DE2843316A1 - Verfahren zum erzeugen eines dreidimensional-netzwerkartigen, poroesen, metallischen gefueges mit zusammenhaengendem innenhohlraum - Google Patents

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Verfahren zum Erzeugen eines dreidimensionalnetzwerkartigen, porösen, metallischen Gefüges mit zusammenhängendem Innenhohlraum

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen eines dreidimensional-netzwerkartigen poröse^ metallischen Gefüges mit einem zusammenhängenden Innenhohlraum, das durch eine äußerst große spezifische Oberfläche und Porosität und demgemäß auch durch einen äußerst verringerten Druckabfall eines durch das Gefüge strömenden Fluids ausgezeichnet ist.

Das dreidimensional-netzwerkartige. poröse, metallische Gefüge gemäß der Erfindung hat aufgrund seiner vorteilhaften Eigenschaften mehrere weitreichende industrielle Anwendungsmöglichkeiten, wie z. B. als Werkstoffe für Rippen von Wärmeaustauschern, Flüssig-Flüssig- oder Flüssig-Gas-Mischer oder -Separatoren, Scha11absorptions- oder -Isoliermaterial, Dämpfermaterial, Katalysatoren, Flammenlöschmaterialien, Dochtmaterialien für Wärmerohre, Verzierungs-

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materialien, architektonische Materialien usw.

Bisher wurden verschiedene Verfahren zur Erzeugung poröser metallischer Strukturen angegeben und praktisch durchgeführt.

Diese bekannten Verfahren sind beispielsweise:

a) Einblasen eines Gases in eine Metallschmelze zwecks Aufschäumung des Metalls;

b) Aufschäumung pulverisierten oder granulierten Metalls;

c) Einbringung eines Stoffes, der bei Erhitzung Gas entwickelt, in eine Metallschmelze;

d) Erhitzen einer Mischung eines Metalls und eines bei Erhitzung Gas entwickelnden Stoffes auf hohe Temperatur;

e) Druckeinspeisung einer Metallschmelze in eine mit Natriumchloridteilchen beschickte Formhöhlung;

f) Ausfließenlassen einer Metallschmelze durch eine enge Düse;

g) Erhalten des porösen Metalls durch Sintern; usw.

Alle oben erwähnten Verfahren mit Ausnahme des Verfahrens g) finden nur begrenzte Anwendung, da die Innenhohlräume im porösen Metallerzeugnis nicht zusammenhängend er-

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zeugt sind oder, wenn doch zusammenhängend erzeugt, miteinander nur durch äußerst enge, zusammengedrängte Bereiche in Verbindung stehen, was zu mehreren Nachteilen, wie z. B. einem unannehmbar hohen Strömungswiderstand führt, der von einem durchströmenden Gas angetroffen wird. Gleichzeitig ist die Porosität so gering wie 50 % od. dgl., und die spezifische Oberfläche ist nachteilig gering.

Das auf dem Sintern beruhende Verfahren g) ist auch insofern nachteilig, als es nicht zur Erzeugung eines so dikken Bauteils anwendbar ist, das eine etwa 15 mm übersteigende Dicke hätte. Gleichzeitig ist dieses Verfahren ziemlich zeitaufwendig und erhöht unpassend die Herstellungskosten. Weiter läßt sich dieses Verfahren wirksam nur mit einigen bestimmten Metallen, wie z. B. Legierungen von Nickel (Ni), Kupfer (Cu) und Eisen (Fe), anwenden. Daher ist dieses Verfahren nicht zur Erzeugung eines porösen Körpers aus AIuminium (Al) und seinen Legierung anwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung eines solchen dreidimensional-netzwerkartigen porösen^ metallischen Gefüges oder Bauteils mit einem zusammenhängenden Innenhohlraum zu entwickeln, das bezüglich der Art des Materials, der Form und Größe des Erzeugnisses völlig von den Einschränkungen frei ist, denen die bekannten Verfahren unterlagen, und demgemäß vielfältige Anwendungsmöglichkeiten findet und damit die Probleme der bekannten Techniken überwindet.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Verfahren zum Erzeugen eines dreidimensionalnetzwerkartigen porösen metallischen Gefüges mit zusammen-

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hängendem Innenhohlraum, mit dem Kennzeichen, daß man ein dreidimensionales Netzwerkmodell aus Kunstharz herstellt, den Innenhohlraum des Modells mit einem formbildenden Material füllt, das Modell unter Erhitzen zur Bildung einer Form mit einem dreidimensionalen Netzwerkhohlraum beseitigt, diese Form in Berührung mit einer Metallschmelze unter Druck bringt, um die Metallschmelze durch Druck in den Innenhohlraum der Form einzuspeisen, und die Form nach Erstarren des Metalls beseitigt.

Alternativ kann die Metallschmelze in den Innenhohlraum der Form auch mittels Druckverringerung eingesaugt werden.

Man geht erfindungsgemäß also derart vor, daß man zunächst ein Modell des dreidimensional-porösen Gefüges mit einem Harz herstellt und den Hohlraum im Gefüge mit einem formbildenden Material wie z. B. Gips, füllt. Anschließend wird das Harzmodell beispielsweise durch Erhitzen oder dergleichen Maßnahme verdampft und beseitigt, wodurch gleichzeitig eine Härtung des formbildenden Materials erzielt wird. Dann wird die erhärtete Form in Berührung mit einer Metallschmelze unter Druck gebracht, so daß der Innenhohlraum der Form mit der Metallschmelze durch Druck gefüllt werden kann. Nach der Erstarrung des Metalls wird die Form durch Auflösen in Wasser oder einer anderen Auflösungsflüssigkeit oder mechanisch mittels eines Wasserstrahls, Sandstrahls o. dgl. Maßnahme entfernt. Der Formhohlraum kann mit der Metallschmelze auch auf andere Weise als das erwähnte Eindrücken der Metallschmelze, nämlich beispielsweise durch eine Druckverringerung oder eine Evakuierung des Formhohlraums gefüllt werden. In diesem Fall wird die an einer Seite der Form vorliegende Metallschmelze mittels

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eines an der anderen Seite der Form angelegten Vakuums eingesaugt, so daß sie in den Formhohlraum eindringt und diesen füllt.

Die Erfindung gibt also an, daß ein dreidimensional-netzwerkartiges poröses, metallisches Gefüge durch Füllen des Innenhohlraums einer Form, die unter Verwendung eines dreidimensional-netzwerkartigen Harzmodells hergestellt wurde, mittels Treibens der Metallschmelze in den Hohlraum durch Druck oder mittels Saugens der Metallschmelze in den Hohlraum durch Verringerung des Drucks im Hohlraum erzeugt wird. Das so erhaltene poröse, metallische Gefüge oder Bauteil kennzeichnet sich durch eine große spezifische Oberfläche sowie durch einen verringerten Druckverlust eines dadurch strömenden Fluids und ist daher für verschiedene Verwendungszwecke^ wie z. B. als Material der Rippen von Wärmeaustauschern, verschiedener Filter usw. geeignet.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispxele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Beispiels der. Gestalt, eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten dreidimensiohal-netzwerkartigen porösen^ metallischen Gefüges;

Fig. 2 eine Darstellung des Schritts zum Füllen eines Modells mit einem formbildenden Material;

Fig. 3 eine Darstellung des Schritts der Füllung eines Formhohlraums mit einer Metallschmelze;und

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Fig. 4 eine Darstellung des gleichen Schritts wie

in Fig. 3 nach einer anderen Verfahrensweise.

Das dreidimensional-netzwerkartige Harzmodell gemäß der Beschreibung und demgemäß das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erhaltende porösej metallische Gefüge oder Erzeugnis haben eine Gestalt, wie sie beispielhaft in Fig. 1 dargestellt ist.

Es ist für Fachleute klar, daß die Abmessungen und Formen der Netze sowie die Formen und Abmessungen der von den Maschen'des Harzmodells begrenzten Flächen nach Wunsch regelmäßig oder unregelmäßig geändert werden können, so daß das poröse, metallische Gefüge, das als Nachbildung des Harzmodells erhalten wird, verschiedene Gestaltungen oder Formen aufweisen kann, die die Gestaltungen oder Formen des Harzmodells genau wiedergeben.

Es sollen nun bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert werden:

Beispiel 1

Es wurde ein aus einem Urethanschaum mit einer Anzahl von Poren von etwa 3 mm Durchmesser, die von Netzmaschen einer Dicke im Bereich von 0,05 bis 0,7 mm begrenzt waren, bestehendes Modell hergestellt und auf einem Formbrett 2 angeordnet, wie Fig. 2 zeigt. Ein Rahmen oder Gehäuse 3 wurde auf dem gleichen Formbrett 2 zwecks Umgebens des Modells 1 angeordnet. Inzwischen wurde das formbildende Material durch sorgfältiges und gleichmäßiges Vermischen eines pulverisierten formbildenden Gipses mit Wasser in einem Ge-

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wichtsverhältnis von 2 : 1 bis zur Bildung eines Breies hergestellt. Das formbildende Material im Breizustand wurde dann in das Modell 1 aus Ürethanschaum gegossen, während man auf dieses durch das Formbrett 2 eine Schwingung einwirken ließ, um dadurch den Innenhohlraum des Modells vollständig zu füllen und so eine Form 4 zu bilden. Dann wurde die Form nach etwas Erhärtung vom Formbrett 2 und vom umgebenden Gehäuse 3 getrennt und nach einem einstündigen Trocknen bei 100 ⁰C 30 .min auf eine Temperatur von 65O C erhitzt, um so das Ürethanschaum-Modell 1 zu verdampfen und zu beseitigen.

Anschließend wurde die Form 4 in einer Gesenkform 5 angeordnet, wie Fig. 3 zeigt. Dann wurde ein Zylinder 7 mit geschmolzenem Aluminium 9 durch eine Speiseöffnung 6 beschickt. Das geschmolzene Aluminium wurde mittels eines Kolbens 8 unter Druck gesetzt. Als Ergebnis wurde das geschmolzene Aluminium in den Innenhohlraum der Form 4 hineingetrieben, um diesen vollständig zu füllen, wobei das im Formhohlraum befindliche Gas durch Gasauslaßöffnungen ausgetrieben wurde. Nach der Druckbeaufschlagung des geschmolzenen Aluminiums für 10s wurde die Form 4 aus der Gesenkform 5 entnommen und einem Wasserstrom ausgesetzt, so daß der Gips weggewaschen werden konnte. Folglich erhielt man ein dreidimensional-netzwerkartiges poröses Gefüge aus Aluminium mit einem klaren und ausgezeichneten zusammenhängenden Innenhohlraum.

Beispiel 2

Man ließ ein löschbares, formbildendes Material in den Innenhohlraum eines in gleicher Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel hergestellten Urethanschaum-Modells fließen.

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Das mit dem formbildenden Material gefüllte Modell wurde dann 60 min auf 650 ⁰C erhitzt, um das Modell völlig zu verdampfen und zu beseitigen, wodurch eine Gießforny mit einem feinen dreidimensional-netzwerkartigen Hohlraum erhalten wurde. Die so erzeugte Form 4 wurde dann mit Kunststoffolie 11 umwickelt und an einem in einem Druckbehälter 12 angeordneten Halter 13 angebracht, wie Fig. zeigt. Gleichzeitig wurde ein mit auf 750 ⁰C erhitztem geschmolzenem Aluminium 15 gefüllter Tiegel 14 im Druckbehälter 12 angeordnet. Dann senkte man den Halter 13 und hielt ihn auf einem solchen Niveau fest, daß der untere Teil der Gießform 4 in das geschmolzene Aluminium 15 bis zu einer Tiefe von 5 mm unter der Oberfläche des letzteren eintauchte. Anschließend wurde der Innendruck des Druckbehälters 12 auf 2 at mittels Einblasens von Druckluft in den Behälter 12 durch eine Lufteinlaßöffnnung 16 gesteigert. Der erhöhte Innendruck wurde 10s beibehalten. Nach Verringerung des Innendrucks auf den atmosphärischen Druck wurde die Gießform 4 aus dem Druckbehälter 12 entnommen und 5 min in einem Wasserstrom gelassen, um das Formmaterial zu entfernen. Dadurch erhielt man ein dreidimensionalnetzwerkartiges, poröses Gefüge aus Aluminium mit einem zusammenhängenden Innenhohlraum.

Obwohl in der vorstehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispxele nicht erwähnt, kann das dreidimensional-netzwerkartige Harzmodell auch mit verschiedenen anderen Materialien als dem beschriebenen Urethanschaum, z. B. mit Schaumäther, -ester, -gummi od. dgl. Kunstharzmaterialien erzeugt werden.

Daneben können auch andere übliche formbildende Ma-

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terialien als der beschriebene Gips oder Präzisionsgießbrei als Material zum Bilden der Form verwendet werden.

Die Entfernung des Modells kann auch mit Hilfe eines Lösungsmittels in dem Fall vorgenommen werden, wo das Material des Modells in einem solchen Lösungsmittel löslich ist.

Außerdem kann erfindungsgemäß das dreidimensionalnetzwerkartige_/ poröse Gefüge oder Bauteil nach der Erfindung aus verschiedenen metallischen Materialien erzeugt werden, die nicht nur Aluminium, Kupfer und Eisen, sondern auch gewöhnlich verwendete Eisenbasislegxerungen und Legierungen von Nichteisenmetallen, wie z. B. Blei, Zinn, Zink, Magnesium u. dgl., umfassen.

Wie vorstehend beschrieben wurde, lassen sich erfindungsgemäß dreidimensional-netzwerkartige_/ POrOSe₇ metallische Strukturen mit verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten, wie z. B. als Dochtmaterial von Wärmerohren, Schallabsor tions- oder -Isoliermaterial, Material für Wärmeaustauscherrippen, Material für verschiedene Filter usw., in irgendeiner gewünschten Abmessung und Gestalt erzeugen, ohne einer solchen Beschränkung der Art des Materials und der Abmessung unterworfen zu sein, wie sie für die Sintertechnik gilt,, die, wie oben erwähnt, auf Aluminiummaterial nicht anwendbar ist.

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Claims (5)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Erzeugen eines dreidimensionalnetzwerkartigen porösen metallischen Gefüges mit zusammenhängendem Innenhohlraum,

dadurch gekennzeichnet,

daß man ein dreidimensionales Netzwerkmodell (1) aus Kunstharz herstellt, den Innenhohlraum des Modells (1) mit einem formbildenden Material füllt, das Modell (1) unter Erhitzen zur Bildung einer Form (4) mit einem dreidimensionalen Netzwerkhohlraum beseitigt, diese Form (4) in Berührung mit einer Metallschmelze (9) unter Druck bringt, um die Metallschmelze durch Druck in den Innenhohlraum der Form (4) einzuspeisen, und die Form (4) nach Erstarren des Metalls beseitigt.

2. Verfahren zum Erzeugen eines dreidimensionalnetzwerkartigen porösen metallischen Gefüges mit zusammenhängendem Innenhohlraum,

dadurch gekennzeichnet,

daß man ein dreidimensionales Netzwerkmodell (1) aus Kunstharz herstellt, den Innenhohlraum des Modells (1)

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mit einem formbildenden Material füllt, das Modell (1) unter Erhitzen zur Bildung einer Form (4) mit einem Innenhohlraum beseitigt, Metallschmelze (15) in den Innenhohlraum der Form (4) mittels Druckverringerung im Innenhohlraum einsaugt, um diesen mit der Metallschmelze (15) zu füllen, und die Form (4) beseitigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Material des Modells (1) einen Stoff der Gruppe Schaumurethan, -äther, .ester und -gummi verwendet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als formbildendes Material Gips verwendet.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Modell (1) durch ein Lösungsmittel beseitigt.

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