EP2481497A1 - Verfahren zum Herstellen eines metallischen Bauteils - Google Patents

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EP2481497A1
EP2481497A1 EP11190029A EP11190029A EP2481497A1 EP 2481497 A1 EP2481497 A1 EP 2481497A1 EP 11190029 A EP11190029 A EP 11190029A EP 11190029 A EP11190029 A EP 11190029A EP 2481497 A1 EP2481497 A1 EP 2481497A1
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fiber fleece
metal
metal fiber
pressure
thixotropic
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EP11190029A
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Norbert Donath
Anton Wecker
Lars Maaß
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Bayerische Motoren Werke AG
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21H—MAKING PARTICULAR METAL OBJECTS BY ROLLING, e.g. SCREWS, WHEELS, RINGS, BARRELS, BALLS
    • B21H8/00—Rolling metal of indefinite length in repetitive shapes specially designed for the manufacture of particular objects, e.g. checkered sheets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/004—Thixotropic process, i.e. forging at semi-solid state

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a metallic component by forming a heated to the thixotropic state, metallic nonwoven fabric, according to the preamble of claim 1 or 2.
  • the air inclusions during pressing of the thixotropically heated metal fiber fleece are selectively expelled in the rolling direction of the pressure roller and can escape freely there from the still unpressed and air-permeable nonwoven material, so that a bubble or voids formation is effectively prevented in the finished component , with the further effect that compliance with the narrow thixotropic temperature window is limited to the relatively narrow contact area of the pressure roller and therefore does not have to be distributed homogeneously over the entire component surface at the time of forming, which considerably simplifies the process-dependent close temperature control.
  • even metallic sheet metal strips of any length can be produced in a production-technically simple manner by means of the thixoforming of a metal fiber fleece.
  • a significant improvement in the mechanical component properties is achieved in a particularly preferred embodiment of the invention in that a reinforcement is inserted into the metal fiber fleece prior to the Thixoumformung and this is impregnated under the action of the pressure roller (s) with the metallic nonwoven material as a matrix, wherein the pressure roller deformation of the nonwoven fabric contributes significantly to a bubble-free, material or at least positive engagement of the reinforcement in the metal matrix.
  • a reinforcement is inserted into the metal fiber fleece prior to the Thixoumformung and this is impregnated under the action of the pressure roller (s) with the metallic nonwoven material as a matrix, wherein the pressure roller deformation of the nonwoven fabric contributes significantly to a bubble-free, material or at least positive engagement of the reinforcement in the metal matrix.
  • preferably unidirectional or multidirectional or even quasi-isotropically oriented metallic, but also non-metallic reinforcing fibers are used as reinforcement
  • carbon fibers which are temperature resistant with respect to the Thixotemperatur of the nonwoven material.
  • the metal fleece is expediently preheated close to the thixo state before the pressure roller contact, and inductive heating of the metal fleece is preferred in view of rapid full volumetric heating.
  • the manufacturing quality of the components can be further improved by pre-compacting the metal fleece prior to the thixotropic pressure roll forming and subsequently recalibrating it by means of a pressure feed.
  • a nonwoven fabric which, as preferred, contains aluminum as its main component
  • a nonwoven fabric which, as preferred, contains aluminum as its main component
  • another advantage of the claimed method is shown.
  • the oxide layer is at the Thixoumformung an aluminum nonwoven fabric at The compaction of the aluminum fibers broken, so that the microstructure in the finished aluminum part of the oxide formation of the starting material remains largely unaffected.
  • a metal fiber fleece 1 made of aluminum or an aluminum alloy is placed on a forming bed 2 and locally doubled by an additional non-woven pad 3, so as to produce an aluminum part 4 with a changing wall thickness.
  • the fiber web 1 is heated in the contact area of the pressure roller 5 in the thixotropic state and pressed together, on the fiber material, a homogeneous aluminum part 4 is formed, the air inclusions in the fiber web 1 under the effect of Pressure roller 5 are squeezed out in the direction of forward and can escape freely from the still air-permeable nonwoven fabric 1 there.
  • the fiber material is preheated in the running direction in front of the pressure roller 5 to near the thixotemperature by means of an induction heater 6 effective between the forming bed 2 and the fleece top side.
  • multilayer - reinforcement 7 which consists of a metallic thread mesh or a densely perforated perforated plate, but also from non-metallic, unidirectional or multidirectional to quasi-isotropically oriented reinforcing fibers, such as may consist of carbon.
  • the reinforcement 7 is impregnated with the thixotropic nonwoven material, so that the component 4 has a homogeneous metal structure with an at least positive and a metallic reinforcement in it 7 depending on the fleece and reinforcing material also integrally integrated reinforcement 7, through which the material properties are significantly improved over a pure single-component.
  • a plurality of layers consisting of an upper and a lower metallic fiber fleece layer 9.1, 9.2 and an intermediate reinforcement 10, for example a carbon fiber fabric, are respectively drawn from a supply roll 11.1, 11.2 and 12 and between two pre-press rolls 13 merged and precompressed to a denser composite material.
  • the precompressed, but still flexible composite material 9, 10 passes through a heating device 14, at which it is preheated to a temperature level even below the thixotropic state of the metal fibers of the fiber fleece layers 9.
  • the thus preheated, but still inhomogeneous composite material 9, 10 is then heated in the nip of two pressure rollers 15.1, 15.2 to the thixotropic state and simultaneously the nonwoven layers 9 in this state by the Walzenandruck to an endless metal strip 8 with a homogeneous metal structure 16 and in this matrix-embedded reinforcement 10 is pressed.
  • the thixotropic nonwoven fabric material is made to flow uniformly, so that even the finest structures of the reinforcing fibers 10 are enclosed by this and thereby cavities are filled. This forms a positive connection and depending on the nature of the reinforcing material also creates a local material bond. Subsequently, a recalibration is still carried out on a pair of rollers 17 in order to prevent a solidification porosity.

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Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Bauteils, bei dem ein metallisches Faservlies (11) auf den thixotropischen Zustand aufgeheizt und in diesem Zustand unter Druckeinwirkung zu einer kompakten Metallstruktur umgeformt wird, mit dem sich erfindungsgemäß durch die Thixoumformung des Metallfaservlieses problemlos auch ausgedehntere Bauteile (8) auf baulich und steuerungsmäßig einfache Weise mit hochwertigen mechanischen Eigenschaften dadurch herstellen lassen dass das Metallfaservlies in den jeweiligen Grenzen des Kontaktbereichs mindestens einer oberflächenseitig über dieses geführten Druckwalze (15) im thixotropen Zustand gehalten und gleichzeitig unter der Wirkung des Walzenandrucks zu einer homogenen Metallstruktur (16) verdichtet wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Bauteils durch Umformen eines auf den thixotropen Zustand erwärmten, metallischen Faservlieses, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2.
  • Es ist bekannt, dass metallische Werkstoffe in einem engen Temperaturintervall kurz unterhalb der Liquidustemperatur in den thixotropen Zustand gelangen und sich dann mit geringem Energieaufwand zu Bauteilen mit hohen mechanischen Kennwerten umformen lassen. Nach dem in der DE 10 2009 015 418 A1 offenbarten Verfahren der eingangs genannten Art wird als in dieser Hinsicht besonders vorteilhaftes Ausgangsmaterial ein Metallfaservlies verwendet, welches in einem Pressenwerkzeug in den thixotropen Zustand aufgeheizt und zu einem homogen strukturierten Bauteil verpresst wird, wobei sich die mechanischen Eigenschaften noch dadurch deutlich verbessern lassen, dass in das Faservlies eine Armierung eingelegt wird, die dann bei der thixotropen Faservliesumformung im Pressenwerkzeug - anders als bei Verbundbauteilen, die aus einer hochfesten Zwischenschicht und auf diese lediglich aufplattierten Deckschichten bestehen - vollständig mit dem metallischen Vliesmaterial als Matrix durchtränkt wird. Problematisch bei einer solchen thixotropen Faservliesumformung ist jedoch, dass beim Verpressen des Faservlieses Lufteinschlüsse im Thixomaterial verbleiben können, die sich dann im fertigen Bauteil als festigkeits- und steifigkeitsmindernde Lunkerstellen zeigen. Hinzukommt, dass sich die Einstellung einer homogenen Temperaturverteilung bei gleichzeitig engem Temperaturfenster vor allem bei ausgedehnteren Bauteilen äußerst aufwändig und kostenintensiv gestaltet.
  • Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, dass sich durch eine Thixoumformung eines Metallfaservlieses problemlos auch ausgedehntere Bauteile auf baulich und steuerungsmäßig einfache Weise mit hochwertigen mechanischen Eigenschaften herstellen lassen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 bzw. 2 gekennzeichnete Herstellungsverfahren gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird aufgrund der beanspruchten Druckwalzenumformung sichergestellt, dass die Lufteinschlüsse beim Verpressen des thixotrop erwärmten Metallfaservlieses gezielt in Rollrichtung der Druckwalze ausgetrieben werden und aus dem dort noch unverpressten und luftdurchlässigen Faservliesmaterial frei entweichen können, so dass eine Blasen- oder Lunkerbildung im fertigen Bauteil wirksam unterbunden wird, mit dem weiteren Effekt, dass die Einhaltung des engen thixotropen Temperaturfensters auf den relativ schmalen Kontaktbereich der Druckwalze beschränkt ist und daher im Umformzeitpunkt nicht homogen über die gesamte Bauteilfläche verteilt sein muss, wodurch sich die prozessbedingt enge Temperatursteuerung erheblich vereinfacht. Darüberhinaus lassen sich mit der Erfindungsvariante nach Anspruch 2 im Wege der Thixoumformung eines Metallfaservlieses sogar metallische Blechbänder in beliebiger Länge auf fertigungstechnisch einfache Weise herstellen.
  • Eine deutliche Verbesserung der mechanischen Bauteileigenschaften wird in besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielt, dass in das Metallfaservlies vor der Thixoumformung eine Armierung eingelegt und diese unter der Einwirkung der Druckwalze(n) mit dem metallischen Faservliesmaterial als Matrix durchtränkt wird, wobei die Druckwalzenumformung des Faservlieses ganz wesentlich zu einer blasenfreien, stoff- oder zumindest formschlüssigen Einbindung der Armierung in die Metallmatrix beiträgt. Als Armierung werden je nach Richtung der für das Bauteil vorgesehenen Betriebslasten vorzugsweise uni- oder multidirektional oder auch quasi-isotrop orientierte metallische, aber auch nicht-metallische Verstärkungsfasern verwendet, und zwar mit besonderem Vorteil Carbonfasern, die bezüglich der Thixotemperatur des Vliesmaterial temperaturbeständig sind.
  • Um die Aufheizzeit des Metallfaservlieses im Kontaktbereich der Druckwalze(n) zu verkürzen, wird das Metallvlies vor dem Druckwalzenkontakt zweckmäßigerweise bis nahe an den Thixozustand vorgewärmt, und im Hinblick auf eine rasche vollvolumetrische Aufheizung wird eine induktive Erwärmung des Metallvlieses bevorzugt.
  • Die Fertigungsqualität der Bauteile lässt sich dadurch weiter verbessern, dass das Metallvlies vor der thixotropen Druckwalzenumformung vorverdichtet und im Anschluss an diese durch eine Drucknachspeisung nachkalibriert wird.
  • Bei Verwendung eines Faservlieses, welches, wie bevorzugt, als Hauptbestandteil Aluminium enthält, zeigt sich ein weiterer Vorteil des beanspruchten Verfahrens. Anders nämlich als bei einem massiven Aluminiumblech, welches unter Umgebungsluft auf der Außenseite bekanntlich eine dünne Oxidhaut bildet, die sich nur aufwändig entfernen lässt und dann bei einer thixotropen Blechumformung die Gefügestruktur des Aluminiumteils signifikant verschlechtert, wird bei der Thixoumformung eines Aluminium-Faservlieses die Oxidschicht bei der Verdichtung der Aluminiumfasern aufgebrochen, so dass die Gefügestruktur im fertigen Aluminiumteil von der Oxidbildung des Ausgangsmaterials weitgehend unbeeinträchtigt bleibt.
  • Die Erfindung wird nunmehr an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:
    • Fig. 1
    die Herstellung eines durchgehend materialreinen Bauteils aus einem Metallfaservlies mittels einer thixotropen Druckwalzenumformung nach der Erfindung;
    Fig. 2
    eine der Fig. 1 entsprechend Darstellung einer thixotropen Druckwalzenumformung eines Metallfaservlieses mit eingelegter Armierung; und
    Fig. 3
    die Herstellung eines armierten Endlos-Blechbandes nach der Erfindung.
  • Gemäß Fig. 1 wird ein Metallfaservlies 1 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf ein Umformbett 2 aufgelegt und dabei örtlich durch eine zusätzliche Vliesauflage 3 gedoppelt, um so eine Aluminiumteil 4 mit einer sich ändernden Wandstärke zu erzeugen. Mittels einer beheizten und in Pfeilrichtung über das Faservlies 1 gerollten Druckwalze 5 wird das Faservlies 1 im Kontaktbereich der Druckwalze 5 in den thixotropen Zustand erwärmt und so zusammengepresst, aufs dem Fasermaterial ein homogenes Aluminiumteil 4 entsteht, wobei die Lufteinschlüsse im Faservlies 1 unter der Wirkung der Druckwalze 5 in deren Laufrichtung nach vorne ausgequetscht werden und aus dem dort noch luftdurchlässigen Faservlies 1 frei entweichen können.
  • Um den für den Thixozustand erforderlichen Wärmeeintrag der Druckwalze 5 zu reduzieren, wird das Fasermaterial in Laufrichtung vor der Druckwalze 5 durch eine zwischen Umformbett 2 und Vliesoberseite wirksame Induktionsheizung 6 bis nahe an die Thixotemperatur vorgewärmt.
  • Die Ausführungsform nach Fig. 2, wo die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Komponenten durch das gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind, unterscheidet sich von diesem hauptsächlich dadurch, dass in das Metallfaservlies 1 eine - in diesem Fall mehrlagige - Armierung 7 eingelegt ist, welche aus einem metallischen Fadengeflecht oder einem dicht perforierten Lochblech, aber auch aus nicht-metallischen, uni- oder multidirektional bis hin zu quasi-isotrop orientierten Verstärkungsfasern, etwa aus Carbon bestehen kann. Bei der Thixoumformung des Metallvlieses wird die Armierung 7 mit dem thixotropen Vliesmaterial dürchtränkt, so dass das Bauteil 4 eine homogene Metallstruktur mit einer in diese zumindest form- und bei einer metallischen Armierung 7 je nach Vlies- und Armierungsmaterial auch stoffschlüssig eingebundenen Armierung 7 aufweist, durch welche die Materialeigenschaften gegenüber einem reinen Einstoff-Bauteil deutlich verbessert werden.
  • Gemäß Fig. 3 werden zur Herstellung eines armierten Blechbandes 8 mehrere Schichten, bestehend aus einer oberen und einer unteren, metallischen Faservliesschicht 9.1, 9.2 und einer dazwischen liegenden Armierung 10, etwa eines Carbonfasergeleges, jeweils von einer Vorratsrolle 11.1, 11.2 bzw. 12 abgezogen und zwischen zwei Vorpresswalzen 13 zusammengeführt und zu einem dichteren Materialverbund vorverdichtet. lm nächsten Schritt durchläuft der vorverdichtete, aber noch flexible Materialverbund 9, 10 eine Heizeinrichtung 14, an der er auf ein Temperaturniveau noch unterhalb des thixotropen Zustandes der Metallfasern der Faservliesschichten 9 vorgeheizt wird. Der so vorgeheizte, aber noch inhomogene Materialverbund 9, 10 wird anschließend im Walzenspalt zweier Druckwalzen 15.1, 15.2 auf den thixotropen Zustand erwärmt und gleichzeitig werden die Faservliesschichten 9 in diesem Zustand durch den Walzenandruck zu einem Endlos-Blechband 8 mit einer homogenen Metallstruktur 16 und in diese als Matrix eingebetteten Armierung 10 verpresst.
  • Durch die injizierte Scherrate des Druckwalzenpaares 15 wird das thixotrope Faservliesmaterial gleichförmig zum Fließen gebracht, so dass selbst feinste Strukturen der Armierungsfasern 10 von diesem umschlossen und dabei Hohlräume gefüllt werden. Hierbei bildet sich ein Formschluss und je nach Beschaffenheit des Armierungsmaterials entsteht auch ein lokaler Stoffschluss. Anschließend erfolgt noch an einem Walzenpaar 17 eine Nachkalibrierung, um eine Erstarrungsporosität zu unterbinden. Mit dieser Erfindungsvariante ist es möglich, Blechbänder 16 beliebiger Länge anzufertigen und dabei die eingelegte Armierung 10 absolut lagestabil in das metallische Vliesmaterial einzubetten. Erreicht wird dies durch die charakteristische Eigenschaft, dass das Faservlies 9 im thixotropen Zustand eine stark reduzierte Viskosität aufweist und auch die Druckbeaufschlagung im Walzenspalt des Druckwalzenpaares 15 keine unkontrollierte Positionsverschiebung der Armierung 10 verursacht.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Herstellen eines metallischen Bauteils, bei dem ein metallisches Faservlies auf den thixotropischen Zustand aufgeheizt und in diesem Zustand unter Druckeinwirkung zu einer kompakten Metallstruktur umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
    das Metallfaservlies in den jeweiligen Grenzen des Kontaktbereich mindestens einer oberflächerseitig über dieses geführten Druckwalze im thixotropen Zustand gehalten und gleichzeitig unter der Wirkung des Walzenandrucks zu einer homogenen Metallstruktur verdichtet wird.
  2. Verfahren zur Herstellung eines fortlaufenden Blechbandes, dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Endlos-Metallfaservlies im Walzenspalt zweier Druckwalzen im thixotrop erwärmten Zustand zu einem homogen strukturierten Blechband umgeformt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in das Metallfaservlies vor der Thixoumformung eine Armierung eingelegt und diese im Wirkbereich der Druckwalze(n) mit dem metallischen FaserVliesmaterial als Matrix durchtränkt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierung aus uni- oder multidirektional verlaufenden Verstärkungs-, vorzugsweise Carbonfasern besteht.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    das Metallfaservlies vor dem Druckwalzendurchlauf bis nahe an den thixotropen Zustand vorgewärmt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    das Metallfaservlies induktiv erwärmt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    das Metallfaservlies im Anschluss an die thixotrope Druckwalzenumformung durch eine Drucknachspeisung nachkalibriert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    das Metallfaservlies vor der Thixoumformung vorverdichtet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    das Metallfaservlies als Hauptbestandteil Aluminium enthält.
EP20110190029 2011-02-01 2011-11-22 Verfahren zum Herstellen eines metallischen Bauteils Not-in-force EP2481497B1 (de)

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