DE19939155A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Glitternetzstrukturen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von GlitternetzstrukturenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gitternetzstrukturen, insbesondere aus Metall, sowie eine dafür geeignete Vorrichtung. Ziel der Erfindung ist es, die Herstellung von Gitternetzstrukturen so zu vereinfachen, daß eine automatische Fertigung derselben möglich ist. Dabei steht die Aufgabe, ein Verfahren zu finden, was die Herstellung von Gitternetzstrukturen mit großen Abmessungen in großen Stückzahlen erlaubt. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß folgende Schritte abgearbeitet werden: DOLLAR A (1) Einsetzen einer retikulierten Schaum-Vorstruktur in einen aufklappbaren Behälter; (2) Infiltrieren dieser Struktur mit einem feuerfesten Material; (3) Verfestigen des Materials; (4) Entnahme des verfestigten feuerfesten Materials aus dem aufklappbaren Behälter; (5) Entfernen der Schaumvorstruktur ; (6) Einsetzen des resultierenden, vorgewärmten Körpers in einen hitzebeständigen Behälter; (7) Infiltrieren des Körpers mit einer Metallschmelze und (8) Entnahme des resultierenden Körpers nach dem Erstarren der Metallschmelze und Entfernen des feuerfesten Materials. Die Vorrichtung besteht aus einem feuerfesten Behälter, dessen Innenraum größer als der feuerfeste, vorgewärmte Körper ist.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gitternetzstrukturen,
insbesondere zur Herstellung von metallischen Gitternetzstrukturen, sowie eine
dafür geeignete Vorrichtung.
Retikuläre Strukturen aus Metall und anderen Materialien besitzen ein breites
Anwendungsgebiet. Beispielsweise können diese Strukturen als Bauteile mit
niedrigem Gewicht, Akkumulatorenplatten, elektrochemische Anoden und Ka
thoden, Filter für Fluide, Trennvorrichtungen für fluide Medien, Hitzeschilde und
für zahlreiche weitere Anwendungen verwendet werden.
Zur Herstellung derartiger Strukturen sind zahlreiche Verfahren bekannt, wobei
jedoch im allgemeinen eine automatisierte Fertigung nur schwer möglich ist.
Ursache hierfür ist, daß bei diesem Verfahren die retikulierten Schaumkörper
mit Wachsplatten verklebt werden müssen. Es ist nicht oder nur schwer mög
lich, die Klebestellen automatisiert zu fertigen. Die Klebestellen sind jedoch un
verzichtbar, da durch diese einerseits das Ausbrennen des Schaum-Vorkörpers
erfolgt und andererseits durch die so entstehenden Verbindungsstellen die
Schmelze in die Hohlräume des Schaum-Vorkörpers einfließt.
US-Patent 3.616.841, das als nächstliegender Stand der Technik betrachtet
wird, offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines unlöslichen Schaummateri
als mit einer vorbestimmten retikulierten Struktur. Dieses Verfahren umfaßt die
Herstellung eines selbsttragenden retikulierten Polyurethanschaums; die Her
stellung einer feuerfesten Masse, indem die Hohlräume des Polyurethan
schaums mit einer wässerigen Gipssuspension gefüllt werden und diese Sus
pension abbindet; das Erhitzen der feuerfesten Masse auf eine Temperatur von
etwa 120°C (250°F) über einen Zeitraum von zwei Stunden; das Erzeugen
von Hohlräumen in der feuerfesten Formmasse, indem die Temperatur der feu
erfesten Formmasse auf 535 bis 815°C (1000 bis 1500°F) erhöht wird, um
den gesamten Schaum zu verflüchtigen; das Einbringen einer geschmolzenen
Substanz, die aus Metallen, Metallegierungen, Keramiken oder Cerment be
steht, in die feuerfeste Formasse, wobei die Menge der Substanz ausreicht, um
die Hohlräume zu füllen, die zuvor von der retikulierten Struktur eingenommen
wurden; und das Verfestigen der geschmolzenen Substanz, in dem die Tempe
ratur so verringert wird, daß sie unter dem Schmelzpunkt der Substanz liegt;
und das Auswaschen des Materials, das die feuerfeste Formmasse bildet. Die
ses Verfahren weist mehrere Nachteile auf.
Das Schmelzen der Substanz, die in die feuerfeste Formmasse eingebracht
wird, erfordert insbesondere bei hochschmelzenden Metallen einen großen ap
parativen Aufwand oder ist technologisch gar nicht zu realisieren. Die Struktur
des Schaumes wird durch die Anbindung der Schäume an die Wachsplatten
bestimmt. Die Schaumstruktur bestimmt die technischen Parameter des End
produktes, so daß die statistische Schwankungsbreite möglichst gering sein
muß, um das Erreichen der technischen Parameter des Endproduktes zu ge
währleisten. Überdies ist es notwendig, um die verzweigten Hohlräume der
feuerfesten Formmasse mit einem geschmolzenen Metall zu füllen, die Form
masse auf Temperaturen zu erwärmen, die über der Schmelztemperatur der
verwendeten Substanz liegen. Das führt dazu, daß das Metall nur sehr langsam
erstarrt, wodurch das erstarrte Metall eine grobkörnige Gefügestruktur erhält,
die eine geringere Festigkeit bedingt.
Zur Lösung dieses Problems schlägt US 3.616.841 verschiedene Kühlmetho
den wie beispielsweise Besprühen mit Wasser oder Luft vor. Der Kühleffekt
wird jedoch erheblich abgeschwächt, da die Formmasse den Wärmefluß behin
dert. Auch die Herstellung massiver Metallbereiche gemeinsam mit der Gitter
netzstruktur ist mit dem Problem der sehr langsam erfolgenden Abkühlung ver
bunden. Die angegebenen Verfahrensschritte lassen eine gelenkte Erstarrung
des Metalls, um eine lunkerfreie und feinkörnige Gefügestruktur zu erhalten,
kaum bzw. nicht zu. Überdies führt die langsam verlaufende Erstarrung des
Metalls zu langen Prozeßzeiten, die einer automatisierten Fertigung ebenfalls
entgegenstehen.
Es ist daher Ziel der vorliegenden Erfindung, die Herstellung von Gitternetz
strukturen so zu vereinfachen, daß eine automatisierte Fertigung derartiger
Strukturen möglich ist. Dabei steht die Aufgabe, ein Verfahren zu finden, das
die Herstellung von Gitternetzstrukturen mit großen Abmessungen in großen
Stückzahlen erlaubt.
Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren erreicht, das folgende Schritte
umfaßt:
- 1. Einsetzen einer retikulierten Schaum-Vorstruktur in einen aufklappbaren Behälter;
- 2. Infiltrieren der Schaum-Vorstruktur mit einem feuerfesten Material; (3) Verfestigen des feuerfesten Materials;
- 3. Entnahme des verfestigten feuerfesten Materials aus dem aufklappbaren Behälter;
- 4. Entfernen der Schaum-Vorstruktur aus dem feuerfesten Material;
- 5. Einsetzen des resultierenden, vorgewärmten Körpers in einen hitzebestän digen Behälter;
- 6. Infiltrieren des Körpers mit einer Metallschmelze;
- 7. Entnahme des resultierenden Körpers nach dem Erstarren der Metall schmelze und Entfernen des feuerfesten Materials.
Zusätzlich kann sich an Schritt (1) die Modifizierung der Oberfläche der
Schaum-Vorstruktur anschließen. Vorzugsweise erfolgt dies durch Aufrauhen
oder Strukturieren der Oberfläche der Schaum-Vorstruktur. Das Einfüllen der
Metallschmelze in den hitzebeständigen Behälter (Schritt (7)) kann mittels
Druckunterstützung oder Vakuumunterstützung erfolgen. Im Anschluß an
Schritt (8) kann die erhaltene Gitternetzstruktur gereinigt und gegebenenfalls
modifiziert werden, in dem die Gitternetzstruktur beispielsweise beschichtet
wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet mehrere Vorteile. Eine Verklebung der
Schaum-Vorstruktur mit dem Eingußsystem und dem Eingußtrichter ist nicht
mehr nötig. Dadurch wird der Material- und Zeitverbrauch bei der Herstellung
der Gußform deutlich gesenkt. Des weiteren entfällt die Fehlerquelle, die mit
dem unkontrollierbaren Klebevorgang verbunden ist, da große Bereiche der
Schaum-Vorstruktur keine Anbindung zum Eingußsystem haben. Es wird nur
die Menge an feuerfesten Material benötigt, die erforderlich ist, um die Gitter
netzstruktur herzustellen. Die Schaum-Vorstruktur ragt nach der Entnahme aus
dem Formbehälter aus der feuerfesten Formmasse heraus. Hierdurch läßt sich
leicht kontrollieren, ob nach dem Verflüchtigen des Schaum-Vorkörpers alle
Stege und Zellen eine hinreichend gute Anbindung nach außen haben, um ei
nen vollständigen Abguß zu gewährleisten. Überdies bietet die Zugänglichkeit
der Schaum-Vorstrukur von allen Seiten den Vorteil, daß die feuerfeste Form
verzögerungsfrei aufgeheizt werden kann und daß der freie Zugang zu den
Stegen und Zellen der Schaum-Vorstruktur eine beschleunigte Verflüchtigung
der Schaum-Vorstruktur ermöglicht. Nach der Verflüchtigung kann ebenfalls
sehr leicht kontrolliert werden, ob genügend Stege den Zugang der Metall
schmelze zu der inneren Struktur, der "Negativform", aufrechterhalten. Da das
feuerfeste Material vorgewärmt ist, bevor es in den feuerfesten Behälter einge
legt wird, erstarrt die Metallschmelze von außen, das heißt von der kälter ge
haltenen Behälterwand, nach innen. Durch eine gezielte Temperaturführung
des Behälters und des feuerfesten Materials kann eine lunkerfreie Erstarrung
der Metallschmelze ermöglicht werden.
Der feuerfeste Behälter weist mindestens eine Öffnung zum Eingießen der
Metallschmelze in das feuerfeste Material auf. Vorzugsweise ist der Innenraum
des Behälters größer als das feuerfeste, vorgewärmte Material. Zwischen der
Behälterwand und dem Körper aus feuerfestem Material entsteht auf diese
Weise ein frei wählbarer Zwischenraum, so daß eine beliebig geformte, massi
ve Wandung an die Gitternetzstruktur angegossen werden kann. Diese Wan
dung steht in direktem Kontakt mit der Behälterwand, so daß die Erstarrungs
wärme aus dem Gießmetall direkt in die Behälterwand abgeführt werden kann
und ein feinkörniges Gußgefüge entsteht. Überdies entsteht eine optimale An
bindung der Stege der Gitternetzstruktur an die massive Wandung.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung des feuerfesten
Behälters erhaltenen Gitternetzstrukturen können in Gußteile integriert werden,
die mit verschiedenen Gießverfahren wie beispielsweise Druckguß, Kokillen
guß, Schleuderguß, Niederdruckguß oder Gegendruckguß hergestellt werden
können. Auch die Gitternetzstrukturen selbst können mittels dieser Verfahren
gegossen werden.
Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Gitternetzstrukturen unterschied
lichster Feinheit bezüglich der Stegstärken und Zellgrößen. Auch Kombinatio
nen unterschiedlicher Zellgrößen und Stegstärken in einem Körper sind mög
lich.
Das Verfahren kann kontinuierlich durchgeführt werden, da auf die in den Ver
fahren des Standes der Technik notwendigen Wachsplatten zum Verkleben der
Schaum-Vorstruktur verzichtet wird. Durch Anwendung des erfindungsgemä
ßen Verfahrens wird demnach eine automatisierte Fertigung von Gitternetz
strukturen ermöglicht.
Als Schaum-Vorstruktur kann jedes Material verwendet werden, das eine aus
reichende Anzahl von Poren aufweist. Vorzugsweise ist dieses Material Poly
urethanschaum. Als feuerfestes Material wird bevorzugt Gips eingesetzt. Die
Metallschmelze besteht aus Metallen, Metallegierungen, Keramiken bzw. Me
tallkeramiken. Es kann jedoch jedes gießbare Material verwendet werden.
Die durch die Erfindung erhaltenen metallischen Gitternetzstrukturen können
beispielsweise als Katalysatoren, zur EMV-Abschirmung und in Batterien ein
gesetzt werden. Beispielsweise wird für die Herstellung eines Katalysators zur
Verbrennungsstabilisierung von Dieselkraftstoff eine Zn/Cu-Legierung als Me
tallschmelze verwendet, mit der das feuerfeste Material gefüllt wird. In Batterien
können beispielsweise durch die Erfindung erhaltene Gitternetzstrukturen ein
gesetzt werden, die aus Aluminium bestehen, und die im Anschluß an
Schritt (8) mit Blei beschichtet werden.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung metallischer Gitternetzstrukturen, dadurch
gekennzeichnet, daß es die Schritte:
Einsetzen einer retikulierten Schaum-Vorstruktur in einen aufklappbaren Be hälter;
Infiltrieren der Schaum-Vorstruktur mit einem feuerfesten Material;
Verfestigen des feuerfesten Materials;
Entnahme des verfestigten feuerfesten Materials aus dem aufklappbaren Be hälter;
Entfernen der Schaum-Vorstruktur aus dem feuerfesten Material;
Einsetzen des resultierenden, vorgewärmten Körpers in einen hitze beständigen Behälter;
Infiltrieren des Körpers mit einer Metallschmelze;
Entnahme des resultierenden Körpers nach dem Erstarren der Metallschmelze aus dem hitzebeständigen Behälter und Entfernen des feuerfesten Materials umfaßt.
Einsetzen einer retikulierten Schaum-Vorstruktur in einen aufklappbaren Be hälter;
Infiltrieren der Schaum-Vorstruktur mit einem feuerfesten Material;
Verfestigen des feuerfesten Materials;
Entnahme des verfestigten feuerfesten Materials aus dem aufklappbaren Be hälter;
Entfernen der Schaum-Vorstruktur aus dem feuerfesten Material;
Einsetzen des resultierenden, vorgewärmten Körpers in einen hitze beständigen Behälter;
Infiltrieren des Körpers mit einer Metallschmelze;
Entnahme des resultierenden Körpers nach dem Erstarren der Metallschmelze aus dem hitzebeständigen Behälter und Entfernen des feuerfesten Materials umfaßt.
2. Verfahren zur Herstellung metallischer Gitternetzstrukturen nach An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin die Modifizierung der
Oberfläche der Schaum-Vorstruktur im Anschluß an das Einsetzen der retiku
lierten Schaum-Vorstruktur in den aufklappbaren Behälter umfaßt.
3. Verfahren zur Herstellung metallischer Gitternetzstrukturen nach An
spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenmodifizierung durch
Aufrauhung erfolgt.
4. Verfahren zur Herstellung metallischer Gitternetzstrukturen nach An
spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenmodifizierung durch
Strukturieren erfolgt.
5. Verfahren zur Herstellung metallischer Gitternetzstrukturen nach An
spruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Entnahme
des resultierenden Körpers nach dem Erstarren der Metallschmelze aus dem
hitzebeständigen Behälter und Entfernen des feuerfesten Materials die Ober
fläche der Gitternetzstruktur modifiziert wird.
6. Verfahren zur Herstellung metallischer Gitternetzstrukturen nach An
spruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Gitternetzstruktur
durch Beschichten modifiziert wird.
7. Vorrichtung zur Herstellung von Gitternetzstrukturen, dadurch ge
kennzeichnet, daß sie aus einem feuerfesten Behälter besteht, der mindestens
eine Öffnung zum Eingießen der Metallschmelze aufweist und dessen Innen
raum größer als der feuerfeste, vorgewärmte Körper ist.
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