DE102011003415A1 - Method for producing a metallic component - Google Patents

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Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Bauteils, bei. dem ein metallisches Faservlies (11) auf den thixotropischen Zustand aufgeheizt und in diesem Zustand unter Druckeinwirkung zu einer kompakten Metallstruktur umgeformt wird, mit dem sich erfindungsgemäß durch die Thixoumformung des Metallfaservlieses problemlos auch ausgedehntere Bauteile (8) auf baulich und steuerungsmäßig einfache Weise mit hochwertigen mechanischen Eigenschaften dadurch herstellen lassen. dass das Metallfaservlies in den jeweiligen Grenzen des Kontaktbereichs mindestens einer oberflächenseitig über dieses geführten Druckwalze (15) im thixotropen Zustand gehalten und gleichzeitig unter der Wirkung des Walzenandrucks zu einer homogenen Metallstruktur (16) verdichtet wird.A method for producing a metallic component is presented at. which a metallic fiber fleece (11) is heated to the thixotropic state and, in this state, is formed into a compact metal structure under the action of pressure, with which, according to the invention, even extensive components (8) can easily be made structurally and easily with high-quality mechanical components by thixoforming the metal fiber fleece Have properties produced thereby. that the metal fiber fleece is kept in the thixotropic state in the respective limits of the contact area of at least one pressure roller (15) guided over this on the surface side and at the same time is compressed to a homogeneous metal structure (16) under the effect of the roller pressure.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Bauteils durch Umformen eines auf den thixotropen Zustand erwärmten, metallischen Faservlieses, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2.The invention relates to a method for producing a metallic component by forming a heated to the thixotropic state, metallic nonwoven fabric, according to the preamble of claim 1 or 2.

Es ist bekannt, dass metallische Werkstoffe in einem engen Temperaturintervall kurz unterhalb der Liquidustemperatur in den thixotropen Zustand gelangen und sich dann mit geringem Energieaufwand zu Bauteilen mit hohen mechanischen Kennwerten umformen lassen. Nach dem in der DE 10 2009 015 418 A1 offenbarten Verfahren der eingangs genannten Art wird als in dieser Hinsicht besonders vorteilhaftes Ausgangsmaterial ein Metallfaservlies verwendet, welches in einem Pressenwerkzeug in den thixotropen Zustand aufgeheizt und zu einem homogen strukturierten Bauteil verpresst wird, wobei sich die mechanischen Eigenschaften noch dadurch deutlich verbessern lassen, dass in das Faservlies eine Armierung eingelegt wird, die dann bei der thixotropen Faservliesumformung im Pressenwerkzeug anders als bei Verbundbauteilen, die aus einer hochfesten Zwischenschicht und auf diese lediglich aufplattierten Deckschichten bestehen – vollständig mit dem metallischen Vliesmaterial als Matrix durchtränkt wird. Problematisch bei einer solchen thixotropen Faservliesumformung ist jedoch, dass beim Verpressen des Faservlieses Lufteinschlüsse im Thixomaterial verbleiben können, die sich dann im fertigen Bauteil als festigkeits- und steifigkeitsmindernde Lunkerstellen zeigen. Hinzukommt, dass sich die Einstellung einer homogenen Temperaturverteilung bei gleichzeitig engem Temperaturfenster vor allem bei ausgedehnteren Bauteilen äußerst aufwändig und kostenintensiv gestaltet.It is known that metallic materials reach the thixotropic state shortly below the liquidus temperature in a narrow temperature interval and can then be converted into components with high mechanical characteristics with little expenditure of energy. After in the DE 10 2009 015 418 A1 disclosed method of the type mentioned is used as a particularly advantageous starting material in this regard, a metal fiber fleece, which is heated in a press tool in the thixotropic state and pressed into a homogeneously structured component, wherein the mechanical properties can be significantly improved by the fact that in the Nonwoven fabric a reinforcement is inserted, which is then completely saturated with the metallic nonwoven material as a matrix in the thixotropic Faservliesumformung in the press tool as in composite components, which consist of a high-strength intermediate layer and on these only aufplattierten cover layers. The problem with such a thixotropic Faservliesumformung is, however, that when pressing the nonwoven fabric air pockets can remain in the thixia, which then show in the finished component as strength and stiffness-reducing voids. In addition, the setting of a homogeneous temperature distribution at the same time narrow temperature window, especially for more complex components made extremely complex and costly.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, dass sich durch eine Thixoumformung eines Metallfaservlieses problemlos auch ausgedehntere Bauteile auf baulich und steuerungsmäßig einfache Weise mit hochwertigen mechanischen Eigenschaften herstellen lassen.In contrast, it is an object of the invention to provide a method of the type mentioned in such a way that even thinner components can be easily manufactured with high-quality mechanical properties by a Thixoumformung a metal fiber nonwoven fabric.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 bzw. 2 gekennzeichnete Herstellungsverfahren gelöst.This object is achieved by the characterized in claim 1 or 2 manufacturing process.

Erfindungsgemäß wird aufgrund der beanspruchten Druckwalzenumformung sichergestellt, dass die Lufteinschlüsse beim Verpressen des thixotrop erwärmten Metallfaservlieses gezielt in Rollrichtung der Druckwalze ausgetrieben werden und aus dem dort noch unverpressten und luftdurchlässigen Faservllesmaterial frei entweichen können, so dass eine Blasen- oder Lunkerbildung im fertigen Bauteil wirksam unterbunden wird, mit dem weiteren Effekt, dass die Einhaltung des engen thixotropen Temperaturfensters auf den relativ schmalen Kontaktbereich der Druckwalze beschränkt ist und daher im Umformzeitpunkt nicht homogen über die gesamte Bauteilfläche verteilt sein muss, wodurch sich die prozessbedingt enge Temperatursteuerung erheblich vereinfacht. Darüberhinaus lassen sich mit der Erfindungsvariante nach Anspruch 2 im Wege der Thixoumformung eines Metallfaservlieses sogar metallische Blechbänder in beliebiger Länge auf fertigungstechnisch einfache Weise herstellen.According to the invention, it is ensured on the basis of the claimed pressure roll forming that the air inclusions during pressing of the thixotropically heated metal fiber fleece are selectively expelled in the rolling direction of the pressure roller and can escape freely from the still unpressed and air-permeable Faservllesmaterial so that bubbling or voids formation is effectively prevented in the finished component , with the further effect that compliance with the narrow thixotropic temperature window is limited to the relatively narrow contact area of the pressure roller and therefore does not have to be distributed homogeneously over the entire component surface at the time of forming, which considerably simplifies the process-dependent tight temperature control. Moreover, with the variant of the invention according to claim 2 even metallic sheet metal strips of any length can be produced in a production-technically simple manner by means of the thixoforming of a metal fiber fleece.

Eine deutliche Verbesserung der mechanischen Bauteileigenschaften wird in besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielt, dass in das Metallfaservlies vor der Thixoumformung eine Armierung eingelegt und diese unter der Einwirkung der Druckwalze(n) mit dem metallischen Faservliesmaterial als Matrix durchtränkt wird, wobei die Druckwalzenumformung des Faservlieses ganz wesentlich zu einer blasenfreien, stoff- oder zumindest formschlüssigen Einbindung der Armierung in die Metallmatrix beiträgt. Als Armierung werden je nach Richtung der für das Bauteil vorgesehenen Betriebslasten vorzugsweise uni- oder multidirektional oder auch quasi-isotrop orientierte metallische, aber auch nicht-metallische Verstärkungsfasern verwendet, und zwar mit besonderem Vorteil Carbonfasern, die bezüglich der Thixotemperatur des Vliesmaterials temperaturbeständig sind.A significant improvement in the mechanical component properties is achieved in a particularly preferred embodiment of the invention in that a reinforcement is inserted into the metal fiber fleece prior to the Thixoumformung and this is impregnated under the action of the pressure roller (s) with the metallic nonwoven material as a matrix, wherein the pressure roller deformation of the nonwoven fabric contributes significantly to a bubble-free, material or at least positive engagement of the reinforcement in the metal matrix. Depending on the direction of the operating loads provided for the component, the reinforcement used is preferably unidirectionally or multidirectionally or quasi-isotropically oriented metallic, but also non-metallic reinforcing fibers, with particular advantage carbon fibers which are temperature-resistant with respect to the thixotemperature of the nonwoven material.

Um die Aufheizzeit des Metallfaservlieses im Kontaktbereich der Druckwalze(n) zu verkürzen, wird das Metallvlies vor dem Druckwalzenkontakt zweckmäßigerweise bis nahe an den Thixozustand vorgewärmt, und im Hinblick auf eine rasche vollvolumetrische Aufheizung wird eine induktive Erwärmung des Metallvlieses bevorzugt.In order to shorten the heating time of the metal fiber fleece in the contact area of the pressure roller (s), the metal fleece is expediently preheated close to the thixo state before the pressure roller contact, and inductive heating of the metal fleece is preferred in view of rapid full volumetric heating.

Die Fertigungsqualität der Bauteile lässt sich dadurch weiter verbessern, dass das Metallvlies vor der thixotropen Druckwalzenumformung vorverdichtet und im Anschluss an diese durch eine Drucknachspeisung nachkalibriert wird.The manufacturing quality of the components can be further improved by pre-compacting the metal fleece prior to the thixotropic pressure roll forming and subsequently recalibrating it by means of a pressure feed.

Bei Verwendung eines Faservlieses, welches, wie bevorzugt, als Hauptbestandteil Aluminium enthält, zeigt sich ein weiterer Vorteil des beanspruchten Verfahrens. Anders nämlich als bei einem massiven Aluminiumblech, welches unter Umgebungsluft auf der Außenseite bekanntlich eine dünne Oxidhaut bildet, die sich nur aufwändig entfernen lässt und dann bei einer thixotropen Blechumformung die Gefügestruktur des Aluminiumteils signifikant verschlechtert, wird bei der Thixoumformung eines Aluminium-Faservlieses die Oxidschicht bei der Verdichtung der Aluminiumfasern aufgebrochen, so dass die Gefügestruktur im fertigen Aluminiumteil von der Oxidbildung des Ausgangsmaterials weitgehend unbeeinträchtigt bleibt.When using a nonwoven fabric, which, as preferred, contains aluminum as its main component, another advantage of the claimed method is shown. Unlike a solid aluminum sheet, which is known to form a thin oxide skin under ambient air on the outside, which can only be removed consuming and then significantly deteriorates the microstructure of the aluminum part in a thixotropic sheet metal forming, the oxide layer is at the Thixoumformung an aluminum nonwoven fabric at The compaction of the aluminum fibers broken, so that the microstructure in the finished aluminum part of the oxide formation of the starting material remains largely unaffected.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung: The invention will now be explained in more detail with reference to several embodiments in conjunction with the drawings. It shows in a highly schematic representation:

1 die Herstellung eines durchgehend materialreinen Bauteils aus einem Metallfaservlies mittels einer thixotropen Druckwalzenumformung nach der Erfindung; 1 the production of a continuous material-pure component from a metal fiber fleece by means of a thixotropic pressure roll forming according to the invention;

2 eine der 1 entsprechende Darstellung einer thixotropen Druckwalzenumformung eines Metallfaservlieses mit eingelegter Armierung; und 2 one of the 1 corresponding representation of a thixotropic pressure roller deformation of a metal fiber fleece with inserted reinforcement; and

3 die Herstellung eines armierten Endlos–Blechbandes nach der Erfindung. 3 the production of a reinforced endless metal strip according to the invention.

Gemäß 1 wird ein Metallfaservlies 1 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf ein Umformbett 2 aufgelegt und dabei örtlich durch eine zusätzliche Vliesauflage 3 gedoppelt, um so eine Aluminiumteil 4 mit einer sich ändernden Wandstärke zu erzeugen. Mittels einer beheizten und in Pfeilrichtung über das Faservlies 1 gerollten Druckwalze 5 wird das Faservlies 1 im Kontaktbereich der Druckwalze 5 in den thixotropen Zustand erwärmt und so zusammengepresst, dass aus dem Fasermaterial ein homogenes Aluminiumteil 4 entsteht, wobei die Lufteinschlüsse im Faservlies 1 unter der Wirkung der Druckwalze 5 in deren Laufrichtung nach vorne ausgequetscht werden und aus dem dort noch luftdurchlässigen Faservlies 1 frei entweichen können.According to 1 becomes a metal fiber fleece 1 made of aluminum or an aluminum alloy on a forming bed 2 applied while locally by an additional non-woven pad 3 doubled, so an aluminum part 4 to produce with a changing wall thickness. By means of a heated and in the direction of arrow on the fiber fleece 1 rolled pressure roller 5 becomes the fiber fleece 1 in the contact area of the pressure roller 5 heated to the thixotropic state and so compressed that from the fiber material a homogeneous aluminum part 4 arises, with the air pockets in the fiber fleece 1 under the action of the pressure roller 5 be squeezed out in the direction of forward and out of the still permeable non-woven fabric 1 can escape freely.

Um den für den Thixozustand erforderlichen Wärmeeintrag der Druckwalze 5 zu reduzieren, wird das Fasermaterial in Laufrichtung vor der Druckwalze 5 durch eine zwischen Umformbett 2 und Vliesoberseite wirksame Induktionsheizung 6 bis nahe an die Thixotemperatur vorgewärmt.To the required for the Thixozustand heat input of the pressure roller 5 To reduce, the fiber material is in the direction of the pressure roller 5 by a between Umformbett 2 and fleece top effective induction heating 6 preheated to near the thixo temperature.

Die Ausführungsform nach 2, wo die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Komponenten durch das gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind, unterscheidet sich von diesem hauptsächlich dadurch, dass in das Metallfaservlies 1 eine – in diesem Fall mehrlagige – Armierung 7 eingelegt ist, welche aus einem metallischen Fadengeflecht oder einem dicht perforierten Lochblech, aber auch aus nicht-metallischen, uni- oder multidirektional bis hin zu quasi-isotrop orientierten Verstärkungsfasern, etwa aus Carbon bestehen kann. Bei der Thixoumformung des Metallvlieses 1 wird die Armierung 7 mit dem thixotropen Vliesmaterial durchtränkt, so dass das Bauteil 4 eine homogene Metallstruktur mit einer in diese zumindest form- und bei einer metallischen Armierung 7 je nach Vlies- und Armierungsmaterial auch stoffschlüssig eingebundenen Armierung 7 aufweist, durch welche die Materialeigenschaften gegenüber einem reinen Einstoff-Bauteil deutlich verbessert werden.The embodiment according to 2 where the components corresponding to the first embodiment are identified by the same reference numeral, differs therefrom mainly in that in the metal fiber fleece 1 a - in this case multilayer - reinforcement 7 is inserted, which may consist of a metallic thread mesh or a densely perforated perforated plate, but also from non-metallic, unidirectional or multidirectional to quasi-isotropically oriented reinforcing fibers, such as carbon. In the Thixoumformung of the metal fleece 1 will be the reinforcement 7 impregnated with the thixotropic nonwoven material, so that the component 4 a homogeneous metal structure with at least one in this and a metallic reinforcement 7 Depending on the fleece and reinforcing material also cohesively integrated reinforcement 7 has, by which the material properties are significantly improved over a pure single-component.

Gemäß 3 werden zur Herstellung eines armierten Blechbandes 8 mehrere Schichten, bestehend aus einer oberen und einer unteren, metallischen Faservliesschicht 9.1, 9.2 und einer dazwischen liegenden Armierung 10, etwa eines Carbonfasergeleges, jeweils von einer Vorratsrolle 11.1, 11.2 bzw. 12 abgezogen und zwischen zwei Vorpresswalzen 13 zusammengeführt und zu einem dichteren Materialverbund vorverdichtet. Im nächsten Schritt durchläuft der vorverdichtete, aber noch flexible Materialverbund 9, 10 eine Heizeinrichtung 14, an der er auf ein Temperaturniveau noch unterhalb des thixotropen Zustandes der Metallfasern der Faservliesschichten 9 vorgeheizt wird. Der so vorgeheizte, aber noch inhomogene Materialverbund 9, 10 wird anschließend im Walzenspalt zweier Druckwalzen 15.1, 15.2 auf den thixotropen Zustand erwärmt und gleichzeitig werden die Faservliesschichten 9 in diesem Zustand durch den Walzenandruck zu einem Endlos-Blechband 8 mit einer homogenen Metallstruktur 16 und in diese als Matrix eingebetteten Armierung 10 verpresst.According to 3 are used to produce a reinforced sheet metal strip 8th multiple layers consisting of an upper and a lower metallic nonwoven layer 9.1 . 9.2 and an intermediate reinforcement 10 , such as a carbon fiber fabric, each of a supply roll 11.1 . 11.2 respectively. 12 withdrawn and between two pre-press rollers 13 merged and precompressed to a denser composite material. In the next step, the pre-compressed, but still flexible material composite goes through 9 . 10 a heating device 14 at which it is at a temperature level still below the thixotropic state of the metal fibers of the nonwoven layers 9 is preheated. The so preheated, but still inhomogeneous composite material 9 . 10 is then in the nip of two pressure rollers 15.1 . 15.2 heated to the thixotropic state and simultaneously become the nonwoven layers 9 in this state by the Walzenandruck to an endless metal strip 8th with a homogeneous metal structure 16 and in this matrix-embedded reinforcement 10 pressed.

Durch die injizierte Scherrate des Druckwalzenpaares 15 wird das thixotrope Faservliesmaterial gleichförmig zum Fließen gebracht, so dass selbst feinste Strukturen der Armierungsfasern 10 von diesem umschlossen und dabei Hohlräume gefüllt werden. Hierbei bildet sich ein Formschluss und je nach Beschaffenheit des Armierungsmaterials entsteht auch ein lokaler Stoffschluss. Anschließend erfolgt noch an einem Walzenpaar 17 eine Nachkalibrierung, um eine Erstarrungsporosität zu unterbinden. Mit dieser Erfindungsvariante ist es möglich, Blechbänder 16 beliebiger Länge anzufertigen und dabei die eingelegte Armierung 10 absolut lagestabil in das metallische Vliesmaterial einzubetten. Erreicht wird dies durch die charakteristische Eigenschaft, dass das Faservlies 9 im thixotropen Zustand eine stark reduzierte Viskosität aufweist und auch die Druckbeaufschlagung im Walzenspalt des Druckwalzenpaares 15 keine unkontrollierte Positionsverschiebung der Armierung 10 verursacht.Due to the injected shear rate of the pressure roller pair 15 For example, the thixotropic nonwoven fabric is made to flow uniformly, so that even the finest structures of the reinforcing fibers 10 enclosed by this and thereby cavities are filled. This forms a positive connection and depending on the nature of the reinforcing material also creates a local material bond. Then it is done on a pair of rollers 17 a recalibration to prevent a solidification porosity. With this variant of the invention it is possible to produce metal strips 16 of any length and thereby the inserted reinforcement 10 to be embedded in the metallic non-woven material in an absolutely stable position. This is achieved by the characteristic property that the nonwoven fabric 9 in the thixotropic state has a greatly reduced viscosity and also the pressurization in the nip of the pressure roller pair 15 no uncontrolled positional shift of the reinforcement 10 caused.

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Claims (9)

Verfahren zum Herstellen eines metallischen Bauteils, bei dem ein metallisches Faservlies auf den thixotropischen Zustand aufgeheizt und in diesem Zustand unter Druckeinwirkung zu einer kompakten Metallstruktur umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallfaservlies in den jeweiligen Grenzen des Kontaktbereichs mindestens einer oberflächenseitig über dieses geführten Druckwalze im thixotropen Zustand gehalten und gleichzeitig unter der Wirkung des Walzenandrucks zu einer homogenen Metallstruktur verdichtet wird.A method for producing a metallic component, in which a metallic nonwoven fabric is heated to the thixotropic state and formed in this state under pressure to form a compact metal structure, characterized in that the metal fiber fleece in the respective limits of the contact region at least one surface guided over this pressure roller in held thixotropic state and at the same time compacted under the action of Walzenandrucks to a homogeneous metal structure. Verfahren zur Herstellung eines fortlaufenden Blechbandes, dadurch gekennzeichnet, dass ein Endlos-Metallfaservlies im Walzenspalt zweier Druckwalzen im thixotrop erwärmten Zustand zu einem homogen strukturierten Blechband umgeformt wird.A process for producing a continuous sheet-metal strip, characterized in that an endless metal fiber fleece in the nip of two pressure rollers in the thixotropically heated state is formed into a homogeneously structured sheet metal strip. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in das Metallfaservlies vor der Thixoumformung eine Armierung eingelegt und diese im Wirkbereich der Druckwalze(n) mit dem metallischen Faservliesmaterial als Matrix durchtränkt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that inserted into the metal fiber fleece prior to the Thixoumformung a reinforcement and this is impregnated in the effective range of the pressure roller (s) with the metallic nonwoven material as a matrix. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierung aus uni- oder multidirektional verlaufenden Verstärkungs-, vorzugsweise Carbonfasern besteht.A method according to claim 3, characterized in that the reinforcement consists of unidirectional or multidirectional reinforcing, preferably carbon fibers. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallfaservlies vor dem Druckwalzendurchlauf bis nahe an den thixotropen Zustand vorgewärmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the metal fiber fleece is preheated close to the thixotropic state before the pressure roller pass. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallfaservlies induktiv erwärmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the metal fiber fleece is heated inductively. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallfaservlies im Anschluss an die thixotrope Druckwalzenumformung durch eine Drucknachspeisung nachkalibriert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the metal fiber fleece is recalibrated after the thixotropic pressure roll forming by a pressure additional feeding. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallfaservlies vor der Thixoumformung vorverdichtet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the metal fiber fleece is precompressed before the Thixoumformung. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallfaservlies als Hauptbestandteil Aluminium enthält.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the metal fiber fleece contains aluminum as the main component.
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