DE102022106524A1 - Method for producing a foam element, component and tool - Google Patents
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- C22C1/0416—Aluminium-based alloys
Abstract
Verfahren zum Herstellen eines Schaumelements, insbesondere eines Metallschaum-Elements, umfassend die Schritte:- Erzeugen eines Schaumelements in einer Kavität eines Formwerkzeugs, wobei das Formwerkzeug in einer ersten Schließstellung steht, in welcher die Kavität gegenüber einem Endmaß des Schaumelements vergrößert ist;- Verfahren des Formwerkzeugs in eine zweite Schließstellung zum Verkleinern der Kavität, sodass über ein zumindest bereichsweises Komprimieren eines Randbereichs des Schaumelements dessen Endmaß eingestellt wird.Method for producing a foam element, in particular a metal foam element, comprising the steps: - producing a foam element in a cavity of a mold, the mold being in a first closed position, in which the cavity is enlarged compared to a final dimension of the foam element; - method of Molding tool into a second closed position to reduce the size of the cavity, so that its final dimension is adjusted by at least partially compressing an edge region of the foam element.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Schaumelements, insbesondere eines Metallschaum-Elements, ein Bauteil sowie ein Werkzeug.The present invention relates to a method for producing a foam element, in particular a metal foam element, a component and a tool.
Schaumelemente, insbesondere beispielsweise Metallschaum-Elemente oder Metallschaum-Körper, sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Derartige Strukturen werden beispielsweise verwendet, wenn Gewicht gespart werden soll. Im Automotive-Bereich ist auch die Verwendung in Crash-relevanten Bereichen vorteilhaft. Das Umgießen derartiger Schaumelemente, beispielsweise zum bereichsweisen Aussteifen oder Versteifen von Gussbauteilen, kann sehr vorteilhaft sein, gestaltet sich allerdings als nicht unproblematisch, da die flüssige Metallschmelze in die poröse Struktur des Schaumelements eindringen und diese zerstören kann. Die
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Schaumelements, ein Bauteil sowie ein Werkzeug anzugeben, wobei eine Alternative zu den bekannten Verfahren gegeben werden soll, welche sich durch ihre Flexibilität und gute Umsetzbarkeit auszeichnetIt is therefore an object of the present invention to provide a method for producing a foam element, a component and a tool, whereby an alternative to the known methods is to be provided, which is characterized by its flexibility and good feasibility
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, durch ein Bauteil gemäß Anspruch 8 sowie durch ein Werkzeug gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.This object is achieved by a method according to claim 1, by a component according to claim 8 and by a tool according to claim 11. Further advantages and features result from the subclaims as well as the description and the attached figures.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Schaumelements, insbesondere eines Metallschaum-Elements oder eines Metallschaumkerns, die Schritte:
- - Erzeugen eines Schaumelements in einer Kavität eines Formwerkzeugs, wobei das Formwerkzeug in einer ersten Schließstellung steht, in welcher die Kavität gegenüber einem Endmaß des Schaumelements vergrößert ist;
- - Verfahren des Formwerkzeugs in eine zweite Schließstellung zum Verkleinern der Kavität, sodass über ein zumindest bereichsweises Komprimieren eines Randbereichs oder einer Randzone bzw. einer äußeren Schicht oder Lage des Schaumelements dessen Endmaß eingestellt wird.
- - Producing a foam element in a cavity of a mold, the mold being in a first closed position, in which the cavity is enlarged compared to a final dimension of the foam element;
- - Moving the mold into a second closed position to reduce the size of the cavity, so that its final dimension is adjusted by at least partially compressing an edge region or an edge zone or an outer layer or layer of the foam element.
Über das Verfahren des Formwerkzeugs von der ersten Schießstellung in die zweite Schließstellung wird das bereits erzeugte Schaumelement umfänglich oder randseitig zumindest bereichsweise gestaucht oder komprimiert, wodurch im äußeren Bereich des Schaumelements oder im Randbereich des Schaumelements dessen Schaumstruktur aufgelöst wird oder verlorengeht. Mit anderen Worten wird durch das Verfahren von der ersten Schließstellung in die zweite Schließstellung und die Kräfte, die hierbei auf das Schaumelement ausgeübt werden, bewirkt, dass die Schaumstruktur im Randbereich in eine mehr oder weniger geschlossene, massive Struktur überführt wird.By moving the mold from the first firing position to the second closed position, the foam element that has already been produced is at least partially compressed or compressed on the circumference or at the edge, as a result of which the foam structure is dissolved or lost in the outer region of the foam element or in the edge region of the foam element. In other words, the process from the first closed position to the second closed position and the forces that are exerted on the foam element cause the foam structure in the edge area to be converted into a more or less closed, solid structure.
Zweckmäßigerweise wird über das Komprimieren eine kompakte/geschlossene oder auch massive Randschicht gebildet. Die ursprüngliche Porosität des Schaumelements wird über das Komprimieren oder Zusammendrücken weitgehend zerstört oder aufgelöst. Eine bereits bestehende Randschicht, welche sich ggf. bereits in der ersten Schließstellung gebildet hat, wird vorteilhafterweise dicker. In der Folge kann ein wie vorgeschlagen hergestelltes Schaumelement sehr gut als Umgussbauteil zur Verwendung im Metallguss verwendet werden, insbesondere beispielsweise im Kokillen- oder Druckguss. Die Ausdrücke „kompakt“, „geschlossen“ oder „massiv“ sind insbesondere dahingehend zu verstehen, dass eine derartige Randschicht ausgelegt ist, den inneren „porösen“ Kern zu schützen, insbesondere also als Barriere zu wirken. Eine derartige Barriere verhindern beispielsweise das Eindringen flüssiger (Metall-)Schmelze beim Umgießen eines derartigen Schaumelements.A compact/closed or solid edge layer is expediently formed via compression. The original porosity of the foam element is largely destroyed or dissolved by compression or squeezing. An existing edge layer, which may have already formed in the first closed position, advantageously becomes thicker. As a result, a foam element produced as proposed can be used very well as a cast component for use in metal casting, in particular, for example, in permanent mold or die casting. The terms “compact”, “closed” or “solid” are to be understood in particular to mean that such an edge layer is designed to protect the inner “porous” core, in particular to act as a barrier. Such a barrier, for example, prevents the penetration of liquid (metal) melt when pouring around such a foam element.
Je nach Ausgestaltung des Formwerkzeugs erfolgt das Komprimieren oder Zusammendrücken des Schaumelements vollumfänglich oder auch nicht. Werden bestimmte Bereiche des Schaumelements nicht komprimiert, kann dies bei der Anordnung bzw. weiteren Verwendung des Schaumelements berücksichtigt werden. Gemäß einer Ausführungsform weist das Formwerkzeug einen oder mehrere Schieber auf, welche ebenfalls verwendet werden können, um das Komprimieren des Randbereichs zu bewirken.Depending on the design of the mold, the foam element is compressed or squeezed completely or not. If certain areas of the foam element are not compressed, this can be taken into account when arranging or further using the foam element. According to one embodiment, the molding tool has one or more slides, which can also be used to effect compression of the edge region.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Einlegen eines Schaum-Rohlings in das Formwerkzeug;
- - Verfahren des Formwerkzeugs in die erste Schließstellung;
- - Aufschäumen des Schaum-Rohlings zum Erzeugen des Schaumelements;
- - Verfahren des Formwerkzeugs in die zweite Schließstellung.
- - Inserting a foam blank into the mold;
- - Moving the mold into the first closed position;
- - Foaming the foam blank to produce the foam element;
- - Moving the mold into the second closed position.
Ein derartiger Rohling wird gemäß einer Ausführungsform hergestellt, indem Metallpulver, beispielsweise Aluminiumpulver, mit Treibmittelpulver vermischt und unter hohem Druck verpresst wird. Durch Erhitzen kann der Rohling zum Aufschäumen gebracht werden. Das Erhitzen erfolgt gemäß einer Ausführungsform mit Vorteil mittelbar über ein entsprechend ausgelegtes Formwerkzeug.According to one embodiment, such a blank is produced by mixing metal powder, for example aluminum powder, with blowing agent powder and pressing it under high pressure. The blank can be made to foam by heating. According to one embodiment, the heating is advantageously carried out indirectly via an appropriately designed mold.
Alternativ umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Verfahren des Formwerkzeugs in die erste Schließstellung;
- - Einbringen einer flüssigen und/oder gasförmigen Materialmischung in die Kavität zum Erzeugen des Schaumelements;
- - Verfahren des Formwerkzeugs in die zweite Schließstellung.
- - Moving the mold into the first closed position;
- - Introducing a liquid and/or gaseous material mixture into the cavity to produce the foam element;
- - Moving the mold into the second closed position.
Bei dieser Ausführungsform wird eine flüssige Schmelze, wie beispielsweise eine Metallschmelze, beispielsweise eine Aluminiumschmelze, welche ausgelegt ist, ein Schaumelement zu bilden, in die Form eingebracht/eingespritzt. Im Anschluss wird das so erzeugte Schaumelement über das Verkleinern der Kavität komprimiert.In this embodiment, a liquid melt, such as a metal melt, for example an aluminum melt, which is designed to form a foam element, is introduced/injected into the mold. The foam element created in this way is then compressed by reducing the size of the cavity.
Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren grundsätzlich den Schritt:
- - Verkleinern der Kavität, nachdem die Kavität vollständig gefüllt ist.
- - Shrinking the cavity after the cavity is completely filled.
Mit anderen Worten wird das Verfahren von der ersten Schließstellung in die zweite Schließstellung erst dann eingeleitet, wenn die Kavität in der ersten Schließstellung vollständig gefüllt ist.In other words, the process from the first closed position to the second closed position is only initiated when the cavity in the first closed position is completely filled.
Zweckmäßigerweise ist das Schaumelement in der ersten Schließstellung auch zumindest bereichsweise derart erstarrt, dass ein Komprimieren des Randbereichs überhaupt stattfinden kann. Dies kann abhängig vom Herstellungsverfahren des Schaumelements sowie der verwendeten Werkstoffe unterschiedlich lange dauern. In the first closed position, the foam element is expediently solidified at least in some areas in such a way that compression of the edge region can take place at all. This can take different amounts of time depending on the manufacturing process of the foam element and the materials used.
Bevorzugte Werkstoffe für das Schaumelement sind Kunststoff- oder Verbundwerkstoffe, insbesondere aber metallische Werkstoffe, bevorzugt Leichtmetalle, wie Aluminium.Preferred materials for the foam element are plastic or composite materials, but in particular metallic materials, preferably light metals such as aluminum.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Verwenden des Formwerkzeugs zum Konditionieren, insbesondere Erhitzen, des Schaumelements.
- - Using the mold to condition, especially heat, the foam element.
Dies kann vorteilhaft sein, um das Komprimieren des Randbereichs zu beeinflussen. Damit ist gemeint, dass beispielsweise über eine Temperaturerhöhung die Bildung des kompakten/geschlossenen Randschicht beeinflusst werden kann. Das Formwerkzeug ist hierzu entsprechend mit einer Konditioniereinrichtung, wie einer Heizeinrichtung, ausgebildet. Wie bereits erwähnt, kann über ein entsprechend ausgelegtes Formwerkzeug auch der Schäumprozess bewirkt werden.This can be advantageous to influence the compression of the edge area. This means that, for example, the formation of the compact/closed surface layer can be influenced by increasing the temperature. For this purpose, the mold is designed accordingly with a conditioning device, such as a heating device. As already mentioned, the foaming process can also be carried out using an appropriately designed mold.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Verfahren von der ersten Schließstellung in die zweite Schließstellung impuls- oder stoßartig. Damit kann ggf. ein Kollabieren des Randbereichs erzeugt oder erreicht werden, welches in einer besonders kompakten/massiven Randschicht resultiert. Alternativ kann es aber auch vorteilhaft sein, möglichst langsam von der ersten in die zweite Schließstellung zu fahren, um ein möglichst schonendes Komprimieren des Randbereichs zu bewirken. Die beste Lösung ist einzelfallabhängig zu ermitteln.According to one embodiment, the method from the first closed position to the second closed position takes place in pulses or shocks. In this way, a collapse of the edge region can be created or achieved, which results in a particularly compact/solid edge layer. Alternatively, it can also be advantageous to move as slowly as possible from the first to the second closed position in order to compress the edge area as gently as possible. The best solution must be determined on a case-by-case basis.
Es hat sich herausgestellt, dass das Volumen der Kavität in der ersten Schließstellung zweckmäßigerweise etwa 10-20 % größer ist als das Volumen der Kavität in der zweiten Schließstellung. Je höher die Volumenunterschiede in den beiden Schließstellungen, desto höher bzw. stärker wird der Randbereich des Schaumelements komprimiert. Das Verfahren bietet im Zusammenhang mit einem entsprechend ausgelegten Formwerkzeug den Vorteil, dass das Komprimieren des Schaumelement lediglich bereichsweise erfolgen kann. Entsprechend können Schaumelemente erzeugt werden, welche nur bereichsweise eine Randschicht aufweisen. Ebenso sind Randschichten mit unterschiedlichen Wandstärken erzeugbar. Die Eigenschaften des Schaumelements können in Bezug auf die Randschicht vorteilhafterweise flexibel und individuell eingestellt werden.It has been found that the volume of the cavity in the first closed position is expediently about 10-20% larger than the volume of the cavity in the second closed position. The higher the volume differences in the two closed positions, the higher or more strongly the edge region of the foam element is compressed. In conjunction with an appropriately designed mold, the method offers the advantage that the foam element can only be compressed in certain areas. Accordingly, foam elements can be produced which only have an edge layer in certain areas. Edge layers with different wall thicknesses can also be created. The properties of the foam element can advantageously be adjusted flexibly and individually in relation to the edge layer.
Die Erfindung betrifft auch ein Bauteil, umfassend zumindest ein erfindungsgemäßes Schaumelement.The invention also relates to a component comprising at least one foam element according to the invention.
Gemäß einer Ausführungsform weist eine Randschicht des Schaumelements eine Dichte auf, welche zumindest doppelt so groß ist wie die Dichte des Kernbereichs des Schaumelements. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dichte der Randschicht zumindest zweimal, dreimal, viermal oder fünfmal so groß. Gemäß einer Ausführungsform entspricht die Dichte der Randschicht in etwa der Dichte des Grundmaterials, aus welchem das Bauteil besteht.According to one embodiment, an edge layer of the foam element has a density which is at least twice as large as the density of the core region of the foam element. According to a preferred embodiment, the density of the edge layer is at least twice, three times, four times or five times as great. According to one embodiment, the density corresponds to the edge layer in approximately the density of the base material from which the component is made.
Gemäß einer Ausführungsform unterschreitet eine Wandstärke der Randschicht 1 mm zweckmäßigerweise nicht. Zweckmäßigerweise weist die Randschicht eine Dicke von 1,5 mm, 2 mm, 2,5 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm oder mehr Millimetern auf.According to one embodiment, a wall thickness of the edge layer expediently does not fall below 1 mm. The edge layer expediently has a thickness of 1.5 mm, 2 mm, 2.5 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm or more millimeters.
Über das Zufahren des Formwerkzeugs bzw. die dadurch auf das Schaumelement einwirkende Kraft kann die Dicke individuell eingestellt werden. Zweckmäßigerweise kann außerdem eine Randschicht erzeugt werden, welche nicht überall die gleiche Wandstärke aufweist, sondern bedarfsgerecht angepasst ist. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber Verfahren, welche derartige Randschichten über eine Zugabe von Treibmitteln erzeugen. Vorliegend kann nicht nur die Dicke bzw. Wandstärke der Randschicht individuell eingestellt werden, auch der Bereiche, wo die Randschicht ausgebildet ist, ist wählbar. So muss das Schaumelement nicht vollumfänglich eine derartige Randschicht ausbilden.The thickness can be adjusted individually by closing the mold or the force acting on the foam element. It is also expedient to create an edge layer which does not have the same wall thickness everywhere, but is adapted to suit requirements. This is a decisive advantage over processes that create such surface layers by adding blowing agents. In the present case, not only the thickness or wall thickness of the edge layer can be adjusted individually, the areas where the edge layer is formed can also be selected. The foam element does not have to completely form such an edge layer.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das vorgenannte Bauteil ein Gussbauteil, wie beispielsweise eine Metallgussbauteil, in welchem das zumindest eine Schaumelement zumindest bereichsweise als Einlegeelement umgossen ist.According to a preferred embodiment, the aforementioned component is a cast component, such as a cast metal component, in which the at least one foam element is at least partially cast as an insert element.
Die Erfindung betrifft auch ein Werkzeug oder Formwerkzeug, insbesondere ein Tauchkantenwerkzeug, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend eine Vielzahl von Formteilen, welche ausgelegt sind, unterschiedliche Schließstellungen anzufahren, wobei das Werkzeug ausgelegt ist, in einer ersten Schließstellung eine Kavität zum Formen eines Schaumelements mit Übermaß bereitzustellen, und wobei das Werkzeug ausgelegt ist, zumindest eine zweite Schließstellung anzufahren, in welcher das Volumen der Kavität verringert ist. Das Werkzeug zeichnet sich dadurch aus, dass die in den Schließstellungen gebildete Kavität bzw. die Kavitäten jeweils geschlossen sind, sodass ein Schaumelement gebildet bzw. ein gebildetes Schaumelement zumindest bereichsweise gestaucht oder komprimiert werden kann.The invention also relates to a tool or molding tool, in particular a plunge edge tool, in particular for carrying out the method according to the invention, comprising a plurality of molded parts which are designed to move to different closed positions, the tool being designed to form a cavity in a first closed position for forming a foam element with oversize, and wherein the tool is designed to move to at least a second closed position in which the volume of the cavity is reduced. The tool is characterized in that the cavity or cavities formed in the closed positions are each closed, so that a foam element is formed or a foam element formed can be compressed or compressed at least in areas.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform des Verfahrens bzw. eines Bauteils bzw. eines (Form-)Werkzeugs mit Bezug auf die beigefügten Figuren.Further advantages and features result from the following description of an embodiment of the method or a component or a (forming) tool with reference to the attached figures.
Es zeigen:
-
1 : verschiedene Ansätze zum Erzeugen eines Schaumelements in einer ersten Schließstellung; -
2 : ein Formwerkzeug in einer ersten Schließstellung; -
3 : das aus der2 bekannte Formwerkzeug in einer zweiten Schließstellung.
-
1 : different approaches to producing a foam element in a first closed position; -
2 : a mold in a first closed position; -
3 : that from the2 known molding tool in a second closed position.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1010
- Formteilmolding
- 1212
- TauchkanteDiving edge
- 1414
- Kanalchannel
- 2020
- Kavitätcavity
- 3030
- Rohlingblank
- 4040
- SchaumelementFoam element
- S1S1
- erste Schließstellungfirst closed position
- S2S2
- zweite Schließstellungsecond closed position
- AA
- MaterialzufuhrMaterial supply
- Vv
- VerfahrrichtungTravel direction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10123899 A1 [0002]DE 10123899 A1 [0002]
- DE 10325819 B4 [0002]DE 10325819 B4 [0002]
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- 2022-03-21 DE DE102022106524.3A patent/DE102022106524A1/en active Pending
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