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Dokumentenidentifikation DE102006002227A1 19.07.2007
Titel Verfahren zur Herstellung von offenporigen Bauteilen aus Metall, Kunststoff oder Keramik
Anmelder Kuhs, Bernd, 79541 Lörrach, DE;
Laempe & Mössner GmbH, 79650 Schopfheim, DE;
Kurtz GmbH, 97892 Kreuzwertheim, DE
Erfinder Kuhs, Bernd, 79541 Lörrach, DE
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Böck - Tappe - v.d. Steinen - Weigand, 97074 Würzburg
DE-Anmeldedatum 16.01.2006
DE-Aktenzeichen 102006002227
Offenlegungstag 19.07.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.07.2007
IPC-Hauptklasse C22C 1/08(2006.01)A, F, I, 20060116, B, H, DE
Zusammenfassung Es wird ein Verfahren beschrieben, nach dem sich offenporige Bauteile aus Metall, Kunststoff oder Keramik mit definierter Porengröße, mit bei Bedarf definierter Außenhautdicke und mit geringer Dichte herstellen lassen.
Ein feines Trägermaterial, vorzugsweise Quarzsand oder Quarzmehl, wird mit Hilfe eines Bindemittels nach einem formgebenden Verfahren zu möglichst gleichmäßigen Kugeln (1) geformt, die vorgefertigten Kugeln (1) werden mit dem gleichen oder auch einem anderen bindenden Medium benetzt oder beschichtet und so in die gewünschte, äußere Form gegegeben und durch ein Härteverfahren an den Berührungsstellen zum Verkleben und/oder zur Bildung von Binderbrücken (2) gebracht. Die miteinander über Binderbrücken (2) oder durch Verschmelzung verbundenen Kugeln (1) werden aus ihrer Form entnommen und in die gewünschte Außenform oder Kokille eingelegt, wonach die Hohlräume (3) zwischen den Kugeln (1) durch in Gießereiprozessen bekannte Verfahren, vorzugsweise ein Niederdruckverfahren, mit flüssigem Metall oder einer Metalllegierung oder flüssigem Kunststoff oder einer keramischen Masse gefüllt werden. Nach dem Erstarren des Metalls oder der Masse kann das gesamte Kugelmaterial durch Vibration und/oder durch Spülen mit Wasser aus dem erstarrten Metall oder der erstarrten Masse entfernt und/oder herausgewaschen werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von offenporigen Bauteilen aus Metall, Kunststoff oder Keramik.

Stand der Technik

Schon seit langem versucht man Metalle mit geeigneten Treibmitteln, z.B. Gasen, zu versehen, um diese im flüssigen Zustand aufzuschäumen, wodurch eine geringere Dichte und gleichzeitig eine hohe Festigkeit von daraus hergestellten Bauteilen erlangt werden soll. Diese bekannten Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass die eingebrachten (Gas-)Blasen sehr unkontrolliert entstehen und unterschiedliche, nicht klar definierte Größen erreichen. Außerdem dringen die Blasen bis an die Oberfläche der Bauteile und lassen keine definierte Außenhautdicke entstehen, welche für eine berechenbare, statische Funktion notwendig wäre.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, das die Herstellung offenporiger Bauteile aus Metall, Kunststoff oder Keramik mit definierter Porengröße, mit einer bei Bedarf definierten Außenhautdicke und mit geringer Dichte ermöglicht.

Dies wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 erreicht. Die Unteransprüche betreffen sinnvolle Fortbildungen der Erfindung.

Beschreibung der Erfindung

Nach der Erfindung werden zuerst Kugeln 1 in der gewünschten Porengröße herstellt. Diese Kugeln 1 können z.B. einen Durchmesser von 5 mm haben und werden hergestellt, indem man z.B. einen geeigneten Gießereisand oder ein Quarzmehl mit einem im Gießereiprozeß bekannten Sandbinder versetzt und durch ein geeignetes Formgebungsverfahren, z.B. Granulieren, Pelletieren oder Schießen, zu möglichst gleichmäßigen Kugeln 1 formt.

Die ausgehärteten Kugeln 1 werden nun wiederum mit einem Bindemittel versehen bzw. beschichtet und dann in die gewünschte Form gegeben. Durch ein dem Bindemittel entsprechendes Härteverfahren, dies kann z.B. eine Behandlung mit heißer Luft, mit Kohlendioxid oder mit einem Amin oder auch lediglich eine Wärmebehandlung durch Mikrowellen sein, werden die Kugeln 1 miteinander verbunden. Vorzugsweise geschieht dieser Vorgang durch Trocknung oder, je nach Art des Bindemittels, durch Durchströmen eines reaktiven Gases, wie beispielsweise ein Amin oder Kohlendioxid oder durch Härtung mittels Mikrowelle oder durch Lagerung in einem Trockenofen. Es entstehen dabei sogenannte Binderbrücken 2 zwischen den einzelnen Kugeln 1, nur dort wo sich die Kugeln 1 berühren (siehe die anhängende Zeichnung).

Die Bindemittel müssen entweder so gewählt werden, dass sie sich durch die Wärmeeinwirkung des heißen Metalls, Kunststoffs oder der heißen Keramik zersetzen, oder sie müssen wasserlöslich sein, so dass sie nach dem Abgießen mit einem Metall, einem Kunststoff oder einer keramischen Masse sich wieder aus dem Bauteil entfernen lassen. Hierfür stehen viele unterschiedliche Gießereibindemittel auf organischer oder auch anorganischer Basis zur Verfügung.

Das Kugelgebilde kann nun wiederum in eine Form, z.B. eine Kokille, gegeben werden. Über den Abstand zwischen dem Kugelgebilde und der Kokillenwand lässt sich die spätere Dicke der Außenhaut eines Bauteils bestimmen. Durch ein geeignetes Gießverfahren werden dann die Hohlräume 3 zwischen den Kugeln 1 sowie der Zwischenraum 4 der sich zwischen dem Kugelgebilde und der Außenform, z.B. der Kokille gebildet hat, mit dem Metall bzw. Kunststoff oder einer keramischen Masse gefüllt. Vorzugsweise wird bei einer Befüllung mit Metall das gesamte Kugelgebilde vorher in einem Ofen erhitzt, um die Fließfähigkeit des Metalls bis in alle feinen Zwischenräume zu gewährleisten. Bei Metallen bietet sich beispielsweise eine übliche Niederdruck-Gießtechnik an. Um ein Penetrieren des Füllmediums in das Innere der Kugeln 1 zu verhindern, können diese auch vorher mit einem geeigneten Mittel imprägniert werden.

Nach dem Erhärten der Metallschmelze, des Kunststoffes oder der keramischen Masse, kann dann sämtliches Kugelmaterial durch Vibration oder durch Ausschwemmen mit Wasser aus dem Bauteil entfernt werden. Dazu wird mindestens eine Seite des Bauteils ohne Außenhaut erzeugt, oder es wird nachträglich die Außenhaut an geeigneter Stelle wieder geöffnet, z.B. aufgebohrt, so dass sich sämtliches Kugelmaterial völlig rückstandslos entfernen lässt, da sämtliche über die Binderbrücken 2 zwischen den Kugeln 1 entstandenen Hohlräume miteinander in Verbindung stehen. Je größer man vorher die Binderbrücken 2 ausgebildet hat, d.h. je mehr Bindemittel man für die Verbindung der Kugeln 1 vorher eingesetzt hat, desto größer sind hinterher die Durchgänge zwischen den sphärischen Hohlräumen.

Hierdurch können nun auch große Bauteile mit definierter Formgebung, mit einer klar definierten Porengröße und genau definierter Außenhautdicke hergestellt werden, was mit bisher beschriebenen Verfahren nicht möglich war.

Eine besondere Ausführung der Erfindung besteht darin, dass der Metallschmelze, dem Kunststoff oder der keramischen Masse Fasern beigemischt werden, welche sich dann in den Kugelzwischenräumen beim Füllvorgang zwangsweise entlang der durch die Zwischenräume zwischen den Kugeln 1 gebildeten Kanäle ausrichten und somit noch eine wesentliche Steigerung der Festigkeit bewirken können. Dieses können beispielsweise Kohle-, Glas-, Mineral- oder Kunstfasern sein, welche in der Länge so gewählt sein müssen, dass sie sich in den Zwischenräumen zwischen den Kugeln 1 ausrichten können. So hergestellte Bauteile können überall Verwendung finden, wo leichte Bauteile dennoch eine sehr hohe Stabilität und Festigkeit aufweisen müssen. Dies ist besonders im Fahrzeug- und Flugzeugbau und in der Raumfahrt der Fall. Aber auch Anwendungen im Bauwesen, Maschinenbau und in der Möbelindustrie sind denkbar.

Eine besondere Anwendung ergibt sich beim Einsatz in Wärmetauschern, Kühlaggregaten und als Ersatz von Kühlrippen jeglicher Art. Besonders nach oben beschriebenem Verfahren hergestellte Bauteile mit einem gut wärmeleitenden Material, wie z.B. Aluminium- und Kupferlegierungen, eignen sich wegen ihrer guten Luftdurchlässigkeit und großen Oberfläche hervorragend für den Einsatz z.B. in Kühlaggregaten. Hierbei ergibt sich noch ein weiterer konstruktiver Vorteil, wenn z.B. Kühlschlangen für den Transport eines Kühlmediums, bereits vor dem Abgießen mit dem Metall und bereits vor dem Verfestigen der Kugeln 1 untereinander direkt, zwischen den Kugeln 1 plaziert werden. Auf diese Weise wird in einem Arbeitsgang die Kühlschlange bzw. werden die Kühl- oder Heizrohre mit dem Metall verschmolzen. Durch diese Möglichkeit der Herstellung müssen nicht, wie sonst bei herkömmlichen Kühlaggregaten oder Wärmetauschern üblich, die Kühl- oder Heizrohre nachträglich durch ein Gerippe geschoben und fixiert werden. Außerdem können viele und wesentlich längere Kühl- oder Heizrohre, nach Belieben als Spirale oder als Knäuel in den Kugelhaufen eingelegt werden, woraus sich eine viel bessere Möglichkeit zum Wärmeaustausch ergibt.

Eine besondere Herstellungsvariante besteht darin, dass oben bezeichnete Kugeln 1, in eine Form gebracht und über ausgehärtete Binderbrücken 2 verbunden werden und die Hohlräume 3 dann anschließend nicht vollständig mit einem wärmeleitenden Material, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung, gefüllt werden, sondern das Kugelgebilde und dessen Hohlräume 3 nur benetzt werden. Dadurch ergeben sich nach dem Entfernen des Kugelmaterials, räumlich zwei voneinander getrennte durchgängige Hohlräume, ein durchgängiger Hohlraum für das Kühl- oder Heizmedium und ein davon getrennter, ineinander verschachtelter, zweiter durchgängiger Hohlraum für das zu kühlende oder zu heizende Medium. Für die Herstellung eines derartigen Wärmetauschers ist es nicht erforderlich, irgendwelche Kühl- oder Heizrohre zu installieren. Die Kugeln 1 werden in diesem Fall vorzugsweise aus einem feinen Quarzmehl und aus einem hitzebeständigen Bindemittel hergestellt; vorzugsweise verwendet man als Bindemittel sowohl für die Herstellung als auch für die Verbindung der Kugeln 1 untereinander ein anorganisches Material, wie bei Gießereisandbindern bekannt, z.B. ein Silikat, Magnesiumsulfat und/oder ein Phosphat. Das verfestigte Kugelgebilde sollte dann mindestens auf die gleiche Temperatur gebracht werden wie das einzufüllende Metall. Hierdurch wird gewährleistet, dass nach einer zuerst vollständigen Füllung der Hohlräume 3, das Metall noch nicht erstarrt ist und das überschüssige Metall aus den Hohlräumen 3 wieder abfließen kann. Es werden dadurch praktisch alle Oberflächen mit Metall überzogen, und es ergibt sich doch wieder ein durchgehender Hohlraum zwischen den Kugeln 1 nach dem Abfließen des Metalls. Nach dem Erstarren des Metalls wird nun das gesamte Kugelformmaterial herausgewaschen, wodurch der zweite, durchgängige Hohlraum freigegeben wird, welcher vollständig getrennt ist von dem zuerst erzeugten. Anschlüsse für beide Hohlräume oder Kammern können bei der Formgebung mit berücksichtigt werden und beim Gießvorgang gleich mit vergossen werden. Sollten sich Undichtigkeiten zwischen den beiden Hohlräumen oder Kammern ergeben, so könnten diese durch das Einbringen beispielsweise eines Siegellackes in eine oder auch in beide Hohlräume oder Kammern verschlossen werden.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung von leichten Bauteilen aus Metall, Metalllegierungen, Kunststoff oder Keramik unterschiedlicher Geometrien, dadurch gekennzeichnet, dass ein feines Trägermaterial, vorzugsweise Quarzsand oder Quarzmehl, mit Hilfe eines Bindemittels nach einem formgebenden Verfahren, vorzugsweise durch Granulieren, Pelletieren oder ein anderes formgebendes Verfahren, zu möglichst gleichmäßigen Kugeln (1) geformt wird, dass die vorgefertigten Kugeln (1) mit dem gleichen oder auch einem anderen bindenden Medium benetzt oder beschichtet und so in die gewünschte, äußere Form gegeben werden und durch ein Härteverfahren an den Berührungsstellen zum Verkleben und/oder zur Bildung von Binderbrücken (2) gebracht werden, dass die miteinander über Binderbrücken (2) oder durch Verschmelzung verbundenen Kugeln (1) aus ihrer Form entnommen und in die gewünschte Außenform oder Kokille eingelegt werden, dass danach die Hohlräume (3) zwischen den Kugeln (1) durch die in Gießereiprozessen bekannten Verfahren, vorzugsweise ein Niederdruckverfahren, mit flüssigem Metall oder einer Metalllegierung oder flüssigem Kunststoff oder einer keramischen Masse gefüllt werden und nach dem Erstarren des Metalls oder der Masse das gesamte Kugelmaterial durch Vibration und/oder durch Spülen mit Wasser aus dem erstarrten Metall oder der erstarrten Masse entfernt und/oder herausgewaschen wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelbildung durch die Zugabe von Wasser zum Trägermaterial erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel organischer Natur, vorzugsweise ein durch Amingas härtendes Harz ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein wasserlösliches, anorganisches Bindemittel auf der Basis von Magnesiumsulfat, Phosphat oder Silikat oder einer Mischung aus diesen ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlraum ausfüllende Material ein Kunstharz, beispielsweise ein Polyurethan, Epoxid, Polyester, Acrylat oder auch ein Thermoplast ist, welches durch Abkühlung und/oder über eine Reaktion mit einem entsprechenden Härter aushärtbar ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfüllung der Hohlräume (3) mit Hilfe einer an sich bekannten Spritzgußmaschine und mit relativ hohem Druck erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlraum ausfüllende Material aus einer keramischen Masse oder einem sonst für die Erzeugung von hochwertigen Keramiken verwendeten, keramischen Schlicker besteht, welcher durch Trocknung und/oder durch Reaktion mit einem entsprechenden Härter und/oder durch Brennen in einem Brennofen aushärtbar ist. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die entstandenen Teile nach dem Entfernen des Kugelmaterials nachträglich nochmals bei höherer Temperatur nachgebrannt werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Herstellung der Kugeln (1) verwendete Material ein Quarzmehl ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Herstellung der Kugeln (1) verwendete Material ein anorganisches Mehl oder Sand ist oder aus Mischungen aus beispielsweise Quarz, Feldspat, Aluminiumoxid, Schamotte, Olivin, Chromerz, Tone, Kaoline, Flußspat, Silikate, Bentonite usw. oder auch aus diesen Einzelsubstanzen besteht. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Herstellung der Kugeln (1) verwendete Material ein Salz, wie beispielsweise NaCl, KCl, K2SO4, Mg2SO4, ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Herstellung der Kugeln (1) verwendete Material ein Metallpulver ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Herstellung der Kugeln (1) verwendete Material ein organisches Material, beispielsweise ein wasserlösliches Polyvenylacetat oder ein PVP oder ein Acrylat oder ein Kunststoffgranulat oder ein Mehl aus beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Teflonpulver usw. ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Herstellung der Kugeln (1) verwendete Bindemittel und/oder das für die Verbindung der Kugeln (1) untereinander verwendete Bindemittel lediglich aus Wasser besteht. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Herstellung der Kugeln (1) verwendete Bindemittel und/oder das für die Verbindung der Kugeln (1) untereinander verwendete Bindemittel aus Wasser und einem im Wasser gelösten Salz besteht. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Herstellung der Kugeln (1) verwendete Bindemittel und/oder das für die Verbindung der Kugeln (1) untereinander verwendete Bindemittel aus Magnesiumsulfat besteht. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Herstellung der Kugeln (1) verwendete Bindemittel und/oder das für die Verbindung der Kugeln (1) untereinander verwendete Bindemittel aus einem Silikat, vorzugsweise Na-Silikat, besteht. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Herstellung der Kugeln (1) verwendete Bindemittel und/oder das für die Verbindung der Kugeln (1) untereinander verwendete Bindemittel aus einem Phosphat besteht. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Herstellung der Kugeln (1) verwendete Bindemittel und/oder das für die Verbindung der Kugeln (1) untereinander verwendete Bindemittel, aus einem im Gießereiprozess üblicherweise für die Herstellung von Formen und Kernen verwendeten Bindemittel besteht. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (1) einen Durchmesser von 0,2 mm bis 30 cm aufweisen. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (1) einen Durchmesser von vorzugsweise 4–8 mm aufweisen. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (1) nach einem für die Formgebung bekannten Verfahren hergestellt werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (1) durch ein Granulierverfahren, vorzugsweise auf einem Pelletierteller oder einem Sprühgranulator hergestellt werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (1) durch das Einbringen des Formstoffes in zwei Halbschalen und durch Pressen oder durch Einschießen mit Druckluft erzeugt werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer beabsichtigten Verwendung des Bauteils als Bestandteil eines Wärmetauschers oder eines Kühlaggregates die Kühl- oder Heizschlangen direkt in die Kugelschüttung eingebracht werden, bevor die Kugeln (1) miteinander durch Härteprozesse miteinander verbunden werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (1), bevor der Hohlraum (3) zwischen den Kugeln (1) mit einem Metall oder einer Metalllegierung gefüllt wird, erhitzt werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (1), bevor der Hohlraum (3) zwischen den Kugeln (1) mit einer Aluminiumlegierungen gefüllt wird, bis zu 800°C erhitzt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (1), bevor der Hohlraum (3) zwischen den Kugeln (1) mit einer Eisengusslegierung gefüllt wird bis zu 1.600°C erhitzt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (1) mit einem flüssigen Metall oder einem Kunststoff oder einem keramischen Schlicker nur benetzt werden und das überschüssige Material aus den Hohlräumen (3) wieder entfernt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das sich nach dem Entfernen des Kugelmaterials zwei getrennte, durchgehende Hohlräume bilden. Verfahren nach Anspruch 1 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass für die Hohlräume benötigte Anschlussstutzen durch die Formgebung bereits berücksichtigt werden und bei der Hohlraumfüllung gleich mit vergossen werden. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass eventuelle Undichtigkeiten zwischen den beiden durchgehenden Hohlräumen oder Kammern mit einem Siegelmedium verschlossen werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Metall, die flüssige Metalllegierung, der flüssige Kunststoff oder die keramische Masse Fasern enthält, deren Länge so gewählt ist, dass sie sich beim Füllvorgang in den Kugelzwischenräumen (3) entlang der durch die Zwischenräume (3) gebildeten Kanäle ausrichten. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine Länge von 3 bis 4 mm haben. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern Kohle-, Glas-, Mineral- oder Kunstfasern sind.






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