DE60111190T2

DE60111190T2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von gegossenen schaumkörpern

Info

Publication number: DE60111190T2
Application number: DE60111190T
Authority: DE
Inventors: Petter Åsholt; Gunnar Tokle
Original assignee: Cymat Corp
Current assignee: Cymat Corp
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2021-02-24
Also published as: WO2001062416A1; RU2002125516A; NO20000973L; NO20000973D0; HUP0300404A2; US6866084B2; AU2001236230A1; US20050150628A1; EP1259344B1; MXPA02008106A; EP1259344A1; CN1406161A; CN1262373C; NO311708B1; ATE296698T1; CA2400851A1; DE60111190D1; EP1259344B8; ES2243453T3; US20030051850A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern aus Metallschaum, insbesondere aus Aluminiumschaum.
Zur Erzeugung von dreidimensionalen Körpern aus Metallschaum wurden bisher mehrere Verfahren vorgeschlagen. Beispielsweise ist in US 5,865,237 ein Verfahren zur Herstellung von formgeschäumten Objekten offenbart, bei dem ein volumen aus Metallpulverpresslingen für die Schäumung und einem Gas entwickelnden Schaummittel in einer Kammer erhitzt wird. Wenn der Inhalt zumindest zum Teil aufgeschäumt ist, wird er in den Hohlraum einer Form hinein gedrückt, wo die restliche Aufschäumung stattfinden kann.
In dem norwegischen Patent No. 304359 ist ein Verfahren zum Giessen von Artikeln offenbart, bei dem ein Verbund einer Metallmatrix, welcher fein verteilte feste Stabilisierungsteilchen enthält, auf eine Temperatur oberhalb des Soliduspunktes der Metallmatrix erhitzt wird. In den geschmolzenen Metallverbund werden unterhalb dessen Oberfläche Gasblasen eingeleitet, hierdurch wird auf der Oberfläche des Metallverbunds ein stabilisierter, fließfähiger Metallschaum erhalten. Nachfolgend wird der sich in einem flüssigen Zustand befindende, stabilisierte Metallschaum in einen Formhohlraum eingeleitet, wo er abkühlt und sich verfestigt.
Bei diesen Verfahren wird der Schaum in den Formhohlraum hinein getrieben oder gepresst. Abhängig von der Form des Hohlraums kann es dabei in dem Schaumkörper, als Folge eines eingeschränkten Einfließens und als Folge von Reibungskräften, die in dem Formhohlraum zwischen dem sich bewegenden Metall und den Innenwänden der Form während des Ausschäumvorganges auftreten, zu Inhomogenität kommen. weist der Hohlraum eine komplexe dreidimensionale Form auf, so können außerdem Probleme aufgrund unzureichender Füllung der Gussform auftreten, was dazu führt, dass das gegossene Erzeugnisses in seiner Form nicht zu dem Formhohlraum komplementär ist.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiges und vereinfachtes Verfahren zur Formung dreidimensionaler Gussteile aus geschäumtem Metall bereitgestellt, mit welchem die Schwierigkeiten der oben beschriebenen Art auf ein Minimum reduziert werden können.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:
1: eine vollständig in eine Schmelze eingetauchte Form
2: eine zur Hälfte in eine Schmelze eingetauchte Form
3: ein poröses Verschlussstück, das Blasen erzeugt
4: den oberen Teil einer Form mit einer Luftaustrittsöffnung
In 1 besteht die Form 1 aus einem vertikal angeordneten zylinderförmigen Mantel mit einem geschlossenen oberen Ende 2. Die hier gezeigte Form ist vollständig eingetaucht, und der Hohlraum 8 der Form wird mit der Schmelze 4 gefüllt, bevor diese aufgeschäumt wird. Der untere Teil der zylindrischen Gussform ist als ein sich verbreiternder oder konischer Mantel ausgebildet, welcher den Eingang 3 der Form bildet. In der Schmelze ist unterhalb des Eingangs der Form ein rotierender Rührer 5 angeordnet, der durch Aus trittsöffnungen, die sich in der Nähe des Rührers befinden, oder durch Öffnungen im Rührer selbst Gas einleitet. Der Rührer 5 rotiert um eine Achse 7, die ein Innenrohr aufweisen kann, um das Gas zu dem Rührer zu leiten (nicht dargestellt). Während des Schäumungsvorgangs bildet das eingeleitete, Schaum bildende Gas Blasen 6, die nach oben steigen und in die Form 1 eintreten. Die Blasen steigen weiter nach oben und erreichen die obere Stirnwand 2 der Form. Dort akkumulieren die Blasen und nachdem der Schäumungsvorgang eine Zeit lang fortgeführt wurde, ist die Schmelze in der Form vollständig geschäumt. In der Zeichnung ist das geschäumte Metall 9 in der oberen Hälfte der Form dargestellt.
Es ist ersichtlich, dass das oben erwähnte Prinzip der Gasinjektion, welches der Fachwelt allgemein bekannt und in der eigenen Patentanmeldung WO 91/01387 der Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung näher beschrieben ist, durch andere Arten der Schaum erzeugenden Gasinjektion ersetzt werden kann. In diesem Zusammenhang wird die Verwendung eines porösen Verschlussstücks weiter unten beschrieben.
Das Zusammenfließen der in der Form akkumulierten Blasen kann durch Zugabe von schwerschmelzbaren Partikeln zu der Schmelzenmatrix vermieden werden, welche die Wände der Blasen verstärken. Wie in dem Beispiel gezeigt, wird die Form vollständig mit der Schmelze gefüllt, bevor der Schäumungsvorgang beginnt. Dies bedeutet, dass vor dem Schäumen keine Luft mehr in der Form vorhanden ist, was zu einer Reduzierung der zwischen dem Schaum und den Wänden der Form während des Formvorgangs möglicherweise auftretenden Reibung beiträgt. Diese Reibung kann zu unerwünschten strukturellen Verformungen des Schaums führen.
Gemäß einer zweiten, in 2 gezeigten, Ausführungsform ist eine Form 100 zur Hälfte in eine Schmelze 104 eingetaucht, hierbei befindet sich der Eingang 103 der Form unterhalb der Oberfläche der Schmelze. Die Gussform weist bei dieser Ausführungsform die gleiche Form auf wie in 1, mit einer Oberseite 102 und einem offenen, sich verbreiternden oder konischen Eingang 103. In der dargestellten Situation beginnt das Aufschäumen der Schmelze durch den rotierenden Rührer 105 erst nachdem der Hohlraum der Form ausreichend mit geschmolzenem Metall befüllt wurde.
Wie in 4 dargestellt, kann die Form 403 in ihrer Oberseite zusätzlich mit einer Luftaustrittsöffnung oder Evakuierungseinrichtung versehen sein, um vor und/oder während geeigneter Zeitspannen des Füllens mit der Schmelze und des Schäumungsvorgangs Luft zu evakuieren, dies trägt dazu bei, dass der Pegelanstieg im Zylinder höher ist als der Pegel der umgebenden Schmelze. Eine solche Evakuierungseinrichtung kann eine steuerbare Austrittsöffnung wie eine Entlüftungsschraube oder ein Ventil 400 umfassen. Die Figur zeigt einen oberen Teil der Form 403 mit einem durch 402 gekennzeichneten Hohlraum. Durch die Wand 401 der Form verläuft in deren oberen Bereich ein Rohr 404, das mit dem Ventil 400 verbunden ist. Das Ventil 400 kann des Weiteren mit Evakuierungseinrichtungen wie einer Vakuumpumpe (nicht dargestellt) versehen sein.
Eine alternative Möglichkeit, die Form – ohne die Verwendung spezifischer Luftevakuierungseinrichtungen – mit Schmelze zu füllen, besteht darin, die Form auf den Kopf zu stellen und wieder herumzudrehen, während diese in der Schmelze eingetaucht ist.
Alternativ hierzu kann die Form in zwei oder in mehrere Teile teilbar sein (nicht dargestellt). Dies erleichtert das Füllen der Form mit Schmelze vor dem Schäumen und ermöglicht das Giessen komplexer, dreidimensionaler Teile. Bei einer teilbaren Form sollte diese vorzugsweise während des Eintauchens in die Schmelze geteilt sein, um das Füllen zu erleichtern. Nach dem Eintauchen wird die Form durch Zusammenschieben der Teile geschlossen, wonach der Hohlraum vollständig gefüllt ist. Nach dem Ausschäumen wird die Form aus der Schmelze herausgehoben, um den Schaumkörper zu verfestigen, und wieder geteilt, um den Schaumkörper zu entnehmen.
Nach dem Schäumungsvorgang, durch welchen die Schmelze in der Form durch Metallschaum ersetzt wird, kann unter dem unteren Teil der Form vorzugsweise ein Deckel oder dergleichen angeordnet werden, um sicherzustellen, dass das seine Endform aufweisende, geschäumte Formteil, welches sich immer noch in flüssigem oder halbfestem Zustand befindet, nicht aus der Form heraus fällt, wenn diese vollständig aus der Schmelze herausgezogen wird, um den in ihrem Inneren befindlichen Schaum zu verfestigen und zu kühlen.
Die Form wird vorzugsweise vor dem Eintauchen in die Schmelze vorgeheizt, um die Totzeit vor dem Ausschäumen zu reduzieren. Dies kann durch in die Form integrierte Heizelemente, z.B. elektrische Heizelemente, geschehen. Alternativ hierzu können die Form oder die Formteile in einer separaten Kammer erhitzt werden. Die Form kann ebenfalls mit einem integrierten Kühlkreislauf ausgestattet sein, um die Form im Anschluss an das Ausschäumen zu kühlen und die Zeit für die Verfestigung des Formteils, bevor dieses aus der Form entfernt wird, zu reduzieren.
In Versuchen wurde beobachtet, dass die Oberflächenqualität über die Länge der Gussteile variiert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Form während des Schäumungsvorgangs auf dem gleichen vertikalen Niveau befestigt war. Da die beste Oberflächenqualität in der Nähe der Unterseite der Giesslinge zu finden war, wird angenommen, dass die beobachteten Unterschiede in der Oberflächenqualität in engem Zusammenhang mit dem metallostatischen Druck stehen, der an der Stelle herrscht, an welcher die Oberfläche gebildet wird. Die mit diesem Verfahren hergestellten geschäumten Formteile weisen in den Teilen, die in nächster Nähe zu den Formwänden fest werden, eine glatte Außenfläche auf, während das Innere des geschäumten Formkörpers natürlich porös ist. Es wird daher angenommen, dass sich eine Verbesserung der Qualität der gesamten Oberfläche dann erreichen lässt, wenn die Form während des Ausschäumens derart angehoben wird, dass sich der darin zuunterst befindliche Schaum stets auf derselben Höhe befindet. Auf diese Weise herrscht dort, wo der neue Schaum akkumuliert, stets der gleiche Druck. Die Form kann durch ein elektrisches Hebewerk (nicht dargestellt) nach oben und unten bewegt werden.
In den oben aufgeführten Beispielen ist eine zylinderförmige Gussform offenbart, jedoch ist ersichtlich, dass auch andere geometrische Formen Verwendung finden können.
Mit dem vorliegenden Verfahren kann ein Aluminiumkern in ein anderes (hohles) Metallteil oder dergleichen gegossen werden, z.B. Ausschäumen eines Stahlrohres in einer "Crash Box", die zur Absorption von Energie eingesetzt wird, wobei das Stahlrohr in dem Herstellungsprozess als Form dient. Vorausgesetzt, dass der metallische Teil den Aufenthalt in der Schmelze für einige Zeit übersteht (entweder unverändert oder nach einer Oberflächenbehandlung), ist es denkbar, derartige Teile mit dem vorliegenden Verfahren direkt zu füllen. Hierdurch würde der Herstellungsprozess mit Schaum gefüllter Hohlkörper erheblich rationalisiert.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung einer anderen Quelle für die Erzeugung der zur Schäumung erforderlichen Blasen, z.B. poröser Verschlussstücke oder Platten, wobei das Gas von diesen Vorrichtungen in die Schmelze injiziert wird. Hierdurch könnte die Steuerung des Verfahrens vereinfacht werden, da das Gas bei Bedarf, beispielsweise in der Totzeit während des Austauschens der Form, leichter ein- und ausgeschaltet werden könnte. Dieses Prinzip der Schaumerzeugung ist in 3 dargestellt, in welcher eine Gas erzeugende Vorrichtung 305 Blasen in einer Schmelze erzeugt. Die Vorrichtung umfasst ein poröses Verschlussstück 302, beispielsweise aus einem keramischen Medium oder einem anderen Material, welches über einer einen Gaseinlass 304 aufweisenden Gasverteilungskammer 301 angeordnet ist. Das Prinzip besteht darin, dass das Schäumungsgas durch das poröse keramische Medium hindurch gepresst wird, was zur Bildung von Blasen auf dessen gegenüberliegender Seite, d.h. in der Schmelze, führt.
Es wird darauf hingewiesen, dass in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Verfahren auch andere Produktvarianten hergestellt werden können, z.B. Rohre und andere Erzeugnisse mit hohlem Querschnitt.
Auch Produkte mit U-förmigem Querschnitt können mit dem Verfahren hergestellt werden. Dies kann durch Anordnen eines Einsatzes in der Form erreicht werden, bevor diese gefüllt wird (nicht dargestellt).
Wie aus den obigen Abschnitten zu ersehen, kann es sich bei der Form selbst vorzugsweise um eine wieder verwendbare Form handeln, oder es kann sich einfach um einen Teil eines Bauteiles handeln, welcher zu Aufnahme des Schaums vorgesehen ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus geschäumtem Metall, insbesondere einem Aluminiumschaum, umfassend: – Bereitstellung des Metalls in einem geschmolzenen Zustand (4); – Bereitstellung einer Schäumungseinrichtung (5, 305) in dem geschmolzenen Metall; – Bereitstellung einer Form (1), die einen Hohlraum (8) und wenigstens eine Eingangsöffnung (3) aufweist, wobei die Eingangsöffnung (3) in dem geschmolzenen Metall untergetaucht bleibt und wobei die Eingangsöffnung (3) im Wesentlichen über der Schäumungseinrichtung (5, 305) angeordnet wird; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte umfasst: – zunächst vollständiges Füllen der Form (1) mit dem geschmolzenen Metall; – Erzeugen eines Metallschaums mittels der Schäumungseinrichtung; – Füllen der Form mit dem Schaum (9) durch Akkumulation von Blasen, die durch das geschmolzene Metall (4) nach oben steigen, wobei wenigstens die Eingangsöffnung (3) in dem geschmolzenen Metall untergetaucht bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form (1) während des Schäumens vertikal nach oben bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form vor und/oder während des Füllungs-/Schäumungsvorganges evakuiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schäumungseinrichtung (5, 305) eine Einrichtung zur Injektion von Gas umfasst und dass die Erzeugung des Schaums durch Einführen eines Gases in das geschmolzene Metall (4) mittels dieser Einrichtung zur Injektion von Gas erfolgt.
Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern aus einem Metallschaum (9), insbesondere einem Aluminiumschaum, aus einem geschmolzenen Metall (4), umfassend eine Form (1), die einen Hohlraum (8) und wenigstens eine Eingangsöffnung (3) zum Füllen der Form mit einem Metallschaum (9) aufweist, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zur Aufnahme des geschmolzenen Metalls (4) aufweist sowie eine Einrichtung (5, 305) zur Injektion von Gas in das geschmolzene Metall (4), um die Schäumung zu bewirken, und wobei die Form (1) so angeordnet ist, dass sie wenigstens mit ihrer Eingangsöffnung (3) in dem geschmolzenen Metall (4) untergetaucht bleibt, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung zum Heben und Senken der besagten Form während des Schäumens aufweist, wobei die Eingangsöffnung (3) in dem geschmolzenen Metall (4) untergetaucht bleibt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Form geteilt ist und zwei oder mehr Teile umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Form weiterhin mit Einrichtungen (400, 404) zum Ablassen/Evakuieren von Luft aus dem Hohlraum (402) der Form versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Form Einrichtungen zum Heizen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Form Einrichtungen zum Kühlen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (305) zur Injektion von Gas während des Schäumens poröse Platten (302) oder poröse Verschlussstücke umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Injektion von Gas während des Schäumens einen rotierenden Rührer (5) mit einer oder mehreren Gasaustrittsöffnungen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem geschmolzenen Metall (4) schwerschmelzbare Partikel hinzugefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form vor der Einführung des Schaums vorgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form nach dem Füllen mit dem Schaum gekühlt wird, wobei sich der Schaum verfestigt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Eingangsöffnung (3) eine konische Form aufweist, die dazu dient, den Metallschaum in den Hohlraum der Form zu leiten.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Form einen hohlen Gegenstand umfasst, der mit dem Schaum zu füllen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Einrichtung zur Injektion eines Gases ausgewählt ist aus der Grup pe umfassend: rotierende Rührer, poröse Verschlussstücke und poröse Platten.