DE102010005897A1

DE102010005897A1 - Verfahren zum Herstellen eines Körpers mittels Sprühkompaktieren und mittels Sprühkompaktieren hergestellter Körper

Info

Publication number: DE102010005897A1
Application number: DE201010005897
Authority: DE
Inventors: Ralph Dr.-Ing. 71034 Mayer
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2011-07-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Körpers (18, 26) mittels Sprühkompaktieren, bei welchem eine Schmelze zerstäubt und Tropfen auf einen Träger (12) aufgebracht werden. Die Tropfen werden hierbei auf eine Trennschicht (24) aufgebracht, an welcher der Körper (18) von dem Träger (12) und einem auf dem Träger (12) angeordneten Formkörper (16) oder ein zweiter Körper (26) von dem ersten Körper (18) abgelöst wird. Das Vorsehen der Trennschichten (24) ermöglicht das Ausbilden von Körpern (18, 26) mit vergleichsweise komplexer Geometrie, etwa von Bremsscheiben. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen mittels Sprühkompaktieren hergestellten Körper (18, 26).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Körpers mittels Sprühkompaktieren, bei welchem eine Schmelze zerstäubt und Tropfen der Schmelze auf einen Träger aufgebracht werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen mittels Sprühkompaktieren hergestellten Körper.
Die DE 10 2006 051 544 A1 beschreibt einen Wälzlagerring, welcher durch Metall-Sprühkompaktieren hergestellt ist. Hierbei wird in einem Gaszerstäuber eine Stahlschmelze in einem Schutzgasstrom in kugelförmige feine Tropfen zerstäubt. Durch das Schutzgas werden die Metalltröpfchen auf eine Temperatur abgekühlt, welche zwischen der Liquidus- und der Solidustemperatur des Stahls liegt. Die derart abgekühlten Tropfen bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit und weisen eine teigige Konsistenz auf. Treffen die Tropfen dann mit hoher Geschwindigkeit auf einen Träger auf, so kompaktieren sie aufgrund ihrer hohen kinetischen Energie. Zum Fertigen des Wälzlagerrings werden die Metalltröpfchen so auf den Träger aufgebracht, dass in einem Randbereich des Wälzlagerrings eine sehr geringe und in einem Kernbereich des Rings eine deutlich größere Porosität vorliegt, also ein deutlich größeres Hohlraumvolumen bezogen auf das Bauteilvolumen. Um aus einem hohlzylindrischen Rohling eine Mehrzahl von einzelnen Wälzlagerringen mit entsprechend dichten Randbereichen und dem poröseren Kernbereich zu erhalten, wird der Rohling im Bereich der dichten Randschichten zertrennt.
Als nachteilig bei einem derartigen Herstellungsverfahren ist der Umstand anzusehen, dass das Trennen kostenaufwändig ist und einen Materialverschleiß mit sich bringt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und einen Körper der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bzw. welcher mit einem besonders geringen Trennaufwand einhergeht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen Körper mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Körpers mittels Sprühkompaktieren wird eine Schmelze zerstäubt, und es werden Tropfen auf einen Träger aufgebracht. Hierbei werden die Tropfen auf eine Trennschicht aufgebracht, an welcher der Körper von einem jeweiligen Untergrund abgelöst wird. Durch das Vorsehen der Trennschicht kann auf ein aufwändiges mechanisches Trennverfahren verzichtet werden. Es braucht kein zerspanendes Trennverfahren eingesetzt zu werden, so dass auch das mit dem ansonsten eingesetzten Zerspanen einhergehende Zerspanvolumen reduziert wird. Des Weiteren ist eine Kostenreduktion erreichbar, da der Aufwand für eine zerspanende Bearbeitung des Körpers zumindest verringerbar ist oder gar nicht anfällt. Darüber hinaus ist ein Zeitgewinn bei der Herstellung des Körpers erreichbar, welcher sich ebenfalls in verringerten Kosten niederschlägt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Untergrund durch den Träger und/oder durch wenigstens einen auf dem Träger angeordneten Formkörper gebildet. Wenn die Trennschicht auf den Formkörper aufgebracht ist, kann anschließend der mittels Sprühkompaktieren herzustellende Körper einfach von dem Formkörper abgelöst werden. Dies ermöglicht es insbesondere, vergleichsweise aufwändige und komplexe Geometrien des Körpers durch Sprühkompaktieren zu schaffen, welche bislang auf vergleichsweise einfache, nämlich zylindrische oder hohlzylindrische Formen beschränkt waren. Wenn die Trennschicht auf den Träger aufgebracht wird, wird das Ablösen des Körpers von dem Träger erleichtert. Die Trennschicht, auf welche die Tropfen aufgebracht werden, kann auch den Formkörper und den Träger zumindest bereichsweise abdecken.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Untergrund durch einen ersten Körper gebildet, auf welchen unter Zwischenschaltung der Trennschicht ein zweiter Körper durch Sprühkompaktieren aufgebracht wird. Die Trennschicht grenzt hierbei die unterschiedlichen, jeweils durch Sprühkompaktieren gebildeten Körper voneinander ab. So können in einem Arbeitsgang eine Mehrzahl von, insbesondere im Hinblick auf deren Abmessung und Form gleichen, Körpern gebildet werden.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Trennschicht auf den Untergrund durch Aufsprühen und/oder in festem Aggregatszustand aufgebracht wird. Beim Aufsprühen kann zusätzlich zu dem die Schmelze zerstäubenden Sprühkopf ein weiterer Sprühkopf vorgesehen sein, welcher nach und/oder vor dem Aufbringen des mittels Sprühkompaktieren herzustellenden Körpers die von ihren Eigenschaften her sich von dem Körper unterscheidende Trennschicht erzeugt. Alternativ kann derselbe Sprühkopf alternierend mit einer ersten Schmelze zum Herstellen des Körpers und dann mit einer zweiten Schmelze zum Herstellen der Trennschicht beschickt werden. Gegebenenfalls kann auch bei Verwendung einer von der Zusammensetzung her gleichen Schmelze für den Körper und die Trennschicht zum Erzeugen der Trennschicht wenigstens ein Parameter des Sprühverfahrens so geändert werden, dass die Trennschicht ein späteres Ablösen des Körpers von dem jeweiligen Untergrund ermöglicht. Beim Aufbringen der Trennschicht in festem Aggregatszustand hat sich insbesondere die Verwendung einer Folie als vorteilhaft erwiesen.
Bei dem erfindungsgemäßen Körper, welcher mittels Sprühkompaktieren durch Zerstäuben einer Schmelze und Aufbringen von Tropfen auf einen Träger hergestellt ist, wird das Trennen dadurch erleichtert, dass der Körper zumindest bereichsweise durch eine Trennschicht abgegrenzt ist, an welcher der Körper von einem jeweiligen Untergrund ablösbar ist. Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für den erfindungsgemäßen Körper.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 schematisch einen durch Sprühkompaktieren hergestellten Rohling, in welchen Trennschichten eingebracht sind, welche ein Zerlegen des Rohlings in gewünschte Körper erleichtern; und
2 ausschnittsweise und teilweise geschnitten eine Bremsscheibe als Beispiel für einen Körper, welche aus dem in 1 gezeigten Rohling erhältlich ist.
Ein in 1 schematisch gezeigter Rohling 10 befindet sich auf einem als Träger dienenden Drehteller 12, welcher um seine Drehachse A rotiert, während Tropfen einer Metallschmelze auf den Drehteller 12 aufgebracht werden.
Der Rohling 10 ist durch Sprühkompaktieren der Tropfen der Metallschmelze, bei welcher es sich beispielsweise eine geschmolzene Aluminiumlegierung handelt, hergestellt. Beim Sprühkompaktieren wird die metallische Schmelze durch einen (nicht gezeigten) Sprühkopf zerstäubt, und die beim Zerstäuben sich bildenden Tropfen werden auf den um die Drehachse A rotierenden Drehteller 12 aufgebracht. Dort kompaktieren die von der Konsistenz her noch teigigen Tropfen aufgrund ihrer hohen kinetischen Energie. Der Rohling 10 ist bezüglich der Drehachse A rotationssymmetrisch, und eine Drehrichtung des Drehtellers 12 ist durch einen Bewegungspfeil 14 veranschaulicht.
Vorliegend ist auf dem Drehteller 12 ein Formkörper 16 angeordnet, dessen Form und Abmessungen die Kontur des gewünschten Halbzeugs bestimmen. Bei dem Halbzeug kann es sich, wie in 1 schematisch gezeigt, um ein Halbzeug für eine Bremsscheibe 18 handeln (vgl. 2). Jedoch sind auch andere Körper als Halbzeug mittels des vorliegend beschriebenen Sprühkompaktierens erhältlich, insbesondere Körper mit einer vergleichsweise komplexen Geometrie.
Bei der aus dem Rohling 10 herzustellenden und beispielhaft gezeigten Bremsscheibe 18 bildet der Formkörper 16 die Negativform für die Innenseite eines Bremsscheibentopfes 20, an welchen sich in radialer Richtung ein Reibring 22 der Bremsscheibe 18 anschließt (vgl. 2). Gegenüber dem Drehteller 12 und dem Formkörper 16 ist die in dem Rohling 10 als erste gebildete und zu unterst liegende Bremsscheibe 18 durch eine Trennschicht 24 abgegrenzt. An dieser Trennschicht 24 ist die durch Sprühkompaktieren hergestellte Bremsscheibe 18 einfach von dem Träger 12 und von dem Formkörper 16 lösbar.
Eine weitere Trennschicht 24, welche in den Rohling 10 eingebracht ist, grenzt die erste Bremsscheibe 18 von einer weiteren, ebenfalls durch Sprühkompaktieren gebildeten Bremsscheibe 26 ab. In analoger Weise grenzen in dem Rohling 10 weitere Trennschichten auf die Bremsscheibe 26 folgende, in Form und Abmessungen gleiche Bremsscheiben voneinander ab (vgl. 1).
Aufgrund des Einbringens der Trennschichten 24 in den Rohling 10 müssen also die Bremsscheiben 18, 26 nicht durch ein aufwändiges und Material beanspruchendes Trennverfahren, beispielsweise durch Drahtschneiden, voneinander getrennt werden. Gerade bei einem großen Durchmesser der Bremsscheiben 18, 26 ist nämlich das Drahtschneiden des Rohlings 10 nachteilig, da der Draht in der Ebene der Schneidrichtung eine bedeutende Durchbiegung und Beanspruchung erfährt. Zudem ist die Zeitdauer des Schneidvorgangs nachteilig im Hinblick auf einen raschen Fertigungsprozess.
Die Trennschichten 24 können ein Ablösen der Bremsscheibe 18 von dem Drehteller 12 und dem Formkörper 16 beziehungsweise der Bremsscheibe 26 von der Bremsscheibe 18 durch Unterschiede in der Beschaffenheit der Trennschicht im Gegensatz zur Beschaffenheit der Bremsscheibe 18, 26 ermöglichen.
Bei einem mechanischen Trennen der Bremsscheiben 18, 26 voneinander kann das Ablösen der Bremsscheibe 26 von der Bremsscheibe 18 durch Beaufschlagen mit einer Kraft, etwa durch so genanntes Cracken, bewirkt werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein Einbringen oder Abführen von Wärme zum Ablösen der Bremsscheibe 18, 26 von ihrem jeweiligen Untergrund eingesetzt werden. So können unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten des Materials der Bremsscheiben 18, 26 und des Materials der Trennschicht 24 zu Spannungsrissen in der Trennschicht 24 beim Abkühlen oder beim Erwärmen des Rohlings 10 führen. Das Ablösen kann zusätzlich oder alternativ durch ein Verringern einer Adhäsionseigenschaft der Trennschicht 24 bewirkt werden, etwa durch chemisches Herauslösen der Trennschicht 24 aus dem Rohling 10 oder durch Verändern der Trennschicht 24 infolge eines Einbringens einer Chemikalie.
2 zeigt in einer teilweise geschnittenen Ansicht als Beispiel für einen durch das beschriebene Sprühkompaktieren erhältlichen Körper die Bremsscheibe 18, bei welcher es sich insbesondere (wie vorliegend gezeigt) um eine innenbelüftete Bremsscheibe 18 handeln kann. Der Reibring 22 der Bremsscheibe 18 umfasst ein erstes Ringteil 28, welches über Stege 30 mit einem zweiten Ringteil 32 verbunden ist. Zwischen den Stegen 30 sind der Innenbelüftung der Bremsscheibe 18 dienende Hohlräume 34 ausgebildet. Diese Hohlräume 34 können bei der Herstellung der Bremsscheibe 18 mittels Sprühkompaktieren durch Einbringen von Einlegern in die jeweilige Bremsscheibe 18 realisiert werden.
Bei den (nicht gezeigten) Einlegern handelt es sich um verlorene Formen, welche zum verbesserten Ablösen von dem sie umgebenden Material von einer Trennschicht umgeben sein können, welche die Eigenschaft der vorliegend beschriebenen Trennschicht 24 aufweisen kann. Dann ist nämlich der Einleger besonders leicht entfernbar, um in der Bremsscheibe 18 den Hohlraum 34 zu hinterlassen.
Auch zum Entfernen der Einleger können die oben beschriebenen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Verfahren zum Einsatz kommen. Das Entfernen der Einleger von der Bremsscheibe 18 kann zusätzlich erleichtert werden, wenn der jweilige Einleger mit einer Entformungsschräge versehen wird, welche ihn in der Entformrichtung leicht aus dem Hohlraum 34 entfernbar macht.
Anstelle einer Mehrzahl von Einlegern zum Ausbilden eines jeweiligen Hohlraums 34 kann auch ein einzelner Einleger zum Einsatz kommen, welcher gleichzeitig eine Mehrzahl von Hohlräumen 34 ausbildet, wenn er von der Bremsscheibe 18 entfernt wird. Ein solcher, zusammenhängender Einleger weist dann die Negativform der zu bildenden Hohlräume 34 auf.
Wenn die Stege 30 Hinterschnitte aufweisen, können zwei Einleger vorgesehen sein, welche in einander entgegengesetzte Entformrichtungen aus dem Hohlraum 34 entfernt werden. In den Ringteilen 28, 32 vorgesehene Belüftungslöcher 36 können ebenfalls durch Einleger hergestellt sein, wenn auf ein nachträgliches, zerspanendes Bearbeiten der Bremsscheibe 18 besonders weitgehend verzichtet werden soll.
Bezugszeichenliste

10: Rohling
12: Drehteller
14: Bewegungspfeil
16: Formkörper
18: Bremsscheibe
20: Bremsscheibentopf
22: Reibring
24: Trennschicht
26: Bremsscheibe
28: erstes Ringteil
30: Steg
32: zweites Ringteil
34: Hohlraum
36: Belüftungsloch
A: Drehachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006051544 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Körpers (18, 26) mittels Sprühkompaktieren, bei welchem eine Schmelze zerstäubt und Tropfen auf einen Träger (12) aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfen auf eine Trennschicht (24) aufgebracht werden, an welcher der Körper (18, 26) von einem jeweiligen Untergrund (12, 16, 18) abgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Untergrund durch den Träger (12) und/oder durch wenigstens einen auf dem Träger (12) angeordneten Formkörper (16) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Untergrund durch einen ersten Körper (18) gebildet wird, auf welchen unter Zwischenschaltung der Trennschicht (24) ein zweiter Körper (26) durch Sprühkompaktieren aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (24) auf den Untergrund (12, 16, 18) durch Aufsprühen und/oder in festem Aggregatszustand, insbesondere in Form einer Folie, aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (18, 26) an der Trennschicht (24) – durch Beaufschlagen mit einer Kraft und/oder – durch Einbringen oder Abführen von Wärme und/oder – durch Verringern einer Adhäsionseigenschaft der Trennschicht von dem jeweiligen Untergrund (12, 16, 18) abgelöst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Körper (18, 26) wenigstens ein zumindest bereichsweise von einer Trennschicht umgebener Einleger eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Einleger mit einer Entformungsschräge versehen wird.
Körper, welcher mittels Sprühkompaktieren durch Zerstäuben einer Schmelze und Aufbringen von Tropfen auf einen Träger (12) hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (18, 26) zumindest bereichsweise durch eine Trennschicht (24) abgegrenzt ist, an welcher der Körper (18, 26) von einem jeweiligen Untergrund (12, 16, 18) ablösbar ist.