DE19734394C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Metallschaum - Google Patents

Description

Bei der Herstellung von Metallschaumkörpern nach der pulvermetallurgischen Variante wird üblicherweise in zwei Schritten vorgegangen. In einem ersten Schritt wird zunächst auf­ schäumbares Rohmaterial aus einem Gemisch aus Metallpulver und unter Hinzufügen eines Treibmittelpulvers als Schäummittel durch Kompaktieren hergestellt (DE 41 01 630 A1). In einem zweiten Schritt wird das auf diese Weise gewonnene aufschäumbare Rohmaterial zur Herstellung von Formkörpern mit vollständig oder teilweise schaumförmiger metallischer Struktur verwendet.

Zur Herstellung von Metallschaum-Formkörpern kann das aufschäumbare Rohmaterial im festen Zustand in eine Form eingefüllt und nachfolgend bis zur Schmelz- und Schaum­ bildungstemperatur zusammen mit der Form erhitzt werden, so dass dabei Metallschaum entsteht. Durch Erstarren des Metallschaumes in der Form entsteht ein Metallschaum- Formkörper, der nach dem Erstarren aus der Form herausgenommen oder - im Fall langer Schaumkörper gleichbleibenden Querschnitts - nach erfolgter Abkühlung, also erstarrt, herausgefördert wird (DE 44 16 371 A1). Weiterhin ist es bekannt, zum Ausschäumen von Hohlkörpern bzw. Formen das aufschäumbare Rohmaterial direkt in die Formen bzw. Hohlkörper einzufüllen und durch Erhitzen der Formen das aufschäumbare Rohmaterial derart aufzuschäumen, daß die Form nach Erkalten des Metallschaumes komplett ausgefüllt ist (US 3,087,807).

Diese Vorgehensweisen haben den Nachteil, dass die zum Aufschäumen notwendigen Wärmemengen über die Wände des Hohlkörpers bzw. der Form eingebracht werden müssen. In der Regel kommt man nicht umhin, metallische Formen zu verwenden. Also ist es auch bei induktiver Erwärmung nicht möglich, die Wärme direkt im aufschäumbaren Material anstatt, wie es tatsächlich hierbei geschieht, zunächst in der Wand der Form zu erzeugen. Die Form muß immer über die höchste der im aufschäumbaren Rohmaterial für das Aufschäumen erforderlichen Temperatur hinaus erhitzt werden. Dieses setzt voraus, dass die Formen aus einem auch noch bei höheren Temperaturen genügend haltbarem Material bestehen müssen, das gegenüber dem durch die Zersetzung des Schäummittels in der geschlossenen Form entstehenden Innendruck auch bei den erforderlichen höheren Temperaturen eine ausreichende Festigkeit besitzt. Das stellt besondere Ansprüche an die Auswahl des Materials der Formen und schränkt deren Lebensdauer erheblich ein. Derartige Herstellungsverfahren sind also sehr kostspielig. Darüber hinaus können bei großen Formteilen bzw. komplex gestalteten Formen der Wärmeeintrag und die Temperaturen nicht genügend gleichmäßig eingestellt werden, so dass an einigen Stellen innerhalb der Form bzw. des Hohlraums die Metallschaumbildung noch nicht abgeschlossen ist, wohingegen an anderen Stellen der Metallschaum bereits wieder zerfällt. Im Ergebnis weist der hergestellte Formkörper eine sehr ungleichmäßige innere Struktur, d. h. keine gleichmäßigen physikalischen Eigenschaften, und gegebenenfalls auch Fehlstellen oder Lücken auf. Hohlräume mit geringer Festigkeit ihrer Wände und dabei insbesondere Hohlräume sehr unregelmässiger Gestalt lassen sich mittels der bekannten Verfahren nicht mit Metallschaum füllen, da die Wände der Formen den auftretenden Beanspruchungen nicht gewachsen sind und die notwendigen Wärmemengen sich nicht ausreichend einbringen lassen.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von Metallschaum mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bekannte Verfahren zur Herstellung von Metallschaum und Metallschaumkörpern weiterzuentwickeln, dadurch die Wirtschaftlichkeit der Metallschaumherstellung zu verbessern und hierbei auch die Herstellung von Metallschaumkörpern mit großen Abmessungen bzw. komplexer Gestalt und das Ausfüllen von Hohlräumen durch Einbringen von Metallschaum in noch flüssiger Form zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein gattungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Die Prozeßschritte der Erzeugung von flüssigem Metallschaum und der Herstellung von Werkstücken/Bauteilen oder Teilen von Werkstücken/Bauteilen aus dem bei der Weiterverarbeitung erstarrenden Metallschaum werden zeitlich und örtlich getrennt. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens soll der Metallschaum unabhängig von der auszuschäumenden Form oder Oberfläche unter konstanten Randbedingungen mit gleichbleibender Qualität und bei geringer Wärmebeanspruchung und geringer mechanischer Beanspruchung der Formen, Wände der Hohlräume und Oberflächen erzeugt und eingebracht werden.

Weiterbildungen der Erfindung betreffen die Ansprüche 2 bis 6.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist in Anspruch 7 festgelegt und weitere Ausbildungen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 8 bis 11 unter Schutz gestellt.

Die Erfindung hat ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gegenstand, die es ermöglichen, Metallschaum direkt an der Stelle seiner Verarbeitung unter definierten Randbedingun­ gen, also z. B. unabhängig von der Gestalt der auszu­ schäumenden Werkstücke, zu erzeugen, um ihn ohne größere Transportwege einzubringen. Dazu wird der Vorrichtung ("Schäumzelle") vorzugsweise aufschäum­ bares, nach einem der oben beschriebenen Verfahren hergestelltes Rohmaterial zugeführt und mittels einer Heizeinrichtung mindestens bis zur Schaumbildungs­ temperatur bzw. Schmelztemperatur erhitzt. Der Me­ tallschaum entsteht dann im Inneren der Vorrichtung, oder, falls der Druck in der Schäumzelle hoch genug ist, bei Austritt der Schmelze aus der Vorrichtung durch eine ihrer Austrittsöffnungen. Auch die Verwendung nicht aufschäumbaren Rohmaterials bei getrennter Gas- oder Treibmittelzufuhr ist möglich. Ferner ist auch bei Verwendung aufschäumbaren Rohmaterials eine er­ gänzende Gas- oder Treibmittelzufuhr möglich, um bei gleichem Rohmaterial verschieden strukturierte Metall­ schäume herstellen zu können.

Die Vorrichtung ist typischerweise mit geringen Ab­ messungen ausgeführt, um die Schaumerzeugung bei­ spielsweise im Inneren eines auszuschäumenden Hohl­ körpers ausführen zu können.

Die Vorrichtung besteht dabei aus jeweils mindestens einer Kammer, einer Heizeinrichtung, einer Austritts­ öffnung für den erzeugten Metallschaum bzw. die Schmelze sowie i. a. einer Einrichtung zur Zuführung des aufzuschäumenden Rohmaterials.

Das aufzuschäumende Rohmaterial kann der Vor­ richtung von außen kontinuierlich, z. B. gestückelt, in Gestalt eines Drahtes oder einer Stange zugeführt wer­ den, z. B. ähnlich dem Verfahren, nach dem man bei einem Schutzgas-Schweißgerät (MIG/MAG) den Schweißdraht zuführt.

Als Wärmequellen sind u. a. Gasbrenner, elektrische Widerstandsheizung, Induktionsspulen, Elektronen­ strahl- und Laserquellen möglich. Die Wärme kann da­ bei je nach Heizverfahren direkt in den aufzuschäumen­ den Rohling oder indirekt, d. h. über das Gehäuse der Schäumzelle, eingebracht werden. Die Beschaffenheit des Gehäuses der Schäumzelle und insbesondere die optimale Lage, Richtung und Durchmesser der Aus­ trittsöffnung(en) sind dabei neben allgemeinen kon­ struktiven Gesichtspunkten insbesondere auch von der Art der Wärmequelle abhängig.

Die Größe des erzeugten Schaum-Volumenstromes läßt sich an die werkstückseitig gegebenen Randbedin­ gungen so anpassen, daß man trotz der Instabilität der flüssigen Metallschäume besser reproduzierbare Werk­ stücke als bei den bekannten Herstellungsverfahren er­ zielen kann. Hohlräume werden beispielsweise mit einer gewissen Geschwindigkeit so ausgeschäumt, daß durch die eingebrachte Wärme der bereits vorhandene Schaum nicht geschädigt wird, dieser aber trotzdem noch warm genug ist um eine gute Verbindung mit dem neu eingebrachten Schaum einzugehen. Die Vorgehens­ weise ähnelt der Prozeßführung beim Schweißen. Der Schaum-Volumenstrom läßt sich dabei über eine ggf. kombinierte Einstellung der Parameter Heizleistung, Austrittsquerschnitt und Vorschubskraft bzw. Vor­ schubsgeschwindigkeit der Rohmaterial-Zufuhr beein­ flussen.

Die Erzeugung und das Einbringen des Metallschau­ mes mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Schäum­ zelle) kann dabei unter einer Schutzgas-Atmosphäre er­ folgen, um die Entstehung störender Oxidschichten zu vermeiden. Auch der Einsatz von aus der Löttechnik bekannten Flußmitteln zur Vermeidung oder Beseiti­ gung störender Oxidschichten ist möglich.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung (Schäumzelle) kann weiterführend an der Spitze einer stabartigen, ggf. gebogenen Einrichtung ("Schäumlanze") angebracht sein, mit deren Hilfe man unzugängliche Stellen im Inne­ ren eines auszuschäumenden Werkstückes oder einer Form, ggf. auch ein zu reparierendes Metallschaumbau­ teil, erreicht. Bei dieser Anordnung geschieht die Zufuhr von aufzuschäumendem Rohmaterial, Energie und wei­ teren ggf. benötigten Medien vorteilhafterweise durch das Innere der Schäumlanze hindurch.

Zur Erzielung günstiger oder gleichmäßiger Eigen­ schaften des produzierten Metallschaums kann die Vor­ richtung mit einer Einrichtung zur Steuerung und/oder Regelung einer oder mehrerer Prozeßparameter (z. B. Druck Temperatur, Durchfluß, in der Schmelze gelöste Gasmenge) ausgestattet sein. Der Druck im Inneren der Schäumzelle kann dabei insbesondere durch Änderung der Vorschubkraft am zugeführten Rohmaterial und/ oder durch Änderung des Druckes eines zugeführten Treibgases bzw. Treibmittels und/oder durch Änderung von Auslaß- oder Düsenquerschnitten an den Austritts­ öffnungen der Schäumzelle beeinflußt werden.

Der von der Schäumzelle produzierte Metallschaum kann nun in eine Form oder in einen (u. U. nur teilweise) auszufüllenden Hohlkörper gefüllt bzw. auf eine Ober­ fläche aufgetragen werden. Um eine gute Verbindung zu einem Grund- (Mantel-, Basis- oder bereits erzeug­ ten Schaum-) Material zu erhalten, ist dieses ggf. zusätz­ lich zu erwärmen. Zur Verarbeitung des Metallschaums kann die Schaum produzierende Schäumzelle oder auch die auszuschäumende Werkstückform selbst in Abhän­ gigkeit der aktuell produzierten Schaummenge in geeig­ neter Weise in einer u. U. mehrdimensionalen Bewe­ gung geführt werden, um die gewünschte Schaumver­ teilung, z. B. das vollständige Ausfüllen eines Hohlkör­ pers mit Metallschaum, zu gewährleisten. Dazu geht man meist "von unten nach oben" vor (also z. B. an ei­ nem stehenden Hohlkörper) und stellt die aktuell produ­ zierte Schaummenge sowie die Temperatur so ein, daß der Schaum z. B. den Hohlkörper einerseits in ausrei­ chender Weise ausfüllt und andererseits schnell genug abkühlt, um nicht durch anschließend darüber gelegte Schichten wieder zerstört zu werden.

Die Ausführung der Bewegung der Schäumzelle bzw. der Form kann von einer mechanischen Vorrichtung (z. B. Lineareinheit, 3-Achs-Einheit, Drehtisch) oder ma­ nuell bewirkt werden. Zur optimalen Durchführung des gesamten Schäum-Prozesses kann eine Steuerung und/ oder Regelungseinrichtung vorgesehen werden, die ei­ nerseits den Schaumverarbeitungs-Prozeß (z. B. die Be­ wegung der Schäumzelle) und andererseits die Schaum­ produktion in der Schäumzelle selbst (z. B. über Vorga­ be optimaler Schäum-Parameter an die oben erwähnte, unterlagerte Regelungs- oder Steuerungseinrichtung) koppelt oder beeinflußt.

In einer letzten Variante des Verfahrens kann eine wie oben beschriebene Schäumzelle auch dazu verwen­ det werden, flüssigen Metallschaum für einen Metall­ schaum-Strangguß-Prozeß, z. B. zur Herstellung langer Metallschaum-Profilkörper, zu liefern. Der von der Schäumzelle erzeugte Metallschaum kann hierbei in ei­ ne Form treten, welche ganz oder in Teilen bezüglich der Schäumzelle bewegt wird.

Beispiel 1

Beispielhaft für eine Anwendung ist in Fig. 1 das Aus­ schäumen eines stehenden Hohlkörpers (10) dargestellt, wobei die Schäumzelle (30), der das aufzuschäumende Material (1) von oben zugeführt wird, mittels einer Lan­ ze (50) in den Hohlkörper eingeführt wird. Die Vorrich­ tung wird hierbei durch eine vertikale Bewegung der Lanze (oder des Hohlkörpers) im notwendigen Abstand zur Oberfläche des bereits erzeugten Metallschaums (5) gehalten. Je nach Querschnittsfläche des Hohlkörpers kann zusätzlich eine horizontale Bewegung erfolgen, um ein vollständiges Ausfüllen des Hohlprofiles mit Me­ tallschaum zu gewährleisten. Eine ggf. an der Schäum­ zelle angebrachte Blende kann die Schaumverteilung unterstützen.

Beispiel 2

Als zweites Anwendungs-Beispiel ist in Fig. 2 das Auftragen eines Metallschaums auf eine Oberfläche des Körpers (11) dargestellt, wobei auch hier eine räumliche Bahnkurve möglich ist, um z. B. weitere Metallschaum- Schichten bis zu einer vorgegebenen Höhe aufzutragen. Wie im vorangehenden Beispiel wird das aufzuschäu­ mende Material (1) von oben in die Schäumzelle zuge­ führt und in dieser bis zur Schaumbildungs-Temperatur erwärmt.

Beispiele 3-6

In den Beispielen 3-6 (entsprechend den Abbildun­ gen in den Fig. 3-6) sind einige mögliche Aufbau-Vari­ anten der eigentlichen Schäumzelle (30) skizziert. In den Beispielen 3 und 4 erfolgt die Erwärmung über eine elektrische Widerstandsheizung (32a bzw. 32b), wobei in Beispiel 3 eine direkte Erwärmung des aufzuschäumen­ den Materials (1) erfolgt und die Ummantelung aus iso­ lierendem Material besteht. In Beispiel 4 wird das aufzu­ schäumende Material (1) indirekt an der Austrittsöff­ nung erwärmt, indem für das Ummantelungs- und Dü­ senstück (33b) ein wärmeleitendes Material eingesetzt wird, welches erwärmt wird.

Die Funktionsweisen der Schäumzellen in den Bei­ spielen 5 und 6 entsprechen den Beispielen 3 und 4, mit dem Unterschied, daß hier eine induktive Erwärmung erfolgt. In Beispiel 6 muß bei der teilweise indirekten induktiven Erwärmung für die Ummantelung ein elek­ trisch leitfähiges Material eingesetzt werden.

Beispiel 7

In Fig. 7 ist eine Ausführungsvariante mit indirekter Heizung dargestellt, bei der eine sich diffusorartig ver­ größernde Austrittsöffnung der Schäumzelle schräg an­ geordnet ist. Dies hat zwei Vorteile. Einerseits ist die Positionierung des aufzuschäumenden Rohmaterials bei einer am Rohmaterial angreifenden Mindest-Vor­ schubskraft selbstregelnd, da das Rohmaterial immer so weit in die Erwärmungszone vorrückt, wie es bereits abgeschmolzen ist. Andererseits wird der in der Schäumzelle erzeugte, instabile Metallschaum nur in ge­ ringem Maße umgeformt.

Diese Abbildungen sind nicht einschränkend, sondern stellen nur einige Betspiele der möglichen Ausführungs­ arten dar. Es handelt sich im übrigen um schematische Darstellungen, in denen verschiedene für die Prozeßfüh­ rung notwendige und in der Beschreibung erläuterte Zusatzeinrichtungen weggelassen wurden, deren Not­ wendigkeit sich zwangsläufig aus den Anforderungen des jeweiligen Herstellungsprozesses und den spezifi­ schen Eigenschaften der verarbeiteten Rohlinge und des Materials aus dem diese Rohlinge gefertigt wurden, er­ gibt. Solche Zusatzeinrichtungen sind z. B. Einrichtun­ gen zur kontinuierlichen oder gestückelten Zuführung des aufzuschäumenden Materials, zur Dosierung von Treib- und Schutzgasen, zur Regelung, zur Bewegung der Schäumzelle, Isolierungen, sowie Kühl- und/oder Nachwärmvorrichtungen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung von Metallschaum (5) aus einem aufschäumbaren metallhaltigen Rohmaterial und einem bei Erhitzen wirksam werdenden Treibmittel, insbesondere aus einem an sich bekannten kompaktierten Gemisch aus Metallpulver und Treibmittelpulver, unter Erhitzen auf mindestens die Schmelz- oder Schaumbildungstemperatur des Rohmaterials und Treibmittels, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
Das aufschäumbare Rohmaterial (1) wird kontinuierlich, auch gestückelt, in Gestalt eines Drahtes oder einer Stange einer Vorrichtung oder Schäumzelle (30) zugeführt, in der Kammer dieser aus jeweils mindestens einer Kammer, einer Heizeinrichtung (32a, 32b, 32c, 32d, 32e), einer Austrittsöffnung für den erzeugten Metallschaum bzw. die Schmelze sowie einer Einrichtung zur Zuführung des aufzuschäumenden Rohmaterials bestehenden Schäumzelle (30) mittels der Heizeinrichtung mindestens bis zur Schaumbildungstemperatur bzw. Schmelztemperatur in der Weise erhitzt, daß der Metallschaum im Innern der Vorrichtung (30) entsteht und flüssig durch eine der Austrittsöffnungen der Vorrichtung (30) austritt, oder im Innern der Vorrichtung (30) Schmelze entsteht und der Metallschaum bei Austritt der Schmelze durch eine der Austrittsöffnungen der Vorrichtung (30) entsteht und in beiden Fällen der erzeugte Schaum- Volumenstrom beeinflußbar und an die werkstückseitig gegebenen Randbedingungen anpaßbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung (Schäumzelle) (30) ein Druck vorliegt, der hoch genug ist, daß der Metallschaum erst bei Austritt der Schmelze durch eine der Austrittsöffnungen der Vorrichtung entsteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum-Volumenstrom in einen Hohlkörper (10) oder Form gefüllt oder auf der Oberfläche eines Körpers (11) aufgetragen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausschäumen eines Hohlkörpers (10) die Schäumzelle (30) mittels einer Schäumlanze (50) in den Hohlkörper (10) eingeführt, und die Schäumzelle (30) durch vertikale Bewegung der Schäumlanze (50) oder des Hohlkörpers (10) im notwendigen Abstand zur Oberfläche des bereits erzeugten im Hohlkörper befindlichen Metallschaums (5) gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung und das Einbringen des Metallschaumes unter einer Schutzgas-Atmosphäre erfolgt, um die Entstehung störender Oxidschichten zu vermeiden.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erzeugung und dem Einbringen von Metallschaum zur Vermeidung und Beseitigung störender Oxidschichten ein Flussmittel eingesetzt wird.

7. Vorrichtung zur Herstellung von Metallschaum (5) nach Anspruch 1, mit einer Kammer der Schäumzelle (30) zur Aufnahme eines aufzuschäumenden Rohmaterials (1) und eines Treibmittels, welche dieser Kammer von aussen zuführbar sind, und mit mindestens einer Heizeinrichtung (32a, 32b, 32c, 32d, 32e) zur Erhitzung des aufschäumbaren Rohmaterials (1) in der Kammer der Schäumzelle (30) mindestens bis zur Schaumbildungstemperatur bzw. Schmelztemperatur des aufschäumbaren Rohmaterials (1), und mit mindestens einer Austrittsöffnung, durch die der erzeugte Metallschaum als Schmelze austritt, dadurch gekennzeichnet, dass eine solche Austrittsöffnung einen variablen Querschnitt aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung der Schäumzelle (30) einen sich in der Förderrichtung der Schmelze diffusorartig vergrößernden Querschnitt aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung der Schäumzelle (30) schräg angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schäumzelle (30) an der Spitze einer stabartigen, gegebenenfalls gebogenen Schäumlanze (50) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des aufzuschäumenden Rohmaterials (1) und von Energie zur Schäumzelle (30) durch das Innere der Schäumlanze (50) hindurch geschieht.