DE10323720A1 - Method for producing a workpiece from a composite material - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einem Verbundmaterial, wobei Verstärkungspartikel in ein Gussmaterial eingebettet werden, wobei eine vorbestimmte Verteilung zwischen Verstärkungspartikeln und einem Bindemittel im Volumen einer Gussform des Werkstücks die Verteilung der Verstärkungspartikel in dem Gussmaterial des herzustellenden Verbundmaterials definiert. Beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird das Bindemittel in einem entsprechenden Gussvorgang durch das Gussmaterial ersetzt, wobei die vorbestimmte Verteilung der Verstärkungspartikel, welche durch die Verteilung zwischen den Verstärkungspartikeln und dem Bindemittel in dem Volumen der Gussform vorgegeben wird, beibehalten bleibt. Die Erfindung betrifft auch ein Werkstück aus einem Verbundmaterial, welches gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist.The invention relates to a method for producing a workpiece from a composite material, wherein reinforcing particles are embedded in a casting material, wherein a predetermined distribution between reinforcing particles and a binder in the volume of a casting of the workpiece defines the distribution of the reinforcing particles in the casting material of the composite material to be produced. In the manufacturing method according to the invention, the binder is replaced by the casting material in a corresponding casting operation, whereby the predetermined distribution of the reinforcing particles, which is predetermined by the distribution between the reinforcing particles and the binder in the volume of the casting mold, is maintained. The invention also relates to a workpiece made of a composite material which can be produced according to the method according to the invention.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einem Verbundmaterial, wobei Verstärkungspartikel in ein Gussmaterial eingebettet sind, insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks mit komplexer Geometrie, sowie auf ein nach einem entsprechenden Verfahren hergestelltes Werkstück aus einem solchen Verbundmaterial.The The present invention relates to a method of manufacture a workpiece made of a composite material, wherein reinforcing particles in a casting material embedded, in particular to a process for the preparation a workpiece with complex geometry, as well as one after a corresponding procedure made workpiece such a composite material.
In bestimmten Anwendungsfällen ist beispielsweise die Festigkeit von gegossenen Aluminium-Kompressorrädern, wie sie zum Beispiel in Turboladern für Motoren in Fahrzeugen Verwendung finden, aufgrund der heutzutage vorgesehenen hohen Drehzahlen solcher Kompressorräder nicht mehr ausreichend. Demzufolge müssen diese Kompressorräder verstärkt werden. Allgemein können Konstruktionsbauteile insgesamt oder nur an bestimmten Stellen lokal durch Einbringung von Verstärkungspartikeln in ein eigentliches Gussmaterial verstärkt werden. So kann beispielsweise im Fall von Aluminium-Kompressorrädern in Turboladern eine Verstärkung sowohl im Bereich der Flügel dieser Kompressorräder als auch im Bereich der Nabe dieser Kompressorräder erreicht werden. Allgemein ist es jedoch bei Bauteilen mit komplexer Geometrie schwierig bzw. unmöglich, eine gleichmäßige Verteilung von Verstärkungspartikeln in dem eigentlichen Gussmaterial zu erzielen. So behindern beispielsweise im Fall der genannten Aluminium-Kompressorräder die unterschiedlichen Materialstärken im Bereich der Flügel (dünn) und im Bereich der Nabe (dick) üblicherweise eine gleichmäßige Verteilung der Verstärkungspartikel.In certain applications For example, the strength of cast aluminum compressor wheels, such as They use for example in turbochargers for engines in vehicles find, due to the high speeds currently provided such compressor wheels not enough anymore. As a result, these compressor wheels must be reinforced. General can Construction components in total or only in certain places locally by introducing reinforcing particles reinforced into a real casting material. So, for example in the case of aluminum compressor wheels in turbochargers, a reinforcement both in the area of the wings these compressor wheels as well as in the hub of these compressor wheels can be achieved. General However, it is difficult for components with complex geometry impossible, a uniform distribution of reinforcing particles to achieve in the actual casting material. So hinder, for example in the case of said aluminum compressor wheels the different material thicknesses in Range of wings (thin) and in the area of the hub (thick) usually one even distribution the reinforcing particle.
Aus
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einem Verbundmaterial bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere eine vorbestimmte Partikelverteilung von Verstärkungspartikeln, welche in ein Gussmaterial eingebettet sind, in dem fertigen Werkstück ermöglicht, um so eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung eines solchen Werkstücks bei gleichzeitig erhöhter Werkstückfestigkeit bzw. bei gleichzeitig erhöhter Festigkeit des Verbundmaterials, aus welchem das hergestellte Werkstück besteht, vorzusehen.It The object of the present invention is a process for the preparation a workpiece to provide a composite material which has the disadvantages of the prior art overcomes and in particular a predetermined particle distribution of reinforcing particles, which are embedded in a casting material in which allows finished workpiece, so a particularly simple and inexpensive production of such workpiece at the same time increased Workpiece strength or at the same time increased Strength of the composite material constituting the manufactured workpiece, provided.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch ein gemäß diesem Verfahren herstellbares Werkstück gemäß Anspruch 19.This The object is achieved by a method according to claim 1 and by a according to this Method manufacturable workpiece according to claim 19th
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.preferred embodiments The invention are defined in the subclaims.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Herstellung eines Werkstücks aus einem Verbundmaterial, wobei das Verbund material aus Verstärkungspartikeln besteht, die in ein Gussmaterial eingebettet werden. Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren zunächst eine vorbestimmte Verteilung zwischen Verstärkungspartikeln und einem Bindemittel, welches in Partikelform vorliegt, im Volumen einer Gussform des herzustellenden Werkstücks eingestellt. Bei der Einbettung der Verstärkungspartikel in das Gussmaterial des Verbundmaterials wird das Bindemittel aus der Gussform entfernt und durch das Gussmaterial ersetzt. Dabei werden die Verstärkungspartikel in dem Gussmaterial des Werkstücks, welches das Volumen der Gussform ausfüllt, definiert gemäß der vorbestimmten Verteilung in dem Volumen der Gussform verteilt, beziehungsweise die Verteilung der Verstärkungspartikel, welche durch die vorbestimmte Verteilung zwischen Verstärkungspartikeln und dem Bindemittel vorgegeben war, bleibt nach Entfernen des Bindemittels aus der Gussform durch das Gussmaterial dann als entsprechende Verteilung der Verstärkungspartikel in dem Gussmaterial bestehen.The inventive method is used to produce a workpiece from a composite material, wherein the composite material consists of reinforcing particles, the embedded in a casting material. According to the invention is at the procedure first a predetermined distribution between reinforcing particles and a binder, which is in particulate form, in the volume of a mold of the to be produced workpiece set. When embedding the reinforcing particles in the casting material of the composite material, the binder is removed from the mold and replaced by the casting material. This will be the reinforcing particles in the casting material of the workpiece, which fill in the volume of the mold, defined according to the predetermined Distribution distributed in the volume of the mold, respectively the distribution of the reinforcing particles, which by the predetermined distribution between reinforcing particles and the binder, remains after removal of the binder from the mold through the casting material then as appropriate distribution the reinforcing particle exist in the casting material.
Beispielsweise kann das Verhältnis zwischen dem Bindemittel und den Verstärkungspartikeln durch exaktes Einwiegen der beiden Komponenten eingestellt werden. Die Größe der Partikel der Bindemittelpartikel und der Verstärkungspartikel kann (jeweils) beispielsweise durch an sich bekannte Zerkleinerungsprozesse eingestellt werden. Alternativ können die Bindemittelpartikel und/oder die Verstärkungspartikel auch mittels eines Sprühverfahrens hergestellt werden, wobei durch Einstellung geeigneter Parameter neben der Form und Größe der jeweiligen Partikel auch der Anteil der Verstärkungspartikel im Verhältnis zu dem Bindemittel einstellbar ist.For example can the relationship between the binder and the reinforcing particles by exact Weighing the two components can be adjusted. The size of the particles the binder particle and the reinforcing particle can (respectively) For example, set by known comminution processes become. Alternatively you can the binder particles and / or the reinforcing particles also by means produced by a spraying process be adjusted by setting appropriate parameters in addition to the form and size of each Particles also the proportion of reinforcing particles in relation to the binder is adjustable.
Die Verstärkungspartikel und das Bindemittel werden in die Gussform eingefüllt, wobei die Schüttdichte bzw. die Homogenität der Schüttung durch unterstützende Maßnahmen, wie zum Beispiel einem Rütteln der Gussform, erhöht werden kann. Beispielsweise kann sich auf diese Weise eine homogene Verteilung der Verstärkungspartikel in der Gussform ergeben.The reinforcing particles and the binder are introduced into the mold, wherein the bulk density or the homogeneity of the bed by un supporting measures, such as a shaking of the mold, can be increased. For example, a homogeneous distribution of the reinforcing particles in the casting mold can result in this way.
Die Entfernung des Bindemittels aus der Gussform erfolgt erfindungsgemäß, während die Schmelze des Gussmaterials, beispielsweise eine Metallschmelze, in die Gussform eingegossen wird. Die Prozessparameter müssen dabei so eingestellt werden, dass die Verstärkungspartikel nicht ausgespült werden.The Removal of the binder from the mold is carried out according to the invention, while the melt of the casting material, for example a molten metal, into the casting mold is poured. The process parameters must be set in this way that the reinforcing particles not rinsed out become.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist somit ein Verbundmaterial mit besonders verbesserten Materialeigenschaften bzw. ein daraus hergestelltes Werkstück mit verbesserter Festigkeit einfach und besonders kostengünstig herstellbar, da die entsprechenden Verstärkungspartikel gemäß der zwischen den Verstärkungspartikeln und dem Bindemittel eingestellten Verteilung dann, im Volumen der Gussform und somit im Volumen des Gussmaterials eingebettet, ein einfach herzustellendes, belastbares Verbundmaterial bilden.By the inventive method is thus a composite material with particularly improved material properties or a workpiece made therefrom with improved strength simple and very inexpensive produced, since the corresponding reinforcing particles according to the between the reinforcing particles and the binder then set distribution, in the volume of the mold and thus embedded in the volume of the casting material, an easy one form to be produced, resilient composite material.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform des Verfahrens, bei welcher die Verstärkungspartikel außerhalb der Partikel des Bindemittels verteilt werden, bevorzugt an die Partikel des Bindemittels außen angelagert werden. In dieser Ausführungsform bildet das Bindemittel, welches in Partikelform vorliegt, bevorzugt kugelförmige "Platzhalter", wodurch der Volumengehalt an Verstärkungspartikeln in dem Gussmaterial besonders niedrig eingestellt werden kann.Prefers is an embodiment the method in which the reinforcing particles outside the particles of the binder are distributed, preferably to the Particles of the binder outside be attached. In this embodiment, the binder forms which is in particle form, preferably spherical "placeholder", whereby the volume content on reinforcing particles can be set particularly low in the casting material.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Verstärkungspartikel auch in den Partikeln des Bindemittels verteilt werden. Auch eine Kombination beider Möglichkeiten, das heißt der Verteilung der Verstärkungspartikel außerhalb der Partikel des Bindemittels und die Verteilung der Verstärkungspartikel in den Partikeln des Bindemittels, kann gleichzeitig angewandt werden.According to one another preferred embodiment of the invention the reinforcing particles also be distributed in the particles of the binder. Also one Combination of both possibilities, this means the distribution of the reinforcing particles outside the particle of the binder and the distribution of the reinforcing particles in the particles of the binder, can be applied simultaneously.
Besonders bevorzugt ist es, falls die Verteilung der Verstärkungspartikel in den Partikeln des Bindemittels im Wesentlichen homogen erfolgt. Dadurch kann auf besonders einfa che Weise eine homogene Verteilung der Verstärkungspartikel in der Gussform des Werkstücks und somit letztendlich in dem Gussmaterial des Verbundmaterials, aus welchem das Werkstück hergestellt wird, erreicht werden.Especially it is preferred if the distribution of the reinforcing particles in the particles the binder is substantially homogeneous. This can be up particularly simple way a homogeneous distribution of the reinforcing particles in the mold of the workpiece and thus ultimately in the casting material of the composite material, from which the workpiece is achieved.
Generell ist es zur Erzielung einer homogenen Werkstückfestigkeit bevorzugt, dass die Verteilung der Verstärkungspartikel über das gesamte Volumen des Werkstücks im Wesentlichen homogen erfolgt. Es kann jedoch auch bevorzugt sein, dass die Verteilung der Verstärkungspartikel im Wesentlichen an der Oberfläche des Werkstücks erfolgt, um somit eine besonders gute Oberflächenfestigkeit entsprechend hergestellter Werkstücke zu erzielen.As a general rule it is preferred to achieve a homogeneous workpiece strength that the distribution of the reinforcing particles over the entire volume of the workpiece essentially homogeneous. However, it may also be preferable that the distribution of the reinforcing particles essentially on the surface of the workpiece takes place, thus corresponding to a particularly good surface strength produced workpieces to achieve.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Verstärkungspartikel einen mittleren Durchmesser im Bereich von 0,003 μm bis 500 μm auf.According to one particularly preferred embodiment of the invention have the reinforcing particles a mean diameter in the range of 0.003 microns to 500 microns.
Bevorzugt bestehen die Verstärkungspartikel aus keramischen Materialien, insbesondere aus der Gruppe Al2O3, ZrO2, SiC, TiO2 oder Ähnlichem.The reinforcing particles preferably consist of ceramic materials, in particular from the group Al 2 O 3 , ZrO 2 , SiC, TiO 2 or the like.
Als Gussmaterial kann ein Metall, eine Metalllegierung, metallisches Material oder ein geeignetes entsprechend gießfähiges Kunststoffmaterial Verwendung finden.As Cast material can be a metal, metal alloy, metallic Material or a suitable suitably pourable plastic material use Find.
Als Bindemittel finden bevorzugt Materialien aus der Gruppe Harze, Wachse, Polymere, leicht oxidierbare Substanzen oder aus einer Kombination der genannten Materialien Verwendung.As Binders preferably find materials from the group of resins, waxes, Polymers, easily oxidizable substances or a combination the materials mentioned use.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher das Bindemittel, welches in Partikelform vorliegt, besonders bevorzugt in loser Form, das heißt als lose Partikel, vorliegt.Especially preferred is an embodiment of the method according to the invention, in which the binder, which is in particulate form, especially preferably in loose form, that is, as loose particles present.
Generell ist eine besonders einfache Herstellung von belastbaren Werkstücken gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mög lich, wenn die Abmessungen der Partikel des Bindemittels und/oder die Abmessungen der Verstärkungspartikel bevorzugt so festgelegt werden, dass das gesamte Volumen der Gussform ausgefüllt werden kann.As a general rule is a particularly simple production of resilient workpieces according to the inventive method possibly if the dimensions of the particles of the binder and / or the Dimensions of the reinforcing particles preferably be set so that the entire volume of the mold filled out can be.
Insbesondere ist es besonders bevorzugt, falls die Abmessungen der Partikel des Bindemittels so festgelegt werden, dass diese Abmessungen kleiner sind als die kleinsten Abmessungen der Gussform, welche das Volumen der Gussform bestimmen.In particular it is particularly preferred if the dimensions of the particles of the Bindemittels be set so that these dimensions smaller are the smallest dimensions of the mold, which is the volume determine the mold.
Besonders bevorzugt ist es ferner, falls die Abmessungen der Partikel des Bindemittels so festgelegt werden, dass diese Abmessungen größer sind als die Abmessungen der Verstärkungspartikel, wobei die Abmessungen der Verstärkungspartikel bevorzugt bestimmt werden durch deren mittleren Durchmesser. Dies ermöglicht auf besonders einfache Weise, dass die Verstärkungspartikel bevorzugt in den Partikeln des Bindemittels aufgenommen werden, insbesondere dort homogen verteilt sind, um somit besonders bevorzugt eine homogene Verteilung der Verstärkungspartikel auch in dem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstück zu ermöglichen.Especially It is also preferable if the dimensions of the particles of the Bindemittels be set so that these dimensions are greater than the dimensions of the reinforcing particles, the dimensions of the reinforcing particles preferably be determined by their average diameter. This allows in a particularly simple manner that the reinforcing particles are preferred in the particles of the binder, in particular There are distributed homogeneously, thus more preferably a homogeneous Distribution of the reinforcing particles also in the according to the inventive method produced workpiece to enable.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Partikel des Bindemittels und/oder die Verstärkungspartikel eine normalverteilte Größenverteilung bezüglich der Partikelabmessungen auf. Die Partikel des Bindemittels und/oder der Verstärkungspartikel können auch eine bimodale Größenverteilung aufweisen.According to a particularly preferred Aus According to the invention, the particles of the binder used in the method according to the invention and / or the reinforcing particles have a normally distributed size distribution with respect to the particle dimensions. The particles of the binder and / or the reinforcing particles may also have a bimodal size distribution.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Bindemittel durch Ausgasen, Auflösen oder andere geeignete Verfahren aus der Gussform entfernt werden, während und/oder bevor das Gussmaterial des erfindungsgemäß hergestellten Verbundmaterials in die Gussform eingebracht wird. Das Einbringen des Gussmaterials kann insbesondere durch ein Druckgussverfahren oder durch Pressgießen erfolgen. Diese Verfahren sind allgemein bekannt und werden daher hier nicht näher beschrieben.According to one preferred embodiment of inventive method The binder can be made by outgassing, dissolving or other suitable method be removed from the mold during and / or before the casting material of the invention produced Composite material is introduced into the mold. The introduction of the casting material can in particular by a die-casting process or by compression molding respectively. These methods are well known and will therefore not closer here described.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Partikel des Bindemittels durch Wärmeeinbringung zu einer größeren Einheit verbunden werden, wobei diese größere Einheit bevorzugt der Gussform entnommen und getrennt davon weiter verarbeitet wird.According to one preferred embodiment of Invention can the binder particles are joined by heat input to a larger unit be, being this larger unit preferably removed from the mold and further processed separately becomes.
Die Verstärkungspartikel und die Partikel des Bindemittels können insbesondere in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens jeweils für sich oder zusammen als spritzgussfähige Masse(n) vorliegen, wodurch eine Ausfüllung der Gussform auf besonders einfache Art und Weise ermöglicht werden kann.The intensifier and the particles of the binder can in particular in a preferred embodiment the method according to the invention each for be present or together as an injection-moldable mass (s), whereby a completion the mold are made possible in a particularly simple manner can.
Generell kann die gesamte Gussform oder nur ein Teil der Gussform mit einer vorbestimmten Verteilung zwischen Verstärkungspartikeln und einem Bindemittel ausgefüllt werden.As a general rule can be the entire mold or just part of the mold with a predetermined distribution between reinforcing particles and a binder filled out become.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Werkstück aus einem Verbundmaterial, bestehend aus Verstärkungspartikeln, die in ein Gussmaterial eingebettet sind, wobei das Werkstück gemäß dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist und insbesondere eine homogene Verteilung von Verstärkungspartikeln in dem Gussmaterial des Werkstücks herstellbar ist, um ein Werkstück von besonderer Stabilität vorzusehen, welches dabei dennoch kostengünstig herstellbar ist.The The invention further relates to a workpiece made of a composite material, consisting of reinforcing particles, which are embedded in a casting material, wherein the workpiece according to the above-described Process is prepared and in particular a homogeneous distribution of reinforcing particles producible in the casting material of the workpiece is to a workpiece of particular stability provide, which is still inexpensive to produce.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben werden. Es zeigen:The Invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawings become. Show it:
In
Das
erfindungsgemäße Verfahren
läuft bevorzugt
so ab, dass zunächst
die Verstärkungspartikel
Das
erfindungsgemäß hergestellte
Werkstück
weist sowohl gemäß der Ausführungsform nach
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