EP1608476B1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von massgenauem schaum - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung von massgenauem schaum Download PDF

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EP1608476B1
EP1608476B1 EP04723198A EP04723198A EP1608476B1 EP 1608476 B1 EP1608476 B1 EP 1608476B1 EP 04723198 A EP04723198 A EP 04723198A EP 04723198 A EP04723198 A EP 04723198A EP 1608476 B1 EP1608476 B1 EP 1608476B1
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EP
European Patent Office
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mould
mold
radiation
foam
foaming
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP04723198A
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English (en)
French (fr)
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EP1608476A2 (de
Inventor
Walter Rajner
Frantisek Simancik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alulight International GmbH
Original Assignee
Alulight International GmbH
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Publication date
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Publication of EP1608476B1 publication Critical patent/EP1608476B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12—Both compacting and sintering
    • B22F3/1208—Containers or coating used therefor
    • B22F3/1216—Container composition
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/11—Making porous workpieces or articles
    • B22F3/1121—Making porous workpieces or articles by using decomposable, meltable or sublimatable fillers
    • B22F3/1125—Making porous workpieces or articles by using decomposable, meltable or sublimatable fillers involving a foaming process
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to a method for the production of dimensionally accurate metal foam foamable powder metallurgically produced semi-finished metal product with a melting point> 200 ° C and devices for its implementation.
  • foam from appropriate foamable material is known for plastics, natural products, glasses and also metal-containing materials.
  • the invention relates in particular to thermally at high temperatures, above 200 ° C., preferably above 300 ° C., and also over 500 ° C. via foaming agent foamed metal foams of metal, metal composites or the like.
  • the foams are preferably usable as solid but light construction materials.
  • Such lightweight construction materials find in the construction sector as veneering elements, light weight elements; in vehicle technology, such as aircraft automotive and shipbuilding but also as insulation boards or protective plates against mechanical or thermal action (fire-retardant components) use.
  • uneven means both the instantaneous distribution of the radiation in the form and the temporal application of the radiation - ie both the irradiation of the form of different radiation intensity and the temporally different irradiation of certain shape areas.
  • metal foam is meant here a foamed product having defined external dimensions.
  • the process can be carried out very advantageously with foamable materials having a melting point above 200 ° C., preferably above 300 ° C. and also with melting points above 500 ° C.
  • Suitable molding materials are ceramic or vitreous materials or even composite materials, such as fiber-reinforced composites, such as fiber-reinforced ceramic, glass or carbon, which are well heat-permeable and meet the requirements for a low expansion coefficient with increased resistance to pressure and train. It is also possible to cool the molds quickly because the low coefficient of expansion avoids damage that might occur due to greater distortion during cooling in conventional molds.
  • the process may also be carried out continuously in a preferred embodiment which results in a strand or ribbon-like metal foam product.
  • Both sides open molds are used, wherein continuously foamable material is introduced into the mold / mold, the mold / mold irradiated controlled in a selected area and the foamable material is heated and so foamed; wherein and on the other side according to the shape - eg.
  • the mold shape the metal foam extruded stranded emerges again.
  • the method can be supported by release material, if the réelleCumende material adheres strongly to the mold - eg.
  • foil-like release material such as Al 2 O 3 or ZrO 2 -containing films or graphite foils in aluminum foams
  • a high temperature sizing such as silicate sizing - suitable release agents
  • the mold is at least partially diathermanic.
  • diatherman material is generally understood that is permeable to heat radiation, here in the range of about 760 - 5000 nm radiation-permeable.
  • a radiation device are, for example, in the range of 760 - 5000 nm continuously or only certain wavelength emitting emitters, such as glow plugs, Nemst pins, SIC rods, LEDs, CO 2 - CO, diode, Nd / Yag, semiconductors - or color laser. Their energy output can be controlled easily by controlling the supply current or by filters easily.
  • the mold is thin-walled. This is advantageous because waste of heat energy for heating a high heat capacity mold can be avoided and its cooling behavior is faster - preventing composite foaming from segregating, allowing for higher cycle times and more precise control of the heat energy applied to the foaming material. It may, for example, have a wall thickness of 1 to 20 mm and more preferably a thickness of 2 to 10 mm. In the case of thin mold or mold walls due to the thermal management, it may be useful to support them mechanically from the outside locally by supports or supports in order to prevent bending or breaking of the mold / mold in case of heavy metal foams or large parts and to ensure dimensional stability.
  • lattice or honeycomb-like structures that have the least possible bearing surface and low thermal conductivity and thermal expansion coefficients and take little heat energy can be used to not disturb the heating profile. It is particularly advantageous if the supports are controllable to compensate for unevenness of the mold or thermal expansion of the columns themselves.
  • the mold can be charged with a suitable gas, even under overpressure.
  • a suitable gas such as an inert gas is used under a not too high overpressure in the range of less than about 5 bar. This can cause foaming of non-noble Metals and their alloys or composites with the same, such as Zn, Ni, Al, Mg, Ca, Ni, Fe, Sn done.
  • metal powder mixtures can also precious metals, copper beryllium, tungsten, titanium, steels, Si and their alloys and mixtures, optionally with additives such as hard materials, fibers and blowing agents for the production of metal foams, such as hydrides or carbonates of metals - eg TiH2 , ZnH2, MgH2, CaCO3, etc., as they are known to the expert in the field of metal foam production, carried out .. In particular, it is at higher temperatures gases releasing substances, preferably those in the foam metal with alloy formation after elimination of the gas be recorded.
  • Typical metal foam materials are those which predominantly comprise Al, Be, Mg, Si, Cu, Zn, Ti, Sn, Pb, lead, brass, bronze, etc.
  • the method according to the invention also makes it possible to process alloys which can not be produced by melting metallurgy.
  • titanium alloys such as TiAl, TiAlNb, certain magnesium or beryllium alloys are known to those skilled in the art. It is also possible to use composites and glasses.
  • Typical oxidation-susceptible metal alloys are, but by no means limited to, those of Mg, Ca, Al, Zn, Fe, Sn. Foaming under normal atmosphere is possible, leading to thicker walls of the pores, larger pores and generally lower attainable porosities than in the case of the protective atmosphere.
  • the less expensive because of the saving of expensive gases variant of the normal atmosphere should preferably be used in not particularly oxidation-prone metals, as in some Al alloys.
  • the foamable material can also foamable plastic or foamable metal semi-finished - such as powder metallurgically cold-compacted, hot or hot-compacted, extruded mixtures of metal powder with blowing agents, such as metal hydrides, eg. TiH 2 , ZrH 2 2 , MgH 2 , carbonates, nitrides, bicarbonates, mixtures of These starting materials may also be used together with reinforcing elements or structural elements, such as hooks, screw sleeves or the like, as well as reinforcing parts - nets, filaments, and threads.
  • cover foils must also be introduced into the mold or mold in order to obtain a decorative or even protective coating of the metal foam part or to fix connection components therein.
  • the final spatial arrangement of these reinforcing parts or coatings can be secured by preferably consumable holding elements in the mold Particularly preferably, the mold - if it is closed - gas-tight closable and has a pressure relief valve and a gas inlet and outlet.
  • a controlled gas atmosphere can be adjusted and maintained.
  • the closed mold should withstand a gas pressure between 2 and 5 bar.
  • a pressure change can also be carried out during foaming - in which case, if a sudden lowering of the gas pressure is carried out in the foaming material, production of metal foam with fine and more uniform pores takes place.
  • the atmosphere in the mold during the foaming can be adjusted both in terms of their composition and preferably with respect to the pressure prevailing in the mold during foaming.
  • a gas - if oxidation plays only a minor role, inexpensive air - but it can also with inert gas, such as noble gas or any other gas that does not react with the material to be foamed to any appreciable extent -.
  • nitrogen or argon - are used , however, if a gas reaction with metal foam components is desired - for example the formation of nitrides on metals - a suitable reacting gas may also be used.
  • the mold is at least partially diathermanic and the mold or mold content can be selectively heated and foamed locally by controlled radiation.
  • controlled radiation For example, a corresponding laser with emission wavelengths in the range of around 3000 nm or corresponding other thermal radiators with a high proportion of radiation in the wavelength range between approximately 760 and 5000 nm is preferred.
  • release agent suitable for the foaming material - this is done by applying foil layers - such as fiber mats or sheets of material, such as metal foils.
  • the release material can also be applied directly to the foamable material in film form.
  • the release film material avoids reactions between the metal foam material and the mold, produces a textured surface with a smooth mold surface and can enable the relative movement of the metal foam relative to the mold.
  • the heat radiation is generated by controllable radiators, since the foaming can thus be targeted and, for example, areas of the mold, which are to produce a larger metal foam thickness, are supplied with correspondingly higher thermal energy.
  • a single radiation source such as a laser
  • the radiation emission of the radiators is preferably monitored by suitably arranged sensors and controlled in accordance with the measurement signals emitted by them.
  • a predetermined heating profile can be set and carried out in order to control pore distribution and foaming in a targeted manner. This is particularly important in the production of products of uneven thickness or density, since a targeted frothing front must be achieved in order to obtain a product of desired pore distribution, without undesirable gas inclusions.
  • the mold is open on both sides and the foamable material in the open mold is controlled by radiation heated and expanded, while the foamable material continuously - preferably with a release film - introduced into the open mold becomes.
  • the ceramic box mold is treated with a release agent prior to introducing the semi-finished zinc product.
  • the mold is evacuated, aerated with argon and set an overpressure of 2 bar in the mold.
  • Optically oriented radiation having an emission wave maximum in the range of 3000-5000 nm is - corresponding to a previously performed pyrometer measurement of the radiation profile - on the diathermic molding surfaces according to the predetermined heat profile with foaming directed the foamable material.
  • the heat radiation is switched off and the mold is rapidly cooled by air circulation by means of a fan.
  • the finished foamed zinc foam plate is removed from the mold.
  • the plate thus produced had a very high dimensional accuracy and uniform foam quality.
  • the mold or mold material is protected by a graphite-containing film which is applied to the mold or mold surfaces prior to introduction of the semifinished product.
  • the foaming takes place here without inert gas.
  • the mold is opened and removed the foamed aluminum foam plate.
  • the plate possessed high dimensional accuracy and uniform pore distribution.
  • Example 2 The process was carried out as in Example 2, during which the mold 10 was kept under a N2 overpressure of 2.5 bar during foaming during foaming.
  • the molding thus obtained had smaller pores and thinner pore walls. It has been found that the pore size and wall thickness of the resulting metal foam can be controlled via the internal mold pressure and the type of gas present during foaming.
  • An angled mold consisting at least in part of a diathermic ceramic material (see schematic illustration in Figure 4) is coated with carbon 12 and then foamable material 14 is placed therein. The further foaming takes place as described in Example 2.
  • a box-shaped mold, as shown in Fig. 4, with a bottom surface of diathermic ceramic is evenly heated by surface-mounted controlled radiator 16 having an emission wavelength maximum at 3050 nm.
  • Cold-compacted semi-finished parts 14 made of AISi10Mg1 with 0.4% TiH 2 were placed on copper foil 12. The result is a foam part with exact, copper-containing base and side surfaces, while the surface has a geometrically free-foamed, visually appealing form of aluminum alloy.
  • Such parts are, for example, then, if from a free-foamed surface of the finished component does not bother or is desirable and the cost of mold closing can be avoided.
  • a two-sided open mold of ceramic with a coefficient of expansion of 0.5 K -1 is continuously fed on one side with release film-covered foamable material 14 of an aluminum alloy with TiH2 as blowing agent.
  • release film-covered foamable material 14 of an aluminum alloy with TiH2 as blowing agent On a predetermined surface of the mold 10 is controlled non-uniform heat radiation introduced and so the foaming process started and completed.
  • the foaming metal now foams the space between the mold or mold lid and mold or mold bottom, the metal foam surface is always covered by the release film to protect the mold from sticking of the metal foam, cools during transport and leaves the mold the other side.
  • the continuously exiting foam product with release film can then be further treated in the desired manner, for example by water jet, Laser od. Like. Be cut to the desired lengths.
  • the mold or mold can also be passed by itself with the foaming material to a corresponding radiation field.
  • a Mg powder mixture containing 9% Al, 1% Zn + 1% TiH2 was cold isostatically compacted and then extruded at 400 C into long profiles 20x5 mm.
  • the foamable semifinished product produced in this way was placed in a closable two-part graphite mold and heated to 650 ° C. in a water-cooled infrared oven. The interior of the infrared oven and the mold was rinsed with argon gas during the heating. The temperature of the mold was measured and controlled. The IR radiation led to high heating rates (up to about 15 K / s), the foaming temperature of 650 C was not exceeded. After switching off the IR heater was rapid cooling.
  • the finished Mg foam has excellent dimensional accuracy and uniform and fine-pored structure.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von massgenauem Metallschaum aus schaumfähigem, pulvermetallurgisch hergestelltem Metallhalbzeug mit einem Schmelzpunkt >200°C sowie Vorrichtungen zu seiner Durchführung.
  • Die Herstellung von Schaum aus entsprechendem schaumfähigem Material ist für Kunststoffe, Naturstoffe, Gläser und auch metallhaltige Materialien bekannt.
  • Verfahren zur pulvermetallurgischen Metallschaumherstellung in Formen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten sind aus DE 199 54 755 A1 bekannt. Dort wird pulvermetallurgisch AlSi12 Legierung aufgeschäumt, allerdings sind die dort angegebenen Informationen nur für dieses Material geeignet, da stets materialbezogene Grössen genannt sind. Dies gilt sowohl für die notwendigerweise 5 - 25 nm dicke Schutzschicht der Quarzglasform durch eine Al2O3-Beschichtung des Quarzglases, als auch für die aufgebrachte Deckschicht, die wegen der Reaktivität des aufschäumenden AlSi12 notwendig ist. Dort wird durch eine recht dickwandige Form mit Schichtdicken >5 mm und einer aufgebrachten Schutzschicht Strahlung bevorzugt im mittleren Infrarot eingekoppelt, wobei die Infrarotstrahler geometrisch so angeordnet werden, dass sich im Pressling Wärmesenken ausbilden. Dieses bekannte Verfahren kann nur mit Presslingen arbeiten, die auf Deckschichten aufgebracht sind und es treten Probleme mit ungleichmässiger Erhitzung der Form auf, wodurch ein ungleichmässiges Schäummuster und nicht massgenaue Schäume resultieren, was insbesondere bei grösseren Schaumteilen zu Instabilitäten des Schaums und damit Bruchstellen, Schwächungsstellen etc. führt..
  • Bisher ist es äußerst schwierig, derartige Metallschaumteile maßgenau in zufriedenstellender Qualität herzustellen. Es ist problematisch, eine gleichmäßige Porenverteilung in größeren Bauteilen zu erzielen, bspw. großflächigen, wie Metallschaumplatten mit 0,5 m2 und mehr Bodenfläche. Solche nach den bekannten Aufschäumverfahren hergestellte Metallschaumteile haben häufig Bereiche, in denen die Poren kollabiert sind und demzufolge größere, die Festigkeit des Bauteils schwächende Hohlräume. Bei Teilen ungleichmäßiger Dicke oder solchen mit Bereichen höherer Dichte, die durch Einlegen von mehr Halbzeug an vorherbestimmten Stellen entstehen, treten Fehler besonders häufig auf. Dies liegt insbesondere daran, daß herkömmliche Formen aus Metall hohe lineare Ausdehnungskoeffizienten und eine hohe Wärmekapazität aufweisen. Die Ausdehnungskoeffizienten führen dazu, daß beim Abkühlen große Maßänderungen stattfinden, welche die Maßgenauigkeit und das Abkühlverhalten des Metallschaums negativ beeinflussen. Bekannte Formen oder Kokillen benötigen viel Energie für ihre Erwärmung, wodurch das Abkühlen langwierig ist und lange Zykluszeiten in der Herstellung verursacht. Das Abkühlen kann auch zu Materialproblemen bei Metallschaum führen, falls Komposite aufgeschäumt werden sollen und ein zu langes Verweilen in einem fluiden Zustand zu unerwünschten Reaktionen oder Auflösungen, wie Entmischungsphänomenen, führt. Ein weiteres Problem ist, daß bei den bekannten Aufschäumvorgängen in Öfen aufgrund einer ungesteuerten Wärmeverteilung in der Kokille das schaumfähige Material ungesteuert schäumt und so keine zufriedenstellende Porenverteilung liefert.
  • Bei anderen bekannten Verfahren wird Halbzeug in Metall-Kokillen in einem Ofen auf eine Temperatur aufgeheizt, die deutlich über der Schmelztemperatur eines Matrixmetalls des Halbzeugs liegt. Um eine ausreichende Produktivität des Prozesses und vor allem um gute Qualität des Metallschaums zu erzielen, muß das Erwärmen sehr rasch, d.h. innerhalb weniger Minuten erfolgen. Andererseits ist eine sehr gezielte Erwärmung des schaumfähigen Materials notwendig, da sonst einzelne Bereiche des Halbzeugs noch nicht aufschäumen, während andere Bereiche überhitzt sind und die Schaumzellen dort bereits kollabieren. Daher muß die Kokille gesteuert - bspw. mit geringstmöglichen Temperaturdifferenzen bei ebenem Metallschaum gleichmäßiger Dicke - in sehr kurzer Zeit erhitzt werden, was insbesondere bei größeren Form- oder Kokillen und Metallschaumteilen schwierig ist. Ein großes Problem stellen dabei die großen Wärmekapazitäten bekannter Kokillen dar, die sich schwierigst schnell abkühlen lassen und aufgrund des hohen Wärmeleitvermögens von Metall eine örtlich unterschiedliche Beheizung nicht ermöglichen
  • Das bekannte Verfahren mit Aufschäumen in Metallformen im Ofen war insofern nachteilig, als es schwierig zu steuern war, häufig unterbrochen werden musste und nicht kontinuierlich gefahren werden konnte. Schließlich waren die Energiekosten hoch.
  • Aus der DE-A-19954755 ist es bekannt, Presslinge, insbesondere solche mit Deckblechen, in einem Raum mit einer strahlungsdurchlässigen Wand über Strahlungsenergie aufzuschäumen.
  • Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das die Herstellung gleichmässig geschäumter Schaumteile - auch solche grösserer Ausmasse - ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Weiterhin wird sie auch durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Merkmalen des Patentanspruches 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Im folgenden werden unter Metallschaum auch solche Körper, die im wesentlichen aus Metallschaum bestehen, aber ungeschäumte Armierungselemente, wie Drähte, Gitter, Bleche oder aber Fäden, Filamente, Whisker, Befestigungselemente wie Schraubbuchsen, Hohlkörper wie unausgeschäumte Rohre enthalten, verstanden. Diese Strukturelemente können während des Schäumens von Metallschaum durch Formschluß oder aber auch Materialschluß an- und eingebunden werden; dadurch werden spätere Befestigungsschritte, wie Bohren, Schlitzen oder sonstige mechanische Verbindungsverfahren oder Kleben, Schweissen, Löten oder dergleichen vermieden.
  • Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf thermisch bei hohen Temperaturen, über 200°C, bevorzugt über 300°C und auch auf über 500 °C über Treibmittel aufgeschäumte Metallschäume aus Metall, Metallkompositen od. dgl.
  • Die Schäume sind bevorzugt als feste, aber leichte Baumaterialien einsetzbar. Solche Leichtbaumaterialien finden im Bausektor als Verblendelemente, tragende Elemente geringen Gewichts; in der Fahrzeugtechnik, wie Flugzeug- Automobil- und Schiffsbau aber auch als Dämmplatten oder Schutzplatten gegen mechanische oder thermische Einwirkung (feuerhemmende Bauteile) Verwendung.
  • Dabei wird hier unter "ungleichmäßig" sowohl die momentane Verteilung der Strahlung in der Form als auch die zeitliche Anwendung der Strahlung verstanden - also sowohl das Bestrahlen der Form unterschiedlicher Strahlungsintensität als auch das zeitlich unterschiedliche Bestrahlen bestimmter Formbereiche. Dadurch kann in überraschender Weise die Metallschaumentstehung gesteuert und das Auftreten von Gaseinschlüssen vermieden werden.
  • Unter Metallschaum wird hier ein aufgeschäumtes Produkt verstanden, das definierte Außenmaße aufweist.
  • Das Verfahren kann sehr vorteilhaft mit schaumfähigen Materialien mit einem Schmelzpunkt über 200°C, bevorzugt über 300°C und auch mit Schmelzpunkten von über 500 °C durchgeführt werden.
  • Dadurch, daß nun Formen, bspw. Kokillen niedriger linearer Ausdehnungskoeffizienten und niedriger Wärmekapazität sowie gesteuerte Schaumentstehung eingesetzt werden, kann ein äußerst maßgenaues Metallschaumteil erhalten werden. Geeignete Formmaterialien sind keramik- oder glasartige Materialien oder aber auch Kompositmaterialien, wie faserverstärkte Komposite, wie faserverstärkte Keramik, Glas oder Kohlenstoff, die gut wärmedurchlässig sind und die Anforderungen an einen geringen Ausdehungskoeffizienten bei erhöhter Festigkeit gegenüber Druck und Zug erfüllen. Es ist auch möglich, die Formen schnell abzukühlen, da der geringe Ausdehnungskoeffizient Schäden, die durch größeren Verzug beim Abkühlen bei herkömmlichen Formen auftreten könnten, vermeidet.
  • Das Verfahren kann bei einer bevorzugten Ausführungsform, die zu einem strang- oder bandartigen Metallschaumprodukt führt, auch kontinuierlich durchgeführt werden. Dabei werden beidseitig offene Formen eingesetzt, wobei kontinuierlich schaumfähiges Material in die Form/Kokille eingeführt wird, die Form/Kokille in einem ausgewählten Bereich gesteuert bestrahlt und das schaumfähige Material so erwärmt und so aufgeschäumt wird; wobei und an der anderen Seite entsprechend der Form - bspw. der Kokillenform, der Metallschaum strangartig geschäumt wieder heraustritt. Dabei kann auch hier das Verfahren durch Trennmaterial unterstützt werden, falls das aufzuschäumende Material stark an der Form haftet - bspw. durch Mitlaufenlassen von folienartigem Trennmaterial, wie Al2O3 oder ZrO2-haltigen Folien oder Graphitfolien bei Aluminiumschäumen oder auch durch Belegen des schaumfähigen Materials mit Trennmaterialfolien oder Beschichten mit einer Hochtemperaturschlichte, wie Silikatschlichten - geeignete Trennmittel sind dem Fachmann bekannt.
  • Vorteilhafterweise ist die Form mindestens teilweise diatherman. Unter diatherman wird allgemein Material verstanden, das für Wärmestrahlung durchlässig ist, hier im Bereich von ca 760 - 5000 nm strahlungsdurchlässig. Als Strahlungseinrichtung eignen sich bspw. im Bereich von 760 - 5000 nm kontinuierlich oder aber nur bestimmte Wellenlängen emittierende Strahler, wie Glühstifte, Nemst-Stifte, SIC-Stäbe, LEDs, CO2- CO- , Dioden-, Nd/Yag-, Halbleiter- oder Farb-Laser. Deren Energieabgabe kann durch Regelung des Versorgungsstroms oder durch Filter schnell problemlos geregelt werden.
  • Bevorzugt ist die Kokille dünnwandig. Dies ist vorteilhaft, da so ein Verschwenden von Wärmeenergie zum Aufheizen einer Kokille hoher Wärmekapazität vermieden werden kann und ihr Abkühlverhalten schneller ist - was eine Entmischung von Komposit-Schäumen verhindert, höhere Zykluszeiten und eine präzisere Steuerung der auf das aufzuschäumende Material einwirkenden Wärmeenergie ermöglicht.. Sie kann bspw. eine Wanddicke von 1 - 20 mm und besonders bevorzugt eine Dicke von 2 -10 mm aufweisen. Bei wegen des Wärmemanagements dünnen Form- oder Kokillenwänden kann es sinnvoll sein, diese mechanisch von außen lokal durch Träger oder Stützen abzustützen, um ein Biegen oder Brechen der Form/Kokille bei schweren Metallschäumen oder größen Teilen zu vermeiden und die Maßhaltigkeit zu sichern. Als geeignete Träger können Stützen, gitter- oder wabenartige Konstruktionen, die möglichst wenig Auflagefläche und geringe Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizienten haben und wenig Wärmeenergie übernehmen, eingesetzt werden, um das Erwärmungsprofil nicht zu stören. Dabei ist es besonders vorteilhaft, falls die Stützen steuerbar sind, um Unebenheiten der Kokille oder Wärmeausdehnung der Stützen selbst auszugleichen.
  • Die Kokille kann mit einem geeigneten Gas - auch unter Überdruck - beschickt werden. Typischerweise wird ein Inertgas unter einem nicht zu hohen Überdruck im Bereich von unter ca 5 bar eingesetzt. Damit kann Aufschäumen von unedlen Metallen und deren Legierungen bzw. Kompositen mit denselben, wie Zn, Ni, Al, Mg, Ca, Ni, Fe, Sn, erfolgen.
    Metallpulvermischungen können aber auch Edelmetall-, Kupfer- Beryllium, Wolfram, Titan, Stähle, Si sowie deren Legierungen und Mischungen, ggf. mit Zusätzen, wie Hartstoffen, Fasern und Treibmitteln für die Herstellung der Metallschäume, wie Hydride oder Carbonate von Metallen - z.B. TiH2, ZnH2, MgH2, CaCO3 etc., wie sie dem Fachmann auf dem Gebiet der Metallschaumherstellung bekannt sind, durchgeführt werden.. Insbesondere handelt es sich dabei um bei höheren Temperaturen Gase freisetzende Stoffe, bevorzugt solche, die im Schaummetall unter Legierungsbildung nach Abspaltung des Gases aufgenommen werden. Typische Metallschaummaterialien sind solche, die überwiegend Al, Be, Mg, Si, Cu, Zn, Ti, Sn, Pb, Blei, Messing, Bronze etc. aufweisen Durch das erfindungsgemäße Verfahren können auch schmelzmetallurgisch nicht herstellbar Legierungen verarbeitet werden. Typisch sind Titanlegierungen, wie TiA1, TiAlNb, bestimmte Magnesium- oder Beryllium-Legierungen, wie dem Fachmann bekannt. Es können auch Komposite sowie Gläser, eingesetzt werden. Typische oxidationsanfällige Metallegierungen sind - aber keinesfalls begrenzt auf, solche von Mg, Ca, Al, Zn, Fe, Sn. Aufschäumen unter Normalatmosphäre ist möglich, führt zu dickeren Wänden der Poren, größeren Poren und generell zu niedrigeren erzielbaren Porositäten als im Falle der Schutzatmosphäre. Die wegen der Einsparung teuerer Gase preiswertere Variante der Normalatmosphäre sollte bevorzugt bei nicht besonders oxidationsanfälligen Metallen verwendet werden, wie bei einigen Al-Legierungen. Das schaumfähige Material kann auch schaumfähiger Kunststoff oder schaumfähiges Metallhalbzeug - wie pulvermetallurgisch kaltkompaktierte, warm- oder heisskompaktierte, auch stranggepresste Mischungen von Metallpulver mit Treibmittel, wie Metallhydriden, bspw. TiH2, ZrH22, MgH2, Carbonaten, Nitriden, Hydrogencarbonaten, Mischungen von Oxiden mit Kohlenstoff, wie sie dem Fachmann bekannt sind, sein.. Diese Ausgangs-Materialien können auch gemeinsam mit Verstärkungselementen oder Strukturelementen, wie Haken, Schraubhülsen od. dgl. sowie Armierungsteilen - Netzen, Filamenten, und Fäden. Es mussen aber auch Deckfolien in die Form oder Kokille eingebracht werden, um eine dekorative oder aber auch schützende Beschichtung des Metallschaumteils zu erhalten oder um Anschlußkomponenten darin zu befestigen. Dabei kann die endgültige räumliche Anordnung dieser Armierungsteile oder Beschichtungen durch bevorzugt verzehrbare Halteelemente in der Form gesichert werden Besonders bevorzugt ist die Kokille - falls sie geschlossen ist - gasdicht schließbar und weist ein Überdruckventil sowie einen Gasein- und -auslaß auf.
  • Es kann aber auch sinnvoll sein, falls bspw. eine genaue Formung einer Fläche nicht notwendig oder erwünscht ist, daß die Kokille mindestens einseitig offen ist und in einer einseitig offenen Kokille geschäumt wird. Die so hergestellten Teile haben mindestens eine freigeschäumte, geometrisch interessante Fläche, während die anderen Flächen maßgenau geformt werden.
  • Es kann vorgesehen sein, daß in der Kokille eine gesteuerte Gasatmosphäre eingestellt und aufrechterhalten werden kann. Die geschlossene Kokille sollte einem Gasdruck zwischen 2 bis 5 bar widerstehen. Vorteilhaftervveise kann auch während des Aufschäumens eine Druckänderung durchgeführt werden - wobei dann, falls ein schlagartiges Absenken des Gasdrucks beim schäumenden Material durchgeführt wird, eine Herstellung von Metallschaum mit feinen und gleichmäßigeren Poren erfolgt. Die Atmosphäre in der Kokille während des Aufschäumens kann sowohl hinsichtlich ihrer Zusammensetzung als auch bevorzugt hinsichtlich des in der Kokille beim Aufschäumen herrschenden Drucks eingestellt werden. Als Gas eignet sich - falls Oxidation nur eine untergeordnete Rolle spielt, preiswerte Luft - es kann aber auch mit Inertgas, wie Edelgas oder jedes andere Gas, das mit dem zu schäumenden Material nicht in nennenswertem Maß reagiert - bspw. Stickstoff oder Argon - eingesetzt werden. Falls allerdings eine Gasreaktion mit Metallschaumkomponenten erwünscht ist - bspw. die Bildung von Nitriden bei Metallen - kann auch ein geeignetes reagierendes Gas eingesetzt werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kokille mindestens teilweise diatherman und der Form - oder Kokilleninhalt kann gezielt lokal durch gesteuerte Strahlung erwärmt und geschäumt werden. Dafür eignet sich bspw. ein entsprechender Laser mit Emissionswellenlängen im Bereich von um 3000 nm oder entsprechende andere thermische Strahler mit einem hohen Anteil an Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen ca 760 - 5000 nm bevorzugt.
  • Es ist sinnvoll das Form- oder Kokillenmaterial mit einem für das aufzuschäumende Material geeigneten Trennmittel zu bedecken - dies wird durch Auflegen von Folienlagen - wie Fasermatten oder Materialfolien, wie Metallfolien getan. Das Trennmaterial kann auch direkt in Folienform auf das schaumfähige Material aufgebracht werden. Das Trennfolienmaterial vermeidet Reaktionen zwischen Metallschaummaterial und Kokille, stellt eine Strukturoberfläche bei glatter Kokillenoberfläche her und kann die Relativbewegung des Metallschaums gegenüber der Form ermöglichen.
  • Es ist besonders bevorzugt, daß die Wärmestrahlung von steuerbaren Strahlern erzeugt wird, da so das Schäumen gezielt in Gang gesetzt werden kann und bspw. Bereiche der Kokille, die eine größere Metallschaumdicke herstellen sollen, mit entsprechend höherer Wärmeenergie versorgt werden. Es kann aber auch eine einzelne Strahlungsquelle, wie ein Laser, mit einer entsprechenden Strahlaufteilung eingesetzt werden. Die Strahlungsemission der Strahler wird bevorzugt durch geeignet angeordnete Sensoren überwacht und entsprechend den von diesen abgegebenen Meßsignalen gesteuert. Es kann so ein vorherbestimmtes Erwärmungsprofil eingestellt und durchgeführt werden, um Porenverteilung und das Aufschäumen gezielt zu steuern. Dies ist bei der Herstellung von Produkten mit ungleichmäßiger Dicke oder Dichte besonders wichtig, da eine gezielte Aufschäumfront erreicht werden muß, um ein Produkt gewünschter Porenverteilung, ohne unerwünschte Gaseinschlüsse, zu erhalten.
  • Falls das Verfahren kontinuierlich durchgeführt werden soll, ist es vorteilhaft, wenn die Kokille beidseitig offen ist und das schaumfähige Material in der offenen Kokille durch Strahlung gesteuert erwärmt und expandiert wird, während das schaumfähige Material kontinuierlich - bevorzugt mit einer Trennfolie - in die offene Form eingebracht wird.
  • Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der Betrachtung der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen gemeinsam mit den begleitenden Zeichnungen. Zum vollständigeren und kompletteren Verständnis der Natur und der Ziele der Erfindung wird auf die Zeichnungen bezug genommen, in denen zeigt:
    • Fig.1 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte;
    • Fig.2 eine perspektivische Teilansicht einer erfindungsgemäß einsetzbaren Anordnung zur Durchführung des Verfahrens;
    • Fig. 3 eine schematische Ansicht eines kontinuierlichen Verfahrens.
    • Fig. 4 eine Darstellung eines Aufschäumens in offener Form.
    • Fig. 5 eine Darstellung einer Form zur Herstellung von Winkelelementen
  • Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Herstellung von Metallschaumplatten beschrieben - diese ist aber keineswegs auf die dort genannten speziellen Materialien oder Formen eingeschränkt - nach diesem Verfahren können ebenso andere schmelzfähige Metalle, wie Nickel, Zinn, Aluminium, Magnesium, Silicium, Titan, Metallegierungen, wie Bronze; Glas oder auch Gläser, schmelzbare Kunststoffe bei hohen Temperaturen geschäumt werden.
    • Ausführungsbeispiele: Beispiel 1 Aufschäumen von Zink
  • Schäumfähiges pulvermetallurgisch hergestelltes Zinkhalbzeug 14 einer Zn Legierung mit 14 Gew.% Al, 0,8 Gew.% ZrH2, 84,2 Gew.% Zn hergestellt durch Kaltkompaktieren von Pulvermaterial, wird in eine aus diathermaner Siliciumkeramik mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 0,5 K-1 bestehende abdichtbare Kastenform 10 mit Überdruckventil - wie sie schematisch in Fig. 2 dargestellt ist - eingebracht und der Deckel der Kastenform gasdicht geschlossen. Die Keramik-Kastenform wird vor dem Einbringen des Zinkhalbzeugs mit Trennmittel behandelt.
  • Anschließend wird die Form evakuiert, mit Argon begast und ein Überdruck von 2 bar in der Form eingestellt. Optisch ausgerichtete Strahlung mit einem Emissionswellenmaximum im Bereich von 3000 - 5000 nm - wird - entsprechend einer vorher durchgeführten Pyrometermessung des Strahlungsprofils - auf die diathermanen Formoberflächen entsprechend dem vorbestimmten Wärmeprofil unter Aufschäumen des schaumfähigen Materials gerichtet. Nach einer vorherbestimmten Zeit wird die Wärmestrahlung abgeschaltet und die Form durch Luftzirkulation mittels Ventilator schnell abgekühlt. Die fertig geschäumte Zinkschaumplatte wird entformt. Die so hergestellte Platte wies eine sehr hohe Formtreue und gleichmäßige Schaumqualität auf.
    • Beispiel 2 Aufschäumen von Aluminium
  • Kalt- oder warm bzw. heisskompaktierte schaumfähige pulvermetallurgisch hergestellte Materialteile 14 aus AlMg0,6Si0,4 mit 0,4% TiH2 werden in eine schließbare diathermane Kokille 10 aus Y2O3-Keramik quadratischen Grundrisses einer Wandstärke von 1 cm und einer Fläche von 1 m x 1m eingelegt und diese geschlossen. Die untere Form- oder Kokillenfläche ist gleichmäßig auf ihrer Unterseite durch stiftartige Träger 18 flächig abgestützt, um eine Verformung derselben beim Einbringen des schweren Metalls zu vermeiden. Es wird nun thermische Strahlung aus Brennern 16 mit einem Emissionsmaximum im Bereich von über 3000 nm über ein Meßfeld gesteuert - gleichmäßig auf die untere und obere Form- oder Kokillenoberfläche gerichtet, wodurch das schaumfähige Material erhitzt, aufschäumt und die Kokille füllt. Die Temperatur des Materials beim Schäumen beträgt ca 600°C. Hier wird das Form- oder Kokillenmaterial durch eine graphit-haltige Folie, die vor Einbringen des Halbzeugs auf die Form- oder Kokillenoberflächen aufgebracht wird, geschützt. Das Aufschäumen erfolgt hier ohne Schutzgas. Danach wird die Kokille geöffnet und die aufgeschäumte Aluminiumschaumplatte entnommen. Die Platte besaß hohe Maßhaltigkeit und gleichmäßige Porenvertei-lung.
    • Beispiel 3 Aufschäumen von Aluminium
  • Das Verfahren wurde wie im Beispiel 2 durchgeführt, wobei die Form 10 während des Aufschäumens unter einem N2-Überdruck von 2,5 bar während des Aufschäumens gehalten wurde. Das so erhaltene Formteil besaß kleinere Poren und dünnere Porenwände. Es wurde gefunden, daß über den Forminnendruck sowie die Art des beim Aufschäumen anwesenden Gases die Porengröße und Wandstärke des entstehenden Metallschaums gesteuert werden kann.
    • Beispiel 4 Herstellung eines winkelförmigen Teils
  • Eine gewinkelte Form, die mindestens teilweise aus einem diathermanen Keramikmaterial (s. schematische Darstellung in Fig. 4) besteht, wird mit Kohlenstoff 12 beschichtet und sodann schaumfähiges Material 14 in dieselbe eingebracht. Das weitere Aufschäumen erfolgt wie in Beispiel 2 beschrieben.
    • Beispiel 5 Schäumen in offener Form
  • Eine kastenförmige Form, wie in Fig. 4 dargestellt, mit einer Bodenfläche aus diathermaner Keramik wird durch flächig angeordnete gesteuerte Strahler 16 mit einem Emissionswellenlängenmaximum bei 3050 nm gleichmäßig erhitzt. Es wurden kaltkompaktierte Halbzeugteile 14 aus AISi10Mg1 mit 0,4% TiH2 auf Kupferfolie 12 eingelegt. Es entsteht ein Schaumteil mit exakten, Kupfer aufweisenden Grund- und Seitenflächen, während die Oberfläche eine geometrisch frei geschäumte, optisch ansprechende Form aus Aluminiumlegierung aufweist. Derartige Teile eignen sich bspw. dann, falls aus eine frei aufgeschäumte Fläche des fertigen Bauteils nicht stört oder erwünscht ist und der Aufwand des Formschließens vermieden werden kann.
    • Beispiel 6 Kontinunierliches Verfahren
  • Eine zweiseitig offene Kokille aus Keramik mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 0,5 K-1 wird kontinuierlich einseitig mit trennmittelfolienbelegtem schäumbarem Material 14 einer Aluminiumlegierung mit TiH2 als Treibmittel beschickt. An einer vorbestimmten Fläche der Kokille 10 wird gesteuert ungleichmäßig Wärmestrahlung eingebracht und so der Schäumvorgang gestartet und abgeschlossen. Das schäumende Metall schäumt nun den Raum zwischen der Form- oder Kokillendeckel und Form- oder Kokillenboden aus, wobei die Metallschaumoberfläche stets durch die Trennfolie bedeckt ist, um die Form vor Ankleben des Metallschaums zu schützen, kühlt während des Transports ab und verläßt die Kokille auf der anderen Seite. An der Austrittsseite kann das kontinuierlich austretende Schaumprodukt mit Trennfolie sodann in gewünschter Weise weiterbehandelt werden, bspw. durch Wasserstrahl, Laser od. dgl. auf die gewünschten Längen geschnitten werden. Die Form oder Kokille kann auch selbst gemeinsam mit dem aufzuschäumenden Material an einem entsprechenden Strahlungsfeld vorbeigeführt werden.
    • Beispiel 7 Mg-Schaum
  • Eine Mg-Pulvermischung mit 9% Al, 1 %Zn + 1% TiH2 wurde kaltisostatisch kompaktiert und dann bei 400 C zu langen Profilen 20x5 mm stranggepresst. Das so hergestellte aufschaumbare Halbzeug wurde in eine schliessbare zweiteilige Kokille aus Graphit gelegt und in einem wassergekuhltem Infrarotofen bis 650 C aufgeheizt. Der Innenraum des Infrarotofens sowie der Kokille wurde wahrend des Aufheizens mit Argongas gespullt. Die Temperatur der Kokille wurde gemessen und gesteuert. Die IR-Strahlung führte zu hohen Aufheizgeschwindigkeiten (bis ca. 15 K/s), wobei die Aufschäumtemperatur von 650 C nicht uberschritten wurde. Nach dem Abschalten der IR-Heizung erfolgte schnelles Abkuhlen. Der fertige Mg-Schaum besitzt excellente Massgenauigkeit und gleichmassige und feinporige Struktur.
  • Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die exakte Konstruktion oder Zusammensetzung der aufgeführten oder beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt, sondern es sind unterschiedliche Abänderungen ohne Abweichen von Kern- und Schutzumfang der Erfindung für den Fachmann offensichtlich.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung von massgenauem Metallschaum aus schaumfähigem, pulvermetallurgisch hergestelltem Metallhalbzeug mit einem Schmelzpunkt >200°C mit:
    - Vorlegen einer bis zum Schmelzpunkt des schaumfähigen Materials hitzebeständige Kokille mit mindestens einer strahlungsdurchlässigen Wand mit einem Ausdehnungskoeffizienten von < 3K-1, geschützt durch Trennfolienmaterial;
    - Einbringen von bei T>200°C schaumfähigem Material in diese Kokille in Kontakt mit Trennfolienmaterial;
    - gesteuertem Erhitzen des schaumfähigen Materials in der Kokille unter Aufschäumen und massgenauem Formen von Flächen des Schaums unter im wstl. Ausfüllen der Form durch in der Energieabgabe gesteuerte Strahler, die auf oder durch die strahlungsdurchlässige Wand der Kokille angewendet werden; und
    - Entformen des so aufgeschäumten Schaums.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille mindestens teilweise diatherman ist.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille nach dem Erhitzen gesteuert abgekühlt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schäumen unter gesteuerter Gasatmosphäre eines Drucks bis zu 5 bar durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille mindestens einseitig offen ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille beidseitig offen ist, wobei das schaumfähige Material einseitig in die Kokille eingebracht wird, in der Kokille in einem ausgewählten Bereich gesteuert erwärmt und so aufgeschäumt wird, dass dieses an der anderen Seite entsprechend der Kokillenform strangartig geschäumt wieder heraustritt.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsemission der Strahler durch Sensoren überwacht und entsprechend dem Überwachungssignal gesteuert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille dünnwandig ist, wobei mindestens eine Wand derselben bevorzugt eine Dicke von 2 - 20 mm, besonders bevorzugt eine Dicke von 1 - 10 mm und ganz besonders bevorzugt von 2- 4 mm aufweist.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wand der Kokille durch Stützen extern abgestützt ist.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützen steuerbar sind und die Kokille gegenüber einer Grundplatte niedrigerer Temperatur steuerbar abstützen.
  11. Vorrichtung zur Herstellung von massgenauen thermisch geschäumten Metallschaumteilen, gekennzeichnet durch :
    eine dünnwandige, bei der Schmelztemperatur des Metallschaums stabile Kokille mit einem Ausdehnungskoeffizienten von < 3 K-1, geschützt durch Trennfolienmaterial;
    - eine steuerbare Bestrahlungseinrichtung, und
    - eine Steuerung, die aufgrund der Messung einer Strahlungsmesseinrichtung die Bestrahlungseinrichtung steuert.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die dünnwandige, bei der Schmelztemperatur des Metallschaums stabile Kokille diatherman ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11 - 12, dadurch gekennzeichnet, das die Kokille gasdicht verschliessbar ist sowie mindestens einen Gasein- und auslass aufweist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille beidseitig offen ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 12 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille aus Graphit ist.
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