DE60210098T3

DE60210098T3 - Verfahren zum niederdruckgiessen von metallschaum

Info

Publication number: DE60210098T3
Application number: DE60210098T
Authority: DE
Inventors: Scott Nichol; James Killingbeck; Richard Manley
Original assignee: CYMAT TECHNOLOGIES Ltd
Current assignee: CYMAT TECHNOLOGIES Ltd
Priority date: 2001-08-17
Filing date: 2002-08-16
Publication date: 2012-10-11
Anticipated expiration: 2022-08-17
Also published as: EP1417063B1; DE60210098T2; WO2003015960A3; AU2002322904B2; ES2261701T3; CN1277637C; CN1558806A; CA2456822A1; CA2456822C; EP1417063A2; EP1417063B2; ATE320872T1; NO20031635L; US6840301B2; US20030034143A1; US6932146B2; US20040216855A1; KR20040030134A; NO20031635D0; MXPA04001490A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Erzeugnissen aus Metallschaum. Insbesondere wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Gießen von Artikeln bereitgestellt, bei welchem ein Niederdruckverfahren zur Einleitung von Metallschaum in eine Form bzw. in ein Werkzeug zur Anwendung kommt.
Niederdruck-Gießverfahren sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Im Allgemeinen kommt bei diesen Verfahren eine Vorrichtung zum Einsatz, welche eine Form bzw. ein Werkzeug (nachfolgend lediglich als ”Form” bezeichnet) sowie ein ein geschmolzenes Metall, wie z. B. Aluminium, enthaltendes Bad umfasst. Zwischen Form und Bad ist durch ein Steigrohr ein Fluidaustausch gewährleistet. Bei dem bekannten Verfahren wird das geschmolzene Metall durch das Steigrohr nach oben gedrängt, wobei sich das Rohr mit seinem unteren Ende bis unter die Füllhöhe des geschmolzenen Metalls im Bad erstreckt und mit seinem oberen Ende mit einer Öffnung in der Formhöhlung verbunden ist. Das Aufsteigen des geschmolzenen Metalls wird durch Anwendung von Gasdruck auf das geschmolzene Metall im Bad bewirkt. Das geschmolzene Metall steigt sodann im Steigrohr nach oben und tritt in die Formhöhlung ein, wo sich das Metall verfestigt. Anschließend wird der Gasdruck reduziert, so dass überschüssiges geschmolzenes Metall wieder in dem Steigrohr absinken und in das Bad eintreten kann. Nach einem weiteren Abkühlen des Gussteils wird die Formhöhlung geöffnet, um das Gussteil zu entnehmen. Durch dieses Verfahren erhält man ein festes Erzeugnis, das aus dem verwendeten Metall besteht. Beispiele für derartiges Niederdruckgießen sind in den US-Patenten 4,860,820 und 4,875,518 sowie in der japanischen Anmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 58003769 aufgeführt.
In der Herstellung von Produkten wie beispielsweise Kraftfahrzeugen etc. besteht ein hoher Bedarf an Bauteilen, die aus Materialien mit einem hohen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bestehen. Um diesen Bedarf zu erfüllen, wurde verstärkt nach Materialien gesucht, die zwar ein in erheblichem Maße niedrigeres Gewicht aufweisen, dabei aber die geforderte strukturelle Festigkeit beibehalten. Ein Vorschlag für ein solches Material war geschäumtes Metall, wie z. B. geschäumtes Aluminium. Für die Herstellung von Metallschaum wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen, so z. B. in den US-Patenten Nr. 5,221,324 und 5,622,542 . Diese Verfahren umfassen in der Regel das Aufsteigenlassen von Gasblasen eines Gases durch ein Bad mit geschmolzenem Metall, wodurch über dem Bad ein Metallschaum erzeugt wird. Der Schaum wird dann von dem Bad abgezogen und abgekühlt, um einen Block zu bilden. Dieser Block wird sodann geschnitten oder bearbeitet, um das gewünschte Erzeugnis zu formen. Das geschmolzene Metall enthält normalerweise Zusätze wie beispielsweise einen Metall-Matrix-Verbund (”metal matrix composite”, MMC) und vorzugsweise weitere Bestandteile wie schwer schmelzbare Partikel und Stabilisatoren etc., um sicherzustellen, dass der durch das Verfahren erzeugte Schaum erhalten bleibt. Das heißt, die Zugabe der Zusätze erfolgt, um die Stabilisierung der Zellen, aus denen der Schaum besteht, zu erleichtern.
Es besteht ein Bedarf an Verfahren zur Formung eines Metallschaumerzeugnisses unter Verwendung eines Gießverfahrens.
DE-C-4326982 offenbart Gusserzeugnisse aus einem Metallschaum, wobei das Metall mittels einer Rührvorrichtung in Metallschaum umgewandelt wird, welche sich in einem in ein Metallbad eintauchendes Rohr befindet und den Metallschaum aus dem Rohr in eine Form fördert.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung bestand in der Bereitstellung eines weiteren Verfahrens zum Gießen von Erzeugnissen aus Metallschaum.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Gießen eines Erzeugnisses aus Metallschaum bereitgestellt, welches Verfahrensschritte in der folgenden Abfolge umfasst:

a) Bereitstellen eines Bades, welches das geschmolzene Metall enthält;
b) Bereitstellen einer Form, die eine Formhöhlung aufweist, wobei zwischen der Formhöhlung und dem Bad ein Fluidaustausch durch ein Rohr ermöglicht ist und wobei sich die Form über dem Bad befindet;
c) Erzeugen eines Drucks innerhalb des Bades durch Einleitung eines druckbeaufschlagenden Gases durch eine Öffnung in das Bad, wobei durch die Druckbeaufschlagung das geschmolzene Metall in dem Rohr nach oben und in die Formhöhlung hinein gepresst wird und die Druckbeaufschlagung so lange fortgesetzt wird, bis die Formhöhlung mit geschmolzenem Metall gefüllt ist;
d) nachdem die Formhöhlung in dieser Weise gefüllt wurde, Durchströmen des geschmolzenen Metalls mit einem Gas, um einen Schaum aus dem geschmolzenen Metall zu bilden;
e) den Schaum dazu veranlassen, in die Formhöhlung einzudringen und diese zu füllen;
f) nachdem sich der Schaum in der Formhöhlung abgekühlt und verfestigt hat, Druckentlastung in dem Bad;
g) Entfernen des geformten Erzeugnisses aus der Formhöhlung.

Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt einen Querschnittsaufriss einer Niederdruck-Gießvorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt einen Querschnittsaufriss einer Niederdruck-Gießvorrichtung, die gemäß der vorliegenden Erfindung funktioniert.
3 zeigt einen Querschnittsaufriss der Vorrichtung nach 2 während des Schäumungsschrittes.
4 zeigt einen Querschnittsaufriss der Vorrichtung nach 2, nachdem die Formhöhlung mit dem Metallschaum gefüllt wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 ist die Niederdruck-Gießvorrichtung des Standes der Technik generell mit 10 bezeichnet. Die Vorrichtung umfasst ein Bad 12, das ein geschmolzenes Metall 14 enthält. Das Bad 12 selbst befindet sich in einem Ofen, oder es wird auf andere Weise erhitzt, um das Metall in geschmolzenem Zustand zu halten. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 10 eine Form 16, die eine Formhöhlung 18 aufweist. Wie dargestellt, kann die Form 16 aus zwei Teilen bestehen oder in einer beliebigen anderen Weise konstruiert sein, so dass sie sich zur Entnahme des geformten Erzeugnisses öffnen lässt. Zwischen der Form 16 und dem Bad 12 ist durch das Rohr 20 ein Fluidaustausch gewährleistet. Wie ersichtlich, führt die Öffnung am oberen Ende des Rohres 20 in die Formhöhlung 18, während sich das untere Ende des Rohres 20 unterhalb des Fluidpegels des geschmolzenen Metalls erstreckt. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Öffnung 22, die der Druckbeaufschlagung und der Entlüftung des Bades 12 dient.
Zwar wird in der vorliegenden Erfindung durchgehend der Begriff ”geschmolzenes Metall” verwendet, doch versteht es sich, dass dieser Begriff auch einen MMC, wie oben beschrieben, sowie jede Art von Metall bzw. Metalllegierung mit einschließt. Weiterhin schließt dieser Begriff ein geschmolzenes Metall oder eine geschmolzene Metalllegierung ein, die jedwede Art von bekannten Zusätzen, wie beispielsweise schwer schmelzbare Materialien, stabilisierende Partikel etc., enthalten.
Im Betrieb wird das Bad mit Druck beaufschlagt, indem ein Gas über die Öffnung 22 in das Bad eingeleitet wird. Durch die Druckbeaufschlagung steigt das geschmolzene Metall 14 in dem Rohr 20 nach oben und in die Formhöhlung 18. Sobald die Formhöhlung gefüllt ist, wird die Öffung 22 geöffnet, um den Druck in dem Bad zu entlasten, wodurch etwaiges, in dem Rohr verbliebenes geschmolzenes Metall wieder in das Bad zurückfließt. Das in die Formhöhlung eingetretene geschmolzene Metall ist bis dahin hinreichend abgekühlt, um sich zu verfestigen. Die Form 16 wird anschließend geöffnet und das geformte Erzeugnis entnommen.
2 zeigt eine Gießvorrichtung, generell mit 30 gekennzeichnet, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Wie zu erkennen, umfasst die Vorrichtung 30 ein Bad 32, welches das geschmolzene Metall 34 enthält. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Metall um Aluminium; wie für den Fachmann ersichtlich, können auch andere Metalle Verwendung finden. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Form 36, diese weist eine Formhöhlung 38 auf, deren Form komplementär zur Form des zu erzeugenden Artikels ist. Die Formhöhlung 38 steht über Rohr 39 in der gleichen Weise wie oben im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschrieben in Fluidaustausch-Verbindung mit dem geschmolzenen Metall 34. Wie auch bei der Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 30 auch eine Öffnung 40 zur Druckbeaufschlagung und Entlüftung des Bades 32. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine zweite Gaszufuhröffnung 42, der am Boden des Bades 32 angeschlossen ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gaszufuhröffnung 42 mit einem porösen Stopfen 44 am Boden des Bades 32 verbunden. Der Stopfen 44 ist so gestaltet, dass er den Durchgang von Gas in das Bad ermöglicht, jedoch den Durchgang des geschmolzenen Metalls durch denselben verhindert. Wie weiter unten erläutert, besteht der Zweck des Stopfens 44 darin, das Hindurchperlen von Gas aus einer Gaszufuhr (nicht dargestellt) durch das geschmolzene Metall zu ermöglichen, um somit das Schäumen des geschmolzenen Metalls, wie im Stand der Technik bekannt, zu bewirken.
Wie ersichtlich, kann der poröse Stopfen 44 durch ein beliebiges anderes Mittel zur Einleitung des Gases ersetzt werden. So kann der Stopfen beispielsweise, gemäß einer Ausführungsform, durch einen Gasausströmpropeller, wie aus dem Stand der Technik bekannt, ersetzt werden.
3 zeigt die Vorrichtung aus 2 während des ersten Schrittes des Gießvorgangs. In dieser Phase wird ein druckbeaufschlagendes Gas durch die Öffnung 40 in das Bad 32 eingeleitet. Die Richtung des Pfeils A gibt die Richtung des Gasflusses in das Bad an. Durch die Druckbeaufschlagung des Bades wird das geschmolzene Metall 34 in dem Rohr 39 nach oben und in die Formhöhlung 38 hinein gepresst. Die Druckbeaufschlagung wird so lange fortgesetzt, bis die Formhöhlung mit geschmolzenem Metall gefüllt ist. Nachdem die Formhöhlung auf diese Weise gefüllt wurde, wird Gas zur Gaszufuhröffnung 42 geleitet, wie durch den Pfeil B angegeben. Das Gas wird durch den porösen Stopfen 44 geleitet und formt in dem geschmolzenen Metall 34 Gasblasen. Aufgrund des Druckes, mit dem das Bad durch die Öffnung 40 beaufschlagt ist, und/oder aufgrund ihres natürlichen Auftriebs steigen die Blasen 46 vorzugsweise in dem Rohr 39 nach oben, wie durch den Pfeil C angezeigt. Sobald sie die Formhöhlung 38 erreichen, verdrängen die Blasen das in der Höhlung enthaltene geschmolzene Metall. Wie für den Fachmann ersichtlich, sollte die Gaszufuhröffnung 42 vorzugsweise so angeordnet sein, dass die erzeugten Blasen 46 in das Rohr 39 eintreten anstatt in das Bad 32. Wie dargestellt, besteht ein bevorzugtes Mittel, mit dem sichergestellt wird, dass die Blasen 46 in das Rohr 39 eintreten, darin, die Gaszufuhröffnung 42 direkt unterhalb der Öffnung des Rohres 39 anzuordnen. In einer anderen Ausführungsform kann die Endöffnung des Rohres 39 aufgeweitet sein oder eine andere, ähnliche Form aufweisen, durch die gewährleistet wird, dass die Blasen 46 durch das Rohr nach oben geleitet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform lässt man das geschmolzene Metall, sobald es das Innere der Formhöhlung ausfüllt, für eine gewisse Zeitspanne abkühlen, bevor das Gas durch die Zufuhröffnung 42 eingeleitet wird. Durch ein solches Abkühlen des geschmolzenen Metalls wird eine Aushärtung der an die Innenfläche der Formhöhlung angrenzenden Schmelze bewirkt. Auf diese Weise wird das Endprodukt mit einer relativ glatten Außenfläche, oder Haut versehen, sobald sich der Metallschaum in der Formhöhlung befindet. Wie ersichtlich, ist diese Ausführungsform in solchen Fällen wünschenswert, in denen eine derartige glatte Ausprägung der Außenfläche entweder aus Gründen der Ästhetik oder der Mechanik erforderlich ist.
4 zeigt den zweiten Schritt des Gießvorgangs. Wie dargestellt, sind die Blasen 46 in die Formhöhlung 38 gewandert und haben diese mit Metallschaum ausgefüllt. Nun lässt man den Schaum abkühlen und innerhalb der Formhöhlung 38 aushärten, wodurch der Schaum die Form der Höhlung annimmt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Gasfluss zur Gaszufuhröffnung 42 unterbrochen, womit die Erzeugung weiterer Blasen und somit die Bildung zusätzlichen Metallschaums beendet wird. Außerdem wird die Öffnung 40 geöffnet, um den Druck in dem Bad 32, wie durch den Pfeil D angezeigt, zu entlasten. Durch eine derartige Normalisierung des Druckes fällt die Füllhöhe des geschmolzenen Metalls im Rohr 39 auf die Füllhöhe des Metalls im Bad 32, wodurch das Rohr 39 im wesentlichen geleert wird. Anschließend wird die Form 36 geöffnet und das Formstück entfernt. Wie ersichtlich, weist das durch dieses Verfahren hergestellte Erzeugnis 46 die gleiche dreidimensionale Form auf wie die Formhöhlung 38. Dementsprechend ist es ersichtlich, dass für jedes gewünschte Erzeugnis eine entsprechende Form und Formhöhlung erforderlich sind.
Wie ersichtlich, besteht der Zweck der vorliegenden Erfindung darin, die Formhöhlung mit einem Metallschaum auszufüllen, welcher die Form der Höhlung annimmt. Dementsprechend sollten die Bedingungen bezüglich Temperatur, Druck und Gasdurchsatz so gewählt werden, dass ein derartiger Schaum erzeugt wird. Weiterhin kann das geschmolzene Metall, wie im Stand der Technik bekannt, Zusätze zur Stabilisierung des durch die vorliegende Erfindung erzeugten Schaums enthalten, wodurch sichergestellt wird, dass die in dem geschmolzenen Metall gebildeten Blasen nicht zusammenfallen.
Wie für den Fachmann ersichtlich, wird dann, wenn das Bad 32 mit Druck beaufschlagt ist, der Anstieg des geschmolzenen Metalls 34 in die Formhöhlung 38 eine Abnahme des Volumens des geschmolzenen Metalls im Bad 32 bewirken, was zu einem Abfall der Füllhöhe des Metalls führt. Um einer solchen Abnahme des Füllstandes Rechnung zu tragen, sollte das Rohr 39 ausreichend lang sein, um zu gewährleisten, dass das untere Ende in dem geschmolzenen Metall 34 eingetaucht bleibt. Alternativ hierzu sollte das Volumen des geschmolzenen Metalls 34 auf einem Minimalwert gehalten werden, um sicherzustellen, dass der Boden des Rohres 39 ohne Unterbrechung darin eingetaucht bleibt.
Die erfindungsgemäß betriebene Vorrichtung kann, wie für den Fachmann ersichtlich, auch verschiedene andere Modifikationen umfassen. So können beispielsweise verschiedene Mittel angewendet werden, um die Temperatur des Bades 32 so hoch zu halten, wie es erforderlich ist, um das Metall im geschmolzenen Zustand zu halten. Wie oben erwähnt, kann das Bad 32 in einem Ofen angeordnet sein. Alternativ hierzu kann das Bad 32 gemäß einer anderen Ausführungsform mit einem internen oder externen Heizelement versehen sein. Ferner kann die Vorrichtung ein Thermoelement umfassen, das sich in das geschmolzene Metall hinein erstreckt und der Überwachung von dessen Temperatur dient.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Öffnung 40 ein Rückschlagventil aufweisen und ausschließlich zur Druckbeaufschlagung des Bades dienen. In diesem Falle kann eine weitere Öffnung vorgesehen sein, welche der Entlüftung des Bades dient, um den darin herrschenden Druck zu normalisieren.

Claims

Verfahren zum Gießen eines Erzeugnisses aus Metallschaum, umfassend Verfahrensschritte in der folgenden Abfolge: a) Bereitstellen eines Bades (32), welches das geschmolzene Metall enthält; b) Bereitstellen einer Form (36), die eine Formhöhlung (38) aufweist, wobei zwischen der Formhöhlung (38) und dem Bad ein Fluidaustausch durch ein Rohr (39) ermöglicht ist und wobei sich die Form (36) über dem Bad (32) befindet; c) Erzeugen eines Drucks innerhalb des Bades (32) durch Einleitung eines druckbeaufschlagenden Gases durch eine Öffnung (40) in das Bad (32), wobei durch die Druckbeaufschlagung das geschmolzene Metall in dem Rohr (39) nach oben und in die Formhöhlung (38) hinein gepresst wird und die Druckbeaufschlagung so lange fortgesetzt wird, bis die Formhöhlung mit geschmolzenem Metall gefüllt ist; d) nachdem die Formhöhlung in dieser Weise gefüllt wurde, Durchströmen des geschmolzenen Metalls mit einem Gas, um einen Schaum aus dem geschmolzenen Metall zu bilden; e) den Schaum dazu veranlassen, in die Formhöhlung (38) einzudringen und diese zu füllen; f) nachdem sich der Schaum in der Formhöhlung (38) abgekühlt und verfestigt hat, Druckentlastung in dem Bad (32); g) Entfernen des geformten Erzeugnisses (46) aus der Formhöhlung (38).
Verfahren nach Anspruch 1, in dem das geschmolzene Metall innerhalb der Formhöhlung (38) vor dem Schritt (d) teilweise abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem, in Schritt (e), der Schaum geschmolzenes Metall in der Formhöhlung (38) verdrängt.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem, in Schritt (e), der Schaum durch eine Leitung in die Formhöhlung (38) umgeleitet wird.