KR102391939B1 - 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법, 상기 방법에 의해 제조된 컴포넌트 및 상기 방법을 구현하기 위한 몰드 - Google Patents

Abstract

금속 합금 및 발포제로부터 제조된 과립의 형태로 된 발포성 반제품(1)이 폐쇄 가능한 몰드(2)의 캐비티 내로 삽입되고, 생성된 발포체의 겉보기(또는 체적) 밀도보다 높은 밀도를 갖는 액체(3)가 여기로 안내된다. 액체는 금속 합금의 용융 온도보다 높은 온도를 갖는다; 발포성 반제품(1)의 입자로의 열 전달이 이루어진다; 이는 후속적으로 팽창되고, 액체(3)에 의해 지지된다. 팽창하는 동안, 액체(3)의 적어도 일부가 팽창 자체에 의해 개구를 통해 몰드(2) 외부로 밀려난다. 액체(3)는 발포제 환경의 압력의 조절을 허용하여, 이는 팽창 순간을 정확하게 설정하는데 도움이 된다. 금속 용융물이 액체(3)로서 유리하게 사용될 수 있다. 용융물은 몰드(2)에 부분적으로 잔존하여 컴포넌트의 하이브리드 구조가 생성될 수 있다. 본 신규한 방법은 발포를 상당히 빠르게 하며, 금속 발포체의 균질성을 보장하고, 몰드를 단순화하며, 전체 공정에 대한 에너지 요구를 감소시킨다.

Description

금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법, 상기 방법에 의해 제조된 컴포넌트 및 상기 방법을 구현하기 위한 몰드

본 발명은 금속 발포체로부터 컴포넌트, 주로 복잡하고 크기가 큰 컴포넌트를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명은 몰드 내에서 신속하고 규칙적이고 제어된 발포를 가능하게 한다. 본 발명은 또한 발포를 위해 유리하게 사용되는 몰드 및 발포 동안 열의 신규한 분포 방법에 의해 제조된 컴포넌트를 설명한다.

현재 4가지 방법이 금속 발포체로부터 컴포넌트를 생산하는데 사용된다:

· 용융물에 주입된 가스에 의해 또는 용융물에 첨가된 후 분해되어 가스를 생성하는, 용융물에 혼합된 발포제에 의해, 용융된 금속 또는 용융물을 직접 발포시키는 방법,

· 생성된 금속 발포체의 정확한 구조를 생성하는 캐비티를 갖는 적합한 몰드에 금속 합금을 캐스팅하여, 적절한 적층 방법에 의해 상기 몰드는 폴리머 발포체로부터 모델을 생성하며, 상기 모델은 적절한 방법으로 몰드로부터 연속적으로 제거되는 방법,

· 3D 프레싱 방법 또는 후속적으로 제거되는 발포체의 적절한 폴리머 모델 상에 금속을 직접 적층하는 방법,

· 최종 발포체 구조를 형성하는 금속 합금 외에, 첨가제 발포제(일반적으로 분말 금속 하이브리드 또는 카보나이트)를 포함하는 고체 반제품을 발포하여, 적절한 몰드 내에 배치된 발포성 반제품은 용융 온도까지 가열되고, 가스 기공이 발포제의 분해에 의해 용융된 금속 합금에서 생성되어, 발포성 반제품이 몰드 내의 전체 캐비티를 채울 때까지 팽창하는 방법.

위에서 언급한 모든 방법들은, 특별한 특성에도 불구하고, 금속 발포체로부터 컴포넌트를 산업적으로 대량 생산할 수 없게 하는 중요한 제한을 갖고 있다.

용융물의 직접 발포는 기체 또는 발포제가 용융물에 점진적으로 첨가되어 적절하게 혼합되어야 하기 때문에 용융물 내의 발포제의 기체 또는 입자 각각의 균일한 분포에 관한 문제점을 야기한다. 이는 용융물의 상이한 부분의 불균일한 발포를 야기하며, 이는 또한 안정화 세라믹 입자의 첨가 또는 생성에 의해 적절하게 안정화될 필요가 있기 때문에, 용융물의 전체 체적이 채워지지 않으면 제1 기공의 붕괴가 발생하지 않는다. 혼합기가 편리하게 몰드에 배치될 수 없기 때문에, 용융물의 혼합 자체가 문제가 되어, 복잡하고 크기가 큰 이미 만들어진 컴포넌트를 생산할 수 없게 한다. 이러한 방법은 블록, 패널 등과 같이 덜 복잡하고 보다 작은 금속 발포체 컴포넌트로의 제조를 제한한다. 복잡한 형상의 컴포넌트는 기계 가공으로 제조된다.

적층 방법은 너무 느리고 비용이 많이 들며 현재의 적층 장치에 의해 제공되는 가능성 때문에 상당히 복잡한 컴포넌트를 제조할 수 없다; 생성된 발포체의 후속 열처리가 또한 복잡하다.

반제품이 캐비티가 채워질 때까지 몰드의 적절한 캐비티 내에서 팽창되도록 허용되면 고체 반제품의 발포는 이미 만들어진 형상의 컴포넌트를 직접 제조할 수 있게 한다. 따라서, 혼합기는 필요하지 않은데, 왜냐하면 발포제는 반제품 내에 균일하게 분포되기 때문이며, 상기 반제품은 금속 합금과 발포제의 분말의 분말 혼합물을 프레싱하거나, 또는 가스가 방출되지 않을 때 증가된 압력 동안 발포제의 분말을 용융물에 혼합하고 이어서 이러한 방식으로 제조된 혼합물을 원하는 형상의 반제품으로 캐스팅 및 응고함으로써 제조될 수 있다. 문제는 컴포넌트의 후속 충진의 균일성인데, 왜냐하면 반제품이 그 외부 측면으로부터 점진적으로 가열되는 폐쇄된 캐비티 내에 있고, 이는 몰드의 벽 근처에서 조기 발포를 일으키고 형틀의 중간에 있는 반제품의 비트는 종종 발포되지 않고 남겨지기 때문이다. 몰드의 벽에 접촉하는 기공의 붕괴를 방지하기 위해, 몰드의 벽은 금속 합금의 용융 온도에 가까운 온도를 가져야 하며, 이는 발포 공정을 상당히 늦어지게 한다. 몰드는 얇은 벽으로 만들어져야 하는데, 그 이유는 용융에 필요한 반제품으로의 전체 열 전달이 작은 온도차로 몰드 벽을 통과하기 때문이다. 그러므로 양호한 열 전도성이 결여된 몰드 - 예를 들어 모래 또는 세라믹 쉘의 것들 - 는 아무 쓸모가 없다. 가장 흔히 얇은-벽 유형의 금속 몰드가 사용되지만, 그러나 이들은 지속적으로 변화하는 온도와 열 스트레스로 인해 변형되고 있으므로, 이것들을 자주 교체할 필요가 있기 때문에, 원하는 오차 범위 내에서 최종 제품의 치수가 달성된다. 대안적으로, 흑연으로 제조된 몰드가 사용된다; 이들은 치수 안정성이 뛰어나지만, 그러나 고온 동안에 손상되기 쉽기 때문에, 산화로부터 보호되어야 한다. 따라서 크고 복잡한 형상의 컴포넌트는 이러한 방식으로 효과적으로 생산될 수 없다. 또한, 다수의 비교적 고가의 몰드 및 장치의 평행 작업이 필요하기 때문에, 발포 공정의 길이는 생산성을 감소시키고 전체 비용을 증가시킨다.

주로 과립의 형태의 발포성 반제품으로의 열의 균일한 분포를 보장하고, 이로써 공정을 가속화할 뿐만 아니라 발포 구조체의 원하는 특성을 달성하기 위해 이를 제어할 수 있게 하는 그러한 단순한 해결책이 바람직하고, 이는 아직 알려지지 않았다.

상기 언급된 결점은 본원의 청구범위 제1항 내지 제16항에 따른 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법에 의해 크게 개선된다. 본 발명의 핵심은 몰드의 캐비티 내의 발포성 반제품의 신규한 가열 방법에 주로 있으며, 이는 몰드의 벽을 통해 열을 오랜 시간 동안 점진적으로 전달될 필요 없이 신속하고 균일한 용융을 보장하고, 이에 따라 형틀의 과열로 인해 몰드의 벽의 에지에 의해 기공이 붕괴될 위험이 없다.

발포성 반제품은 용융물의 입구를 갖는 몰드의 캐비티 내로 삽입된다. 발포성 반제품, 예를 들어 과립(또는 알갱이)을 칭량된 양으로 삽입한 후에, 상기 몰드는 적절한 액체에 의해 입구를 통해 범람되고, 이로써 이러한 액체는 발포성 반제품의 용융 온도보다 높은 온도를 갖는다. 액체는 균일하게 그리고 빨리 유동할 수 있다; 이는 몰드의 내부로 침투할 수 있으며, 이는 발포에 필요한 충분한 양의 열이 기본적으로 몰드 내로 "주입된다"는 것을 의미한다. 액체를 몰드로 유동시키는 동안 그리고 몰드를 액체로 충전한 후에, 액체는 즉시 발포성 반제품의 각 비트와 직접 접촉하게 되고, 이로써 이는 액체 및 제품의 온도가 서로 안정화될 때까지 제품에 열을 전달한다. 이러한 열의 전달은 형틀의 표면으로부터의 점진적인 전달 및 발포성 반제품의 발포 입자들 사이의 열의 상호 전달의 후속 공정보다 훨씬 더 빠르고 공간적으로 훨씬 더 균일하다. 시스템의 개별 요소들 간의 열이 점진적인 전달은 - 이것은 고체 반제품으로부터 금속 발포체를 제조하는 동안 지금까지 사용되어 왔기 때문에 - 본 발명에서는 동시에 발포성 반제품의 모든 비트에서 가열된 액체의 직접적인 영향을 대신한다. 발포성 반제품의 가열 및 용융에 충분히 필요한 열의 양이 미리 액체에 축적된다. 열의 특정 양은 사용된 액체의 비열에 의존하고, 발포성 반제품 및 액체의 중량의 비율, 발포성 반제품의 비열, 발포성 반제품의 용융의 잠열 온도 및 몰드 내의 발포성 반제품의 온도와 액체의 온도 사이의 차이에 의존한다. 이러한 방식으로, 발포성 반제품의 완벽한 발포를 위해 필요한 열의 양은, 몰드의 벽에 대한 열 손실을 고려한 후에, 주어진 양의 발포성 반제품 및 액체에 대한 액체의 온도 설정에 의해 정확하게 설정될 수 있다.

설정된 발포체 반제품은 발포제에 의한 가스 기공의 생성을 통해 즉시 팽창하기 시작하며, 따라서 그 실제 밀도는 현저하게 감소하기 시작한다. 겉보기 밀도(또는 체적 밀도)는 반제품으로부터 방출되는 다공성 구조의 중량 대 현재의 체적의 비율을 나타낸다. 기공 없는 용융물은 밀도가 명백히 발포체의 겉보기 밀도보다 높다. 따라서, 생성된 발포체는 중력의 힘에 의해 몰드의 캐비티의 상부로 밀어지고, 이로써 더 무거운 용융물이 하부에 모이게 된다. 따라서 액체의 기능은 열을 전달하는 것뿐만 아니라, 입자가 팽창할 때의 단계에서 발포성 반제품의 입자가 이동하는 것에 도움이 된다. 액체의 사용은 상당한 시너지 효과를 갖는다; 액체는 열을 신속하게 전달하며, 동시에 발포체가 발생하는 동안 반제품의 분포를 단순화한다. 액체는 팽창하는 반제품에 의해 배출구를 통해 다시 몰드 외부로 적절한 수집 용기로 밀어내어진다. 주 공정은 발포성 반제품이 원하는 값으로 팽창할 때 완료되며, 이로써 몰드의 캐비티의 특정 일부 또는 전부를 채우고, 그렇게 함으로써 과잉의 액체가 충분한 열을 전달한 후에 몰드 외부로 밀어내어진다. 완성된 발포체가 완전히 응고되지 않을 때까지 몰드를 냉각하여 공정이 완료된다.

보통, 본 발명에 따른 방법은 예를 들어 금속 합금 분말 및 발포제의 혼합물로부터 생성된 과립 형태의 발포성 반제품이 폐쇄 가능한 또는 일회용의, 사용 후 버릴 수 있는 몰드의 캐비티 내로 삽입된다. "과립(granules)" 또는 "알갱이(granulate)"라는 용어는 치수 상의 제한 없이 광범위하게 이해되어야 한다; 이는 고체 그레인, 몸체, 입자 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 일반적으로 - 배타적이지는 않지만 - 과립은 로드, 프로파일 또는 시트로 형성될 것이다. "발포성"이라는 용어는 금속 재료를 적절하게 발포시킬 수 있는 능력을 나타낸다. 위에서 언급한 바에 따르면 상당한 정도로 발포성 반제품은 금속 재료에 의해 기밀하게 폐쇄된 발포 가능한 제제를 가지며, 따라서 상기 제제로부터 가스를 방출하는 동안 금속의 발포가 일어나고 가스는 임의의 상당한 정도로 금속의 구조 외부로 방출되지 않는다.

생성된 금속 발포체의 겉보기 밀도보다 높은 밀도를 갖는 액체가 몰드의 캐비티 내로 방출되어, 액체는 금속 합금의 분말의 용융 온도보다 높은 온도를 갖는다. 액체를 몰드에 배치함으로써, 액체는 몰드의 캐비티 내에서 발포성 반제품과 접촉하게 된다. 이러한 접촉은 액체로부터 발포성 반제품으로의 열의 즉각적인 전달을 초래한다; 따라서, 발포성 반제품은 금속 합금의 용융 온도까지 가열되어, 이는 발포성 반제품이 팽창하게 하여, 이로써 팽창하는 반제품의 적어도 일부가 액체 중에 부유하게 된다. 바람직한 팽창은 몰드로부터 몰드 내의 각각의 개구를 통해 액체의 적어도 일부의 유출을 수반한다; 바람직하게는 액체는 발포성 반제품 자체의 팽창에 의해 외부로 밀려난다. 원하는 팽창 정도에 도달한 후, 몰드는 생성된 금속 발포체의 응고 온도로 냉각된다.

적당하게 선택된 액체의 일부는 목적에 따라 몰드 내에 잔존할 수 있으며, 거기에서 발포체와 함께 응고되고, 응고된 발포체 및 응고된 액체를 하나의 모놀리식 컴포넌트로 결합하는 하이브리드 캐스팅을 생성한다.

액체는 몰드의 하부 부분, 바람직하게는 몰드의 밑바닥 부분의 개구를 통해 가압됨으로써 몰드 내로 배치될 수 있다. 그 후 액체의 유출을 위해 동일한 개구가 사용될 수 있다. 팽창하는 동안, 액체의 75 %가 몰드 외부로 밀려나오고, 바람직하게는 액체의 90 % 초과가 밀려나온다.

본 발명에 따른 효과를 달성하기 위해, 액체가 몰드의 캐비티 내의 전체 자유 공간을 채울 필요가 있다. 발포성 반제품의 삽입 후에 몰드의 캐비티 내에 잔존하는 자유 공간은 액체로 부분적으로만 채워질 수 있다. 이러한 경우, 팽창 전에 액체 및 발포성 반제품은 형틀의 캐비티의 내부 체적보다 작은 체적을 갖는다. 요구되는 액체의 양은 최소화될 수 있고, 이는 액체의 가열 및 전도에 필요한 장치의 크기를 최소화시켜, 발포성 반제품의 삽입 후 형틀의 캐비티 내에 잔존하는 자유 공간은 발포성 반제품의 표면과 액체의 직접적인 접촉에 필요한 양으로만 액체로 채워진다. 이는 액체의 특정 양은 주로 발포성 반제품의 중량 및 입도(granulometry)에 따라 달라지며, 현장에서 테스트를 통해 지정될 수 있다.

몰드 외부로 유출된 액체는 냉각 없이 다른 발포 사이클에서 사용될 수 있으며, 이는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 생산하기 위한 에너지 요구량을 상당히 감소시킨다. 용어 "냉각 없이"는 액체가 의도적으로 냉각되지 않은 상태를 나타내며, 이는 다른 발포체 사이클까지 저장 동안 일반적인 열 손실을 배제하지 않는다. 결정적인 것은, 액체가 응고되지 않고 추가 잠열을 추가할 필요가 없으므로, 다른 사이클에서 이전 사이클에서 소비된 열만이 액체에 추가된다는 것이다. 일반적으로 몰드로부터 유출되는 동안 액체는 몰드 아래의 수집 용기로 유입되며, 여기서 반복적으로 사용하기 위해 후속적으로 가열될 수 있다.

바람직한 배열에서, 액체는 용융 금속과 연결된다. 용융물은 발포성 반제품의 혼합물에서 금속 분말과 유사한 화학적 조성을 갖는 합금일 수 있지만, 또한 이러한 조성과 어느 정도 다를 수 있다. 발포체보다 높은 응고 온도를 갖는 용융물이 사용된다면, 입구는 먼저 응고될 것이고, 이로써 팽창하는 발포체는 완전 응고될 때까지 생성된 기체의 압력 하에 남아있을 것이고, 이는 형틀의 복잡한 캐비티 내에서도 세부 사항의 철저한 충전을 보장한다. 금속 발포체의 응고 온도보다 낮은 응고 온도를 갖는 용융물이 사용되면, 발포체는 몰드의 캐비티 내에서 최초로 응고될 것이고, 입구 내의 과잉 용융물은 후속적으로 쏟아져 나올 수 있다. 용융물의 응고 동안, 적절한 압력이 입구의 용융물에 가해질 수 있으므로, 발포체의 응고는 이전의 경우와 유사하게 진행된다.

발포체 컴포넌트를 제조하기 위해서는, 용융된 발포체와 어떠한 방식으로도 반응하지 않는 용융물(예를 들면, 알루미늄 발포체의 경우에는 납 및 주석)을 사용하는 것이 바람직하다; 어떤 경우에는, 그 대신에, 생성된 발포체를 확산적으로 결합하는 합금을 사용하는 것이 바람직하며, 이로써 응고된 용융물 및 발포체의 일부분을 부분적으로 포함하는 하이브리드 캐스팅이 제조될 수 있다. 이러한 방식으로, 금속 발포체가 포함하는 합금과 동일한 합금으로부터의 용융물이 사용될 수 있다.

캐비티는 발포성 반제품의 팽창의 영향 하에 모든 용융물이 쏟아져 나오는 방식으로 설계될 수 있다. 보통 이런 경우에 몰드로의 입구는 밑바닥 지점에 배치될 것이다. 그러나 캐비티의 내부 표면에는 인위적인 장애물(주름) 또는 캡, 즉, 다른 형상 요소가 형성될 수 있으므로, 발포체에 의해 용융물이 그 외부로 밀려날 수 없게 된다. 용융물은 이러한 형상 요소에 유지되거나 또는 몰드 내에서 이러한 형상 요소의 레벨에서 응고될 때까지 유지될 것이며, 이는 캐비티의 형상 또는 형상 요소의 형상 및 위치에 각각 대응하는 두께로 그 표면 상에 응고된 용융물을 갖는 하이브리드 캐스팅을 생성한다. 하이브리드 캐스팅은 또한 팽창하는 동안 액체의 유출을 위해서도 동시에 사용되는 액체를 위한 입구가 몰드의 캐비티 바닥의 레벨의 위에 배치되고 이 바닥 위에서는 액체가 응고될 때까지 남아있는 방식으로 제조될 수 있다. 당업자는 당연히 이에 기초하여 특별한 발명이 없이도 다양한 형태의 몰드를 생산할 수 있으므로, 리브, 브레이스 등의 형태로 다양한 형상 요소를 가질 수 있다. 몰드와 관련하여 복수의 입구를 갖는 또는 다양한 지점 및 다양한 높이에서 액체의 제어된 입구 및 유출구를 갖는 몰드가 사용될 수 있다.

또한, 몰드의 내부 표면 또는 적어도 표면의 일부를 복제하는 다양한 보강 네트(또는 그리드)를 발포성 반제품으로 캐비티 내로 삽입하여 주입된 용융물이 몰드의 표면에 도달하도록 할 수 있으며, 이로써 메시의 크기를 적절히 설정함으로써 팽창하는 반제품이 용융물을 네트 아래로부터 밀어낼 수 없게 된다. 이러한 방식으로, 적절한 금속으로부터의 네트에 의해 그 상단에 보강된 컴팩트한 기공 없는 층이 발포체의 표면 상에 제조될 수 있다; 네트는 주로 인장 응력에 의해 응력이 가해지는 동안 생성되는 컴포넌트의 기계적 특성을 현저하게 향상시키는데, 왜냐하면 네트 및 컴팩트한 층은 강화 콘크리트와 마찬가지로 발포체의 잠재적인 크랙이 확산되는 것을 방지하기 때문이다.

천공된 표면을 가진 보강재는 견고함의 관점에서 캐스팅의 특징을 증가시킬 뿐만 아니라, 천공은 또한 캐스팅 동안 발포 재료의 질량과 응고된 기공 없는 액체 사이의 경계인 분리 요소를 생성한다. 따라서 보강재 내의 적절하게 설계된 천공은 이중 기능을 갖는다; 이는 인장 응력과 관련하여 캐스팅의 탄성을 증가시키고, 동시에 발포체의 표면에 기공 없는 층을 생성하고, 이는 시브(sieve)로서 팽창하는 발포체가 보강재의 개구를 통해 침투하는 것을 방지하고 그리고 보강재를 넘어 용융물을 밀어내는 것을 방지한다. 보강재의 재료가 용융 온도는 액체의 온도보다 높아야 한다; 보강재는 예를 들어 강철로 이루어지거나 또는 용융 온도가 높은 소정의 다른 금속 또는 세라믹 섬유로 이루어질 수 있다.

예를 들어 네트, 그리드, 팽창 금속, 로드, 중공 프로파일, 와이어 또는 섬유의 형태의 금속 및/또는 세라믹 보강재는 발포성 반제품의 배치 전에도 몰드의 캐비티 내로 삽입된다; 일반적으로 보강재는 액체의 주입 전에 몰드 내로 배치될 수 있다.

몰드는 몰드의 캐비티에 주입하는 동안 액체 또는 용융물이 조기에 응고되지 않도록 액체 또는 용융물 각각의 온도로 예열될 수 있다; 몰드는 또한 예를 들어 모래 혼합물 또는 세라믹으로부터 열을 잘 전달하지 않는 재료로부터 제조될 수 있는데, 이는 종래 기술에 직접적으로 역행하는 요구 사항이다. 몰드가 발포체의 응고 온도까지 예열되는 경우, 발포가 완료된 후에 몰드를 적절하게 냉각할 필요가 있다. 액체를 몰드에 배치시키기 전에, 몰드는 발포성 반제품의 용융 온도보다 높은 온도로 가열될 수 있다.

발포제의 분해 공정이 온도 및 압력에 의존한다는 사실을 고려하여, 적절하게 설정된 제조 방법에서 제안된 발포 공정은 외부 압력에 의한 조작을 이용하여 짧은 순간(수초 단위)에 구현될 수 있다. 임계 온도 이상으로 온도를 증가시키면 발포제로부터 가스가 자발적으로 방출되고, 이로써 임계 온도는 증가하는 압력에 따라 증가한다. 캐스팅 공정이 오토 클레이브에서 일어나고 발포제의 분해 온도를 반제품의 용융 온도 이상으로 푸시하는 증가된 외압 동안 예열된 용융물이 발포성 반제품과 함께 몰드 내로 주입되면 (알루미늄 발포체 TiH2의 경우, 예를 들어, 1 MPa 이상의 압력임), 반제품은 완전한 용융 후에도 팽창하지 않을 것이다. 그러나 외부 압력이 임계값 이하로 감소되면 즉시 팽창이 시작된다. 이러한 특징은 용융물을 주입하고 난 후에 몰드의 캐비티 내의 온도를 보다 양호하게 안정화시키는데 사용될 수 있는데, 왜냐하면 이는 반제품의 팽창 없이 반제품의 개별 피스와 용융물 사이의 온도의 안정화를 위한 더 많은 시간을 얻을 수 있게 하기 때문이다. 팽창은 외부 압력의 감소에 의해 온도가 안정화된 후에 시작된다. 이 단계에서 액체는 따라서 제어된 팽창의 시작을 제어하는 기능을 할 수 있는데, 왜냐하면 설정된 외부 압력이 반제품의 각 피스에 균등하게 그리고 실질적으로 즉시 가해지기 때문이다. 이는 액체와 발포성 반제품과의 상호 접촉에서 액체가 주어진 온도에서 발포제가 발포 및 팽창에 필요한 기체를 방출하는 것을 방지하는 압력보다 높은 압력 하에 있다는 것을 의미한다. 용융물로부터 반제품으로 열을 더 양호하게 전달하는 것은 더 높은 압력에서 일어나므로, 팽창이 전혀 필요하지 않다. 따라서 이 단계는 온도 필드가 몰드 내부에서 안정화되는 순간까지 확장을 연기할 수 있다. 액체의 응고 온도 레벨을 향해 액체의 온도가 감소되기 전에, 액체 내의 압력은 팽창을 시작하는 주어진 압력에서 발포제가 기체를 방출하는 것을 방지하는 값 이하로 제어 하에 감소된다. 이 방법은 주로 캐스팅의 복잡한 형상의 경우, 몰드의 캐비티 내의 액체의 이동 경로가 긴 경우, 캐비티의 입구와 에지 사이의 거리가 다른 경우 등에 바람직하다.

오토 클레이브는 압력을 생성하기 위해 유리하게 사용될 수 있는데, 증가된 압력은 외부로부터의 몰드의 구조에 작용한다. 이는 낮은 생산 비용으로 얇은-벽 유형의 쉘 몰드의 유리한 사용을 허용한다. 압력 몰드의 고전적인 구조의 사용도 또한 배제되지 않으며, 이러한 몰드는 과도한 내부 압력을 견딜 수 있다. 2개-코팅 몰드가 있는 해결 방안도 가능한다; 고체 외부 코팅과 내부 얇은-벽 압력 매체 사이에는 압력 매체가 있다.

또한, 발포 중에 외부 압력이 증가함에 따라 생성된 기공의 크기가 감소하는 것으로 알려져 있다. 이러한 현상은 본 발명에 따른 방법에서 팽창의 시작 후에 오토 클레이브의 잔류 압력 잔류 압력 또는 입구로부터 유출된 용융물에 작용하는 압력은 적절히 설정된 수준으로 유지되는 방식으로 기공의 크기를 설정하기 위해 사용될 수 있다. 팽창을 시작하는 것 외에도 액체는 도 33에 도시된 기공의 크기를 조절하는 압력 매체이다.

대안적으로, 삽입된 발포성 반제품으로 몰드의 캐비티의 상술된 유동은 발포성 반제품의 피스를 예열된 액체 또는 용융물로 각각 이미 채워진 개방 몰드에 넣는(또는 삽입하는) 방식으로 역으로 구현될 수 있고, 이로써 팽창하는 발포체가 여분의 액체 또는 용융물을 밀어내기 전에 캐비티로부터 누설되지 않는 방식으로 몰드가 폐쇄된다. 몰드의 캐비티의 하부에 적절한 개구가 이를 위해 필요하다.

본 발명의 주제는 또한 청구항 제17항 내지 제19항에 따른 컴포넌트이다. 컴포넌트는 운송 수단의 차체의 일부가 될 수도 있거나, 또는 일체형 및 단일 작업 사이클에서 일체형 모놀리식 차체를 형성할 수도 있다. 차체의 현재 구조는 그 다음에 용접되거나 또는 다른 방식으로 함께 공간 구조에 연결되는 판금 부품의 성형과 관련된 기술적 가능성에 의해 크게 영향을 받는다. 본 발명은 성형 기술 및 후속 연결에 의해 제한되지 않는 공간 구조를 생성할 수 있게 한다. 운송 수단(자동차, 항공기, 기차, 선박)의 프레임 및/또는 차체의 경우, 컴포넌트는 전체적으로 골격 또는 뼈대 및 외형 표면을 또한 포함할 수 있다. 차체 또는 뼈대의 개별 구역은 금속 발포체의 변화하는 폭을 가질 수 있다; 이들은 연결 조인트의 점진적인 전이부를 가질 수 있으며, 이에 대한 제조는 판금 구조의 경우 복잡하고 제한적이다. 공간 구조는 응고된 액체 및/또는 보강재를 갖는 구역을 가질 수 있다.

본 발명의 주제는 또한 청구항 제20항 내지 제23항에 따른 몰드이다. 몰드는 열의 빠른 전달을 위해 설계된 벽을 필요로 하지 않으며 금속으로 된 것일 필요도 없다. 몰드의 재료의 열전도율은 70W.m^{- 1}.K^-1 미만일 수 있다. 바람직한 구조에서, 몰드는 컴포넌트의 용융 가능한 모델, 바람직하게는 컴포넌트의 왁스 모델 상으로 도포되는 세라믹 입자를 함유하는 서스펜션의 건조에 의해 제조된다. 몰드는 분할될 수 있으며, 일반적으로 바닥 부분에 열-전달 가능한 액체의 유입 및 유출을 위한 적어도 하나의 개구를 갖는다.

열 전달을 위한 단일 액체의 사용, 발포성 반제품의 입자의 이동 및 후속하는 팽창의 시작을 포함하는 본 발명은 주로 다음과 같은 많은 중요한 장점을 제공한다:

· 이는 크기에 관계없이 몰드의 캐비티의 전체 체적에서 짧은 순간에 발포체의 팽창을 허용하는데, 이는 복잡한 형상과 큰 치수의 상당히 복잡한 컴포넌트(예를 들어 탄소 복합 재료로 제조된 차체와 유사한 모놀리식 자동차 차체)가 이 방법으로 높은 생산성으로 달성될 수 있다는 것을 의미한다;

· 발포체는 짧은 순간에 전체 체적에서 제조되고, 이는 기공 분포의 규칙성을 크게 증가시키며 조기에 생성된 기공의 붕괴를 방지하고 또한 빈 공간의 체적을 감소시킨다;

· 쉘 또는 모래 혼합물의 제조를 위한 값싼 세라믹 혼합물을 포함하여, 임의의 재료가 몰드의 제조에 사용될 수 있는데, 왜냐하면 열은 몰드의 벽을 통해 반제품으로 전달될 필요가 없고, 미리 가열된 액체에 의해 거기에 도달하기 때문이다;

· 실질적으로 액체로 운반되는 모든 열은 몰드의 벽에서 최소의 손실로 발포성 반제품의 용융을 목적으로 소비된다. 지속되는 몰드가 사용되는 경우, 발포체의 응고 동안 여기로 전달되는 손실 열에 의해 발포 온도로 유지될 수 있다. 이는 발포에 대한 에너지 요구를 현저히 감소시키는데, 왜냐하면 몰드의 가열은 어떠한 추가적인 열도 필요로 하지 않고, 실제로 이전의 발포 공정에서 소비된 반제품의 용융에 필요한 열만이 용융 상태에서 전체 공정 중에 있는 용융물로 운반되기 때문이다. 이러한 에너지 효율은 전체 공정의 비용을 감소시킨다;

· 용융물, 발포성 반제품 및 몰드의 캐비티의 표면의 형상의 적절한 선택은 응고된 용융물에 의해 형성된 기공이 없는 부품을 갖는 하이브리드 캐스팅품의 제조를 가능하게 하며, 이에 의해 몰드의 캐비티 내에서 팽창하는 발포체는 용융물의 응고에 기인한 수축의 생성을 방지한다(발포체의 팽창은 응고의 결과로서 용융물의 체적의 수축을 보상한다). 이러한 방식으로, 원하는 폭의 콤팩트한 표면층 및 발포체 코어를 갖는 샌드위치 구조를 제조할 수 있는데, 이는 주로 중량에 비해 달성된 견고성 및 단단함의 관점에서 우수한 기계적 특성을 갖는다;

· 이는 생성된 기공의 크기와 그 분포의 규칙성을 현저하게 지시하는 변화하는 외부 압력의 조건에서 발포체를 간단하게 구현할 수 있다(압력은 각각 액체 또는 용융물을 사용하여 반제품의 모든 부분에 균등하게 적용된다). 외부 압력으로 조작하면 또한 발포 자체의 공정을 상당히 단축할 수 있으므로, 불과 몇 초밖에 걸리지 않는다.

본 발명에 따른 개시된 방법은 적합한 발포제를 갖는 금속 합금으로 제조된 과립으로부터 임의의 형상 컴포넌트의 제조에 사용될 수 있다. 고체 발포성 반제품의 바람직한 조성물은 종래 기술에 공지되어 있으며, 이들은 통상적인 구조 합금에 일반적으로 사용된다. 금속 발포체로부터 크고 복잡한 형태의 컴포넌트를 제조하기 위한 적용은 특히 유리할 것이고, 단일 기술 작업에서 하이브리드 캐스팅(금속-발포체)의 제조도 또한 그러하다. 본 발명의 사용은 컴포넌트의 중량에 대한 견고성 및 단단함의 높은 비율을 갖는 가벼운 모놀리식 구조가 필요한 모든 곳에서 기대되며, 주로 자동차 차체 및 그 컴포넌트, 선박 및 항공기 구조, 전기 자동차, 세발자전거, 트레일러, 철도 차량, 기차 등의 가벼운 상당한 크기의 구조 부품을 생산하는 동안 기대된다. 시장은 탄소 또는 유리 섬유를 갖는 복합재로부터만 현재 제조될 수 있는 적용을 확장시킬 수 있지만, 탄소 또는 유리 섬유는 매우 고가의 재료이므로 높은 생산성과 제조 반복성에 대한 요구를 충족시키지 못한다. 개시된 방법은 발포를 생산 사이클을 짧게 하면서 높은 생산성으로 상승시키고, 이로써 얇은 벽의 쉘은 큰 컴포넌트에 대해서도 몰드로서 사용될 수 있다.

하나의 제조 사이클에서 단일 피스로부터 대형 컴포넌트를 제조하는 경우 부품 및 조인트 요소의 개수가 감소될 뿐만 아니라, 컴포넌트의 기계적 하중(또는 응력)의 전달이 개선된다. 본 발명은 몰드의 내부에 열을 직접적으로 신속하고 균질하게 삽입함으로써 뒤따르는 많은 시너지적인 장점을 제공하며, 이로써 열의 운반체가 발포성 반제품의 과립과 직접 접촉하게 된다. 이 덕분에 캐스팅의 생산성 및 반복되는 공정 안정성이 크게 증가하고 에너지 요구량이 감소한다.

본 발명은 도면 1 내지 도 43에 의해 추가로 개시된다. 사용된 스케일과 몰드 및 각 제품의 특정 형상은 제한적인 것이 아니다; 이들은 명확성을 위해 정보를 주는 것이거나 또는 조정된 것이다. 이 때문에 특정 예가 캐스팅의 다른 형상 특성을 설명하는 경우에도, 도면에는 단순한 형상의 캐비티가 있는 몰드가 존재한다.
도 1 내지 도 6은 분할된 몰드에서의 1회의 발포 사이클의 기본 단계를 점차적으로 도시한다. 도 1은 액체를 주입하기 전에 몰드 내로의 발포성 반제품의 배치를 도시한다; 액체의 주입은 도 2에 도시되어 있다. 도 3은 발포의 활성화를 도시하며, 이는 도 4에서 계속된다. 도 5는 후속적으로 발포성 반제품의 팽창을 도시하며, 팽창은 액체를 수집 용기 내로 밀어낸다. 도 6의 좌측 아래 코너에는 수집 용기에서 옮겨져 다시 한 번 사용되는 액체의 재활용을 보여주는 픽토그램이 있다.
도 7 내지 도 17은 스테인리스 팽창 금속으로부터의 분리 보강재의 사용을 개시한다. 도 7에서 보강재는 천공된 표면이 몰드의 내벽으로부터 거리를 두고 인접하게 배치되도록 몰드 내로 배치된다. 도 8 내지 도 12는 도 2 내지 도 6과 유사한 단계를 도시한다.
도 13은 캐스팅이 응고된 상태에 있는 몰드를 도시한다. 검은 색은 발포체 구조가 없는 응고된 액체를 표시한다. 몰드가 없는 캐스팅은 도 14에 도시되어 있다; 입구 시스템이 제거되어 있는 캐스팅이 도 15에 도시되어 있다. 도 16은 몰드의 공간적으로 묘사된 단면도이고, 도면은 팽창된 금속으로부터의 노출된 보강재를 보여 주며, 그 천공부를 통해 발포체와 응고된 용융물 사이의 경계를 생성한다. 도 17은 부분적으로 절취된 보강재의 단면도이다.
도 18 내지 도 26은 몰드가 몰드의 특정 영역으로부터 액체를 밀어내는 것을 효과적으로 방지하는 형상 요소를 갖는 방법을 도시한다. 도 18은 도 19에 도시된 액체 주입 전에 몰드 내에서의 발포성 반제품의 배치를 도시한다. 도 20은 발포의 활성화를 도시하며, 이는 도 21에서 계속된다. 그 다음, 도 22는 이 팽창이 액체를 수집 용기 내로 밀어내는 발포성 반제품의 팽창을 도시한다. 도 23의 좌측 아래 코너에는 수집 용기에서 옮겨져 반복적으로 사용되는 액체의 재활용을 의미하는 픽토그램이 있다. 도 24는 캐스팅이 응고 상태에 있는 몰드를 도시한다. 전체 검은 색은 발포체 구조 없이 응고된 액체를 표시한다. 몰드가 없는 캐스팅이 도 25에 도시되어 있다; 입구 시스템이 제거되어 있는 캐스팅은 도 26에 도시되어 있고, 여기서 리브 및 캐스팅의 하부가 응고된 액체에 의해 생성된다.
도 27 내지 도 32는 몰드 내에서의 발포 단계를 도시하며, 최종적으로 액체의 압력은 증가된다; 후자의 이벤트는 도 32에 도시되어 있다.
발포체에 대한 압력의 영향은 도 33에 개략적으로 도시되어 있다. P1 내지 P5는 증가하는 압력을 나타낸다. 개별 압력 아래의 그림은 구조의 예를 나타낸다.
도 34 내지 도 36은 압력의 점진적인 조절을 갖는 단계를 도시한다. 원은 몰드가 배치되어 있는 압력 용기, 예를 들어 오토 클레이브를 도시한다. 원의 원주로부터 향하는 화살표 및 부호 Pn은 생성된 내부 과압을 나타낸다. 도 36의 크로싱 아웃된 기호 P는 과압의 중지를 나타낸다. 도 34는 도 35에 도시된 액체 주입 전에 몰드 내부의 발포성 반제품을 도시한다. 도 36은 압력의 감소 및 후속하는 팽창 후에 액체를 수집 용기로 밀어내는 것을 도시한다.
도 37은 분할되지 않은 세라믹 몰드의 사용을 도시한다.
도 38 내지 도 43은 발포성 반제품이 이미 액체로 채워진 몰드 내에 배치될 때의 발포의 단계를 도시한다. 도 38은 공정 시작 시 몰드를 도시한 것이다. 도 39에서 몰드는 액체로 채워진다. 도 40은 발포성 반제품이 액체와 접촉하여, 몰드가 동시에 폐쇄되는 단계를 도시한다. 도 41은 발포성 반제품의 팽창의 시작을 도시하며, 이는 몰드 외부로 액체를 밀어내는 것과 관련이 있다. 계속되는 팽창은 도 42에 도시되어 있다. 이어서, 도 43은 몰드의 캐비티 충전을 도시한다.

구현의 예

예 1

도 1 내지 도 6에 따른 이 예에서, 과립 형태의 발포성 반제품(1)은 분말 금속 합금 AlSi10 및 발포제 TiH₂의 분말 0.8 중량%로부터 제조된다. 과립은 2-피스 파운드리(foundry) 흑연 몰드(2)의 캐비티 내로 삽입되고, 상기 몰드의 밑바닥에는 용융물을 위한 입구가 있고, 이로써 입구로의 주입 개구는 몰드(2)의 캐비티의 최고점 위로 나온다. 발포성 반제품(1)의 체적은 몰드(2)의 내부 공간의 약 20 %를 차지한다. 발포성 반제품(1)이 있는 폐쇄된 몰드(2)는 질소 보호 분위기에서 발포성 반제품(1)의 팽창이 없는 550 ℃까지 가열된다. 몰드(2) 및 과립의 온도의 안정화 후 900 ℃로 예열된 용융된 합금 AlSi10은 도 2에 따르면 입구를 통해 노 외부로부터 몰드(2) 안으로 주입되어 몰드(2)의 캐비티 내의 자유 공간의 적어도 80 %가 채워진다. 즉시, 즉, 용융물을 몰드(2) 내로 주입한 후 약 2초 후에, 도 3 및 도 4에 따라 발포성 반제품(1)은 용융되어 팽창하고, 이는 액체(3)의 역류에 의해 나타나는데, 즉 용융물이 입구로부터 몰드(2) 아래의 수집 용기(4)로 유출된다. 용융물의 유출은 과립(또는 알갱이)의 팽창이 완료되었다는 신호인 약 20초 후에 중단된다. 노 외부에 이미 배치된 몰드(2)는 약 450 ℃의 온도로 냉각을 위해 남겨진다. 개방 후 완성된 컴포넌트는 몰드(2)로부터 꺼내진다; 상기 컴포넌트는 알루미늄 발포체에 의해 완전하게 제조되며, 전체 다공도는 83 %이다. 몰드(2)에 주입된 전체 용융물은 몰드(2)의 캐비티 외부의 발포성 반제품(1)의 팽창에 의해 밀려났다; 발포체의 일부가 입구 개구에 있다.

예 2

발포성 반제품(1)의 과립은 이 경우 도 33에 따르면 분말 알루미늄 합금 AlMgSi 및 발포제 TiH₂의 분말 1 중량%로부터 제조된다. 과립은 강 금속판으로부터 용접된 얇은-벽 몰드(2)의 캐비티 내로 삽입된다. 반제품(1)의 체적은 몰드(2)의 내부 공간의 약 20 %를 차지한다. 상부에서 몰드(2)는 직경 0.2 mm의 원형 공기 통기구를 가지며, 하부에 직경 15 mm의 원형 개구를 갖는다. 발포성 반제품(1)과 함께 몰드(2)는 온도가 950 ℃인 용융된 납을 갖는 포트 위의 특수 오토 클레이브에 현수되어 있다. 오토 클레이브를 폐쇄한 후, 내부 공간은 1 MPa(10 atm)까지 질소에 의해 가압되었다. 이어서, 몰드(2)는 몰드(2)의 캐비티 내로 천천히 유동하는 용융된 납 내로 완전히 침지되고, 이는 용융된 납의 레벨 이상으로 이어지는 상부의 공기 통기구에 의해 허용된다.

몰드(2)가 액체 납으로 완전히 채워지고(약 30 초), 1 분 후에 몰드(2)에서 전체 과립이 용융되며, 이는 몰드(2)에서의 온도가 약 680 ℃로 감소함에 따라 자체적으로 나타나지만 과립은 사실상 압력으로 인해 팽창하지 않는다. 오토 클레이브 내의 압력은 후속적으로 0.15 MPa(1,5 atm)로 감소되고, 이는 과립의 즉각적인 팽창 및 하부 개구를 통해 몰드(2) 외부로 납을 밀어내는 것을 발생시킨다. 알루미늄 발포체는 상부 공기 통기구를 통해 빠져나오지 않는데, 왜냐하면 이들 공기 통기구는 발포체에 비해 너무 작고 또한 용융된 납보다 더 차가운 부분으로 이어지기 때문이며, 여기서 사용된 알루미늄 합금은 응고되어 공기 통기구를 폐쇄한다. 팽창하는 동안 몰드(2)는 바닥 개구가 납 용융물에 침지된 상태로 유지되는 방식으로 납과 함께 포트로부터 인출된다. 포트로부터 몰드(2)를 꺼낸 후에, 알루미늄 발포체는 공간 내의 더 낮은 온도의 영향 하에 응고되고, 이로써 이들의 전체 응고가 일어날 때까지 과립의 팽창이 일어난다. 바닥 개구를 통한 발포체의 유출은 납 용융물로부터의 캡에 의해 방지된다. 약 580 ℃에서 알루미늄 발포체의 전체 응고 후, 몰드(2)의 거의 전체 캐비티가 알루미늄 발포체로 채워진다; 하부 개구의 영역만이 400 ℃ 아래의 응고 온도의 용융 납을 포함하며, 이는 포트로부터 몰드를 완전히 인출한 후 포트로 다시 유동한다.

오토 클레이브 내의 0.15 MPa의 잔류 과압과 관련해서, 알루미늄 합금의 기공의 겉보기 직경은 최대 2 mm로 제한되며, 이에 따라 발포체의 겉보기 밀도는 0.55 g/cm³이다.

예 3

도 7 내지 도 17에 따른 이 예에서, 과립 형태의 발포성 반제품(1)은 분말 알루미늄 합금 AlMg1Si0,6 및 발포제 TiH₂의 분말 0.6 중량%로 제조된다. 과립은 실리콘 몰드(2)에서 형상 컴포넌트의 왁스 모델로 주입된다. 대략 1.5 mm의 메시 크기를 갖는 스테인리스 팽창 금속으로부터의 그리드는 내벽으로부터 거리를 유지하면서 몰드(2)의 표면을 복제하는 방식으로 실리콘 몰드(2) 내로 배치된다. 완제품의 그리드는 보강재(5)의 기능을 또한 수행한다. 발포성 반제품(1)의 체적은 왁스 모델의 체적의 약 20 %를 차지한다. 왁스 모델은 모델 상에 약 4 mm의 두께를 갖는 연속 세라믹 쉘이 제조될 때까지 공지된 방법에 의해 세라믹 서스펜션 내로 침지되고 역시 공지된 방법에 의해 건조된다. 왁스와 함께 쉘을 건조시킨 후, 개구가 하부에 형성되고 약 100 ℃의 온도에서 왁스가 완전히 그로부터 용해되었다. 발포성 과립 및 스테인리스 그리드는 쉘 몰드(2)의 캐비티에 잔존하고, 그리드는 몰드(2)의 표면을 복제한다. 쉘과 유사한 재료로부터 생성된 입구는 몰드(2)의 캐비티의 최하부 위에 약 20 mm의 높이에서 캐비티 내로 이어지는 방식으로 바닥 부분의 개구 상으로 배치된다.

입구, 과립 및 스테인리스 그리드가 있는 쉘은 이후 550 ℃의 온도로 가열되고, 그 후 온도 850 ℃로 가열된 용융 알루미늄 합금 AlMg1Si0.6는 몰드(2)의 캐비티의 전체 자유 공간을 채우는 방식으로 캐비티 내로 주입된다. 몰드(2)를 채운 후, 캐비티는 쉘의 미세한 다공성 세라믹 벽을 통해 점진적으로 탈기된다. 기본적으로 용융물을 형틀에 주입한 직후에, 발포성 반제품(1) - 과립의 용융이 일어나며, 또한 그 팽창도 일어나고, 이는 액체(3)의 역류에 의해 나타난다 - 은 입구로부터 용융되어 나온다. 용융물의 유출은 약 15초 후에 정지하고, 과립의 팽창이 완료되었다는 신호를 준다. 몰드(2)는 약 400 ℃로 냉각되도록 남겨진다. 세라믹 쉘를 제거한 후, 완성된 컴포넌트를 꺼내어, 이 컴포넌트는 약 80 %의 다공도를 갖는 알루미늄 발포체로 제조된 코어를 갖는다. 이 발포체는 스테인리스 그리드로 커버된 캐비티에 있는 전체 표면에서 그리드가 용접된 컴팩트 합금 AlMg1Si0,6의 약 1mm 두께의 층으로 커버되어 있는데, 왜냐하면 발포체는 그리드로 인해 몰드(2)의 캐비티의 표면에 도달할 수 없어 용융된 합금을 밀어낼 수 없었기 때문이다. 같은 방식으로 발포체가 입구/출구에 대한 영역으로부터 용융물을 밀어낼 수 없기 때문에, 기공 없는 금속이 컴포넌트의 바닥에 나타난다. AlMg1Si0.6 발포체의 코어 및 동일한 합금에 의해 생성된 기공 없는 1 mm 두께의 표면층을 갖는 하이브리드 캐스팅이 생성된다. 표면층은 강화 콘크리트와 유사하게 스테인리스 팽창된 금속으로 보강되었다. 컴포넌트의 바닥 부분에서, 컴포넌트의 고정 나사의 드릴링을 위해 설계된 약 20mm 두께의 합금 AlMg1Si0,6의 기공 없는 층이 생성된다.

예 4

기술적으로 순수한 알루미늄 분말 및 발포제 TiH₂ 분말의 0.4 중량%로부터 제조된 도 38 내지 도 43에 따른 로드는, 몰드(2)의 분할면이 최상단 부분에 위치하는 방식으로, 알루미늄 와이어에 의해 HBN으로 제조된 2-부분 파운드리 몰드(2)의 캡에 연결되었다. 몰드(2)는 기본적으로 캡으로 커버된 용기를 구성한다. 몰드(2)의 최하부(용기 내)에는 입구가 배치되어, 입구로의 주입 개구가 분할면의 레벨 위로 이어진다. 발포성 반제품(1)의 체적은 몰드(2)의 캐비티의 공간의 약 20 %를 차지한다. 몰드(2)(용기)의 개방된 하부는 850 ℃로 가열되고, 용기의 높이의 적어도 4/5까지 동일한 온도의 용융된 납으로 채워진다. 부착된 발포성 반제품(1)을 갖는 몰드(2)의 캡이 동시에 발포성 반제품(1)의 팽창이 아직 일어나지 않는 550 ℃로 노에서 가열된다.

몰드(2) 및 납 용융물의 온도의 규칙화(또는 안정화) 후, 부착된 발포성 반제품(1)을 갖는 캡은 공압 피스톤에 의해 몰드(2)의 바닥부로 가압되고, 몰드(2)는 압력에 의해 폐쇄된다. 몰드(2)가 폐쇄되고 발포성 반제품(1)을 납에 침지한 직후 팽창이 일어나고, 이는 입구 외부로 납을 밀어내는 것으로 나타난다. 납의 유출은 약 30 초 후에 중단되고, 이는 과립의 팽창이 완료된다는 신호를 제공한다. 바닥 몰드(2) - 캡으로 폐쇄되고 발포체가 발생하기 시작한 후에는 기본적으로 즉시 약 150 ℃ 정도 냉각됨 - 는 약 500 ℃로 냉각되도록 남겨진다. 개방 후에는 전체 다공도가 78 %인 알루미늄 발포체로 완전히 제조된 완성품을 꺼낸다. 몰드(2)의 바닥 부분 내로 주입된 모든 납은 입구를 통해 몰드(2)의 캐비티 외부의 발포성 반제품(1)의 팽창에 의해 밀려나왔고, 이로써 입구는 발포체에 의해 완전히 채워진다.

예 5

도 18 내지 도 26에 따른 본 실시예의 공정은 예 1과 유사하다. 몰드(2)는 다르다; 여기서, 발포성 반제품(1)의 팽창 동안 액체(3)가 몰드(2)로부터 밀려나오는 것을 방지하는 형상 요소(6)를 갖는다. 이 예에서 액체(3)는 발포성 반제품(1)과 동일한 베이시스를 갖는다.

형상 요소(6)는 예를 들어 액체(3)가 유입되지만 유출되지 않는 리브이다. 도 24 내지 도 26에서, 이들 영역은 완전 흑색으로 표시되며, 이는 응고된 액체(3)의 기공 없는 질량 또는 보다 정확하게는 발포체의 베이시스와 동일한 재료 베이시스를 갖는 응고된 용융물을 나타낸다. 냉각 또는 보강 리브가 기공이 없는 완전한 구조를 갖는 것이 바람직하다.

예 6

도 27 내지 도 32에 따른 이 예에서의 방법은 몰드(2)로부터 액체(3)가 유출되는 순간까지는 예 1과 유사하고, 도 32에 따르면 압력이 유출 액체(3)에 대해 작용한다. 입구 시스템에 직접 작용하는 피스톤이 개략적으로 도시되어 있다; 다양한 기계식 또는 유압식 시스템이 실제 작동에서 생성된 압력에 대해 사용될 수 있다. 발포체의 구조는 압력에 의해 제어될 수 있다. 몰드(2)는 이 예에서 적절하게 견고한 구조를 갖는다.

예 7

이 예에서 도 34 내지 도 36에 따른 오토 클레이브의 사용은 팽창의 개시 및 도 33에 따른 발포체의 결과적인 구조에 영향을 미치는 중요한 배치를 제공한다. 도 27 내지 도 32에 따른 방법은 예 1과 유사하지만, 몰드(2) 내로 액체(3)를 배치하는 동안 외부 압력(Pn)은 몰드(2) 및 액체(3)에 작용하여 팽창의 개시를 방지한다. 액체(3)에 작용하는 압력은 몰드(2)의 외부로부터 동시에 작용하기 때문에, 몰드(2)는 과압(Pn)에 저항성일 필요가 없다.

도 36에 따른 압력이 해제된 후, 액체(3)의 수집 용기(4)로의 팽창 및 유출이 시작된다.

예 8

몰드(2)는 도 37에 도시된 바와 같이 분할되지 않고 일회용이다. 몰드(2)의 쉘은 비금속 세라믹 재료에 의해 생성된다; 특히, 몰드(2)는 컴포넌트의 용융 가능한 왁스 모델 상에 도포된 세라믹 입자를 포함하는 서스펜션의 건조에 의해 제조된다. 왁스 모델의 제조로부터 공지된 통상적인 방법은 쉘의 층을 도포하기 전에 발포성 반제품(1) 및 대안적으로 보강재(5)를 왁스 모델 또는 그 표면 상에 배치한다는 사실에 의해 보충된다. 발포성 반제품(1)은 제조 후 몰드(2) 내로 도입되지 않지만, 제조 중에는 그러하다; 몰드(2)는 기본적으로 발포성 반제품(1)의 질량 부근으로 성장한다.

산업상 이용 가능성

산업상 이용 가능성은 명백하다. 본 발명에 따르면, 복잡하고 크고 상당한 컴포넌트를 포함하여, 금속 발포체로부터 컴포넌트를 산업적으로 반복적으로 제조할 수 있고, 이에 따라 발포에 필요한 열은 몰드의 벽을 통해 전달될 필요가 없으며, 이는 과도한 에너지 요구 및 생산 비용을 상당히 감소시킨다. 저렴하고 일회용이지만, 그러나 복잡하고 내구성 있는 몰드를 사용할 수 있는 가능성은 원형으로부터 높은 수준의 자동화로 산업적 대량 생산에 이르기까지 다양한 일련의 특성을 효과적으로 생산할 수 있다.

1: 발포성 반제품
2: 몰드
3: 액체
4: 수집 용기
5: 보강재
6: 몰드 내의 형상 요소
HBN: 육각형 질화붕소(Hexagonal Bornitrid)

Claims (24)

1. 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법으로서, 금속 합금 및 발포제로부터 제조된 과립 형태의 고체 발포성 반제품(1)이 폐쇄 가능한 그리고/또는 일회용 몰드(2)의 캐비티 내에 배치되고, 상기 발포성 반제품(1)은 상기 금속 합금의 용융 온도로 가열되고, 이는 상기 발포성 반제품(1)의 원하는 팽창을 일으키고 이후에 원하는 팽창 정도를 달성한 후에 형틀(2)은 생성된 상기 금속 발포체의 응고 온도 아래로 냉각되는, 상기 방법에 있어서,
   생성된 상기 발포체의 겉보기 밀도보다 높은 밀도를 갖는 액체(3)가 상기 몰드(2)의 캐비티 내에 배치되고,
   상기 액체(3)는 상기 금속 합금의 용융 온도보다 높은 온도를 가지며,
   상기 액체(3)는 상기 몰드(2)의 상기 캐비티 내의 상기 발포성 반제품(1)과 접촉하게 되고, 여기서 상기 액체(3)는 상기 발포성 반제품(1)에 열을 전달하여 상기 발포성 반제품(1)이 팽창되게 하고,
   상기 팽창된 발포성 반제품(1)은 상기 액체(3)에 의해 지지되고,
   상기 팽창 동안, 상기 액체(3)의 적어도 일부가 상기 몰드(2)의 각각의 개구를 통해 상기 몰드(2)의 외부로 나오는 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 액체(3)는 상기 발포성 반제품(1) 자체의 상기 팽창에 의해 외부로 밀려나는 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 액체(3)는 상기 몰드(2)의 바닥 또는 밑바닥 부분의 개구를 통해 가압됨으로써 상기 몰드(2) 내로 배치되고, 이후에 상기 개구를 통해 또한 외부로 밀려나는 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 팽창 동안 상기 액체(3)의 75 % 초과가 상기 몰드(2)의 외부로 밀려나는 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 액체(3)는 측정된 양의 상기 발포성 반제품(1)을 삽입한 후에 상기 몰드(2) 내로 배치되는 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 액체(3)의 일부는 상기 몰드(2) 내에 잔존하고, 여기서 상기 발포체와 함께 응고되고 하이브리드 캐스팅(hybrid casting)을 생성하여 상기 응고된 발포체와 상기 응고된 액체(3)를 단일의 모놀리식 컴포넌트(single monolithic component)로 결합하는 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 발포성 반제품(1)을 삽입한 후에 상기 몰드(2)의 상기 캐비티 내에 잔존하는 자유 공간이 상기 액체(3)로 부분적으로만 채워지고, 상기 팽창 전의 상기 액체(3) 및 상기 반제품(1)은 함께 상기 몰드(2)의 상기 캐비티의 내부 체적보다 작은 체적을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 발포성 반제품(1)의 중량 및 입도(granulometry)에 기초하여 액체(3)의 양이 결정되는 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 발포성 반제품(1)과 상기 액체(3)가 상호 접촉하는 동안 상기 액체(3)는 주어진 온도에서 상기 발포제가 발포 및 팽창에 필요한 가스를 방출하는 것을 방지하는 압력보다 높은 압력에 노출되고, 이후에, 즉, 상기 액체(3)의 온도가 상기 발포체의 응고 온도로 감소되기 전에 상기 액체(3)의 압력은 상기 발포제가 주어진 온도에서 기체를 방출하는 것을 방지하는 값 아래로 감소되는 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 액체(3)는 상기 금속 발포체의 응고 온도보다 낮은 용융 온도를 갖는 금속의 용융물인 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법.
11. 제1항에 있어서,
    상기 액체(3)는 상기 금속 발포체의 응고 온도보다 높은 용융 온도를 갖는 금속의 용융물인 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법.
12. 제1항에 있어서,
    용융물로서의 상기 액체(3)는 상기 발포성 반제품(1)의 혼합물에서 상기 금속 합금과 동일한 화학적 조성을 갖는 베이시스(basis)를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법.
13. 제1항에 있어서,
    상기 액체(3)를 배치하기 전에, 금속 및/또는 세라믹 보강재(5)가 상기 몰드(2)의 상기 캐비티 내로 삽입되는 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 보강재(5)의 천공부는 완성된 캐스팅의 표면 상의 액체로부터 상기 발포체를 분리하기 위한 시브(sieve)를 구성하는 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법.
15. 제1항에 있어서,
    상기 액체(3)를 상기 몰드(2)에 배치하기 전에 상기 몰드(2)는 상기 발포성 반제품(1)의 용융 온도보다 높은 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법.
16. 제1항에 있어서,
    상기 액체(3)를 상기 몰드(2) 외부로 밀어내는 동안 상기 액체(3)의 일부는 상기 몰드(2)의 주름(folds)에 남아 있으며, 형상 요소(6)를 포함하지 않는 영역과 비교하여 이 영역들에서 상이한 구조를 갖는 하이브리드 캐스팅(hybrid casting)으로 굳어지는(solidifies) 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법.
17. 제1항에 있어서,
    상기 몰드(2)의 외부로 유출되는 상기 액체(3)는 냉각 없이 다른 발포 사이클에서 사용되며; 여기서 상기 액체(3)는 수집 용기(4) 내로 유출되고, 이후에 다음 사용을 위해 가열되는 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하는 방법.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조되는, 금속 발포체를 포함하는 컴포넌트.
19. 제18항에 있어서,
    운송 수단의 차체의 일부인 것을 특징으로 하는 금속 발포체를 포함하는 컴포넌트.
20. 제19항에 있어서,
    단일 피스에서 상기 차체의 골격 또는 뼈대 및 외형 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 발포체를 포함하는 컴포넌트.
21. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하기 위한 몰드에 있어서,
    상기 컴포넌트의 용융 가능한 모델 상으로 도포되는 세라믹 입자를 포함하는 서스펜션으로부터 건조된 비금속 쉘(non-metal shell)을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하기 위한 몰드.
22. 제21항에 있어서,
    분할되고, 그 바닥 부분에 열전달 액체(3)의 유입 및 유출을 위한 적어도 하나의 개구를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하기 위한 몰드.
23. 제21항에 있어서,
    내부에 형성된 상기 발포성 반제품(1)를 구비하는 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하기 위한 몰드.
24. 제21항에 있어서,
    상기 몰드(2)의 재료의 열전도율은 70 W.m^-1.K^-1보다 작은 것을 특징으로 하는 금속 발포체로부터 컴포넌트를 제조하기 위한 몰드.

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