Der
vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zu Grunde,
Bauteile aus Metallschaum herzustellen, ohne dass ein hoher gerätetechnischer
Aufwand und ein hoher Energieverbrauch nötig sind, die aber dennoch über das
gesamte Bauteilvolumen kontrollierbare Eigenschaften aufweisen.
Dieses
technische Problem wird durch ein Verfahren zur Herstellung von
Bauteilen aus Metallschaum nach Anspruch 1 gelöst, wobei Metallschaumbausteine,
die ggf. nach Anspruch 12 ausgebildet sind, verwendet werden. Dabei
werden Bauteile nach Anspruch 19 oder 21 erhalten. Unteransprüche geben
vorteilhafte Weiterbildungen an. Anspruch 29 lehrt eine vorteilhafte
Verwendung der erfindungsgemäßen Bauteile
aus Metallschaum.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung von Bauteilen aus Metallschaum besteht darin, dass
Metallschaumbausteine dreidimensional angeordnet werden, wobei entweder
ein Gebilde, das die äußere Hülle des
Bauteils aus Metallschaum bildet, mit den Metallschaumbausteinen
zumindest teilweise befüllt
wird, oder die Metallschaumbausteine zu einem Körper mit einer Geometrie, die
der des herzustellenden Bauteils entspricht, angeordnet werden.
Die so angeordneten Metallschaumbausteine werden gleichzeitig oder
später
mindestens einer physikalischen und/oder chemischen Nachbehandlung
unterworfen, so dass jeweils benachbarte Metallschaumbausteine formschlüssig, stoffschlüssig und/oder
adhäsiv
miteinander verbunden sind.
Metallschaumbausteine
im Sinne dieser Erfindung sind Metallschäume, die mittels Energiezufuhr
durch zumindest teilweises Aufschäumen von Granulatteilchen,
die mindestens ein Metallpulver und mindestens ein Treibmittelpulver
enthalten, erhältlich
sind. Durch Einwirkung von Energie, vorzugsweise Wärmeenergie,
werden diese Granulatpartikel aufgeschäumt, so dass Granulatpartikel
mit einer inneren Porosität
entstehen. Die Porenstruktur kann dabei offenporig, geschlossenporig
oder gemischtzellig ausgebildet sein.
Unter
Metallschaumbausteinen sind erfindungsgemäß insbesondere Metallschaumpartikel
zu verstehen, die eine Geometrie aufweisen, die in Serienfertigung
herstellbar ist, und die einzeln weiterverarbeitbar sind.
Wird
das aufschäumbare
Granulat nach pulvermetallurgischen Treibmittelverfahren (z. B.
gemäß der
DE 40 18 360 C1 oder
der
DE 41 01 630 A1 )hergestellt,
so ist die Porenausbildung mit einer Expansion des Granulatpartikels
verbunden; jedes Granulatteilchen vergrößert also bei der Entstehung
des Metallschaumbausteins sein Volumen. Die geometrische Ausgangsform
der Granulatpartikel hat dabei in der Regel nur geringen Einfluss
auf die entstehende Gestalt des Metallschaumbausteins. Das Granulat kann
durch Zerkleinern von größeren Stücken aus aufschäumbarem
Material hergestellt werden oder das aufschäumbare Material direkt in Granulatform erzeugt
werden.
Vorzugsweise
wird das schäumbare
Granulat in Form von kreisrunden Tabletten hergestellt. Dazu wird
die Metall/Treibmittelmischung durch uniaxiales Pressen in einem
Prozessschritt verdichtet. Die kreisrunde Form des Granulatpartikels
unterstützt
beim Aufschäumvorgang
die Ausbildung von kugelförmigen
Metallschaumbausteinen. Die Kugelform wird hierbei hauptsächlich in
Dickenrichtung durch die Expansion des flüssigen Schaums ausgebildet.
Die kugelförmigen
Metallschaumbausteine bilden sich bei dem Aufschäumen derartiger Granulattabletten,
da offensichtlich die Oberflächenspannung des
flüssigen
Schaums (möglicherweise
günstig
beeinflusst durch an der Oberfläche
entstehende Reaktionsprodukte) die Ausbildung der Kugelform begünstigt.
Das Aufschäumen
derartiger Halbzeugtabletten ist ohne großen Energieeintrag und großen prozesstechnischen
Aufwand sowie ohne die Verwendung von Hohlkörpern, insbesondere Schäumformen,
möglich.
Die
uniaxiale Verdichtung kleiner Mengen einer Metallpulver-/Treibmittelmischung
kann innerhalb von sehr kurzer Zeit (z. B. < 1 Sek.) erfolgen. Wird das Verfahren
nach der
DE 40 18 360
C1 der
DE
41 01 630 A1 verwendet, so kann (z.B. zur Herstellung von
Granulattabletten) die Metallpulvertreibmittelmischung vor bzw.
während
des Verdichtungsvorgangs von der Raumtemperatur bis maximal wenige
Grad Celsius unterhalb des Metallpulverschmelzpunkts erwärmt werden.
Auf Grund des schnellen Verdichtungsvorgangs werden selbst bei Kompaktierungstemperaturen,
die derart knapp unter der Solidus- bzw. Schmelztemperatur des Metallpulvers
liegen, lediglich vernachlässigbare
Mengen an Treibgas aus dem Treibmittel freigesetzt, so dass das spätere Aufschäumverhalten
der Halbzeugtablette nicht signifikant durch deren Herstellungsprozess
beeinflusst wird.
Dem
Metallpulver-Treibmittelgemisch zur Herstellung des Granulats können zur
Unterstützung bzw.
Verbesserung des Verdichtungsvorgangs Schmier- und Pressmittel (vorzugsweise
organische Binder) vor dem Verdichtungsvorgang beigemischt werden.
Diese entbindern während
des Schäumvorgangs
oder können
in einem dem Verdichtungsvorgang nachfolgendem Prozessschritt entfernt
werden (vorzugsweise chemisch durch Lösungsmittel oder thermisch
durch Ausbrennen bei Temperaturen, die unter der Zersetzungstemperatur
des Treibmittels liegen).
Um
nach uniaxialen Verdichtungsvorgängen zu
gewährleisten,
dass eine ausreichende Verdichtung des aufschäumbaren Granulats vorliegt,
kann dem Verdichtungsvorgang ein Sintervorgang zur Dichteerhöhung nachgeschaltet
werden.
Erfindungsgemäß kann das
aufschäumbare Granulat
hergestellt werden. Insbesondere ist hierbei das Sintern von Metallpulvern
oder Metallpulvergemischen in wasserstoffhaltiger Atmosphäre geeignet, bei
der ein aufschäumbares
Granulat entsteht, ohne dass Treibgas verloren geht. Weiterhin können nach diesem
Verfahren auch Metallschaumbausteine, die keine Oxidschicht auf
der Oberfläche
aufweisen, direkt hergestellt werden, d. h., ohne dass eine Abkühlung des
aufschäumbaren
Granulatpartikels erfolgt. Bei der Herstellung kann auch ein Sinterhilfsmittel
(z. B. Magnesium zur Herstellung von aufschäumbarem Aluminiumgranulat)
zur Unterstützung
des Sintervorgangs vor dem Verdichtungsvorgang zugesetzt werden.
Generell
können
aber auch die anderen, vorbekannten Verfahren zur Aufschäumung des
Granulatpartikels unter Ausschluss von Luftsauerstoff erfolgen,
so dass ebenfalls Metallschaumbausteine ohne störende Oxidschicht an der Oberfläche hergestellt werden
können.
Auch
bei der Verwendung von organischen Bindern als Schmier- oder Presshilfsmitteln
und der nötigen
späteren
Entbinderung kann diese Entbinderung unter wasserstoffhaltiger Atmosphäre durchgeführt werden.
Auch hier geht kein Treibgas aus dem aufschäumbaren Granulat verloren.
Die
Verwendung der erfindungsgemäßen aufschäumbaren
Granulate (sofern diese durch direktes Pressen in Granulatform und
nicht durch Zerkleinern größerer Halbzeugstücke erhalten
wurden) hat gegenüber
der Herstellung größerer aufschäumbarer
Halbzeuge mehrere Vorteile. Üblicherweise kann
die Metalltreibmittelmischung ohne signifikante Materialverluste
in einem oder maximal zwei Prozessschritten zum schäumbaren
Halbzeug verarbeitet werden. Durch diese Reduktion der Prozessschritte
und die Vermeidung von Materialverlusten (wie z. B. Pressresten
beim Strangpressen) werden die Kosten zur Herstellung des schäumbaren
Halbzeugs erheblich reduziert.
Das
Aufschäumen
der kleinen Granulatpartikel zu Metallschaumbausteinen erfolgt erfindungsgemäß durch
Aufheizen und definierte Expansion, wobei (insbesondere, wenn keine
Schäumform
verwendet wird) keine Temperaturgradienten im Halbzeug bzw. dem
flüssigen
Schaum vorliegen. Ebenso schnell und ohne signifikante Temperaturgradienten kann
die Energie wieder abgeführt
werden, so dass der definiert expandierte Schaum direkt eingefroren wird.
Ein unter derart idealen Bedingungen hergestellter Schaum, bei dem
also Überalterung
(Koaleszenz, Drainage, etc.) sicher vermieden werden kann, weist
eine sehr homogene Porenstruktur auf. Selbst im schlechtesten Fall,
in dem der Metallschaumbaustein eine Riesenpore enthält, kann
das Volumen dieser größten Pore
nicht größer als
das Gesamtvolumen des Schaumpartikels sein. Üblicherweise sind die homogen über den
Metallschaumbaustein verteilten Poren aber kleiner. Über die
Größenverteilung der
Metallschaumbausteine kann damit auch die Homogenität der Porenverteilung
in dem aus den Metallschaumbausteinen hergestellten Bauteil gesteuert werden.
Weiterhin können
vor der dreidimensionalen Anordnung der Metallschaumbausteine Bausteine mit
schlechter Qualität
(z. B. zu geringer Dichte oder zu hoher Dichte oder unvorteilhafter
Geometrie) ausgesondert werden; die hergestellten Metallschaumbauteile
können
aber vor der Weiterverarbeitung auch generell nach bestimmten Kriterien
wie Dichte, Form und Größe vorsortiert
werden.
Die
dreidimensionale Anordnung der Metallschaumbausteine kann entweder
durch Befüllen
einer Form bzw. eines Körpers,
der der Geometrie des herzustellenden Bauteils entspricht, und nachfolgender
Entnahme des Bauteils aus der Form bzw. Entfernung der Form erfolgen.
Alternativ können
die Metallschaumbausteine auch zu einem Bauteil, in dem ein Verbund
aus Metallschaumbausteinen und äußerer Hülle vorliegt,
angeordnet werden. Die Metallschaumbausteine können hierbei auch gleichzeitig einer
chemischen und/oder physikalischen Nachbehandlung unterworfen werden.
Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass bei einer Trennung von Schaumexpansion und Bauteilformgebung
ein erheblich einfacheres Verfahren zur Herstellung von Bauteilen
aus Metallschaum möglich ist.
Die erfinderische Leistung besteht insbesondere also auch darin,
dass erkannt wurde, dass ein Metallschaumbauteil auch aus einer
Vielzahl von kleinen Metallschaumbausteinen gefertigt werden kann,
die so physikalisch oder chemisch behandelt werden bzw. wurden,
dass innerhalb von einem oder mehreren Prozessschritten ein Gesamtbauteil
mit stoffschlüssigen
Verbindungen zwischen den Metallschaumbausteinen erhalten wird.
Der
besondere Vorteil dieses Verfahrens ist, dass das aufschäumbare Vormaterial
nicht in einem Hohlkörper
erwärmt
werden muss. Es ist also kein energie- und zeitaufwendiges Erwärmen des
Hohlkörpers
nötig,
sondern die gesamte eingesetzte Energie (insbesondere Wärme) geht
direkt in das aufschäumbare
Vormaterial über.
Insbesondere zur Herstellung von Bauteilen mit komplizierten Geometrien ist
es nun nicht mehr nötig,
eine Form aufzuwärmen; auch
der ungleichmäßige Wärmeübergang
von der Form in das aufschäumbare
Vormaterial bereitet keine Probleme mehr. Erfindungsgemäß können daher erstmals
Bauteile hergestellt werden, die eine gleichmäßige Porenverteilung bei gleichmäßigen Porengrößen und
eine komplizierte Geometrie aufweisen; das Problem des Erreichens
der Schäumtemperatur in
unterschiedlichen Bauteilbereichen zu unterschiedlichen Zeiten spielt
keine Rolle mehr. Eine inhomogene Schaumexpansion während des
Energieeintrags in den aufzuschäumenden
Körper
tritt daher nicht auf. Auch bei der Abkühlung des fertigen Metallschaums
treten keine inhomogenen Wärmeübergangsbedingungen
auf. Mit den vorbekannten Verfahren sind nur solche Bauteile mit
komplizierten Geometrien erhältlich;
die eine Vielzahl von Schaumbereichen aufweisen, die in unterschiedlichen
Stadien des Schaumprozesses eingefroren wurden.
Das
Verfahren hat weiterhin den Vorteil, dass etwaige Oxidschichten
auf der Oberfläche
des Metallschaumbausteins keine Rolle mehr spielen. Sie können durch
chemische oder physikalische Verfahren vor Herstellung des Metallschaumbauteils
entfernt oder chemisch umgewandelt werden. Weiterhin ist, selbst
wenn sie nicht entfernt oder umgewandelt werden, eine genaue Vorhersage
ihrer Lage im Metallschaumbauteil möglich. Dies ist bei der Aufschäumung von
Granulatschüttungen,
wie z. B. in der
US 2,974,034 beschrieben
ist, oder dem Aufschäumen mittels
Laser- oder Elektronenstrahlen, wie in der
DE 199 28 997 A1 offenbart,
nicht möglich.
Weiterhin kann das erfindungsgemäßen Verfahren
so durchgeführt
werden, dass nur an bestimmten Stellen des Metallschaumbausteins,
insbesondere den Bereichen, über
die eine stoffschlüssige
und/oder adhäsive
Verbindung zu benachbarten Metallschaumbausteinen vorgesehen ist,
die Oxidschicht entfernt oder verändert wird. Bei einer chemischen
Nachbehandlung kann aber eine Oxidschicht, z. B. eine Aluminiumoxidschicht,
auch erwünscht
sein, weil derartige Oxidschichten eine bessere Klebstoffhaftung,
d. h., das Aufbringen einer Funktionsschicht aus Klebstoff auf dem
Metallschaumbaustein, unterstützen.
Erfindungsgemäß stellen
Oxidschichten also keine Schwachstellen mehr dar, vielmehr ist durch
die chemische Veränderung
oder Beschichtung dieser Oxidschichten eine breite Palette von Möglichkeiten
vorhanden, derartige beschichtete Metallschaumbausteine besonders
fest miteinander zu einem Metallschaumbauteil zu verbinden.
Ferner
hat das erfindungsgemäße Verfahren den
Vorteil, dass durch die Verwendung verschiedener Metallschaumbausteine
neuartige Schaumkörper (z.
B. mit Dichtegradienten in einem bestimmten, frei wählbaren
Teilbereich des Schaumkörpers)
möglich sind.
Dies war in den vorbekannten Verfahren nur in sehr geringem Ausmaß erreichbar;
die Homogenität der
Schaumstruktur war dabei sehr begrenzt. Das erfindungsgemäße Verfahren
bietet auch den Vorteil, dass Metallschaumbausteine aus verschiedenen Materialien
eingesetzt werden können.
So können
z. B. Bauteile aus Metallschaum hergestellt werden, die eine Kombination
verschiedener Matrixwerkstoffe (z. B. Stahl und Zink) enthalten;
diese Matrixwerkstoffe können
entweder statistisch verteilt oder auch in Form von Gradienten oder
anderen geometrischen Verteilungen im Metallschaumbauteil vorliegen.
Die
Trennung von Schaumexpansion und Bauteilformgebung bietet gegenüber Verfahren
wie dem der
DE 199
28 997 A1 den Vorteil, dass auch kleine Granulatpartikel
oder Granulattabletten homogen erwärmbar sind. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist nämlich
keine lokale Erwärmung
durch einen (in der Regel fokussierten) Energiestrahl erforderlich.
Damit kann gewährleistet
werden, dass die Volumenzunahme während des Aufschäumprozesses
vollkommen homogen erfolgt, und nicht durch die lokale Erwärmung mittels
des Energiestrahls eine undefinierte, nicht lineare Veränderung
der Oberflächengestalt
und -struktur auftritt. Weiterhin treten keine Schwankungen des
Wärmeeintrags
auf. Diese erfolgen stets bei Verwendung eines Energiestrahls z.B.
aus der Änderung
des Einfallswinkels des Energiestrahls, der Fokussierebene, des
Reflexionskoeffizienten der Oberfläche etc. Auch können sämtliche Seiten
des aufzuschäumenden
Granulatpartikels homogen erwärmt
werden, während
bei der Erwärmung mittels
Energiestrahlen die dem Strahl abgewandte Seite nicht direkt erwärmt werden
kann. Erfindungsgemäß werden
daher Metallschaumbausteine mit einer homogenen und zugleich definierten
Porenstruktur im Schaumkörper
erhalten. Die Trennung von Formgebung und Schaumexpansion bietet
gegenüber
der
DE 199 28 997
A1 weiterhin den Vorteil, dass bei Bauteilen, die aus mehreren
Schichten von Schaumkörpern
bzw. Metallschaumbausteinen aufgebaut werden, eine Schicht aus Metallschaumbausteinen
so angeordnet werden kann, dass eine ebene bzw. eine regelmäßige Oberfläche gebildet
wird. Dies ist bei der Aufschäumung
mittels Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen nicht möglich, eine
gezielte Platzierung auf der unebenen Oberfläche der ersten Schaumlage kann
dabei nicht gewährleistet
werden. Auch die Aufschäumung
mittels Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen führt dazu, dass die Halbzeuggranulatteilchen
der oberen Schichten nicht optimal erhitzt werden können und
kein optimal expandiertes Schaumvolumen entsteht.
Durch
die Trennung von Aufschäumen
und Formgebung wird auch erreicht, dass bereits vorhandene Schichten
von Metallschaumteilchen bzw. Metallschaumbausteinen beim Auftragen
einer weiteren Schaumlage nicht mit erhitzt werden; hierdurch würde nämlich eine
Verschlechterung der Schaumstruktur eintreten. Während im erfindungsgemäßen Verfahren
eine feste mechanische Verklammerung der Lagen von Metallschaumbausteinen
untereinander möglich
ist, da eine chemische oder physikalische Nachbehandlung stattfindet,
ist dies insbesondere bei dem Verfahren nach der
DE 199 28 997 A1 nicht erreichbar.
Erfindungsgemäß wird die
Größe der Metallschaumbausteine
bevorzugt so gewählt,
dass das Verhältnis
zwischen dem durchschnittlichen Volumen eines Metallschaumbausteins
und dem Volumen des Bauteils aus Metallschaum kleiner als 1:10,
besonders bevorzugt kleiner als 1:100 ist. Bei der Verwendung von
Metallschaumbausteinen mit stark unterschiedlichen Abmessungen ist
hierbei nicht das durchschnittliche Volumen der Metallschaumbausteine,
sondern das Volumen des größten verwendeten Metallschaumbausteins
maßgeblich.
Bevorzugt weisen die erfindungsgemäßen Metallschaumbausteine ein
Volumen auf, das kleiner als 125 cm3 ist.
Besonders bevorzugt sind Metallschaumbausteine mit einem Volumen
von 0,05 cm3 bis 2,5 cm3.
Kugelförmige Metallschaumbausteine
besitzen demnach besonders bevorzugt einen Durchmesser von 0,45
cm bis 1,7 cm. Metallschaumbausteine in dieser Größenordnung
können
ebenso wie das dafür
nötige
Metallschaumgranulat bzgl. des Verfahrensaufwandes und der benötigen Energie
besonders effizient hergestellt werden; außerdem ist die bei der Herstellung
von Bauteilen aus diesen Metallschaumbausteinen die zu behandelnde
Gesamtoberfläche
aller hierzu verwendeten Metallschaumbausteine klein genug um die Nachbehandlung
der Metallschaumbausteine kostengünstig durchführen zu
können.
Bevorzugt
wird die Größe der Schaumpartikel
so gewählt,
dass die gewünschte
Bauteilform durch die dreidimensional angeordneten Metallschaumbausteine
ausreichend abgebildet wird; insbesondere bei Verwendung kugelförmiger Metallschaumbausteine
muss hierbei eine Mischung von Metallschaumbausteinen verwendet
werden, die einen angemessen kleinen Durchmesser aufweisen.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird bevorzugt mit Metallschaumbausteinen durchgeführt, die
im Wesentlichen die Form einer Kugel oder einer in einer Raumrichtung
gestauchten und/oder gestreckten Kugel aufweisen. Hierunter sind
auch sämtliche
vorstellbaren Formen von Ellipsoiden, wie beispielsweise Rotationsellipsoide,
zu verstehen. Insbesondere fallen hierunter auch Körper, die
ihre Form durch die Schwerkraftwirkung während des teilflüssigen Zustands
des Metallschaums angenommen haben – die also auf Grund des Eigengewichts des
Metallschaumbausteins an der Unterseite eher abgeplattet sind und
von der Kugelform abweichen.
Derartige
Metallschaumbausteine können dreidimensional
beispielsweise so angeordnet werden, dass eine dichteste Kugelpackung
oder kubisch innenzentrierte Kugelpackung gebildet wird. Hierdurch
kann das Gewicht des Metallschaumbauteils gegenüber herkömmlichen Metallschaumbauteilen weiter
reduziert werden, da zusätzlich
zu den durch die Treibmittel gebildeten Poren noch die zwischen den
Kugeln auftretenden Lücken
ins Gewicht fallen. Das Gewicht des Metallschaumbauteils kann hierbei verglichen
mit einem vollständig
aus Metallschaum bestehenden Bauteil auf einen Prozentwert gesenkt werden,
der der Packungsdichte bzw. der Raumerfüllung der Metallschaumbausteine
im gesamten Bauteilvolumen entspricht.
Besonders
homogen in den physikalischen Eigenschaften sind Metallschaumbauteile,
in denen das Volumen der Hohlräume
zwischen den kugelförmigen
Metallschaumbausteinen in etwa dem Volumen der durchschnittlichen,
durch das Treibmittel gebildeten Poren in den Metallschaumbausteinen
entspricht. Unter dem Volumen dieser Hohlräume ist hierbei das durchschnittliche
Volumen der Tetraederlücken
und/oder Oktaederlücken
und/oder entsprechender anderer Lücken zu verstehen.
In
einer Variante können
die beim erfindungsgemäßen Verfahren
verwendeten Metallschaumbausteine im Wesentlichen die Form eines Polyeders
oder eines in einer Raumrichtung gestauchten und/oder gestreckten
Polyeders aufweisen. Hierunter fallen insbesondere Metallschaumbausteine
in Form eines Würfels,
Quaders oder eines anderen Vielflächners (Tetraeder, Dodekaeder,
Ikosaeder) sowie archimedische Körper
(z. B. Kuboktaeder). Auch Zwischenformen zwischen Körpern mit den
vorstehend genannten Geometrien und Körpern mit kugelartigen Geometrien
können
eingesetzt werden. Solche geometrischen Formen von Metallschaumbausteinen
können
z.B. erzeugt werden, indem Schaumpartikel bzw. aufschäumbare Granulatpartikel
in teilweise offenen (z.B. oben offenen) Schäumformen erzeugt werden. Dabei
wird beispielsweise der Unterseite eine definierte Geometrie aufgeprägt, während die
Oberseite sich frei entwickeln und etwa die Form einer Halbkugel
oder eines Halbellipsoids annehmen kann. Es können aber auch fertige Metallschaumbausteine
(z.B. Kugeln) in einem Zustand (bzw. bei einer Temperatur), in dem (bzw.
bei der) eine Verformung leicht möglich ist, bevorzugt im teilflüssigen Zustand,
entsprechend mechanisch behandelt (z.B. abgeplattet) werden. Die mechanische
Behandlung hat hierbei bevorzugt so zu erfolgen, dass keine oder
keine wesentliche Veränderung
der Schaumstruktur eintritt.
Polyedrische
Metallschaumbausteine können
aber auch erhalten werden, indem – zur Verwertung von Metallschaumschrott – größere, nicht
mehr benötigte
Metallschaumkörper
so zerkleinert werden, dass entsprechende Bereiche aus dem Metallschaumkörper herausgesägt werden;
der Schrott kann also einer Wiederverwertung zugeführt werden. Diese
Recyclingvariante ist insbesondere dann geeignet, wenn die Oberflächenschicht
des Metallschaumbausteins (z. B. eines Würfels oder Polyeders) nicht
benötigt
wird bzw. stört
und ohnehin durch chemische und/oder physikalische Nachbehandlung entfernt
werden müsste.
In
einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die Metallschaumbausteine durch zumindest teilweises Aufschäumen in
einer Schäumform
erhalten. Eine Schäumform
bedeutet in der Regel einen höheren
Aufwand, daher ist eine Herstellung ohne Schäumform, also durch freies Aufschäumen, bevorzugt.
Insbesondere zur Herstellung von kugelförmigen Schaumpartikeln wird
keine Schäumform
benötigt.
Zur Herstellung von Schaumpartikeln in Form von Quadern, Würfeln, Zylindern, Pyramiden,
Vielflächnern,
Rotationskörpern
oder beliebigen anderen Freiformen kann aber die Verwendung einer
Schäumform
vorteilhaft sein; es können dabei
während
des Aufschäumprozesses
auch Formen verwendet werden, die nur in einer oder zwei Raumrichtungen
Begrenzungsbarrieren darstellen. Je geringer der Raumbereich ist,
der von einer Schäumform
begrenzt wird, desto schneller können die
Granulatpartikel aufgeheizt und definiert expandiert werden, ohne
dass Temperaturgradienten auftreten. Bevorzugt wird also ein möglichst
geringer Raumbereich von einer Schäumform begrenzt. Auch die Energieabführung kann
dann umso schneller und ohne das Auftreten von signifikanten Temperaturgradienten
stattfinden. Auch die nach dieser Variante (mit entsprechend langsamerer
Aufheizung und Abkühlung)
hergestellten Metallschaumbausteine stellen dann einen unter idealen
Bedingungen hergestellten Schaum dar, der eine überaus homogene Porenstruktur
aufweist.
In
einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt die dreidimensionale Anordnung der Metallschaumbausteine
zumindest teilweise mit teilflüssigen
Metallschaumbausteinen. Hiermit kann insbesondere bei Metallschaumbauteilen
mit komplizierten Geometrien erreicht werden, dass schwierig zugängliche
Bereiche mit einer möglichst
optimalen Schaumstruktur gefüllt
sind.
Um
eine besonders gute Verbindung der Metallschaumbausteine untereinander
zu erreichen sowie die Anbindung der Metallschaumbausteine an weitere
Bestandteile eines Gesamtbauteils zu erleichtern, können die
Metallschaumbausteine vor der dreidimensionalen Anordnung einer
chemischen und/oder physikalischen Oberflächenbehandlung unterworfen
werden. Hierbei kann z. B. die Aktivierung der Oberfläche des
Metallschaumbausteins durch Reinigung der Oberfläche und Reduktion der Oxidhaut
erreicht werden. Als physikalische Oberflächenbehandlungsschritte kommen
vor allem mechanische Behandlungen, insbesondere Sputtern, Bürsten und
Schleifen, in Betracht. Als chemische Oberflächenbehandlung ist z.B. eine
Behandlung mit Lösungsmitteln
(insbesondere zum Entfetten), Beizen, Ätzen (z.B. mit Säuren, Laugen
und/oder Elektrolyten) sowie Glühen
an reduzierenden Oberflächen
geeignet. Weiterhin kann eine Oberflächenbehandlung dergestalt stattfinden,
dass eine Beschichtung auf dem Metallschaumbaustein aufgebracht
wird. In der Regel ist eine Beschichtung geeignet, deren Dicke im Verhältnis zum
Durchmesser bzw. der Minimal- und Maximalausdehnung des Metallschaumbausteins klein
ist. Als Beschichtung kommen insbesondere metallische Beschichtungen,
oxidische Beschichtungen, keramische Beschichtungen, organische
Beschichtungen und Beschichtungen aus der Gasphase oder der flüssigen Phase
in Betracht. Derartige Beschichtungen der Metallschaumbausteine
erlauben ein späteres
Verkleben, Verlöten,
Versintern, Schweißen
und/oder Pressen der Metallschaumbausteine zu einem Bauteil. Bevorzugt
ist die Beschichtung so ausgebildet, dass auf dem Metallschaumbaustein
zumindest teilweise mindestens eine feste Funktionsschicht aufgebracht
wird, die aus einem Material besteht, das mittels einer chemischen und/oder
physikalischen Behandlung fließfähig, plastisch
und/oder elastisch verformbar wird.
Die
Funktionsschicht kann ein Polymer (z.B. Polyurethan) enthalten,
das zu einem Polymerschaum aufschäumbar ist.
Das
Verfahren zur Nachbehandlung der dreidimensional angeordneten Metallschaumbausteine kann
ohne die Verwendung von Hilfsstoffen beispielsweise mittels Verkleben,
Verlöten,
Versintern (z.B. können
etwaige Oxidhäute
benachbarter Metallschaumbausteine zusammengebacken werden), Schweißen und/oder
Pressen erfolgen. Auch das Anlegen von hochfrequenten Wechsellasten
im noch teilflüssigen
Zustand (wodurch die Oxidhäute
der noch teilflüssigen
Metallschaumbausteine aufgerissen werden) ist möglich. Den vorstehenden Nachbehandlungsverfahren
können
zur Verbesserung der Bindungen zwischen den Metallschaumbausteinen noch
weitere Sinterschritte nachgeschaltet werden.
Es
kann aber auch eine Nachbehandlung erfolgen, bei der Hilfsstoffe
eingesetzt werden. Hier kommt beispielsweise Kleben in Betracht.
So können etwa
einzelne Metallschaumbausteine durch Auftragen einer Beschichtung
zumindest in den Bereichen, in denen ein Kontakt mit den benachbarten
Metallschaumbausteinen vorgesehen ist, verklebt werden. Es ist aber
auch das Infiltrieren einer Schüttung
von Metallschaumbausteinen mit einem flüssigen Matrixwerkstoff (z.
B. einem Harz, einer Metallschmelze o. ä.), das Einmischen von Metallschaumbausteinen
in einen flüssigen
Matrixwerkstoff, der nachfolgend in die feste Phase überführt wird,
möglich.
Weiterhin
ist das Mischen der Metallschaumbausteine mit einem expansionsfähigen Granulat (ggf.
sind hier auch dünne
Granulatplatten verwendbar) möglich,
anschließend
wird das expansionsfähige
Granulat expandiert, so dass ein Verbundkörper aus gesondert geschäumten Schaumpartikeln
in dem expandierten Granulat entsteht. Beispielsweise sind hierbei
Aluminiummetallschaumbausteine in einem Polymerschaum vorstellbar,
es kann aber auch ein Aluminiummetallschaumbaustein in einem Metallschaum
aus einem anderen Material, insbesondere einem Material mit anderen
Verformungseigenschaften vorliegen. Derartige Metallschaumkörper können vorteilhaft
als zweistufige Energieabsorber verwendet werden. Wird eine Mischung
von Metallschaumbausteinen mit einem zunächst flüssigen Matrixwerkstoff vergossen,
so entsteht im Extremfall ein Bauteil, das einen Verbund aus einem
Matrixwerkstoff und darin dispergierten Metallschaumbausteinen aufweist.
Erfindungsgemäß kann das
Verfahren zur Herstellung der Metallschaumbauteile mit Metallschaumbausteinen
mit oder ohne Beschichtung erfolgen. Werden Metallschaumbausteine
mit Beschichtung verwendet, so sind zur späteren Nachbehandlung insbesondere
solche Bausteine geeignet, auf denen zumindest teilweise mindestens
eine feste Funktionsschicht ausgebildet ist, die aus einem Material
besteht, das mittels einer chemischen und/oder physikalischen Behandlung
fließfähig, plastisch und/oder
elastisch verformbar wird. Dadurch können benachbarte Metallschaumbausteine
adhäsiv und/oder stoffschlüssig miteinander
fixiert werden. Die Beschichtung kann aus einem Metall, einer Metalllegierung,
einem Metalloxid oder einer Keramik bestehen. Geeignete Metalle
sind beispielsweise Eisen, Nickel, Kupfer sowie Leichtmetalle, z.
B. Titan, Aluminium oder hochschmelzende Schwermetalle, wie beispielsweise
Wolfram oder Molybdän
und deren Legierungen.
Die
physikalische und/oder chemische Behandlung und die Materialauswahl
sollten so erfolgen, dass die Schaumstruktur des Metallschaumbausteins
nicht verändert
oder instabil wird.
Es
können
auch mehrere Funktionsschichten zwiebelschalenartig übereinander
ausgebildet werden, wobei die jeweilige Materialauswahl verschiedene
Anwendungen abdecken kann.
Ein
beschichteter Metallschaumbaustein mit einer zusätzlichen festen Funktionsschicht,
die zusätzlich,
z. B. durch Auftragen einer Suspension auf die Oberfläche, aufgebracht
und getrocknet bzw. ausgehärtet
worden ist, stellt ein besser und leichter verarbeitbares Vorprodukt
als unbeschichtete Metallschaumbausteine dar und erspart dem Endabnehmer
der Metallschaumbausteine die Durchführung komplizierter technologischer
Verfahrensschritte.
Die
erfindungsgemäße Funktionsschicht sollte
eine Dicke aufweisen, die nach der physikalischen bzw. chemischen
Behandlung der Metallschaumbausteine die jeweilige funktionelle
Wirkung, beispielsweise einen Korrosionsschutz oder eine Adhäsionsverbindung
benachbarter Metallschaumbausteine gewährleistet. Die Dicke ist vorteilhaft
jedoch mindestens so groß zu
wählen,
dass bei der plastischen und/oder elastischen Verformung eine formschlüssige Fixierung
benachbarter Metallschaumbausteine erreicht werden kann.
Die
beschichteten Metallschaumbausteine sind bevorzugt rieselfähig und
nicht aneinanderklebend, so dass die nach Lagerung und Transport
problemlos verarbeitet werden können.
Auf
der Funktionsschicht kann eine zusätzlich Siegelschicht, insbesondere
zum temporären Schutz
während
des Transports und der Lagerung, aufgebracht werden, um sehr glatte,
nicht klebende Oberflächen
zu bilden. Hierfür
können
z. B. schnell trocknende, bevorzugt wasserlösliche Lacke oder andere mehr
oder weniger Viskoseflüssigkeiten
aufgesprüht
werden. Geeignete Beispiele sind Zellulose- oder Pektinlösungen bzw.
Polyvinylalkohol.
Die
Funktionsschichten können
aus einem homogenen Material, aber auch aus Kompositen gebildet
werden. So können
in die Funktionsschicht für bestimmte
Anwendungen (z. B. zu Detektionszwecken) ferro- und/oder permanentmagnetische
Partikel eingebettet sein. Die Funktionsschicht kann aber auch mit
katalytisch wirkenden Elementen oder Verbindungen dotiert oder gebildet
sein. So können
beispielsweise Platin und/oder Rhodium und/oder Verbindungen dieser
Metalle auf dem Metallschaumbaustein oder einer Funktionsschicht
abgeschieden werden.
Werden
organische Materialien oder Komponenten für die Funktionsschicht eingesetzt,
so sind solche Polymere besonders geeignet, die ausgewählt sind
aus Ethylenvinylacetatcopolymeren, Polyamiden oder Polyestern, aber
auch Phenolharz, Kresolharz, Furanharz oder Epoxidharz bzw. Bindemittel auf
Latex- oder Kautschukbasis. Die organischen Materialien können in
flüssiger
Phase mit nachfolgender Trocknung auf die Metallschaumbausteine aufgebracht
werden; eine Aktivierung kann beispielsweise später mittels Erwärmung erfolgen.
Es können aber
auch an sich bekannte Pulverlacke als Funktionsschichtmaterial eingesetzt
werden. Diese können pulverförmig auf
die erwärmten
Metallschaumbausteine aufgebracht werden, wobei Temperaturen eingehalten
werden sollten, bei denen das Pulver auf den Metallschaumbausteinen
haftet, jedoch kein zum Verlaufen führendes Schmelzen des Pulverlackpulvers
auftritt. Dabei können
die einzelnen Pulverpartikel mehr oder weniger gleichmäßig auf
der Metallschaumbausteinoberfläche
verteilt haften und nach Abkühlung
die Metallschaumbausteine ohne weiteres transportiert und gelagert
werden, ohne dass sie miteinander verkleben. Erst bei der Herstellung
von Bauteilen aus Metallschaumbausteinen wird die Temperatur wieder
erhöht,
bis das Pulver erweicht oder schmilzt. Beim Schmelzen kann ein gleichmäßiger Lacküberzug über die
gesamte Oberfläche
ausgebildet werden.
Die
Funktionsschicht kann auch aus einem organischen oder anorganischen
Bindemittel gebildet sein, von dem Partikel, bevorzugt Metalle oder Polymere,
adhäsiv
gehalten werden. Diese Partikel können sich bei einer thermischen
Endverarbeitung verformen.
Vorteilhaft
kann die Funktionsschicht auch aus einem Metall bestehen oder ein
solches Metall enthalten, das mit dem Metall des Metallschaumbausteins
eine intermetallische Phase bilden kann. Dies ist je nach Matrixlegierung
des Metallschaumbausteins beispielsweise mit Zinn und Kupfer möglich. Auch
verschiedene Aluminide können
so gebildet werden.
Es
können
auch verschiedene Additive in der Funktionsschicht enthalten sein.
Beispiele sind Lote, Flussmittel, Sinterhilfsmittel, Treib- oder
auch Quellmittel.
Zur
Herstellung von Bauteilen aus den erfindungsgemäßen beschichteten Metallschaumbausteinen
erfolgt nach der dreidimensionalen Anordnung der Metallschaumbausteine
in mindestens einem weiteren Verfahrensschritt eine physikalische und/oder
chemische Behandlung, bei der das Funktionsschichtmaterial zumindest
so weit erweicht wird, dass es plastisch und/oder elastisch verformbar
ist. Die physikalische Behandlung kann eine durch Energieeintrag
bewirkte Erwärmung
des Funktionsschichtmaterials sein, wobei die Erweichungstemperatur
und ggf. auch die Schmelztemperatur dieses Materials kleiner als
die des Materials, aus dem der Metallschaumkörper gebildet ist, sein sollte.
Das erwärmte
fließfähige Material
passt sich der Oberflächenform
der Metallschaumbausteine an. Nach dem Erkalten, bei dem das Funktionsschichtmaterial
auch wieder erstarren kann, werden benachbarte Metallschaumbausteine
zumindest formschlüssig
fixiert, wobei eine feste Klebverbindung nicht zwingend erforderlich
ist. Durch das Fließen
des Funktionsschichtmaterials können
zwischen den Metallschaumbausteinen verbleibende Hohlräume zumindest
teilweise mit diesem Material gefüllt werden. Dadurch können auf
die Metallschaumbausteine wirkende Kräfte beeinflusst und unerwünschte Spannungen
in den Metallschaumbausteinen vermieden werden.
Eine
chemische Behandlung der Metallschaumbausteine mit Funktionsschicht
kann bevorzugt mit einem für
das Funktionsschichtmaterial geeigneten Lösungsmittel durchgeführt werden,
das flüssig
oder dampfförmig
mit den dreidimensional angeordneten Metallschaumbausteinen in Kontakt
gebracht wird. Mit einem solchen Lösungsmittel wird eine Erweichung
des Funktionsschichtmaterials erreicht, so dass dieses wieder temporär plastisch
verformbar wird. Nach dem Abziehen bzw. Abdampfen des Lösungsmitteln
kann das Funktionsschichtmaterial wieder erstarren und die eingenommene
Form beibehalten.
Enthält die Funktionsschicht
ein Metall oder eine Legierung, so kann die Wärmebehandlung so durchgeführt werden,
dass ein Schmelzen des Metalls erfolgt und die Metallschaumbausteine
miteinander verlötet
werden. In diesem Fall kann die Funktionsschicht vorteilhaft auch
mindestens ein Lot und ggf. ein geeignetes Flussmittel enthalten
bzw. können
diese darin eingebettet sein. Eine solche Funktionsschicht kann
dabei z. B. aus reinem Zinn bzw. gebundenem Zinnpulver bestehen.
Insbesondere
bei Metallschaumbausteinen, die aus besonders reaktionsfreudigen
Materialien bestehen, wie z. B. Eisen oder Aluminium, wirken sich Funktionsschichten
als Oxidationsschicht vorteilhaft aus. Sie bilden auch bei aus derartigen
Metallschaumbausteinen hergestellten Bauteilen einen Korrosionsschutz.
Die
erfindungsgemäßen Bauteile
aus Metallschaum bestehen aus einem Verbund aus formschlüssig, stoffschlüssig und/oder
adhäsiv
miteinander verbundenen Metallschaumbausteinen oder enthalten einen
derartigen Verbund. Bevorzugt sind Bauteile, die aus einem Verbund
stoffschlüssig und/oder
adhäsiv
miteinander verbundener Metallschaumbausteinen bestehen oder einen
derartigen Verbund enthalten. Die erfindungsgemäßen Bauteile aus Metallschaum
sind dadurch gekennzeichnet, dass das maximale Porenvolumen nicht
größer sein kann
als das Volumen des größten verwendeten Schaumpartikels.
Zusätzlich
ist der Charakter und die Größe des Anteils
offener Porosität
durch die Wahl und/oder die Geometrien der Metallschaumbausteine
und ggf. auch durch Kombination geschlossenporiger und offenporiger
Metallschaumbausteine gezielt beeinflussbar. Somit hat das Metallschaumbauteil
eine definierte Porenmorphologie mit garantierter maximaler Porengröße, sofern
andere Fehlerquellen, wie z. B. Schüttfehler, ausgeschlossen werden.
Die
erfindungsgemäßen Bauteile
aus Metallschaumbausteinen weisen insbesondere den Vorteil genau
vorhersagbarer und einstellbarer Eigenschaften auf. Sie besitzen
in allen Raumrichtungen eine geordnete Struktur und können daher
auch in Serienfertigung hergestellt werden, ohne dass Schwankungen
in den mechanischen und/oder physikalischen Eigenschaften der Bauteile
auftreten.
Zur
Herstellung der erfindungsgemäßen Metallschaumbauteile
können
Metallschaumbausteine verschiedener Größe und/oder Dichte und Metallschaumbausteine
aus unterschiedlichen Werkstoffen eingesetzt werden (darunter fallen
sowohl Metallschaumbausteine, die selbst aus unterschiedlichen Werkstoffen
besteht, als auch zwei oder mehrere Klassen von Metallschaumbausteinen,
die jeweils aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen). Auch Metallschaumbausteine
mit einer oder mehreren verschiedenen Funktionsschichten sowie zwei
oder mehrere Klassen von Metallschaumbausteinen, die jeweils verschiedene
Funktionsschichten) tragen, können
eingesetzt werden. Durch diese Freiheit der Wahlmöglichkeiten
können
Gesamtbauteile mit breit variierbaren und auch lokal variierbaren,
jedoch definiert einstellbaren Eigenschaften erzeugt werden. Beispiele
sind Bauteile aus Metallschaumbausteinen mit monomodalen oder multimodalen
Durchmesser- und/oder
Dichteverteilungen, Bauteile mit an hoch belastbaren Stellen lokal
gezielt erhöhten
mechanischen Eigenschaften, Verbunde, bestehend aus Metallschaumbausteinen
unterschiedlicher Werkstoffe, Schichtverbunde mit Metallschaumbausteinlagen und
Armierungen jeder Art (z.B. Stahlblecheinleger) sowie Einsätze wie
z.B. Gewindehülsen
oder Gewindestäbe).
Dabei kann die Tatsache vorteilhaft genutzt werden, dass sich die Metallschaumbausteine
mittels in der industriellen Praxis etablierter und kostengünstiger
Verfahren nach Größe und/oder
Gewicht und in Kombination der beiden Kriterien somit auch nach Schaumdichte
einfach, schnell, sicher und vollständig automatisierbar klassieren
lassen.
Die
Metallschaumbausteine können
erfindungsgemäß auch so
angeordnet werden, dass ein Hohlbauteil erhalten wird, das vollständig oder
teilweise mit Metallschaumbausteinen gefüllt ist, wobei die einzelnen
Metallschaumbausteine nicht mit dem Hohlbauteil selbst stoffschlüssig und/oder
adhäsiv verbunden
sein müssen;
selbst die Metallschaumbausteine untereinander müssen nicht oder können auch
nur teilweise untereinander stoffschlüssig und/oder adhäsiv miteinander
verbunden sein. Derartige, mit Metallschaumbausteinen gefüllt Hohlstrukturen
lassen sich, insbesondere bei nur teilweiser Füllung, als doppelte Energieabsorber
(z.B. Crashabsorber) verwenden. Bevorzugt ist allerdings ein Bauteil,
bei dem die Metallschaumbausteine so untereinander adhäsiv und/oder
stoffschlüssig
verbunden sind, dass keine Teilbereiche vorliegen, die mit einem
anderen Teilbereich nicht adhäsiv
und/oder stoffschlüssig
verbunden sind.
Ein
erfindungsgemäßes Metallschaumbauteil
kann auch aus einer mehrlagigen Verbundstruktur bestehen, die eine
oder mehrere Lagen aus Metallschaumbausteinen beinhaltet. Hierbei
können
die Metallschaumbausteine untereinander oder auch nur mit den anderen
Lagen stoffschlüssig
und/oder adhäsiv
verbunden sein. Auch eine stoffschlüssige und/oder adhäsive Verbindung
sowohl untereinander als auch mit den übrigen Lagen ist denkbar. Auch hierbei
ist ein Bauteil herstellbar, bei dem die Metallschaumbausteine so
untereinander adhäsiv und/oder
formschlüssig
verbunden sind, dass keine Teilbereiche von Metallschaumbausteinen
vorliegen, die mit einem anderen Teilbereich von Metallschaumbausteinen
nicht adhäsiv
und/oder formschlüssig verbunden
sind (wobei diese Verbindung auch indirekt über die nicht aus Metallschaumbausteinen
bestehenden Lagen erfolgen kann).
Die
erfindungsgemäßen Bauteile
sind besonders geeignet zur Herstellung von Crashabsorbern. Zur
Verwendung der erfindungsgemäßen Metallschaumbauteile
als zweistufiger Crashabsorber ist insbesondere ein Metallschaumbauteil
geeignet, bei dem Metallschaumbausteine in eine diese umgebende
Matrix aus Polymerschaum eingebettet sind. Derartige Bauteile können z.B.
auch einen Abstand zwischen benachbarten Metallschaumbausteinen aufweisen,
der größer als
der mittlere Durchmesser der verwendeten Metallschaumbausteine ist.