DE3228170C2 - Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Gebilden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Metall- und Nichtmetallverformung, und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Gebilden durch eine Kombination selektiver Verbindung und akkordartiger Ausdehnung.

Es ist bereits seit vielen Jahren bekannt, daß bestimmte Metalle, wie beispielsweise Titan und andere Legierungen die Eigenschaft der Superplastizität zeigen. Superplastizität ist die Eigenschaft eines Materials, ungewöhnlich hohe Zugdehnungen zu entwickeln, und zwar zusammen mit einer verminderten Tendenz zum Einknicken. Diese Fähigkeit zeigen nur eine begrenzte Anzahl von Metallen und Legierungen, und zwar innerhalb begrenzter Temperatur- und Beanspruchungsbereiche. Beispielsweise wurde beobachtet, daß einige Titanlegierungen, wie beispielsweise Ti-6Al-4V, superplastische Eigenschaften besitzen.

Bis zum Vorhandensein geeigneter superplastischer Formverfahren konnte maan diese Eigenschaften zur Bildung komplizierter Konfigurationen, die sehr große Zugdehnungen benötigen, nur schwer und in einigen Fällen gar nicht ausnutzen. Signifikante Verbesserungen beim superplastischen Formen gehen auf Hamilton u. a. zurück und sind in den folgenden US- Patenten beschrieben: US-PS 3 934 441 und 4 181 000. Vereinfacht dargestellt, sieht das Verfahren vor, daß ein Metallrohlingswerkstück über einem Hohlraum in einer Kammer angeordnet wird. Das Werkstück wird auf eine Temperatur erhitzt, wo es superplastische Eigenschaften zeigt, worauf dann ein Differenzdruck an das Werkstück angelegt wird, welcher dieses zum Strecken und zur Formgebung im Hohlraum veranlaßt.

Der Ausdruck "Diffusionsverbindung" bezieht sich auf die metallurgische Verbindung der Oberflächen von ähnlichen oder nicht ähnlichen Metallen durch die Aufbringung von Wärme und Druck für eine hinreichende Zeitdauer, um so eine Vermischung der Atome an der Verbindungs-Zwischenfläche hervorzurufen. Die Diffusionsverbindung wird vollständig im festen Zustand erreicht, und zwar beim Grundmetallschmelzpunkt oder oberhalb der Hälfte des Grundmetallschmelzpunktes. Die tatsächlich benötigten Zeiten, Temperaturen und Drücke sind von Metall zu Metall verschieden.

Die Kombination der superplastischen Verformung (SPF) und der Diffusionsverbindung (DB) bei der Herstellung von Metallsandwich-Gebilden wurde bereits in US-PS 3 927 817 von Hamilton u. a. beschrieben.

Grundsätzlich ist bei dem Hamilton et al.-Verfahren zur Herstellung von metallischen Sandwich-Strukturen die Herstellung aus einer Vielzahl von Metallwerkstücken vorgesehen. Eines oder mehrere Werkstücke werden mit einem Stoppmittel in ausgewählten, nicht zur Diffusionsverbindung vorgesehenen Zonen überzogen. Die Werkstücke werden in einem Stapel angeordnet und in eine Formanordnung hineingegeben, wo der Stapel an seinem Umfang zur Bildung einer Dichtung darum herum festgelegt wird. Der Stapel wird in den nicht überzogenen Zonen durch das Anlegen von Druck diffusionsverbunden, und mindestens eines der Werkstücke wird superplastisch gegen eine oder mehrere der Formoberflächen, die die Sandwich-Struktur bilden, superplastisch verformt. Die Kernkonfiguration ist durch die Lage, Größe und Form der verbundenen Zonen bestimmt.

Eines der Probleme des Hamilton et al.-Verfahrens besteht darin, daß kein Verfahren offenbart wird, um gesonderte Vertikalstege oder Verstärkungen zu bilden. Derartige Stege können strukturelle Vorteile besitzen. Bei einigen Anwendungsfällen (unabhängig von den Festigkeitserfordernissen) sind Vertikalstege eine Notwendigkeit, beispielsweise in Luftkanälen, wo die vertikalen Stege als Führungen für die hindurchfließende Luft dienen. Ein weiteres Problem bei dem Hamilton et al.-Verfahren besteht darin, daß es auf Metallegierungen mit superplastischen Eigenschaften beschränkt ist.

Ein bekanntes Verfahren zur Bildung von Vertikalstegen in einer Sandwich-Struktur ist in US-PS 3 834 000 beschrieben. Dieses Verfahren macht die Bildung eines Stapels, bestehend aus einer Vielzahl von Stegstangen zwischen Abdeckplatten erforderlich. Die oberen und unteren Oberflächen der Stangen sind mit einem Stoppmittel überzogen, und zwar mit Ausnahme der entgegengesetzt liegenden Kanten, d. h. ein Ende der Oberseite und die entgegengesetzte Kante der Boden- oder Unterseite. Die Anordnung wird walzdiffusionsverbunden und dadurch expandiert, daß man die Abdeckplatten (beispielsweise durch die Verwendung von Vakuumschalen) auseinanderzieht. Das Problem bei diesem Verfahren besteht darin, daß zur Expansion des Stapels die obere Abdeckung sowohl nach oben als auch zur Seite gezogen werden muß. Der Stapel könnte somit innerhalb der Formen nicht mittels Innendruck expandiert werden. Dies gilt insbesondere für den Fall, daß der Stapel an seinem Umfang innerhalb des Paars von Formen festgeklemmt ist.

Andere Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Strukturen mit Vertikalstegen machen es typischerweise erforderlich, daß die Stege und Abdeckbleche gesondert hergestellt werden. Die Verbindung der beiden wird typischerweise durch Diffusionsverbindung, Hartlöten, Schweißen oder mechanische Befestigungsmittel erreicht. Man erkennt ohne weiteres, daß solche Verfahren zeitraubend und teuer sind.

Ein Hauptziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Strukturen durch selektive Verbindung und Akkordeonexpansion vorzusehen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben zur Herstellung von Sandwich-Strukturen durch eine Kombination der Diffusionsverbindung, der Akkordeonexpansion und der superplastischen Verformung.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Strukturen anzugeben, die vertikale Innenstege aufweisen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Strukturen nach Anspruch 1. Eine Vielzahl von Werkstücken weist zwei entgegengesetzt liegende Hauptoberflächen auf, die erste und zweite Außenwerkstücke und mindestens zwei Kernwerkstücke besitzen, deren jedes Ausschnitteile besitzt, die mindestens eine Zunge definieren. Eine gerade Anzahl von Kernwerkstücken ist dann erforderlich, wenn vertikale Stege ausgebildet werden soll. Alternativ werden Längskanten übereinanderliegender Zungen miteinander und mit den Außenwerkstücken, vorzugsweise durch Diffusionsverbindung, verbunden.

Die Diffusionsverbindung wird dadurch erreicht, daß man die nach außen weisenden Oberflächen der Kernzungen mit einem Stoppmittel behandelt, um mit Ausnahme des Längskantenteils die Verbindung derselben zu verhindern, während die nach innen weisenden Oberflächen der Kernwerkstücke in ähnlicher Weise behandelt werden, und zwar mit Ausnahme des entgegengesetzt liegenden Kantenlängsteils. Die Werkstücke werden in einem Stapel angeordnet, wobei sich ihre Hauptoberflächen berühren, und sie werden ferner vorzugsweise zwischen Formteilen derart angeordnet, daß mindestens eine Kammer in den Formteilen gebildet wird. Die Werkstücke werden auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, um die Diffusionsverbindung der Werkstücke an den nicht behandelten Teilen der Werkstücke hervorzurufen, worauf ein Kompressionsdruck, ausreichend zur Bewirkung der Diffusionsverbindung, angelegt wird.

Mindestens ein äußeres Werkstück wird zur Expansion oder Ausdehnung veranlaßt, und zwar vorzugsweise in die mindestens eine Kammer hinein derart, daß es sich an dem mindestens einen Formteil verformen kann. Die Ausdehnung veranlaßt die Vielzahl der gestapelten Zungen, sich vertikal auszudehnen, was Stege zwischen den ersten und zweiten äußeren Werkstücken hervorruft. Vorzugsweise wird eine gerade Anzahl von Kernwerkstücken verwendet, so daß vertikale Stege hergestellt werden. Wenn eine ungeradzahlige Anzahl verwendet wird, so verlaufen die Stege unter einem Winkel gegenüber dem Außenwerkstück. Vorzugsweise besitzt das mindestens eine ausgedehnte äußere Werkstück eine effektive Beanspruchungsratenempfindlichkeit (strain rate sensitivity) und die Ausdehnung wird superplastisch erreicht.

Zudem haben die Kernwerkstücke eine effektive Beanspruchungsratenempfindlichkeit und sie können nach dem vertikalen Ausdehnen ebenfalls weiter durch superplastische Verformung gedehnt werden.

Die neuen, für die Erfindung als charakteristisch angesehenen Merkmale sowohl hinsichtlich Anordnung als auch Arbeitsverfahren, sowie ferner weitere Ziele und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsansicht eines vier Werkstücke aufweisenden Stapels, behandelt für die selektive Diffusionsverbindung vor dem Einsetzen in eine Formvorrichtung;

Fig. 2 einen Querschnitt der zusammengestapelten Werkstücke;

Fig. 3 den Stapel gemäß Fig. 2, eingebaut in eine Formvorrichtung;

Fig. 4 den in eine Sandwich-Struktur innerhalb der Formvorrichtung gemäß Fig. 3 ausgedehnten Stapel;

Fig. 5 ein fertiges Sandwich-Gebilde oder eine Sandwich-Struktur mit beiden äußeren Werkstücken innerhalb der Kammern einer Formvorrichtung expandiert.

Im folgenden sei ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben. Fig. 1 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines vierstöckigen Metallstapels 10, der in eine Sandwich-Struktur gemäß der Erfindung umgeformt werden soll. Fig. 2 ist ein Querschnitt des Stapels 10. Der Stapel 10 besteht aus Außenwerkstücken, vorzugsweise in der Form von Blechen 11 und 12 mit entgegengesetzt liegenden Hauptoberflächen 13 und 14 bzw. 15 und 16. Sandwichartig zwischen den äußeren Werkstücken befinden sich Kernwerkstücke 18 und 20, vorzugsweise in der Form von Blechen, und zwar mit entgegengesetzt liegenden Hauptoberflächen 23 und 24 bzw. 25 und 26.

Die Kernbleche 18 und 20 sind herausgeschnitten und bilden zwei Sätze von Zungen 32, 33, 34 bzw. 35, 36, 37, die mit Rahmenteilen 39 bzw. 40 durch Stege oder Ansatzteile 42 verbunden sind. Diese Ausschnitte in den Kernblechen können durch Stanzen, übliche Schneidverfahren oder chemische Fräßverfahren hergestellt werden. Dadurch, daß man diese Kernbleche 18 und 20 auf diese Weise herstellt, ist es leichter, die Kernzungen im Stapel 10 ordnungsgemäß zu positionieren. Es sei bemerkt, daß die Kernzungen gesondert hergestellt werden könnten, aber die Kontrolle ihrer Platzierung im Stapel und die Aufrechterhaltung der gewünschten Position während darauffolgender Verformungsoperationen wären schwierig.

Zudem kann die Anzahl der Kernzungen in jedem Kernblech sich abhängig von den Konstruktionserfordernissen des auszubildenden Sandwich-Gebildes ändern, es muß aber mindestens einer vorhanden sein. Wenn ferner ein Vertikalsteg erwünscht ist, so muß die Anzahl der Kernwerkstücke eine gerade Anzahl sein, d. h. die aufeinandergestapelten Kernzungen müssen eine gerade Anzahl aus den im folgenden erwähnten Gründen besitzen.

Zusätzlich müssen die Werkstücke durch beispielsweise die folgenden Verfahren verbindbar sein: Hartlöten, Schweißen, Verbinden, vorzugsweise Diffusionsverbinden. Vorteilhafterweise sollte mindestens eines der Außenwerkstücke superplastische Eigenschaften zeigen. Jedes Metall, das geeignete superplastische Eigenschaften innerhalb eines bearbeitbaren Temperaturbereichs aufweist, kann für diese äußeren Werkstücke verwendet werden, wobei sich aber die vorliegende Erfindung besonders auf die Metalle bezieht, die superplastische Eigenschaften innerhalb des Temperaturbereichs zeigen, der für die Diffusionsverbindung erforderlich ist, nämlich vorzugsweise Titan oder irgendwelche Legierungen des Titans, wie beispielsweise Ti-6Al-4V. Wenn Ti-6Al-4V verwendet wird, so ist die Formtemperatur vorzugsweise annähernd 1700°F. Die Kernzungen können auch aus einem Material hergestellt werden, das superplastische Eigenschaften zeigt, dies ist aber keine Notwendigkeit. Die Theorie und das Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Gebilden durch Diffusionsverbindung und superplastische Verformung ist in US-PS 3 927 817 beschrieben. Demgemäß ist nur eine allgemeine Beschreibung des Verfahrens hier erforderlich.

Zur Verbindung von nur ausgewählten Zonen der Werkstücke besteht ein bevorzugter Schritt darin, ein geeignetes Stoppmaterial auf diejenigen Zonen innerhalb des Stapels aufzubringen, wo keine Verbindung zwischen den Werkstücken erwünscht ist. Somit sind die Zonen 45, 46 und 47 auf der Oberfläche 24 des Kernwerkstücks 18, die Zonen 50, 51 und 53 der Oberfläche 26 des Kernwerkstücks 20 und die Zonen 54, 55 und 56 der Oberfläche 25 des Kernwerkstücks 20 und schließlich Zone 60 auf Oberfläche 16 des Werkstücks 12 überzogen Die Zone 60 ist identisch in Größe und Form zu den Ausschnitten in den Kernwerkstücken 18 und 20. Typischerweise ist das Stoppmaterial Yttriumoxid (Y₂O₃), und zwar in einem geeigneten Bindemittel, und die Aufbringung geschieht vorzugsweise durch Seidensiebdruck.

Um sicherzustellen, daß der Stapel ausgerichtet bleibt, sind die Werkstücke 11, 12, 18 und 20 mit Ausrichtlöchern 70 an entgegengesetzten Ecken ausgestattet, in die Stifte 72 eingesetzt werden können. Um den Stapel 10 nach der Diffusionsverbindung auszudehnen, ist das Werkstück 11 mit einer Öffnung 75 ausgestattet, die sich von Oberfläche 14 zu Oberfläche 13 erstreckt; Oberfläche 24 des Kernwerkstücks 18 ist in der Zone 78 mit einem Stoppmittel behandelt, um die Verbindung an dieser Stelle zu verhindern. Wenn somit die Werkstücke in einem Stapel 10 zusammengebaut und verbunden werden, so verbleibt ein Durchlaß zum Inneren des Stapels 10.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Formvorrichtung zur Durchführung der Erfindung, und zwar bei 80, wohingegen Fig. 4 den Stapel 10, ausgedehnt in eine Sandwich-Struktur, darstellt. Die obere Form 81 weist eine kammer 82 auf, wohingegen die untere Form 84, die vorzugsweise die gleichen Außenflächenabmessungen wie die obere Form 81 besitzt, flach ausgebildet sein kann, um so, wie dargestellt, als eine Basis zum Tragen des Stapels 10 zu dienen. Was die Ansprüche anlangt, so sind die oberen bzw. unteren Form 81 bzw. 84 als Formteile anzusehen, da beide miteinander die in gewünschter Weise geformte Sandwich-Struktur ausformen. Der von der unteren Form 84 getragene Stapel 10 deckt die Kammer 82 ab.

Bei der Diffusionsverbindung wird der nicht vereinigte Stapel 10 vorzugsweise nach der Anordnung in der Formvorrichtung 80 verbunden, wodurch Herstellungszeit und Ausrüstungskosten gespart werden (der Stapel könnte aber auch vor der Anordnung in der Formvorrichtung 80 beispielsweise durch Preß- oder Walzverbindung diffusionsverbunden werden). Das Gewicht des oberen Werkzeugrahmens 81 dient als Festlegmittel für den Stapel 10, und demgemäß ist eine einzige kontinuierliche Kante des Stapels 10 in effektiver Weise zwischen der oberen und unteren Form 81 und 84 festgelegt. Dies stellt sicher, daß diese Teile der zu formenden Werkstücke des Stapels 10 gestreckt und nicht gezogen werden. Die Rahmenteile 39 und 40 stellen sicher, daß der Stapel 10 im wesentlichen beim Festklemmen flach bleibt. Wenn gewünscht, können (nicht gezeigte) zusätzliche Festziehmittel, wie beispielsweise Bolzen, verwendet werden, um den Stapel 10 in effektiverer Weise festzulegen. Andere zusätzlich verwendbare Festziehmittel sind eine (nicht gezeigte) Presse, vorzugsweise eine hydraulische Presse mit Platten 90.

Die Formvorrichtung 80 ist zwischen den Platten 90 positioniert und zusammengedrückt, wodurch sichergestellt wird, daß der Stapel 10 in effektiver Weise festgelegt ist, und daß die Kammer 82 gegenüber Umgebungsluft abgedichtet ist. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, da die Platten 90 aus Keramikmaterial hergestellt sein können, und es können darin Widerstandsheizdrähte 92 vorgesehen sein, um den Stapel 10 auf die Formungstemperatur zu erhitzen. Andere Heizverfahren können bei der Formvorrichtung 80 Verwendung finden, wenn die Heizplatten nicht benutzt werden.

Zur Verhinderung der Verunreinigung und zum Zwecke der Diffusionsverbindung des Stapels 10, wenn dieser sich noch nicht verbunden innerhalb der Formvorrichtung 80 befindet, ist ein Kontrollsystem vorgesehen. Der Zweck dieses Systems besteht darin, den Stapel 10 nur gegenüber inertem Gas oder Vakuum beim Heizen, Formen und Binden auszusetzen und wahlweise zur Diffusionsverbindung des Stapels 10 durch Strömungsmitteldruck. Die Werkstücke des Stapels 10 reagieren nicht mit inertem Gas infolge der Natur des inerten Gases, selbst bei den erhöhten Formungs- und Binde- Temperaturen nicht. In einem hohen Vakuum sind im wesentlichen keine Elemente vorhanden, mit denen der Stapel 10 reagieren könnte. Auf diese Weise wird durch diese Umgebung die Verunreinigung des Stapels 10 verhindert.

Leitung 100 steht mit einer Quelle von unter Druck stehenden inertem Gas an einem (nicht gezeigten) Ende sowie mit Kammer 82 über Öffnung 102 in der oberen Form 81 in Verbindung. Ein Ventil 104 dient zur Steuerung des inerten Gasflusses durch die Leitung 100 und in der Kammer 82, wobei ein Druckmesser 106 den vorhandenen Druck anzeigt. Als inertes Gas wird vorzugsweise Argon verwendet. Die Leitung 100 dient auch als ein Auslaß für das inerte Gas in der Kammer 82 und könnte auch mit einer Vakuumquelle in Verbindung stehen, wie beispielsweise einer (nicht gezeigten) Saugpumpe, um so ein Vakuum in der Kammer 82 zu schaffen. Eine zusätzliche Leitung 110 mit einem Ventil 112 ist in optimaler Weise an der entgegengesetzten Seite der oberen Form 81 vorgesehen und ist mit der Kammer 82 über Öffnungen 114 gekuppelt und wird darüber hinaus in ähnlicher Weise, wie die Leitung 100, verwendet.

Das eben beschriebene System kann auch als Mittel zur Gasdruck-Diffusionsverbindung des Stapels 10 benutzt werden. Wenn der Stapel 10, wie in Fig. 3 gezeigt, in der Formvorrichtung 80 angeordnet ist, so kann der Stapel 10 in einer inerten Gasatmosphäre auf eine geeignete Diffusionsverbindungstemperatur (annähernd 1700°F, wenn die Werkstücke des Stapels 10 aus Ti-6Al-4V bestehen) durch von den Heizplatten 90 erzeugte Wärme erhitzt werden, und sodann wird Druck an den Stapel 10 dadurch angelegt, daß man den Druck in der Kammer 82 erhöht, und zwar durch Zugabe zusätzlichen, unter Druck stehenden inerten Gases durch Leitung 100, während man die Leitung 110 durch Ventil 112 geschlossen hält. Auf diese Weise werden die nicht behandelten Zonen des Stapels 10 durch das Anlegen dieses Drucks, der vorzugsweise 34 bar (500 psi) für Ti-6Al-4V beträgt, diffusionsverbunden. Geeignete Formzeiten, die von der Dicke des Stapels 10 abhängen, können von 30 Minuten bis 12 Stunden variieren. Die Kanten des Stapels 10 in dem Gebiet der Rahmenteile 39 und 40 können ebenfalls diffusionsverbunden werden, wenn dies gewünscht wird, und zwar durch den Abdichtdruck, der darauf ausgeübt wird in der Form des Gewichts des oberen Werkzeugs 44 und wahlweise auch durch Druck von einer Presse und/oder Festleg- bzw. Klemm-Mitteln.

Nachdem der Stapel 10 diffusionsverbunden ist, wird das inerte Gas aus der Kammer 82 durch die Leitungen 100 und 110 entfernt, um so die Ausdehnung des Stapels 10 zu gestatten. Auf diese Weise werden die nicht behandelten Kantenteile 45a, 46a und 47a der Kernzungen 32 bzw. 33 bzw. 34 mit der Oberfläche 13 des Außenwerkstücks 11 verbunden, wohingegen die nicht behandelten Kantenteile 54a, 55a und 56a der Kernzungen 35, 36 und 37 mit der Oberfläche 16 des Außenwerkstücks 12 verbunden werden. Zusätzlich werden diese Zungen miteinander an den nicht behandelten Zonen 50a, 51a und 53a der Kernzungen 35, 36 und 37 verbunden. Auf diese Weise hat der Stapel das Aussehen einer zusammengelegten akkordeonartigen Struktur, wobei die Kernzungen längs abwechselnder Längskanten mit den Außenwerkstücken und mit den anderen Kernzungen verbunden sind. Bei der Diffusionsverbindung wird das Außenwerkstück 11 nach innen in die nicht getragenen Ausschnittzonen der Kernanordnungen 18 und 20 abgelenkt. Somit wird die Zone 60 der Oberfläche 16 des Außenwerkstücks 12 mit einem Stoppmittel in der zuvor beschriebenen Weise überzogen, um die Möglichkeit der Diffusionsverbindung dazwischen zu verhindern.

Bevor der Stapel 10 ausgedehnt wird, wird der Druck in der Kammer 82 durch Leitungen 100 und 110 reduziert. Wenn der Stapel 10 vor dem Einsetzen in die Formvorrichtung 80 verbunden wird, so würde der vorausgehende Diffusionsbindeschritt in der Formvorrichtung 82 weggelassen. Bei der superplastischen Formungstemperatur, die annähernd 1700°F für Ti-6Al-4V-Legierung (im allgemeinen 650 bis 750°F) beträgt, wird der Stapel 10 dadurch expandiert, daß man unter Druck stehendes inertes Gas durch die Leitung 120 strömen läßt, während optimalerweise ein Vakuum an die Kammer 82 durch die Leitungen 100 und 110 angelegt wird.

Zur Ausdehnung des Stapels 10 - vergl. noch immer die Fig. 3 und 4 - ist eine Öffnung 120 in der oberen Form 81 vorgesehen, die mit einer Öffnung 75 im Außenwerkstück 11 gekuppelt ist. Auf diese Weise wird inertes Gas in die Öffnung 75 durch den Stoppmittelpfad 78 in die Ausschnittzone 80 fließen. Die Öffnung 120 ist über Leitung 122 mit einer (nicht gezeigten) Quelle inerten Gases verbunden und weist ein Ventil 125 auf, um die inerte Gasströmung zu steuern, wobei ferner ein Druckmesser 130 vorgesehen ist, der den Druck anzeigt.

Dieses unter Druck stehende inerte Gas innerhalb des Stapels 10 bewirkt die Ausdehnung des Stapels 10 infolge des Druckdifferentials zwischen dem Inneren des Stapels 10 und der Kammer 82. Die normalerweise für das superplastische Verformen von Ti-6Al-4V verwendete Druckdifferenz liegt normalerweise im Bereich 1,7 bis 17 bar (25 bis 250 psi). Das Werkstück 11 wird anfangs durch die Druckdifferenz angehoben und zieht die Zungen an den verbundenen Gebieten oder Zonen mit sich. Beim Ausdehnen "entstapeln" sich die Kernzungen und biegen sich um die diffusionsgebundenen Zonen und erstrecken sich von Ende zu Ende zur Bildung eines Vertikalstegs.

Man erkennt somit, daß die Kernwerkstücke nicht notwendigerweise aus einem Material hergestellt sein müssen, das superplastische Eigenschaften zeigt. Die Kernwerkstücke sind üblicherweise aber aus einem Material, das superplastische Eigenschaften zeigt, so daß eine gewisse superplastische Ausdehnung (annähernd 10%) ausgeführt werden kann, was sicherstellt, daß die Kernwerkstücke tatsächlich vertikal verlaufen. Selbst wenn eine gerade Anzahl von Kernwerkstücken vorgesehen ist, so sind die nicht behandelten Kanten der nach außen weisenden Oberflächen der Kernzungen vertikal ausgerichtet. Somit wird bei der Expansion des Stapels ein Vertikalsteg gebildet. Wenn die Anzahl der Werkstücke in einem Stapel ungeradzahlig ist, so verläuft der Steg nicht vertikal, sondern unter einem Winkel, bestimmt durch die Länge der Kernzungen.

Fig. 5 veranschaulicht einen Formungsrahmen 80a unter Verwendung der oberen Form 81 und einer unterschiedlich geformten unteren Form 150 mit einer Kammer 152. Leitungen 158 und 160 sind in der unteren Form 150 vorgesehen, um eine inerte Gasumgebung in der Kammer 152 zu schaffen, und um als Ablässe oder Vakuumleitungen beim superplastischen Ausdehnen des Stapels 10 zu dienen, d. h. diese Leitungen arbeiten in identischer Weise wie die Leitungen 100 und 110. Wenn der Stapel 10 in der Formvorrichtung 80a diffusionsverbunden ist, so müßte der Druck in beiden Kammern 82 und 152 vorzugsweise gleichmäßig erhöht werden, so daß ein geeigneter Druck an den Stapel 10 zum Zwecke der Diffusionsverbindung angelegt wird.

Für die superplastische Ausdehnung des Stapels 10 würde der Druck innerhalb des Stapels 10 dadurch erhöht werden, daß man die Strömung aus inertem, unter Druck stehendem Gas in den Stapel 10 durch die Öffnung 75 über Leitung 120 einläßt, so daß der Druck innerhalb des Stapels 10 größer ist als der in den Kammer 82 und 152. Zudem würde der Druck in den Kammern 82 und 152 vermindert sein und optimalerweise gegenüber dem Vakuum durch die Leitungen 100, 110, 158 und 160 ausgesetzt sein, da die beiden äußeren Werkstücke 11 und 12 typischerweise superplastisch ausgedehnt werden sollen. Demgemäß muß in diesem Falle jedes der Werkstücke aus einem Material mit einer effektiven Beanspruchungsratensensitivität bestehen. Das Werkstück 11 wird, wie gezeigt, nach oben in die Kammer 82 gedrückt, wohingegen das Werkstück 12 nach unten in die Kammer 152 gedrückt wird, und die Kernzungen werden infolge ihrer selektiven Verbindung an speziellen Stellen mit beiden Werkstücken 11 und 12 und miteinander in beiden Richtungen deformiert, um - wie gezeigt - Vertikalstege zu bilden.

Obwohl das dargestellte Ausführungsbeispiel in erster Linie ein Verfahren zur Herstellung von Metallsandwich-Strukturen betrifft, und zwar insbesondere durch superplastische Formung von Metallen mit einer effektiven Beanspruchungsratensensitivität, so soll dies jedoch nicht als eine notwendige Einschränkung angesehen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren könnte auch zur Herstellung von Sandwich-Strukturen aus Metallen, wie beispielsweise Aluminium, verwendet werden, d. h. von Metallen, die im allgemeinen keine effektive Beanspruchungsratensensitivität besitzen, und ferner könnte das Verfahren auch bei Kunststoffen oder zusammengesetzten Stoffen Verwendung finden. Abwandlungen liegen im Rahmen der Erfindung.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Gebilden aus einer Vielzahl von Werkstücken (11, 12, 18, 20), wobei folgendes vorgesehen ist:
Vorsehen von mindestens vier Werkstücken, deren jedes zwei entgegengesetzt liegende Hauptoberflächen aufweist, wobei zwei äußere Werkstücke und mindestens zwei Kernwerkstücke (18, 20) vorhanden sind, und die Kernwerkstücke im wesentlichen identisch sind und Ausschnitte derart aufweisen, daß eine Vielzahl von parallelen Zungen in einem Rahmenteil (39, 40) gebildet und von diesem umgeben werden,
daß die voneinander durch die Ausschnitte beabstandeten Zungen mit einem schmaleren Steg als die Zunge breit ist mit dem Rahmenteil verbunden sind und damit zwei Längskanten und zwei Seitenkanten aufweisen,
Behandlung ausgewählter Zonen der Werkstücke zur Verhinderung einer Verbindung an diesen Zonen wobei die ausgewählten Zonen im wesentlichen parallel zu den Längskanten der Zungen verlaufen,
Anordnung der Werkstücke in einem Stapel unter Berührung ihrer Hauptoberflächen derart, daß die äußeren Werkstücke (11, 12) die Kernwerkstücke sandwichartig umgeben, deren Zungen jeweils übereinander ausgerichtet sind,
Verbindung dieses Stapels an den nicht behandelten Zonen, und Ausdehnung des verbundenen Stapels derart, daß die mit den äußeren Werkstücken verbundenen Zungen im wesentlichen vertikal und die unbehandelten Zonen der Zungen im wesentlichen horizontal verlaufen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zunge einen nicht behandelten Längsstreifen an jeder Hauptoberfläche aufweist, der benachbart zu einer Längskante auf einer Hauptoberfläche und benachbart zur anderen Längskante an der entgegengesetzten Hauptoberfläche verläuft.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung durch Diffusionsverbindung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein äußeres Werkstück aus einem Metall mit superplastischen Eigenschaften besteht, das durch superplastische Formung senkrecht zu seiner Hauptoberfläche ausgedehnt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Werkstücke superplastische Eigenschaften besitzen und durch superplastische Verformung ausgedehnt werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:
Vorsehen von mindestens zwei Formteilen zur Bildung mindestens einer Kammer, und
Positionierung des Stapels aus Werkstücken in der Kammer, wobei mindestens ein äußeres Werkstück superplastisch in die mindestens eine Kammer ausgedehnt und gegen eines der Formteile verformt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel durch Anlegen eines Differenzdruckes zwischen dem Inneren des Stapels und mindestens einer Kammer ausgedehnt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke im wesentlichen die gleiche äußere Form besitzen und gleichmäßig in dem Stapel positioniert sind.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erhitzens des Stapels auf einen erhöhten Temperaturbereich vorgesehen ist, wobei der Ausdehnungsschritt ausgeführt wird, während sich der Stapel innerhalb dieses Temperaturbereichs befindet.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Kernwerkstücke mit superplastischen Eigenschaften verwendet werden.

11. Kernwerkstück zur Herstellung von Sandwich-Gebilden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernwerkstück (18, 20) Ausschnitte derart aufweist, daß eine Vielzahl von parallelen Zungen in einem Rahmenteil (39, 40) gebildet und von diesem umgeben sind, und
daß die voneinander durch die Ausschnitte beabstandeten Zungen mit einem schmaleren Steg als die Zunge breit ist mit dem Rahmenteil verbunden sind und damit zwei Längskanten und zwei Seitenkanten aufweisen.

12. Kernwerkstück nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernwerkstück zwei Längskanten und zwei Seitenkanten aufweist, und daß die Zungen derart positioniert sind, daß die Längskanten im wesentlichen parallel zu oder unter rechten Winkeln gegenüber den Längskanten des Kernwerkstücks verlaufen.