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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Schaumelements, insbesondere eines Metallschaum-Elements, sowie ein Bauteil.
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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
DE 101 23 899 A1 schlägt in diesem Zusammenhang ein Verfahren zur Herstellung von Metallformteilen vor, wobei ein Metallkörper mit allseitig geschlossener Oberfläche und einer Hohlstruktur im Inneren in eine Form eingelegt und der verbleibende Formhohlraum anschließend mit einem Metall oder einer Metalllegierung gefüllt wird. Der vorgenannte Metallkörper soll als Metallintegralschaum ausgebildet sein. Zum Erzeugen der „geschlossenen Oberfläche“ wird hierbei einer Metallschmelze nach dem Verlassen eines Vorratsbehälters und vor dem Eintritt in den Formhohlraum ein Treibmittel zugesetzt, vgl. auch die
DE 103 25 819 B4 . Je nach Anwendungsfall sind die so erzeugbaren Randschichten (vgl. die vorgenannten geschlossenen Oberflächen) aber ggf. nicht ausreichend dick. Zudem ist nicht steuerbar, wo diese ausgebildet werden.
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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 sollen, welche sich durch ihre Flexibiltät und ihre gute Umsetzbarkeit auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Bauteil gemäß Anspruch 9 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Schaumelements, insbesondere eines Metallschaum-Elements, die Schritte:
- - Erzeugen eines Schaumelements mit Übermaß;
- - Bearbeiten eines Randbereichs des Schaumelements zum Erzeugen eines Umformbereichs;
- - Einwirken mit einer Kraft auf den Umformbereich zum Einstellen eines Endmaßes des Schaumelements.
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Zweckmäßigerweise wird vorliegend das Schaumelement dahingehend modifiziert, dass der Randbereich zumindest bereichsweise komprimiert wird, wodurch neben dem Einstellen des Endmaßes des Schaumelements zweckmäßigerweise eine geschlossene/kompakte oder massive Randschicht gebildet wird. Mit anderen Worten wird über die Krafteinleitung bewirkt, dass die Schaumstruktur im Randbereich in eine mehr oder weniger geschlossene, massive Struktur überführt wird. Wird ein derartiges Schaumelement beispielsweise als Einlegeelement für ein Gussbauteil verwendet, kann so verhindert werden, dass Metallschmelze nicht oder zumindest nicht zu weit in die Porenstruktur des Schaumelements eindringt bzw. diese zerstört. Eine derartige Randschicht wirkt also zweckmäßigerweise als eine Barriere oder Schutzschicht. Das Einwirken mit der Kraft bewirkt das Einstellen des Endmaßes sowie das Ausbilden der Randschicht. Dabei können vorteilhafterweise sowohl das Bearbeiten des Randbereichs wie auch die Krafteinleitung lediglich bereichs- oder abschnittsweise erfolgen, was der Flexibilität des Verfahrens zugutekommt.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren entsprechend den Schritt:
- - Bearbeiten des Randbereichs und/oder Einwirken mit der Kraft derart, dass der Randbereich beim Umformen zu einer kompakten Randschicht wird.
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Das Bearbeiten des Randbereichs zum Erzeugen des Umformbereichs ist insbesondere dahingehend zu verstehen, dass das Einwirken mit der Kraft das Ausbilden einer wie vorgenannt ausgebildeten Randschicht überhaupt ermöglicht. Zweckmäßigerweise wird über die Krafteinleitung eine kompakte/geschlossene oder auch massive Randschicht gebildet. Die ursprüngliche Porosität des Schaumelements wird über das Komprimieren oder Zusammendrücken in Folge der Krafteinleitung weitgehend zerstört oder aufgelöst. Die Wandstärke einer bereits vorhandenen Randschicht des Schaumelements kann mit dem Verfahren zweckmäßigerweise vergrö-ßert werden.
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Ein derartiges Schaumelement kann sehr gut als Umgussbauteil zur Verwendung im Metallguss verwendet werden, insbesondere beispielsweise im Kokillen- oder Druckguss.
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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.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Erhitzen des Schaumelements zum Erzeugen des Umformbereichs. Zweckmäßigerweise erfolgt das Bearbeiten insbesondere über ein Erwärmen bzw. über ein Erhitzen des Randbereichs. Das Material im Randbereich wird hierbei zweckmäßigerweise auf eine Temperatur gebracht, welche ein gezieltes Umformen des Randbereichs ermöglicht. Die tatsächlichen Temperaturen sind abhängig vom verwendeten Werkstoff. Als Wärmequellen kommen unterschiedliche Möglichkeiten in Betracht. Je nach Ausgestaltung des Verfahrens kann das Erhitzen auch nur bereichsweise oder abschnittsweise erfolgen.
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Bevorzugte Werkstoffe für das Schaumelement sind Kunststoff- oder Verbundwerkstoffe, insbesondere aber metallische Werkstoffe, bevorzugt Leichtmetalle, wie Aluminium.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Einlegen des Schaumelements mit Übermaß in ein Umformwerkzeug, insbesondere in ein Presswerkzeug, zum Einwirken mit der Kraft bzw. zum Aufbringen der Kraft.
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Das Umformwerkzeug bzw. das Presswerkzeug wird hierbei bevorzugt von einer ersten Schließstellung in eine zweite Schließstellung verfahren. Über das Verfahren in die zweite Schließstellung wird das Schaumelement zumindest bereichsweise komprimiert. Abhängig von der Ausgestaltung des Umformwerkzeugs ist es hierbei insbesondere möglich, nur bereichs- oder abschnittsweise eine Kraft auf das Schaumelement wirken zu lassen. Es ist vorliegend mit Vorteil also möglich, nur bereichsweise eine Randschicht auszubilden bzw. Randschichten mit unterschiedlichen, insbesondere bedarfsgerecht angepassten Wandstärken, zu erzeugen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Erhitzen des Randbereichs mittelbar über das oder ein Umformwerkzeug. Gemäß einer Ausführungsform und bei Verwendung eines Aluminiumwerkstoffs für das Schaumelement wird eine Werkzeugwand des Umformwerkzeugs auf eine Temperatur erhitzt, welche beispielsweise unterhalb des Schmelzpunkts von Aluminium (660 °C) aber oberhalb von 500 °C liegt. Durch die eingebrachte Hitze in das Schaumelement reduzieren sich in der erwärmten Zone bzw. in den erwärmten Bereichen die technischen Kennwerte. Über den Pressendruck kann so ein gezieltes Umformen bewirkt werden.
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Zweckmäßigerweise kann das Bearbeiten des Randbereichs zum Erzeugen des Umformbereichs also innerhalb eines Umformwerkzeugs oder außerhalb erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Erzeugen eines Schaumelements mit Übermaß;
- - Verwenden einer (externen) Wärmequelle zum Erzeugen des Umformbereichs;
- - Einlegen des Schaumelements in ein Umformwerkzeug und Einstellen des Endmaßes des Schaumelements über das Umformwerkzeug.
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Gemäß einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Einlegen des Schaumelements mit Übermaß in ein Umformwerkzeug;
- - Temperieren, insbesondere Erhitzen des Schaumelements über das Umformwerkzeug;
- - Einstellen des Endmaßes über das Umformwerkzeug.
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Es hat sich herausgestellt, dass das Übermaß in bevorzugten Ausführungsformen etwa 10-20 Vol.-% beträgt. Die tatsächliche Ausgestaltung ist auch davon abhängig, wie groß der Randbereich ist, welcher erzeugt wird oder welcher erzeugt werden soll. So ist es vorliegend möglich, dass das Einwirken mit der Kraft nur bereichsweise erzeugt. Es sind also Schaumelemente realisierbar, welche nicht überall eine kompakte Randschicht aufweisen. Je nach Verwendung und Einsatz des Schaumelements ist dies unter Umständen nicht nötig. Vorteilhafterweise bietet sich vorliegend über eine gezielte Krafteinleitung die Möglichkeit, Randschichten mit unterschiedlichen Wandstärken zu realisieren.
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Zweckmäßigerweise weist die Randschicht eine Dicke von zumindest 1 mm auf, bevorzugt zumindest 2 mm, 3 mm, 4 mm oder 5 mm.
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Gemäß einer Ausführungsform wird beim Einwirken mit der Kraft eine Struktur in den Umformbereich/das Schaumelement eingeprägt. Vorliegend ist es beispielsweise möglich, das Umformwerkzeug bzw. die Formteile des Umformwerkzeugs entsprechend auszulegen, um eine Struktur in das Schaumelement bzw. die Randschicht einzuprägen. Eine entsprechende ausgebildete Struktur, beispielsweise umfassend Vor- und/oder Rücksprünge, Erhebungen etc., kann vorteilhaft sein, wenn das Schaumelement später umgossen wird.
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Die Erfindung betrifft auch ein Bauteil, umfassend zumindest ein erfindungsgemä-ßes Schaumelement.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bauteil ein Gussbauteil, wobei das zumindest eine Schaumelement als Einlegeelement zumindest bereichsweise umgossen ist. Die kompakte bzw. geschlossene Randschicht bildet dort zweckmäßigerweise eine Barriere oder Schutzschicht, welche verhindert, dass die Metallschmelze in die Poren der Schaumstruktur ungewollt oder zu tief eindringt und diese zerstört.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen des Verfahrens mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer Ausführungsform eines Verfahrensablaufs;
- 2: eine weitere schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des Verfahrens.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht links ein Schaumelement 40. Dieses weist (noch) ein Übermaß auf. Die auf das Schaumelement 40 gerichteten Pfeile, vgl. das Bezugszeichen E, skizzieren eine Energieeinbringung, vorliegend insbesondere eine Wärmeeinbringung. Zweckmäßigerweise erfolgt ein zumindest bereichsweises Erhitzen des Schaumelements 40 zum Erzeugen eines Umformbereichs. Dieser soll durch Einwirken mit einer Kraft zum Einstellen eines Endmaßes des Schaumelements 40 sowie vorteilhafterweise zum Erzeugen oder Ausbilden einer kompakten Randschicht verwendet werden. Ein wie links dargestelltes und bereichsweise erhitztes Schaumelement 40 wird beispielsweise in ein Formwerkzeug eingelegt, wie es in der Mitte von 1 dargestellt ist. Das Formwerkzeug ist vorliegend als Tauchkantenwerkzeug, vgl. die Tauchkanten 12, skizziert, umfassend zwei Formteile 10. Das Schaumelement 40 füllt eine Kavität des Formwerkzeugs vollständig aus. Das Formwerkzeug weist eine Schließstellung S1 auf. Von dieser wird es nun in eine Schließstellung S2 gefahren, vgl. auch das Bezugszeichen V, welches eine Verfahrrichtung des rechten Formteils 10 skizziert. Darüber wird die Kavität 20 entsprechend verkleinert und es wird eine Kraft auf das Schaumelement 40 bzw. auf den Umformbereich des Schaumelements ausgewirkt. Durch das Zusammenfahren der Formteile 10, vgl. die Schließstellung S2 ganz rechts, wird das Endmaß eingestellt und eine kompakte Randschicht ausgebildet.
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2 zeigt eine alternative Ausführungsform des Verfahrens, wobei ein Schaumelement 40 in einem Formwerkzeug umfassend zwei Formteile 10, ähnlich wie in der 1, eingelegt wird. Vorliegend erfolgt die Energie- bzw. Wärmeeinbringung, vgl. das Bezugszeichen E, allerdings mittelbar über das Formwerkzeug. Bei dem Formwerkzeug handelt es sich beispielsweise um ein mittels Induktion aufheizbares Presswerkzeug. Die Werkzeugwand wird hierbei zweckmäßigerweise auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Werkstoffs des Schaumelements, bei Aluminium beispielsweise 660 °C, und oberhalb 500 °C erwärmt. Durch die eingebrachte Hitze reduzieren sich in der erwärmten Zone die technischen Kennwerte und so kollabieren durch den Pressendruck, beim Verfahren des Formwerkzeugs in die zweite Schließstellung S2, vgl. das Bild ganz rechts, die entsprechenden Bereiche, wodurch eine kompakte, geschlossene Randschicht gebildet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Formteil
- 12
- Tauchkante
- 20
- Kavität
- 40
- Schaumelement
- S1
- erste Schließstellung
- S2
- zweite Schließstellung
- E
- Energie-/Wärmeeinbringung
- V
- Verfahrrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10123899 A1 [0002]
- DE 10325819 B4 [0002]
