DE10333038B4

DE10333038B4 - Verfahren zur Druckinfiltration poröser Bauteile

Info

Publication number: DE10333038B4
Application number: DE10333038A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl.-Ing. Pfeifer; Jialin Dr.-Ing. Shen
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-07-21
Filing date: 2003-07-21
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2023-07-22
Also published as: DE10333038A1

Abstract

Verfahren zur Druckinfiltration poröser Bauteile dadurch gekennzeichnet,
dass in einem ersten Verfahrensschritt das Bauteil (1) mit einer ersten Infiltrationsflüssigkeit (2) bedeckt wird, derart,
dass mindestens zwei Bereiche der Bauteiloberfläche nicht mit der Infiltrationsflüssigkeit (2) in Kontakt kommen,
dass in einem zweiten Verfahrenschritt das Bauteil (1) oberflächlich weitgehend von der ersten Infiltrationsflüssigkeit (2) befreit wird und der verbleibende Anteil verfestigt wird, derart,
dass sich eine gasdichte Schicht (3) an und/oder in den Randbereichen des porösen Bauteils (1) ausbildet,
dass in einem dritten Verfahrenschritt das abgedichtete poröse Bauteil (1) in eine zweite Infiltrationsflüssigkeit (4) eingetaucht wird, derart
– dass mindestens ein erster der nicht mit der gasdichten Schicht bedeckten Bereiche in Kontakt mit der zweiten Infiltrationsflüssigkeit (4) kommt, und
– dass mindestens ein zweiter der nicht mit der gasdichten Schicht (3) bedeckten Bereiche mit einem gegenüber dem...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Druckinfiltration poröser Bauteile gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Druckinfiltration ist bekannt: Ein poröser Vorkörper wird in eine Form eingelegt. In diese Form wird unter hohem Druck eine Flüssigkeit eingebracht, welche dann den porösen Vorkörper infiltriert. Vgl. z.B. die DE 100 47 384 A1 . Nachteilig ist der verhältnismäßig große Zeitaufwand für die Herstellung von Vorkörper, Form und Endprodukt. Vorteilhaft sind die Materialeigenschaften eines derartigen Verbundwerkstoffes.

Zeitvorteile verspricht die Herstellung des porösen Vorkörpers mittels Lasersintern, vgl. DE 199 09 882 A1 . Der schnell hergestellte poröse Vorkörper soll anschließend durch einfaches Eintauchen in flüssiges Hartlot aufgrund der Kapillarwirkung infiltriert werden. Bei größeren Abmessungen oder schlechter Benetzung ist mit längeren Infiltrationszeiten und/oder ungleichmäßiger Infiltration zu rechnen. Fraglich ist auch die Formgenauigkeit aufgrund oberflächlich anhaftendem und nachfolgend verfestigtem Infiltrationsmaterial.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren ohne Werkzeugformen zur Infiltration poröser Bauteile anzugeben, welches hohe Bauteilgenauigkeit, gleichmäßige Infiltration, und geringe Durchlaufzeiten aufweist.

Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß der Erfindung wird ein poröses Bauteil in einem ersten Verfahrensschritt mit einer ersten Infiltrationsflüssigkeit derart bedeckt,
dass mindestens zwei Bereiche der Bauteiloberfläche nicht mit der Infiltrationsflüssigkeit in Kontakt kommen,
in einem zweiten Verfahrenschritt wird das Bauteil oberflächlich weitgehend von der ersten Infiltrationsflüssigkeit befreit und der verbleibende Anteil verfestigt, derart,
dass sich eine gasdichte Schicht an und/oder in den Randbereichen des porösen Bauteils ausbildet,
in einem dritten Verfahrenschritt wird das abgedichtete poröse Bauteil in eine zweite Infiltrationsflüssigkeit eingetaucht, derart
dass mindestens ein erster der nicht mit der gasdichten Schicht bedeckten Bereiche in Kontakt mit der zweiten Infiltrationsflüssigkeit kommt, und
dass mindestens ein zweiter der nicht mit der gasdichten Schicht bedeckten Bereiche mit einem gegenüber dem ersten Bereich niedrigerem Druck beaufschlagt wird,
in einem vierten Verfahrenschritt wird das abgedichtete poröse Bauteil aus der zweiten Infiltrationsflüssigkeit entnommen, sobald die Infiltration beendet wird.

Dabei wird die Infiltration beendet, wenn die Infiltrationsflüssigkeit an dem zweiten Bereich aus dem Bauteil austritt oder wenn kein weiterer Materialfluss stattfindet oder stattfinden soll.

Üblicherweise wird die zweite Infiltrationsflüssigkeit innerhalb des porösen Bauteils anschließend verfestigt. Es ist jedoch auch denkbar deren Ein- und Austrittsöffnungen in den Sinterkörper zu versiegeln und so einen kontinuierlichen Austritt zu verhindern. Ein schnelles Ausfließen tritt aufgrund der Kapillarwirkung ohnehin kaum auf.

Mittels des ersten Verfahrensschrittes wird sehr schnell eine dünne Schicht auf die Oberfläche (und aufgrund der Kapillarwirkung auch hinein) gebracht, welche nach ihrer Verfestigung als gasdichte Form für die nachfolgende schnelle Druckinfiltration dient. Die Bedeckung des Bauteils mit der ersten Infiltrationsflüssigkeit erfolgt vorzugsweise durch Eintauchen, Aufsprühen oder Aufstreichen.

Der zweite Verfahrensschritt gewährleistet eine hohe Maßgenauigkeit des infiltrierten Bauteils. Der dritte Verfahrenschritt beinhaltet die eigentliche Druckinfiltration. Der vierte Verfahrensschritt gewährleistet die vollständige bzw. maximale oder gewünschte Füllung des porösen Bauteils zwischen Ein- und Auslassöffnung. Letztere sind entsprechend den Bauteilanforderungen anzuordnen. Anschließen kann sich eine erneute Befreiung von überschüssiger Infiltrationsflüssigkeit zur Gewährleistung der Maßhaltigkeit.

Geeignete Ein- und Auslassöffnungen lassen sich besonders leicht durch Aufbringen von Masken auf das poröse Bauteil erzeugen. Dabei können die Masken grundsätzlich auf beliebige lösbare Art und Weise auf dem Bauteil befestigt werden. Vorteilhaft ist dabei eine Befestigung allein entlang des Randes der Maske. Besonders vorteilhaft ist es für die spätere Druckinfiltration, wenn zumindest eine Maske verwendet wird, die als Druckanschluss mit Durchlass zum porösen Bauteil ausgestaltet ist, so dass an diesen mindestens einen Druck anschluss im dritten Verfahrensschritt der niedrigere Druck angelegt werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Bauteil während des zweiten Verfahrensschrittes von einem Gasstrom derart angeströmt, dass die anhaftende erste Infiltrationsflüssigkeit zumindest anteilig von der Oberfläche abfließt und somit keine wesentliche Bauteilverdickung durch deren Verfestigung erfolgt. Geringe Mengen der restlichen Infiltrationsflüssigkeit werden in der Regel durch Kapillarwirkung in die oberflächennahen Poren eingesaugt, so dass keine Verdickung stattfindet. Die verfestigte dünne Schicht auf der Oberfläche und in den oberflächennahen Poren reicht aus, um als gasdichte Form für die nachfolgende Druckinfiltration zu dienen.

Nach dem zweiten Verfahrensschritt weist das poröse Bauteil eine verfestigte, gasdichte Hülle mit mindestens zwei Öffnungen auf. Die erste dieser Öffnungen wird in eine zweite Infiltrationsflüssigkeit getaucht und zwischen der ersten und zweiten Öffnung wird ein Druckgefälle angelegt, wodurch die zweite Infiltrationsflüssigkeit beschleunigt (gegenüber reinen Kapillareffekten) in das poröse Bauteil eindringt. Das Druckgefälle kann alternativ oder additiv durch Anlegen eines Unterdrucks an die zweite Öffnung (die vorzugsweise von einer Maske mit Druckanschluss bedeckt ist) und/oder durch Beaufschlagung der zweiten Infiltrationsflüssigkeit mit einem Überdruck erzeugt werden. Der Überdruck kann mittels Gas, nicht mischbarer Flüssigkeit oder eines Festkörpers (z.B. Kolben) auf die zweite Infiltrationsflüssigkeit ausgeübt werden.

Das poröse Bauteil kann besonders schnell und kostengünstig mittels einem Rapid Prototyping Verfahren hergestellt werden. Geeignete Verfahren sind das Lasersintern oder das 3D-Drucken, aber auch mittels dem sogenannten Laminated Object Manufacturing (LOM) lassen sich geeignete poröse Bauteile schnell und kostengünstig herstellen, vgl. DE 10157757 A1 .

Das Verfahren kann für beliebige Werkstoffkombinationen verwendet werden. Als Basismaterial für das poröse Bauteil sind sämtliche Feststoffe geeignet, insbesondere Kunststoffe, Metalle oder Keramiken sowie deren Gemische. Für die Infiltrationsflüssigkeiten gilt grundsätzlich das Gleiche, wobei jedoch Rücksicht auf die Materialeigenschaften des Basismaterials genommen werden muss: Für ein poröses Bauteil auf Kunststoffbasis ist eine Metallschmelze (mit Ausnahme der niedrigschmelzenden Legierungen) als Infiltrationsflüssigkeit nicht geeignet, da sie das Basismaterial zerstören würde. Geeignet sind härtbare Kunststoffe (Duromere, insbesondere Harze, z.B. Epoxid-, Acrylat-, Phenol- und Polyurethanharze; oder Thermoplaste, letztere insbesondere falls ein erneute Verflüssigung erforderlich ist) oder auch Wachse und Silikone. Für metallische oder keramische poröse Bauteile sind neben den bereits genannten Infiltrationsflüssigkeiten auch Metallschmelzen geeignet (Metall-Matrix-Composite).

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von zwei Ausführungsbeispielen und der 1 bis 6 näher erläutert:
Dabei zeigen:
1 Ein abstrahiertes poröses Bauteil 1
2 Das Bauteil 1 mit Masken 12 und 13 und einem Druckanschluss 14
3 Das mit den Masken 12, 13 versehene Bauteil 1 eingetaucht in eine erste Infiltrationsflüssigkeit 2 zur Erzeugung der gasdichten Schicht 3
4 Das aus der ersten Infiltrationsflüssigkeit 2 entnommene Bauteil 1 mit gasdichter Schicht 3 und entfernter Maske 12
5 Das mit der Masken 13 und der gasdichten Schicht 3 versehene Bauteil 1 eingetaucht in eine zweite Infiltrationsflüssigkeit 4 zur Druckinfiltration
6 Das vollständig infiltrierte Bauteil (ohne Maske)
In einem ersten Ausführungsbauspiel wird mittels 3D-Drucken zunächst aus beschichteten PMMA-Partikeln ein poröses Bauteil 1 hergestellt; vgl. z.B. DE 10227224 A1 . Auf Ober- und Unterseite dieses Bauteils 1 werden zwei Masken 12 und 13 mittels handelsüblichen Klebers entlang des Maskenrandes lösbar aufgeklebt. Die Maske 13 weist eine Druckanschluss 14 mit Durchlass 15 zum porösen Bauteil auf.
In einem ersten Verfahrensschritt wird das so präparierte Bauteil 1 mit einem Epoxidharz 2 allseitig bestrichen, so dass nur die von den Masken 12, 13 bedeckten Bereiche frei von Epoxidharz 2 bleiben. Der an der Oberfläche anhaftende Harzrest wird durch Kapillarwirkung in den Körper eingesaugt. Dadurch wird das Bauteil oberflächlich von der ersten Infiltrationsflüssigkeit – dem Harz – befreit. Danach wird das Harz ausgehärtet und es entsteht eine verfestigte gasdichte Schicht 3.
In einem alternativen ersten Verfahrensschritt wird das so präparierte Bauteil 1 mit einem niedrigschmelzenden Wachs 2 allseitig eingesprüht, so dass nur die von den Masken 12, 13 bedeckten Bereiche frei von Wachs 2 bleiben. In einem zweiten Verfahrensschritt wird das Bauteil 1 mit einem warmen Luftstrahl in gleichbleibender Richtung abgestrahlt, um so eine gleichmäßig dünne Wachsschicht auf und in der Bauteiloberfläche zu gewährleisten. Danach wird der Wachs durch Abkühlen ausgehärtet und es entsteht eine verfestigte gasdichte Schicht 3.
In einem dritten Verfahrenschritt wird die Maske 12 von dem Bauteil 1 entfernt und der Druckanschluss 14 der Maske 13 wird mit einer Unterdruckleitung verbunden. Das Bauteil 1 wird in flüssiges Epoxidharz 4, welches unter Normaldruck steht, soweit eingetaucht, dass zumindest die offene Bauteilunterseite (an der sich vorher die Maske 12 befand) bedeckt wird. Aufgrund der Druckdifferenz zwischen der offenen Bauteilunterseite und dem Druckanschluss 14 auf der Bauteiloberseite infiltriert die zweite Infiltrationsflüssigkeit Epoxidharz 4 das poröse Bauteil 1 mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit. Die Infiltration wird fortgesetzt bis das Epoxidharz 4 an der Bauteiloberseite austritt. Danach wird das infiltrierte Bauteil 1 entnommen, überschüssiges, außen anhaftendes Epoxidharz 4 wird mittels Gasstahl abgestrahlt und das infiltrierte Epoxidharz 4 wird verfestigt. Das infiltrierte Bauteil 5 ist fertiggestellt.
In einem zweiten Ausführungsbauspiel wird mittels Lasersintern zunächst aus SiC- oder Stahl-Partikeln ein poröses Bauteil 1 hergestellt. Auf Ober- und Unterseite dieses Bauteils 1 werden zwei Masken 12 und 13 lösbar festgeklemmt. Die Maske 13 weist eine Druckanschluss 14 mit Durchlass 15 zum porösen Bauteil auf.
In einem ersten Verfahrensschritt wird das so präparierte Bauteil 1 vorgewärmt und drucklos in eine hochschmelzende Aluminiumlegierungs-Schmelze 2 allseitig eingetaucht, so dass nur die von den Masken 12, 13 bedeckten Bereiche frei von der Schmelze 2 bleiben. In einem zweiten Verfahrensschritt wird das Bauteil 1 mit einem Schutzgasstrahl in gleichbleibender Richtung abgestrahlt, um so eine gleichmäßig dünne Aluminiumschicht auf und in der Bauteiloberfläche zu gewährleisten. Der Gasstrahl wirkt gleichzeitig abkühlend. Danach wird die Schmelze durch Abkühlen gehärtet und es entsteht eine verfestigte gasdichte Schicht 3.
In einem dritten Verfahrenschritt wird die Maske 12 von dem Bauteil 1 entfernt und der Druckanschluss 14 der Maske 13 wird mit einer Unterdruckleitung verbunden. Das Bauteil 1 wird vorgewärmt und in eine niedriger schmelzende Aluminiumlegierungs-Schmelze 4, welche unter Überdruck steht, soweit eingetaucht, dass zumindest die offene Bauteilunterseite (an der sich vorher die Maske 12 befand) bedeckt wird. Die Kammertemperatur oberhalb der Schmelze 4 wird so eingestellt, dass die nicht eingetauchte höherschmelzende Schicht 3 nicht schmilzt, aber dass das vorgewärmte Bauteil ausreichend warm bleibt, damit die niedrigschmelzende Aluminiumlegierungs-Schmelze 4 nicht während der Infiltration im Bauteil durch Abkühlung aushärtet und eine vollständige Infiltration blockiert.
Aufgrund der Druckdifferenz zwischen der offenen Bauteilunterseite und dem Druckanschluss 14 auf der Bauteiloberseite infiltriert die zweite Infiltrationsflüssigkeit Aluminiumlegierungs-Schmelze 4 das poröse Bauteil 1 mit vergleichs weise hoher Geschwindigkeit. Die Infiltration wird fortgesetzt bis die Aluminiumlegierungs-Schmelze 4 an der Bauteiloberseite austritt. Danach wird das infiltrierte Bauteil 1 entnommen, überschüssige, außen anhaftende Aluminiumlegierungs-Schmelze 4 wird mittels Gasstahl abgestrahlt und die infiltrierte Aluminiumlegierungs-Schmelze 4 wird durch Abkühlen verfestigt. Das infiltrierte Bauteil 5 ist fertiggestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich in den Ausführungsformen der vorstehend beschriebenen Beispiele als besonders geeignet für den Bau von Prototypwerkzeugen und MMC-Funktionsbauteilen, insbesondere in der Automobilindustrie.
Gerade MMC-Werkstoffe lassen sich damit besonders schnell und kostengünstig herstellen.
Die Erfindung ist nicht nur auf die zuvor geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.
So erweisen sich insbesondere metallinfiltrierte poröse Keramikbauteile (z.B.: SiC/Al) als materialtechnisch besonders vorteilhaft.
Des weiteren ist das erfindungsgemäße Verfahren für Bauteile beliebiger Größe anwendbar. Gegebenenfalls sind jeweils mehrere Ein- und Auslassöffnungen in das poröse Bauteil vorzusehen oder das Bauteil ist zunächst zu teilen und nach der Infiltration zu vereinen.

1: Poröses Bauteil
12: Maske (unterseitig)
13: Maske (oberseitig)
14: Druckanschluss
15: Durchlass zum Bauteil
2: Erste Infiltrationsflüssigkeit
3: Gasdichte Schicht
4: Zweite Infiltrationsflüssigkeit
5: Infiltriertes Bauteil

Claims

Verfahren zur Druckinfiltration poröser Bauteile dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt das Bauteil (1) mit einer ersten Infiltrationsflüssigkeit (2) bedeckt wird, derart, dass mindestens zwei Bereiche der Bauteiloberfläche nicht mit der Infiltrationsflüssigkeit (2) in Kontakt kommen, dass in einem zweiten Verfahrenschritt das Bauteil (1) oberflächlich weitgehend von der ersten Infiltrationsflüssigkeit (2) befreit wird und der verbleibende Anteil verfestigt wird, derart, dass sich eine gasdichte Schicht (3) an und/oder in den Randbereichen des porösen Bauteils (1) ausbildet, dass in einem dritten Verfahrenschritt das abgedichtete poröse Bauteil (1) in eine zweite Infiltrationsflüssigkeit (4) eingetaucht wird, derart – dass mindestens ein erster der nicht mit der gasdichten Schicht bedeckten Bereiche in Kontakt mit der zweiten Infiltrationsflüssigkeit (4) kommt, und – dass mindestens ein zweiter der nicht mit der gasdichten Schicht (3) bedeckten Bereiche mit einem gegenüber dem ersten Bereich niedrigerem Druck beaufschlagt wird, dass in einem vierten Verfahrenschritt das abgedichtete poröse Bauteil (1) aus der zweiten Infiltrationsflüssigkeit (4) entnommen wird, sobald die Infiltration beendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass beim Bedecken des Bauteils (1) mit der ersten Infiltrationsflüssigkeit (2) mindestens zwei Bereiche der Bauteiloberfläche mit Masken (12, 13) abgedeckt werden, so dass diese Bereiche nicht mit der ersten Infiltrationsflüssigkeit (2) in Kontakt kommen.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Maske (13) verwendet wird, die als Druckanschluss (14) mit Durchlass (15) zum porösen Bauteil (1) ausgestaltet ist und dass an diesen mindestens einen Druckanschluss (14) im dritten Verfahrensschritt der niedrigere Druck angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) zur oberflächlichen Befreiung von der ersten Infiltrationsflüssigkeit (2) von einem Gasstrom derart angeströmt wird, dass die anhaftende Infiltrationsflüssigkeit (2) zumindest anteilig abfließt und somit keine wesentliche Bauteilverdickung durch deren Verfestigung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem dritten Verfahrenschritt auf die zweite Infiltrationsflüssigkeit (4) ein gegenüber dem Normaldruck erhöhter Druck ausgeübt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Bauteil (1) mittels einem Rapid Prototyping Verfahren, vorzugsweise Lasersintern oder 3D-Drucken, hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Infiltrationsflüssigkeit (2) ein Silikon und als zweite Infiltrationsflüssigkeit (4) ein Harz verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als erste und zweite Infiltrationsflüssigkeit (2, 4) eine Metallschmelze verwendet wird.