WO2004103610A1 - Verfahren zur herstellung eines werkstücks aus einem verbundmaterial - Google Patents

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WO2004103610A1
WO2004103610A1 PCT/EP2004/004656 EP2004004656W WO2004103610A1 WO 2004103610 A1 WO2004103610 A1 WO 2004103610A1 EP 2004004656 W EP2004004656 W EP 2004004656W WO 2004103610 A1 WO2004103610 A1 WO 2004103610A1
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WO
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binder
workpiece
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reinforcement
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PCT/EP2004/004656
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Inventor
Nicole Neumann
Holger Stark
Marco Fandel
Martin Schlegl
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Mercedes Benz Group AG
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DaimlerChrysler AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/14—Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a workpiece from a composite material, wherein reinforcing particles are embedded in a casting material, in particular to a method for producing a workpiece with a complex geometry, and to a workpiece made from such a method using a corresponding method Composite material.
  • the strength of cast aluminum compressor wheels is no longer sufficient due to the high speeds of such compressor wheels provided today.
  • these compressor wheels must be reinforced.
  • structural components as a whole or only at certain points can be reinforced locally by introducing reinforcement particles into an actual casting material.
  • reinforcement can be achieved both in the area of the wings of these compressor wheels and in the area of the hub of these compressor wheels.
  • the different material thicknesses in the area of the wings (thin) and in the area of the hub (thick) usually a uniform distribution of the reinforcement particles.
  • a method for producing a structural part in which a porous precursor preform is produced from metal oxide grains, which are provided as reinforcing particles, which can each be surrounded by a binder layer, the local heating resulting in that of metal oxide reinforcing particles surrounding the respective binder layer can be connected in a sintering process to the precursor preform mentioned.
  • This precursor pre-body can then be poured out through a casting material, the corresponding metal oxide grains being embedded in the casting material, resulting in a structural part.
  • the method according to the invention is used to produce a workpiece from a composite material, the composite material consists of reinforcement particles that are embedded in a cast material.
  • the composite material consists of reinforcement particles that are embedded in a cast material.
  • a predetermined distribution between reinforcing particles and a binder, which is in particle form, in the volume of a casting mold of the workpiece to be produced is first set in the method.
  • the binder is removed from the casting mold and replaced by the casting material.
  • the reinforcing particles are distributed in the casting material of the workpiece, which fills the volume of the casting mold, defined according to the predetermined distribution in the volume of the casting mold, or the distribution of the reinforcing particles, which was predetermined by the predetermined distribution between reinforcing particles and the binder, remains Removal of the binder from the casting mold by the casting material then consist of a corresponding distribution of the reinforcement particles in the casting material.
  • the ratio between the binder and the reinforcement particles can be adjusted by precisely weighing the two components.
  • the size of the particles of the binder particles and the reinforcement particles can (in each case) be set, for example, by comminution processes known per se.
  • the binder particles and / or the reinforcement particles can also be produced by means of a spraying process, the setting of suitable parameters in addition to the shape and size of the respective particles also making it possible to adjust the proportion of the reinforcement particles in relation to the binder.
  • the reinforcing particles and the binding agent are filled into the casting mold, and the bulk density or the homogeneity of the filling can be increased by supporting measures, such as, for example, shaking the casting mold.
  • a homogeneous distribution of the reinforcement particles in the casting mold can result in this way.
  • the removal of the binder from the mold takes place according to the invention, while the melt of the cast material, for example a molten metal, is poured into the mold.
  • the process parameters must be set so that the reinforcement particles are not rinsed out.
  • the method according to the invention thus enables a composite material with particularly improved material properties or a workpiece made therefrom with improved strength to be produced simply and particularly cost-effectively, since the corresponding reinforcement particles then, in the volume between the reinforcement particles and the binder, in the volume of the mold and thus in Volume of the casting material embedded, form an easy to manufacture, resilient composite material.
  • the reinforcement particles are distributed outside the particles of the binder, preferably attached to the outside of the particles of the binder.
  • the binder which is in particle form, preferably forms spherical "placeholders", as a result of which the volume content of reinforcing particles in the cast material can be set particularly low.
  • the reinforcement particles can also be distributed in the particles of the binder.
  • a combination of both possibilities that is to say the distribution of the reinforcement particles outside the particles of the binder and the distribution of the reinforcement particles in the particles of the binder, can also be used at the same time.
  • the distribution of the reinforcement particles in the particles of the binder is essentially homogeneous. This allows particularly easy before a homogeneous distribution of the reinforcement particles in the casting mold of the workpiece and thus ultimately in the casting material of the composite material from which the workpiece is produced can be achieved.
  • the reinforcement particles are distributed essentially homogeneously over the entire volume of the workpiece.
  • the reinforcement particles can also be preferred for the reinforcement particles to be distributed essentially on the surface of the workpiece, in order thus to achieve a particularly good surface strength of correspondingly manufactured workpieces.
  • the reinforcement particles have an average diameter in the range from 0.003 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the reinforcement particles preferably consist of ceramic materials, in particular from the group Al 2 ⁇ 3 , Zr0 2 , SiC, Ti0 2 or the like.
  • a metal, a metal alloy, metallic material or a suitable, correspondingly castable plastic material can be used as the casting material.
  • Materials from the group resins, waxes, polymers, easily oxidizable substances or from a combination of the materials mentioned are preferably used as binders.
  • An embodiment of the method according to the invention is particularly preferred in which the binder, which is in particle form, is particularly preferably in loose form, that is to say as loose particles.
  • the dimensions of the particles of the binder and / or the dimensions of the reinforcing particles are preferably determined so that the entire volume of the mold can be filled.
  • the dimensions of the particles of the binder are determined such that these dimensions are smaller than the smallest dimensions of the mold, which determine the volume of the mold.
  • the dimensions of the particles of the binder are determined such that these dimensions are larger than the dimensions of the reinforcement particles, the dimensions of the reinforcement particles preferably being determined by their mean diameter. This enables in a particularly simple manner that the reinforcement particles are preferably taken up in the particles of the binder, in particular are distributed homogeneously there, in order to enable the reinforcement particles to be distributed homogeneously in the workpiece produced according to the method of the invention.
  • the particles of the binder used in the method according to the invention and / or the reinforcing particles have a normally distributed size distribution with respect to the particle dimensions.
  • the particles of the binder and / or the reinforcement particles can also have a bimodal size distribution.
  • the binder can be removed from the casting mold by degassing, dissolving or other suitable methods, during and / or before the casting material of the composite material produced according to the invention is introduced into the casting mold.
  • the casting material can in particular be introduced by a die casting process or by die casting. These methods are generally known and are therefore not described in more detail here.
  • the particles of the binder can be combined into a larger unit by introducing heat, this larger unit preferably being removed from the casting mold and processed further separately.
  • the reinforcing particles and the particles of the binder can be present individually or together as an injection-moldable compound (s), which makes it possible to fill the mold in a particularly simple manner.
  • the entire mold or only a part of the mold can be filled with a predetermined distribution between reinforcing particles and a binder.
  • the invention further relates to a workpiece made of a composite material, consisting of reinforcing particles which are embedded in a casting material, the workpiece being produced according to the method described above and in particular a homogeneous distribution of reinforcing particles in the casting material of the workpiece can be produced around a workpiece of particular stability, which is nevertheless inexpensive to manufacture.
  • 1 shows a sectional view of a casting mold with a predetermined distribution between reinforcing particles and a binder according to a first embodiment of the invention
  • 2 shows a casting mold with a predetermined distribution between reinforcement particles and particles of a binder according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a casting mold 1 for producing a workpiece from a composite material, which is filled with reinforcing particles 2, which are arranged in a largely distributed manner in the spherical particles of a binder 3.
  • the particles of the binder 3, in which the reinforcing particles 2 are contained in a homogeneously distributed manner in accordance with the first embodiment of the method according to the invention, are arranged in the mold 1 as shown in FIG. 1 in the densest spherical packing. This results in a particularly homogeneous distribution of the particles of the binder 3 and thus the reinforcement particles 2 within the mold.
  • the step of the method according to the invention is shown in which the casting material, in which the reinforcement particles 2 are to be embedded, has not yet been introduced into the casting mold 1.
  • the method according to the invention preferably proceeds in such a way that the reinforcement particles 2 are initially provided in a homogeneously distributed manner in the particles of the binder 3. Then these particles of the binder 3 with the reinforcing particles 2 contained therein are filled into the casting mold. In this way, there is a predetermined distribution between the reinforcement particles and the binder in the volume of the casting mold of the workpiece to be produced.
  • a casting material is introduced into the casting mold 1, which can be done, for example, by a die casting process or a press casting process, the binder being removed from the casting mold. Before- the binder 3 is removed by degassing, dissolving or other suitable methods from the mold.
  • the method according to the invention thus results in a workpiece made of a composite material, reinforcing particles 2 being contained in the casting material in such a manner according to the predetermined and set distribution between reinforcing particles 2 and the binder 3 in the volume of the workpiece predetermined by the casting mold.
  • the distribution of the reinforcement particles 2 in the finished workpiece results, as said, from the predetermined distribution of the reinforcement particles 2 and the binder 3 in the mold 1, as shown in FIG. 1.
  • Ceramic materials can be used as reinforcing particles 2 , in particular from the group A1 2 0, Zr0 2 , SiC, Ti0 2 or the like. Materials from the group of resins, waxes, polymers, easily oxidizable substances or from a combination of the materials mentioned can be used as the binder 3.
  • a metal, a metal alloy, metallic material or a suitable, correspondingly castable plastic material can be used as the casting material.
  • FIG. 2 shows a second preferred embodiment of the predetermined distribution between reinforcement particles 2 and binder 3 according to a second preferred embodiment of the method.
  • 1 also apply to FIG. 2, but with the difference that the reinforcement particles 2 are no longer provided homogeneously in the particles of the binder 3 as in FIG. 1, but that the reinforcement particles 2 in FIG. 2 are distributed outside the particles of the binder 3.
  • the reinforcement particles 2 can preferably be attached to the outside of the particles of the binder 3.
  • the particles of the binder 3 form so-called "placeholders". In this way, a concentration of reinforcing particles 2 in the composite material which is produced according to this embodiment of the method according to the invention is possible, which before it is less than the concentration which is set, for example, according to the embodiment according to FIG. 1.
  • the workpiece produced according to the invention has a predetermined distribution of reinforcing particles 2 in a casting material (not shown in both figures) both according to the embodiment according to FIG. 1 and according to the embodiment according to FIG. 2, this predetermined distribution according to the method according to the invention through the Distribution of the reinforcement particles 2 in relation to the binder 3 is adjustable.
  • this predetermined distribution according to the method according to the invention through the Distribution of the reinforcement particles 2 in relation to the binder 3 is adjustable.
  • a homogeneous distribution of reinforcement particles 2 in a cast material of a reinforcement material is possible, as a result of which, according to the invention, a method that is particularly easy to implement for producing a workpiece that is particularly reinforced in this way can be provided.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einem Verbundmaterial, wobei Verstärkungspartikel in ein Gussmaterial eingebettet werden, wobei eine vorbestimmte Verteilung zwischen Verstärkungspartikeln und einem Bindemittel im Volumen einer Gussform des Werkstücks die Verteilung der Verstärkungspartikel in dem Gussmaterial des herzustellenden Verbundmaterials definiert. Beim erfindungsgemässen Herstellungsverfahren wird das Bindemittel in einem entsprechenden Gussvorgang durch das Gussmaterial ersetzt, wobei die vorbestimmte Verteilung der Verstärkungspartikel, welche durch die Verteilung zwischen den Verstärkungspartikeln und dem Bindemittel in dem Volumender Gussform vorgegeben wird, beibehalten bleibt. Die Erfindung betrifft auch ein Werkstück aus einem Verbundmaterial, welches gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren herstellbar ist.

Description

DaimlerChrysler AG Dr . Rauscher
23.04.2003
Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einem Verbundmaterial
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einem Verbundmaterial, wobei Verstärkungspartikel in ein Gussmaterial eingebettet sind, insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks mit komplexer Geometrie, sowie auf ein nach einem ent- sprechenden Verfahren hergestelltes Werkstück aus einem solchen Verbundmaterial .
In bestimmten Anwendungsfällen ist beispielsweise die Festigkeit von gegossenen Aluminium-Kompressorrädern, wie sie zum Beispiel in Turboladern für Motoren in Fahrzeugen Verwendung finden, aufgrund der heutzutage vorgesehenen hohen Drehzahlen solcher Kompressorräder nicht mehr ausreichend. Demzufolge müssen diese Kompressorräder verstärkt werden. Allgemein können Konstruktionsbauteile insgesamt oder nur an bestimmten Stellen lokal durch Einbringung von Verstärkungspartikeln in ein eigentliches Gussmaterial verstärkt werden. So kann beispielsweise im Fall von Aluminium-Kompressorrädern in Turboladern eine Verstärkung sowohl im Bereich der Flügel dieser Kompressorräder als auch im Bereich der Nabe dieser Kompres- sorräder erreicht werden. Allgemein ist es jedoch bei Bauteilen mit komplexer Geometrie schwierig bzw. unmöglich, eine gleichmäßige Verteilung von Verstärkungspartikeln in dem eigentlichen Gussmaterial zu erzielen. So behindern beispielsweise im Fall der genannten Aluminium-Kompressorräder die un- terschiedlichen Materialstärken im Bereich der Flügel (dünn) und im Bereich der Nabe (dick) üblicherweise eine gleichmäßige Verteilung der Verstärkungspartikel .
Aus DE 10113590 AI ist bereits ein Verfahren zur Herstellung eines Konstruktionsteils bekannt, bei welchem ein poröser Precursor-Vorkörper hergestellt wird aus Metalloxid-Körnern, welche als Verstärkungspartikel vorgesehen sind, welche jeweils von einer Bindemittelschicht umgeben sein können, wobei durch lokale Erhitzung die von der jeweiligen Binde- mittelschicht umgebenen Metalloxid-Verstärkungspartikel in einem Sintervorgang zu dem genannten Precursor-Vorkörper verbindbar sind. Dieser Precursor-Vorkörper kann dann durch ein Gussmaterial ausgegossen werden, wobei die entsprechenden Metalloxid-Körner in das Gussmaterial eingebettet werden, wo- durch ein Konstruktionsteil entsteht.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einem Verbundmaterial bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Tech- nik überwindet und insbesondere eine vorbestimmte Partikelverteilung von Verstärkungspartikeln, welche in ein Gussmaterial eingebettet sind, in dem fertigen Werkstück ermöglicht, um so eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung eines solchen Werkstücks bei gleichzeitig erhöhter Werkstück- festigkeit bzw. bei gleichzeitig erhöhter Festigkeit des Verbundmaterials, aus welchem das hergestellte Werkstück besteht, vorzusehen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch ein gemäß diesem Verfahren herstellbares Werkstück gemäß Anspruch 19.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Herstellung eines Werkstücks aus einem Verbundmaterial, wobei das Verbund- material aus Verstärkungspartikeln besteht, die in ein Gussmaterial eingebettet werden . Er indungsgemäß wird bei dem Verfahren zunächst eine vorbestimmte Verteilung zwischen Verstärkungspartikeln und einem Bindemittel, welches in Parti- kelform vorliegt, im Volumen einer Gussform des herzustellenden Werkstücks eingestellt. Bei der Einbettung der Verstärkungspartikel in das Gussmaterial des Verbundmaterials wird das Bindemittel aus der Gussform entfernt und durch das Gussmaterial ersetzt. Dabei werden die Verstärkungspartikel in dem Gussmaterial des Werkstücks, welches das Volumen der Gussform ausfüllt, definiert gemäß der vorbestimmten Verteilung in dem Volumen der Gussform verteilt, beziehungsweise die Verteilung der Verstärkungspartikel, welche durch die vorbestimmte Verteilung zwischen Verstärkungspartikeln und dem Bindemittel vorgegeben war, bleibt nach Entfernen des Bindemittels aus der Gussform durch das Gussmaterial dann als entsprechende Verteilung der Verstärkungspartikel in dem Gussmaterial bestehen.
Beispielsweise kann das Verhältnis zwischen dem Bindemittel und den Verstärkungspartikeln durch exaktes Einwiegen der beiden Komponenten eingestellt werden. Die Größe der Partikel der Bindemittelpartikel und der Verstärkungspartikel kann (jeweils) beispielsweise durch an sich bekannte Zer- kleinerungsprozesse eingestellt werden. Alternativ können die Bindemittelpartikel und/oder die Verstärkungspartikel auch mittels eines Sprühverfahrens hergestellt werden, wobei durch Einstellung geeigneter Parameter neben der Form und Größe der jeweiligen Partikel auch der Anteil der Verstärkungspartikel im Verhältnis zu dem Bindemittel einstellbar ist.
Die Verstärkungspartikel und das Bindemittel werden in die Gussform eingefüllt, wobei die Schüttdichte bzw. die Homogenität der Schüttung durch unterstützende Maßnahmen, wie zum Beispiel einem Rütteln der Gussform, erhöht werden kann. Beispielsweise kann sich auf diese Weise eine homogene Verteilung der Verstärkungspartikel in der Gussform ergeben. Die Entfernung des Bindemittels aus der Gussform erfolgt erfindungsgemäß, während die Schmelze des Gussmaterials, beispielsweise eine Metallschmelze, in die Gussform eingegossen wird. Die Prozessparameter müssen dabei so eingestellt werden, dass die Verstärkungspartikel nicht ausgespült werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist somit ein Verbundmaterial mit besonders verbesserten Materialeigenschaften bzw. ein daraus hergestelltes Werkstück mit verbesserter Festigkeit einfach und besonders kostengünstig herstellbar, da die entsprechenden Verstärkungspartikel gemäß der zwischen den Verstärkungspartikeln und dem Bindemittel eingestellten Verteilung dann, im Volumen der Gussform und somit im Volumen des Gussmaterials eingebettet, ein einfach herzustellendes, belastbares Verbundmaterial bilden.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform des Verfahrens, bei welcher die Verstärkungspartikel außerhalb der Partikel des Bin- demittels verteilt werden, bevorzugt an die Partikel des Bindemittels außen angelagert werden. In dieser Ausführungsform bildet das Bindemittel, welches in Partikelform vorliegt, bevorzugt kugelförmige "Platzhalter", wodurch der Volumengehalt an Verstärkungspartikeln in dem Gussmaterial besonders nied- rig eingestellt werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Verstärkungspartikel auch in den Partikeln des Bindemittels verteilt werden. Auch eine Kombination bei- der Möglichkeiten, das heißt der Verteilung der Verstärkungspartikel außerhalb der Partikel des Bindemittels und die Verteilung der Verstärkungspartikel in den Partikeln des Bindemittels, kann gleichzeitig angewandt werden.
Besonders bevorzugt ist es, falls die Verteilung der Verstärkungspartikel in den Partikeln des Bindemittels im Wesentlichen homogen erfolgt. Dadurch kann auf besonders einfa- ehe Weise eine homogene Verteilung der Verstärkungspartikel in der Gussform des Werkstücks und somit letztendlich in dem Gussmaterial des Verbundmaterials, aus welchem das Werkstück hergestellt wird, erreicht werden.
Generell ist es zur Erzielung einer homogenen Werkstückfestigkeit bevorzugt, dass die Verteilung der Verstärkungspartikel über das gesamte Volumen des Werkstücks im Wesentlichen homogen erfolgt. Es kann jedoch auch bevorzugt sein, dass die Verteilung der Verstärkungspartikel im Wesentlichen an der Oberfläche des Werkstücks erfolgt, um somit eine besonders gute Oberflächenfestigkeit entsprechend hergestellter Werkstücke zu erzielen .
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Verstärkungspartikel einen mittleren Durchmesser im Bereich von 0,003 um bis 500 um auf.
Bevorzugt bestehen die Verstärkungspartikel aus keramischen Materialien, insbesondere aus der Gruppe Al2θ3, Zr02, SiC, Ti02 oder Ähnlichem.
Als Gussmaterial kann ein Metall, eine Metalllegierung, metallisches Material oder ein geeignetes entsprechend gießfä- higes Kunststoffmaterial Verwendung finden.
Als Bindemittel finden bevorzugt Materialien aus der Gruppe Harze, Wachse, Polymere, leicht oxidierbare Substanzen oder aus einer Kombination der genannten Materialien Verwendung.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens , bei welcher das Bindemittel , welches in Partikelform vorliegt, besonders bevorzugt in loser Form, das heißt als lose Partikel, vorliegt.
Generell ist eine besonders einfache Herstellung von belastbaren Werkstücken gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mög- lieh, wenn die Abmessungen der Partikel des Bindemittels und/oder die Abmessungen der Verstärkungspartikel bevorzugt so festgelegt werden, dass das gesamte Volumen der Gussform ausgefüllt werden kann.
Insbesondere ist es besonders bevorzugt, falls die Abmessungen der Partikel des Bindemittels so festgelegt werden, dass diese Abmessungen kleiner sind als die kleinsten Abmessungen der Gussform, welche das Volumen der Gussform bestimmen.
Besonders bevorzugt ist es ferner, falls die Abmessungen der Partikel des Bindemittels so festgelegt werden, dass diese Abmessungen größer sind als die Abmessungen der Verstärkungs- partikel, wobei die Abmessungen der Verstärkungspartikel bevorzugt bestimmt werden durch deren mittleren Durchmesser. Dies ermöglicht auf besonders einfache Weise, dass die Verstärkungspartikel bevorzugt in den Partikeln des Bindemittels aufgenommen werden, insbesondere dort homogen verteilt sind, um somit besonders bevorzugt eine homogene Verteilung der Verstärkungspartikel auch in dem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstück zu ermöglichen .
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin- düng weisen die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Partikel des Bindemittels und/oder die Verstärkungspartikel eine normalverteilte Größenverteilung bezüglich der Partikelabmessungen auf. Die Partikel des Bindemittels und/oder der Verstärkungspartikel können auch eine bimodale Größenverteilung aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Bindemittel durch Ausgasen, Auflösen oder andere geeignete Verfahren aus der Gussform entfernt werden, während und/oder bevor das Gussmaterial des erfindungsgemäß hergestellten Verbundmaterials in die Gussform eingebracht wird. Das Einbringen des Gussmaterials kann insbesondere durch ein Druckgussverfahren oder durch Pressgießen erfolgen. Diese Verfahren sind allgemein bekannt und werden daher hier nicht näher beschrieben .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Partikel des Bindemittels durch Wärmeeinbringung zu einer größeren Einheit verbunden werden, wobei diese größere Einheit bevorzugt der Gussform entnommen und getrennt davon weiter verarbeitet wird.
Die Verstärkungspartikel und die Partikel des Bindemittels können insbesondere in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens jeweils für sich oder zusammen als spritzgussfähige Masse (n) vorliegen, wodurch eine Ausfül- lung der Gussform auf besonders einfache Art und Weise ermöglicht werden kann.
Generell kann die gesamte Gussform oder nur ein Teil der Gussform mit einer vorbestimmten Verteilung zwischen Ver- Stärkungspartikeln und einem Bindemittel ausgefüllt werden.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Werkstück aus einem Verbundmaterial, bestehend aus Verstärkungspartikeln, die in ein Gussmaterial eingebettet sind, wobei das Werkstück gemäß dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist und insbesondere eine homogene Verteilung von Verstärkungspartikeln in dem Gussmaterial des Werkstücks herstellbar ist, um ein Werkstück von besonderer Stabilität vorzusehen, welches dabei dennoch kostengünstig herstellbar ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben werden . Es zeigen :
Fig. 1 eine Schnittansicht einer Gussform mit einer vorbe- stimmten Verteilung zwischen Verstärkungspartikeln und einem Bindemittel gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 eine Gussform mit einer vorbestimmten Verteilung zwischen Verstärkungspartikeln und Partikeln eines Bin- demittels gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung .
In Fig. 1 ist eine Gussform 1 zur Herstellung eines Werkstücks aus einem Verbundmaterial gezeigt, welche mit Verstärkungspartikeln 2 gefüllt ist, welche im Wesentlichen ho- mögen in den kugelförmigen Partikeln eines Bindemittels 3 verteilt angeordnet sind. Die Partikel des Bindemittels 3, in welchen gemäß der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Verstärkungspartikel 2 homogen verteilt enthalten sind, sind in der Gussform 1 gemäß der Darstellung der Fig. 1 in dichtester Kugelpackung angeordnet. Somit ergibt sich eine besonders homogene Verteilung der Partikel des Bindemittels 3 und somit der Verstärkungspartikel 2 innerhalb der Gussform. Gezeigt ist der Schritt des erfindungsgemäßen Verfahren, bei welchem das Gussmaterial, in welches die Ver- Stärkungspartikel 2 eingebettet werden sollen, noch nicht in die Gussform 1 eingebracht ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren läuft bevorzugt so ab, dass zunächst die Verstärkungspartikel 2 in den Partikeln des Bin- demittels 3 homogen verteilt vorgesehen werden. Sodann werden diese Partikel des Bindemittels 3 mit den darin enthaltenen Verstärkungspartikeln 2 in die Gussform eingefüllt. Auf diese Weise ergibt sich eine vorbestimmte Verteilung zwischen Verstärkungspartikeln und dem Bindemittel im Volumen der Guss- form des herzustellenden Werkstücks. In einem nächsten Verfahrensschritt (nicht dargestellt) wird ein Gussmaterial in die Gussform 1 eingebracht, was beispielsweise durch ein Druckgussverfahren oder ein Pressgussverfahren erfolgen kann, wobei das Bindemittel aus der Gussform entfernt wird. Bevor- zugt wird das Bindemittel 3 durch Ausgasen, Auflösen oder andere geeignete Verfahren aus der Gussform entfernt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren entsteht somit ein Werkstück aus einem Verbundmaterial, wobei Verstärkungspartikel 2 in das Gussmaterial derartig gemäß der vorbestimmten und eingestellten Verteilung zwischen Verstärkungspartikeln 2 und dem Bindemittel 3 in dem durch die Gussform vorgegebenen Volumen des Werkstücks enthalten sind. Die Verteilung der Verstärkungspartikel 2 in dem fertigen Werkstück ergibt sich da- bei, wie gesagt, aufgrund der vorbestimmten Verteilung der Verstärkungspartikel 2 und des Bindemittels 3 in der Gussform 1, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Als Verstärkungspartikel 2 können keramische Materialien Verwendung finden, insbesondere aus der Gruppe A120 , Zr02, SiC, Ti02 oder Ähnliches. Als Bindemittel 3 können Materialien aus der Gruppe Harze, Wachse, Polymere, leicht oxidierbare Substanzen oder aus einer Kombination der genannten Materialien Verwendung finden . Als Gussmaterial kann ein Metall, eine Metalllegierung, metallisches Material oder ein geeignetes entsprechend gießfä- higes Kunststoffmaterial Verwendung finden.
Fig. 2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der vorbestimmten Verteilung zwischen Verstärkungspartikeln 2 und Bindemittel 3 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Die Ausführungen zu Fig. 1 gelten dabei auch für Fig. 2, jedoch mit dem Unterschied, dass die Verstärkungspartikel 2 nun nicht mehr wie in Fig. 1 homogen in den Partikeln des Bindemittels 3 verteilt vorgesehen sind, sondern dass die Verstärkungspartikel 2 in Fig. 2 außerhalb der Partikel des Bindemittels 3 verteilt werden. Bevorzugt können die Verstärkungspartikel 2 außen an die Partikel des Bindemittels 3 angelagert werden. Die Partikel des Bindemittels 3 bilden gemäß der Ausführungsform, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, sogenannte "Platzhalter". Auf diese Art und Weise ist eine Konzentration von Verstärkungspartikeln 2 in dem Verbundmaterial , welches gemäß dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird, möglich, wel- ehe geringer ist als die Konzentration, welche beispielsweise gemäß der Ausführungsform nach Fig. 1 eingestellt ist.
Das erfindungsgemäß hergestellte Werkstück weist sowohl gemäß der Ausführungsform nach Fig. 1 als auch gemäß der Ausführungsform nach Fig. 2 eine vorbestimmte Verteilung von Verstärkungspartikeln 2 in einem Gussmaterial (in beiden Figuren nicht gezeigt) auf, wobei diese vorbestimmte Verteilung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Verteilung der Verstärkungspartikel 2 im Verhältnis zu dem Bindemittel 3 einstellbar ist. Auf diese Art und Weise ist insbesondere eine homogene Verteilung von Verstärkungspartikeln 2 in einem Gussmaterial eines Verstärkungsmaterials möglich, wodurch ein besonders einfach zu realisierendes Verfahren zur Herstellung eines auf diese Art und Weise besonders verstärkten Werkstücks erfindungsgemäß vorgesehen werden kann.

Claims

DaimlerChrysler AG Dr. Rauscher23.04.2003Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einem Verbundmaterial , wobei Verstärkungspartikel in ein Gussmaterial eingebettet werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine vorbestimmte Verteilung zwischen Verstärkungs- partikeln und einem Bindemittel, welches in Partikelform vorliegt, im Volumen einer Gussform des Werkstücks eingestellt wird, und dass bei der Einbettung der Verstärkungspartikel in das Gussmaterial das Bindemittel aus der Gussform entfernt wird und durch das Gussmaterial ersetzt wird, wobei die Verstärkungspartikel definiert verteilt werden in dem Gussmaterial des Werkstücks, welches das Volumen der Gussform ausfüllt, gemäß der vorbestimmten eingestellten Verteilung in dem Volumen der Gussform.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verstärkungspartikel außerhalb der Partikel der Bindemittel verteilt werden, bevorzugt an die Partikel des Bindemittels außen angelagert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verstärkungspartikel in den Partikeln des Bindemittels verteilt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verteilung der Verstärkungspartikel in den Partikeln des Bindemittels im wesentlichen homogen erfolgt.
5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass . die Verteilung der Verstärkungspartikel über das Volumen des Werkstücks im Wesentlichen homogen erfolgt.
6. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verteilung der Verstärkungspartikel im Wesentlichen im Bereich der Oberfläche des Werkstücks erfolgt.
7. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verstärkungspartikel einen mittleren Durchmesser im Bereich von 0,003 um bis 500 um aufweisen.
8. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Verstärkungspartikel keramische Materialien Verwendung finden, insbesondere aus der Gruppe A1203, Zr02, SiC, Ti02 oder ähnliches.
9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Bindemittel Materialien aus der Gruppe Harze, Wachse, Polymere, leicht oxidierbare Substanzen oder aus einer Kombination der genannten Materialien Verwendung finden .
10. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Partikel des Bindemittels in loser Form vorliegen.
11. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Abmessungen der Partikel des Bindemittels und/oder die Abmessungen der Verstärkungspartikel so festgelegt werden, dass das gesamte Volumen der Gussform ausgefüllt werden kann.
12. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Abmessungen der Partikel des Bindemittels so festgelegt werden, dass diese Abmessungen kleiner sind als die kleinsten Abmessungen der Gussform, welche das Volumen der Gussform bestimmen.
13. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Abmessungen der Partikel des Bindemittels so festgelegt werden, dass diese Abmessungen größer sind als die Abmessungen der Verstärkungspartikel, wobei die Abmessungen der Verstärkungspartikel bevorzugt bestimmt werden durch deren mittlere Durchmesser.
14. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Partikel des Bindemittels eine normalverteilte Größenverteilung bezüglich der Abmessungen aufweisen.
15. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Partikel des Bindemittels eine bimodale Größenverteilung bezüglich der Abmessungen aufweisen.
16. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Bindemittel durch Ausgasen, Auflösen oder andere geeignete Verfahren aus der Gussform entfernt wird.
17. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Partikel des Bindemittels durch Wärmeeinbringung zu einer größeren Einheit verbunden werden, wobei diese größere Einheit bevorzugt der Gussform entnommen wird und getrennt davon weiterverarbeitet wird.
18. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verstärkungspartikel und die Partikel des Bindemittels als spritzgussfähige Masse vorliegen.
19. Werkstücks aus einem Verbundmaterial, bestehend aus Ver- Stärkungspartikeln, die in ein Gussmaterial eingebettet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Werkstück nach einem Verfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 18 hergestellt ist.
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