DE19946528A1

DE19946528A1 - Verfahren zur Herstellung von 3-D-Gitterstrukturen

Info

Publication number: DE19946528A1
Application number: DE19946528A
Authority: DE
Inventors: Dieter Girlich; Juergen Schaedlich-Stubenrauch
Original assignee: M Pore GmbH
Current assignee: M Pore GmbH
Priority date: 1999-09-28
Filing date: 1999-09-28
Publication date: 2001-04-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Gitterstrukturen, insbesondere zur Herstellung von metallischen Gitterstrukturen, und Kombinationen von Gitterstrukturen mit massiven Körpergeometrien. Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt das Erzeugen einer dreidimensionalen Gitterstruktur in einem Körper aus wärmefestem Material; das DOLLAR A Ausgießen der dreidimensionalen Gitterstruktur in dem wärmefesten Material und das Entfernen des wärmefesten Materials, um die Gitterstruktur freizulegen. In dem Körper wird die dreidimensionale Gitterstruktur durch mechanisches und/oder chemisches Bearbeiten erzeugt. Durch dieses Verfahren können Gitterstrukturen mit definiertem und reproduzierbarem Aufbau hergestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Git terstrukturen, insbesondere zur Herstellung von metallischen Gitterstrukturen, und Kombinationen von Gitterstrukturen mit massiven Körpergeometrien.

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. Bei spielsweise offenbart das US-Patent 3.616.841 ein Verfahren zur Herstellung eines unlöslichen Schaummaterials mit einer vorbestimmten retikulierten Struktur. Dieses Verfahren umfaßt die Herstellung eines selbsttragenden reti kulierten Polyurethanschaums; die Herstellung einer feuerfesten Masse, indem die Hohlräume des Polyurethanschaums mit einer wässerigen Gipssuspension gefüllt werden und diese Suspension 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 feuerfesten Formmasse auf 535 bis 815°C (1000 bis 1500°F) erhöht wird, um den gesamten Schaum zu verflüchtigen; das Einbrin gen einer geschmolzenen Substanz, die aus Metallen, Metallegierungen, Ke ramiken oder Cerment besteht, in die feuerfeste Formmasse, wobei die Menge der Substanz ausreicht, um die Hohlräume zu füllen, die zuvor von der retiku lierten Struktur eingenommen wurden; das Verfestigen der geschmolzenen Substanz, indem die Temperatur so verringert wird, daß sie unter dem Schmelzpunkt der Substanz liegt; und das Auswaschen des Materials, das die feuerfeste Formmasse bildet.

Nachteil dieses Verfahrens ist, daß keine Gitternetzstrukturen mit definiertem und reproduzierbarem Aufbau hergestellt werden können. Die Struktur des selbsttragenden dreidimensionalen Polyurethanschaums bestimmt die Struktur der geschmolzenen Substanz. Die Stege und Löcher sind in dem Polyurethan schaum statistisch verteilt, so daß auch der Strukturaufbau des erhaltenen Git ternetzes statistisch ist. Demnach sind auch die Eigenschaften, die die Gitter struktur aufweist, statistisch verteilt. Überdies wird die Struktur des Schaumes durch die Anbindung der Schäume an die Wachsplatten bestimmt. Die Schaumstruktur bestimmt die technischen Parameter des Endproduktes, so daß die statistische Schwankungsbreite möglichst gering sein muß, um das Erreichen der technischen Parameter des Endproduktes gewährleisten zu können.

Das in DE 199 39 155.6 beschriebene Verfahren zur Herstellung metallischer Gitternetzstrukturen, das als nächstliegender Stand der Technik betrachtet wird, kann diesen Nachteil nicht beseitigen. Dieses Verfahren umfaßt das Ein setzen einer retikulierten Schaum-Vorstruktur in einen aufklappbaren Behälter; das Infiltrieren der Schaum-Vorstruktur mit einem feuerfesten Material; das Verfestigen des feuerfesten Materials; die Entnahme des verfestigten feuerfe sten Materials aus dem aufklappbaren Behälter; das Entfernen der Schaum- Vorstruktur aus dem feuerfesten Material; das Einsetzen des resultierenden, vorgewärmten Körpers in einen hitzebeständigen Behälter; das Infiltrieren des Körpers mit einer Metallschmelze; die Entnahme des resultierenden Körpers nach dem Erstarren der Metallschmelze und Entfernen des feuerfesten Materi als. Da zur Herstellung der Schaum-Vorstruktur keine Wachsplatten mehr be nötigt werden, können mehrere Fehlerquellen ausgeschlossen werden, die ei nen unzureichenden Ausguß der Stege und Löcher der Schaum-Vorstruktur mit dem feuerfesten Material bedingen. Auch wenn es durch die Anwendung die ses Verfahrens möglich ist, eine bessere Nutzung der Stege und Löcher der Schaum-Vorstruktur zu erreichen, ist es jedoch aufgrund der Verwendung von Polyurethanschaum zur Bildung der Schaum-Vorstruktur ebenfalls nicht mög lich, einen definierten und reproduzierbaren Aufbau von Gitternetzstrukturen zu erhalten.

Unter Verwendung der bisherigen Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Gitterstrukturen können definierte und reproduzierbare dreidimensionale Gitter strukturen mit Anbindung an massive Körpergeometrien bei strenger Betrach tungsweise nicht realisiert werden. Streckmetalle erreichen zwar große Abmes sungen, weisen aber nur eine geringe Höhe im Zentimeterbereich auf.

Es ist daher Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Dabei steht die Aufgabe, ein Verfah ren zur Herstellung definierter und reproduzierbarer dreidimensionaler Gitter strukturen zu schaffen, mit dem es möglich ist, große Stückzahlen und große Abmessungen bei kurzen Prozeßzeiten zu realisieren.

Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren zur Herstellung dreidimensio naler Gitterstrukturen gelöst, das folgende Schritte umfaßt:

a) Erzeugen einer dreidimensionalen Gitterstruktur in einem Körper aus wär mefestem Material;
b) Ausgießen der dreidimensionalen Gitterstruktur in dem wärmefesten Mate rial und
c) Entfernen des wärmefesten Materials.

Durch das direkte Erzeugen der dreidimensionalen Gitterstruktur in dem Körper aus wärmefestem Material kann auf die Verwendung einer Schaum-Vorstruktur mit einer statistischen Verteilung der Stege und Löcher verzichtet werden. Auf diese Weise wird im Vergleich zu den Verfahren des Standes der Technik eine große Zahl von Verfahrensschritten eingespart und so eine deutliche Verringe rung der Kosten für die Herstellung von dreidimensionalen Gitterstrukturen er zielt.

Der in Schritt a) genannte Körper, der die dreidimensionale Gitterstruktur ent hält, kann durch verschiedene Methoden gebildet werden. In einer Ausführung der Erfindung wird dieser Körper, der aus dem wärmefesten Material besteht, aus Platten zusammengesetzt, die die dreidimensionale Struktur enthalten. Durch das Zusammensetzen der Platten, beispielsweise indem diese aufeinan der gestapelt werden, können beliebig große Körper hergestellt werden. Die dreidimensionale Struktur in dem Körper aus wärmefestem Material wird dabei durch mechanische und/oder chemische Bearbeitung des Körpers erzeugt. Geeignete Verfahren zur mechanischen Bearbeitung des Körpers umfassen beispielsweise Fräsen, Bohren und Schneiden, geeignete Verfahren zur chemi schen Bearbeitung des Körpers umfassen beispielsweise Ätzen. Die durch die Bearbeitung in dem Körper aus wärmefestem Material erhaltene Gitterstruktur kann geometrisch beliebig geformt sein. Aufgrund des Einsatzes dieser Bear beitungsverfahren zur Herstellung der Gitterstruktur ist es möglich, definierte und reproduzierbare Vorstrukturen zu erhalten, die anschließend mit einem schmelzbaren Material, vorzugsweise Metallen ausgegossen werden.

Alternativ kann der Körper aus nicht strukturierten Platten, die aus dem wär mefesten Material bestehen, zusammengesetzt werden, wobei im Anschluß daran die dreidimensionale Struktur in dem Körper erzeugt wird. Dazu können die vorstehend aufgeführten Bearbeitungsverfahren wie beispielsweise Bohren verwendet werden.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird der Körper, der aus dem wär mefesten Material besteht, durch

a) Erzeugen einer dreidimensionalen Gitterstruktur in einem Vorkörper, der als Negativ-Matrize dient;
b) Abformen der Matrize, um einen Positivabdruck zu erzeugen;
c) Ausgießen des Positivabdrucks mit einem wärmefesten Material, um die dreidimensionale Gitterstruktur zu reproduzieren und ein Segment mit einer dreidimensionalen Gitterstruktur zu erhalten; und
d) Zusammenfügen von mehreren, in Schritt cc) erhaltenen Segmenten

hergestellt. Als Abformmittel in Schritt bb) wird vorzugsweise Silikon verwendet. Diese Methode zur Herstellung des Körpers, der die dreidimensionale Gitter strukur enthält, bietet den Vorteil, daß die in Schritt bb) gebildete Matrize belie big oft mit dem wärmefesten Material abgeformt werden kann. Die dreidimen sionale Gitterstruktur in dem Vorkörper in Schritt aa) wird durch die oben auf geführten Bearbeitungsverfahren wie beispielsweise Fräsen erzeugt. Bei dem Vorkörper handelt es sich vorzugsweise um einen Metallblock, bevorzugt einen Aluminiumblock.

Im Anschluß an die Herstellung der dreidimensionalen Gitterstruktur in dem Körper wird dieser in einen Behälter eingebracht und eine Schmelze durch mindestens eine Öffnung des Behälters eingegossen. Die Schmelze fließt in die Hohlräume des feuerfesten Materials und reproduziert exakt die ursprüngliche Vorstruktur. Nach dem Entfernen des feuerfesten Materials wird die dreidimen sionale Gitterstruktur erhalten, die einen definierten und reproduzierbaren Auf bau hat. Im Anschluß daran wird die Gitterstruktur gereinigt und gegebenenfalls deren Oberfläche modifiziert.

Durch Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens können Gitterstrukturen mit definiertem und reproduzierbarem Aufbau hergestellt werden. Durch die Ein sparung einer großen Zahl von Verfahrensschritten, da keine Schaum- Vorstruktur verwendet werden muß, ist es möglich, den technischen Aufwand zur Herstellung derartiger Strukturen deutlich zu verringern und damit die Wirt schaftlichkeit derartiger Verfahren zu erhöhen. Überdies werden durch den Verzicht auf den ausbrennbaren Modellstoff große Abfallmengen vermieden.

Die erfindungsgemäß hergestellten Gitterstrukturen können mechanisch als Leichtbauelement oder biegesteife Strukturen, im Materialaustausch als Filter, Mischer und Katalysator sowie im Energieaustausch als Wärmetauscher vor teilhafte Anwendungen finden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Die Fig. 1 bis 4 veranschaulichen eine Ausführung des Verfahrens der vor liegenden Erfindung unter Verwendung eines Körpers, der aus einzelnen Plat ten zusammengesetzt wird.

Zuerst wird der Körper 1 aus wärmefestem Material geformt (Fig. 1); danach wird er mit Kanälen 2 versehen, die innerhalb des Körpers 1 die dreidimensio nale Struktur erzeugen (Fig. 2). Diese Struktur kann durch mechanische oder chemische Verfahren, wie oben erwähnt, hergestellt werden. Anschließend wird der vorgeheizte Körper 1 in einen hitzebeständigen Behälter 3 eingesetzt und die Schmelze eingefüllt (Fig. 3). Nach dem Erstarren der Schmelze wird der Körper 1 entnommen und die Gitternetzstruktur 4 durch Entfernen der wärme festen Masse freigelegt. Zudem wird die Gitternetzstruktur 4 gereinigt und ge gebenenfalls beschichtet (Fig. 4).

Diese Ausführung bietet den Vorteil, daß durch die mechanischen und/oder chemischen Verfahren zur Herstellung der Gitterstruktur in dem Körper eine metallische Gitterstruktur erhalten wird, die einen definierten und reproduzier baren Aufbau besitzt. Durch das Zusammenfügen von Platten, die aus einem wärmefesten Material bestehen, können Körper mit großen Strukturen gebildet werden.

Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen eine andere Ausführung der vorliegen den Erfindung, bei der der Körper, der die dreidimensionale Gitterstruktur ent hält, unter Verwendung einer Silikonmatrize gebildet wird. Dazu wird die Ein heitszelle 5 der gewünschten dreidimensionalen Struktur als Negativmatrize in einen Aluminiumblock gefräst (Fig. 5); anschließend wird die Matrize mit Sili kon, das als Abformmittel dient, übergossen. Die Silikonmatrize wiederum wird im nächsten Schritt mit wärmefestem Material abgeformt; dieser Schritt wird mehrmals wiederholt. Die so erhaltenen Segmente 6, die aus dem wärmefesten Material bestehen, werden aneinandergereiht in einen Behälter eingebracht und mit Schmelze übergossen (Fig. 6). Nach dem Erstarren der Schmelze wird die Gitterstruktur durch Entfernen des wärmefesten Materials freigelegt, gerei nigt und gegebenenfalls die Oberfläche der Gitterstruktur modifiziert.

Diese Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bietet den Vorteil, daß durch Herstellung eines Silikonabdruckes, der beliebig oft mit dem wärmefesten Material abgeformt werden kann, die Gitterstruktur des Silikonabdruckes mehrfach exakt reproduziert werden kann. Auf diese Weise wird die Herstellung definierter Gitterstrukturen erheblich vereinfacht.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Gitterstrukturen, da durch gekennzeichnet, daß es die Schritte:

a) Erzeugen einer dreidimensionalen Gitterstruktur in einem Körper aus wärmefestem Material;
b) Ausgießen der dreidimensionalen Gitterstruktur in dem wärmefe sten Material und
c) Entfernen des wärmefesten Materials

umfaßt.

2. Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Gitterstrukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper, der aus dem wärmefesten Material besteht, aus Platten zusammengesetzt wird, die die dreidimensionale Gitterstruktur enthalten.

3. Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Gitterstrukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper, der aus dem wärmefesten Material besteht, aus nicht strukturierten Platten zu sammengesetzt wird und anschließend die dreidimensionale Gitter struktur in dem Körper erzeugt wird.

4. Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Gitterstrukturen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dreidimensio nale Struktur in dem Körper aus wärmefestem Material durch me chanische und/oder chemische Bearbeitung des Körpers erzeugt wird.

5. Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Gitterstrukturen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dreidimensionale Struktur durch Bohren hergestellt wird.

6. Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Gitterstrukturen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dreidimensionale Struktur durch Fräsen hergestellt wird.

7. Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Gitterstrukturen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dreidimensionale Struktur durch Ätzen hergestellt wird.

8. Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Gitterstrukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper, der aus dem wärmefesten Material besteht, durch

a) Erzeugen einer dreidimensionalen Gitterstruktur in einem Vor körper, der als Negativ-Matrize dient;
b) Abformen der Matrize, um einen Positivabdruck zu erzeugen;
c) Ausgießen des Positivabdrucks mit einem wärmefesten Material, um die dreidimensionale Gitterstruktur zu reproduzieren und ein Segment mit einer dreidimensionalen Gitterstruktur zu erhalten; und
d) Zusammenfügen von mehreren, in Schritt cc) erhaltenen Seg menten

hergestellt wird.

9. Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Gitterstrukturen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dreidimensionale Struktur in dem Vorkörper aus wärmefestem Material durch mecha nische und/oder chemische Bearbeitung des Körpers erzeugt wird.

10. Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Gitterstrukturen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Abformmittel in Schritt bb) Silikon verwendet wird.

11. Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Gitterstrukturen nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt b) der die dreidimensionale Struktur aufweisende Körper in einen Behälter ein gebracht und daß eine Schmelze durch mindestens eine Öffnung des Behälters in diesen eingegossen wird.

12. Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Gitterstrukturen nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an Schritt c) die Oberfläche der erhaltenen Gitterstruktur modifiziert wird.