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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 3 bzw. des
Anspruchs 10 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2 oder des Anspruchs 4.
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Bei
der Herstellung von Bauteilen oder Halbzeugen mit zumindest einer
Lage, die ein Treibmittel und ein metallisches Pulver enthält, müssen diese Komponenten
aus einer Pulverkonsistenz nach ihrer Vermischung zu einem schäumbaren
Verbund zusammengeführt
werden. Derartige Bauteile sind aufgrund des Schaumanteils besonders
leicht und gleichzeitig sehr steif, so daß sie etwa in mobilen Einheiten,
wie Kraftfahrzeugen, sehr vorteilhaft als Karosserieteile, auch
zum Abbau von eingeleiteter Energie bei einem Unfall, einsetzbar
sind.
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Aus
der
DE 41 24 591 C1 ist
bekannt, das vermischte Pulver in ein Metallhohlprofil zu schütten und
anschließend
zu walzen. Ein derartiges Hohlprofil ist bei größeren Abmessungen schlecht
handhabbar. Es ist zudem an den Enden offen, so daß sich dort
ein direkter Kontakt des eingefüllten
Pulvers mit der Umgebungsluft ergibt, woraus gerade in diesen offenen
Endbereichen Ungenauigkeiten in der Zusammen-setzung des späteren Bauteils
resultieren. Der Verschnitt in den Randbereichen ist erheblich. Durch
die offenen Endbereiche sind auch die vor dem Walzen durchführbaren
Verdichtungsmöglichkeiten
für das
eingeschüttete
Pulver nur gering. Es verbleibt ein erheblicher Luftanteil im Pulver.
Bei Hohlprofilen mit einer größeren Ausdehnung
in Walzrichtung nimmt die auszupressende Luftmenge beim Walzen mit
der Walzlänge
zu. Hierdurch besteht die Gefahr der Fluidisierung des Pulvers mit
einer Entmischung von Treibmittel und Metallpulver, was speziell in
den Randbereichen sehr aus geprägt
ist. Dem ist nur durch wirtschaftlich nachteilige niedrige Walzgeschwindigkeiten
zu begegnen. Weiterhin können beim
Walzen Lufteinschlüsse
in der Pulvermischung entstehen. Beides führt zu einer verringerten Schaumqualität. Die Anwendung
für größere Abmessungen
und hohe Qualitätsansprüche ist
daher nicht sinnvoll.
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Aus
der nachveröffentlichten
DE 101 36 370 A1 ist
es bekannt, die Pulvermischung in einen Behälter einzuschütten, dessen
untere Wanne im Bereich aufragender Seitenwandungen überlappend von
einem Deckel übergriffen
ist, so daß sich
dadurch verstärkte
Seitenwandungen ergeben. Der Behälter
wird dann evakuiert, ehe die eigentliche Aufschäumung unter Druckeinwirkung
stattfindet. Dabei kommt es jedoch durch Reaktion mit dem Restsauerstoff
im Behälter
zu Oxidbildungen. Zudem laufen die Seitenwände Gefahr, bei der Druckeinwirkung
verformt zu werden.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, auch für große Einheiten ein einfaches
Herstellungsverfahren zu bilden, das zu guter Qualität führt und bis
möglichst
nah an die Randbereiche gleichmäßige Strukturen
im Halbzeug bzw. Bauteil ermöglicht.
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Die
Erfindung löst
dieses Problem für
eine Bauteilherstellung durch ein Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 sowie des Anspruchs 3 und des Anspruchs 10 sowie für die Halbzeugherstellung durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 2 bzw. des Anspruchs
4. Hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird
auf die weiteren Ansprüche
5 bis 11 verwiesen.
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Mit
der Flutung des Behälters
mit einem Schutzgas nach den Ansprüchen 1 und 2 ist bei einem
allseitig geschlossenen Behälter
mit für
das einzuschüttende
Pulver bis zum Behälterrand
gleichen Verhältnissen
und somit einer Minimierung des Verschnittverlusts einer Oxidierung
durch Verdrängung von
Restsauerstoff effektiv entgegengewirkt, ohne dadurch den Evakuierungsaufwand
zur Erreichung eines geringeren Restdrucks steigern zu müssen.
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Mit
dem Gegenstand des Anspruchs 10 ist zur Oxidvermeidung nicht nur
eine Maßnahme
vorgesehen, die allein den Gasraum betrifft, sondern es werden die
den Gasraum umschließenden
Grenzflächen
vorbehandelt, wodurch deren Oberflächenverschmutzung – und damit
die Oxidbildung in diesem Bereich – weit mehr vermindert wird,
als dies durch eine Evakuierung allein möglich ist. Das Absaugen von
an den Behälterinnenwandungen
haftenden Molekülen
(Adhäsion)
gelingt durch die Evakuierung des Gasraums nur unzureichend. Die
Vorbehandlung dieser Flächen
stellt daher eine entscheidende Verbesserung bei der Vermeidung
von Oxidbildung dar.
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In
der Ausbildung nach den Ansprüchen
3 und 4 ist eine kontrollierte Schwächung der Seitenwandungen gegen äußere Druckeinwirkung
vorgesehen. Insbesondere mit der durch ein Einknicken in Richtung
des Befüllraums
gegebenen Gestaltung der Seitenwandungen wird daher bei einem seitlichen Ausdehnen
des im Behälter
enthaltenen Pulvers bei dessen Verdichten durch lotrechte Kraft
von oben zunächst
die Nullage von unbelasteten Seitenwandungen durchlaufen, ehe diese
sich nach außen
ausbiegen können.
Beispielsweise für
ein Explosionsverdichten oder auch ein Schmieden ist dies besonders vorteilhaft.
Der Randverschnitt wird minimiert.
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Zudem
ist besonders vorteilhaft das Befüllen des zunächst offenen
Behälters
lagenweise mit einer jeweiligen Vorverdichtung der eingefüllten Lagen, insbesondere
durch eine Presse, ermöglicht.
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Eine
Vermeidung der Oxidation der inneren Behälteroberflächen, was insbesondere bei
Aluminiumwerkstoffen aufgrund der harten und schwer durchdringbaren
geschlossenen Oxidschicht für
das Plattieren qualitätsmindernd
ist, kann sowohl durch die genannte chemische und/oder mechanische
Bearbeitung der Oberfläche
der Behälterinnenwandungen
als auch durch das genannte Fluten des zu befüllenden und noch offenen Behälters mit
einem Inertgas, das schwerer als Luft ist, etwa Argon, erreicht werden.
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Das
Evakuieren des gasdicht verschlossenen Behälters wirkt zudem ebenfalls
weiterhin oxidationsvermindernd.
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Die
gleichmäßige Ausbildung
bis in den Randbereich und die Möglichkeit,
mit sehr hohen Drücken
auf den Behälter
einzuwirken, ist verbessert, wenn dieser, wie oben beschrieben,
Seitenwandungen aufweist, deren Widerstand gegen eine aufzubringende
Druckeinwirkung durch ihre Formgebung verringert ist. Sehr vorteilhaft
werden die Seitenwandungen abgekantet und mit nach innen weisendem
Vorsprung an die Plattenkörper
angesetzt. Die Gasdichtigkeit des Behälters ist weiter erhöht, wenn
ein oberer und ein unterer Plattenkörper jeweils Nuten aufweist,
wobei in die Nuten der Plattenkörper die
Seitenwandungen eingesetzt und dann beispielsweise verschweißt werden.
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Sofern
ein derartiger Behälter
unmittelbar gewalzt wird, empfiehlt sich die Verwendung von Walzen
mit möglichst
großem
Durchmesser, um die Schubeinwirkung auf das Pulver zu minimieren.
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In
der Ausbildung nach Anspruch 11 ist der Umformgrad, der durch das
Walzen aufzubringen ist, verringert. Im Unterschied zum Walzenpreßdruck, der
aufgrund der Walzenkrümmung
in Walzrichtung stark variiert und eine Schubbeanspruchung der Pulverschicht
hervorruft, kann der vorgeschaltete Druckeinwirkungsschritt eine
vollflächig
gleichmäßige Verdichtung
des Pulvers bewirken. Das Plattieren, also das Entstehen einer metallischen
Bindung zwischen der Pulver enthaltenden Lage und einer massivmetallischen
Lage, kann in diesem ersten Umformschritt gleichmäßig über die
Fläche
verteilt erreicht werden. Die erste Umformung kann einen erheblichen
Umformgrad ausmachen, insbesondere dann, wenn die Verdichtung des
befüllten
und geschlossenen Behälters
explosionsgetrieben ist. Auch ein einfaches oder mehrfaches Schmieden
oder ein heißisostatisches Pressen
ist möglich.
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Mit
der Druckeinwirkung, die dem Walzen vorgeschaltet ist, kann in der
Pulverschicht nahezu die Feststoffdichte des metallischen Pulvers
erreicht werden. Gaseinschlüsse
sind somit fast vollständig eliminiert.
Beim nachfolgenden Walzen steht somit eine qualitativ hochwertige,
gleichmäßig verdichtete Pulverschicht
zur Verfügung.
Somit können
die oben beschriebenen Nachteile nicht mehr auftreten.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus einem in der
Zeichnung dargestellten und nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel
des Gegenstandes der Erfindung.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
perspektivische Gesamtansicht eines oberseitig noch offenen, zur
Befüllung
mit Pulverlagen vorgesehenen metallischen Behälters, der an einer Seitenwandung
mit einem Anschluß für eine spätere Evakuierung
versehen ist,
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2 eine
abgebrochene Schnittdarstellung eines Randbereichs des befüllten und
gasdicht ver schlossenen Behälters
vor der äußeren Druckeinwirkung,
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3 eine ähnliche
Ansicht wie 2 nach der äußeren Druckeinwirkung und damit
verbundener Kompaktierung der Pulver enthaltenden Lage,
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Um
mehrlagige Metallbauteile mit zumindest einer aufgeschäumten Lage
zu schaffen, wird zunächst
eine Pulvermischung 1 aus einem oder mehreren metallischen
Pulvern, beispielsweise einer Aluminium-Silizium-Legierung, etwa
AlSi7 oder AlSi12, oder einer Aluminium-Silizium-Kupfer-Legierung, etwa AlSi6Cu4
einerseits, und einem oder mehreren gasabspaltenden Treibmitteln
andererseits, beispielsweise Titanhydrid, angefertigt. Das Vermischen der
Pulverbestandteile kann in einem mechanischen Mischer erfolgen.
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Da
aus der Pulverlage die spätere
aufgeschäumte
Schicht in gleichmäßiger Zusammensetzung,
Dicke und Dichte und ohne Luftblaseneinschluß, Lunker oder Risse entstehen
soll, wird erfindungsgemäß die Pulvermischung 1 zunächst lagenweise
in eine offene Wanne 2 eingefüllt, die einen unteren Plattenkörper 3 und
seitliche Wandungen 4, 5 umfaßt. Der untere Plattenkörper 3 besteht
dabei aus einem massivmetallischen Material und kann im späteren Bauteil
nach unten noch näher
erläuterten
Zwischenschritten eine Decklage des dann entstandenen Verbundes
bilden. Um von vorneherein den Sauerstoffanteil in der Pulvermischung 1 zu
minimieren, wird die Wanne 2 vor ihrem Befüllen mit
einem Inertgas geflutet, das schwerer als Luft ist und somit die
in der Wanne 2 befindliche Luft verdrängt. Ein gut zu handhabendes
und hierfür
zweckdienliches Gas ist beispielsweise Argon. Die Flutung der Wanne 2 kann während ihres
Befüllens
mit Pulvermischung 1 andauern.
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Des
weiteren ist es möglich
und insbesondere bei Werkstoffen auf Aluminium-Basis angeraten, die
Wandungen 3, 4, 5 und auch einen später zum Verschluß der Wanne 2 zur
Bildung eines Behälters 7 verwendeten
oberen Plattenkörper 6 jeweils
einer Antioxidationsbehandlung an seiner der Pulvermischung 1 zugewandten
Oberfläche
zu unterziehen. Dadurch wird die Oxidation an der Grenzfläche zwischen
der späteren
Schaumschicht und der oder den massivmetallischen Lage(n) erheblich
verringert, wodurch ein deutlicher Qualitätsgewinn im Bauteil resultiert.
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Die
eingeschütteten
Lagen der Pulvermischung 1 werden jeweils durch Einsatz
einer hydraulischen Presse oder in anderer geeigneter Weise vorverdichtet,
ohne daß die
Pulverkonsistenz verlorengeht. Dabei kann eine Lage einige Millimeter
hoch sein, typisch etwa zehn Millimeter.
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Nachdem
die Wanne 2 in mehreren Schritten mit Pulvermischung 1 derart
angefüllt
ist, daß diese mit
oberen Kanten der Seitenwandungen 4, 5 bündig abschließt, wird
der obere Plattenkörper 6 auf
die Seitenwandungen 4, 5 aufgesetzt und mit diesen gasdicht
verbunden, hier über
eine umlaufenden Schweißnaht 8.
Die Gesamtdicke des so gebildeten Behälters 7 beträgt typisch
zehn bis einige zehn Zentimeter.
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Zur
Stabilitätsverbesserung
des so gebildeten Behälters 7 sind
in den oberen 6 und unteren Plattenkörper 3 jeweils umlaufende
Nuten 9 eingearbeitet, in die die Seitenwandungen 4, 5 eingesetzt sind.
Die Seitenwandungen 4, 5 sind zudem, um ihre definierte
Verformung bei einer späteren
Kompaktierung des Pulvers 1 zu ermöglichen, durch eine Abkantung 10 gegenüber einem
auf den oberen Plattenkörper 6 lotrecht
einwirkenden Druck geschwächt. Der
Kantwinkel beträgt
etwa 10° bis
20°. Außenseitig der
nach innen vorragenden Abkantung 10 ist eine Abstützung 11 vorgesehen,
hier eine umlaufende Klammer, die verhin dert, daß die Seitenwandungen 4, 5 aufreißen und
undicht werden.
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Zudem
weist zumindest eine der Seitenwandungen 4, 5 einen
Evakuierungsanschluß 12 auf, durch
den hindurch das Restgas im geschlossenen Behälterinnenraum weitgehend entfernt
werden kann. Ein Pulverfilter am Eintritt des Evakuierungsanschlusses 12 ist
vorgesehen, um eine Beschädigung der
Vakuumpumpen zu vermeiden. Die Evakuierung erlaubt im folgenden
eine sehr hohe Verdichtung, ohne daß noch im Behälter 7 befindliches
Restgas herausgepreßt
werden müßte. Das
Evakuieren kann in einer vorzugsweisen Ausprägung bei erwärmtem Behälter 7 erfolgen,
um die verbleibende Restgasmasse im Behälter 7 weiter zu verringern.
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Ein
Abdrücken
des geschlossenen Behälters 7 mit
einem inerten Gas, beispielsweise Helium oder Argon, ist als Dichtigkeitsprüfung empfehlenswert.
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Zur
Evakuierung des geschlossenen Behälters 7 können unterschiedliche
Pumpen eingesetzt werden. Mit einer Turbomolekularpumpe läßt sich
ein Hochvakuum erzielen.
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Am
evakuierten Behälter 7 wird
das Vakuumrohr 12 verschlossen, anschließend kann
der gesamte Behälter 7 mitsamt
Inhalt einer äußeren Druckeinwirkung
zur Kompaktierung des Pulvers 1 ausgesetzt werden. Sofern
dabei schon die erste Druckeinwirkung durch Walzen vorgenommen wird,
ist darauf zu achten, daß das
Verhältnis
von Walzendurchmesser zu Walzspalthöhe derart groß gewählt wird,
daß die Schubbeanspruchung
durch die Walzen 13 im Pulver 1 unterhalb der
Scherfestigkeit des Pulvers 1 liegt, da ansonsten in der
Pulverlage Risse entstehen können und
das verdichtete Pulver sogar auseinanderbröseln kann.
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Besonders
vorteilhaft findet jedoch bei einem nach dem beschriebenen Verfahren
hergestellten Behälter 7 oder
bei einem anderen Behälter,
etwa bei einem solchen, in den ein vorab kaltisostatisch gepreßtes Pulver
als Barren eingelegt wurde, vor dem Walzen eine erste äußere Druckbeaufschlagung statt,
um eine Kompaktierung und damit Dichtezunahme des Pulvers zu erreichen,
wobei gleichzeitig ein Plattieren erfolgen kann.
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Diese
Druckbeaufschlagung ist im Ausführungsbeispiel
durch eine eindimensionale Krafteinleitung in Richtung der Pfeile 14 – und somit
lotrecht zu den Erstreckungsebenen der Plattenkörper 3, 6 – bewirkt
(2). Sie kann eine schnelle Umformung sein, d.
h., die Verbindung der Pulverteilchen erfolgt überwiegend durch Reibung und
Verschweißen – und nicht
durch Diffusion. Sie kann z. B. entweder durch einen oder mehrere
Schmiedehiebe oder durch eine Explosionsverdichtung aufgebracht
werden. Durch die Druckbeaufschlagung kann eine Zunahme der Dichte
im Pulver auf nahezu 100% der Festkörperdichte erreicht werden.
Die Dicke der aufzuschäumenden
Schicht 1b nimmt gegenüber
ihrem vorherigen Pulverzustand 1 durch die Verdichtung auf
etwa 50% ihres Ausgangswertes vor der Druckbeaufschlagung ab (Übergang
von 2 zu 3). Die massivmetallischen Bleche,
gebildet durch den oberen und unteren Plattenkörper 6 und 3,
behalten ihre Dicke dabei im wesentlichen unverändert bei.
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Während der
Druckbeaufschlagung kann der Behälter 7 aufgeheizt
sein, wobei zu beachten ist, daß die
Aufheiztemperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels
liegt.
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Bei
der Druckeinleitung bleiben die abgestützten Kantbereiche 10 der
Seitenwandungen 4, 5 in zumindest nahezu unveränderter
Lage, oberhalb und unterhalb der Abstützung 11 wölben sie
sich jedoch nach außen
aus. Der Rand verschnitt, der nach der Druckeinleitung abgesägt werden
kann, ist damit gering. Die Schnittkante kann nahe an dem Kantbereich 10 angelegt
werden.
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Durch
das Evakuieren und die geschilderte Druckbeaufschlagung ist nunmehr
die Pulverlage nahezu gasfrei und nahe an der Feststoffdichte, so
daß ein
nachfolgendes Walzen des gebildeten Halbzeugs durchgeführt werden
kann, ohne daß es
zu den oben beschriebenen Problemen des Standes der Technik kommen
kann. Beim Walzen kann eine weitere Dickenabnahme des Verbundes
in mehreren an die Geometrie des Walzpakets angepaßten Walzstichen erfolgen.
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Bei
der ersten Druckbeaufschlagung, die, wie geschildert, auch mehrere
Hiebe umfassen kann, wird auch die metallische Bindung zwischen
der später
aufzuschäumenden
Schicht und den massivmetallischen Deckschichten, die durch den
oberen und unteren Plattenkörper 6, 3 des
Behälters 7 gebildet werden,
erreicht. Die Plattenkörper 6, 3 sind
daher aus einem geeigneten mit dem metallischen Anteil der Pulvermischung 1 bindungsfähigen Werkstoff
zu wählen.
Alternativ könnte
auch einer der Plattenkörper 3, 6 durch
eine Trennschicht von der Pulverlage separiert sein, so daß ein Bauteil
mit nur einer massivmetallischen Deckschicht entsteht.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist sowohl ein Halbzeug, das nach der ersten Druckeinwirkung noch
ungewalzt ist, als auch ein Halbzeug, das nach der ersten Druckeinwirkung
ein oder mehrfach gewalzt ist, als auch ein Bauteil herstellbar.
Zur weiteren Fertigung eines Bauteils würde das Halbzeug nach dem Walzen
zunächst
randseitig gesägt und
anschließend
gegebenenfalls noch umgeformt werden, etwa durch ein- oder zweiseitige
Formgebung, wie etwa durch ein Tiefziehverfahren, wobei eine Seite
bereits ihre Endkontur erhält.
Anschließend wird
das so gebildete Halbzeug in eine Form eingelegt, die an die endkonturierte
Seite angepaßt ist,
so daß beim
nachfolgenden Aufschäumen
eine Expansion nur noch in von der endkonturierten Seite abgewandter
Richtung stattfindet. Das Schäumen bei
einer Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels,
bei der dieses Gas abspaltet, kann je nach Anforderung begrenzt
sein oder frei erfolgen. Für
planebene Bauteile ist der Umformschritt verzichtbar. Details des
Umformens und Schäumens
sind auch in der
DE
196 12 781 C1 beschrieben.
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Auch
kann es möglich
sein, bei Bedarf den entstandenen Verbund parallel zur Erstreckung
der massivmetallischen Bleche zu sägen, um damit ein Bauteil mit
nur einer massivmetallischen Deckschicht zu erhalten.