DE112018000344T5 - Gegossener aluminium- oder magnesiumschaumeinsatz - Google Patents

Abstract

Eine Strukturkomponente auf Aluminium- oder Magnesiumbasis, die durch ein Gießverfahren unter Verwendung eines Metallschaumeinsatzes gebildet wird, ist vorgesehen. Der Metallschaumeinsatz wird durch Anordnen einer homogenen Schaumvorform auf Polystyrolbasis mit einer optimierten Partikelgröße und statistischer Verteilung der Partikel in einem Formhohlraum hergestellt. Das Verfahren beinhaltet dann das Gießen des geschmolzenen Materials auf Aluminium- oder Magnesiumbasis in den Formhohlraum, um den Metallschaumeinsatz mit einer gewünschten Form und Porengrößenverteilung zu bilden. Aus dem hochstabilen Metallschaumeinsatz wird dann im Gießprozess das leichte und steife Bauteil hergestellt, z.B. eine Hohlkernstruktur aus Hochdruck-Vakuum-Druckguss (HPVDC) oder Noise Vibration Hardness (NVH) Blechbodenplatte.

Description

• QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNGEN
• Diese PCT-Internationale Patentanmeldung beansprucht den Vorteil der am 10. Januar 2017 eingereichten U.S. provisorischen Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/444,553 mit dem Titel „gegossener Aluminium- oder Magnesiumschaumeinsatz“, wobei die gesamte Offenbarung der Anmeldung als Teil der Offenbarung dieser Anmeldung angesehen und hiermit durch Verweis aufgenommen wird.
• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Bereich der Erfindung
• Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Metallschaumeinsätze zur Verwendung beim Gießen von Strukturkomponenten für Kraftfahrzeuge, Verfahren zum Formen der Metallschaumeinsätze, Strukturkomponenten, die durch Gießen unter Verwendung der Metallschaumeinsätze gebildet werden, und Gießverfahren zum Bilden der Strukturkomponenten unter Verwendung der Metallschaumeinsätze.
• Verwandte Technik
• Strukturkomponenten aus Metall, wie beispielsweise Aluminium, für Kraftfahrzeuge werden oft durch Gießen des Aluminiums um Metallschaum geformt. Das Volumen des Metallschaums wird hauptsächlich von Luft eingenommen, was das Gewicht des fertigen Metallbauteils, das um den Schaum gegossen wird, reduziert. Der Metallschaum kann auch verwendet werden, um eine gewünschte Form der fertigen Metallkomponente in der Gussform zu erreichen. Der Metallschaumeinsatz kann auch eine Art Kastendesign erzeugen, das die Übersteifigkeit des Bauteils erhöht.
• Konventionelle Aluminiumschäume entstehen durch die Einführung von Gasen wie Argon oder Stickstoff in geschmolzenes Aluminium. Der herkömmliche Aluminiumschaum nutzt die veraltete Technologie des Einbringens von Gasverunreinigungen in ein Schmelzbad, d.h. des Einbringens von Gasblasen und optional Zusatzstoffen in die Aluminiumschmelze. Der konventionelle Aluminiumschaumstoff weist keine homogene Porengröße, Struktur und Eigenschaften auf. Vielmehr hat der herkömmliche Aluminiumschaumstoff eine zufällige oder Monte-Carlo-Verteilung. Daher ist eine stabilere Metallschaumeinlage erwünscht.
• ZUSAMMENFASSUNG
• Die Erfindung sieht einen Metallschaumeinsatz zur Verwendung beim Gießen einer Strukturkomponente, wie beispielsweise einer Komponente für ein Kraftfahrzeug, und ein Verfahren zum Formen des Metallschaumeinsatzes vor. Der Metallschaumeinsatz wird gebildet, indem geschmolzenes Metall einer Schaumvorform auf Polystyrolbasis ausgesetzt wird. Der Metallschaumeinsatz ist stabil und weist im Vergleich zu herkömmlichen Metallschäumen eine homogenere Porengröße, Struktur und Eigenschaften auf.
• Die Erfindung bietet auch eine Strukturkomponente, die durch Gießen mit dem Metallschaumeinsatz gebildet wird und ein Gießverfahren das den Metallschaumeinsatz nutzr. Der Gießprozess beinhaltet das Anordnen des Metallschaumeinsatzes in einem Formhohlraum und das Aussetzen des Metallschaumeinsatzes gegenüber einem anderen Metall zur Bildung des Strukturbauteils. Aufgrund der Stabilität des Metallschaumeinsatzes hat die Strukturkomponente den Vorteil eines geringeren Gewichts und einer höheren Steifigkeit im Vergleich zu anderen Strukturkomponenten auf dem Markt.
• Figurenliste
• Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht erkannt, da sie durch die folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden:
• 1 veranschaulicht eine Polystyrol-Perlen Zellenstruktur einer Schaumvorform auf Polystyrolbasis gemäß einer exemplarischen Ausführungsform;
• 2 veranschaulicht die Schaumvorform auf Polystyrolbasis, die gemäß der exemplarischen Ausführungsform aus einer Form ausgeworfen wird;
• 3 veranschaulicht einen Anguss, einen Ausläufer und einen Anschlusss, der an der Schaumstoffvorform auf Polystyrolbasis gemäß der exemplarischen Ausführungsform befestigt ist;
• 4 veranschaulicht das Aufbringen einer feuerfesten Beschichtung auf die Schaumvorform auf Polystyrolbasis und die angeschlossenen Komponenten gemäß der exemplarischen Ausführungsform;
• 5 veranschaulicht das Trocknen der auf die Schaumvorform auf Polystyrolbasis aufgebrachten feuerfesten Beschichtung gemäß der exemplarischen Ausführungsform;
• 6 veranschaulicht die exemplarische beschichtete Schaumvorform auf Polystyrolbasis und die Anbauteile in einem gießfertigen Zustand;
• 7 veranschaulicht das Einbringen von geschmolzenem Metall in die Schaumvorform auf Polystyrolbasis, um einen Metallschaumeinsatz gemäß der exemplarischen Ausführungsform zu bilden;
• 8 veranschaulicht einen Gießprozess zum Bilden des Metallschaumeinsatzes gemäß der exemplarischen Ausführungsform;
• 9 veranschaulicht eine Energiebilanz des Schrittes des Gießens des Metallschaumeinsatzes gemäß der exemplarischen Ausführungsform;
• 10 veranschaulicht das Kühlen des Metallschaumeinsatzes und der befestigten Komponenten in einer feuerfesten Keramikschale gemäß der exemplarischen Ausführungsform;
• 11 veranschaulicht das Angussentfernens des Metallschaumeinsatzes von den befestigten Komponenten gemäß der exemplarischen Ausführungsform;
• 12 veranschaulicht den Metallschaumeinsatz der exemplarischen Ausführungsform nach der Bearbeitung;
• 13 veranschaulicht eine typische Struktur des fertigen Metallschaumeinsatzes, die eine relativ oder annähernd einheitliche Porengröße beinhaltet;
• 14 veranschaulicht ein herkömmliches Lost-Foam-Gießverfahren zum Vergleich;
• 15 veranschaulicht das Verbrennen von losem Sand aus einem Kolben nach dem herkömmlichen Lost-Foam-Gießverfahren zum Vergleich;
• 16 ist eine statistische Verteilung der Polystyrol-Perlengröße gemäß der exemplarischen Ausführungsform;
• 17 ist ein Beispiel für eine optimierte Sequenz der Polystyrolpartikelgröße, die zum Bilden des Metallschaumeinsatzes verwendet wird;
• 18 veranschaulicht die Biegesteifigkeit im Verhältnis zur Höhe des Metallschaumeinsatzes (Cosmafoam) in Form eines Blechs gemäß der exemplarischen Ausführungsform;
• 19 veranschaulicht typische Komponenten einer zweiteiligen Sandgussform und eines Kerndrucks zum Vergleich;
• 20 veranschaulicht eine vordere Motorhalterung mit dem Metallschaumeinsatz als Kern, der durch Hochdruck-Vakuum-Druckguss (HPVDC) gemäß einer exemplarischen Ausführungsform gebildet wird;
• 21 veranschaulicht zusätzliche Details der vorderen Motorhalterung von 20;
• 22 veranschaulicht eine NVH-Platte (Noise Vibration Hardness) für eine Automobilbodenanwendung, die den Metallschaumeinsatz gemäß einer exemplarischen Ausführungsform beinhaltet; und
• 23 veranschaulicht ein Blech mit dem Metallschaumeinsatz gemäß einer exemplarischen Ausführungsform für miliäre Anwendungen.
• BESCHREIBUNG VON BEISPIEL AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Ein Aspekt der Erfindung sieht einen Metallschaumeinsatz für den Einsatz beim Gießen einer Strukturkomponente, wie beispielsweise eines Bauteils für ein Kraftfahrzeug, und ein Verfahren zum Formen des Metallschaumeinsatzes vor. Der Metallschaumeinsatz hat eine verbesserte Stabilität im Vergleich zu herkömmlichen Metallschäumen, die in Gießverfahren verwendet werden.
  Das aus dem Metallschaumeinsatz der vorliegenden Erfindung gebildete gegossene Strukturbauteil ist stabil, leicht und hochsteif, was für Kraftfahrzeug Anwendungen von Vorteil ist, wie beispielsweise Hohlkernstrukturen aus Hochdruck-Vakuum-Druckguss (HPVDC) und Noise Vibration Hardness (NVH) Platten für Karosseriebodenplatten.
• Das Verfahren zum Formen des Metallschaumeinsatzes beinhaltet zunächst das Bereitstellen einer Schaumvorform auf Polystyrolbasis mit einer optimierten Partikelperlengröße, und einer statistischen Verteilung der Perlenpartikel zur Bildung der resultierenden stabilen Porositätsgröße.
  Die Schaumvorform auf Polystyrolbasis ist typischerweise homogen und weist eine einheitliche Perlengröße auf. Die Schaumvorform auf Polystyrolbasis kann optional neben dem Polystyrol auch Additive enthalten. Die Schaumvorform auf Polystyrolbasis hat auch eine gewünschte Größe und Form, die von der zu formenden Strukturkomponente abhängt.
• Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform wird die Schaumvorform auf Polystyrolbasis gebildet, indem ein Muster aus Polystyrolperlen einer bestimmten Größe und Partikelverteilung hergestellt wird. Die Polystyrolperlen werden mit einer bestimmten Menge an Aluminium/Magnesium-Schaum Stabilisatoren wie SiO₂, Al₂O₃, TiB₂, TiC, TiH₂ und/oder SiC usw. imprägniert, um ein modifiziertes Polystyrol herzustellen.
  Gemäß dieser Ausführungsform besteht die Schaumvorform auf Polystyrolbasis aus einem 97,5 Volumenprozent (vol. %) Lufthohlraum, der in winzige 50 Mikrometer-Zellen verpackt ist. 1 veranschaulicht eine 50 mm Polystyrol-Perlenzellenstruktur der Schaumvorform auf Polystyrolbasis gemäß der exemplarischen Ausführungsform.
• Je nach Produktionsvolumen kann das Muster der Polystyrolperlen der exemplarischen Ausführungsform auf vielfältige Weise erzeugt werden. Für einfache Geometrien und Kleinserien kann das Muster von Hand geschnitten oder aus einem massiven Block aus vorimprägniertem Polystyrolschaum gefertigt werden. Bei komplexer Geometrie und/oder großem Produktionsvolumen kann das Muster nach einem Verfahren ähnlich dem Spritzgießen in Serie hergestellt werden. Im Spritzgussverfahren werden vorgeschäumte Perlen aus Polystyrol mit Schaumstabilisatoren bei niedrigem Druck in eine vorgewärmte Aluminiumform eingespritzt. Anschließend wird Dampf auf die Polystyrolperlen aufgebracht, wodurch sie sich weiter ausdehnen und die Matrize füllen. Das endgültige Muster der Schaumvorform auf Polystyrolbasis beträgt ca. 97,5 Vol. % Luft und 2,5 Vol. % Polystyrol und Schaumstabilisatoren, bezogen auf das Gesamtvolumen der Schaumvorform auf Polystyrolbasis. Das Polystyrolschaummuster verengt sich in dessen Dimension, ähnlich wie bei herkömmlichen Gussteilen. 2 veranschaulicht die Schaumvorform 10 auf Polystyrolbasis, die mit einem Auswurfstift 14 aus der Form 12 ausgestoßen wird. Vorgefertigte Gießbecken, Kufen und Steigleitungen aus Polystyrolschaum können mit der Schaumvorform auf Polystyrolbasis heiß verklebt werden. Wie in 3 dargestellt, können ein Abwärtsanguss 16, Läufer 18 und Anguss 20 mit zwei der Schaumvorformen 10 auf Polystyrolbasis verklebt werden.
• Gemäß der exemplarischen Ausführungsform werden die Schaumvorform auf Polystyrolbasis und die angeschlossenen Komponenten anschließend mit mindestens einer feuerfesten Beschichtung beschichtet. Es können verschiedene feuerfeste Beschichtungen verwendet werden, z.B. ein keramisches Material, wie Al₂O₃, oder andere. Die feuerfeste Beschichtung kann durch Tauchen, Bürsten, Sprühen, Duschen oder Fluten aufgebracht werden. Mit anderen Worten, die Schaumvorform auf Polystyrolbasis und die daran angeschlossenen Komponenten können auf vielfältige Weise beschichtet werden, z.B. manuell getaucht für die Kleinserienproduktion oder automatisiert durch eine Roboterstation für die Großserienproduktion. 4 veranschaulicht ein Beispiel für den Schritt des Auftragens der feuerfesten Beschichtung 22 auf die Schaumvorform 10 auf Polystyrolbasis, in diesem Fall durch Eintauchen. Die feuerfeste Beschichtung bildet eine Barriere zwischen der Schaumstoffoberfläche und der Umgebung in einem nachfolgenden Gießschritt. Die feuerfeste Beschichtung kann viele Schichten für dünne Wände aufweisen, wie beispielsweise weniger als 0,8 mm für HPVDC-Kernanwendungen oder dicke Wände für NVH-Plattenanwendungen. Die feuerfeste Beschichtung weist ebenfalls eine Null- oder Minimalpermeabilität auf, die verhindert, dass das durch das verdampfte Polystyrolschaummodell entstehende Gas bei einem nachfolgenden Gießprozess entweicht. Die Gießerei sollte die feuerfeste(n) Aufschlämmung(en), die zur Bildung der feuerfesten Beschichtung verwendet werden, überprüfen, bevor sie die Schaumvorform auf Polystyrolbasis und die angeschlossenen Komponenten beschichtet. Die feuerfeste(n) Aufschlämmung(en) sollten ebenfalls kontinuierlich gemischt werden, um die Eigenschaften zu erhalten. Die Deckschicht oder die erste Beschichtung sollte aus der Aufschlämmung bestehen, um das Oberflächenfinish zu erzielen, das im Endzustand der Schaumvorform auf Polystyrolbasis benötigt wird. Nach der Beschichtung der Schaumvorform auf Polystyrolbasis und der angeschlossenen Komponenten werden dieseTrocknen gelassen. Der Trocknungsschritt beinhaltet entweder eine Luftkühlung für die Kleinserienproduktion oder das Einbringen der Schaumvorform auf Polystyrolbasis und der angeschlossenen Komponenten in einen Trockner, um einen kürzeren Trocknungszyklus für die Großserienproduktion zu ermöglichen. Der Trocknungsschritt erfolgt vorzugsweise in einem Ofen bei 120 °F bis 140 °F (49 °C bis 60 °C) für 3 bis 5 Stunden.
  5 veranschaulicht den Trocknungsschritt gemäß der exemplarischen Ausführungsform, wobei die auf der Schaumform 10 auf Polystyrolbasis und die daran angeschlossenen Komponenten aufgebrachte feuerfeste Beschichtung mit Luftkonvektion und Wärmestrahlung getrocknet wird, um eine Hülle der feuerfesten Beschichtung 22 um die Schaumvorform 10 auf Polystyrolbasis und die daran angeschlossenen Komponenten zu bilden. Nach dem Trocknen der feuerfesten Beschichtung werden die Schaumvorform auf Polystyrolbasis und die daran angeschlossenen Komponenten auf den Gießereiboden gelegt und sind gießfertig. 6 veranschaulicht das Beispiel der Schaumvorform 10 auf Styroporbasis und die gießfertigen Komponenten.
• Der nächste Schritt besteht darin, die Schaumvorform auf Polystyrolbasis in einem Formhohlraum oder einem anderen Gussbereich einzubringen und dann das geschmolzene Metall, das zum Bilden des Metallschaumeinsatzes verwendet wird, in die Schaumvorform auf Polystyrolbasis einzuführen. Die Partikelgröße der Schaumvorform auf Polystyrolbasis wird vorzugsweise sequenziert und in ihrer Position im Formhohlraum optimiert, bevor sie in die Wellenfront des geschmolzenen Metalls eingebracht wird.
• Das geschmolzene Metall, das zur Bildung des Metallschaumeinsatzes verwendet wird, ist typischerweise ein Material auf Aluminium- oder Magnesiumbasis. So kann beispielsweise das geschmolzene Metall, das zur Bildung des Metallschaumeinsatzes verwendet wird, eine Aluminiumlegierung, wie beispielsweise A356.2, oder eine Magnesiumlegierung, wie beispielsweise AZ91E, sein. Diese beiden Legierungen werden bevorzugt, wenn der Metallschaumeinsatz zur Bildung des HPVDC-Hohlkerns verwendet wird. Alternativ ist das Material auf Aluminiumbasis, das zur Bildung des Metallschaumeinsatzes verwendet wird, 5182 - O und/oder ein Blech der Serie 6000, und das Material auf Magnesiumbasis ist AZ31B. Diese beiden Legierungen werden bevorzugt, wenn der Metallschaumeinsatz zur Bildung der Bodenplattenanwendungen verwendet wird. Die Zusammensetzung der Legierung A356.2 ist unten in Tabelle 1 und die Zusammensetzung der Legierung AZ91E ist unten in Tabelle 2 angegeben. Die Zusammensetzung der 5182 - O-Legierung ist unten in Tabelle 3 und die Zusammensetzung der AZ31 B-Legierung unten in Tabelle 4 angegeben. Tabelle 1

  Aluminum Legierung A356.2
  Aluminum, Al	91,3 - 93,2 % (Rest)
  Kupfer, Cu	<= 0,10 %
  Eisen, Fe	<= 0,12 %
  Magnesium, Mg	0,30 - 0,45 %
  Mangan, Mn	<= 0,05 %
  Andere, jedes	<= 0,05 %
  Andere, gesamt	<= 0,15 %
  Silizium, Si	6,5 - 7,5 %
  Titan, Ti	<= 0,20 %
  Zink, Zn	<= 0,05 %

  Tabelle 2

  Gewichts %	Al	Zn	Mn	Si	Cu	Fe	Ni	Andere	Mg
  Magnesium AZ91E	8,1 - 9,3	0,40 - 1,0	0,17 - 0,35	≤ 0,2 max	≤ 0,015 max	≤ 0,005 max	≤ 0,001 max	0,02 max to- tal	Bal-ance

  Tabelle 3

  Aluminum Legierung 5182 - O
  Aluminum, Al	93,2 - 95,8 % (Rest)
  Chrom, Cr	<= 0,10 %
  Kupfer, Cu	<= 0,15 %
  Eisen, Fe	<= 0,35 %
  Magnesium, Mg	4,0 - 5,0 %
  Mangan, Mn	0,20 - 0,50 %
  Andere, jedes	<= 0,05 %
  Andere, gesamt	<= 0,15 %
  Silizium, Si	<= 0,20 %
  Titan, Ti	<= 0,10 %
  Zink, Zn	<= 0,25 %

  Tabelle 4

  Gewichts %	Al	Zn	Mn	Si	Cu	Ca	Fe	Ni	Andere	Mg
  Magnesium AZ31B	2,5 - 3,5	0,7 - 1,3	0,2 mm	0,05 max	0,05 max	0,04 max	0,005 max	0,005 max	0,30 max total	Bal.

• Gemäß der exemplarischen Ausführungsform ist das Metall, das zur Bildung des Metallschaumeinsatzes verwendet wird, eine entgaste flüssige Aluminiumlegierung oder Magnesiumlegierung. Dieses geschmolzene Metall 24 wird in den Anguss 16 gegossen und fließt durch den Läufer 18 und das Gate 20 zu den daran befestigten Schaumvorformen 10 auf Polystyrolbasis, wie in 7 dargestellt. Beim Gießen der Metallschmelze nimmt die Metallschmelze die Form der Schaumvorform auf Polystyrolbasis an.
• Gemäß der exemplarischen Ausführungsform erzeugt die Kombination aus kontrollierter Metalltemperatur und Füllgeschwindigkeit eine Schmelzwelle, die die Polystyrolperlen verdampft und ein kontrolliertes Gas einleitet, um den Metallschaumeinsatz zu bilden. Die chemische Reaktion des Materials auf Aluminium- oder Magnesiumbasis mit den Stabilisatoren der Schaumvorform auf Polystyrolbasis erzeugt eine einzigartige und stabile Struktur des Metallschaumeinsatzes. Der Metallschaumeinsatz ist ein Schaum auf Aluminium- oder Magnesiumbasis, vorzugsweise mit homogenen Eigenschaften und Porengröße. Der Metallschaumeinsatz kann auf vielfältige Weise gegossen werden, z.B. durch Handgießen bei Kleinserien oder durch automatisiertes Gießen bei Großserien. Vorzugsweise wird der Gießprozess automatisiert, da das Füllprofil eine größere Bedeutung hat als in der konventionellen Gießereipraxis. 8 veranschaulicht den Gießschritt, mit dem der Metallschaumeinsatz gemäß der exemplarischen Ausführungsform gebildet wird. Genauer gesagt, veranschaulicht 8 einen Wärmestrom zwischen dem geschmolzenen Metall und dem Gemisch aus flüssigem Schaum und Gas, mit einem kleinen Dampfspalt dazwischen. 8 zeigt auch einen Massenfluss zwischen dem flüssigen Schaum und dem Gas, und den Polystyrolperlen und der Schaumstabilisierung. In diesem Fall wird der flüssige Schaum und das flüssige Gas als Zersetzungsschicht (Lb) bezeichnet, und die Materialien sind in der aus dem keramischen Material gebildeten feuerfesten Hülle enthalten.
• Während des Schrittes der Herstellung des Metallschaumeinsatzes brennt das Polystyrol bei Kontakt mit der Metallschmelze aus. Gemäß der exemplarischen Ausführungsform zerfällt die modifizierte Polystyrolstruktur in mindestens vier Stufen, einschließlich einer Kontaktphase, einer Spaltphase, einer Kollapsphase und einer Einhüllungsphase. Dieser Prozess ist hauptsächlich von der Kontaktphase abhängig, wenn das geschmolzene Metall in direktem Kontakt mit der Schaumvorform auf Polystyrolbasis steht. Die Schaumvorform auf Polystyrolbasis wird durch ein Ablationsverfahren zersetzt. Es entsteht eine dünne Schicht aus flüssigem modifiziertem Polystyrol, und dann verdampft ein Teil der modifizierten Polymerflüssigkeit. Das Gas diffundiert kontrolliert in das geschmolzene Material auf Aluminium- oder Magnesiumbasis. Die Menge des freigesetzten Gases, bezogen auf die durchschnittliche Polystyrolteilchengröße, beeinflusst die endgültige stabile Schaumblasengröße auf Aluminium- oder Magnesiumbasis und damit die Porengröße und Porosität des Metallschaumeinsatzes. Grundannahmen für den Schritt des Gießens des Metallschaumeinsatzes sind: homogenes flüssiges Polystyrol und Schaumstabilisatoren; gleichmäßige Abtragsrate von Polystyrol; der Massenfluss nimmt linear zum Metall hin ab; Gasverdampfung und Schaumstabilisierung bei x = 0; und das Vorhandensein der Zersetzungsschicht Lb, wie in 8 dargestellt. 9 veranschaulicht eine Energiebilanz des Schrittes des Gießens des Metallschaumeinsatzes gemäß der exemplarischen Ausführungsform. Die Energiebilanz der exemplarischen Ausführungsform wird durch die folgende Gleichung 1 dargestellt: $${\text{k}}_{\text{D}}\left({\mathrm{\delta }}^2\mathrm{\theta /\delta }{\text{x}}^2\right)+\left({\mathrm{\rho }}_{\text{p}}{\text{C}}_{\text{D}}\mathrm{\upsilon }{\text{x/L}}_{\text{B}}\right)\mathrm{\delta \theta /\delta }\text{x}=\text{0}$$

  
• Randbedingung $$\mathrm{\theta }\left(0\right)={\mathrm{\theta }}_{\text{M}},\mathrm{\theta }\left({\text{L}}_{\text{B}}\right)={\mathrm{\theta }}_{\text{P}}$$

  

  $$-{\text{k}}_{\text{D}}\mathrm{\delta \theta }/\mathrm{\delta }\text{x}\left({\text{L}}_{\text{B}}\right)={\mathrm{\rho }}_{\text{p}}{\mathrm{\epsilon }}_{\text{D}}\mathrm{\upsilon }$$

  
• Die folgende Gleichung 2 wird verwendet, um zum Arrhenius-Modell für die Gasproduktion und damit zur Herstellung des im Inneren der feuerfesten Hülle erzeugten Schaums auf Aluminium- oder Magnesiumbasis zu gelangen. Die folgende Gleichung 2 kann auch die Temperatur des flüssigen Schaums, die Peclet-Zahl und den Wärmestrom aus Metall liefern. $${\text{r}}_{\text{v}}={\text{r}}_{\text{v}}\left({\mathrm{\theta }}_{\text{M}},{\text{x}}_{\text{v}}\right)=\mathrm{\alpha }\text{exp}\left(-\text{E/R}{\mathrm{\theta }}_{\text{M}}\right){\left(1-{\text{x}}_{\text{v}}\right)}^{\text{n}}$$

  

  wobei:

r_v=

Gasproduktiousrate

θ_M =

Produktionsrate

x_v =

Gasanteil

α =

Reaktionsrate (kg/m²-s)

E =

Aktivierungsenergie (J/mole)

R =

allgemeine Gaskonstante

n =

Reaktionsordnung

• Gemäß der exemplarischen Ausführungsform wird der Metallschaumeinsatz 26 und die daran angeschlossenen Komponenten anschließend in der feuerfesten Hülle 22 für eine vorbestimmte Zeitspanne abkühlen gelassen, wie in 10 dargestellt. Vorzugsweise beinhaltet der Kühlungsschritt eine Zwangsluftabschreckung der feuerfesten Hülle. Der Metallschaumeinsatz verfestigt sich im Inneren der feuerfesten Hülle, die feuerfeste Hülle um den Metallschaumeinsatz herum hilft, den Metallschaumeinsatz vor Beschädigung zu schützen. Die feuerfeste Hülle wird dann zu einem Ausschütteltisch gebracht und die feuerfeste Keramikhülle entfernt. Sobald der Metallschaumeinsatz verfestigt und aus der feuerfesten Hülle entfernt ist, wird der Metallschaumeinsatz von den Zusatzkomponenten abgebaut. In der exemplarischen Ausführungsform wird der Metallschaumeinsatz durch spanende Bearbeitung von den Angüssen, Kufen und Gates entfernt. Der finale Metallschaumeinsatz wird dann bearbeitet und gereinigt und ist bereit für die endgültige(n) Anwendung(en). 11 veranschaulicht den Angussentfernungsschritt, und 12 veranschaulicht den bearbeiteten Metallschaumeinsatz 26 der exemplarischen Ausführungsform. 13 veranschaulicht die typische Struktur des fertigen Metallschaumeinsatzes 26, der eine relativ oder annähernd gleichmäßige Porengröße beinhaltet.
• Der Prozess zur Herstellung des Metallschaumeinsatzes kann einem „Lost-Foam-Gießverfahren“, wie dem in 14 dargestellten Prozess, ähnlich sein, unterscheidet sich aber auch in einigen wesentlichen Punkten vom herkömmlichen Lost-Foam-Gießen. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung beinhaltet beispielsweise das Bilden der harten äußeren feuerfesten Hülle um den Metallschaum herum, ohne jegliche Permeation, zum Beispiel eine harte, undurchlässige Hülle auf Aluminiumoxidbasis (Al₂O₃). Die verlorene Schaumaufschlämmung weist jedoch eine hohe Durchlässigkeit auf, so dass das durch das verdampfte Schaumabbild entstehende Gas durch die Beschichtung in den Sand entweichen kann. Die Aufschlämmung, mit der die feuerfeste Hülle auf der Schaumvorform auf Polystyrolbasis der vorliegenden Erfindung gebildet wird, sorgt für eine geringe oder gar keine Durchlässigkeit. Im konventionellen Lost-Foam-Gießverfahren ist die Kontrolle der Durchlässigkeit ein entscheidender Schritt zur Vermeidung von Sanderosion. Es wird auch darauf hingewiesen, dass die feuerfeste Hülle der vorliegenden Erfindung eher einer Feingusshülle als einer verlorenen Schaumaufschlämmung ähnelt, da keine Permeabilität erforderlich ist. Unter Lost-Foam-Gießbedingungen entweichen die an der Metallvorderseite gebildeten Gase aus der Form und dem Guss, so dass der strömenden Schmelze keine wesentliche Gasschicht vorausgeht. Im Prozess der vorliegenden Erfindung wird eine verdampfte Gasschicht erzeugt, so dass die Gasblasen kontrolliert eingeschlossen werden und die stabile Schaumstruktur auf Aluminium- oder Magnesiumbasis bilden. Auch beim Lost-Foam-Gießverfahren sind keine Schaumstabilisatoren wie SiO₂, Al₂O₃, TiB2, TiC, TiH₂ oder SiC usw. in das Polystyrol eingebettet. Darüber hinaus verwendet das Lost-Foam-Gießverfahren einen Kolben, der mit ungebundenem Quarzsand unterlegt ist. Der Sand wird in der Regel aus einem obenliegenden Sandkasten in den Kolben geregnet und dann verdichtet. Der ungebundene Sand wird in der Regel von ca. 90 lbs/ft³ bis 100 lbs/ft³ verdichtet. Der Prozess der vorliegenden Erfindung erfordert weder den Kolben noch den Sand. Schließlich, nachdem der Lost-Foam-Guss gegossen wurde, verwendet das Verfahren eine Gasflamme mit Zwangsluft über den Sand, um das aus dem Kolben austretende Restgas zu verbrennen, im Gegensatz zum Verfahren zur Bildung des Metallschaumeinsatzes der vorliegenden Erfindung. 15 veranschaulicht den Lost-Foam-Gießkolben mit dem Ausbrennen des losen Sandes.
• Nach der vorliegenden Erfindung kann der Metallschaumeinsatz, sobald das geschmolzene Metall des Metallschaumeinsatzes erstarrt ist, aus der Form entnommen und in einem nachfolgenden Gießverfahren verwendet werden. Der Metallschaumeinsatz ist in der Regel sehr stabil und homogen. Die Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung und Porosität des fertigen Metallschaumeinsatzes werden typischerweise durch experimentelle Daten bestimmt. Im Allgemeinen gilt: Je feiner die Porengröße, desto besser die Eigenschaften. Die Polystyrolperlen selbst werden typischerweise mit einer statistischen Analyse quantifiziert, die ähnlich wie in 16 aussehen würde. Die Polystyrolperlen können in verschiedene Größen unterteilt werden, z.B. durch Floating, um die beste Polystyrolgröße für die optimale Metallschaumeinsatz-Porengröße zu erhalten. Eine optimierte Sequenz der Partikelgröße der Polystyrol-Perlen der Schaumvorform auf Polystyrolbasis kann durch Modellierung des Metallschaumeinsatzes und Bestimmung, wie die modifizierten Polystyrolperlen verdampfen und wie das Gas basierend auf der Perlengröße freigesetzt wird, erreicht werden. Ein Beispiel für eine optimierte Sequenz der Partikelgröße der Polystyrol-Perlen, die zur Bildung des Metallschaumeinsatzes verwendet wird, ist in 17 dargestellt. Die Größe und Verteilung der Polystyrolperlen könnte nach verschiedenen Größen geordnet werden, um während der Verdampfungssequenz unterschiedliche Metallschaumporengrößen und/oder maßgeschneiderte mechanische Eigenschaften für ein geringes Gewicht in verschiedenen Bereichen des Metallschaumeinsatzes zu erzeugen. So sorgt beispielsweise eine größere Metallschaumporengröße für ein geringeres Gewicht, aber geringere mechanische Eigenschaften, und eine kleinere Metallschaumporengröße für ein schwereres Produkt, aber höhere mechanische Eigenschaften. Das Gas, das in die Metallwellenfront eintritt, könnte durch die Verwendung verschiedener Nennperlengrößen aus Polystyrol angepasst werden, um die kleinste relativ oder annähernd einheitliche Porengröße des Metallschaumeinsatzes zu erzeugen. Auch eine komplexe 3D-Strukturierung des Metallschaumeinsatzes kann durch Merfach- und Grenzflächenschichtung erreicht werden.
• Vorzugsweise hat der Metallschaumeinsatz einen geschlossenen Querschnitt, so dass die Vertikalsteifigkeit für jeden Abschnitt größer ist als bei einer offenen Bauweise. Bei doppelter Profildicke würde die Steifigkeit der Metallschaumeinlage um 54% abnehmen. Das Gewicht des Metallschaumeinsatzes wird durch die geringere Dichte im Vergleich zu herkömmlichen Metallschäumen ebenfalls um ca. 30% reduziert. 18 veranschaulicht die spezifische Biegesteifigkeit im Vergleich zur Höhe des Metallschaumeinsatzes in Form eines Blechs gemäß einer exemplarischen Ausführungsform. Wie bereits erwähnt, erreicht der Metallschaumeinsatz eine gleichmäßigere Porengröße im Vergleich zu den herkömmlichen Metallschäumen. Die herkömmlichen Methoden zur Herstellung von Metallschaum haben Probleme, eine ungefähr oder relativ gleichmäßige Porengröße zu erzeugen. Wenn die Porengröße nicht relativ oder annähernd einheitlich ist, wird es sehr schwierig zu modellieren und somit sehr schwierig, die Eigenschaften des Materials vorherzusagen. Der Metallschaumeinsatz der vorliegenden Erfindung weist eine stabile und relativ oder annähernd gleichmäßige Porengröße auf, was vor allem auf die einzigartige und neuartige Weise zurückzuführen ist, dass der Schaum direkt aus modifizierten Polystyrolperlen hergestellt wird.
• Die Erfindung stellt auch die Strukturkomponente zur Verfügung, die durch das Gießen mit dem Metallschaumeinsatz und das Gießverfahren mit dem Metallschaumeinsatz gebildet wird. Der Gießprozess beinhaltet das Anordnen des Metallschaumeinsatzes in einem Formhohlraum, der Sand enthalten kann oder nicht. Der Metallschaumeinsatz bietet eine Oberflächenrauheit, die für die Stabilität erforderlich ist, um in ein tatsächliches HPVDC H13-Werkzeug der exemplarischen Ausführungsform zu drucken und zu verhindern, dass Gas entweicht. Wie in 19 dargestellt, werden Kernabdrücke verwendet, die Abdrücke in den Werkzeugen 28 sind, die es ermöglichen, den Metallschaumeinsatz 10, auch als Kern bezeichnet, einzustellen und während des Gießens der Strukturkomponente in der Form in einer geeigneten Position zu halten. Der Kernabdruck ermöglicht es, dass der Metallschaumeinsatz an seinem Platz bleibt und nicht durch die Kraft und/oder Geschwindigkeit des in das Werkzeug eindringenden geschmolzenen Metalls verschoben wird. 19 veranschaulicht auch die anderen Komponenten, die typischerweise in den Werkzeugen 28 verwendet werden, in diesem Fall eine zweiteilige Sandgussform.
• Das Verfahren beinhaltet ferner das Gießen eines weiteren geschmolzenen Metalls in den Formhohlraum um den Metallschaumeinsatz herum, um die Strukturkomponente zu bilden. Das geschmolzene Metall passt sich der Form des Metallschaumeinsatzes an, die je nach Anwendung des Bauteils typischerweise eine wünschenswerte Form ist. So bildet beispielsweise der Metallschaumeinsatz während des HPVDC-Füllzyklus eine metallurgische Verbindung mit der Metallschmelze. Wenn der Metallschaumeinsatzzur Bildung des Strukturbauteils für die Bodenplattenanwendung verwendet wird, wird der Metallschaumeinsatz als Band zwischen zwei Verfestigungsblechen oder dünnen Metallplatten eingeführt.
• Die Stabilität des Metallschaumeinsatzes ist besonders vorteilhaft für Strukturbauteile zweier Anwendungen, darunter die aus HPVDC gebildete Hohlkernstruktur und die NVH-Platten für Karosseriebodenplatten. Es wurde festgestellt, dass die leichte und hochsteife dünnwandige Karosseriestruktur des fertigen Strukturbauteils allen derzeit auf dem Markt befindlichen Produkten überlegen ist. Das mit dem Metallschaumeinsatz gebildete Strukturbauteil könnte auch in Chassieanwendungen und Bodenwannenstrukturen eingesetzt werden. 20 veranschaulicht eine vordere Motorhalterung 30 in Grau mit dem Metallschaumeinsatz 26 als blauem Kern aus HPVDC. 21 veranschaulicht zusätzliche Details der vorderen Motorhalterung 30 aus 20. 22 veranschaulicht eine NVH-Platte des Metallschaumeinsatzes 26 für Karosseriebodenanwendungen. 23 veranschaulicht ein Blech des Metallschaumeinsatzes 26 für miliäre Anwendungen.
• Viele Änderungen und Variationen der vorliegenden Offenbarung sind im Lichte der obigen Lehren möglich und können im Rahmen der Erfindung anders als spezifisch beschrieben praktiziert werden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• US 62/444553 [0001]

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung eines Metallschaumeinsatzes zur Verwendung beim Gießen einer Strukturkomponente, umfassend die Schritte von: Bereitstellen einer Schaumvorform, wobei die Schaumvorform Perlen mit dazwischen liegenden Poren beinhaltet, wobei die Perlen auf Polystyrolbasis sind; Aufbringen mindestens einer aus Keramik gebildeten feuerfesten Beschichtung auf die Schaumvorform; und Gießen von Metall auf die beschichtete Schaumstoffvorform, um den Metallschaumeinsatz zu bilden, wobei das Metall auf Aluminium- oder Magnesiumbasis ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Perlen auf Polystyrolbasis der Schaumvorform mit einem Aluminium- und/oder Magnesiumstabilisator imprägniert werden, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus SiO₂, Al₂O₃, TiB₂, TiC, TiH₂ und/oder SiC.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Perlen auf Polystyrolbasis der Schaumvorform eine annähernd gleichmäßige Partikelgröße aufweisen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Gießens von Metall auf die beschichtete Schaumvorform gemäß der folgenden Gleichung 2 durchgeführt wird: $${\text{r}}_{\text{v}}={\text{r}}_{\text{v}}\left({\mathrm{\theta }}_{\text{M}},{\text{x}}_{\text{v}}\right)=\mathrm{\alpha }\text{exp}\left(-\text{E/R}{\mathrm{\theta }}_{\text{M}}\right){\left(1-{\text{x}}_{\text{v}}\right)}^{\text{n}}$$

   

   wobei. r_v= Gasproduktionsrate θ_M = Produktionsrate x_v = Gasanteil α = Reaktionsrate (kg/m²-s) E = Aktivierungsenergie (J/mole) R = allgemeine Gaskonstante n = Reaktionsordnung
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schaumvorform ein Muster aufweist, das durch Handschneiden, Bearbeiten aus einem festen Block aus vorimprägniertem Polystyrolschaum oder Spritzgießen gebildet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schaumvorform aus etwa 97,5 Vol.-% Luft und 2,5 Vol. -% Polystyrol und den Stabilisatoren, bezogen auf das Gesamtvolumen der Schaumvorform, gebildet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich die Schaumvorform während des Gießschritts zersetzt.
8. Metallschaumeinsatz, der nach dem Verfahren nach Anspruch 1 gebildet wird.
9. Metallschaumeinsatz nach Anspruch 8, wobei der Metallschaumeinsatz Poren beinhaltet und eine annähernd gleichmäßige Porengröße aufweist.
10. Verfahren zur Herstellung einer Strukturkomponente, umfassend die Schritte von: Bereitstellen einer Schaumvorform, wobei die Schaumvorform Perlen mit dazwischen liegenden Poren beinhaltet, wobei die Perlen auf Polystyrolbasis sind; Aufbringen mindestens einer aus Keramik gebildeten feuerfesten Beschichtung auf die Schaumvorform; Gießen eines ersten Metalls auf die beschichtete Schaumvorform, um den Metallschaumeinsatz zu bilden, wobei das Metall auf Aluminium- oder Magnesiumbasis ist; und Gießen eines zweiten Metalls auf den Metallschaumeinsatz.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Gießens des zweiten Metalls auf den Metallschaumeinsatz das Hochdruck-Vakuum-Druckgießen beinhaltet.
12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Gießens des ersten Metalls auf die beschichtete Schaumvorform gemäß der folgenden Gleichung 2 durchgeführt wird: $${\text{r}}_{\text{v}}={\text{r}}_{\text{v}}\left({\mathrm{\theta }}_{\text{M}},{\text{x}}_{\text{v}}\right)=\mathrm{\alpha }\text{exp}\left(-\text{E/R}{\mathrm{\theta }}_{\text{M}}\right){\left(1-{\text{x}}_{\text{v}}\right)}^{\text{n}}$$

    

    wobei r_v= Gasproduktionsrate θ_M = Produktionsrate x_v = Gasanteil α = Reaktioanrate (kg/m²-s) E = Aktivierungsenergie (J/mole) R = allgemeine Gaskonstante n = Reaktionsordnung
13. Strukturkomponente, gebildet durch das Verfahren nach Anspruch 10.
14. Strukturkomponente nach Anspruch 13, wobei die Strukturkomponente eine Komponente eines Kraftfahrzeugs ist.
15. Strukturkomponente nach Anspruch 14, wobei die Strukturkomponente eine vordere Motorhalterung oder eine Platte einer Karosseriebodenplatte eines Kraftfahrzeugs ist.

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