DE4304391A1

DE4304391A1 - Verfahren zur Herstellung von Leichtbauteilen

Info

Publication number: DE4304391A1
Application number: DE19934304391
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Speil
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Priority date: 1993-02-13
Filing date: 1993-02-13
Publication date: 1994-08-18

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochfesten Leichtbauteilen, wie im Oberbegriff des ersten Anspruchs aufgeführt.

Zur Herstellung von Leichtbauteilen ist ein Verfahren der Fa. Lanxide Corporation, Newark, Delaware USA bekannt, bei dem ein einstückiger poröser bzw. gemaserter Körper, bestehend aus einem Faserwerkstoff drucklos in einem flüssigen Füllwerkstoff tauchbar ist. Das Tauchen bewirkt einen Infiltrationsprozeß, bei dem der Faserwerkstoff vom Füllwerkstoff getränkt wird zur Verbesserung der Faserkonzentration und damit der Festigkeit des Leichtbauteils. Das bekannte Verfahren ist nachteilig nur für einstückig ausgebildete Körper anwendbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen zur Schaffung eines kostengünstigen, eine hohe Festigkeit und Biegesteifigkeit aufweisenden, gewichtsoptimierten Leichtbauteils in Form eines Hohl körpers.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des An spruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Danach ist erfindungsgemäß zur Bildung eines Hohlkörpers der Faser werkstoff zu einer porösen Grundmatrix ausformbar, die aus zumindest zwei zusammengesetzten Einzelbauteilen besteht. Die kraftschlüssig zu sammengesetzten Einzelbauteile werden anschließend getränkt und stel len eine formschlüssige, unlösbare Verbindung her, vergleichbar einem einstückig ausgebildeten Bauteil. Vorteilhaft erlaubt dieses erfin dungsgemäße Verfahren das Leichtbauteil entsprechend der späteren Form vor dem Eintauchvorgang herzustellen, ohne eine erforderliche Nach arbeit. Vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren einen ausschließlich nach den Kriterien der Festigkeit aufgebauten Hohlkör per zu schaffen, der aus mehreren Teilen zusammengesetzt kostengünstig herstellbar ist.

Das Leichtbauteil kann dabei aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt sein, die beispielsweise eine versteifende Wirkung aufweisen, ver gleichbar einer Armierung.

Das erfindungsgemäße Herstellverfahren ermöglicht, daß an den Füge stellen der einzelnen Bauteile durch den Füllwerkstoff eine feste formschlüssige Verbindung entsteht, vergleichbar der Festigkeit eines einstückigen Bauteils.

Die Erfindung kann beispielsweise das bislang in vielen Fällen übliche Verfahren ersetzen, das zur Herstellung von Hohlkörpern bzw. Bauteilen mit Hinterschneidungen Anwendung fand, wie beispielsweise das Kokil lengießverfahren oder das Wachsausschmelzverfahren. In gleicher Weise können auch durch Löten, Schweißen oder Verstemmen zu einem Hohlkörper miteinander verbundene Einzelteile durch das neue Verfahren ersetzt werden, die nachteilig einen hohen Fertigungs- oder Montageaufwand sowie in vielen Fällen eine Nacharbeit erfordern.

Demgegenüber ermöglicht das erfindungsgemäße Herstellverfahren die Schaffung eines extrem gewichtsoptimierten Leichtbauteils, das gleich zeitig eine hohe Verwindungssteifigkeit besitzt, eine einfache, für die Großserie geeignete Fertigung ermöglicht und damit Kostenvorteile bietet.

Der Erfindungsgedanke macht sich die Eigenschaft zunutze, bestimmten Faserwerkstoffen wie beispielsweise Silizium-Karbid oder Aluminium oxid, die bei Verbindung mit einem geeigneten Füllwerkstoff, bei spielsweise eine Aluminiumlegierung, eine chemische Reaktion auslösen in Form eines Saugeffektes bzw. einer Diffusion, durch die der poröse Faserwerkstoff den Füllwerkstoff aufnimmt und eine feste unlösbare Verbindung eingehen. Vorteilhaft ist dieses Verfahren drucklos, ohne mechanischen oder anderen Kraftaufwand durchführbar.

Die chemische Reaktion erfolgt auf der Basis einer Metalloxidation, wodurch die Mikrostruktur des Faserwerkstoffes so verändert wird, daß die Festigkeit des aus dem Faserwerkstoff bestehenden Leichtbauteils erheblich gesteigert werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den An sprüchen 2 bis 9 aufgezeigt.

Gemäß dem Anspruch 2 ist der Faser- oder Partikelwerkstoff so auswähl bar, daß die darin enthaltene Struktur, d. h. die Fasern gerichtet oder ungerichtet angeordnet sind. Durch eine gerichtete Anordnung der Fasern kann beispielsweise Einfluß auf die spätere Beanspruchung des fertigen Hohlkörpers genommen werden. Dabei kann beispielsweise eine Struktur ausgewählt werden, die einer Biege- oder Druckbelastung den höchsten Widerstand bietet.

Der Erfindungsgedanke sieht weiter nach Anspruch 3 eine lamellenartige Struktur des Faserwerkstoffes vor, wobei die Lamellen ebenfalls ge richtet oder ungerichtet innerhalb des Faserwerkstoffes angeordnet sein können.

Eine weitere Ausgestaltung sieht gemäß Anspruch 4 einen Faserwerkstoff vor mit einer körnigen oder partikelförmigen Struktur. Damit kann ein feinkörnig aufgebauter Faserwerkstoff zur Anwendung kommen. Durch verschiedenartig strukturierte Faserwerkstoffe ist vorteilhaft Einfluß nehmbar auf die chemischen Reaktionen unterschiedlicher Faserwerk stoffe und Füllwerkstoffe die eine Verbindung eingehen.

Nach Anspruch 5 ist vorgesehen, einen Hohlkörper mit voneinander abweichende strukturierten Faserwerkstoffen zu versehen, um einen weiteren Einfluß auf den Einsatzfall bzw. Beanspruchung des fertigen Leichtbauteiles zu nehmen. In diesem Zusammenhang sieht der Anspruch 6 vor, daß lediglich ein Einzelteil des Hohlkörpers aus einem porösem Faserwerkstoff hergestellt ist, das beispielsweise mit einem Einzel teil aus einem anderen Werkstoff formschlüssig gepaart ist.

Der Anspruch 7 sieht die Bildung eines Leichtbauteiles vor, welches sich zusammensetzt aus einem topfförmig gestalteten Gehäuse, in dem vor dem Tränkungsvorgang ein Einlegeboden kraftschlüssig eingefügt ist und beide Einzelteile nach der gemeinsamen Durchtränkung eine feste formschlüssige Verbindung eingehen.

Eine weitere Ausgestaltung sieht nach Anspruch 8 eine Grundmatrix vor, die mit einer Ausnehmung versehen ist, die so gestaltet und angeordnet ist, daß auch nach Beendigung des Tränkvorgangs die Ausnehmung erhal ten bleibt.

Gemäß dem Anspruch 9 ist das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls übertragbar zur Schaffung eines Hohlkörpers, der als Gehäuse für einen hydraulischen Tassenstößel dient, der zur Betätigung eines Gaswechsel ventils in einer Brennkraftmaschine einsetzbar ist.

Weitere erfindungsgemäße Merkmale ergeben sich aus den Figuren und deren Beschreibungen. Es zeigt

Fig. 1 das erfindungsgemäße Leichtbauteil in einer Schnitt darstellung, wobei jede Zeichnungshälfte einen unter schiedlich strukturierten Faserwerkstoff zeigt;

Fig. 2 dieses erfindungsgemäße Leichtbauteil eingetaucht in ein mit flüssigem Füllwerkstoff gefülltes Bad;

Fig. 3 das fertige Leichtbauteil.

In Fig. 1 ist der Aufbau eines erfindungsgemäßen Leichtbauteils 1 dargestellt, das zunächst beschrieben wird. Das rotationssymmetrisch aufgebaute Leichtbauteil 1 weist ein zylindrisches Gehäuse 9 auf, das einseitig durch einen Boden 14 verschlossen ist. Von dem dem Boden 14 gegenüberliegenden Ende des Gehäuses 9 ist ein Einlegeboden 10 in das Gehäuse 9 eingeführt, der ebenfalls topfförmig gestaltet ist. Die vorteilhaft vorgeformten Matrixteile, das Gehäuse 9 und der Einlegebo den 10 sind zur eindeutigen Lagebestimmung kraftschlüssig zusammen gefügt unter Bildung eines Fügebereichs 11, der einer Mantelfläche des Einlegebodens 10 entspricht. Eine örtlich in das Gehäuse 9 im Bereich des Einlegebodens 10 eingebrachte Ausnehmung 13 ist ein Durchbruch zu dem zylindrisch geformten Hohlraum 15 gegeben. Das im Schnitt darge stellte Leichtbauteil 1 ist mit zwei unterschiedlich strukturierten Faserwerkstoffe 2 abgebildet. Die rechte Seite zeigt einen Faserwerk stoff 2, der eine Struktur in Form von Partikeln 4 aufweist im Unter schied zu dem links abgebildeten Faserwerkstoff 2, der eine Struktur in Form von Lamellen 5 aufweist. Die Ausrichtung der einzelnen Form körper des Faserwerkstoffes 2 kann in unterschiedliche Richtungen erfolgen, d. h. die in Fig. 1 vertikal ausgerichtete Lamellenstruktur des Faserwerkstoffes 2 kann alternativ auch horizontal erfolgen, in dem ein Faserwerkstoff 2 Verwendung findet, bei dem die Faserformkör per eine horizontale Ausrichtung der Lamellen 5 aufweisen.

Fig. 1 zeigt das Leichtbauteil 1 in einem vorgefertigten Zustand, d. h. die aus zwei Einzelteilen, einem Gehäuse 9 und einem Einlegeboden 10 geformte poröse Grundmatrix vor dem Tränkungsverfahren mit einem Füllwerkstoff. Der Einlegeboden 10 bewirkt eine Versteifung der Sei tenwandung des Gehäuses 9 und eine verbesserte Festigkeit des gesamten Leichtbauteils 1 und ist damit einer Armierung gleichzusetzen.

Fig. 2 zeigt das Leichtbauteil 1 in einem Bad 7 gebildet aus einem mit dem Füllwerkstoff 3 gefüllten Behälter 6. Das Zusammenwirken des Faserwerkstoffes 2 mit dem Füllwerkstoff 3 bewirkt eine chemische Reaktion, bei der der poröse Faserwerkstoff 2 unabhängig von der Struktur, d. h. Partikel 4 oder Lamellen 5 einen drucklosen Metallin filtrationsprozeß auflöst. Das Eindringen des Füllwerkstoffes 3 ge schieht dabei sowohl in allen Bereichen des Gehäuses 9 als auch in dem parallel zum Boden 14 angeordneten Einlegeboden 10. Verdeutlicht wird dieser Prozeß durch eine beabstandet zur äußeren Kontur des Leicht bauteils 1 gezeichneten Linie, die den Infiltrationsbereich 8 dar stellt und damit den Faserwerkstoff 2 verändert zur Erreichung einer Verbesserung der Festigkeit und Biegesteifigkeit.

Fig. 3 zeigt das Leichtbauteil 1 nach Beendigung des Tränkungsvor gangs und verdeutlicht den vom Füllwerkstoff beaufschlagten Faserwerk stoff, die gemeinsam eine faserverstärkende Legierung eingegangen sind unabhängig von dem ursprünglichen Aufbau des Faserwerkstoffes 2, d. h. ob dieser mit Partikeln 4 oder Lamellen 5 durchsetzt ist.

Bezugszeichenliste

1 Leichtbauteil
2 Faserwerkstoff
3 Füllwerkstoff
4 Partikel
5 Lamellen
6 Behälter
7 Bad
8 Infiltrationsbereich
9 Gehäuse
10 Einlegeboden
11 Fügebereich
12 Ausnehmung
13 Ausnehmung
14 Boden
15 Hohlraum.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von hochfesten Leichtbauteilen, mittels eines drucklosen Metall-Infiltrationsprozesses, bei dem ein poröser Partikel- oder Faserwerkstoff durch einen Füllwerkstoff tränkbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Hohlkörpes der Faser werkstoff (2) zu einer Grundmatrix ausformbar ist, die aus zumindest zwei zusammengefügten Einzelbauteilen besteht, die getränkt eine formschlüssige Verbindung eingehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faser werkstoff (2) eine Struktur aufweist, bei der die Fasern gerichtet oder ungerichtet angeordnet sind.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserwerkstoff (2) einem Faserformkörper entspricht der eine als Lamellen (5) ausgebildete Faserstruktur aufweist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern im Faserwerkstoff (2) als Partikel (4) ausgebildet sind.

5. Leichtbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die den Hohlkörper bildenden Einzelteile voneinander abweichend strukturierte Faserwerkstoffe aufweisen.

6. Leichtbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Einzelteil des Hohlkörpers aus einem porösen Faser werkstoff (2) hergestellt ist.

7. Leichtbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Leichtbauteil (1) aus einem topfförmig gestalteten Gehäuse (9) und einem Einlegeboden (10) zusammensetzt.

8. Leichtbauteil nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Grundmatrix vor dem Tränkvorgang Ausnehmungen (12, 13) aufweist, die auch nach Beendigung des Vorgangs geöffnet bleiben.

9. Leichtbauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das als Hohlkörper ausgebildete Leichtbauteil (1) als Gehäuse für einen hydraulischen Tassenstößel eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine dient.