit der metallischen oder keramischen offenporösen Struktur des offenporösen aus dem beschichteten Schaumkörper erhaltenen dritten Volumenbereich, der eine größere Porosität als der erste Volumenbereich aufweist, in einem Randschichtbereich des dritten Volumenbereichs, der den zweiten Volumenbereich bildet.
Die Suspension mit der der erste und zweite Volumenbereich des Bauteils ausgebildet wird, kann in an sich bekannter Weise hergestellt werden. Dazu kann man eine geeignete Flüssigkeit, mit mindestens einem polymeren Binder und einem Anteil an metallischem oder keramischen pulverförmigen Feststoff einsetzen. In die Suspension können Gasblasen durch mechanisches Rühren oder mit einem anderen Verfahren, beispielsweise einer Vorgehensweise, wie sie aus DE 10 2010 039 322 A1 bekannt ist, eingelagert werden. Neben Luft können auch andere Gase oder Gasgemische eingesetzt werden, die auch inert wirken können, so dass keine nachteilige Beeinflussung des jeweiligen Metalls oder der jeweiligen Keramik, mit dem das Bauteil letztendlich gebildet worden ist, zu verzeichnen ist.
Als polymere Bindemittel können üblicherweise für solche Suspensionen bereits genutzte Bindemittel, z.B. Polyvinylalkohole eingesetzt werden. Auf Entschäumer sollte in jedem Fall verzichtet werden. Als Flüssigkeit kann bevorzugt Wasser eingesetzt werden. Es sind aber auch andere Flüssigkeiten geeignet, die bevorzugt eine kleinere Siedetemperatur als Wasser aufweisen können.
Bevorzugt sollte eine Suspension zur Ausbildung des ersten und zweiten Volumenbereichs eingesetzt werden, die eine Viskosität von mindestens 0,1 mPas aufweist. Bevorzugt soll die Suspension weiterhin ein scherverdünnendes Fließverhalten mit einer ausgeprägten Fließgrenze aufweisen. Allein oder zusätzlich sollten in der Suspension Gasblasen, mit einem Volumenanteil von mindestens 5 % bis maximal 50 % des Gesamtvolumens der Suspension enthalten sein.
Vorteilhaft sollten die Stege des Halbzeugs mit dem gleichen Metall oder der gleichen Keramik beschichtet werden, mit dem auch die Suspension zur Ausbildung des ersten und zweiten Volumenbereichs gebildet worden ist. Dabei kann es sich um reines Metall eines chemischen Elements aber auch um entsprechende Legierungen handeln. Bei Einsatz von Legierungen kann die Legierungszusammensetzung der Beschichtung des Halbzeugs von der Legierungszusammensetzung der Partikel, die für die Suspension eingesetzt werden, abweichen.
Es ist aber auch möglich, dass unterschiedliche Werkstoffe für die Beschichtung der Stege des Halbzeuges und für die Suspension zur Ausbildung des ersten und zweiten Volumenbereiches verwendet werden. Dabei sollten die Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe in einer ähnlichen Größenordnung liegen, und das thermische Verhalten in Abhängigkeit von der Sintertemperatur ähnlich sein. Zum Beispiel ist dies bei der Verwendung von Edelstahl und Zirkonoxid-Keramik der Fall. Unter ähnlich sollen in diesem Zusammenhang Abweichungen kleiner als 10% voneinander verstanden werden. So kann ein zweiter Volumenbereich mit Metall- und Keramikwerkstoff im Verbund ausgebildet werden, wenn die Sintertemperaturen und thermischen Ausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Werkstoffe dies ermöglichen.
Die Suspension zur Ausbildung des ersten und zweiten Volumenbereichs kann in mindestens eine Aussparung Vertiefung, Durchbrechung, die am Halbzeug ausgebildet ist, und/oder in das Innere einer an das jeweilige Halbzeug ansetzbare Formwerkzeug eingefüllt werden, bevor die thermische Behandlung durchgeführt wird, bei der das Bauteil letztendlich fertiggestellt werden kann. So kann man beispielsweise bestimmte Oberflächen- bzw. Randschichtbereiche des jeweiligen Bauteils verstärken oder dort Anschlüsse ausbilden. Ein Formwerkzeug kann dabei temporär mit dem Halbzeug verbunden oder das Halbzeug in ein rahmenförmiges Formwerkzeug eingesetzt werden, so dass Gasblasen enthaltende Suspension in mindestens einen Spalt zwischen Halbzeugoberfläche und Innenwand des jeweiligen Formwerkzeugs eingefüllt werden kann, um dort einen ersten und direkt daneben durch Eindringen von Suspension in offene Poren des Halbzeugs einen zweiten Volumenbereich ausbilden zu können.
Ein Formwerkzeug kann dazu das Halbzeug vollständig umschließen. Es kann aber auch ausreichend sein, ein Formwerkzeug an einem Teilbereich der Oberfläche eines Halbzeugs zu fixieren und dann die Suspension dort in den Spalt oder einen Hohlraum zwischen der Halbzeugoberfläche und Formwerkzeuginnenwand einzufüllen. So kann man beispielsweise Hohlprofile mit rundem oder eckigem Querschnitt, die ein Halbzeug umschließen können, als Formwerkzeug einsetzen. Es können aber auch entsprechende Segmente solcher Profile, wie z.B. Kreissegmente als Formwerkzeug eingesetzt werden.
Es ist möglich, eine Entformung vor Durchführung der thermischen Behandlung oder auch erst nach vollständiger Sinterung vorzunehmen.
Die jeweilige Eindringtiefe der Suspension in Poren das Halbzeugs ausgehend von der Halbzeugoberfläche kann durch von außen wirkende Kräfte beeinflusst werden, wodurch wiederum die Dicke bzw. Breite eines Randschichtbereichs, der den zweiten Volumenbereich bildet, gezielt beeinflusst werden kann. Die Dicke bzw. Breite sollte ausgehend von der Oberfläche des Halbzeugs in Richtung seines Inneren mindestens 3 mm betragen. Wie bereits angesprochen, kann man diese Dicke bzw. Breite aber auch kleiner oder größer wählen. Sie sollte jedoch so groß sein, dass die drei Volumenbereiche ausreichend fest miteinander verbunden werden können und eine scharfe Grenzfläche zwischen erstem und drittem Volumenbereich möglichst vermieden werden kann. Die dafür erforderliche Dicke bzw. Breite kann sich dazu an der Zellweite oder Porengröße des Halbzeuges orientieren und sollte mindestens den Faktor 3 der Zellgröße oder Porengröße des Halbzeuges betragen. Dazu kann ein Halbzeug allein oder ein Halbzeug mit daran befestigtem Formwerkzeug in Schwingung versetzt und/oder dabei auf die Suspension ein Druck ausgeübt werden. So kann man ein unter einem gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhtem Druck stehendes Medium (Gas oder Flüssigkeit) einsetzen, wobei der höhere Druck auf die Oberfläche der Suspension wirkt und die Suspension in offene Poren des Halbzeugs gedrückt wird. Um Schwingungen dafür zu nutzen, kann man einen Rütteltisch einsetzen, auf den man das Halbzeug mit Suspension und ggf. mindestens ein Formwerkzeug aufsetzen kann. Je nach Amplitude der Schwingungen und Zeitdauer kann man die Breite bzw. Dicke des zweiten Volumenbereichs beeinflussen. Dies ist auch mit mindestens einem an einem Formwerkzeug oder einem Halbzeug angreifenden Vibrator erreichbar.
Es kann ein Halbzeug eingesetzt werden, das eine Porosität im Bereich 60 % bis 95 % aufweist und/oder mit der Suspension ein erster und/oder zweiter Volumenbereich am Bauteil mit einer Porosität im Bereich 0 % bis 55 % ausgebildet werden.
Als Metall kann man vorteilhaft eine korrosionsbeständige FeCrAI-Legierung einsetzen. Als keramische Werkstoffe kommen sowohl oxidische, wie auch nichtoxidische Keramiken in Frage.
Ein erfindungsgemäß hergestelltes Bauteil weist einen ersten Volumenbereich auf, der mit dem Metall oder der Keramik, das/die der Suspension entstammt gebildet ist. Der erste Volumenbereich weist eine kleinere Porosität auf als der dritte Volumenbereich, der mit der offenporösen Struktur der metallischen oder keramischen Stege des Halbzeugs gebildet ist, wobei der erste Volumenbereich ausschließlich mit dem Metall oder der Keramik, das/die aus der Suspension in der Gasblasen enthalten waren, erhalten worden ist, gebildet wird. Die Porosität wird durch die Anzahl und jeweilige Größe der in der Suspension enthaltenen Gasblasen bestimmt. Angrenzend an diesen ersten Volumenbereich ist ein zweiter Volumenbereich ausgebildet, der ebenfalls porös aber auch dicht sein kann. Der zweite Volumenbereich ist mit dem Metall und/oder Keramik aus der Beschichtung der Stege des Halbzeugs und dem Metall oder der Keramik der Suspension gebildet, wobei diese Metalle und/oder Keramiken stoff- und formschlüssig miteinander verbunden sind. Dadurch ist der zweite Volumenbereich mit der metallischen oder keramischen offenporösen Struktur des offenporösen aus dem beschichteten Halbzeug erhaltenen dritten Volumenbereichs, der eine größere Porosität als der erste Volumenbereich aufweist, verbunden.
Der dritte Volumenbereich sollte eine Porosität von mindestens 65 % aufweisen und die Porosität im zweiten Volumenbereich, der zwischen dem ersten und dem dritten Volumenbereich angeordnet ist, sollte kleiner als im ersten und dem dritten Volumenbereich des Bauteils sein.
An einem Bauteil können mehrere erste und zweite Volumenbereiche, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, vorhanden sein. Zumindest mit dem ersten Volumenbereich kann mindestens ein von außen zugänglicher Anschluss für elektrische Energie oder die Zu- und/oder Abfuhr eines Mediums aus und/oder in das Bauteil hinein, ausgebildet worden sein. So kann er einen Anschluss als elektrischer Kontakt für ein elektrisches Widerstandsheizelement darstellen. Bei einem elektrischen Widerstandsheizelement ist es einmal vorteilhaft, dass ein erster Volumenbereich eine ausreichen große Festigkeit aufweist. Dabei kann der erste Volumenbereich über den zweiten Volumenbereich form- und stoffschlüssig mit dem dritten Volumenbereich verbunden werden und der dritte Volumenbereich insbesondere wegen seiner großen spezifischen Oberfläche eine verbesserte Heizwirkung ermöglichen.
Mit ersten und zweiten Volumenbereichen können an einem Bauteil auch Bereiche ausgebildet werden, die eine Dübelfunktion für Verankerungselemente, z.B. Schrauben, erfüllen können.
Werden ein erster und ein zweiter Volumenbereich umlaufend oder zumindest teilweise umlaufend um den äußeren Rand eines dritten Volumenbereichs ausgebildet, kann ein Rahmen gebildet werden, in dem die offenporöse Struktur form- und stoffschlüssig gehalten und geschützt werden kann.
Daneben kann die Erfindung auch für die Herstellung von Bauteilen, die im Leichtbau, Automobilbau, der Elektrotechnik und der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden sollen, eingesetzt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.
Beispiel 1
Es wurde eine Metallschaumplatte mit zwei kompakten, rechteckigen Direktschaumkontakten wie folgt als Bauteil hergestellt. Zur Herstellung des Bauteils wurde eine Platte als grober, rechteckiger Metallschaum mit den Abmaßen 125 mm x 75 mm x 20 mm als Halbzeug eingesetzt. Dabei sollten zwei erste Volumenebereiche an zwei gegenüberliegend angeordneten Seiten ausgebildet werden, so dass eine quadratische Gesamtform des fertigen Bauteils von 125 mm x 125 mm x 20 mm erhalten werden kann. Der grobe Schaum als Halbzeug hatte eine Zellweite von ca. 4,5 mm, und eine Dichte von etwa 10 % der Metalldichte des Halbzeugwerkstoffs. Die allein mit der Suspension gebildeten zwei ersten Volumenbereiche erreichten eine Sinterdichte von ca. 50 % und dort wurde eine mittlere Porengröße zwischen 100 µm und 1500 µm sowie eine Porosität von 50 % erhalten.
Die Herstellung des groben Schaumes als Halbzeug erfolgte nach dem Abformverfahren durch die Beschichtung eines offenzelligen Polymerschaumes entsprechender Zellweite im Quetsch-Walzverfahren (Schwartzwalder-Verfahren. Dazu wurde FeCrAI-Metallpulver mit einer mittleren Partikelgröße von 7 µm zunächst mit einem polymeren Bindemittel (z.B. einer Polyvinylzubereitung, die von der Fa. Zschimmer&Schwarz kommerziell erhältlich ist) und Additiven (z.B. eine Fettalkoholzubereitung, Fa. Zschimmer&Schwarz) zur Entschäumung und Einstellung der rheologischen Eigenschaften mit Wasser zu einer Suspension mit einem Feststoffanteil an Metall von ca. 86 % verrührt. Mit dieser Suspension wurde der Schaumstoff imprägniert und über das Walzen so lange ausgequetscht, bis die gewünschte Beladungsmenge auf den Stegoberflächen der Schaumstoffstruktur eingestellt ist. Der beschichtete und getrocknete Schaum bildete das Halbzeug und wurde anschließend mittig in ein teilbares Formwerkzeug eingesetzt, so dass beidseitig ein Rand von 25 mm Breite zwischen Formwerkzeuginnenwand und Halbzeugoberfläche in Bereichen in denen zusätzlich ein erster Volumenbereich ausgebildet werden sollte, verblieb. Das Formwerkzeug und das Halbzeug wurden auf eine Rüttelplatte gestellt.
Die Suspension, mit der der erste und zweite Volumenbereich ausgebildet werden sollen, wurde separat im Batch-Prozess hergestellt. Die Basis bildet die gleiche Suspensionszusammensetzung aus Metallpulver, organischem Bindemittel und rheologischen Additiven, aber diesmal ohne Entschäumer.
Stattdessen wurden bis zu 5 Masse-% Tensid (z.B. eine Fettalkoholsulfat-Zubereitung, Fa. Zschimmer&Schwarz) als Schäumungsmittel hinzugegeben. Die Mischung wurde über 10 Minuten bei einer Drehzahl von 1000 U/min im Becherglas aufgeschäumt, wobei eine Volumenzunahme von ca. 50 % angestrebt wurde.
Die aufgeschäumte Suspension, bei der Gasblasen in der Suspension möglichst homogen verteilt angeordnet wurden, wurde anschließend mit einem Spatel in die freien Randbereiche zwischen Formwerkzeuginnenwand und Halbzeugoberfläche eingefüllt. Das Fließverhalten der so aufgeschäumten Suspension wurde so eingestellt, dass sie bei leichtem Vibrieren des Formwerkzeugs durch die Rüttelplatte fließfähig wird, jedoch ohne äußere Krafteinwirkung aber unbewegt stehen bleibt. Auf diese Weise kann das Eindringen der Gasblasen enthaltenden Suspension in Poren des groben Metallschaumes, der das Halbzeug bildet, gesteuert werden und ein Verbundbereich von 1 bis 2 Zellebenen (ca. 4,5 mm - 9 mm) als zweiter Volumenbereich eingestellt werden. Nach Befüllen der Randbereiche des Halbzeugs in denen zweite Volumenbereiche ausgebildet werden sollen, erfolgte über einen Zeitraum von ca. 24 h bei etwa 40° C eine Trocknung und anschließend konnte das Formwerkzeug entfernt werden. Hierzu empfiehlt es sich ein Formwerkzeug, das aus mehreren teilbaren Einzelteilen besteht, einzusetzen, wobei geteilte Formwerkzeuge generell zu bevorzugen sind. Im Anschluss an die Trocknung erfolgte eine Entbinderung, zur Entfernung der organischen Bestandteile, und nachfolgend die Sinterung des Metalls. Es konnte ein Bauteil hergestellt werden, das an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils einen nach außen weisenden ersten Volumenbereich aufweist, dessen Porosität kleiner als die Porosität des dritten Volumenbereichs, die durch die Porosität des Halbzeugs vorgegeben war. Zwischen dem ersten und dritten Volumenbereich ist der zweite Volumenbereich ausgebildet worden, mit dem der erste und der dritte Volumenbereich form- und stoffschlüssig verbunden wurde und der zweite Volumenbereich keine oder eine kleinere Porosität als der erste Volumenbereich aufweist. Mit den ersten Volumenbereichen konnte Anschlüsse für eine elektrische Kontaktierung ausgebildet werden. Alle drei Volumenbereiche sind mit dem gleichen Metall gebildet worden
Beispiel 2
Alternativ zu Bauteilen aus Metall soll ein keramisches Bauteil nach gleichem Prinzip hergestellt werden. Dazu wird eine keramische Suspension auf Wasserbasis vorbereitet. Diese enthält eine bimodale SiC-Kornverteilung, hergestellt durch Mischung von SiC-Pulvern mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,8 µm und 3,0 µm im Verhältnis von 70 : 30; außerdem 0,6 % Bor(carbid) und 11 % eines wasserlöslichen Polysaccharids (entspricht 4 % Kohlenstoff nach der Pyrolyse) als Sinteradditiv. Die Suspension wird auf einen Feststoffgehalt von 78 % eingestellt.
Zur Herstellung der Schaumkeramik wird ein Polyurethan-Schaumstoff der Zellweite von 30 ppi (pores per inch) mit der Suspension getränkt und anschließend wird die überschüssige Suspension mit einer Zentrifuge abgetrennt. Beispielhaft sei eine Platte von 200 mm x 250 mm x 10 mm genannt, die symmetrisch angeordnet zwei rechteckige Aussparungen von 20 mm x 50 mm am äußeren Rand aufwies und als Halbzeug eingesetzt worden ist. Diese Aussparungen, die einen Hohlraum darstellen, der dem Inneren eines Formwerkzeugs zumindest ähnelt, wurden mit einer geschäumten Suspension zur Ausbildung dichterer Kontaktanschlüsse gefüllt. Die Aussparungen können beispielsweise durch Laser- oder Wasserstrahlschneiden in den Schaumkörper eingebracht werden, wobei dies vorzugsweise bereits vor der Beschichtung des Polymerschaums, bei der das Halbzeug hergestellt wird, erfolgen sollte.
Ansonsten wurden eine zumindest annähernd gleiche Vorgehensweise und Konsistenzen von Halbzeug und Suspension, wie beim Beispiel 1 eingehalten. Im Unterschied zur Herstellung der geschäumten Gasblasen enthaltenden Suspension, wie es beim Beispiel 1 angewendet worden ist, wurde Luft in Gasblasenform mit einer Vorrichtung, wie sie in DE 10 2010 039 322 A1 beschrieben ist, in die Suspension eingetragen. Die für das Imprägnieren der Polymerschäume genutzte Keramiksuspension wurde geringfügig modifiziert und neben dem Tensid noch ein Plastifizierungsmittel (z.B. hochpolymeres Polysaccharid, Fa. Zschimmer& Schwarz) hinzugefügt, das die Verarbeitungseigenschaften der Suspension mit der der erste und der zweite Volumenbereich ausgebildet werden, verbessert. Die Vorrichtung besteht aus einem Stahlhohlzylinder mit einer Länge von 182 mm und einem Außendurchmesser von 70 mm bei einer Wandstärke von 2,9 mm. Dieser Zylinder besitzt einen Anschluss für die regelbare Druckluftzuführung. An der Stirnseite ist das Rohr mit einer Metallscheibe mit konzentrischer Düse versehen, die auch als Schlauchanschluss dienen kann. Die Rückseite des Rohres ist ebenfalls mit einer Metallscheibe verschlossen, die eine Durchgangsbohrung von 10 mm Durchmesser aufweist. Innerhalb des Stahlzylinders befindet sich ein zwischen den beiden Deckeln durch Dichtungsringe eingespannter, poröser Hohlzylinder mit einem Außendurchmesser von ca. 25 mm und einer Wandstärke von etwa 2 mm. Die Porosität des Rohres aus rostfreiem Stahl liegt bei ca. 43 %. Im Kern des Rohres befindet sich ein statischer Mischer der SMX-Reihe (Fa. Sulzer Chemtech AG) mit einem Durchmesser von ca. 20 mm. Durch dieses poröse Innenrohr mit dem statischen Mischer wird die Metallpulversuspension hindurchgeleitet, während sie gleichzeitig über die Druckluft bei einem Druck von ca. 0,3 MPa und einem Luftvolumenstrom von ca. 600 ml/min beaufschlagt wird. Dadurch entstehen gleichmäßige Luftblasen in der Suspension.
Die so geschäumte Suspension kann durch das An- und Abschalten der Vorrichtung zum Aufschäumen in die am Halbzeug vorab bereits ausgebildeten Aussparungen eingefüllt werden. Die Stärke des Randbereiches, der den zweiten Volumenbereich bildet, sollte ca. 4 mm betragen, um einen form- und stoffschlüssigen Verbund zwischen dem zweiten und dritten Volumenbereich im Anschluss an die Sinterung zu erreichen.
Abschließend erfolgt eine schonende Trocknung im Trockenschrank bei 40 °C über mindestens 12 h. Nach der Trocknung wird der Polymerschaumstoff im Inneren der Stege des Volumens 1 bis zu einer Temperatur von 800 °C unter Inertgasatmosphäre ausgebrannt. Das verbleibende SiC-Pulvergerüst wird unter Argonatmosphäre bei einer Temperatur von 2100 °C drucklos gesintert und so ein erfindungsgemäßes Bauteil aus SiC erhalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3090094 [0006]
US 3111396 [0006]
DE 102010039322 A1 [0012, 0037]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines porösen metallischen und/oder keramischen Bauteils, das mindestens drei aneinandergrenzende Volumenbereiche mit voneinander abweichender Porosität aufweist, bei dem ein offenporiger Schaumkörper, der aus einem polymeren Material gebildet ist, mit einer metallischen Beschichtung oder einer mit metallischen oder keramischen Partikeln gebildeten Beschichtung an den Oberflächen von Stegen des Schaumkörpers so versehen wird, dass eine offenporöse Grundstruktur erhalten bleibt und an einem so erhaltenen Halbzeug an vorgegebenen Oberflächenbereichen eine Suspension, die mit metallischen oder keramischen Partikeln, einer Flüssigkeit, und einem polymeren Binder gebildet ist, in der zusätzlich Gasblasen enthalten sind, die vorab gebildet worden sind, mit der Oberfläche des Schaumkörpers als Halbzeug in Kontakt und in eine vorgegebene Form gebracht wird, wobei dabei ein Teil dieser Suspension in offene Poren des Schaumkörpers als Halbzeug in einen Randschichtbereich eindringt, und nachfolgend eine Trocknung mit einer thermischen Behandlung durchgeführt wird, bei der in der Suspension enthaltene Flüssigkeit ausgetrieben, polymere Komponenten entfernt werden und nachfolgend eine Sinterung durchgeführt wird, wobei bei der Sinterung ein erster Volumenbereich mit dem Metall oder der Keramik, das/die der Suspension entstammt, gebildet wird, der eine kleinere Porosität aufweist, die ausschließlich infolge der in der Suspension enthaltenen Gasblasen erhalten worden ist, und angrenzend an diesen ersten Volumenbereich ein zweiter Volumenbereich ausgebildet wird, der ebenfalls porös ist, und dabei der zweite Volumenbereich mit dem Metall oder der Keramik aus der Beschichtung der Stege des Halbzeugs und dem Metall oder der Keramik der Suspension gebildet worden ist, wobei diese Metalle und/oder Keramiken stoff- und formschlüssig miteinander verbunden worden sind, und dadurch der zweite Volumenbereich mit der metallischen oder keramischen offenporösen Struktur des offenporösen aus dem beschichteten Schaumkörper erhaltenen dritten Volumenbereich, der eine größere Porosität als der erste Volumenbereich aufweist, verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem polymeren Material gebildete Schaumkörper zur Ausbildung des Halbzeugs mit Metall mittels einem CVD-, PVD-Verfahren, galvanisch oder mit einer metallische oder keramische Partikel enthaltenden Suspension an seinen Stegen beschichtet wird, wobei das durch Beschichtung mit einer Suspension erhaltene Halbzeug vor der Beaufschlagung mit der Suspension zur Ausbildung des ersten und zweiten Volumenbereichs getrocknet wird, so dass eine ausreichend große Grünfestigkeit erreicht wird, um zu sichern, dass bei dem in Kontaktbringen eines Oberflächenbereichs mit der Gasblasen enthaltenden Suspension die beschichteten Stege eine ausreichende Festigkeit aufweisen, um eine Beschädigung zu vermeiden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege des Halbzeugs mit dem gleichen Metall oder der gleichen Keramik beschichtet werden, mit dem auch die Suspension zur Ausbildung des ersten und zweiten Volumenbereichs gebildet worden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Suspension zur Ausbildung des ersten und zweiten Volumenbereichs eingesetzt wird, die eine Viskosität von mindestens 0,1 mPas aufweist und/oder in der Gasblasen, mit einem Volumenanteil von mindestens 5 % bis maximal 50 % des Gesamtvolumens der Suspension enthalten sind, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension zur Ausbildung des ersten und zweiten Volumenbereichs in mindestens eine Aussparung, Vertiefung, Durchbrechung, die am Halbzeug ausgebildet ist, und/oder in das Innere einer an das jeweilige Halbzeug ansetzbare Formwerkzeug eingefüllt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringtiefe der Suspension in Poren des Halbzeugs ausgehend von der Halbzeugoberfläche durch von außen wirkende Kräfte beeinflusst wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug allein oder ein Halbzeug mit daran befestigtem Formwerkzeug in Schwingung versetzt und/oder dabei auf die Suspension ein Druck ausgeübt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbzeug eingesetzt wird, das eine Porosität im Bereich 60 % bis 95 % aufweist und/oder mit der Suspension ein erster und/oder zweiter Volumenbereich am Bauteil mit einer Porosität im Bereich 0% bis 55 % ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall eine FeCrAI-Legierung eingesetzt wird.
Bauteil hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erster Volumenbereich mit dem Metall oder keramischen Werkstoff, das/der der Suspension entstammt, gebildet ist, der eine kleinere Porosität aufweist, die ausschließlich infolge der in der Suspension enthaltenen Gasblasen erhalten worden ist, und angrenzend an diesen ersten Volumenbereich ein zweiter Volumenbereich ausgebildet ist, der ebenfalls porös oder dicht ist, und dabei der zweite Volumenbereich mit dem Metall und/oder der Keramik aus der Beschichtung der Stege des Halbzeugs und dem Metall und/oder der Keramik der Suspension gebildet ist, wobei diese Metalle und/oder Keramiken stoff- und formschlüssig miteinander verbunden sind, und dadurch der zweite Volumenbereich mit der metallischen oder keramischen offenporösen Struktur des Halbzeugs, die eine größere Porosität als der erste Volumenbereich aufweist, verbunden ist.
Bauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Volumenbereich eine Porosität von mindestens 65 % aufweist und die Porosität im zweiten Volumenbereich, der zwischen dem ersten und dem dritten Volumenbereich angeordnet ist, kleiner als im ersten und im dritten Volumenbereich des Bauteils ist.
Bauteil nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest mit dem ersten Volumenbereich mindestens ein von außen zugänglicher Anschluss für elektrische Energie oder die Zu- und/oder Abfuhr eines Mediums aus und/oder in das Bauteil hinein, ausgebildet ist.
Bauteil nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Bauteil mehrere erste und zweite Volumenbereiche, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, vorhanden sind.
Bauteil nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Volumenbereich eine Porosität im Bereich 80 % bis 93 % aufweist.