DE3228170A1

DE3228170A1 - Verfahren zur herstellung von sandwich-gebilden

Info

Publication number: DE3228170A1
Application number: DE19823228170
Authority: DE
Inventors: Leonardo 90403 Santa Monica Calif. Israeli
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1980-06-12
Filing date: 1982-07-28
Publication date: 1984-02-09
Anticipated expiration: 2002-07-29
Also published as: GB2124520A; DE3228170C2; GB2124520B; US4361262A

Description

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T 5249

Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Gebilden

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Metall- und Nichtmetallverformung, und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Gebilden durch eine Kombination selektiver Verbindung und akkordeonartiger Ausdehnung.

Es ist bereits seit vielen Jahren bekannt, daß bestimmte Metalle, wie beispielsweise Titan und andere Legierungen die Eigenschaft der Superplastizitat zeigen. Superplastizitat ist die Eigenschaft eines Materials, ungewöhnlich hohe Zugdehnungen zu entwickeln, und zwar zusammen mit einer verminderten Tendenz zum Einknicken. Diese Fähigkeit zeigen nur .eine begrenzte Anzahl von Metallen und Legierungen, und zwar innerhalb begrenzter Temperatur und Beanspruchungsratenbereichen. Beispielsweise wurde beobachtet, daß einige Titanlegierungen, wie beispielsweise Ti-6A1-4V, superplastische Eigenschaften besitzen.

Bis zum Vorhandensein geeigneter superplastischer Formverfahren konnte man diese Eigenschaften zur Bildung komplizierter Konfigurationen, die sehr große Zugdehnungen benötigen, nur schwer und in einigen Fällen gar nicht ausnutzen. Signifikante Verbesserungen beim superplastischen Formen ge-

hen auf Hamilton u.a. zurück und sind in den folgenden US-Patenten beschrieben: US-PS 3 934 441 (Controlled Environment Superplastic Forming) und 4 181 000 (Method for Superplastic Forming). Vereinfacht dargestellt, sieht das Verfahren vor, daß ein Metallrohlingwerkstück über einem Hohlraum in einer Kammer angeordnet wird. Das Werkstück wird auf eine Temperatur erhitzt, wo es superplastische Eigenschaften zeigt, worauf dann ein Differenzdruck an das Werkstück angelegt wird, welcher dieses zum Strecken und zur Formgebung im Hohlraum veranlaßt.

Der Ausdruck "Diffusionsverbindung" bezieht sich auf die metallurgische Verbindung der Oberflächen von ähnlichen oder nicht ähnlichen Metallen durch die Aufbringung von Wärme und Druck für eine hinreichende Zeitdauer, um so eine Vermischung der Atome an der Verbindungs-Zwischenfläche hervorzurufen. Die Diffusionsverbindung wird vollständig im festen Zustand erreicht, und zwar beim Grundmetallschmelzpunkt oder oberhalb der Halfte des Grundmetallschmelzpunktes. Die tatsächlich benötigten Zeiten, Temperaturen und Drücke sind von Metall zu Metall verschieden.

Die Kombination der superplastischen Verformung (SPF) und der Diffusionsverbindung (DB) bei der Herstellung von Metallsandwich-Gebilden wurde bereits in US-PS 3 927 817 von Hamilton u.a. beschrieben.

Grundsätzlich ist bei dem Hamilton et al.-Verfahren zur Herstellung von metallischen Sandwich-Strukturen die Herstellung der Strukturen aus einer Vielzahl von Metallrohlingwerkstücken vorgesehen. Einer oder mehrere Rohlinge werden mit einem Stoppmittel in ausgewählten, nicht zur Diffusionsverbindung vorgesehenen Zonen überzogen. Die Rohlinge werden in einer Stapelbeziehung angeordnet und in eine Formanordnung hineingegeben, wo der Stapel an seinem Umfang zur Bildung ei-

ner Dichtung darum herum festgelegt oder festgeklemmt wird. Der Stapel wird in den nicht überzogenen Zonen durch das Anlegen von Druck diffusionsverbunden, und mindestens einer der Rohlinge wird superplastisch gegen eine oder mehrere der Formoberflächen, die die Sandwich-Struktur bilden, superplastisch verformt. Die Kernkonfiguration ist durch die Lage, Größe und Form der verbundenen Zonen bestimmt.

Eines der Problme des Hamilton et al.-Verfahrens besteht darin, daß kein Verfahren offenbart wird, um gesonderte Vertikalstege oder Verstärkungen zu bilden. Derartige Stege können strukturelle Vorteile besitzen. Bei einigen Anwendungsfällen (unabhängig von den Festigkeitserfordernissen) sind Vertikalstege eine Notwendigkeit, beispielsweise in Luftkanälen, wo die vertikalen Stege als Führungen für die hindurchfließende Luft dienen. Ein weiteres Problem bei dem Hamilton et al.-Verfahren besteht darin, daß es auf Metalllegierungen mit superplastischen Eigenschaften beschränkt ist.

Ein bekanntes Verfahren zur Bildung von Vertikalstegen in einer Sandwich-Struktur ist in US-PS 3 834 000 von G.D.Miller beschrieben, und zwar trägt dieses Patent den Titel"Method of Manufacturing a Multi-Webbed Expanded Steel Panel". Das Verfahren nach Miller macht die Bildung eines Stapels, bestehend aus einer Vielzahl von Stegstangen zwischen Abdeckplatten erforderlich. Die oberen und unteren Oberflächen der Stangen sind mit einem Stoppmittel überzogen, und zwar mit Ausnahme der entgegengesetzt liegenden Kanten, d.h. ein Ende der Oberseite und die entgegengesetzte Kante der Bodenoder Unterseite. Die Anordnung wird walzdiffusionsgebunden und dadurch expandiert, daß man die Abdeckplatten (beispielsweise durch die Verwendung von Vakuumschalen) auseinanderzieht. Das Problem bei diesem Verfahren besteht darin, daß zur Expansion des Stapels die obere Abdeckung sowohl nach

oben als auch zur Seite gezogen werden muß. Der Stapel könnte somit innerhalb der Formen nicht mittels Innendruck expandiert werden. Dies gilt insbesondere für den Fall, daß der Stapel an seinem Umfang innerhalb des Paars von Formen festgeklemmt ist.

Andere Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Strukturen mit Vertikalstegen machen es typischerweise erforderlich, daß die Stege und Abdeckbleche gesondert hergestellt werden. Die Verbindung der beiden wird tüpischerweise durch Diffusionsverbindung, Hartlöten, Schweißen oder mechanische Befestigungsmittel erreicht. Man erkennt ohne weiteres, daß solche Verfahren zeitraubend un teuer sind.

Ein Hauptziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Strukturen durch selektrive Verbindung und Akkordeonexpansion vorzusehen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben zur Herstellung von Sandwich-Strukturen durch eine Kombination der Diffusionsverbindung, der Akkordeonexpansion und der superplastischen Verformung.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin,ein Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Strukturen anzugeben, die vertikale Innenstege aufweisen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Strukturen. Eine Vielzahl von Werkstücken weist zwei entgegengesetzt liegende Hauptoberflächen auf, die erste und zweite Außenwerkstücke und mindestens zwei Kernwerkstücke besitzen, deren jedes Ausschnitteile besitzt, die mindestens einen Streifen definieren. Eine gerade Anzahl von Kernwerk-

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stücken ist dann erforderlich, wenn vertikale Stege ausgebildet werden sollen. Alternativ werden Längskanten übereinander liegender Streifen miteinander und mit den Außenwerkstücken, vorzugsweise durch Diffusionsverbindung, verbunden.

Die Diffusionsverbindung wird dadurch erreicht, daß man die nach außen weisenden Oberflächen der Kernstreifen mit einem Stoppmittel behandelt, um mit Ausnahme des Längskantenteils die Verbindung derselben zu verhindern, während die nach innen weisenden Oberflächen der Kernwerkstücke in ähnlicher Weise behandelt werden, und zwar mit Ausnahme des entgegengesetzt liegenden Kantenlängsteils. Die Werkstücke werden in einem Stapel angeordnet, wobei sich ihre Hauptoberflächen berühren, und sie werden ferner vorzugsweise zwischen Formgliedern derart angeordnet, daß mindestens eine Kammer in den Formgliedern umschlossen ist. Die Werkstücke werden auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, um die Diffusionsverbindung der Werkstücke an den nicht behandelten Teilen der Werkstücke hervorzurufen, worauf ein Kompressionsdruck, ausreichend zur Bewirkung der Diffusionsverbindung , angelegt wird.

Mindestens ein äußeres Werkstück wird zur Expansion oder Ausdehnung veranlaßt, und zwar vorzugsweise in die mindestens eine Kammer hinein derart, daß es sich an dem mindestens einen Formglied verformen kann. Die Ausdehnung veranlaßt die Vielzahl der gestapelten Streifen, sich vertikal auszudehnen, was Stege zwischen den ersten und zweiten äußeren Werkstücken hervorruft. Vorzugsweise wird eine gerade Anzahl von Kernwerkstücken verwendet, so daß vertikale Stege hergestellt werden. Wenn eine ungeradzahlige Anzahl verwendet wird, so verlaufen die Stege unter einem Winkel gegenüberdem Außenwerkstück. Vorzugsweise besitzt das mindestens eine expandierte oder ausgedehnte äußere

Werkstück eine effektive Beanspruchungsratenempfindlichkeit (strain rate sensitivity) und die Expansion oder Ausdehnung wird superplastisch erreicht.

Zudem haben die Kernwerkstücke eine effektive Beanspruchungsratensensitivität oder -empfindlichkeit und sie können nach dem vertikalen Ausdehnen ebenfalls weiter durch superplastische Verformung gedehnt werden.

Die neuen, für die Erfindung als charakterisitsch angesehenen Merkmale sowohl hinsichtlich Anordnung als auch Arbeitsverfahren, sowie ferner weitere Ziele und Vorteile ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung;
in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Explosions

ansicht eines vier Werkstücke aufweisenden Stapels, behandelt für die selektive Diffusionsverbindung vor dem Einsetzen in eine
Formvorrichtung;

Fig. 2 einen Querschnitt der zusammenge

stapelten Werkstücke;

Fig. 3 den Stapel gemäß Fig. 2, einge

baut in eine Formvorrichtung;

Fig. 4 den in eine Sandwich-Struktur in

nerhalb der Formvorrichtung gemäß Fig. 3 ausgedehnten Stapel;

Fig. 5 ein fertiges Sandwich-Gebilde

oder eine Sandwich-Struktur mit
beiden äußeren Werkstücken inner-

halb der Kammern einer Formvorrichtung expandiert.

Im folgenden sei ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben. Fig. 1 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines vierstöckigen Metallstapels 10, der in eine Sandwich-Struktur gemäß der Erfindung umgeformt werden soll. Fig. 2 ist ein Querschnitt des Stapels 10. Der Stapel 10 besteht aus Außenwerkstücken, vorzugsweise in der Form von Blechen 11 und 12 mit entgegengesetzt liegenden Hauptoberflächen 13 und 14 bzw. 15 und 16. Sandwichartig zwischen den äußeren Werkstücken befinden sich Kernwerkstücke 18 und 20, vorzugsweise in der Form von Blechen, und zwar mit entgegengesetzt liegenden Hauptoberflächen 23 und 24.bzw. 25 und

Die Kernbleche 18 und 20 sind herausgeschnitten und bilden zwei Sätze von Streifen 32,33,34 bzw. 35,36,37, die mit Rahmenteilen 39 bzw. 40 durch Ansatzteile 42 verbunden sind. Diese Ausschnitte in den Kernblechen können durch Stanzen, übliche Schneidverfahren oder chemische Fräßverfahren hergestellt werden. Dadurch, daß man diese Kernbleche 18 und 20 auf diese Weise herstellt, ist es leichter, die Kernstreifen im Stapel 10 ordnungsgemäß zu positionieren. Es sei bemerkt, daß die Kernstreifen gesondert hergestellt werden könnten, aber die Kontrolle ihrer Placierung im Stapel und die Aufrechterhaltung der gewünschten Position während darauffolgender Verformungsoperationen wären schwierig.

Zudem kann die Anzahl der Kernstreifen in jedem Kernblech sich abhängig von den Konstruktionserfordernissen des auszubildenden Sandwich-Gebildes ändern, es muß aber mindestens einer vorhanden sein. Wenn ferner ein Vertikalsteg erwünscht ist, so muß die Anzahl der Kernwerkstücke eine gerade Anzahl sein, d.h. die aufeinandergestapelten Kern-

streifen müssen eine gerade Anzahl aus den im folgenden erwähnten Gründen besitzen.

Zusätzlich müssen die Werkstücke die Fähigkeit aufweisen, durch beispielsweise die folgenden Verfahren verbunden zu werden: Hartlöten, Schweißen, Verbinden, vorzugsweise Diffusionsverbinden. Vorteilhafterweise sollte mindesntesn eines der Außenwerkstücke superplastische Eigenschaften zeigen. Jedes Metall, das geeignete superplastische Eigenschaften innerhalb eines bearbeitbaren Temperaturbereichs aufweist, kann für diese äußeren Werkstücke verwendet werden, wobei sich aber die vorliegende Erfindung besonders auf die Metalle bezieht, die superplastische Eigenschaften innerhalb des Temperaturbereichs zeigen, der für die Diffusionsverbindung erforderlich ist, nämlich vorzugsweise Titan oder irgendwelche Legierungen des Titans, wie beispielsweise Ti-6A1-4V. Wenn Ti-6A1-4V verwendet wird, so ist die Formtemperatur vorzugsweise annähernd 1700° F. Die Kernstreifen können auch aus einem Material hergestellt werden, das superplastische Eigenschaften zeigt, dies ist aber keine Notwendigkeit. Die Theorie und das Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Gebilden durch Diffusionsverbindung und superplastische Verformung ist in US-PS 3 927 817 von Hamilton et al. (Method For Making Metallic Sandwich Structures) beschrieben. Demgemäß ist nur eine allgemeine Beschreibung des Verfahrens hier erforderlich.

Zur Verbindung von nur ausgewählten Zonen der Werkstücke besteht ein bevorzugter Schritt darin, ein geeignetes Stoppmaterial auf diejenigen Zonen innerhalb des Stapels aufzubringen, wo keine Befestigung oder Verbindung zwischen den Werkstücken erwünscht ist. Somit sind die Zonen 45*46 und 47 auf der Oberfläche 24 des Kernwerkstücks 18, die Zonen 50,51 und 53 der Oberfläche 26 des Kernwerkstücks 20 und die Zonen 54,55 und 56 der Oberfläche 25 des Kernwerkstücks 20 und schließlich Zone 60 auf Oberfläche 16 des Werkstücks 12 über-

r-

. abDie Zone 60 ist identisch in Größe und Form zu den Ausschnitten in denKernwerkstücken 18 und 20. Typischerweise ist das Stoppmaterial Yttriumoxid (YpO,), und zwar in einem geeigneten Bindemittel, und die Aufbringung geschieht vorzugsweise durch Seidensiebdruck.

Um sicherzustellen, daß der Stapel ausgerichtet bleibt, sind die Werkstücke 11,12,18 und 20 mit Ausrichtlöchern 70 an entgegengesetzten Ecken ausgestattet, in die Stifte 72 eingesetzt werden können. Um den Stapel 10 nach der Diffusionsverbindung auszudehnen, ist das Werkstück 11 mit einer Öffnung 75 ausgestattet, die sich von Oberfläche 14 zu Oberfläche 13 erstreckt; Oberfläche 24 des Kernwerkstücks 18 ist in der Zone 78 mit einem Stoppmittel behandelt, um die Verbindung an dieser Stelle zu verhindern. Wenn somit die Werkstücke in einem Stapel 10 zusammengebaut und verbunden werden, so verbleibt ein Durchlaß zum Inneren des Stapels 10.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Formvorrichtung zur Durchführung der Erfindung, und zwar bei 80, wohingegen Fig. 4 den Stapel 10, ausgedehnt in eine Sandwich-Struktur, darstellt. Die obere Form 81 weist eine Kammer 82 auf, wohingegen die untere Form 84, die vorzugsweise die gleichen Außenflächenabmessungen wie die obere Form 81 besitzt, flach ausgebildet sein kann, um so, wie dargestellt, als eine Basis zum Tragen des Stapels 10 zu dienen. Was die Ansprüche anlangt, so sind die oberen bzw. unteren Formen 81 bzw. 84 als Formglieder anzusehen, da beide miteinander die in gewünschter Weise geformte Sandwich-Struktur ausformen. Der von der unteren Form 84 getragene Stapel 10 deckt die Kammer 82 ab.

der Diffusionsverbindung wird der nicht vereinigte Stapel 10 vorzugseise nach der Anordnung in der Formvorrichtung 80 verbunden, wodurch Herstellungszeit und Ausrüstungskosten gespart werden (der Stapel könnte aber auch vor der Anordnung

in der Formvorrichtung 80 beispielsweise durch Preß- oder Walzverbindung diffusionsverbunden werden). Das Gewicht des oberen Werkzeugrahmens 81 dient als Klemm- oder Festlegmittel für den Stapel 10, und demgemäß ist eine einzige kontinuierliche Kante des Stapels 10 in effektiver Weise zwischen der oberen und unteren Form 81 und 84 festgelegt. Dies stellt sicher, daß diese Teile der zu formenden Werkstücke des Stapels 10 gestreckt und nicht gezogen werden. Die Rahmenteile 39 und 40 stellen sicher, daß der Stapel 10 im wesentlichen beim Festklemmen flach bleibt. Wenn gewünscht, können (nicht gezeigte) zusätzliche Festziehmittel, wie beispielsweise Bolzen, verwendet werden, um den Stapel 10 in effektiverer Weise festzulegen. Andere zusätzlich verwendbare Festziehmittel ist eine (nicht gezeigte) Presse, vorzugsweise eine hydraulische Presse mit Platten 90.

Die Formvorrichtung 80 ist zwischen den Platten 90 positioniert und zusammengedrückt, wodurch sichergestellt wird, daß der Stapel 10 in effektiver Weise festgelegt ist, und daß die Kammer 82 gegenüber Umgebungsluft abgedichtet ist. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, da die Platten 90 aus Keramikmaterial hergestellt sein können, und es können darinnen Widerstandsheizdrähte 92 vorgesehen sein, um den Stapel 10 auf die Formungstemperatur zu erhitzen. Andere Heizverfahren können bei der Formvorrichtung 80 Verwendung finden, wenn die Heizplatten nicht benutzt werden.

Zur Verhinderung der Verunreinigung und zum Zwecke der Diffusionsverbindung des Stapels 10, wenn dieser sich noch nicht verbunden innerhalb der Formvorrichtung 80 befindet, ist ein UmgebungsSteuer oder Kontrollsystem vorgesehen. Der Zweck dieses Systems besteht darin, den Stapel 10 nur gegenüber inertem Gas oder Vakuum beim Heizen, Formen und Binden auszusetzen und wahlweise zur Diffusionsverbindung des Stapels 10 durch Strömungsmitteldruck. Die Werkstücke des Stapels 10

reagieren nicht mit inertem Gas infolge der Natur des inerten Gases, selbst bei den erhöhten Formungs- und Binde-Temperaturen nicht. In einem hohen Vakuum sind im wesentlichen keine Elemente vorhanden, mit denen der Stapel 10 reagieren könnte. Auf diese Weise wird durch diese Umgebung die Verunreinigung des Stapels 10 verhindert.

Leitung 100 steht mit einer Quelle von unter Druck stehendem inertem Gas an einem (nicht gezeigten) Ende sowie mit Kammer 82 über Öffnung 102 in der oberen Form 81 in Verbindung. Ein Ventil 104 dient zur Steuerung des inerten Gasflusses durch die Leitung 100 und in die Kammer 82, wobei ein Druckmesser 106 den vorhandenen Druck anzeigt. Als inertes Gas wird vorzugsweise Argon verwendet. Die Leitung 100 dient auch als ein Auslaß für das inerte Gas in der Kammer 82 und könnte auch mit einer Vakuumquelle in Verbindung stehen, wie beispielsweise einer (nicht gezeigten) Saugpumpe, um so ein Vakuum in der Kammer 82 zu schaffen. Eine zusätzliche Leitung 110 mit einem Ventil 112 ist in optimaler Weise an der entgegengesetzten Seite der oberen Form 81 vorgesehen und ist mit der Kammer 82 über Öffnungen 114 gekuppelt und wird darüberhinaus in ähnlicher Weise, wie die Leitung 100, verwendet.

Das Verunreinigungsverhinderungssystem kann auch als Mittel zur Gaddruck-Diffusionsverbindung des Stapels 10 benutzt werden. Wenn der Stapel 10, wie in Fig. 3 gezeigt, in der Formvorrichtung 80 angeordnet ist, so kann der Stapel 10 in einer inerten Gasatmosphäre auf eine geeignete Diffusionsverbindungstemperatur (annähernd 170O⁰F, wenn die Werkstücke des Stapels 10 aus Ti-6A1-4V bestehen) durch von den Heizplatten 90 erzeugte Wärme erhitzt werden, und sodann wird Druck an den Stapel 10 dadurch angelegt, daß man den Druck in der Kammer 82 erhöht, und zwar durch Zugabe zusätzlichen, unter Druck stehenden inerten Gases durch Leitung 100, wäh-

rend man die Leitung 110 durch Ventil 112 geschlossen hält. Auf diese Weise werden die nicht behandelten Zonen des Stapels 10 durch das Anlegen dieses Drucks, der vorzugsweise 500 psi für Ti-6A1-4V beträgt, diffusionsverbunden. Geeignete Formzeiten* die von der Dicke des Stapels 10 abhängen, können von 30 Minuten bis 12 Stunden variieren. Die Kanten des Stapels 10 in dem Gebiet der Rahmenteile 39 und 40 können ebenfalls diffusionsverbunden werden, wenn dies gewünscht wird, und zwar durch den Abdichtdruck, der darauf ausgeübt wird in der Form des Gewichts des oberen Werkzeugs 44 und wahlweise auch durch Druck von einer Presse und/oder Festleg- bzw. Klemm-Mitteln.

Nachdem der Stapel 10 diffusionsverbunden ist, würde das inerte Gas aus der Kammer 82 durch die Leitungen 100 und 110 entfernt, um so die Ausdehnung des Stapels 10 zu gestatten. Auf diese Weise werden die nicht behandelten Kantenteile 45a,46a und 47a der Kernstreifen 32 bzw. 33 bzw. 34 mit der Oberfläche 13 des Außenwerkstücks 11 verbunden, wohingegen die nicht behandelten Kantenteile 54a,55a und 56a der Kernstreifen 35,36 und 37 mit der Oberfläche 16 des Außenwerkstücks 12 verbunden werden. Zusätzlich werden diese Streifen miteinander an den nicht behandelten Zonen 50a,51a und 53a der Kernstreifen 35,36 und 37 verbunden. Auf diese Weise hat der Stapel das Aussehen einer zusammengelegten akkordeonartigen Struktur, wobei die Kernstreifen längs abwechselnder Längskanten mit den Außenwerkstücken und mit den anderen Kernstreifen verbunden sind. Bei der Diffusionsverbindung wird das Außenwerkstück 11 nach innen in die nicht getragenen Ausschnittzonen der Kernanordnungen 18 und 20 abgelenkt. Somit wird die Zone 60 der Oberfläche 16 des Außenwerkstücks 12 mit einem Stoppmittel in der zuvor beschriebenen Weise überzogen, um die Möglichkeit der Diffusionsverbindung dazwischen zu verhindern.

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Bevor der Stapel 10 ausgedehnt wird, wird der Druck in der Kammer 82 durch Leitungen 100 und 110 reduziert. Wenn der Stapel 10 vor dem Einsetzen in die Formvorrichtung 80- verbunden wird, so würde der vorausgehende Diffusionsbindeschritt in der Formvorrichtung 82 weggelassen. Bei der superplastischen Formungstemperatur, die annähernd 1700⁰F für Ti-6A1-4V-Legierung (im allgemeinen 650 bis 750⁰F) beträgt, wird der Stapel 10 dadurch expandiert, daß man unter Druck stehendes inertes Gas durch die Leitung 120 strömen läßt, während optimalerweise ein Vakuum an die Kammer. 82 durch die Leitungen 100 und 110 angelegt wird.

Zir Expansion oder Ausdehnung des Stapels 10 - vergl. noch immer die Fig. 3 und 4 - ist eine Öffnung 120 in der oberen Form 81 vorgesehen, die mit einer Öffnung 75 im Außenwerkstück gekuppelt ist. Auf diese Weise wird inertes Gas in die Öffnung 75 durch den Stoppmittelpfad 78 in die Ausschnittzone 80 fließen. Die Öffnung 120 ist über Leitung 122 mit einer (nicht gezeigten) Quelle inerten Gases verbunden und weist ein Ventil 125 auf, um die inerte Gasströmung zu steuern, wobei ferner ein Druckmesser 130 vorgesehen ist, der den Druck anzeigt.

Dieses unter Druck stehende inerte Gas innerhalb des Stapels 10 bewirkt die Ausdehnung des Stapels 10 infolge des Druckdifferentials zwischen dem Inneren des Stapels 10 und der Kammer 82. Das normalerweise für das superplastische Verformen von Ti-6A1-4V verwendete Druckdifferential (Druckdifferenz) liegt normalerweise im Bereich von 25 bis 250 psi (engl.Pfund pro Quadratzoll). Das Werkstück 11 wird anfangs durch die Druckdifferenz angehoben und zieht die Streifen an

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den verbundenen Gebieten oder Zonen mit sich. Beim Ausdehnen "entstapeln" sich die Kernstreifen und biegen sich um die diffusionsgebundenen Zonen und erstrecken Ende zu Ende zur Bildung eines Vertikalstegs.

Man erkennt somit, daß die Kernwerkstücke nicht notwendigerweise aus einem Material hergestellt sein müssen, das superplastische Eigenschaftn zeigt. Die Kernwerkstücke sind üblicherweise aber aus einem Material, das superplastische Eigenschaften zeigt, so daß eine gewisse superplastische Ausdehnung (annähernd 10%) ausgeführt werden kann, was sicherstellt, daß die Kernwerkstücke tatsächlich vertikal verlaufen. Selbst wenn eine gerade Anzahl von Kernwerkstücken vorgesehen ist, so sind die nicht behandelten Kanten der nach außen weisenden Oberflächen der Kernstreifen vertikal ausgerichtet. Somit wird bei der Expansion des Stapels ein Vertikalsteg gebildet. Wenn die Anzahl der Werkstücke in einem Stapel ungeradzahlig ist, so verläuft der Steg nicht vertikal, sondern unter einem Winkel, bestimmt durch die Länge der Kernstreifen.

Fig. 5 veranschaulicht einen Pormungsrahmen 80a unter Verwendung der oberen Form 81 und einer unterschiedlich geformten unteren Form 150 mit einer Kammer 152. Leitungen 158 und 160 sind in der unteren Form 150 vorgesehen, um eine inerte Gasumgebung in der Kammer 152 zu schaffen, und um als Ablässe oder Vakuumleitungen beim superplastischen Ausdehnen des Stapels 10 zu dienen, d.h. diese Leitungen arbeiten in identischer Weise wie die Leitungen 100 und 110. Wenn der Stapel 10 in der Formvorrichtung 80a diffusionsverbunden ist, so müßte der Druck in beiden Kammern 82 und 152 vorzugsweise gleichmäßig erhöht werden, so daß ein geeigneter Druck an den Stapel 10 zum Zwecke der Diffusionsverbindung angelegt wird.

Für die superplastische Ausdehnung des Stapels 10 würde der

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Druck innerhalb des Stapels 10 dadurch erhöht werden, daß man die Strömung aus inertem, unter Druck stehendem Gas in den Stapel 10 durch die Öffnung 75 über Leitung 120 einläßt, so daß der Druck innerhalb des Stapels 10 größer ist als der in den Kammern 82 und 152. Zudem würde der Druck in den Kammern 82 und 152 vermindert sein und optimalerweise gegenüber dem Vakuum durch die Leitungen 100,110,158 und 16O ausgesetzt sein, da die beiden äußeren Werkstücke 11 und 12 typischerweise superplastisch ausgedehnt werden sollen. Demgemäß muß in diesem Falle jedes der Werkstücke aus einem Material mit einer effektiven Beanspruchungsratensensitivität bestehen. Das Werkstück 11 wird, wie gezeigt, nach oben in di Kammer 82 gedrückt, wohingegen das Werkstück 12 nach unten in die Kammer 152 gedrückt wird, und die Kernstreifen werden infolge ihrer selektiven Verbindung an speziellen Stellen mit beiden Werkstücken 11 und 12 und miteinander in beiden Richtungen deformiert, um - wie gezeigt - Vertikalstege zu bilden.

Obwohl das dargestellte Ausführungsbeispiel in erster Linie ein Verfahren zur Herstellung von Metallsandwich-Strukturen betrifft, und zwar insbesondere durch superplastische Formung von Metallen mit einer effektiven Beanspruchungsratensensitivität, so soll dies jedoch nicht als eine notwendige Einschränkung angesehen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren könnte auch zur Herstellung von Sandwich-Strukturen aus Metallen, wie beispielsweise Aluminium, verwendet werden, d.h. von Metallen, die im allgemeinen keine effektive Beanspruchungsratens ensitivitat besitzen, und ferner könnte das Verfahren auch bei Kunststoffen oder zusammengesetzten Stoffen Verwendung finden. Abwandlungen liegen im Rahmen der Erfindung.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Gebilden aus einer Vielzahl von Werkstücken,
gekennzeichnet durch:

Vorsehen von mindestens vier Werkstücken, deren jedes zwei entgegengesetzt liegende Hauptoberflächen aufweist, wobei mindestens zwei der Werkstücke Kernwerkstücke sind, die im wesentlichen identisch sind und die herausgeschnittene Teile derart aufweisen, daß eine Vielzahl von parallelen Streifen und ein Rahmenteil definiert werden, wobei die Streifen von dem Rahmenteil umgeben sind und ferner voneinander durch die Ausschnitteile mit Abstand angeordnet sind, und wobei die Streifen ferner mit dem Rahmenteil verbunden sind und zudem zwei Längskanten und zwei Seitenkanten aufweisen,

Behandlung der ausgewählten Zonen der Werkstücke zur Verhinderung einer Verbindung an diesen Zonen, Anordnung der Werkstücke in einem Stapel unter Berührung ihrer Hauptoberflächen derart, daß zwei äußere Werkstücke vorhanden sind, die die Kernstücke sandwichartig umgeben, und wobei die Kernwa?kstücke derart positioniert sind, daß die Streifen in Reihen ausgerichtet sind, Verbindung des Stapels aus Werkstücken an den nicht behandelten Zonen mit den Streifen, verbunden in den entsprechenden Reihen und mit den äußeren Blechen längs abwechselnder Längskanten, und

Ausdehnung des verbundenen Stapels derart, daß die Streifen im wesentlichen vertikal an den behandelten Zonen derselben gebildet sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Streifen ein nicht

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behandeltes Längsband an jeder Hauptoberfläche aufweist, und daß das nicht behandelte Band benachbart zu einer Längskante auf einer Hauptoberfläche und benachbart zur anderen Längskante an der entgegengesetzten Hauptoberfläche verläuft, und daß der Positionierungs- oder Anordnungsschritt derart ausgeführt wird, daß die nicht behandelten Bänder sich in Kontakt- oder Berührungs-Ausrichtung auf den berührenden Hauptoberflächen der Streifen und in Abstandsausrichtung gegenüber den Hauptoberflächen der Streifen befinden, die die Außenwerkstücke berühren.

3· Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung durch die Fusionsverbindung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein äußeres Werkstück aus einem Metall mit superplastischen Eigenschaften besteht, und daß mindestens ein äußeres Werkstück durch superplastische Formung während des Ausdehnungsschrittes ausgedehnt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Werkstücke superplastische Eigenschaften besitzen und durch superplastische Verformung während des Ausdehnungsschrittes ausgedehnt werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Vorsehen von mindestens zwei Formgliedern und Umschließen von mindestens einer Kammer durch Positionierung des Stapels aus Werkstücken bezüglich der For-nglieder, wobei das erwähnte mindestens

eine äußere Werkstück superplastisch während des Ausdehnungsschrittes in die erwähnte mindestens eine Kammer ausgedehnt und gegen eines der Formglieder verformt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel durch Anlegen eines Differenzdruckes zwischen dem Inneren des Stapels und mindestens einer Kammer ausgedehnt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke im wesentlichen die gleiche äußere Form besitzen und gleichmäßig in dem Stapel positioniert sind.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernwerkstücke zwei Längskanten und zwei Seitenkanten aufweisen, und daß die Streifen derart positioniert sind, daß die Längskanten im wesentlichen parallel zu oder unter rechten Winkeln gegenüber den Längskanten der Kernwerkstücke verlaufen.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erhitzens des Stapels auf einen erhöhten Temperaturbereich vorgesehen ist, wobei der Ausdehnungsschritt ausgeführt wird, während sich der Stapel innerhalb dieses Temperaturbereichs befindet.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernwerkstücke superplastische Eigenschaften besitzen, und daß während des Ausdehnungsoder Expansionsschrittes die Streifen anfangs vertikal ausgebildet werden, und zwar durch Entfalten, und wobei darauf folgend die Ausdehnung durch superplastische Verformung erfolgt.