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WO2005000502A1 - Aus metallschaumbausteinen aufgebautes bauteil und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Aus metallschaumbausteinen aufgebautes bauteil und verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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Publication number
WO2005000502A1
WO2005000502A1 PCT/EP2004/006684 EP2004006684W WO2005000502A1 WO 2005000502 A1 WO2005000502 A1 WO 2005000502A1 EP 2004006684 W EP2004006684 W EP 2004006684W WO 2005000502 A1 WO2005000502 A1 WO 2005000502A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
metal foam
blocks
metal
component
foam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2004/006684
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karsten Stöbener
Joachim Baumeister
Dirk Lehmhus
Norbert Zimmer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of WO2005000502A1 publication Critical patent/WO2005000502A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/002—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of porous nature
    • B22F7/004—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of porous nature comprising at least one non-porous part
    • B22F7/006—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of porous nature comprising at least one non-porous part the porous part being obtained by foaming
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
    • B22F7/062—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools involving the connection or repairing of preformed parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • Component made of metal foam blocks and method for its production
  • the invention relates to a component made of metal foam and a method for its production using metal foam blocks, which may have a coating.
  • At least one metal powder is first mixed with at least one blowing agent and a foamable starting material is produced therefrom.
  • a foamable starting material is produced therefrom.
  • Such a method is e.g. B. in US 3,087,807, DE 4018360 and DE 4101630.
  • the foamable materials produced using these processes can be produced as blocks, profiles, granules, etc.
  • a metal foam component is produced from these foamable materials by heating the material to a temperature above the solidus temperature of the metal from which the material is made. If this metal enters a partially liquid or liquid state, a metal foam is obtained with expansion from the blowing gas released from the blowing agent.
  • the foam expansion process is expediently carried out in a hollow body (for example a foam mold or a hollow structural component) which is filled by the expanding foam.
  • the metal foam then forms the inner contour of the hollow body, so that the metal foam component can be produced close to the final shape if the hollow body is designed accordingly.
  • the still partially liquid metal foam must be cooled to a temperature below the solidus temperature of the metal in the shortest possible time; the foam is frozen, so to speak.
  • the near-net shape foam body can then be removed from the hollow body.
  • DE 19928997 discloses a method for producing metal foams, in which a foamable granulate is foamed by means of a laser beam or an electron beam.
  • the production of a metal foam body can be influenced in a targeted manner by placing the semi-finished product particles individually.
  • Metal foam body is produced by foaming together small volumes of foam. First, a semifinished granulate particle is expanded into the foam. Immediately after this process has been completed, the energy beam is directed onto the nearest semi-finished granulate particle and this also expands into a foam.
  • this method has the disadvantage that the production of the metal foam body is lengthy, since each granulate particle has to be foamed one after the other, the semifinished product granulate has to be arranged in layers and requires an increased outlay in terms of process technology (in particular a considerable outlay on equipment and long process times). Furthermore, this has .
  • the disadvantage of the method is that an overall component is created in which the cohesion of adjacent foam areas has an undefined and fluctuating intensity. description
  • the present invention is therefore based on the technical problem of producing components from metal foam without a high outlay on equipment and a high energy consumption being necessary, but which nevertheless have properties which can be controlled over the entire component volume.
  • the method according to the invention for the production of components made of metal foam consists in that metal foam components are arranged three-dimensionally, either a structure that forms the outer shell of the component made of metal foam is at least partially filled with the metal foam components, or the metal foam components into a body with a geometry which corresponds to that of the component to be manufactured.
  • the metal foam building blocks arranged in this way are simultaneously or later subjected to at least one physical and / or chemical aftertreatment, so that adjacent metal foam building blocks are connected to one another in a form-fitting, cohesive and / or adhesive manner.
  • Metal foam building blocks in the sense of this invention are metal foams which can be obtained by supplying energy by at least partially foaming granulate particles which contain at least one metal powder and at least one blowing agent powder. By action of energy, preferably thermal energy, these granulate particles are foamed, so that granulate particles with an internal porosity are created.
  • the pore structure can be open-pore, closed-pore or mixed-cell.
  • metal foam building blocks are to be understood in particular as metal foam particles which have a geometry which can be produced in series production and which can be individually processed further.
  • the foamable granulate is produced by powder metallurgical blowing agent processes (for example in accordance with DE 4018360 or DE 4101630), the pore formation is associated with an expansion of the granulate particle; each particle of granulate increases its volume when the metal foam block is formed.
  • the geometric starting shape of the granulate particles generally has only a minor influence on the shape of the metal foam block that is formed.
  • the granules can be produced by crushing larger pieces of foamable material, or the foamable material can be produced directly in the form of granules.
  • the foamable granules are preferably produced in the form of circular tablets.
  • the metal / blowing agent mixture is compressed in one process step by uniaxial pressing.
  • the circular shape of the granulate supports the formation of spherical metal foam blocks during the foaming process.
  • the spherical shape is mainly formed in the thickness direction by the expansion of the liquid foam.
  • the spherical metal foam blocks are formed when such granular tablets are foamed, since the surface tension of the liquid foam (possibly favorably influenced by reaction products formed on the surface) obviously favors the formation of the spherical shape.
  • the foaming of such semifinished tablets is possible without large energy input and great process engineering effort and without the use of hollow bodies, in particular foam molds.
  • the uniaxial compression of small amounts of a metal powder / blowing agent mixture can take place within a very short time (e.g. ⁇ 1 second). If the procedure according to DE
  • the metal powder blowing agent mixture can be heated (for example for the production of granule tablets) before or during the compression process from room temperature to a maximum of a few degrees Celsius below the metal powder melting point. Due to the rapid compression process, even at Compacting temperatures, which are just below the solidus or melting temperature of the metal powder, only release negligible amounts of propellant gas from the propellant, so that the subsequent foaming behavior of the semi-finished tablet is not significantly influenced by its manufacturing process.
  • the metal powder / blowing agent mixture for producing the granules can be used for
  • Lubricants and pressing agents are added before the compression process. These debinder during the foaming process or can be removed in a process step following the compression process (preferably chemically by solvent or thermally by burning out at temperatures which are below the decomposition temperature of the blowing agent).
  • the foamable granules can also be produced according to the teaching of DE 10206722.
  • the sintering of metal powders or metal powder mixtures in a hydrogen-containing atmosphere is suitable, in which a foamable granulate is formed without the propellant gas being lost.
  • metal foam blocks that do not have an oxide layer on the surface can also be produced directly by this method, ie without the foamable granulate particles cooling.
  • a sintering aid e.g.
  • magnesium for producing foamable aluminum granules can also be added to support the sintering process before the compression process.
  • the other previously known methods for foaming the granulate particles can also be carried out with the exclusion of atmospheric oxygen, so that metal foam building blocks can also be produced without a disruptive oxide layer on the surface.
  • this debinding can be carried out under a hydrogen-containing atmosphere, as described in DE 10206722. No propellant gas is lost from the foamable granulate here either.
  • the use of the foamable granules according to the invention has several advantages over the production of larger foamable semi-finished products.
  • the metal blowing agent mixture can be processed into foamable semi-finished products in one or at most two process steps without significant material losses. This reduction in process steps and the avoidance of material losses (such as press residues during extrusion) significantly reduce the costs for producing the foamable semi-finished product.
  • the small granulate particles are foamed into metal foam blocks by heating and defined expansion, with (in particular if no foam mold is used) there being no temperature gradients in the semi-finished product or the liquid foam.
  • the energy can be dissipated again just as quickly and without significant temperature gradients, so that the defined expanded foam is frozen directly.
  • the homogeneity of the pore distribution in the component produced from the metal foam components can thus also be controlled via the size distribution of the metal foam components. Furthermore, before the three-dimensional arrangement of the metal foam building blocks, building blocks with poor quality (e.g. too low density or too high density or disadvantageous geometry) can be separated out; the metal foam components produced can before Further processing is generally pre-sorted according to certain criteria such as density, shape and size.
  • building blocks with poor quality e.g. too low density or too high density or disadvantageous geometry
  • the three-dimensional arrangement of the metal foam blocks can either be done by filling a mold or a body that corresponds to the geometry of the component to be manufactured, and then removing the component from the mold or removing the mold.
  • the metal foam building blocks can also be arranged to form a component in which there is a composite of metal foam building blocks and the outer shell.
  • the metal foam building blocks can also be subjected to a chemical and / or physical aftertreatment at the same time.
  • the inventive achievement therefore also consists in the fact that it was recognized that a metal foam component can also be manufactured from a large number of small metal foam components that have been or have been treated physically or chemically in such a way that an overall component with integral connections can be made within one or more process steps is obtained between the metal foam blocks.
  • the particular advantage of this method is that the foamable primary material does not have to be heated in a hollow body. It is therefore not necessary to heat the hollow body in an energy-consuming and time-consuming manner, but rather the entire energy used (in particular heat) is transferred directly to the foamable primary material.
  • components can therefore be produced for the first time which have a uniform pore distribution with uniform pore sizes and a complicated geometry; the problem of reaching the foam temperature in different component areas different times no longer matter.
  • An inhomogeneous foam expansion during the energy input into the body to be foamed therefore does not occur. Even when the finished metal foam cools, there are no inhomogeneous heat transfer conditions.
  • only such components with complicated geometries are available; that have a variety of foam areas that have been frozen at different stages of the foam process.
  • the method also has the advantage that any oxide layers on the surface of the metal foam block no longer play a role. They can be removed or chemically converted by chemical or physical processes before the metal foam component is manufactured. Furthermore, even if they are not removed or converted, an accurate prediction of their position in the metal foam component is possible. This is the case with the foaming of granulate fillings such as B. is described in US 2,974,034, or foaming by means of laser or electron beams, as disclosed in DE 19928997, not possible. Furthermore, the method according to the invention can be carried out in such a way that the oxide layer is removed or changed only at certain points on the metal foam component, in particular in the areas over which a material and / or adhesive connection to adjacent metal foam components is provided.
  • an oxide layer e.g. B. an aluminum oxide layer
  • oxide layers may also be desirable because such oxide layers have better adhesive adhesion, i. i.e., support the application of a functional layer of adhesive on the metal foam block.
  • oxide layers therefore no longer represent weak points; rather, the chemical modification or coating of these oxide layers means that there is a wide range of possibilities for connecting such coated metal foam building blocks to one another particularly firmly to form a metal foam component.
  • the method according to the invention has the advantage that new types of foam bodies (eg with density gradients in a specific, freely selectable partial area of the foam body) are possible through the use of different metal foam building blocks. This was only achievable to a very small extent in the previously known processes; the homogeneity of the foam structure was very limited.
  • the method according to the invention also offers the advantage that metal foam blocks made of different materials can be used. So z. B. Components made of metal foam that contain a combination of different matrix materials (e.g. steel and zinc); these matrix materials can either be distributed statistically or also in the form of gradients or other geometric distributions in the metal foam component.
  • Granule tablets can be heated homogeneously. According to the method according to the invention, local heating by means of a (generally focused) energy beam is not required. This ensures that the increase in volume takes place completely homogeneously during the foaming process and not an undefined, non-linear change in the temperature caused by local heating by means of the energy beam
  • metal foam building blocks with a homogeneous and at the same time defined pore structure are obtained in the foam body.
  • the separation of shaping and foam expansion offers the advantage over DE 19928997 that in the case of components which are built up from several layers of foam bodies or metal foam blocks, a layer of metal foam blocks can be arranged in such a way that a flat or regular surface is formed , This is when foaming using laser beams or electron beams are not possible, a targeted placement on the uneven surface of the first foam layer cannot be guaranteed.
  • Foaming by means of laser beams or electron beams also means that the semifinished granulate particles in the upper layers cannot be optimally heated and there is no optimally expanded foam volume.
  • the separation of foaming and shaping also ensures that existing layers of metal foam particles or metal foam building blocks are not also heated when another foam layer is applied; this would cause the foam structure to deteriorate. While a firm mechanical interlocking of the layers of metal foam blocks with one another is possible in the method according to the invention, since chemical or physical aftertreatment takes place, this cannot be achieved in particular with the method according to DE 19928997.
  • the size of the metal foam building blocks is preferably chosen such that the ratio between the average volume of a metal foam building block and the volume of the component made of metal foam is less than 1:10, particularly preferably less than 1: 100.
  • the metal foam blocks according to the invention preferably have a volume which is less than 125 cm 3 .
  • Metal foam blocks with a volume of 0.05 cm 3 to 2.5 cm 3 are particularly preferred.
  • Spherical metal foam blocks therefore particularly preferably have a diameter of 0.45 cm to 1.7 cm.
  • Metal foam building blocks of this size can be produced particularly efficiently with regard to the process complexity and the energy required; in addition, the total surface to be treated in the production of components from these metal foam building blocks of all metal foam building blocks used for this purpose is small enough for the aftertreatment of the To be able to carry out metal foam blocks inexpensively.
  • the size of the foam particles is preferably selected such that the desired component shape is sufficiently represented by the three-dimensionally arranged metal foam modules; especially when using spherical metal foam building blocks, a mixture of metal foam building blocks that have an appropriately small diameter must be used.
  • the method according to the invention is preferably carried out with metal foam blocks which essentially have the shape of a sphere or a sphere that is compressed and / or stretched in a spatial direction.
  • metal foam blocks which essentially have the shape of a sphere or a sphere that is compressed and / or stretched in a spatial direction.
  • This also includes all conceivable forms of ellipsoids, such as rotational ellipsoids.
  • this also includes bodies that have assumed their shape due to the force of gravity during the partially fluid state of the metal foam - that is, due to the weight of the metal foam block on the underside, are rather flattened and deviate from the spherical shape.
  • Such metal foam blocks can be arranged three-dimensionally, for example, in such a way that a densest spherical packing or cubically internally centered spherical packing is formed.
  • the weight of the metal foam component can be further reduced compared to conventional metal foam components, since in addition to the pores formed by the blowing agents, the gaps that occur between the balls also play a role.
  • the weight of the metal foam component can be reduced compared to a component consisting entirely of metal foam to a percentage value that corresponds to the packing density or the space filling of the metal foam components in the entire component volume.
  • Metal foam components are particularly homogeneous in their physical properties, in which the volume of the cavities between the spherical metal foam building blocks corresponds approximately to the volume of the average pores formed by the blowing agent in the metal foam building blocks. Among the volume of these cavities is this to understand the average volume of the tetrahedral gaps and / or octahedral gaps and / or corresponding other gaps.
  • the metal foam building blocks used in the method according to the invention can essentially have the shape of a polyhedron or a polyhedron that is compressed and / or stretched in one spatial direction.
  • Archimedean bodies e.g. cuboctahedron
  • Intermediate shapes between bodies with the geometries mentioned above and bodies with spherical geometries can also be used.
  • Such geometric shapes of metal foam bricks can e.g. are generated by generating foam particles or foamable granulate particles in partially open (e.g. open at the top) foam molds.
  • finished metal foam blocks e.g. balls
  • finished metal foam blocks can also be mechanically treated (e.g. flattened) in a state (or at a temperature) in which (or at which) deformation is easily possible, preferably in the partially liquid state.
  • the mechanical treatment must preferably be carried out in such a way that there is no or no significant change in the foam structure.
  • Polyhedral metal foam building blocks can also be obtained by - to
  • the metal foam building blocks are obtained by at least partially foaming in a foam mold.
  • a foaming mold generally means more effort, so production without a foaming mold, ie by free foaming, is preferred. In particular for the production of spherical foam particles, no foam mold is required.
  • foam mold can be advantageous for producing foam particles in the form of cuboids, cubes, cylinders, pyramids, polyhedra, rotating bodies or any other free shapes;
  • molds which only represent boundary barriers in one or two spatial directions. The smaller the area, that of one
  • the foam shape is limited, the faster the granulate particles can be heated and expanded in a defined manner without temperature gradients occurring.
  • the smallest possible spatial area is therefore preferably delimited by a foam shape.
  • the energy dissipation can then also take place all the faster and without the occurrence of significant temperature gradients.
  • the metal foam blocks produced according to this variant (with correspondingly slower heating and cooling) then represent a foam produced under ideal conditions, which has an extremely homogeneous pore structure.
  • the three-dimensional arrangement of the metal foam blocks is carried out at least partially with partially liquid ones
  • Metal foam blocks In this way, particularly in the case of metal foam components with complicated geometries, areas that are difficult to access are filled with the best possible foam structure.
  • the metal foam building blocks can be subjected to a chemical and / or physical surface treatment before the three-dimensional arrangement.
  • the activation of Surface of the metal foam block can be achieved by cleaning the surface and reducing the oxide skin.
  • Mechanical treatments, in particular sputtering, brushing and grinding, are particularly suitable as physical surface treatment steps.
  • a chemical surface treatment is, for example, a treatment with solvents (in particular for degreasing), pickling, etching (for example with acids, alkalis and / or electrolytes) and annealing on reducing surfaces.
  • a surface treatment can take place in such a way that a coating is applied to the metal foam block.
  • a coating is generally suitable, the thickness of which is small in relation to the diameter or the minimum and maximum dimensions of the metal foam block.
  • metallic coatings, oxidic coatings, ceramic coatings, organic coatings and coatings from the gas phase or the liquid phase come into consideration as the coating.
  • Such coatings of the metal foam blocks allow later gluing, soldering, sintering, welding and / or pressing the metal foam blocks to form a component.
  • the coating is preferably designed in such a way that at least partially at least one solid functional layer is applied to the metal foam module, which consists of a material that is flowable, plastically and / or elastically deformable by means of a chemical and / or physical treatment.
  • the functional layer can contain a polymer (eg polyurethane), which can be foamed into a polymer foam.
  • the process for the aftertreatment of the three-dimensionally arranged metal foam building blocks can be done without the use of auxiliaries, for example by means of gluing, soldering, sintering (e.g. any oxide skins of neighboring metal foam building blocks can be baked together). Welding and / or pressing take place. Also the application of high-frequency alternating loads in the still partially fluid
  • an aftertreatment can also be carried out using auxiliary substances.
  • gluing comes into consideration here.
  • individual metal foam blocks can be glued by applying a coating at least in the areas in which contact with the adjacent metal foam blocks is provided.
  • a liquid matrix material e.g. a resin, a metal melt or the like
  • Granulate (if necessary, thin granulate panels can also be used here), then the expandable granulate is expanded, so that a composite body of separately foamed foam particles is formed in the expanded granulate.
  • aluminum metal foam building blocks are conceivable in a polymer foam, but there may also be an aluminum metal foam building block in a metal foam made of a different material, in particular a material with different deformation properties.
  • Such metal foam bodies can advantageously be used as two-stage energy absorbers. If a mixture of metal foam building blocks is poured with an initially liquid matrix material, in extreme cases a component is created that has a composite of a matrix material and metal foam building blocks dispersed therein.
  • the method for producing the metal foam components can be carried out with metal foam components with or without a coating. If metal foam blocks with a coating are used, then those blocks are particularly suitable for the subsequent post-treatment, on which at least partially at least one solid functional layer is formed, which consists of a material that is flowable, plastically and / or elastically deformable by means of a chemical and / or physical treatment becomes. This allows adjacent metal foam blocks to be adhesive and / or be firmly bonded together.
  • the coating can consist of a metal, a metal alloy, a metal oxide or a ceramic. Suitable metals are, for example, iron, nickel, copper and light metals, e.g. B. titanium, aluminum or high-melting heavy metals, such as tungsten or molybdenum and their alloys.
  • the physical and / or chemical treatment and the choice of materials should be carried out in such a way that the foam structure of the metal foam block does not change or become unstable.
  • a coated metal foam block with an additional solid functional layer which additionally, for. B. by applying a suspension to the surface, applied and dried or cured, is a better and easier to process intermediate product than uncoated metal foam blocks and saves the end user of the metal foam blocks from performing complicated technological process steps.
  • the functional layer according to the invention should have a thickness which, after the physical or chemical treatment of the metal foam building blocks, ensures the respective functional effect, for example corrosion protection or an adhesive bond between adjacent metal foam building blocks.
  • the thickness is advantageously to be chosen at least so large that a positive locking of adjacent metal foam blocks can be achieved during the plastic and / or elastic deformation.
  • the coated metal foam blocks are preferably free-flowing and do not stick together, so that they can be processed without any problems after storage and transport.
  • An additional sealing layer can be applied to the functional layer, in particular for temporary protection during transport and storage, in order to form very smooth, non-adhesive surfaces.
  • quick-drying preferably water-soluble paints or other more or less viscous liquids are sprayed on. Suitable examples are cellulose or pectin solutions or polyvinyl alcohol.
  • the functional layers can be formed from a homogeneous material, but also from composites. For example, ferro- and / or permanent magnetic particles can be embedded in the functional layer for certain applications (e.g. for detection purposes).
  • the functional layer can also be doped or formed with catalytically active elements or compounds. For example, platinum and / or rhodium and / or compounds of these metals can be deposited on the metal foam block or a functional layer.
  • organic materials or components are used for the functional layer, those polymers which are selected from ethylene-vinyl acetate copolymers, polyamides or polyesters, but also phenolic resin, cresol resin, furan resin or epoxy resin or binders based on latex or rubber are particularly suitable.
  • the organic materials can be applied to the metal foam blocks in the liquid phase with subsequent drying; activation can take place later, for example, by means of heating.
  • powder coatings known per se can also be used as the functional layer material. These can be applied in powder form to the heated metal foam building blocks, whereby temperatures should be maintained at which the powder adheres to the metal foam building blocks, but there is no melting of the powder coating powder which leads to running.
  • the individual powder particles can adhere more or less evenly to the metal foam block surface and, after cooling, the metal foam blocks can be easily transported and stored without sticking together.
  • the temperature is only increased again when the components are made from metal foam blocks until the powder softens or melts. When melting, a uniform coating of paint can be formed over the entire surface.
  • the functional layer can also be formed from an organic or inorganic binder, from which particles, preferably metals or polymers, are held adhesively. These particles can deform during thermal finishing.
  • the functional layer can advantageously also consist of a metal or contain such a metal that can form an intermetallic phase with the metal of the metal foam component.
  • a metal that can form an intermetallic phase with the metal of the metal foam component.
  • this is possible, for example, with tin and copper.
  • Different aluminides can also be formed in this way.
  • additives can also be contained in the functional layer.
  • examples are solders, fluxes, sintering aids, blowing agents or swelling agents.
  • the functional layer material is softened at least to the extent that it is plastically and / or elastically deformable
  • the physical treatment can be a heating of the functional layer material caused by energy input, the softening temperature and possibly also the melting temperature of this material being lower than that of the material from which the
  • Metal foam body is formed, should be.
  • the heated, flowable material adapts to the surface shape of the metal foam blocks.
  • the functional layer material can also solidify again, adjacent metal foam blocks are at least positively fixed, a firm adhesive connection not being absolutely necessary. Due to the flow of the functional layer material, voids remaining between the metal foam components can at least partially coexist be filled with this material. Forces acting on the metal foam building blocks can thereby be influenced and undesirable stresses in the metal foam building blocks can be avoided.
  • a chemical treatment of the metal foam building blocks with functional layer can preferably be carried out with a solvent suitable for the functional layer material, which is brought into contact in liquid or vapor form with the three-dimensional metal foam building blocks.
  • a softening of the functional layer material is achieved with such a solvent, so that it becomes plastically deformable again temporarily. After the solvent has been stripped off or evaporated, the functional layer material can solidify again and maintain the shape it has assumed.
  • the functional layer contains a metal or an alloy
  • the heat treatment can be carried out in such a way that the metal melts and the metal foam components are soldered to one another.
  • the functional layer can advantageously also contain at least one solder and possibly a suitable flux or these can be embedded therein.
  • Such a functional layer can, for. B. consist of pure tin or bound tin powder.
  • metal foam blocks that consist of particularly reactive materials, such as. B. iron or aluminum
  • functional layers as an oxidation layer have an advantageous effect. They also provide corrosion protection for components made from such metal foam blocks.
  • the metal foam components according to the invention consist of a composite of positively, materially and / or adhesively connected metal foam modules or contain such a composite.
  • Components are preferred which consist of a composite materially and / or adhesively bonded metal foam building blocks or contain such a composite.
  • the metal foam components according to the invention are characterized in that maximum pore volume cannot be greater than the volume of the largest foam particle used.
  • the character and the size of the proportion of open porosity can be influenced in a targeted manner by the choice and / or the geometries of the metal foam building blocks and possibly also by a combination of closed-pore and open-pore metal foam building blocks.
  • the metal foam component has a defined pore morphology with guaranteed maximum pore size, provided that other sources of error, such as. B. pouring errors can be excluded.
  • the components according to the invention made of metal foam components have in particular the advantage of precisely predictable and adjustable properties. They have an orderly structure in all spatial directions and can therefore also be mass-produced without fluctuations in the mechanical and / or physical properties of the components.
  • Metal foam components of different sizes and / or densities and metal foam components made of different materials can be used to produce the metal foam components according to the invention (this includes both metal foam components which themselves consist of different materials and two or more classes of metal foam components which each consist of different materials ).
  • Metal foam blocks with one or more different functional layers and two or more classes of metal foam blocks, each with different functional layers, can also be used. Through this freedom of choice, entire components with widely variable and locally variable, but defined adjustable properties can be produced. Examples are components made of metal foam blocks with monomodal or multimodal diameter and / or density distributions, components with locally increased mechanical properties at highly stressable locations, composites consisting of metal foam blocks of different materials, layered composites with metal foam block inserts and reinforcements of all kinds (e.g.
  • Allow metal foam building blocks to be classified simply, quickly, safely and fully automated in accordance with size and / or weight, and in combination of the two criteria, using established and cost-effective processes in industrial practice.
  • the metal foam building blocks can also be arranged in such a way that a hollow component is obtained which is completely or partially filled with metal foam building blocks, the individual metal foam building blocks not having to be integrally and / or adhesively connected to the hollow component itself; even the metal foam building blocks do not have to be connected to one another, or can only be partially connected to one another in a materially bonded and / or adhesive manner.
  • Such hollow structures filled with metal foam bricks can be used as double energy absorbers (e.g. crash absorbers), especially if they are only partially filled.
  • a component is preferred in which the metal foam building blocks are adhesively and / or cohesively bonded to one another in such a way that there are no subareas which are not adhesively and / or cohesively bonded to another subarea.
  • a metal foam component according to the invention can also consist of a multi-layer composite structure which contains one or more layers of metal foam components.
  • the metal foam building blocks can be integrally and / or adhesively connected to one another or only to the other layers. A cohesive and / or adhesive bond both to one another and to the other layers is also conceivable.
  • a component can be produced in which the metal foam building blocks are adhesively and / or positively connected to one another in such a way that there are no partial areas of metal foam building blocks that are not adhesively and / or positively connected to another partial area of metal foam building blocks (this connection also indirectly via layers that are not made of metal foam blocks).
  • the components according to the invention are particularly suitable for producing crash absorbers.
  • a metal foam component is particularly suitable for using the metal foam components according to the invention as a two-stage crash absorber, in which metal foam components are embedded in a matrix of polymer foam surrounding them.
  • Such components can, for example, also have a distance between adjacent metal foam blocks that is larger than the average diameter of the metal foam blocks used.
  • Metal foam components made of metal foam blocks are explained in more detail below with the help of illustrations.
  • Figure 1 shows cross-sectional areas through metal foam blocks with different sizes and different geometries.
  • the two left examples are cross sections through metal foam balls (diameter approx. 0.6 cm or 1 cm), on the right a cross section through a metal foam block.
  • the uniform pore distribution is striking.
  • Figure 2 shows the production of a spherical metal foam block 4 from a foamable semifinished tablet 1.
  • the semifinished tablet 1 is placed in the hot oven 2 and under
  • Figure 3 shows the manufacture of a component from metal foam blocks.
  • Metal foam blocks of 4 different sizes are first sorted (if necessary) and classified.
  • a physical surface treatment such as degreasing or pickling of these metal foam blocks is then optionally carried out surface-treated metal foam blocks 5 can be obtained.
  • These are (again optionally) subjected to a physical or chemical coating process, whereby metal foam blocks with functional layer 6 are obtained.
  • FIGS. 4a-4l show different variants of components made of metal foam blocks 10.
  • FIG. 4a shows a three-dimensionally shaped component made from small ones
  • FIG. 4b shows a hollow component that is partially filled with a foam component that consists of
  • Figure 4c shows a component made of metal foam blocks 10c, which by pressing
  • Figure 4d shows a layer composite of foam component layers and other materials
  • Figures 4e and 4f show components made of metal foam blocks of different sizes / volumes, in which a composite of metal foam blocks (10a) and a
  • FIGS 4g and 4h show components made of metal foam blocks different
  • FIG. 4i shows a component made from foam blocks of different matrix materials.
  • Figure 4k shows a component made of foam blocks that has been infiltrated with a second material (e.g. polymer resin or polymer foam).
  • a second material e.g. polymer resin or polymer foam

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus Metallschaum und ein Verfahren zu seiner Herstellung, bei dem mehrere 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 Metallschaumbauteile zu einem Körper, mit einer Geometrie, die der des herzustellenden Bauteils entspricht, angeordnet werden, und die so angeordneten Metallschaumbausteine mindestens einer physikalischen und/oder chemischen Nachbehandlung unterworfen werden, so dass jeweils benachbarte Metallschaumbausteine formschlüssig, stoffschlüssig und/oder adhäsiv miteinander verbunden sind.

Description

Patentanmeldung:
Aus Metallschaumbausteinen aufgebautes Bauteil und Verfahren zu seiner Herstellung
Anmelderin:
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Hansastrasse 27 c, 80686 München
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus Metallschaum und ein Verfahren zu seiner Herstellung unter Verwendung von Metallschaumbausteinen, die ggf. eine Beschichtung tragen.
Stand der Technik
Zur Herstellung von Bauteilen aus Metallschaum stehen mehrere Verfahren zur Verfügung. Bedeutung erlangt haben die schmelzmetallurgischen und die pulvermetallurgischen Verfahren.
Bei den pulvermetallurgischen Treibmittelverfahren wird zunächst mindestens ein Metallpulver mit mindestens einem Treibmittel vermischt und daraus ein aufschäumbares Vormaterial hergestellt. Ein derartiges Verfahren ist z. B. in der US 3,087,807, der DE 4018360 und der DE 4101630 beschrieben. Die mit diesen Verfahren hergestellten, aufschäumbaren Vormaterialien können als Block, Profil, Granulat etc. hergestellt werden. Die Herstellung eines Metallschaumbauteils aus diesen aufschäumbaren Vormaterialien erfolgt durch Erwärmung des Vormaterials auf eine Temperatur oberhalb der Solidustemperatur des Metalls, aus dem das Vormaterial besteht. Tritt dieses Metall in einen teilflüssigen oder flüssigen Zustand ein, so wird durch aus dem Treibmittel freigesetztes Treibgas unter Expansion ein Metallschaum erhalten. Der Schaumexpansionsvorgang erfolgt zweckmäßigerweise in einem Hohlkörper (z. B. einer Schäumform oder einem Hohlstrukturbauteil), der vom expandierenden Schaum ausgefüllt wird. Der Metallschaum bildet dann die Innenkontur des Hohlkörpers ab, so dass bei entsprechender Gestaltung des Hohlkörpers das Metallschaumbauteil endformnah hergestellt werden kann. Um Metallschäume mit einer möglichst gleichmäßigen Porenverteilung zu erhalten, muss der noch teilflüssige Metallschaum in möglichst kurzer Zeit auf eine Temperatur unterhalb der Solidustemperatur des Metalls abgekühlt werden; der Schaum wird sozusagen eingefroren. Anschließend kann der endformnahe Schaumkörper aus dem Hohlkörper entnommen werden.
Der Hauptnachteil dieser Verfahren ist, dass zur Herstellung von Metallschäumen in einem Hohlkörper der ganze Hohlkörper (insbesondere eine etwaige Schäumform) mit erwärmt werden muss; es ist also ein sehr hoher Energieeintrag nötig.
Die US 2,974,034 sowie Stanzick et. al. in " Process controll in aluminium foam production using real-time x-ray radioscopy"(AEM 2002, 4, Vol. 10) beschreiben die Herstellung von Metallschaumbauteilen unter Verwendung von aufschäumbarem Granulat in einer Schäumform. Hierbei wird aus einer Vielzahl kleinvolumiger Granulatpartikel ein großvolumiger Schaumkörper hergestellt. Die Verwendung von kleinvolumigen Granulatpartikeln erlaubt eine einfache Portionierung der benötigten Halbzeugmenge.
Auch hierbei wird aber der Nachteil des hohen Energieeintrags zum Schäumen in Formen nicht behoben. Weiterhin ist bekannt, den teilflüssigen oder flüssigen Metallschaum in einen Hohlkörper (Form oder Kavität) hinein zu pressen (CYMAT 3d) oder einexpandieren (Metcomb) zu lassen. Ein derartiges Verfahren offenbart beispielsweise die WO 03/015960 A2.
Mit diesen Verfahren können aber nur relativ einfache Bauteilgeometrien realisiert werden. Außerdem wird die Schaumstruktur beim Einpressen in den Hohlkörper deformiert. Es wird also keine homogene Schaumstruktur erhalten. Ferner können in keinem Fall die aus dem Aluminiumdruckguss bekannten kurzen Taktzeiten erreicht werden, da der Schaum nur mit geringen Drücken in den Hohlkörper eingepresst werden kann, damit die Schaumstruktur nicht zu stark deformiert bzw. zerstört wird. Schließlich bieten diese Verfahren nicht die von den pulvermetallurgischen Verfahren bekannte Freiheit der Wahl der Legierung und sind daher nur begrenzt einsetzbar.
Die DE 19928997 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Metallschäumen, bei denen ein aufschäumbares Granulat mittels eines Laserstrahls bzw. eines Elektronenstrahls aufgeschäumt wird. Durch individuelles Platzieren der Halbzeugpartikel kann in einer Form die Herstellung eines Metallschaumkörpers gezielt beeinflusst werden. Der
Metallschaumkörper wird hierbei durch Aneinanderschäumen von kleinen Schaumvolumina erzeugt. Zunächst wird ein Halbzeuggranulatpartikel zum Schaum expandiert. Sofort nach Abschluss dieses Vorgangs wird der Energiestrahl auf das nächstliegende Halbzeuggranulatteilchen gelenkt und expandiert dieses ebenfalls zu einem Schaum.
Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die Herstellung der Metallschaumkörper langwierig ist, da jedes Granulatpartikel nacheinander aufgeschäumt werden muss, das Halbzeuggranulat schichtweise angeordnet werden muss und einen erhöhten verfahrenstechnischen Aufwand (insbesondere einen erheblichen Geräteaufwand und lange Prozesszeiten) benötigt. Weiterhin hat dieses.Verfahren den Nachteil, dass dabei ein Gesamtbauteil entsteht, in dem der Zusammenhalt benachbarter Schaumbereiche eine Undefinierte und schwankende Intensität aufweist. Beschreibung
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 4018360 oder der DE 4101630) 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
4018360 oder DE 4101630 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-ZTreibmittelgemisch 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 auch nach der Lehre der DE 10206722 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 nach der DE 10206722 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, wie in der DE 10206722 beschrieben, 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 Metallschaumbau- stein 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 19928997 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 19928997 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 19928997 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 19928997 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) geeignet. 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, Vielflächnem, 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 Ethylenvinylacetat- copolymeren, 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 Funktionsschichtm'aterial 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 unterschiedli- chen 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 Funktionsschicht(en) 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 Durchmesserund/oder Dichteverteilungen, Bauteile mit an hoch belastbaren Stellen lokal gezielt erhöhten mechanischen Eigenschaften, Verbünde, 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 Metalischaumbausteine ist.
Anwendungsbeispiele
Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäßen Metallschaumbausteine und die erfindungsgemäßen
Metallschaumbauteile aus Metallschaumbausteinen nachfolgend anhand von Abbildungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt Querschnittsflächen durch Metallschaumbausteine mit unterschiedlichen Größen und unterschiedlichen Geometrien. Die beiden linken Beispiele sind Querschnitte durch Metallschaumkugeln (Durchmesser ca. 0,6 cm bzw. 1 cm), rechts ist ein Querschnitt durch einen Metallschaumquader gezeigt. Auffällig ist die einheitliche Porenverteilung.
Figur 2 zeigt die Herstellung eines kugelförmigen Metallschaumbausteins 4 aus einer aufschäumbaren Halbzeugtablette 1. Die Halbzeugtablette 1 wird in den heißen Ofen 2 eingebracht und unter
Wärmeeinwirkung (dargestellt durch Pfeile) tritt Expansion ein (3). Anschließend wird der fertig aufgeschäumte Metallschaumbaustein 4 dem Ofen 2 entnommen.
Figur 3 zeigt die Herstellung eines Bauteils aus Metallschaumbausteinen. Metallschaumbausteine 4 unterschiedlicher Größen werden (sofern nötig) zunächst sortiert und klassifiziert. Optional erfolgt anschließend eine physikalische Oberflächenbehandlung wie z.B. Entfetten oder Beizen dieser Metallschaumbausteine wobei die oberflächenbehandelten Metallschaumbausteine 5 erhalten werden. Diese werden (wiederum optional) einem physikalischen oder chemischen Beschichtungsverfahren unterworfen, wobei Metallschaumbausteine mit Funktionsschicht 6 erhalten werden. Die Metallschaumbausteine 4 bzw. die oberflächenbehandelten Metallschaumbausteine 5 bzw. die Metallschaumbausteine mit Funktionsschicht 6 werden in eine Form 7a (in der Abbildung wird das Verschließen der Form mit einem Deckel gezeigt) bzw. eine Hohlstruktur 7b gefüllt (in der Abbildung beispielhaft für Metallschaumbausteine mit Funktionsschicht 6 gezeigt) und einer chemischen bzw. physikalischen Behandlung unterworfen, so dass ein Bauteil 8a bzw 8b mit einem formschlüssigen, stoffschlüssigen und/oder adhäsiven Verbund benachbarter Metallschaumbausteine entsteht. Wurde eine Form (7a) verwendet, so kann das fertige Bauteil in einem Entformungsschritt 9 aus der Form entnommen werden. Man erhält somit ein Bauteil aus Metallschaumbausteinen 10, in je nach Herstellungsverfahren ein Verbund von Metallschaumbausteinen (10a) bzw. ein Verbund von Metallschaumbausteinen und Hohlstruktur bzw. Hülle (10b = 8b) vorliegt.
Figur 4a-4l zeigt verschiedene Varianten von Bauteilen aus Metallschaumbausteinen 10.
Figur 4a zeigt ein dreidimensional geformtes Bauteil, hergestellt aus kleinen
Metallschaumbausteinen (vgl. 10a).
Figur 4b zeigt ein Hohlbauteil, das teilweise mit einem Schaumbauteil gefüllt ist, das aus
Metallschaumbausteinen hergestellt wurde. Figur 4c zeigt ein Bauteil aus Metallschaumbausteinen 10c, das durch Verpressen
(dargestellt durch Pfeile) kleiner Metallschaumbausteine erhalten wurde.
Figur 4d zeigt einen Schichtverbund aus Schaumbauteillagen und anderen Werkstoffen
(z.B. CFK).
Figuren 4e und 4f zeigen Bauteile aus Metallschaumbausteinen unterschiedlicher Größe/Volumen, bei denen ein Verbund von Metallschaumbausteinen (10a) bzw. ein
Verbund von Metallschaumbausteinen und Hülle (10b) vorliegt.
Figuren 4g und 4h zeigen Bauteile aus Metallschaumbausteinen unterschiedlicher
Geometrie, bei denen ein Verbund von Metallschaumbausteinen (10a) bzw. ein Verbund von Metallschaumbausteinen und Hülle (1 Ob) vorliegt.
Figur 4i zeigt ein zeigt ein Bauteil, hergestellt aus Schaumbausteinen unterschiedlicher Matrixwerkstoffe.
Figur 4k zeigt ein Bauteil, hergestellt aus Schaumbausteinen, das mit einem zweitem Werkstoff (z.B. Polymerharz oder Polymerschaum) infiltriert wurde.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Metallschaum, bei dem mehrere Metallschaumbausteine, die mittels Energiezufuhr durch zumindest teilweises Aufschäumen von Granulatteilchen, die mindestens ein Metallpulver und mindestens ein Treibmittelpulver enthalten, erhältlich sind, 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 Metallschaumbauteile zu einem Körper, mit einer Geometrie, die der des herzustellenden Bauteils entspricht, angeordnet werden, und die so angeordneten Metallschaumbausteine mindestens einer physikalischen und/oder chemischen Nachbehandlung unterworfen werden, so dass jeweils benachbarte Metallschaumbausteine formschlüssig, stoffschlüssig und/oder adhäsiv miteinander verbunden sind, wobei die Größe der Metallschaumbausteine so gewählt wird, dass das Verhältnis zwischen dem durchschnittlichen Volumen eines Metallschaumbausteins und dem Volumen des Bauteils kleiner als 1 :10 ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Metallschaumbausteine so gewählt wird, dass das Verhältnis zwischen dem durchschnittlichen Volumen eines Metallschaumbausteins und dem Volumen des Bauteils kleiner als 1 :100 ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Metallschaumbausteine eingesetzt werden, die in einer Schäumform aufgeschäumt wurden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Metallschaumbausteine verwendet werden, die im Wesentlichen die Form einer Kugel oder einer in einer Raumrichtung gestauchten und/oder gestreckten Kugel haben.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Metallschaumbausteine verwendet werden, die im Wesentlichen die Form eines Polyeders oder eines in einer Raumrichtung gestauchten und/oder gestreckten Polyeders haben.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Anordnung der Metallschaumbausteine zumindest teilweise mit teilflüssigen Metallschaumbausteinen erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschaumbausteine vor der dreidimensionalen Anordnung einer chemischen und/oder physikalischen Oberflächenbehandlung unterworfen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Metallschaumbausteinen 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.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht aus einem Polymer besteht oder ein Polymer enthält, das zu einem Polymerschaum aufschäumbar ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbehandlung mittels Verkleben, Verlöten, Versintern, Schweißen und/oder Pressen erfolgt.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschaumbausteine mit einem expansionsfähigen Granulat gemischt werden, das anschließend zu einem Schaum expandiert wird.
12. Metailschaumbaustein, der mittels Energiezufuhr durch zumindest teilweises Aufschäumen eines Granulatteilchen, das mindestens ein Metallpulver und mindestens ein Treibmittelpulver enthält, erhältlich ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Metailschaumbaustein 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.
13. Metailschaumbaustein nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht aus einem organischen Polymer gebildet ist oder ein solches Polymer enthält.
14. Metailschaumbaustein nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht aus einem Bindemittel gebildet ist und Partikel mit dem Bindemittel adhäsiv gehalten werden.
15. Metailschaumbaustein nach den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht ein Metall, ein Metalloxid und/oder eine Keramik enthält oder daraus gebildet ist.
16. Metailschaumbaustein nach den Ansprüchen 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Funktionsschicht eine Siegelschicht ausgebildet ist.
17. Metailschaumbaustein nach den Ansprüchen 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschaumbausteine im Wesentlichen die Form einer Kugel oder einer in einer Raumrichtung gestauchten und/oder gestreckten Kugel haben.
18. Metailschaumbaustein nach den Ansprüchen 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Metallschaumbausteine verwendet werden, die im Wesentlichen die Form eines Polyeders oder eines in einer Raumrichtung gestauchten und/oder gestreckten Polyeders haben.
19. Bauteil aus Metallschaum das aus einem Verbund formschlüssig, stoffschlüssig und/oder adhäsiv miteinander verbundenerer Metallschaumbausteine, die mittels Energiezufuhr durch zumindest teilweises Aufschäumen von Granulatteilchen, die mindestens ein Metallpulver und mindestens ein Treibmittelpulver enthalten, erhältlich sind, besteht oder einen derartigen Verbund enthält, wobei das Verhältnis zwischen dem durchschnittlichen Volumen eines Metallschaumbausteins und dem Volumen des Bauteils kleiner als 1 :10 ist.
20. Bauteil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschaumbausteine ein Gebilde das die äußere Hülle des Bauteils bildet zumindest teilweise ausfüllen und gegebenenfalls stoffschlüssig und/oder adhäsiv mit diesem verbunden sind.
21. Bauteil aus Metallschaum in dem Metallschaumbausteine, die mittels Energiezufuhr durch zumindest teilweises Aufschäumen von Granulatteilchen, die mindestens ein Metallpulver und mindestens ein Treibmittelpulver enthalten, erhältlich sind, ein Gebilde, das die äußere Hülle des Bauteils bildet, zumindest teilweise ausfüllen.
22. Bauteil nach den Ansprüchen 19 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschaumbausteine zumindest teilweise Metallschaumbausteine nach den Ansprüchen 12 bis 18 sind.
23. Bauteil nach den Ansprüchen 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschaumbausteine im Wesentlichen die Form einer Kugel oder einer in einer Raumrichtung gestauchten und/oder gestreckten Kugel haben und dass zwischen den Metallschaumbausteinen konkav-sphärische miteinander kommunizierende, gegebenenfalls gefüllte Hohlräume vorliegen.
24. Bauteil nach den Ansprüchen 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des durchschnittliches Volumens der Metallschaumbausteine und des Volumens des Bauteils kleiner als 1 :100 ist.
25. Bauteil nach den Ansprüchen 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschaumbausteine unterschiedliche Größen und/oder unterschiedliche Geometrien und/oder eine unterschiedliche Dichte aufweisen.
26. Bauteil nach den Ansprüchen 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass Metallschaumbausteine aus verschiedenen Materialien vorliegen.
27. Bauteil nach den Ansprüchen 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund der Metallschaumbausteine über einen Schaum erfolgt, der durch Expansion eines expansionsfähigen Granulats und/oder das Aufschäumen einer auf den Metallschaumbausteinen zumindest teilweise aufgebrachten aufschäumbaren Funktionsschicht erhältlich ist.
28. Bauteil nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaum ein Polymerschaum ist.
29. Verwendung eines Bauteils nach den Ansprüchen 19 bis 28 als Energieabsorber oder zur Herstellung eines Energieabsorbers.
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