DE102014118178A1 - Method for producing a metallic structure - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Formkörpers, der zumindest einen schaumartigen Bereich umfasst, wobei die geometrischen Eigenschaften des Metallschaumes, wie Porengröße, Stegbreite, Porenform, etc., gezielt vorgebbar sind. Gemäß der Erfindung wird der metallische Formkörper nach dem Verfahren der verlorenen Form gegossen, wobei die verlorene Form mittels 3D-Druckens hergestellt wird. Dadurch wird es möglich, beliebig gestaltete Formkörper am Computer zu konstruieren und als einstückige Metallstruktur, umfassend Vollmaterial-Bereiche und Schaumbereiche, zu fertigen.The invention relates to a method for producing a metallic molded body which comprises at least one foam-like region, wherein the geometric properties of the metal foam, such as pore size, web width, pore shape, etc., are specifiable. According to the invention, the metallic molding is cast by the lost mold method, the lost mold being produced by means of 3D printing. This makes it possible to design arbitrarily shaped moldings on the computer and as a one-piece metal structure, comprising solid material areas and foam areas to manufacture.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von metallischen Formkörpern, die einen Metallschaum umfassen. Zudem betrifft die Erfindung mittels dieses Verfahrens hergestellte Metallstrukturen und deren Verwendung als Wärmetauscher. The invention relates to a method for producing metallic moldings comprising a metal foam. In addition, the invention relates to metal structures produced by this method and their use as heat exchangers.

Metallschäume werden herkömmlich z. B. mittels Einblasens eines Gases in eine Metallschmelze (wobei hierbei geschlossenporige Metallschäume gebildet werden) oder mittels Gießens unter Verwendung der Technik der verlorenen Form hergestellt (wobei offenporige Metallschäume gebildet werden). Metal foams are conventionally z. B. by blowing a gas into a molten metal (in which case closed-cell metal foams are formed) or produced by casting using the technique of the lost form (open-cell metal foams are formed).

Die Herstellung eines offenporigen Metallschaumes durch Gießen unter Verwendung der Technik der verlorenen Form erfolgt auf Basis des von Schwartzwalder und Somers entwickelten Replik-Verfahrens zur Herstellung von keramischen Schäumen, das in US 3,090,094 A beschrieben ist. Der Prozess umfasst die Beschichtung eines Polymerschaums durch Eintauchen in einen keramischen Schlicker. Nach dem anschließenden Trocknen wird der Schaum geglüht, wobei zum einen das Polymer ausgebrannt und zum anderen der keramische Werkstoff gesintert wird. Bei dieser Technik für die Herstellung keramischer Schäume war es erstmalig möglich, die Porosität, d. h. das Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen, gezielt einzustellen. The production of an open-pored metal foam by casting using the lost-mold technique is based on the replica process developed by Schwartzwalder and Somers for producing ceramic foams, which is disclosed in US Pat US 3,090,094 A is described. The process involves coating a polymer foam by immersion in a ceramic slip. After the subsequent drying of the foam is annealed, on the one hand burned out the polymer and on the other hand, the ceramic material is sintered. In this technique for the production of ceramic foams, it was possible for the first time to set the porosity, ie the ratio of void volume to total volume, in a targeted manner.

Die für die Herstellung eines metallischen Schaumes weiterentwickelte Form dieses Verfahrens beschreiben beispielsweise US 3,616,841 oder EP 1 227 908 B1 . Ein aus der Schaum-Vorstruktur, vorzugsweise einem Polyurethanschaum, hergestellte keramische Negativform der Schaum-Vorstruktur dient hierbei als verlorene Gussform, in die (d. h. in deren Hohlstrukturen) flüssiges Metall eingebracht wird. Nach dem Erstarren der Metallschmelze kann die Keramik entfernt werden, sodass ein Metallschaum zurückbleibt, der in Form und Struktur genau der Schaum-Vorstruktur aus Polyurethanschaum entspricht. For example, the further development of this process for the production of a metallic foam describes this process US 3,616,841 or EP 1 227 908 B1 , A ceramic negative mold of the foam pre-structure produced from the foam pre-structure, preferably a polyurethane foam, serves as a lost casting mold into which liquid metal (ie in its hollow structures) is introduced. After solidification of the molten metal, the ceramic can be removed, leaving behind a metal foam, which corresponds in shape and structure exactly the foam pre-structure of polyurethane foam.

Nachteil der nach o. g. Verfahren hergestellten Schäume ist, dass sie eine zufällig erzeugte Schaumstruktur, d. h. eine zu einem hohen Grad unregelmäßige Porenstruktur aufweisen. Bei der Methode der verlorenen Form kann zwar die Porosität des Metallschaumes in engen Grenzen (d. h. eine fest vorgegebene Porosität weitestgehend zielgerichtet) eingestellt werden, jedoch weist z. B. der Porendurchmesser, die Porengeometrie und die Wandstärke bzw. der Stegquerschnitt eine starke, undefinierte (d. h. zu einem großen Anteil stochastische) räumliche Variation auf. Disadvantage of o. G. Foams produced by the process is that it has a randomly generated foam structure, i. H. have a highly irregular pore structure. Although the porosity of the metal foam can be adjusted within narrow limits (i.e. As the pore diameter, the pore geometry and the wall thickness or the web cross-section on a strong, undefined (ie, to a large extent stochastic) spatial variation on.

Auch ist bekannt, in einem nach dem Verfahren der verlorenen Form hergestellten Metallschaum die Stegbreite kontrolliert einzustellen, dies geht jedoch mit einem erhöhtem technischen, zeitlichen und Material-Aufwand einher. DE 10 2004 026 959 B3 zeigt ein derartiges Verfahren zur Herstellung metallischer Gitterstrukturen, das einen Polyurethanschaum als Vorstruktur, d. h. als (positives) Abbild der herzustellenden metallischen Gitterstruktur, verwendet, wobei der Polyurethanschaum vor dem Einbringen der flüssigen Keramik mittels Wachs in der Art behandelt wird, dass die mittlere Breite der Stege aufgrund eines Wachsüberzuges weitestgehend einen vorgegebenen Wert erhält. It is also known to adjust the web width controlled in a metal foam produced by the method of the lost form, but this is associated with an increased technical, time and material costs. DE 10 2004 026 959 B3 shows such a method for producing metallic lattice structures, which uses a polyurethane foam as a pre-structure, ie as a (positive) image of the metallic lattice structure to be produced, wherein the polyurethane foam is treated prior to introducing the liquid ceramic by means of wax in such a way that the average width of the Webs largely receives a predetermined value due to a wax coating.

Es ist bekannt, dass ein offenporiger Metallschaum, der aufgrund seiner Struktur eine hervorragende Wärmeübertragung garantiert, in Wärmetauschern genutzt wird. Für den Aufbau eines Wärmetauschers, der einen Metallschaum umfasst, ist neben der Herstellung des Metallschaumes noch eine separate Fertigung eines (metallischen) Leitungssystems notwendig, welches in einem weiteren Arbeitsschritt in Aussparungen des Metallschaums eingebracht oder mit der Oberfläche des Metallschaums schlüssig verbunden werden muss. So beschreibt EP 2 679 946 A1 einen Wärmetauscher mit mindestens einer in einen Metallschaumblock zumindest teilweise eingebetteten Metallleitung, wobei ein erstes Fluid die Metallleitung und ein zweites Fluid den Metallschaum durchströmt. WO 2011/144417 A1 offenbart einen Wärmetauscher, bei dem Metallschaumblöcke und plattenförmige Fluidleitungen abwechselnd aufeinander gestapelt werden, wobei durch eine spezielle Oberflächenbehandlung der Metallschaumblöcke ein guter thermischer Kontakt zwischen Metallschaum und Fluidleitung erzielt werden soll. Ähnliche Wärmetauscher, aufweisend einen von einem Fluid durchströmten Metallschaum, der mit einem Leitungssystem in thermischen Kontakt steht, sind auch aus, DE 103 46 423 A1 , DE 102 07 671 A1 , DE 103 24 190 B4 und DE 101 23 456 A1 bekannt. It is known that an open-pored metal foam, which guarantees excellent heat transfer due to its structure, is used in heat exchangers. For the construction of a heat exchanger comprising a metal foam, in addition to the production of the metal foam still a separate production of a (metallic) pipe system is necessary, which must be introduced in a further step in recesses of the metal foam or connected to the surface of the metal foam conclusive. So describes EP 2 679 946 A1 a heat exchanger with at least one in a metal foam block at least partially embedded metal line, wherein a first fluid flows through the metal line and a second fluid flows through the metal foam. WO 2011/144417 A1 discloses a heat exchanger in which metal foam blocks and plate-shaped fluid lines are alternately stacked on top of each other, wherein a good thermal contact between metal foam and fluid line is to be achieved by a special surface treatment of the metal foam blocks. Similar heat exchangers, comprising a metal foam through which a fluid flows, which is in thermal contact with a line system, are also made, DE 103 46 423 A1 . DE 102 07 671 A1 . DE 103 24 190 B4 and DE 101 23 456 A1 known.

Nachteilig bei derart hergestellten Wärmetauschern ist weiterhin die verfahrensimmanente Fügestelle zwischen den einzelnen Bauteilen aus Leitungssystem und Metallschaum, die eine wesentliche Verschlechterung des thermischen Kontaktes verursachen und somit die Funktionalität des Wärmetauschers nachhaltig beeinträchtigen kann. A disadvantage of heat exchangers manufactured in this way is still the process inherent joint between the individual components of line system and metal foam, which cause a significant deterioration of the thermal contact and thus can affect the functionality of the heat exchanger sustainable.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren unter Verwendung der Technik der verlorenen Form zur Verfügung zu stellen, mittels dem ein metallischer Formkörper, der zumindest einen Abschnitt mit einer offenporigen, schaumartigen Metallstruktur, die integral mit einem oder mehreren Vollmaterialabschnitten verbunden und/oder von diesen durchdrungen sein kann, aufweist, in einem Guss herstellbar ist, wobei die strukturellen Eigenschaften, wie z. B. Porengröße, Porenform, Stegbreite und/oder Anordnung der Poren bzw. Stege, der schaumartigen Metallstruktur gezielt vorgebbar und die reproduzierbare Fertigung eines derartig konstruierten, metallischen Formkörpers möglich sein sollen. Außerdem soll eine Metallstruktur mit exakt vorgegebenen strukturellen Eigenschaften eines schaumartigen Abschnitts bereitgestellt werden. The object of the invention is to provide a method using the lost-mold technique, by means of which a metallic molding comprising at least one portion having an open-pore, foam-like metal structure integrally connected to and / or from one or more solid material portions can be made, can be produced in one casting, wherein the structural properties, such. B. pore size, pore shape, web width and / or arrangement of the pores or webs, the foam-like Metal structure specifically specifiable and the reproducible production of such a constructed, metallic shaped body should be possible. In addition, a metal structure with exactly predetermined structural properties of a foam-like section is to be provided.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur Herstellung einer Metallstruktur gemäß dem Anspruch 1 und eine Metallstruktur gemäß dem Anspruch 5. Eine besonders vorteilhafte Verwendung der Metallstruktur wird in Anspruch 10 aufgezeigt. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. The solution of this object is achieved by a method for producing a metal structure according to claim 1 and a metal structure according to claim 5. A particularly advantageous use of the metal structure is shown in claim 10. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formkörpers, umfassend einen Teilbereich aus Metallschaum, mittels Gießens unter Verwendung einer verlorenen Form bereitgestellt. Zusätzlich zu dem Teilbereich aus Metallschaum kann das gegossene Metallbauteil (durch entsprechende Ausbildung der Keramik-Gussform) mit metallischen Vollmaterial-Abschnitten ausgebildet werden. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, einen metallischen Wärmetauscher mit einem Kontaktelement in Form einer metallischen Vollmaterial-Platte und/oder mit Wärmetausch-Rippen herzustellen. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Vollmaterial-Bereiche und der Teilbereich aus Metallschaum insbesondere als einteiliges Bauteil integral miteinander ausgebildet werden. According to the invention, a method is provided for producing a metallic shaped body comprising a portion of metal foam by means of casting using a lost mold. In addition to the portion of metal foam, the cast metal component may be formed (by appropriate formation of the ceramic mold) with metallic solid sections. For example, it may be provided to produce a metallic heat exchanger with a contact element in the form of a solid metal plate and / or with heat exchange ribs. By means of the method according to the invention, the solid material regions and the subregion made of metal foam can be formed integrally with one another, in particular as a one-part component.

Der hierin verwendete Begriff „Vollmaterial-Bereich“ schließt jede Art von metallischer Struktur, die unterschiedlich zu einem Metallschaum ist, beispielsweise Platten oder rohrförmige Leitungs-Abschnitte, mit ein. The term "solid material region" as used herein includes any type of metallic structure that is different from a metal foam, such as plates or tubular conduit sections.

Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren zum Herstellen einer einen Metallschaum umfassenden Metallstruktur – insbesondere eines Wärmetauschers, dessen wesentlicher Bestandteil ein von einem Fluid (beispielsweise Luft oder Wasser) durchströmter, offenporiger Metallschaum ist – zunächst mittels 3D-Druckens ein exaktes Abbild der herzustellenden Metallstruktur, inklusive der Schaumstruktur, aus einem Urform-Material geschaffen. Dieses Abbild der herzustellenden Struktur (einschließlich der Schaumstruktur) wird im Folgenden auch als „Primär-Struktur“ bezeichnet. According to the invention, in the method for producing a metal structure comprising a metal foam, in particular a heat exchanger whose essential component is a porous metal foam through which a fluid flows (for example air or water), first by means of 3D printing an exact image of the metal structure to be produced Foam structure, created from a prototype material. This image of the structure to be produced (including the foam structure) is also referred to below as the "primary structure".

Das Urform-Material, welches zur Herstellung der Primär-Struktur verwendet wird, wird in Abhängigkeit des eingesetzten 3D-Druckverfahrens gewählt, wobei bevorzugt ein natürliches Material (z. B. Zellulose, Zucker, Stärke oder Wachs) Verwendung findet. The master-mold material used to make the primary structure is selected depending on the 3D printing process used, preferably using a natural material (eg cellulose, sugar, starch or wax).

Als 3D-Druckverfahren wird bevorzugt ein Schichtbauverfahren eingesetzt, beispielsweise das bekannte Schmelzschichtungsverfahren (FDM – Fused Deposition Modeling) oder aber auch das Laminated Object Manufacturing (LOM), bei dem Wachsplatten übereinander geschichtet und jede Wachsplatte nach dem Aufbringen auf den Schichtstapel in die entsprechende Form geschnitten wird, beispielsweise mittels Heißdraht oder Laser. As a 3D printing method, a layer construction method is preferably used, for example the known FDM (Fused Deposition Modeling) or also the Laminated Object Manufacturing (LOM), wherein the wax plates stacked and each wax plate after application to the layer stack in the appropriate form is cut, for example by means of hot wire or laser.

Nach Fertigstellung des 3D-Druckes der Primär-Struktur wird diese mit einer Keramik ausgefüllt, z. B. indem eine flüssige Keramik in die Hohlräume der Primär-Struktur eingebracht wird. Dies kann beispielsweise durch Eintauchen in einen keramischen Schlicker oder durch Ausgießen mit flüssigem Gips erfolgen. Alternativ können die Hohlräume der Primär-Struktur mit einem pulverförmigen Keramikgrundstoff verfüllt und anschließend flüssiges Bindemittel eingebracht werden. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund einer bei der Reaktion von dem pulverförmigen Grundstoff mit dem Bindemittel einhergehenden Volumenvergrößerung der sich dabei ausbildenden Keramik dieselbe auch in kleinste Ecken der Primär-Struktur eindringt (d. h. eingepresst wird). After completion of the 3D printing of the primary structure, this is filled with a ceramic, z. B. by a liquid ceramic is introduced into the cavities of the primary structure. This can be done for example by immersion in a ceramic slurry or by pouring with liquid gypsum. Alternatively, the cavities of the primary structure can be filled with a powdered ceramic base material and then liquid binder can be introduced. This has the advantage that due to a volume increase in the reaction of the powdered base material with the binder, the volume of the ceramics thereby forming penetrates into the smallest corners of the primary structure (ie is pressed in).

Als Keramik zum Ausfüllen der Hohlräume der Primär-Struktur wird bevorzugt eine kaltaushärtende Keramik eingesetzt. As a ceramic for filling the cavities of the primary structure, a cold-curing ceramic is preferably used.

In einem nächsten Schritt wird die Keramik ausgehärtet bzw. getrocknet. Hierfür kann, je nach Werkstoff der verwendeten Keramik, die die Primärstruktur einhüllende oder ausfüllende Keramik, beispielsweise zur Initiierung oder Beschleunigung des Aushärtevorganges, einer Temperaturbehandlung unterzogen (d. h. geheizt) werden. In a next step, the ceramic is cured or dried. For this purpose, depending on the material of the ceramic used, the ceramic enveloping or filling the primary structure, for example for initiating or accelerating the curing process, can be subjected to a temperature treatment (that is, heated).

Danach wird die verfestigte Keramik mit der darin eingeschlossenen Primär-Struktur in der Art behandelt, dass das Urform-Material aus der ausgehärteten bzw. getrockneten Keramik entfernt wird. Die Primär-Struktur fungiert somit als eine „verlorene Urform“ und wird unter Ausbildung einer Keramik-Gussform aus der ausgehärteten Keramik entfernt. Thereafter, the solidified ceramic is treated with the primary structure enclosed therein in such a way that the original material is removed from the cured or dried ceramic. The primary structure thus acts as a "lost master" and is removed from the cured ceramic to form a ceramic mold.

Das Entfernen des Urform-Materials kann z. B. mittels Erhitzens erfolgen, indem die Keramik bis auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der das Urform-Material z. B. schmilzt oder sublimiert und in dieser flüssigen oder gasförmigen Phase aus der verfestigten keramischen Struktur entweichen kann, wobei vorgesehen sein kann, das aus der verfestigten keramischen Struktur entweichende, z. B. herausfließende, Urform-Material aufzufangen und wiederzuverwenden. Es kann auch vorgesehen sein, die von der Keramik eingeschlossene Primär-Struktur derart stark zu erhitzen, dass das Urform-Material verbrannt wird und z. B. gasförmig aus der gebrannten Keramik entweicht. The removal of the original material can, for. B. by heating by the ceramic is heated to a temperature at which the original material z. B. melts or sublimated and can escape from the solidified ceramic structure in this liquid or gaseous phase, which may be provided, escaping from the solidified ceramic structure, z. B. outflowing, collecting original material and reuse. It can also be provided to heat the enclosed by the ceramic primary structure so strong that the original material is burned and z. B. escapes in gaseous form from the fired ceramic.

Indem das Urform-Material ein natürliches Material ist, kann z. B. bei einer Entfernung mittels Erhitzens das Urform-Material bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur aus der Keramik entfernt werden, sodass die hierfür benötigte Energie gering gehalten werden kann, wobei zudem das Erhitzen des Urform-Materials ohne Freisetzung giftiger bzw. schädlicher Reaktionsprodukte erfolgen kann. By the original material is a natural material, z. B. at a distance by heating the primary material are removed at a relatively low temperature from the ceramic, so that the energy required for this can be kept low, in addition, the heating of the original material can be done without release of toxic or harmful reaction products.

Das Entfernen des Urform-Materials kann auch durch einen Lösungsvorgang erfolgen, wobei die Keramik mit der darin eingeschlossenen Primärstruktur aus dem Urform-Material mit einem Lösungsmittel in Kontakt gebracht wird, welches unter einem Lösungsvorgang das Urform-Material auf- und aus der keramischen Struktur herauslöst, wobei die dabei entstehende Lösung sodann aus der keramischen Struktur gespült wird. The removal of the original material can also be carried out by a solution process, wherein the ceramic is brought into contact with the enclosed therein primary structure of the original material with a solvent which dissolves the primary material from the ceramic structure under a solution process wherein the resulting solution is then rinsed from the ceramic structure.

In einem nächsten Schritt wird die derart erhaltene Keramik-Gussform unter Ausbildung einer einen offenporigen Metallschaum umfassenden Metallstruktur mit geschmolzenem Metall ausgegossen und (unter Erstarrung des Metalls) abgekühlt. Die somit erhaltene Metallstruktur ist formidentisch zu der Primär-Struktur. Anschließend wird das Keramikmaterial aus der Metallstruktur entfernt, z. B. mittels Ausbrennens. In a next step, the ceramic casting mold thus obtained is poured out with molten metal to form a metal structure comprising an open-pore metal foam and cooled (with solidification of the metal). The resulting metal structure is identical in shape to the primary structure. Subsequently, the ceramic material is removed from the metal structure, for. B. by burnout.

Auf diese Art lässt sich eine exakte Kopie, d. h. ein Replikat, aus Metall der ursprünglich mit dem 3D-Drucker hergestellten Primärstruktur herstellen. Indem die Primär-Struktur mittels eines programmierbaren 3D-Druckers erzeugt wird, kann durch Verwendung derselben Daten zur Erzeugung der Primär-Struktur selbige beliebig oft repliziert werden. Somit lässt sich eine beliebig große Anzahl von verlorenen Formen für die Herstellung der Metallstruktur erzeugen, wobei diese verlorenen Formen jeweils identisch zueinander sind. Damit ist eine Vielzahl identischer Metallstrukturen herstellbar. In this way an exact copy can be made, ie. H. a metal replica of the primary structure originally made with the 3D printer. By generating the primary structure by means of a programmable 3D printer, by using the same data to generate the primary structure, it can be replicated as often as desired. Thus, an arbitrarily large number of lost molds for the production of the metal structure can be produced, these lost shapes are each identical to each other. For a variety of identical metal structures can be produced.

Mittels 3D-Druckens kann die Primär-Struktur – und somit auch die zu derselben formidentische metallische Struktur – mit einer Schaumstruktur mit exakt vorgegebenen Porengrößen, Porenformen, Porenanordnungen und Wandstärken bzw. Stegbreiten hergestellt werden. Dabei kann vorgesehen sein, die Porengröße, die Porenform, die räumliche Anordnung der Poren und/oder die Wandstärke bzw. Stegbreite über die gesamte Schaumstruktur hinweg unverändert zu gestalten; es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Schaumstruktur mit räumlich definiert variierenden Porengrößen, Porenformen, Porenverteilungen und/oder Wandstärken bzw. Stegbreiten auszubilden. Indem die Primär-Struktur, bzw. die darin enthaltene Schaumstruktur mittels 3D-Druckens hergestellt wird, kann zudem – zusätzlich zu der inneren Porenstruktur des Schaumbereiches – die Primär-Struktur (und somit auch die Metallstruktur) mit einer beliebigen äußeren Geometrie ausgebildet werden. Insbesondere können beliebige Vollmetall-Bereiche in die Metallstruktur integriert werden By means of 3D printing, the primary structure - and thus also the same shape-identical metallic structure - can be produced with a foam structure with precisely predetermined pore sizes, pore shapes, pore arrangements and wall thicknesses or web widths. It can be provided to make the pore size, the pore shape, the spatial arrangement of the pores and / or the wall thickness or web width over the entire foam structure unchanged; However, it can also be provided to form the foam structure with spatially defined varying pore sizes, pore shapes, pore distributions and / or wall thicknesses or web widths. In addition, by producing the primary structure or the foam structure contained therein by means of 3D printing, in addition to the internal pore structure of the foam region, the primary structure (and therefore also the metal structure) can be formed with any external geometry. In particular, any full metal regions can be integrated into the metal structure

Zur Abgrenzung von einem konventionellen Metallschaum, worunter herkömmlich eine poröse Metallstruktur mit nicht exakt definierten Porengrößen, Porengeometrien und Wandstärken/Stegbreiten verstanden wird, kann die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Metallschaumstruktur auch als „zellulare Struktur“ bezeichnet werden. In order to distinguish it from a conventional metal foam, which conventionally means a porous metal structure with not exactly defined pore sizes, pore geometries and wall thicknesses / web widths, the metal foam structure produced by means of the method according to the invention can also be referred to as "cellular structure".

Es kann vorgesehen sein, dass das derart hergestellte Metallformteil ein Wärmetauscher ist, wobei der Wärmetauscher ein Metallschaum-Element aufweist oder aus einem Metallschaum-Element besteht. It can be provided that the metal molded part produced in this way is a heat exchanger, wherein the heat exchanger has a metal foam element or consists of a metal foam element.

Der Wärmetauscher kann z. B. eine metallische (Vollmaterial-)Bodenplatte und einen Teilbereich aus Metallschaum aufweisen, der von Wärmeleitungsrohren oder Heatpipes (englischer Fachbegriff für ein auf Kapillarwirkung basierendes Wärmerohr) durchzogen wird, die beispielsweise strahlenförmig von der Bodenplatte abgehen, wobei die Vollmaterial-Platte, die Wärmeleitungsrohre bzw. Heatpipes und der Teilbereich aus Metallschaum als einstückiges Bauteil integral miteinander ausgebildet werden. Die Vollmaterial-Platte kann z. B. als Träger bzw. Kontaktelement zum Kontaktieren einer Wärmequelle, z. B. eines zu kühlenden elektronischen Bauelements, fungieren. Der Wärmetauscher kann eine Kühlstruktur für den Semi-Passiv-Einsatz mit Unterstützung durch Gehäuselüfter sein, z. B. ein LED-Kühler zum Kühlen eines Leuchtdiodenelements, ein GPU-Kühler zum Kühlen eines Grafikchips oder ein CPU-Kühler zum Kühlen eines Prozessors. The heat exchanger can, for. B. a metallic (solid material) bottom plate and a portion of metal foam, which is traversed by heat pipes or heatpipes (English technical term for a capillary effect based heat pipe), for example, radiate from the bottom plate, wherein the solid material plate, the heat pipe Heatpipes and the portion of metal foam are formed as an integral component integrally with each other. The solid material plate can z. B. as a carrier or contact element for contacting a heat source, for. As an electronic component to be cooled act. The heat exchanger may be a cooling structure for semi-passive use with housing fan support, e.g. Example, an LED cooler for cooling a light emitting diode element, a GPU cooler for cooling a graphics chip or a CPU cooler for cooling a processor.

Durch die auf der Wärmequelle angeordnete Bodenplatte der Kühlstruktur ist eine gleichmäßige Wärmeabfuhr, insbesondere die Vermeidung von sog. Hot-Spots, ermöglicht, wobei durch die nahtlose Anbindung des Metallschaumes an die Bodenplatte aufgrund der integralen Herstellung eine ungehinderte Wärmeübertragung von der Bodenplatte auf die als Kühler wirkende Schaumstruktur gewährleistet ist. In vorteilhafter Weise kann der Teilbereich aus Metallschaum eine fraktale Struktur aufweisen, wobei die Stegbreite in Richtung weg von der Bodenplatte immer dünner wird. By arranged on the heat source bottom plate of the cooling structure is a uniform heat dissipation, in particular the avoidance of so-called. Hot spots, allows due to the seamless connection of the metal foam to the bottom plate due to the integral production unimpeded heat transfer from the bottom plate on as a cooler acting foam structure is ensured. Advantageously, the portion of metal foam may have a fractal structure, wherein the web width is becoming increasingly thin in the direction away from the bottom plate.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Metallbauteil eine Leichtbau-Tragstruktur ist, wobei die Tragstruktur einen Metallschaumbereich umfasst oder vollständig aus Metallschaum aufgebaut ist. Furthermore, it can be provided that the metal component produced by the method according to the invention is a lightweight support structure, wherein the support structure comprises a metal foam region or is constructed entirely of metal foam.

Die Leichtbau-Tragstruktur kann z. B. in Form einer gewinkelten Profilstruktur aus Metallschaum ausgebildet sein, wobei die Stege des Metallschaumes in Bereichen mit erhöhter Kraft- oder Drehmomenteinwirkung signifikant breiter oder die Poren signifikant kleiner sind als in Bereichen des Schaumes, auf die nur eine geringe Belastung einwirkt. Die Leichtbau-Tragstruktur kann z. B. auch in Form eines Metallschaum-Zylinders ausgebildet sein, der an seinen beiden Deckflächen je eine Vollmaterial-Platte aufweist, wobei die Stegbreite des Teilbereichs aus Metallschaum radial von der Zylinderachse zum Zylindermantel hin, bei z. B. gleich bleibender Porengröße, kontinuierlich zunimmt. The lightweight support structure may, for. B. in the form of an angled profile structure made of metal foam, wherein the webs of the metal foam in areas with increased force or torque action significantly wider or the pores are significantly smaller than in areas of the foam, which acts only a small load. The lightweight support structure may, for. B. also be in the form of a metal foam cylinder, which has a solid material plate at its two top surfaces, wherein the web width of the portion of metal foam radially from the cylinder axis to the cylinder jacket out, at z. B. constant pore size increases continuously.

Es kann außerdem vorgesehen sein, dass das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Metallbauteil eine Endoprothese, d. h. ein medizinisches Implantat, ist, wobei der Metallschaum in seinen äußeren Bereichen, d. h. den mit dem Körpergewebe wechselwirkenden Oberflächenabschnitten, eine sehr hohe Porosität mit stark irregulär geformten Poren aufweist, während im Innenbereich des Implantats die Porosität niedriger als auf der Oberfläche ist, wobei in diesem Bereich formidentische Poren in einem regelmäßigen Diamantgitter angeordnet sind. It can also be provided that the metal component produced by the method according to the invention, an endoprosthesis, d. H. a medical implant, with the metal foam in its outer regions, i. H. the body tissue interacting with the surface portions, a very high porosity with highly irregularly shaped pores, while in the interior of the implant, the porosity is lower than on the surface, in which area identical pores are arranged in a regular diamond lattice.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dazu zeigt in schematischer Darstellung:
Fig. eine Schrägdraufsicht eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Prozessorkühlers mit schaumartig strukturiertem Bereich. The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. In addition shows in a schematic representation:
FIG. 1 shows a diagonal top view of a processor cooler having a foam-like structured region produced by the method according to the invention. FIG.

Der in einem Stück gegossene Passiv-Kühler aus Aluminium für einen Prozessor (CPU-Kühler) gemäß 1 weist die Bodenplatte 1 zur Montage auf dem Prozessor, die Heatpipes 2, welche die Wärme von der Bodenplatte 1 gleichmäßig abtransportieren und den Teilbereich aus Metallschaum 3, welcher von den Heatpipes 2 durchzogen ist und während des Betriebs des Kühlers von Kühlluft durchflossen werden kann, auf. The cast in one piece aluminum passive cooler for a processor (CPU cooler) according to 1 has the bottom plate 1 for mounting on the processor, the heatpipes 2 which remove the heat from the bottom plate 1 evenly transport away and the portion of metal foam 3 , which of the heatpipes 2 is traversed and can be traversed by the cooling air during operation of the cooler on.

Die Heatpipes 2 sind als Hohlröhren ausgebildet, die in ihrem Innenraum eine integral mit der Röhrenwand ausgebildete, schaumähnliche Kapillarstruktur aufweisen. Nach dem Befüllen mit dem Arbeitsmedium müssen die Heatpipes 2 in einem zusätzlichen Arbeitsschritt noch hermetisch verschlossen werden. The heatpipes 2 are formed as hollow tubes, which have in their interior an integrally formed with the tube wall, foam-like capillary structure. After filling with the working medium, the heatpipes 2 be hermetically sealed in an additional step.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Bodenplatte baseplate
22
Heatpipe / Wärmerohr Heat pipe / heat pipe
33
Metallschaum metal foam

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Verfahren zum Herstellen einer Metallstruktur, die zumindest teilweise aus einem offenporigen Metallschaum besteht, wobei die Metallstruktur mittels Ausgießens einer verlorenen Gussform, die durch Ausfüllen einer Primär-Struktur mit einer Keramik gewonnen wird, mit einem flüssigen Metall hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Primär-Struktur, umfassend zumindest einen Teilbereich mit einer offenporigen Schaumstruktur, aus einem Urform-Material mittels eines 3D-Druck-Verfahrens schichtweise aufgebaut wird, wobei die Schaumstruktur als eine vorgegebene Anordnung von Poren und Stegen mit jeweils definierten geometrischen Formen und Abmessungen gedruckt wird. A method for producing a metal structure, which consists at least partially of an open-pore metal foam, wherein the metal structure is produced by pouring a lost mold, which is obtained by filling a primary structure with a ceramic, with a liquid metal, characterized in that the primary Structure, comprising at least a portion of an open-pore foam structure is layered from a primary material by means of a 3D printing process, wherein the foam structure is printed as a predetermined arrangement of pores and webs each having defined geometric shapes and dimensions. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Urform-Material Zellulose, Zucker, Stärke oder Wachs verwendet wird. A method according to claim 1, characterized in that cellulose, sugar, starch or wax is used as a primary material. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die Hohlräume der Primär-Struktur ein pulverförmiger keramischer Grundstoff und anschließend ein flüssiges Bindemittel eingebracht werden. A method according to claim 1 or 2, characterized in that in the cavities of the primary structure, a powdered ceramic base material and then a liquid binder are introduced. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Urform-Material mittels eines Lösungsmittels bei Raumtemperatur aus der Keramik entfernt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the original material is removed by means of a solvent at room temperature from the ceramic. Metallstruktur hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein offenporiger Metallschaum ist. Metal structure produced by the method according to one of the preceding claims, characterized in that it is an open-cell metal foam. Metallstruktur hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich mit der offenporigen Schaumstruktur mehrere Bereiche mit jeweils unterschiedlicher Porengröße, räumlicher Porenanordnung und/oder Porenform aufweist. Metal structure produced by the method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the portion having the open-pore foam structure comprises a plurality of regions each having a different pore size, spatial pore arrangement and / or pore shape. Metallstruktur hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich mit der offenporigen Schaumstruktur vom Zentrum des Teilbereichs zu dessen äußeren Begrenzungsflächen hin eine sich monoton ändernde Stegbreite aufweist. Metal structure produced by the method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the portion having the open-pore foam structure from the center of the portion to its outer boundary surfaces out a monotonically varying land width. Metallstruktur hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Poren im Teilbereich mit der offenporigen Schaumstruktur in Form eines Quaders oder eines Oktaeders ausgebildet sind. Metal structure produced by the method according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least part of the pores are formed in the partial area with the open-pored foam structure in the form of a cuboid or an octahedron. Metallstruktur hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die offenporige Schaumstruktur eine fraktale Form aufweist. Metal structure produced by the method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the open-pore foam structure has a fractal shape. Verwendung einer mit dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellten Metallstruktur als Wärmetauscher.  Use of a metal structure produced by the method according to one of claims 1 to 4 as a heat exchanger.
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