DE19954755A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufschäumen eines metallischen Werkstoffes - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Aufschäumen eines metallischen WerkstoffesInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufschäumen eines aus mindestens einem Metallpulver und mindestens einem gasabspaltenden Treibmittelpulver bestehenden Halbzeugs, das gegebenenfalls mit zumindest einer Deckschicht verbunden wird, wobei das Halbzeug in einen Raum eingebracht und zu dessen Aufschäumen erwärmt wird. Um mit hoher Effizienz und energetisch günstig Presslinge aufschäumen zu können, wird vorgeschlagen, dass das Halbzeug durch von außen in den Raum eingekoppelte Strahlungsenergie aufgeschäumt wird.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufschäumen eines aus mindestens einem
Metallpulver und mindestens einem gasabspaltenden Treibmittelpulver bestehenden Halb
zeugs, das gegebenenfalls mit zumindest einer Deckschicht verbunden wird, wobei das
Halbzeug in einen Raum eingebracht und zu dessen Aufschäumen erwärmt wird. Ferner
bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Aufschäumen eines aus mindestens
einem Metallpulver und mindestens einem gasabspaltenden Treibmittelpulver bestehenden
Halbzeugs, das gegebenenfalls mit einer Deckschicht versehen ist, umfassend ein den
Pressling aufnehmenden von einer Wandung begrenzten Raum sowie eine Wärmequelle zur
ein Aufschäumen des Presslings bewirkenden thermischen Behandlung des Presslings in dem
Raum.
Aus der DE 44 26 627 C2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von
metallischen Verbundwerkstoffen aus einer oder mehreren Deckschichten aus massivem
Material und aus einem zwischen diesen befindlichen Kern bekannt, der durch Verdichten
einer Mischung aus mindestens einem Metallpulver und mindestens einem gasabspaltenden
Treibmittelpulver gebildet ist. Ein so gebildeter Verbund wird sodann in einen Kammerofen
bei einer Temperatur von 850°C eingebracht. Bei dieser Temperatur schäumt der Pressling
in erforderlichem Umfang auf, ohne dass die Deckschichten schmelzen.
Das Erwärmen erfolgt demzufolge durch Wärmeübertragung derart, dass zunächst der Ofen
aufgeheizt wird, damit sodann die Wärme auf den Pressling übertragen wird. Ein solches Ver
fahren ist energetisch ungünstig und führt häufig zu einer Überhitzung des Schaumes, so dass
die hergestellten Verbundwerkstoffe nicht die erforderliche Güte aufweisen. Ferner ist es
kaum möglich, in das Halbzeug gezielt Wärme derart einzuleiten, dass reproduzierbar
Bereiche des Presslings unterschiedlich aufgeschäumt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass mit hoher Effizienz und energetisch
günstig Presslinge aufgeschäumt werden können, wobei zusätzlich die Möglichkeit gegeben
sein soll, unterschiedliche Bereiche des Presslings unterschiedlich zu erwärmen bzw. gegebe
nenfalls das Aufschäumen zu beobachten, und gezielt eingreifen zu können.
Erfindungsgemäß wird das Problem im Wesentlichen dadurch gelöst, dass das Halbzeug
durch von außen in den Raum eingekoppelte Strahlungsenergie aufgeschäumt wird. Ab
weichend vom vorbekannten Stand der Technik erfolgt keine Wärmeübertragung von dem
den Pressling aufnehmenden Raum selbst, sondern von außen in den Raum eingekoppelte
Energie. Hierbei handelt es sich insbesondere um Strahlungsenergie im mittleren bzw. fernen
Infrarotbereich. Auch Strahlung im Mikrowellenbereich kommt in Frage.
Insbesondere wird der Pressling in einem Raum erwärmt, der von einer transparenten bzw.
translucenten Wandung begrenzt ist, die raumseitig mit einer gegenüber dem aufschäumbaren
Pressling und der gegebenenfalls vorhandenen Deckschicht chemisch inerten gegenüber der
eingekoppelten Strahlungsenergie durchlässigen oder im Wesentlichen durchlässigen Schutz
schicht versehen wird. Als Wandung des den Pressling aufnehmenden Raums, auf die die
Schutzschicht aufgebracht wird, kommt insbesondere Quarzglasmaterial oder solches enthal
tendes in Frage.
Als Schutzschicht kann Al2O3 und/oder Si3N4 und/oder BN und/oder SiO2/Al2O3 und/oder Mi
schungen dieser verwendet werden. Dabei kann die Schutzschicht auf die Innenflächen der
Wandung, gegebenenfalls über eine Haftvermittlerschicht, durch PVD-Verfahren aufgebracht
werden. Insbesondere Elektronenstrahlverdampfung, Magnetron-Sputtern, kathodische Licht
bogenverdampfung oder Plasmaimmersions-Ionenimplantation kommen in Frage.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass die Wand aus
gegenüber in den Raum einkoppelbarer Strahlungsenergie der Energiequelle transparent oder
zumindest translucent ist und rauminnenseitig mit einer gegenüber dem aufschäumbaren
Material chemisch inerten und gegenüber der Strahlungsenergie transparenten oder trans
lucenten Schutzschicht abgedeckt ist. Dabei ist die Wandung selbst insbesondere auf Quarz
glasbasis aufgebaut. So kann die Wandung aus einzelnen Glasbausteinen bestehen, wodurch
ein modularer Aufbau des Raumes möglich ist, so dass dessen Innengeometrie problemlos an
die Endgeometrie des aufzuschäumenden Körpers anpassbar ist.
Die Dicke D der Wandung selbst sollte im Bereich zwischen 5 und 25 mm, insbesondere
etwa 15 mm betragen.
Bei der Wärmequelle selbst handelt es sich vorzugsweise um IR-Strahler, wobei die Strah
lungsenergie derart einkoppelbar ist, dass sich in dem aufzuschäumenden Körper Wärmesen
ken ausbilden können. Hierdurch kann eine gezielte Aufschäumgeometrie und gezielte
Dichtegradiente erreicht werden.
Bezüglich der Schutzschicht, bei der es sich erwähntermaßen um ein Al2O3 oder Si3N4 oder
BN-Material oder dieses enthaltendes handeln kann, ist anzumerken, dass deren Dicke im
Bereich zwischen 20 nm und 2 µm.
Durch die erfindungsgemäßen Lehren ist mit konstruktiv einfachem Aufbau eine Strahlungs
wärme in den aufzuschäumenden Pressling bzw. Körper einkoppelbar, wobei sich im
Vergleich zu konventionellen Verfahren, bei denen eine Wärmeübertragung mittels von den
Ofenwandungen abgegebener Wärme erfolgt, eine erhebliche Energieeinsparung und ins
besondere ein Zeitgewinn von bis zu 50% ergibt. Das Überhitzen des Schaumes ist ausge
schlossen. Auch erfolgt kein Nachheizen, wodurch die Taktzeiten des Aufschäumens anderen
falls nachteilig beeinflusst werden würden.
Durch die einkoppelbare Strahlungsenergie ergibt sich auch der Vorteil, dass Bereiche des
aufzuschäumenden Halbzeuges gezielt mit Wärme beaufschlagt werden können, so dass
erwähntermaßen bereits durch das Aufschäumen eine gewünschte Geometrieausbildung
erfolgen kann.
Durch die Verwendung von Quarzglasmaterial zur Ausbildung der Wandungen, die den
aufzuschäumenden Pressling umgeben, gelangen mechanisch beanspruchbare langzeitstabile
Materialien zum Einsatz, die kostengünstig hergestellt und benutzt werden können. Dabei
stellt das Quarzglas sicher, dass Wärmestrahlung insbesondere im Infrarotbereich bis zu 2 µm
und im Bereich zwischen 3 und 3,5 µm bei einem Transmissionskoeffizienten zwischen 0,8
und 0,9 einkoppelbar ist. Ferner ergibt sich bei der Verwendung von Quarzglas die Möglich
keit einer visuellen Beobachtung beim Aufschäumen, so dass ein steuerndes Eingreifen beim
Aufschäumen möglich ist.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den
Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -,
sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden
bevorzugten Ausführungsbeispiels.
In der einzigen Figur ist eine Vorrichtung 10 dargestellt, bei der ein Halbzeug 12, das auf
gegenüberliegenden Seiten mit aus Metall bestehenden Deckschichten 14, 16 versehen ist,
aufgeschäumt werden soll, um einen metallischen Verbundwerkstoff geringen Gewichts,
jedoch hoher Festigkeit herzustellen. Entsprechende Verbundwerkstoffe bilden leistungsfähige
Leichtbaustrukturen, die z. B. in der Verkehrstechnik zum Einsatz gelangen. Solche Ver
bundwerkstoffe zeichnen sich durch niedrige Dichte bei relativ hoher Steifigkeit aus.
Das Halbzeug 12 kann aus einer Mischung aus Aluminiumpulver und z. B. 12 Gewichts-%
Siliziumpulver und 0,8 Gewichts-% Titanhydridpulver als gasabspaltendes Treibmittelpulver
zusammengesetzt sein, die vermischt sodann zu einem Barren vorkompaktiert werden. Dieser
kann offen- oder geschlossenporig sein. Sodann ist der Pressling 12 mit den Deckschichten
14, 16 durch Walzen abgedeckt worden. Sofern der Pressling 12 offenporig war, wird bei
diesem Verfahrensschritt eine notwendige Geschlossenporigkeit erzielt. Die Temperatur beim
Walzen selbst beträgt in etwa 400°C.
Der so gebildete Sandwichkörper wird sodann in einen Raum 18 eingebracht, der von einer
Wandung 20 begrenzt ist, die aus Quarzglasmaterial besteht. Im Ausführungsbeispiel wird der
Raum von einem topfförmigen Unterteil 22 und einem diesen abschließenden Deckelteil 24
gebildet. Rauminnenseitig sind die Wandungen mit einer Schutzschicht 26, 28 versehen, die
gegenüber in den Raum 18 einzukoppelnder Strahlung durchlässig ist. Die Dicke der Wan
dung 20 selbst ist ebenfalls so gewählt, dass diese gegenüber einer einkoppelbaren Strahlung
transparent bzw. translucent ist.
Die Aufnahme ist im Ausführungsbeispiel umfangsseitig von Infrarotstrahlern umgeben, die
beispielhaft mit den Bezugszeichen 30, 32 versehen sind.
Bei der Schutzschicht 26 handelt es sich vorzugsweise um eine solche aus Al2O3, Si3N4, BN
oder SiO2/Al2O3 oder diese Materialien enthaltend. Die Schutzschicht ist gegenüber dem
aggressiven Material des Presslings, also insbesondere bei Verwendung von Aluminiumpulver
gegenüber diesem chemisch inert, so dass das ansonsten von Aluminium angreifbare Quarz
material geschützt ist. Die Dicke der Schutzschicht 26, 28 ist jedoch so gewählt, dass diese
ebenfalls gegenüber einzukoppelnder Strahlung transparent bzw. translucent ist. Somit kann
im erforderlichen Umfang von außen in den Raum 18 hinein Strahlung eingekoppelt werden,
um den Pressling 12 auf eine Temperatur zu erhitzen, die ein Aufschäumen ermöglicht. Die
Infrarotstrahler 30, 32 können dabei derart um den Raum 18 angeordnet werden, dass sich in
dem Pressling 12 Wärmesenken ausbilden können, wodurch beim Aufschäumen gezielte
Geometrieausbildung und/oder Dichtegradienten erreichbar sind.
Der Raum 18 kann des Weiteren eine Innengeometrie aufweisen, die der Endgeometrie des
aufzuschäumenden Werkstücks entsprechen soll. Um eine einfache Geometrieanpassung zu
ermöglichen, können die Wandungen 20 modular aufgebaut werden, so dass mit einfachen
Maßnahmen eine Veränderung möglich ist.
Die Schutzschichten 26, 28 werden vorzugsweise durch PVD-Verfahren, insbesondere durch
Elektronenstrahlverdampfung, Magnetron-Sputtern, Lichtbogenverdampfung oder Plas
maimmersions-Ionenimplantation aufgebracht.
Damit die Schutzschicht 26, 28 das Quarzglasmaterial hinreichend schützt, sollte deren Dicke
zwischen 5 und 25 nm, insbesondere im Bereich von 10 nm liegen. Die Wandung selbst
weist eine Dicke D von 15 mm auf.
Von den Strahlern 30, 32 wird vorzugsweise Licht im mittleren Infrarotbereich emittiert.
Unabhängig davon sollte jedoch die Wellenlänge auf das Material der Wandung und der
Schutzschicht abgestimmt sein, um einen hohen Transmissionsgrad sicherzustellen.
Claims (21)
1. Verfahren zum Aufschäumen eines aus zumindest einem Metallpulver und zumindest
einem gasabspaltenden Treibmittelpulver bestehenden Halbzeugs, das gegebenenfalls
mit zumindest einer Deckschicht verbunden wird, wobei das Halbzeug in einem Raum
eingebracht und zu dessen Aufschäumen erwärmt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Halbzeug durch von außen in den Raum eingekoppelte Strahlungsenergie
aufgeschäumt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Pressling in einem Raum erwärmt wird, der von einer transparenten bzw.
translucenten Wandung begrenzt ist, die rauminnenseitig mit einer gegenüber dem
aufschäumbaren Pressling und der gegebenenfalls vorhandenen Deckschicht chemisch
inerten, gegenüber der angekoppelten Strahlungsenergie durchlässigen oder im
Wesentlichen durchlässigen Schutzschicht versehen wird.
3. Verfahren nach zumindest Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Pressling durch eine Strahlung einer Wellenlänge λ mit 700 nm < λ < 2 µm
und/oder mit 3,0 < λ < 3,5 µm erwärmt wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Pressling mit einer Strahlung erwärmt wird, die im mittleren Infrarot liegt.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Pressling mit einer Strahlung erwärmt wird, die im fernen Infrarot liegt.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Pressling mit einer Strahlung erwärmt wird, die im Mikrowellenbereich liegt.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Wandung des den Pressling aufnehmenden Raums Quarzglasmaterial oder
solches enthaltendes verwendet wird.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Schutzschicht Al2O3 und/oder Si3N4 und/oder Al2O3/SiO2 und/oder BN oder
diese enthaltendes Material verwendet wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schutzschicht eine Dicke d mit 5 ≦ d ≦ 20 nm, insbesondere d in etwa 10 nm
versehen wird.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schutzschicht durch PVD-Verfahren aufgebracht wird.
11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schutzschicht durch Elektronenstrahlverdampfung, Magnetron-Sputtern,
Lichtbogenverdampfung oder Plasmaimmersions-Ionenimplantation aufgebracht wird.
12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Strahlungsenergie derart angekoppelt wird, dass sich im Pressling Wärmesen
ken bilden.
13. Vorrichtung zum Aufschäumen eines aus zumindest einem Metallpulver und zu
mindest einem gasabspaltenden Treibmittelpulver bestehenden Halbzeugs (12), das
gegebenenfalls mit zumindest einer Deckschicht (14, 16) verbunden ist, umfassend
einen den Pressling aufnehmenden von einer Wandung (20) begrenzten Raum (18)
sowie eine Wärmequelle zum Aufschäumen des Presslings durch thermische Behand
lung des Presslings in dem Raum,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wandung (20, 22, 24) gegenüber in dem Raum (18) einkoppelbarer Strah
lungsenergie der Energiequelle (30, 32) transparent oder zumindest translucent ist und
rauminnenseitig mit einer gegenüber dem aufschäumbaren Material chemisch inerten
und gegenüber der Strahlungsenergie transparenten oder translucenten Schutzschicht
(26, 28) abgedeckt ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wandung (20, 22, 24) auf Quarzglasbasis aufgebaut ist.
15. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wandung (20, 22, 24) in Form von Quarzglasbausteinen aufgebaut ist.
16. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wandung (20, 22, 24) modular aufgebaut ist.
17. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wandung (20, 22, 24) eine Dicke D mit 5 ≦ D ≦ 25 mm, insbesondere mit
D in etwa 15 mm aufweist.
18. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schutzschicht (26, 28) aus Al2O3 und/oder SiO1/Al2O3 und/oder Si3N4
und/oder BN besteht oder dieses enthält.
19. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schutzschicht (26, 28) eine Dicke d mit 20 nm ≦ d ≦ 2 µm.
20. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmequelle (30, 32) zumindest ein IR-Strahler ist.
21. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmequelle derart außerhalb des Raumes (18) angeordnet ist, dass in dem
Pressling (12) Wärmesenken ausbildbar sind.
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