DE19859933C2 - Verfahren zum Fügen eines Werkstückes aus Metallschaum - Google Patents

Verfahren zum Fügen eines Werkstückes aus Metallschaum

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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Fügen eines Werkstückes aus zellularem Werkstoff mit einem gleichartigen Werkstück oder einem Werkstück aus massivem Material, die entlang eines Fügebereiches miteinander in Kontakt gebracht werden und unter Zufuhr thermischer Energie lokal innerhalb des Fügebereiches miteinander verschweißt werden.
Stand der Technik
Zellulare Werkstoffe, vor allem Metallschäume, gelten derzeit als zukunftsträchtige Leichtbauwerkstoffe mit einem breitgefächerten Anwendungsgebiet, zumal sie hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften, Gewicht, Härte und Flexibilität herkömmlichen Faserverbundwerkstoffen sowie massiven Leichtmetallen weitaus überlegen sind. Erste Anstrengungen wurden bereits erfolgreich unternommen, Metallschäume, und unter ihnen allen voran Aluminiumschäume, im Fahrzeugbau gezielt einzusetzen.
Metallschäume können in verschiedenen Herstellverfahren, beispielsweise mittels schmelz- sowie pulvermetallurgischen Abscheide- sowie Sputtertechniken gewonnen werden. Beim pulvermetallurgischen Verfahren wird durch Mischen eines Metallpulvers, beispielsweise pulverisiertes Aluminium, mit einem Treibmittel, beispielsweise Metallhydrid, ein Ausgangsmaterial hergestellt, das nach anschließendem axialen Heißpressen oder Strangpressen zu einem vorgefertigten Halbzeug verdichtet wird, das durch entsprechendes Umformen an ein jeweiliges Endprodukt formgetreu angepaßt werden kann und durch entsprechendes Erwärmen bis knapp über die Schmelztemperatur des Metalls regelrecht aufgeschäumt wird. Das in dem Halbzeug enthaltene Treibmittel, für das typischerweise Titanhydrid verwendet wird, zersetzt sich bei Erwärmung und spaltet Wasserstoffgas ab. Der gasförmig entstehende Wasserstoff führt als Treibgas in der Metallschmelze zur entsprechenden Porenbildung. Die durch die Poren gebildete Porosität des Metallschaums kann dabei über die Dauer des Aufschäumvorgangs gezielt eingestellt werden.
Metallschäume besitzen daher eine geschlossenporige Struktur und zeichnen sich insbesondere durch ihre sehr geringen Dichten aus, die typischerweise etwa 10% der Materialdichten eines Massivmaterials betragen. Darüber hinaus zeigen Metallschäume gute Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften, so daß sie durch die hohe spezifische Festigkeit zu vielfältigen Anwendungen im Leichtbau prädestiniert sind.
So werden, wie vorstehend bereits erwähnt, Metallschäume im Fahrzeugbau eingesetzt und finden bei der Herstellung, insbesondere von Motorhauben, Kofferraumdeckeln und Schiebedächern, ihre Einsatzbereiche. Ferner können Bodenstrukturen im Fahrzeugbau in Art von Sandwich-Strukturen mit Metallschäumen realisiert werden. Auch können aufgrund der guten Energieabsorptionseigenschaften sowie des vorteilhaften Knickverhaltens Stoßstangen, Crash- und Hohlkörper mit Metallschäumen ausgeschäumt und dadurch versteift werden. Auch in der Luft- und Raumfahrt eignen sich Metallschäume z. B. als Werkstoffe für Bodenplatten und Trennwände.
Um den Einsatzbereich von Metallschäumen zu vergrößern sowie dem industriellen Anforderungsspektrum gerecht zu werden, bedarf es neben speziell neuartiger Verarbeitungstechniken bei der Herstellung derartiger Metallschäume auch einer zuverlässigen Fügetechnik, mit der Baugruppen, bestehend aus Metallschäumen, miteinander verfügt werden können.
Aufgrund der hohen Porosität können Metallschäume oder allgemein, zellulare Werkstoffe, nicht mit konventionellen Schweißverfahren gefügt werden, zumal sich aufgrund der sehr hohen Energieeinträge in das poröse Material der Schweißprozeß nur sehr schwer kontrollieren läßt, zumal der hohe Energieeintrag innerhalb des porösen Fügebereiches zu starkem Abschmelzen des Metallschaumes führt, ohne dabei die Fügepartner zu verbinden. Neben alternativen Klebetechniken kommt insbesondere dem Laserstrahlschweißen eine wesentliche Bedeutung zu. In der Novemberausgabe 1998 der Zeitschrift "Bänder, Bleche, Rohre" auf den Seiten 42 bis 45, ist die Technik des Laserstrahlschweißens von Metallschäumen beschrieben. Beim lasergestützten Fügen zellularer Materialien, insbesondere Metallschäumen, kommt es zu einem Zusammenbruch der Schaumstruktur beim Phasenübergang fest-flüssig, da das Treibmittel nach dem Aufschäumen nur noch als metallischer Rest vorliegt und seine ursprüngliche Funktion nicht mehr einnehmen kann. Der durch den Schaumzusammenfall entstandene Volumenschwund kann jedoch durch ein massives Zuführen von drahtförmigen Schweißzusatzwerkstoff ausgeglichen werden. Als Resultat ergibt sich eine Fügeverbindung, die im Falle zweier aneinandergrenzender Metallschaumwerkstoffe durch eine massive Schweißnaht ausgebildet ist. Zwar sind auf diese Weise dauerhafte Fügeverbindungen zwischen Metallschaumwerkstoffen realisierbar, doch weist der Fügebereich hohe physikalische Eigenschaftsgradienten auf zumal die Schweißnaht aus massivem Material besteht, an die beidseitig die aus Metallschaum bestehenden Werkstücke angrenzen. Insbesondere in Einsatzbereichen, bei denen derartig gefügte Werkstücke äußeren mechanischen Belastungen, beispielsweise Vibrationen ausgesetzt sind, kann durch die Fügeverbindung eine Sollbruchstelle vorgegeben sein, entlang der die miteinander verfügten Werkstücke auseinanderbrechen können.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Fügen eines Werkstückes aus Metallschaum bzw. zellularem Werkstoff mit einem gleichartigen Werkstück oder einem Werkstück aus massivem Material, die entlang eines Fügebereiches miteinander in Kontakt gebracht werden und unter Zufuhr thermischer Energie lokal innerhalb des Fügebereiches miteinander verschweißt werden, derart weiterzubilden, daß eine Fügeverbindung hergestellt werden soll, die einen möglichst geringen physikalischen Eigenschaftsgradienten aufweist, so daß die Fügeverbindung auch mechanischen Belastungen langzeitstabil standhalten kann. Durch die neuartige Fügetechnik soll es insbesondere möglich sein, hochkomplexe Strukturen und Baugruppen aus zellularen Werkstoffen, vorzugsweise Metallschaum, miteinander dauerhaft zu verbinden.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch ausgebildet, daß neben dem lokalen thermischen Energieeintrag innerhalb des Fügebereichs ein Treibmittel derart zugeführt oder vorgesehen wird, daß sich in der durch das lokale Erhitzen des Materials ausbildenden Schmelze Blasen bilden, die nach Erstarren der Schmelze zu einer Porosität innerhalb des Fügebereichs führen.
In Abkehr zu der bekannten Vorgehensweise, vorzugsweise mittels Laserstrahlen als thermische Energiequelle, zwei aus Metallschäumen bestehende Werkstücke unter Verwendung eines massiven Zusatzmaterials zu verschweißen, sieht die Erfindung vielmehr vor, auf massives Zusatzmaterial als solches zu verzichten und die aufgeschmolzenen Metallschaumbereiche dadurch an einem massivem Verfestigen zu hindern, indem zusätzlich zur lokalen thermischen Erhitzung, vorzugsweise mittels Laserstrahl, innerhalb des erwärmten Fügebereiches ein Treibmittel vorgesehen wird bzw. zugesetzt wird, das innerhalb des aufgeschmolzenen Materials Blasen hervorruft, die auch nach Erstarren als Poren innerhalb des Werkstückmaterials verbleiben und somit zu einer Porosität führen, die möglichst nahe der Porosität der Metallschäume sein soll. Auf diese Weise wird eine Fügeverbindung, insbesondere zwischen zwei aneinander grenzenden Metallschaumwerkstücken geschaffen, die keinen bzw. einen nur sehr geringen physikalischen Eigenschaftsgradienten aufweist.
Die gezielte Zufuhr eines Treibmittels in die lokal erhitzte Stelle des Fügebereiches, in der sich kurzfristig eine Schmelze ausbildet, kann grundsätzlich mit Hilfe eines gerichtet zugeführten Prozeßgasstromes in den Schmelzbereich realisiert werden, beispielsweise durch gezielte Zufuhr von Wasserstoffgas. Alternativ kann ein Treibmittel innerhalb eines im Fügebereiches vorgesehenen Zusatzwerkstoffes vorgesehen sein, das bei lokaler Erwärmung unter Freisetzung von Treibgas die gewünschten Blasen freisetzt und zur Porenbildung führt.
Im Falle der gezielten Treibgaszuführung an die lokale Schweißstelle innerhalb des Fügebereiches eignet sich vorzugsweise Wasserstoff, der zur Blasenbildung in den aufgeschmolzenen Bereich eingebracht wird. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, zirkular um den Wasserstoffgasstrom einen Mantelstrom aus Helium an die Schweißstelle zuzuführen, um auf diese Weise zum einen die durch den Laserstrahl gebildete Schmelze gegen die umgebende Atmosphäre zu schützen und zum anderen das am Auftreffort des Laserstrahls innerhalb des Fügebereiches entstehende laserinduzierte Plasma lokal abzugrenzen.
Grundsätzlich nimmt die Löslichkeit von Wasserstoff beispielsweise in einer Metallschmelze, vorzugsweise Aluminiumschmelze, mit sinkender Temperatur ab. Überdies besitzt Wasserstoffgas innerhalb der Aluminiumschmelze eine hohe Beweglichkeit und schließt sich durch Diffusion grundsätzlich zu Blasen zusammen, die abhängig von den vorherrschenden Prozeßbedingungen aus der Schmelze entgasen können. Vollzieht sich der Erstarrungsvorgang der Schmelze schneller als der Vorgang der Diffusion zur Entgasung des Wasserstoffes aus der Schmelze, so bilden sich innerhalb der Schweißnaht die erwünschten Poren aus und führen bei entsprechenden Prozeßparametern zur beabsichtigten Porosität innerhalb des Fügebereiches. Da der Laserstrahl zusammen mit der Gaszufuhr über den Fügebereich mit einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit bewegt wird, ist diese derart zu wählen, daß zum einen der in die Schmelze eingebrachte Wasserstoff genügend Zeit hat, sich im Wege der Diffusion zu Blasen zu vereinigen, jedoch der Erstarrungsvorgang schnell genug zu erfolgen hat, so daß die sich gebildeten Wasserstoffblasen nicht aus dem Material ausgasen können.
Im anderen Fall kann die Porosität auch ohne die vorstehend beschriebene Prozeßgaszuführung erfolgen, indem innerhalb des Fügebereiches vor Durchführung des Schweißprozesses ein Treibmittel vorgesehen ist, das durch entsprechendes Aufschmelzen Treibgase freisetzt, die zur gewünschten Porenbildung führen.
Besonders bevorzugte Zusatzmaterialien sind Metallhydride, beispielsweise Titanhydrid, die auch als Treibmittel bei der Metallschaumherstellung verwendet werden. Die beispielsweise vollständig aus Metallhydriden geformten Zusatzmaterialien können durch Kaltpressen zu beliebigen Geometrien geformt und an die individuelle räumliche Kontur des Fügebereiches angepaßt werden. Es ist dabei darauf zu achten, daß das Treibmittel innerhalb des Zusatzmaterials möglichst gleichmäßig über die gesamte Tiefe des Fügebereiches vorgesehen wird, um eine möglichst gleichmäßige Durchmischung der Schmelze mit Treibgasen zu erzielen. Durch die nachträgliche lokale Erhitzung des Zusatzmaterials innerhalb des Fügebereiches zwischen den zu verfügenden Werkstücken spaltet sich Wasserstoff von den Metallhydriden ab und bildet als Treibgas in der Schmelze kleine Hohlräume, die nach Erstarren zu Poren führen und die gewünschte Porosität bilden.
Selbstverständlich können auch Verfahrenskombinationen zwischen beiden vorstehend beschriebenen Verfahrensvarianten gewählt werden, indem zusätzlich zur Verwendung von mit Treibmitteln versehenen Zusatzmaterialien ein gezielt auf den Fügebereich gerichteter Prozeßgasstrom eingesetzt wird.
Auch ist es mit den erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Werkstücke aus zellularem Werkstoff mit Massivwerkstücken zu verbinden, so daß der Übergang von Massivmaterial zum zellularen Werkstoff graduell, d. h. mit möglichst geringen Eigenschaftsgradienten, erfolgt. Dies kann erreicht werden, indem zusätzlich zu einem Laserstrahl, der innerhalb des Fügebereiches auf das Werkstück aus Massivmaterial gerichtet ist und dieses lokal erwärmt, in den Schmelzbereich vorzugsweise Wasserstoffgas als Prozeßgas zugeführt wird, so daß sich in der Schmelze Poren bilden. So ist es beispielsweise möglich, Kombinationen aus Aluminiumschaum und Aluminiummassivmaterial miteinander in feste Verbindung zu bringen.
Grundsätzlich wird auch darauf hingewiesen, neben dem vorstehend erwähnten Laserstrahl zur lokalen Erwärmung der Fügematerialien auch anderweitige, fokussierbare Energiestrahlen zu verwenden, wie beispielsweise Elektronenstrahlen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Darstellung zur Prozeßgaszuführung von Wasserstoff und Helium auf ein Werkstück,
Fig. 2 Darstellung zum Fügen zweier Werkstücke aus Metallschaum unter Verwendung von Zusatzmaterial, sowie
Fig. 3 Darstellung zum Fügen eines Werkstückes aus Massivmaterial und eines Werkstückes aus Metallschaum.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zum Fügen von Metallschaumwerkstücken 1 mit einer Prozeßgaszuführung dargestellt. Das im Schnitt dargestellte Werkstück 1 wird im Fügebereich mit Hilfe eines Laserstrahls 2 lokal erhitzt, so daß im erhitzten Fügebereich ein laserstrahlinduziertes Plasma 3 entsteht, in dem das Metall des Werkstückes 1 aufgeschmolzen wird.
Zusätzlich ist eine Kern-Mantel-Düse 4 vorgesehen, die einen inneren Kanal 5 aufweist, der von einem äußeren Mantelkanal 6 umgeben ist. Durch den Kernkanal 5 wird Wasserstoff, durch den Mantelkanal 6 wird Helium zugeführt. Am Austrittsort der Kern-Mantel-Düse 4 gelangt der gasförmige Wasserstoff in das Metallschmelzbad am Ort des laserstrahlinduzierten Plasmas 3 und schäumt die Schmelze regelrecht auf. Der den Wasserstoffstrahl umgebende Heliummantelstrom dient zur Plasmaabgrenzung und zum Schutz der Schmelze gegen die umgebende Atmosphäre. Die Kern-Mantel-Düse 4 sowie der Laserstrahl 2 wird in einer Vorzugsrichtung und mit einer Vorschubgeschwindigkeit vS über das Werkstück innerhalb des Fügebereiches geführt, so daß sich die innerhalb des Schmelzbades ausbildenden Wasserstoffblasen nicht ausgasen.
Bei verwendeten, aus Aluminiumschäumen bestehenden Werkstücken 1, mit Dicken zwischen 10 und 15 mm, haben sich Vorschubgeschwindigkeiten vS zwischen 1 und 10 m pro Minute als günstig erwiesen.
In Fig. 2 ist in Querschnittsdarstellung eine Fügeverbindung zwischen zwei Werkstücke 1, 1' aus Metallschaum dargestellt. In den Fügebereich beider Werkstücke 1, 1' ist ein Zusatzmaterial 7 eingebracht, in dem ein Treibmittel vorgesehen ist, vorzugsweise Metallhydrid, vorzugsweise Titanhydrid. Ein Laserstrahl 2, der bevorzugt auf das Zusatzmaterial 7 gerichtet ist, schmelzt dieses auf, wodurch das Treibmittel innerhalb der Schmelze freigesetzt wird, so daß durch Abspalten von Wasserstoffgas aus dem Metallhydrid in der sich ausbildenden Schmelze Blasen entstehen. Im Fall der Fig. 2 trifft der Laserstrahl 2 nahezu senkrecht auf das doppel-T-förmige Zusatzmaterial 7, wodurch dieses schnell aufgeschmolzen wird.
Ferner ist es möglich, beispielsweise die in Fig. 3 dargestellte Kombination aus einem Metallschaumwerkstück 1 und einem Massivwerkstück 1" miteinander zu verfügen. Hierzu wird der Laserstrahl 2 auf die Kante des Massivmaterials 1" fokussiert, so daß sich eine Dampfkapillare ausbilden kann und das Massivmaterial auch in der Tiefe aufgeschmolzen wird. Durch gezielte Wasserstoffgaszufuhr kann dieser aufgeschmolzene Bereich aufgeschäumt werden, wodurch ein gradueller Übergang zwischen dem massiven Werkstoff 1" und dem sich daran angrenzenden Metallschaum 1 ausbilden kann. Der angrenzende Metallschaum 1 wird überdies mittels Wärmeleitung lokal aufgeschmolzen, wodurch sich eine Schweißnaht zwischen beide Fügepartner ausbildet.
Wird der Laserstrahl 1 in die Fügeebene fokussiert, so würde der hohe Energieeintrag in den Metallschaum zu einem starken Zurückschmelzen des Schaums führen, so daß kein Schweißprozeß und auch keine Verbindung zwischen den Fügepartnern zustande käme. Eine Vielzahl von Versuchen hat gezeigt, daß die Anbindung des Metallschaums 1 an das Massivmaterial 1" vom Abstand des Laserstrahls zur Fügeebene sowie auch vom Einfallswinkel des Laserstrahls auf das Massivmaterial abhängt. Der Abstand des Laserstrahls 2 von der Kante des Massivmaterials 1" ist von der Schweißkonfiguration grundsätzlich abhängig. Als günstig hat sich erwiesen, den Laserstrahl schräg auf das Massivmaterial 1" einfallen zu lassen, um die Nahtflanke parallel zur Fügeebene auszubilden.
Die Gleichmäßigkeit der sich ausbildenden Schweißnaht hängt in allen vorstehend beschriebenen Verfahrensvarianten in hohem Maß von der Homogenität der Metallschäume selbst ab. Es hat sich herausgestellt, daß die Poren im Fügebereich möglichst gleichmäßig verteilt sein sollten, da es ansonsten zu einem partiellen Zurückschmelzen des Metallschaums kommen kann und sich Löcher in der Schweißnaht bilden. Kann die Porengröße herstellungsbedingt nicht begrenzt und homogen eingestellt werden, so begünstigt eine mechanische Verdichtung des Metallschaums, die warm oder kalt erfolgen kann, im Fügebereich eine gleichmäßige Nahtausbildung.
Bezugszeichenliste
1
,
1
' Werkstück aus Metallschaum
1
" Werkstück aus Massivmaterial
2
Laserstrahl
3
laserstrahlinduziertes Plasma
4
Kern-Mantel-Düse
5
Wasserstoff-Kernkanal
6
Helium-Mantelkanal
7
Zusatzmaterial mit Treibmittel

Claims (15)

1. Verfahren zum Fügen eines Werkstückes aus zellularem Werkstoff oder aus einem Werkstoff, in dem sich regelmäßig oder unregelmäßig verteilte Hohlräume befinden (1, 1') mit einem gleichartigen Werkstück oder einem Werkstück aus massivem Material (1"), die entlang eines Fügebereiches miteinander in Kontakt gebracht werden und unter Zufuhr thermischer Energie (2) lokal innerhalb des Fügebereiches miteinander verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem lokalen thermischen Energieeintrag (2) innerhalb des Fügebereichs ein Treibmittel derart zugeführt oder vorgesehen wird, daß sich in der durch das lokale Erhitzen des Materials innerhalb des Fügebereichs ausbildenden Schmelze Blasen bilden, die nach Erstarren der Schmelze zu einer Porosität innerhalb des Fügebereichs führen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Energiezufuhr mittels eines Laserstrahls (2) oder Partikelstrahls durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel in Form eines Treibgases an den Fügebereich zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, oder dadurch gekennzeichnet, daß als Treibgas Wasserstoffgas oder ein Wasserstoff enthaltenes Trägergas verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibgas von einem Schutzgasmantel (6), vorzugsweise Helium, umgeben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel in einem Feststoffmaterial eingebracht ist, das in den lokal zu erwärmenden Fügebereich, vorzugsweise zwischen die zu verfügenden Werkstücke gebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibmittel Metallhydride, vorzugsweise Titanhydrid verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Energiezufuhr lokal innerhalb des Fügebereichs derart erfolgt, daß die Schweißstelle mit einer Vorschubgeschwindigkeit über den Fügebereich wandert, so daß einerseits die Blasen innerhalb der Schmelze nicht ausgasen und andererseits eine Blasenbildung erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Werkstücke aus Aluminiumschaum oder massivem Aluminium verwendet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verfügen zweier Werkstücke aus Aluminiumschäumen mit Dicken zwischen 10 und 15 mm eine Vorschubgeschwindigkeit zwischen 1 und 10 m/min verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die notwendige Laserstrahlleistung pro Millimeter Einschweißtiefe im Bereich von 1-1,5 kW/mm und darunter liegt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verfügen eines Werkstückes aus Massivmaterial und eines Werkstückes aus zellularem Material der Laserstrahl schräg auf das Massivmaterial fokussiert wird, vorzugsweise so, daß die Laserstrahlachse auf der Strahleintrittsseite mehr in Richtung des massiven Materials verschoben ist als an der Unterseite.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß beim Fügen von zellularen Werkstoffen miteinander der zellulare Werkstoff im Bereich der Fügekante mechanisch verdichtet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verdichtung Druck parallel zur Werkstückoberfläche ausgeübt wird und dadurch der zellulare Werkstoff im Bereich der Fügekante lokal, ohne Reduzierung der Werkstückdicke verdichtet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Verdichtung heiß oder kalt erfolgt.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1313589A1 (de) * 2000-08-26 2003-05-28 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung E.V. Verfahren zum verbinden metallischer schaumwerkstoffe
DE10049058B4 (de) * 2000-10-04 2005-07-28 Honsel Gmbh & Co Kg Herstellen von Schweißverbindungen zwischen Metallbändern, -platten, -barren und/oder -profilen
EP1500450A1 (de) * 2003-07-24 2005-01-26 Efoam S.A. Verfahren zum Verbinden eines Metallschaums mit einem metallischen Bauteil
DE102009021848A1 (de) 2009-05-19 2010-03-04 Daimler Ag Verbindungsverfahren und Bauteilanordnung

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19725177C1 (de) * 1997-06-13 1998-10-15 Emitec Emissionstechnologie Verfahren und Lotfolie zum Herstellen eines metallischen Wabenkörpers

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19725177C1 (de) * 1997-06-13 1998-10-15 Emitec Emissionstechnologie Verfahren und Lotfolie zum Herstellen eines metallischen Wabenkörpers

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DE-Lit. "Bender, Bleche, Rohre, Nr.11, 1998 S.45-45 *

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