EP4337405A1 - Process for producing a porous metallic or ceramic component and a component produced with the process - Google Patents

Process for producing a porous metallic or ceramic component and a component produced with the process

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Publication number
EP4337405A1
EP4337405A1 EP22729448.5A EP22729448A EP4337405A1 EP 4337405 A1 EP4337405 A1 EP 4337405A1 EP 22729448 A EP22729448 A EP 22729448A EP 4337405 A1 EP4337405 A1 EP 4337405A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
suspension
semi
volume
finished product
ceramic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22729448.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Alexander Füssel
Gisela Standke
Daniela Haase
Jörg ADLER
Ulf Waag
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Hollomet GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Hollomet GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hollomet GmbH, Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Hollomet GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
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    • C04B35/62625Wet mixtures
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    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/63Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B using additives specially adapted for forming the products, e.g.. binder binders
    • C04B35/632Organic additives
    • C04B35/636Polysaccharides or derivatives thereof

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a porous metallic or ceramic component and one produced using the method
  • Porous components are used in a wide variety of technical areas. They are used for filtering or absorbing solid or liquid media, but also as heat exchangers. They often also serve as an isolator or damping element. In many applications an open porous structure is desirable. However, the open porosity leads to losses in strength and stability, so that for many applications it is necessary to use separate supporting frame structures which, although they ensure greater strength, are difficult or impossible to combine with an open-porous foam body with sufficient permanent strength - get tied.
  • the procedure is such that a semi-finished product is first prepared in a manner known per se, which has an open-pored structure , which with an open-cell foam body, which is formed from a polymeric material.
  • the polymeric material has been provided with a metallic coating or a coating formed with metallic or ceramic particles on the surfaces of webs of the foam body in such a way that an open-pored basic structure has been retained.
  • This can be done, for example, with a known CVD or PVD process, galvanically or by the so-called 3 named Schwartzwalder method, in which the webs have been provided with a coating containing metallic or ceramic particles.
  • a semi-finished product obtained using the Schwartzwalder process should be dried before further processing to the extent that sufficient green strength has been achieved.
  • the corresponding known procedure is described, for example, in US Pat. No. S 0,900,94 B or US Pat. No. 3,111,396 B.
  • a blank made from a reticulated open-cell polyurethane foam is preferably used as an open-pored foam body formed from a polymeric material.
  • the entire range of commercially classified reticulated foams according to pores per inch (according to ASTM D3576-77) from 8 ppi to 100 ppi can be used as cell size for this purpose, but it is advantageous if coarser foams in the range 8 ppi -30 ppi are used .
  • the ppi values can easily be converted into pore sizes in mm using light-optical or computer tomographic methods.
  • open-pore structures formed from polymers can also be used, e.g. non-woven fabrics or grids manufactured using additive processes.
  • a suspension formed with metallic or ceramic particles, a liquid and a polymeric binder, which additionally contains gas bubbles that have previously been formed in the suspension, with a surface, is then applied to predetermined surface areas of a semi-finished product obtained in this way of the foamed body and formed into a predetermined shape. A part of this suspension penetrates into open pores of the foam body as a semi-finished product in a surface layer area.
  • Drying with a thermal treatment is then carried out, in which liquid contained in the suspension is first expelled, then or simultaneously polymeric components, in particular polymeric components of the binder and the polymeric material of the foam body, are removed and sintering is then carried out on this.
  • a first volume area with the metal or the 4 ceramic material that comes from the suspension which has a smaller porosity than the porosity of the semi-finished product, which has been obtained exclusively as a result of the gas bubbles contained in the suspension, and adjacent to this first volume area, a second volume area is formed, the is or can also be porous, and the second volume area with the metal or ceramic has been formed from the coating of the webs of the semi-finished product and the metal or ceramic of the suspension, these metals and/or ceramics being materially and positively bonded within the second Volume area are connected to each other.
  • the second volume area connects the first volume area with the metallic or ceramic open-pored structure of the open-pored third volume area obtained from the coated foam body, which has a greater porosity than the first volume area, in an edge layer area of the third volume area, which forms the second volume area .
  • the suspension with which the first and second volume areas of the component are formed can be produced in a manner known per se.
  • a suitable liquid with at least one polymeric binder and a proportion of metallic or ceramic powdered solid can be used for this purpose.
  • Gas bubbles can be incorporated into the suspension by mechanical stirring or by another method, for example a procedure as is known from DE 102010039 322 A1.
  • gases or gas mixtures can also be used, which can also have an inert effect, so that there is no adverse effect on the respective metal or the respective ceramic with which the component was ultimately formed.
  • Binders already used for such suspensions e.g. polyvinyl alcohols, can be used as polymeric binders. Defoamers should be avoided in any case. Water can preferably be used as the liquid. However, other liquids are also suitable, which Kings preferably have a lower boiling point than water.
  • a suspension should preferably be used to form the first and second 5 lumen range are used, which has a viscosity of at least 0.1 mPas.
  • the suspension should preferably also have a shear-thinning flow behavior with a pronounced yield point.
  • the suspension should contain gas bubbles alone or in addition, with a volume fraction of at least 5% and at most 50% of the total volume of the suspension.
  • the webs of the semi-finished product should be coated with the same metal or the same ceramic that was used to form the suspension for forming the first and second volume areas. It can be a pure metal of a chemical element, but it can also be an alloy. When using alloys, the alloy composition of the coating of the semi-finished product can differ from the alloy composition of the particles used for the suspension.
  • a second volume area can be formed with metal and ceramic material in the composite if the sintering temperatures and thermal expansion coefficients of the different materials allow this.
  • the suspension for forming the first and second volume area can be filled into at least one recess, depression, opening, which is formed on the semi-finished product, and/or into the interior of a mold that can be attached to the respective semi-finished product, before the thermal treatment is carried out which the component can ultimately be completed.
  • a mold that can be attached to the respective semi-finished product, before the thermal treatment is carried out which the component can ultimately be completed.
  • certain surface or edge layer areas of the respective component can be reinforced or connections formed there.
  • a mold can be temporarily connected to the semi-finished product or the 6
  • Semi-finished product can be inserted into a frame-shaped mold, so that a suspension containing gas bubbles can be filled into at least one gap between the surface of the semi-finished product and the inner wall of the respective mold, in order to form a first volume area there and a second volume area directly next to it by penetration of the suspension into open pores of the semi-finished product to be able to
  • a mold can completely enclose the semi-finished product.
  • it can also be sufficient to fix a molding tool to a partial area of the surface of a semi-finished product and then to fill the suspension there into the gap or a cavity between the surface of the semi-finished product and the inner wall of the molding tool.
  • hollow profiles with a round or square cross-section that can enclose a semi-finished product can be used as a mold.
  • corresponding segments of such profiles, such as circular segments can also be used as forming tools.
  • the penetration depth of the suspension in the pores of the semi-finished product, starting from the surface of the semi-finished product, can be influenced by external forces, which in turn can selectively influence the thickness or width of an edge layer area that forms the second volume area.
  • the thickness or width should be at least 3 mm, starting from the surface of the semi-finished product towards its interior. As already mentioned, this thickness or width can also be selected to be smaller or larger. However, it should be large enough that the three volume areas can be connected to one another sufficiently firmly and a sharp boundary surface between the first and third volume areas can be avoided as far as possible.
  • the thickness or width required for this can be based on the cell width or pore size of the semi-finished product and should be at least a factor of 3 of the cell size or pore size of the semi-finished product.
  • a semi-finished product alone or a semi-finished product with a mold attached to it can be made to vibrate and/or pressure can be exerted on the suspension.
  • a medium gas or liquid
  • a medium that is under pressure above the ambient pressure can be used. 7 zen, whereby the higher pressure acts on the surface of the suspension and the suspension is pressed into open pores of the semi-finished product.
  • the width or thickness of the second volume area can be influenced. This can also be achieved with at least one vibrator attacking a mold or a semi-finished product.
  • a semi-finished product can be used that has a porosity in the range of 60% to 95% and/or a first and/or second volume area on the component with a porosity in the range of 0% to 55% can be formed with the suspension.
  • a corrosion-resistant FeCrAl alloy can advantageously be used as the metal.
  • Both oxidic and non-oxidic ceramics can be used as ceramic materials.
  • a component produced according to the invention has a first volume region
  • the first volume region has a smaller porosity than the third volume region, which is formed with the open-porous structure of the metallic or ceramic struts of the semi-finished product, the first volume region exclusively with the metal or the ceramic that / from
  • the porosity is determined by the number and size of the gas bubbles contained in the suspension. Adjacent to this first volume area, a second volume area is formed, which can also be porous but also impermeable. The second volume range is associated with the Me
  • the third volume area should have a porosity of at least 65% and the porosity in the second volume area, which is arranged between the first and the third volume area, should be smaller than in the first and the third volume area of the component.
  • a plurality of first and second volume regions which are arranged at a distance from one another, can be present on a component.
  • At least one externally accessible connection for electrical energy or the supply and/or removal of a medium from and/or into the component can be formed at least with the first volume region. It can represent a connection as an electrical contact for an electrical resistance heating element. In the case of an electrical resistance heating element, it is advantageous for a first volume region to have sufficient strength.
  • the first volume area can be positively and materially connected to the third volume area via the second volume area and the third volume area can enable an improved heating effect, in particular because of its large specific surface area.
  • areas can also be formed on a component that can fulfill a dowel function for anchoring elements, e.g. screws.
  • a frame can be formed in which the open-pored structure can be held and protected in a form-fitting and material-locking manner.
  • the invention can also be used for the production of components that are to be used in lightweight construction, automobile construction, electrical engineering and aerospace.
  • a metal foam plate with two compact, rectangular direct foam contacts was manufactured as a component as follows. To produce the component, a plate was used as a rough, rectangular metal foam with the dimensions 125 mm x 75 mm x 20 mm as a semi-finished product. In this case, two first volume areas should be formed on two sides arranged opposite one another, so that a square overall shape of the finished component of 125 mm ⁇ 125 mm ⁇ 20 mm can be obtained.
  • the coarse foam as a semi-finished product had a cell width of approx. 4.5 mm and a density of around 10% of the metal density of the semi-finished material.
  • the two first volume areas formed solely with the suspension achieved a sinter density of approx. 50% and there an average pore size of between 100 ⁇ m and 1500 ⁇ m and a porosity of 50% were obtained.
  • the production of the coarse foam as a semi-finished product was carried out according to the molding process by coating an open-cell polymer foam with the appropriate cell size using the squeeze-rolling process (Schwartzwalder process). preparation that is commercially available from Zschimmer&Schwarz) and additives (e.g.
  • the suspension with which the first and second volume areas are to be formed was produced separately in a batch process.
  • the basis is formed by the same suspension composition of metal powder, organic 10
  • Binders and rheological additives but this time without defoamers.
  • surfactant e.g. a fatty alcohol sulphate preparation from Zschimmer & Schwarz
  • Zschimmer & Schwarz a fatty alcohol sulphate preparation from Zschimmer & Schwarz
  • the foamed suspension in which gas bubbles were distributed as homogeneously as possible in the suspension, was then filled with a spatula into the free edge areas between the inner wall of the mold and the surface of the semi-finished product.
  • the flow behavior of the suspension foamed in this way was adjusted in such a way that it becomes flowable when the mold is gently vibrated by the vibrating plate, but remains motionless without the application of external force. In this way, the penetration of the suspension containing gas bubbles into the pores of the coarse metal foam that forms the semi-finished product can be controlled and a composite area of 1 to 2 cell levels (approx. 4.5 mm - 9 mm) can be set as the second volume area .
  • the second volume area has been formed, to which the first and third volume areas have been connected in a form-fitting and material-locking manner, and the second volume area has no porosity or a smaller porosity than the first volume area. Connections for electrical contacting could be formed with the first volume areas. All three volume ranges have been formed with the same metal 11
  • a ceramic component is to be manufactured using the same principle.
  • a ceramic suspension based on water is prepared. This contains a bimodal SiC grain distribution, produced by mixing SiC powders with an average grain diameter of 0.8 ⁇ m and 3.0 ⁇ m in a ratio of 70:30; also 0.6% boron (carbide) and 11% of a water-soluble polysaccharide (corresponds to 4% carbon after pyrolysis) as a sintering additive. The suspension is adjusted to a solids content of 78%.
  • a polyurethane foam with a cell width of 30 ppi (pores per inch) is impregnated with the suspension and the excess suspension is then separated off using a centrifuge.
  • a plate measuring 200 mm ⁇ 250 mm ⁇ 10 mm is mentioned as an example, which had two symmetrically arranged rectangular recesses measuring 20 mm ⁇ 50 mm on the outer edge and was used as a semi-finished product.
  • These recesses which represent a cavity that at least resembles the interior of a molding tool, were filled with a foamed suspension to form tighter contact terminals.
  • the recesses can be made in the foam body, for example, by laser or water jet cutting, and this should preferably be done before the polymer foam is coated, during which the semi-finished product is produced.
  • the device consists of a hollow steel cylinder with a length of 182 mm and an external diameter of 70 mm with a wall thickness of 2.9 mm.
  • This cylinder has a connection for the controllable compressed air supply.
  • a metal disc with a concentric nozzle At the end of the pipe there is a metal disc with a concentric nozzle, which can also be used as a hose connection.
  • the back of the tube is also sealed with a metal disk that has a through-hole with a diameter of 10 mm.
  • Inside the steel cylinder is a porous hollow cylinder with an outer diameter of approx. 25 mm and a wall thickness of approx. 2 mm, clamped between the two covers by sealing rings.
  • the porosity of the stainless steel tube is around 43%.
  • a static mixer from the SMX series (from Sulzer Chemtech AG) with a diameter of approx. 20 mm is located in the core of the tube.
  • the metal powder suspension is passed through this porous inner tube with the static mixer, while at the same time it is impinged by the compressed air at a pressure of approx. 0.3 MPa and an air volume flow of approx. 600 ml/min. This creates uniform air bubbles in the suspension.
  • the suspension foamed in this way can be filled into the recesses already formed in advance on the semi-finished product by switching the foaming device on and off.
  • the edge area, which forms the second volume area, should be about 4 mm thick in order to achieve a form-fitting and cohesive bond between the second and third volume area after sintering.

Abstract

In the process an open-cell polymeric foam body is provided with a metallic coating or coating at the surfaces of cell walls of the foam body. At the surface regions of the semifinished product a suspension formed with metallic or ceramic particles and which additionally contains gas bubbles is brought into contact with the surface of the foam body and into a predetermined shape. A portion of this suspension penetrates into open cells of the foam body. This is followed by a thermal treatment in which the liquid is driven out, polymeric components are removed and a sintering is subsequently performed. A first volume region comprising the metal or the ceramic deriving from the suspension and having a lower porosity is formed. A second volume region which is likewise porous and has been formed with the metal or the ceramic from the coating of the cell walls of the semifinished product with the metal or ceramic of the suspension is formed adjacent to this first volume region. The second volume region is joined to the third volume region obtained from the coated foam body.

Description

1 1
FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V., hollomet GmbH FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V., hollomet GmbH
Verfahren zur Herstellung eines porösen metallischen oder keramischen Bau teils sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Bauteil Process for the production of a porous metallic or ceramic construction part and a component produced with the process
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines porösen metalli- sehen oder keramischen Bauteils sowie ein mit dem Verfahren hergestelltesThe invention relates to a method for producing a porous metallic or ceramic component and one produced using the method
Bauteil. Poröse Bauteile kommen in den verschiedensten technischen Gebie ten zur Anwendung. Sie werden zur Filterung oder die Aufnahme von festen oder flüssigen Medien aber auch als Wärmetauscher eingesetzt. Sie dienen häufig auch als Isolator oder Dämpfungselement. Bei vielen Anwendungen ist eine offenporöse Struktur erwünscht. Die offene Porosität führt aber zu Fes- tigkeits- und Stabilitätseinbußen, so dass es für viele Anwendungen erforder lich ist, stützende gesonderte Rahmenstrukturen einzusetzen, die zwar eine höhere Festigkeit gewährleisten sich aber nicht oder nur schwer mit ausrei chender dauerhafter Festigkeit mit einem offenporösen Schaumkörper ver- binden lassen. component. Porous components are used in a wide variety of technical areas. They are used for filtering or absorbing solid or liquid media, but also as heat exchangers. They often also serve as an isolator or damping element. In many applications an open porous structure is desirable. However, the open porosity leads to losses in strength and stability, so that for many applications it is necessary to use separate supporting frame structures which, although they ensure greater strength, are difficult or impossible to combine with an open-porous foam body with sufficient permanent strength - get tied.
Problematisch ist es außerdem Anschlussmöglichkeiten an offenporöse Kör- 2 per zu schaffen, mit denen beispielsweise eine elektrische Kontaktierung für die Zufuhr elektrischer Energie oder eine Zu- und/oder Abführung eines Me diums, insbesondere eines Fluids möglich ist, wie dies beispielsweise bei elektrischen Heizelementen oder Wärmetauschern erforderlich ist. It is also problematic to connect to open-porous bodies To create 2 per, with which, for example, an electrical contact for the supply of electrical energy or a supply and / or removal of a Me medium, in particular a fluid is possible, as is required for example with electrical heating elements or heat exchangers.
Es ist bekannt, einen offenporösen Schaumkörper mit einem Rahmen oder anderen Elementen formschlüssig zu verbinden. Dabei treten aber Probleme bei einer dauerhaften Verbindung auf, da es zum Brechen von Stegen im Ver bindungsbereich infolge mechanischer Belastungen kommen kann. Diese Probleme können aber auch mit einer alleinigen oder zusätzlichen stoffschlüs sigen Verbindung nicht ausreichend berücksichtigt werden. Durch Schweißen, Löten oder Kleben treten an den Verbindungspunkten Schwachstellen oder Grenzflächen auf, die zum Bruch der Verbindung führen können. It is known to positively connect an open-pored foam body to a frame or other elements. In this case, however, problems arise with a permanent connection, since webs in the connection area can break as a result of mechanical stress. However, these problems cannot be adequately taken into account even with a sole or additional material-locking connection. Welding, soldering or gluing causes weak points or interfaces at the connection points that can lead to the connection breaking.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben mit denen die Stabilität offenporöser Bauteile erhöht und/oder Anschlussmöglichkeiten an eine offenporöse Struktur zu bieten, mit denen eine sichere und dauerhafte Zu- bzw. Abfuhr von Medien oder Energie erreicht werden kann. It is therefore the object of the invention to specify options with which the stability of open-pored components can be increased and/or to offer connection options to an open-pored structure with which media or energy can be supplied or removed safely and permanently.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 10 definiert ein entsprechend hergestelltes Bauteil. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden. According to the invention, this object is achieved with a method having the features of claim 1. Claim 10 defines a correspondingly manufactured component. Advantageous refinements and developments of the invention can be implemented with features identified in the dependent claims.
Bei der Herstellung der in Rede stehenden offenporösen metallischen und/oder keramischen Bauteile, das mindestens drei aneinander grenzende Volumenbereiche mit unterschiedlicher Porosität aufweist, wird so vorgegan gen, dass zuerst ein Halbzeug in an sich bekannter Art und Weise vorbereitet wird, das eine offenporöse Struktur aufweist, die mit einem offenporösen Schaumkörper, der aus einem polymeren Material gebildet ist. Das polymere Material ist dabei an den Oberflächen von Stegen des Schaumkörpers mit ei ner metallischen Beschichtung oder einer mit metallischen oder keramischen Partikeln gebildeten Beschichtung so versehen worden, dass eine offenporöse Grundstruktur erhalten geblieben ist. Dies kann beispielsweise mit einem an sich bekannten, CVD-, oder PVD-Verfahren, galvanisch oder nach dem so ge- 3 nannten Schwartzwalder-Verfahren, bei dem die Stege mit einer metallische oder keramische Partikel enthaltenden Beschichtung versehen worden sind, erreicht werden. Ein mit dem Schwartzwalder-Verfahren erhaltenes Halbzeug sollte vor der Weiterbearbeitung insoweit getrocknet werden, dass eine aus reichende Grünfestigkeit erreicht worden ist. Die entsprechende bekannte Vorgehensweise ist beispielsweise in US S 090094 B oder US 3 111 396 B be schrieben. In the manufacture of the open-pored metallic and/or ceramic components in question, which have at least three adjacent volume areas with different porosity, the procedure is such that a semi-finished product is first prepared in a manner known per se, which has an open-pored structure , which with an open-cell foam body, which is formed from a polymeric material. The polymeric material has been provided with a metallic coating or a coating formed with metallic or ceramic particles on the surfaces of webs of the foam body in such a way that an open-pored basic structure has been retained. This can be done, for example, with a known CVD or PVD process, galvanically or by the so-called 3 named Schwartzwalder method, in which the webs have been provided with a coating containing metallic or ceramic particles. A semi-finished product obtained using the Schwartzwalder process should be dried before further processing to the extent that sufficient green strength has been achieved. The corresponding known procedure is described, for example, in US Pat. No. S 0,900,94 B or US Pat. No. 3,111,396 B.
Als offenporöse Schaumkörper, der aus einem polymeren Material gebildet ist, wird vorzugsweise ein Zuschnitt aus einem retikulierten offenzeiligen Po lyurethanschaumstoff verwendet. Als Zellgröße ist hierzu der gesamte Bereich der kommerziell nach pores per inch (gemäß ASTM D3576-77) klassifizierten retikulierten Schaumstoffe von 8 ppi bis 100 ppi verwendbar, aber es ist vor teilhaft, wenn gröbere Schaumstoffe im Bereich 8 ppi -30 ppi verwendet wer den. Eine Umrechnung der ppi-Werte in Porengrößen in mm ist durch lichtop tische oder computertomografische Methoden leicht möglich. As an open-pored foam body formed from a polymeric material, a blank made from a reticulated open-cell polyurethane foam is preferably used. The entire range of commercially classified reticulated foams according to pores per inch (according to ASTM D3576-77) from 8 ppi to 100 ppi can be used as cell size for this purpose, but it is advantageous if coarser foams in the range 8 ppi -30 ppi are used . The ppi values can easily be converted into pore sizes in mm using light-optical or computer tomographic methods.
Aber es können auch andere offenporöse Strukturen, die aus Polymeren ge bildet werden, verwendet werden, z.B. Faservliese oder mittels additiven Ver fahren hergestellte Gitter. However, other open-pore structures formed from polymers can also be used, e.g. non-woven fabrics or grids manufactured using additive processes.
An einem so erhaltenen Halbzeug wird dann an vorgegebenen Oberflächen bereichen eine Suspension, die mit metallischen oder keramischen Partikeln, einer Flüssigkeit, und einem polymeren Binder gebildet ist, in der zusätzlich Gasblasen enthalten sind, die vorab in der Suspension gebildet worden sind, mit einer Oberfläche des Schaumkörpers in Kontakt und in eine vorgegebene Form gebracht. Dabei dringt ein Teil dieser Suspension in offene Poren des Schaumkörpers als Halbzeug in einen Randschichtbereich ein. A suspension formed with metallic or ceramic particles, a liquid and a polymeric binder, which additionally contains gas bubbles that have previously been formed in the suspension, with a surface, is then applied to predetermined surface areas of a semi-finished product obtained in this way of the foamed body and formed into a predetermined shape. A part of this suspension penetrates into open pores of the foam body as a semi-finished product in a surface layer area.
Nachfolgend wird eine Trocknung mit einer thermischen Behandlung durchge führt, bei der zuerst in der Suspension enthaltene Flüssigkeit ausgetrieben, danach oder gleichzeitig polymere Komponenten, insbesondere polymere Komponenten des Binders und das polymere Material des Schaumkörpers, entfernt werden und nachfolgend daran eine Sinterung durchgeführt wird. Drying with a thermal treatment is then carried out, in which liquid contained in the suspension is first expelled, then or simultaneously polymeric components, in particular polymeric components of the binder and the polymeric material of the foam body, are removed and sintering is then carried out on this.
Bei der Sinterung wird ein erster Volumenbereich mit dem Metall oder dem 4 keramischen Werkstoff, das/der der Suspension entstammt, gebildet, der eine kleinere Porosität als die Porosität des Halbzeugs aufweist, die ausschließlich infolge der in der Suspension enthaltenen Gasblasen erhalten worden ist, und angrenzend an diesen ersten Volumenbereich ein zweiter Volumenbereich ausgebildet wird, der ebenfalls porös ist oder sein kann, und dabei der zweite Volumenbereich mit dem Metall oder Keramik aus der Beschichtung der Stege des Halbzeugs und dem Metall oder der Keramik der Suspension gebildet worden ist, wobei diese Metalle und/oder Keramiken Stoff- und formschlüssig innerhalb des zweiten Volumenbereichs miteinander verbunden werden. Dadurch verbindet der zweite Volumenbereich den ersten Volumenbereich mit der metallischen oder keramischen offenporösen Struktur des offenporö sen aus dem beschichteten Schaumkörper erhaltenen dritten Volumenbe reich, der eine größere Porosität als der erste Volumenbereich aufweist, in einem Randschichtbereich des dritten Volumenbereichs, der den zweiten Vo lumenbereich bildet. During sintering, a first volume area with the metal or the 4 ceramic material that comes from the suspension, which has a smaller porosity than the porosity of the semi-finished product, which has been obtained exclusively as a result of the gas bubbles contained in the suspension, and adjacent to this first volume area, a second volume area is formed, the is or can also be porous, and the second volume area with the metal or ceramic has been formed from the coating of the webs of the semi-finished product and the metal or ceramic of the suspension, these metals and/or ceramics being materially and positively bonded within the second Volume area are connected to each other. As a result, the second volume area connects the first volume area with the metallic or ceramic open-pored structure of the open-pored third volume area obtained from the coated foam body, which has a greater porosity than the first volume area, in an edge layer area of the third volume area, which forms the second volume area .
Die Suspension mit der der erste und zweite Volumenbereich des Bauteils ausgebildet wird, kann in an sich bekannter Weise hergestellt werden. Dazu kann man eine geeignete Flüssigkeit, mit mindestens einem polymeren Binder und einem Anteil an metallischem oder keramischen pulverförmigen Feststoff einsetzen. In die Suspension können Gasblasen durch mechanisches Rühren oder mit einem anderen Verfahren, beispielsweise einer Vorgehensweise, wie sie aus DE 102010039 322 Al bekannt ist, eingelagert werden. Neben Luft können auch andere Gase oder Gasgemische eingesetzt werden, die auch inert wirken können, so dass keine nachteilige Beeinflussung des jeweiligen Metalls oder der jeweiligen Keramik, mit dem das Bauteil letztendlich gebildet worden ist, zu verzeichnen ist. The suspension with which the first and second volume areas of the component are formed can be produced in a manner known per se. A suitable liquid with at least one polymeric binder and a proportion of metallic or ceramic powdered solid can be used for this purpose. Gas bubbles can be incorporated into the suspension by mechanical stirring or by another method, for example a procedure as is known from DE 102010039 322 A1. In addition to air, other gases or gas mixtures can also be used, which can also have an inert effect, so that there is no adverse effect on the respective metal or the respective ceramic with which the component was ultimately formed.
Als polymere Bindemittel können üblicherweise für solche Suspensionen be reits genutzte Bindemittel, z.B. Polyvinylalkohole eingesetzt werden. Auf Ent schäumer sollte in jedem Fall verzichtet werden. Als Flüssigkeit kann bevor zugt Wasser eingesetzt werden. Es sind aber auch andere Flüssigkeiten geeig net, die bevorzugt eine kleinere Siedetemperatur als Wasser aufweisen kön nen. Binders already used for such suspensions, e.g. polyvinyl alcohols, can be used as polymeric binders. Defoamers should be avoided in any case. Water can preferably be used as the liquid. However, other liquids are also suitable, which Kings preferably have a lower boiling point than water.
Bevorzugt sollte eine Suspension zur Ausbildung des ersten und zweiten Vo- 5 lumenbereichs eingesetzt werden, die eine Viskosität von mindestens 0,1 mPas aufweist. Bevorzugt soll die Suspension weiterhin ein scherverdün nendes Fließverhalten mit einer ausgeprägten Fließgrenze aufweisen. Allein oder zusätzlich sollten in der Suspension Gasblasen, mit einem Volumenanteil von mindestens 5 % bis maximal 50 % des Gesamtvolumens der Suspension enthalten sein. A suspension should preferably be used to form the first and second 5 lumen range are used, which has a viscosity of at least 0.1 mPas. The suspension should preferably also have a shear-thinning flow behavior with a pronounced yield point. The suspension should contain gas bubbles alone or in addition, with a volume fraction of at least 5% and at most 50% of the total volume of the suspension.
Vorteilhaft sollten die Stege des Halbzeugs mit dem gleichen Metall oder der gleichen Keramik beschichtet werden, mit dem auch die Suspension zur Aus bildung des ersten und zweiten Volumenbereichs gebildet worden ist. Dabei kann es sich um reines Metall eines chemischen Elements aber auch um ent sprechende Legierungen handeln. Bei Einsatz von Legierungen kann die Legie rungszusammensetzung der Beschichtung des Halbzeugs von der Legierungs zusammensetzung der Partikel, die für die Suspension eingesetzt werden, ab weichen. Advantageously, the webs of the semi-finished product should be coated with the same metal or the same ceramic that was used to form the suspension for forming the first and second volume areas. It can be a pure metal of a chemical element, but it can also be an alloy. When using alloys, the alloy composition of the coating of the semi-finished product can differ from the alloy composition of the particles used for the suspension.
Es ist aber auch möglich, dass unterschiedliche Werkstoffe für die Beschich tung der Stege des Halbzeuges und für die Suspension zur Ausbildung des ers ten und zweiten Volumenbereiches verwendet werden. Dabei sollten die Aus dehnungskoeffizienten der Werkstoffe in einer ähnlichen Größenordnung liegen, und das thermische Verhalten in Abhängigkeit von der Sintertempera tur ähnlich sein. Zum Beispiel ist dies bei der Verwendung von Edelstahl und Zirkonoxid-Keramik der Fall. Unter ähnlich sollen in diesem Zusammenhang Abweichungen kleiner als 10% voneinander verstanden werden. So kann ein zweiter Volumenbereich mit Metall- und Keramikwerkstoff im Verbund aus gebildet werden, wenn die Sintertemperaturen und thermischen Ausdeh nungskoeffizienten der unterschiedlichen Werkstoffe dies ermöglichen. However, it is also possible for different materials to be used for the coating of the webs of the semi-finished product and for the suspension to form the first and second volume areas. The expansion coefficients of the materials should be in a similar range and the thermal behavior should be similar depending on the sintering temperature. This is the case, for example, when using stainless steel and zirconium oxide ceramics. In this context, similar should be understood to mean deviations of less than 10% from one another. A second volume area can be formed with metal and ceramic material in the composite if the sintering temperatures and thermal expansion coefficients of the different materials allow this.
Die Suspension zur Ausbildung des ersten und zweiten Volumenbereichs kann in mindestens eine Aussparung Vertiefung, Durchbrechung, die am Halbzeug ausgebildet ist, und/oder in das Innere einer an das jeweilige Halbzeug an- setzbare Formwerkzeug eingefüllt werden, bevor die thermische Behandlung durchgeführt wird, bei der das Bauteil letztendlich fertiggestellt werden kann. So kann man beispielsweise bestimmte Oberflächen- bzw. Randschichtberei che des jeweiligen Bauteils verstärken oder dort Anschlüsse ausbilden. Ein Formwerkzeug kann dabei temporär mit dem Halbzeug verbunden oder das 6 The suspension for forming the first and second volume area can be filled into at least one recess, depression, opening, which is formed on the semi-finished product, and/or into the interior of a mold that can be attached to the respective semi-finished product, before the thermal treatment is carried out which the component can ultimately be completed. For example, certain surface or edge layer areas of the respective component can be reinforced or connections formed there. A mold can be temporarily connected to the semi-finished product or the 6
Halbzeug in ein rahmenförmiges Formwerkzeug eingesetzt werden, so dass Gasblasen enthaltende Suspension in mindestens einen Spalt zwischen Halb zeugoberfläche und Innenwand des jeweiligen Formwerkzeugs eingefüllt wer den kann, um dort einen ersten und direkt daneben durch Eindringen von Suspension in offene Poren des Halbzeugs einen zweiten Volumenbereich ausbilden zu können. Semi-finished product can be inserted into a frame-shaped mold, so that a suspension containing gas bubbles can be filled into at least one gap between the surface of the semi-finished product and the inner wall of the respective mold, in order to form a first volume area there and a second volume area directly next to it by penetration of the suspension into open pores of the semi-finished product to be able to
Ein Formwerkzeug kann dazu das Halbzeug vollständig umschließen. Es kann aber auch ausreichend sein, ein Formwerkzeug an einem Teilbereich der Oberfläche eines Halbzeugs zu fixieren und dann die Suspension dort in den Spalt oder einen Hohlraum zwischen der Halbzeugoberfläche und Formwerk zeuginnenwand einzufüllen. So kann man beispielsweise Hohlprofile mit run dem oder eckigem Querschnitt, die ein Halbzeug umschließen können, als Formwerkzeug einsetzen. Es können aber auch entsprechende Segmente sol cher Profile, wie z.B. Kreissegmente als Formwerkzeug eingesetzt werden. For this purpose, a mold can completely enclose the semi-finished product. However, it can also be sufficient to fix a molding tool to a partial area of the surface of a semi-finished product and then to fill the suspension there into the gap or a cavity between the surface of the semi-finished product and the inner wall of the molding tool. For example, hollow profiles with a round or square cross-section that can enclose a semi-finished product can be used as a mold. However, corresponding segments of such profiles, such as circular segments, can also be used as forming tools.
Es ist möglich, eine Entformung vor Durchführung der thermischen Behand lung oder auch erst nach vollständiger Sinterung vorzunehmen. It is possible to demould before carrying out the thermal treatment or only after complete sintering.
Die jeweilige Eindringtiefe der Suspension in Poren das Halbzeugs ausgehend von der Halbzeugoberfläche kann durch von außen wirkende Kräfte beein flusst werden, wodurch wiederum die Dicke bzw. Breite eines Randschichtbe reichs, der den zweiten Volumenbereich bildet, gezielt beeinflusst werden kann. Die Dicke bzw. Breite sollte ausgehend von der Oberfläche des Halb zeugs in Richtung seines Inneren mindestens 3 mm betragen. Wie bereits an gesprochen, kann man diese Dicke bzw. Breite aber auch kleiner oder größer wählen. Sie sollte jedoch so groß sein, dass die drei Volumenbereiche ausrei chend fest miteinander verbunden werden können und eine scharfe Grenzflä che zwischen erstem und drittem Volumenbereich möglichst vermieden wer den kann. Die dafür erforderliche Dicke bzw. Breite kann sich dazu an der Zellweite oder Porengröße des Halbzeuges orientieren und sollte mindestens den Faktor 3 der Zellgröße oder Porengröße des Halbzeuges betragen. The penetration depth of the suspension in the pores of the semi-finished product, starting from the surface of the semi-finished product, can be influenced by external forces, which in turn can selectively influence the thickness or width of an edge layer area that forms the second volume area. The thickness or width should be at least 3 mm, starting from the surface of the semi-finished product towards its interior. As already mentioned, this thickness or width can also be selected to be smaller or larger. However, it should be large enough that the three volume areas can be connected to one another sufficiently firmly and a sharp boundary surface between the first and third volume areas can be avoided as far as possible. The thickness or width required for this can be based on the cell width or pore size of the semi-finished product and should be at least a factor of 3 of the cell size or pore size of the semi-finished product.
Dazu kann ein Halbzeug allein oder ein Halbzeug mit daran befestigtem Formwerkzeug in Schwingung versetzt und/oder dabei auf die Suspension ein Druck ausgeübt werden. So kann man ein unter einem gegenüber dem Umge bungsdruck erhöhtem Druck stehendes Medium (Gas oder Flüssigkeit) einset- 7 zen, wobei der höhere Druck auf die Oberfläche der Suspension wirkt und die Suspension in offene Poren des Halbzeugs gedrückt wird. Um Schwingungen dafür zu nutzen, kann man einen Rütteltisch einsetzen, auf den man das Halb zeug mit Suspension und ggf. mindestens ein Formwerkzeug aufsetzen kann. For this purpose, a semi-finished product alone or a semi-finished product with a mold attached to it can be made to vibrate and/or pressure can be exerted on the suspension. A medium (gas or liquid) that is under pressure above the ambient pressure can be used. 7 zen, whereby the higher pressure acts on the surface of the suspension and the suspension is pressed into open pores of the semi-finished product. In order to use vibrations for this, you can use a vibrating table on which you can place the semi-finished product with suspension and, if necessary, at least one mold.
5 Je nach Amplitude der Schwingungen und Zeitdauer kann man die Breite bzw. Dicke des zweiten Volumenbereichs beeinflussen. Dies ist auch mit mindes tens einem an einem Formwerkzeug oder einem Halbzeug angreifenden Vib rator erreichbar. 5 Depending on the amplitude of the oscillations and the duration, the width or thickness of the second volume area can be influenced. This can also be achieved with at least one vibrator attacking a mold or a semi-finished product.
10 Es kann ein Halbzeug eingesetzt werden, das eine Porosität im Bereich 60 % bis 95 % aufweist und/oder mit der Suspension ein erster und/oder zweiter Volumenbereich am Bauteil mit einer Porosität im Bereich 0 % bis 55 % aus gebildet werden. A semi-finished product can be used that has a porosity in the range of 60% to 95% and/or a first and/or second volume area on the component with a porosity in the range of 0% to 55% can be formed with the suspension.
15 Als Metall kann man vorteilhaft eine korrosionsbeständige FeCrAI-Legierung einsetzen. Als keramische Werkstoffe kommen sowohl oxidische, wie auch nichtoxidische Keramiken in Frage. 15 A corrosion-resistant FeCrAl alloy can advantageously be used as the metal. Both oxidic and non-oxidic ceramics can be used as ceramic materials.
Ein erfindungsgemäß hergestelltes Bauteil weist einen ersten VolumenbereichA component produced according to the invention has a first volume region
20 auf, der mit dem Metall oder der Keramik, das/die der Suspension entstammt gebildet ist. Der erste Volumenbereich weist eine kleinere Porosität auf als der dritte Volumenbereich, der mit der offenporösen Struktur der metalli schen oder keramischen Stege des Halbzeugs gebildet ist, wobei der erste Volumenbereich ausschließlich mit dem Metall oder der Keramik, das/die aus20, which is formed with the metal or the ceramic that comes from the suspension. The first volume region has a smaller porosity than the third volume region, which is formed with the open-porous structure of the metallic or ceramic struts of the semi-finished product, the first volume region exclusively with the metal or the ceramic that / from
25 der Suspension in der Gasblasen enthalten waren, erhalten worden ist, gebil det wird. Die Porosität wird durch die Anzahl und jeweilige Größe der in der Suspension enthaltenen Gasblasen bestimmt. Angrenzend an diesen ersten Volumenbereich ist ein zweiter Volumenbereich ausgebildet, der ebenfalls porös aber auch dicht sein kann. Der zweite Volumenbereich ist mit dem Me25 of the suspension contained in the gas bubbles has been obtained, is formed det. The porosity is determined by the number and size of the gas bubbles contained in the suspension. Adjacent to this first volume area, a second volume area is formed, which can also be porous but also impermeable. The second volume range is associated with the Me
BO tall und/oder Keramik aus der Beschichtung der Stege des Halbzeugs und dem Metall oder der Keramik der Suspension gebildet, wobei diese Metalle und/oder Keramiken Stoff- und formschlüssig miteinander verbunden sind. Dadurch ist der zweite Volumenbereich mit der metallischen oder kerami schen offenporösen Struktur des offenporösen aus dem beschichteten HalbBO tall and / or ceramic formed from the coating of the webs of the semi-finished product and the metal or the ceramic of the suspension, these metals and / or ceramics are materially and positively connected to each other. As a result, the second volume area with the metallic or ceramic rule open-porous structure of the open-porous from the coated half
35 zeug erhaltenen dritten Volumenbereichs, der eine größere Porosität als der erste Volumenbereich aufweist, verbunden. 8 35 tool obtained third volume region having a greater porosity than the first volume region connected. 8th
Der dritte Volumenbereich sollte eine Porosität von mindestens 65 % aufwei sen und die Porosität im zweiten Volumenbereich, der zwischen dem ersten und dem dritten Volumenbereich angeordnet ist, sollte kleiner als im ersten und dem dritten Volumenbereich des Bauteils sein. The third volume area should have a porosity of at least 65% and the porosity in the second volume area, which is arranged between the first and the third volume area, should be smaller than in the first and the third volume area of the component.
An einem Bauteil können mehrere erste und zweite Volumenbereiche, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, vorhanden sein. A plurality of first and second volume regions, which are arranged at a distance from one another, can be present on a component.
Zumindest mit dem ersten Volumenbereich kann mindestens ein von außen zugänglicher Anschluss für elektrische Energie oder die Zu- und/oder Abfuhr eines Mediums aus und/oder in das Bauteil hinein, ausgebildet worden sein. So kann er einen Anschluss als elektrischer Kontakt für ein elektrisches Wider standsheizelement darstellen. Bei einem elektrischen Widerstandsheizele ment ist es einmal vorteilhaft, dass ein erster Volumenbereich eine ausrei chen große Festigkeit aufweist. Dabei kann der erste Volumenbereich über den zweiten Volumenbereich form- und stoffschlüssig mit dem dritten Volu menbereich verbunden werden und der dritte Volumenbereich insbesondere wegen seiner großen spezifischen Oberfläche eine verbesserte Heizwirkung ermöglichen. At least one externally accessible connection for electrical energy or the supply and/or removal of a medium from and/or into the component can be formed at least with the first volume region. It can represent a connection as an electrical contact for an electrical resistance heating element. In the case of an electrical resistance heating element, it is advantageous for a first volume region to have sufficient strength. The first volume area can be positively and materially connected to the third volume area via the second volume area and the third volume area can enable an improved heating effect, in particular because of its large specific surface area.
Mit ersten und zweiten Volumenbereichen können an einem Bauteil auch Bereiche ausgebildet werden, die eine Dübelfunktion für Verankerungsele mente, z.B. Schrauben, erfüllen können. With first and second volume areas, areas can also be formed on a component that can fulfill a dowel function for anchoring elements, e.g. screws.
Werden ein erster und ein zweiter Volumenbereich umlaufend oder zumin dest teilweise umlaufend um den äußeren Rand eines dritten Volumenbe reichs ausgebildet, kann ein Rahmen gebildet werden, in dem die offenporöse Struktur form- und stoffschlüssig gehalten und geschützt werden kann. If a first and a second volume area are formed circumferentially or at least partially circumferentially around the outer edge of a third volume area, a frame can be formed in which the open-pored structure can be held and protected in a form-fitting and material-locking manner.
Daneben kann die Erfindung auch für die Herstellung von Bauteilen, die im Leichtbau, Automobilbau, der Elektrotechnik und der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden sollen, eingesetzt werden. In addition, the invention can also be used for the production of components that are to be used in lightweight construction, automobile construction, electrical engineering and aerospace.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden. The invention is to be explained in more detail below using examples.
Beispiel 1 9 example 1 9
Es wurde eine Metallschaumplatte mit zwei kompakten, rechteckigen Direkt schaumkontakten wie folgt als Bauteil hergestellt. Zur Herstellung des Bauteils wurde eine Platte als grober, rechteckiger Metallschaum mit den Abmaßen 125 mm x 75 mm x 20 mm als Halbzeug eingesetzt. Dabei sollten zwei erste Volumenebereiche an zwei gegenüberliegend angeordneten Seiten ausgebil det werden, so dass eine quadratische Gesamtform des fertigen Bauteils von 125 mm x 125 mm x 20 mm erhalten werden kann. Der grobe Schaum als Halbzeug hatte eine Zellweite von ca. 4,5 mm, und eine Dichte von etwa 10 % der Metalldichte des Halbzeugwerkstoffs. Die allein mit der Suspension gebil deten zwei ersten Volumenbereiche erreichten eine Sinterdichte von ca. 50 % und dort wurde eine mittlere Porengröße zwischen 100 pm und 1500 pm so wie eine Porosität von 50 % erhalten. A metal foam plate with two compact, rectangular direct foam contacts was manufactured as a component as follows. To produce the component, a plate was used as a rough, rectangular metal foam with the dimensions 125 mm x 75 mm x 20 mm as a semi-finished product. In this case, two first volume areas should be formed on two sides arranged opposite one another, so that a square overall shape of the finished component of 125 mm×125 mm×20 mm can be obtained. The coarse foam as a semi-finished product had a cell width of approx. 4.5 mm and a density of around 10% of the metal density of the semi-finished material. The two first volume areas formed solely with the suspension achieved a sinter density of approx. 50% and there an average pore size of between 100 μm and 1500 μm and a porosity of 50% were obtained.
Die Herstellung des groben Schaumes als Halbzeug erfolgte nach dem Ab formverfahren durch die Beschichtung eines offenzeiligen Polymerschaumes entsprechender Zellweite im Quetsch-Walzverfahren (Schwartzwalder- Verfahren. Dazu wurde FeCrAI-Metallpulver mit einer mittleren Partikelgröße von 7 pm zunächst mit einem polymeren Bindemittel (z.B. einer Polyvinylzu bereitung, die von der Fa. Zschimmer&Schwarz kommerziell erhältlich ist) und Additiven (z.B. eine Fettalkoholzubereitung, Fa. Zschimmer&Schwarz) zur Ent schäumung und Einstellung der rheologischen Eigenschaften mit Wasser zu einer Suspension mit einem Feststoffanteil an Metall von ca. 86 % verrührt. Mit dieser Suspension wurde der Schaumstoff imprägniert und über das Wal zen so lange ausgequetscht, bis die gewünschte Beladungsmenge auf den Stegoberflächen der Schaumstoffstruktur eingestellt ist. Der beschichtete und getrocknete Schaum bildete das Halbzeug und wurde anschließend mittig in ein teilbares Formwerkzeug eingesetzt, so dass beidseitig ein Rand von 25 mm Breite zwischen Formwerkzeuginnenwand und Halbzeugoberfläche in Berei chen in denen zusätzlich ein erster Volumenbereich ausgebildet werden soll te, verblieb. Das Formwerkzeug und das Halbzeug wurden auf eine Rüttelplat te gestellt. The production of the coarse foam as a semi-finished product was carried out according to the molding process by coating an open-cell polymer foam with the appropriate cell size using the squeeze-rolling process (Schwartzwalder process). preparation that is commercially available from Zschimmer&Schwarz) and additives (e.g. a fatty alcohol preparation, from Zschimmer&Schwarz) to defoam and adjust the rheological properties with water to form a suspension with a solid metal content of about 86% The foam was impregnated with the suspension and squeezed out over the rollers until the desired loading quantity was set on the web surfaces of the foam structure.The coated and dried foam formed the semi-finished product and was then inserted in the middle of a divisible mold so that s a margin of 25 mm width remained on both sides between the inner wall of the mold and the surface of the semi-finished product in areas in which an additional first volume area was to be formed. The mold and the semi-finished product were placed on a te Rüttelplat.
Die Suspension, mit der der erste und zweite Volumenbereich ausgebildet werden sollen, wurde separat im Batch-Prozess hergestellt. Die Basis bildet die gleiche Suspensionszusammensetzung aus Metallpulver, organischem 10 The suspension with which the first and second volume areas are to be formed was produced separately in a batch process. The basis is formed by the same suspension composition of metal powder, organic 10
Bindemittel und Theologischen Additiven, aber diesmal ohne Entschäumer. Binders and rheological additives, but this time without defoamers.
Stattdessen wurden bis zu 5 Masse-% Tensid (z.B. eine Fettalkoholsulfat- Zubereitung, Fa. Zschimmer&Schwarz) als Schäumungsmittel hinzugegeben. Die Mischung wurde über 10 Minuten bei einer Drehzahl von 1000 U/min im Becherglas aufgeschäumt, wobei eine Volumenzunahme von ca. 50 % ange strebt wurde. Instead, up to 5% by mass of surfactant (e.g. a fatty alcohol sulphate preparation from Zschimmer & Schwarz) was added as a foaming agent. The mixture was foamed in a glass beaker at a speed of 1000 rpm for 10 minutes, the aim being to increase the volume by about 50%.
Die aufgeschäumte Suspension, bei der Gasblasen in der Suspension mög lichst homogen verteilt angeordnet wurden, wurde anschließend mit einem Spatel in die freien Randbereiche zwischen Formwerkzeuginnenwand und Halbzeugoberfläche eingefüllt. Das Fließverhalten der so aufgeschäumten Suspension wurde so eingestellt, dass sie bei leichtem Vibrieren des Form werkzeugs durch die Rüttelplatte fließfähig wird, jedoch ohne äußere Krafteinwirkung aber unbewegt stehen bleibt. Auf diese Weise kann das Ein dringen der Gasblasen enthaltenden Suspension in Poren des groben Metall schaumes, der das Halbzeug bildet, gesteuert werden und ein Verbundbereich von 1 bis 2 Zellebenen (ca. 4,5 mm - 9 mm) als zweiter Volumenbereich ein gestellt werden. Nach Befüllen der Randbereiche des Halbzeugs in denen zweite Volumenbereiche ausgebildet werden sollen, erfolgte über einen Zeit raum von ca. 24 h bei etwa 40° C eine Trocknung und anschließend konnte das Formwerkzeug entfernt werden. Hierzu empfiehlt es sich ein Formwerk zeug, das aus mehreren teilbaren Einzelteilen besteht, einzusetzen, wobei geteilte Formwerkzeuge generell zu bevorzugen sind. Im Anschluss an die Trocknung erfolgte eine Entbinderung, zur Entfernung der organischen Be standteile, und nachfolgend die Sinterung des Metalls. Es konnte ein Bauteil hergestellt werden, das an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils einen nach außen weisenden ersten Volumenbereich aufweist, dessen Porosität kleiner als die Porosität des dritten Volumenbereichs, die durch die Porosität des Halbzeugs vorgegeben war. Zwischen dem ersten und dritten Volumenbe reich ist der zweite Volumenbereich ausgebildet worden, mit dem der erste und der dritte Volumenbereich form- und stoffschlüssig verbunden wurde und der zweite Volumenbereich keine oder eine kleinere Porosität als der erste Volumenbereich aufweist. Mit den ersten Volumenbereichen konnte An schlüsse für eine elektrische Kontaktierung ausgebildet werden. Alle drei Vo lumenbereiche sind mit dem gleichen Metall gebildet worden 11 The foamed suspension, in which gas bubbles were distributed as homogeneously as possible in the suspension, was then filled with a spatula into the free edge areas between the inner wall of the mold and the surface of the semi-finished product. The flow behavior of the suspension foamed in this way was adjusted in such a way that it becomes flowable when the mold is gently vibrated by the vibrating plate, but remains motionless without the application of external force. In this way, the penetration of the suspension containing gas bubbles into the pores of the coarse metal foam that forms the semi-finished product can be controlled and a composite area of 1 to 2 cell levels (approx. 4.5 mm - 9 mm) can be set as the second volume area . After filling the edge areas of the semi-finished product in which the second volume areas are to be formed, drying took place over a period of approx. 24 hours at approx. 40° C. and the mold could then be removed. For this purpose, it is advisable to use a molding tool that consists of several divisible individual parts, with divided molding tools generally being preferred. After drying, the binder was removed to remove the organic components and the metal was then sintered. It was possible to produce a component that has a first volume area pointing outwards on two opposite sides, the porosity of which is smaller than the porosity of the third volume area, which was predetermined by the porosity of the semi-finished product. Between the first and third volume areas, the second volume area has been formed, to which the first and third volume areas have been connected in a form-fitting and material-locking manner, and the second volume area has no porosity or a smaller porosity than the first volume area. Connections for electrical contacting could be formed with the first volume areas. All three volume ranges have been formed with the same metal 11
Beispiel 2 example 2
Alternativ zu Bauteilen aus Metall soll ein keramisches Bauteil nach gleichem Prinzip hergestellt werden. Dazu wird eine keramische Suspension auf Was serbasis vorbereitet. Diese enthält eine bimodale SiC-Kornverteilung, herge stellt durch Mischung von SiC-Pulvern mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,8 pm und 3,0 pm im Verhältnis von 70 : 30; außerdem 0,6 % Bor(carbid) und 11 % eines wasserlöslichen Polysaccharids (entspricht 4 % Kohlenstoff nach der Pyrolyse) als Sinteradditiv. Die Suspension wird auf einen Feststoff gehalt von 78 % eingestellt. As an alternative to metal components, a ceramic component is to be manufactured using the same principle. For this purpose, a ceramic suspension based on water is prepared. This contains a bimodal SiC grain distribution, produced by mixing SiC powders with an average grain diameter of 0.8 μm and 3.0 μm in a ratio of 70:30; also 0.6% boron (carbide) and 11% of a water-soluble polysaccharide (corresponds to 4% carbon after pyrolysis) as a sintering additive. The suspension is adjusted to a solids content of 78%.
Zur Herstellung der Schaumkeramik wird ein Polyurethan-Schaumstoff der Zellweite von 30 ppi (pores per inch) mit der Suspension getränkt und an schließend wird die überschüssige Suspension mit einer Zentrifuge abge trennt. Beispielhaft sei eine Platte von 200 mm x 250 mm x 10 mm genannt, die symmetrisch angeordnet zwei rechteckige Aussparungen von 20 mm x 50 mm am äußeren Rand aufwies und als Halbzeug eingesetzt worden ist. Diese Aussparungen, die einen Hohlraum darstellen, der dem Inneren eines Form werkzeugs zumindest ähnelt, wurden mit einer geschäumten Suspension zur Ausbildung dichterer Kontaktanschlüsse gefüllt. Die Aussparungen können beispielsweise durch Laser- oder Wasserstrahlschneiden in den Schaumkör per eingebracht werden, wobei dies vorzugsweise bereits vor der Beschich tung des Polymerschaums, bei der das Halbzeug hergestellt wird, erfolgen sollte. To produce the foamed ceramics, a polyurethane foam with a cell width of 30 ppi (pores per inch) is impregnated with the suspension and the excess suspension is then separated off using a centrifuge. A plate measuring 200 mm×250 mm×10 mm is mentioned as an example, which had two symmetrically arranged rectangular recesses measuring 20 mm×50 mm on the outer edge and was used as a semi-finished product. These recesses, which represent a cavity that at least resembles the interior of a molding tool, were filled with a foamed suspension to form tighter contact terminals. The recesses can be made in the foam body, for example, by laser or water jet cutting, and this should preferably be done before the polymer foam is coated, during which the semi-finished product is produced.
Ansonsten wurden eine zumindest annähernd gleiche Vorgehensweise und Konsistenzen von Halbzeug und Suspension, wie beim Beispiel 1 eingehalten. Im Unterschied zur Herstellung der geschäumten Gasblasen enthaltenden Suspension, wie es beim Beispiel 1 angewendet worden ist, wurde Luft in Gasblasenform mit einer Vorrichtung, wie sie in DE 10 2010039 322 Al be schrieben ist, in die Suspension eingetragen. Die für das Imprägnieren der Polymerschäume genutzte Keramiksuspension wurde geringfügig modifiziert und neben dem Tensid noch ein Plastifizierungsmittel (z.B. hochpolymeres Polysaccharid, Fa. Zschimmer& Schwarz) hinzugefügt, das die Verarbeitungs eigenschaften der Suspension mit der der erste und der zweite Volumenbe- 12 reich ausgebildet werden, verbessert. Die Vorrichtung besteht aus einem Stahlhohlzylinder mit einer Länge von 182 mm und einem Außendurchmesser von 70 mm bei einer Wandstärke von 2,9 mm. Dieser Zylinder besitzt einen Anschluss für die regelbare Druckluftzuführung. An der Stirnseite ist das Rohr mit einer Metallscheibe mit konzentrischer Düse versehen, die auch als Schlauchanschluss dienen kann. Die Rückseite des Rohres ist ebenfalls mit einer Metallscheibe verschlossen, die eine Durchgangsbohrung von 10 mm Durchmesser aufweist. Innerhalb des Stahlzylinders befindet sich ein zwischen den beiden Deckeln durch Dichtungsringe eingespannter, poröser Hohlzylin der mit einem Außendurchmesser von ca. 25 mm und einer Wandstärke von etwa 2 mm. Die Porosität des Rohres aus rostfreiem Stahl liegt bei ca. 43 %.Otherwise, at least approximately the same procedure and consistencies of semi-finished product and suspension as in example 1 were observed. In contrast to the production of the suspension containing foamed gas bubbles, as was used in Example 1, air was introduced into the suspension in the form of gas bubbles using a device as described in DE 10 2010039 322 A1. The ceramic suspension used for impregnating the polymer foams was slightly modified and, in addition to the tenside, a plasticizer (e.g. high-polymer polysaccharide, Zschimmer & Schwarz) was added, which improves the processing properties of the suspension with the first and second volume 12 richly trained, improved. The device consists of a hollow steel cylinder with a length of 182 mm and an external diameter of 70 mm with a wall thickness of 2.9 mm. This cylinder has a connection for the controllable compressed air supply. At the end of the pipe there is a metal disc with a concentric nozzle, which can also be used as a hose connection. The back of the tube is also sealed with a metal disk that has a through-hole with a diameter of 10 mm. Inside the steel cylinder is a porous hollow cylinder with an outer diameter of approx. 25 mm and a wall thickness of approx. 2 mm, clamped between the two covers by sealing rings. The porosity of the stainless steel tube is around 43%.
Im Kern des Rohres befindet sich ein statischer Mischer der SMX-Reihe (Fa. Sulzer Chemtech AG) mit einem Durchmesser von ca. 20 mm. Durch dieses poröse Innenrohr mit dem statischen Mischer wird die Metallpulversuspensi on hindurchgeleitet, während sie gleichzeitig über die Druckluft bei einem Druck von ca. 0,3 MPa und einem Luftvolumenstrom von ca. 600 ml/min be aufschlagt wird. Dadurch entstehen gleichmäßige Luftblasen in der Suspensi on. A static mixer from the SMX series (from Sulzer Chemtech AG) with a diameter of approx. 20 mm is located in the core of the tube. The metal powder suspension is passed through this porous inner tube with the static mixer, while at the same time it is impinged by the compressed air at a pressure of approx. 0.3 MPa and an air volume flow of approx. 600 ml/min. This creates uniform air bubbles in the suspension.
Die so geschäumte Suspension kann durch das An- und Abschalten der Vor richtung zum Aufschäumen in die am Halbzeug vorab bereits ausgebildeten Aussparungen eingefüllt werden. Die Stärke des Randbereiches, der den zwei ten Volumenbereich bildet, sollte ca. 4 mm betragen, um einen form- und stoffschlüssigen Verbund zwischen dem zweiten und dritten Volumenbereich im Anschluss an die Sinterung zu erreichen. The suspension foamed in this way can be filled into the recesses already formed in advance on the semi-finished product by switching the foaming device on and off. The edge area, which forms the second volume area, should be about 4 mm thick in order to achieve a form-fitting and cohesive bond between the second and third volume area after sintering.
Abschließend erfolgt eine schonende Trocknung im Trockenschrank bei 40 °C über mindestens 12 h. Nach der Trocknung wird der Polymerschaumstoff im Inneren der Stege des Volumens 1 bis zu einer Temperatur von 800 °C unter Inertgasatmosphäre ausgebrannt. Das verbleibende SiC-Pulvergerüst wird unter Argonatmosphäre bei einer Temperatur von 2100 °C drucklos gesintert und so ein erfindungsgemäßes Bauteil aus SiC erhalten. Finally, gentle drying takes place in a drying cabinet at 40 °C for at least 12 hours. After drying, the polymer foam inside the webs of volume 1 is burned out to a temperature of 800° C. under an inert gas atmosphere. The remaining SiC powder structure is pressureless sintered under an argon atmosphere at a temperature of 2100° C., and a component made of SiC according to the invention is thus obtained.

Claims

13 13
FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V., hollomet GmbH FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V., hollomet GmbH
Patentansprüche patent claims
5 5
1. Verfahren zur Herstellung eines porösen metallischen und/oder kera mischen Bauteils, das mindestens drei aneinandergrenzende Volu menbereiche mit voneinander abweichender Porosität aufweist, bei dem 1. A method for producing a porous metallic and / or ceramic component that has at least three adjacent volume areas with differing porosity, in which
10 ein offenporiger Schaumkörper, der aus einem polymeren Material gebildet ist, mit einer metallischen Beschichtung oder einer mit metal lischen oder keramischen Partikeln gebildeten Beschichtung an den Oberflächen von Stegen des Schaumkörpers so versehen wird, dass ei ne offenporöse Grundstruktur erhalten bleibt und 10 an open-pored foam body, which is formed from a polymeric material, is provided with a metallic coating or a coating formed with metallic or ceramic particles on the surfaces of webs of the foam body in such a way that an open-pored basic structure is retained and
15 an einem so erhaltenen Halbzeug an vorgegebenen Oberflächenberei chen eine Suspension, die mit metallischen oder keramischen Parti keln, einer Flüssigkeit, und einem polymeren Binder gebildet ist, in der zusätzlich Gasblasen enthalten sind, die vorab gebildet worden sind, mit der Oberfläche des Schaumkörpers als Halbzeug in Kontakt und in15 on a semi-finished product obtained in this way at given surface areas is a suspension which is formed with metallic or ceramic particles, a liquid and a polymeric binder, in which additional gas bubbles are contained which have been formed in advance, with the surface of the foam body as Semi-finished product in contact and in
20 eine vorgegebene Form gebracht wird, wobei dabei ein Teil dieser Suspension in offene Poren des Schaumkörpers als Halbzeug in einen Randschichtbereich eindringt, und nachfolgend eine Trocknung mit einer thermischen Behandlung durch geführt wird, bei der in der Suspension enthaltene Flüssigkeit ausge20 is brought into a predetermined shape, with part of this suspension penetrating into open pores of the foam body as a semi-finished product in an edge layer region, and subsequent drying with a thermal treatment is carried out in which the liquid contained in the suspension is drained
25 trieben, polymere Komponenten entfernt werden und nachfolgend ei ne Sinterung durchgeführt wird, wobei bei der Sinterung ein erster Volumenbereich mit dem Metall oder der Keramik, das/die der Suspension entstammt, gebildet wird, der eine kleinere Porosität aufweist, die ausschließlich infolge der in der Sus25 driven, polymeric components are removed and subsequently ei ne sintering is carried out, wherein during the sintering a first volume area with the metal or the ceramic, which comes from the suspension, is formed, which has a smaller porosity, which is exclusively due to the in the sus
BO pension enthaltenen Gasblasen erhalten worden ist, und angrenzend an diesen ersten Volumenbereich ein zweiter Volumenbereich ausge bildet wird, der ebenfalls porös ist, und dabei der zweite Volumenbe reich mit dem Metall oder der Keramik aus der Beschichtung der Stege des Halbzeugs und dem Metall oder der Keramik der Suspension gebilBO pension contained gas bubbles has been obtained, and adjacent to this first volume region, a second volume region is formed, which is also porous, and the second volume region with the metal or ceramic from the coating of the webs of the semi-finished product and the metal or the ceramics of the suspension formed
35 det worden ist, wobei diese Metalle und/oder Keramiken Stoff- und 14 formschlüssig miteinander verbunden worden sind, und dadurch der zweite Volumenbereich mit der metallischen oder keramischen offen porösen Struktur des offenporösen aus dem beschichteten Schaum körper erhaltenen dritten Volumenbereich, der eine größere Porosität als der erste Volumenbereich aufweist, verbunden wird. 35 has been det, these metals and / or ceramics material and 14 have been positively connected to one another, and thereby the second volume area is connected to the metallic or ceramic open-porous structure of the open-porous third volume area obtained from the coated foam body, which has a greater porosity than the first volume area.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem polymeren Material gebildete Schaumkörper zur Ausbildung des Halbzeugs mit Metall mittels einem CVD-, PVD-Verfahren, galvanisch oder mit einer metallische oder keramische Partikel enthaltenden Sus pension an seinen Stegen beschichtet wird, wobei das durch Beschich tung mit einer Suspension erhaltene Halbzeug vor der Beaufschlagung mit der Suspension zur Ausbildung des ersten und zweiten Volumen bereichs getrocknet wird, so dass eine ausreichend große Grünfestig keit erreicht wird, um zu sichern, dass bei dem in Kontaktbringen eines Oberflächenbereichs mit der Gasblasen enthaltenden Suspension die beschichteten Stege eine ausreichende Festigkeit aufweisen, um eine Beschädigung zu vermeiden. Method according to Claim 1, characterized in that the foam body formed with the polymeric material is coated on its webs to form the semi-finished product with metal by means of a CVD, PVD process, electrolytically or with a suspension containing metallic or ceramic particles, the semi-finished product obtained by coating with a suspension is dried prior to application of the suspension to form the first and second volume area, so that a sufficiently high green strength is achieved to ensure that when a surface area is brought into contact with the gas bubbles-containing Suspension the coated webs have sufficient strength to avoid damage.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Stege des Halbzeugs mit dem gleichen Metall oder der gleichen Keramik beschichtet werden, mit dem auch die Sus pension zur Ausbildung des ersten und zweiten Volumenbereichs ge bildet worden ist. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the webs of the semi-finished product are coated with the same metal or the same ceramic with which the suspension for forming the first and second volume region was formed.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass eine Suspension zur Ausbildung des ersten und zweiten Volumenbereichs eingesetzt wird, die eine Viskosität von min destens 0,1 mPas aufweist und/oder in der Gasblasen, mit einem Vo lumenanteil von mindestens 5 % bis maximal 50 % des Gesamtvolu mens der Suspension enthalten sind, eingesetzt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a suspension is used to form the first and second volume region, which has a viscosity of at least 0.1 mPas and/or in which gas bubbles with a volume fraction of at least 5% up to a maximum of 50% of the total volume of the suspension is used.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Suspension zur Ausbildung des ersten und zwei ten Volumenbereichs in mindestens eine Aussparung, Vertiefung, Durchbrechung, die am Halbzeug ausgebildet ist, und/oder in das Inne- 15 re einer an das jeweilige Halbzeug ansetzbare Formwerkzeug eingefüllt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Eindringtiefe der Suspension in Poren des Halb zeugs ausgehend von der Halbzeugoberfläche durch von außen wir kende Kräfte beeinflusst wird. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass das Halbzeug allein oder ein Halbzeug mit daran befes tigtem Formwerkzeug in Schwingung versetzt und/oder dabei auf die Suspension ein Druck ausgeübt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass ein Halbzeug eingesetzt wird, das eine Porosität im Bereich 60 % bis 95 % aufweist und/oder mit der Suspension ein erster und/oder zweiter Volumenbereich am Bauteil mit einer Porosität im Bereich 0% bis 55 % ausgebildet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass als Metall eine FeCrAI-Legierung eingesetzt wird. Bauteil hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erster Volumenbereich mit dem Metall oder keramischen Werkstoff, das/der der Suspension entstammt, gebildet ist, der eine kleinere Porosität aufweist, die aus schließlich infolge der in der Suspension enthaltenen Gasblasen erhal ten worden ist, und angrenzend an diesen ersten Volumenbereich ein zweiter Volumenbereich ausgebildet ist, der ebenfalls porös oder dicht ist, und dabei der zweite Volumenbereich mit dem Metall und/oder der Keramik aus der Beschichtung der Stege des Halbzeugs und dem Metall und/oder der Keramik der Suspension gebildet ist, wobei diese Metalle und/oder Keramiken Stoff- und formschlüssig miteinander verbunden sind, und dadurch der zweite Volumenbereich mit der me tallischen oder keramischen offenporösen Struktur des Halbzeugs, die eine größere Porosität als der erste Volumenbereich aufweist, verbun- 16 den ist. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the suspension for forming the first and second volume area in at least one recess, depression, opening, which is formed on the semi-finished product, and / or in the interior 15 re an attachable to the respective semi-finished mold is filled. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the penetration depth of the suspension in the pores of the semi-finished product is influenced by external forces acting on the surface of the semi-finished product. Method according to the preceding claim, characterized in that the semi-finished product alone or a semi-finished product with a mold attached thereto is made to oscillate and/or pressure is exerted on the suspension. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a semi-finished product is used which has a porosity in the range of 60% to 95% and/or with the suspension a first and/or second volume area on the component with a porosity in the range of 0% up to 55% is trained. Method according to one of the preceding claims, characterized in that an FeCrAl alloy is used as the metal. Component produced using a method according to one of the preceding claims, characterized in that the first volume area is formed with the metal or ceramic material which comes from the suspension and which has a smaller porosity, which is exclusively due to the contained in the suspension gas bubbles has been obtained, and a second volume area is formed adjacent to this first volume area, which is also porous or dense, and the second volume area with the metal and/or the ceramic from the coating of the webs of the semi-finished product and the metal and/or or the ceramic of the suspension is formed, these metals and/or ceramics being materially and positively connected to one another, and thereby the second volume area being connected to the metal or ceramic open-pored structure of the semi-finished product, which has a greater porosity than the first volume area - 16 den.
11. Bauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Volumenbereich eine Porosität von mindestens 65 % aufweist und die Porosität im zweiten Volumenbereich, der zwischen dem ersten und dem dritten Volumenbereich angeordnet ist, kleiner als im ersten und im dritten Volumenbereich des Bauteils ist. 11. Component according to the preceding claim, characterized in that the third volume area has a porosity of at least 65% and the porosity in the second volume area, which is arranged between the first and the third volume area, is smaller than in the first and in the third volume area of the component is.
12. Bauteil nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass zumindest mit dem ersten Volumenbereich min destens ein von außen zugänglicher Anschluss für elektrische Energie oder die Zu- und/oder Abfuhr eines Mediums aus und/oder in das Bau teil hinein, ausgebildet ist. 12. Component according to one of the two preceding claims, characterized in that at least one externally accessible connection for electrical energy or the supply and/or removal of a medium from and/or into the component is connected to at least the first volume region, is trained.
13. Bauteil nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass an einem Bauteil mehrere erste und zweite Volu menbereiche, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, vor handen sind. 13. Component according to one of the three preceding claims, characterized in that a plurality of first and second volume areas, which are arranged at a distance from one another, are present on a component.
14. Bauteil nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der dritte Volumenbereich eine Porosität im Be reich 80 % bis 93 % aufweist. 14. Component according to one of the four preceding claims, characterized in that the third volume region has a porosity in the region of 80% to 93%.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3111396A (en) 1960-12-14 1963-11-19 Gen Electric Method of making a porous material
US3090094A (en) 1961-02-21 1963-05-21 Gen Motors Corp Method of making porous ceramic articles
EP2123618A1 (en) * 2008-05-13 2009-11-25 L'AIR LIQUIDE, Société Anonyme pour l'Etude et l'Exploitation des Procédés Georges Claude Ceramic foam with gradient of porosity in heterogeneous catalysis
DE102008054596B4 (en) * 2008-12-12 2011-04-14 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Open-cell ceramic and / or metal foam bodies with a rough, enveloping surface and process for their preparation
DE102010039322B4 (en) 2010-08-13 2016-10-13 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Process and apparatus for the continuous production of foams
KR101780899B1 (en) * 2016-03-11 2017-09-21 고려대학교 산학협력단 Porous scaffold and method for producing porous scaffold
CN108096639A (en) * 2016-11-24 2018-06-01 重庆润泽医药有限公司 A kind of gradient porous material
CN111233478B (en) * 2020-01-20 2021-04-06 北京交通大学 Layered slurry preparation method of titanium carbide gradient porous ceramic

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