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Dokumentenidentifikation DE202006004118U1 06.09.2007
Titel Bauteil auf der Basis eines Hybridwerkstoffes
Anmelder Institut für Umformtechnik Universität Stuttgart, 70174 Stuttgart, DE
Vertreter Rumrich, G., Dipl.-Ing. Pat.-Ing., Pat.-Anw., 09116 Chemnitz
DE-Aktenzeichen 202006004118
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 06.09.2007
Registration date 02.08.2007
Application date from patent application 14.03.2006
IPC-Hauptklasse C22C 49/02(2006.01)A, F, I, 20060314, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Bauteil auf der Basis eines Hybridwerkstoffes, welcher aus wenigstens zwei Komponenten besteht, wobei mindestens eine Komponente eine metallische Matrix ist.

Aus WO 2005/052199 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit metallischer Matrix und Verstärkung durch Fasern oder Partikel bekannt. Dabei wird zuerst ein Halbzeug hergestellt, in welchem die Fasern oder Partikel und der metallische Verbundwerkstoff enthalten sind. Anschließend erfolgt die Formgebung durch thixotrope Formgebung in einem Werkzeug bei einer Temperatur oberhalb der Solidustemperatur und unterhalb der Liquidustemperatur des metallischen Matrixwerkstoffes. Zur Faserverstärkung des Matrixwerkstoffes werden Fasern verwendet, die aus Kohlenstoff, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid oder Mullit bestehen. Die Beschädigung dieser Fasern und Partikel soll mit der erfindungsgemäßen Lösung verhindert werden.

Nachteil dieser Lösung ist das aufwendige Herstellen des Halbzeuges. Weiterhin durch dieses Verfahren finale Bauteileigenschaften eingestellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil auf der Basis eines Hybridwerkstoffes zu entwickeln, welches einfach herstellbar ist, die Einstellung finaler Bauteileigenschaften erlaubt, bedarfsweise entsprechend der auf das Bauteil wirkenden Einflüsse in seinen Eigenschaften veränderbar ist, sowie durch die Kombination der wenigstens zwei Komponenten hinsichtlich spezifischer Charakteristika eine Überlegenheit gegenüber den Einzelkomponenten aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des ersten Schutzanspruchs gelöst, vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das Bauteil auf der Basis eines Hybridwerkstoffes, welcher aus wenigstens zwei Komponenten besteht, wobei eine erste Komponente eine Matrixkomponente aus einem ersten metallischen oder nicht metallischen Werkstoff ist, weist erfindungsgemäß mindestens eine zweite Komponente in Form einer Charakterisierungskomponente auf, die vollständig oder teilweise aus einem zweiten metallischen Werkstoff besteht und mit der metallischen bzw. nicht metallischen Matrixkomponente zur Bildung des Hybridwerkstoffes kombiniert ist. Die Charakterisierungskomponente ist dabei in die Matrixkomponente zumindest teilweise eingebettet/infiltriert. Dabei ist es möglich, dass die Matrixkomponente mehrere Charakterisierungskomponenten miteinander verbindet, die aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen bestehen können.

Die Charakterisierungskomponenten sind in der Matrixkomponente in gleichen oder unterschiedlichen Abständen angeordnet oder können an definierten Stellen/gradiert in der Matrix/dem Bauteil eingebettet sein.

Durch die Matrixkomponente sind Belastungen/Beanspruchungen in die Charakterisierungskomponente einleitbar, wobei es ebenfalls möglich ist, dass die Matrixkomponente die Charakterisierungskomponente vor chemischen Einflüssen schützt.

Es ist möglich, eine Matrixkomponente zu verwenden, die im Bereich von Spannungsspitzen plastifizierbar ist, wodurch mechanisch induzierte Risse isoliert werden können.

Weiterhin ist es möglich, dass durch den Volumengehalt und/oder die Anordnung und/oder die Ausrichtung und/oder die Eigenschaften der Charakterisierungskomponente die mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften des Bauteils einstellbar sind.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Charakterisierungskomponente die mechanische Charakteristik des Bauteils bei statischer und/oder dynamischer und/oder thermischer Beanspruchung einstellbar ist. Damit ist es möglich, die Gebrauchseigenschaften des Bauteils definiert einzustellen so dass diese bei sich ändernden Randbedingungen veränderbar sind. Bei Überschreitung einer bestimmten Initialschwelle durch die aufgebrachten äußeren Belastungen (Kraft, Moment, Schwingung, Temperatur) soll es damit möglich sein, die Bauteileigenschaften im Gebrauchszustand durch die Veränderungen der Eigenschaften des ersten und/oder zweiten Werkstoffs zu verändern.

Die Matrixkomponente und die Charakterisierungskomponente/en werden bevorzugt über Formgebung im teilflüssigen Zustand der Matrixkomponente miteinander kombiniert/verbunden.

Die Matrixkomponente besteht insbesondere aus Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung, z.B. aus Aluminium, Magnesium, Aluminiumlegierungen oder Magnesiumlegierungen.

Dabei finden vorzugsweise Aluminium-Silizium-Legierungen oder Aluminium-Magnesium-Legierungen Anwendung, wobei selbstverständlich auch eine Vielzahl anderer Metalle/Legierungen einsetzbar sind. Bevorzugt kommen dabei Leichtmetalle und deren Legierungen in Betracht.

Die Charakterisierungskomponente kann in der Art einer Vorform ausgebildet und in die Matrixkomponente eingebunden sein.

Für die metallische Charakterisierungskomponente wird bevorzugt Stahl oder Nichteisenmetall (z.B. Titan) eingesetzt.

Die Charakterisierungskomponente kann neben den metallischen Bestandteilen weitere Bestandteile auf der Basis von Keramik, oxidischem Werkstoff, Glas, Karbon, Kunststoff oder Kombinationen der vorgenannten Werkstoffe enthalten. Die Charakterisierungskomponente kann in Form von Metallschaum, Granulaten, Partikel oder Pulver ausgebildet oder durch Rapid-Prototyping hergestellt sein. Alternativ kann die Charakterisierungskomponente in Form von zwei- oder dreidimensionalen Gelegen, Geweben, Gewirken, Gestricken, Gittern oder in Form von Stäben ausgebildet sein.

Bevorzugt wird die Charakterisierungskomponente ein- oder mehrlagig in die Matrixkomponente eingebettet/infiltriert.

Die Charakterisierungskomponente weist vorzugsweise höhere Festigkeitseigenschaften als die Matrixkomponente auf. Dadurch ist es möglich, ein bei geringem Gewicht hochbeanspruchbares Bauteil herzustellen.

Wird beispielsweise in eine Matrixkomponente aus einer Aluminiumlegierung eine Charakterisierungskomponente aus einem mehrlagigen Gewebe aus Titan eingebettet, so wird durch die Charakterisierungskomponente die Beanspruchbarkeit des Bauteils im Vergleich zu einem Bauteil, welches nur aus Aluminium besteht, wesentlich erhöht.

Die Herstellung des Bauteils auf der Basis eines Hybridwerkstoffes erfolgt durch teilflüssige Formgebung. Dabei wird der erste Werkstoff, aus welchem die Matrixkomponente besteht in einen teilflüssigen Zustand überführt und dann die Charakterisierungskomponente darin eingebettet.

Dazu erfolgt der Aufbau definierter Vorkörper/Preformen aus Charakterisierungskomponenten (2- und 3-dimensional, definierter Volumengehalt). Dabei ist es möglich, in den Formkörper bereits Komponenten des ersten Werkstoffes, der für die Matrixkomponente verwendet wird, zu integrieren. Die Einstellung der mechanischen Charakteristik erfolgt dabei unter anderem über die Lage und den Volumengehalt der Charakterisierungskomponente.

Die Matrixkomponente wird auf einen Temperaturbereich erwärmt, in dem sie teilweise (mindestens 20%) aufgeschmolzen ist. Ein Teil der verwendeten Matrixlegierung ist also schon schmelzflüssig, während andere Bestandteile der gleichen Legierung noch fest sind. Nun erfolgt die Formgebung z.B. über einen modifizierten Schmiede-, Gießprozess. Die Matrixkomponente wird dabei im teilflüssigen Zustand in eine Form eingebracht, in welche vorher die Charakterisierungskomponente (z.B. als Halbzeug) definiert eingebracht wurde. (evtl. ist eine Oberflächenaktivierung der Komponenten notwendig). Das Werkzeug ist dabei in vorteilhafter Weise beheizt; die Charakterisierungskomponente kann ebenfalls erwärmt sein.

Weiterhin ist es möglich, den Vorkörper/die Preform und die Matrixkomponente getrennt zu erwärmen, wobei die Matrixkomponente teilflüssig ist, und den Vorkörper durch einen modifizierten Schmiede-, Gieß-, Fließpressprozess bzw. eine Kombination von diesen infiltriert. Auch hierbei ist es möglich, in die aus Charakterisierungskomponenten bestehende Vorform den ersten Werkstoff, aus welchem die Matrixkomponente besteht, zu integrieren und z.B. einen laminatartigen Schichtaufbau aus flächigen Charakterisierungskomponenten und Matrixwerkstoff im Rahmen der Vorform herzustellen.

Der verfahrensgemäß hergestellte Hybridwerkstoff, aus welchem das Bauteil hergestellt ist, besteht somit aus 2 oder mehr Komponenten, die definiert miteinander kombiniert wurden.

Im Fall der Erfindung besteht das erfindungsgemäße Bauteil aus einem Hybridwerkstoff auf der Basis mindestens einer metallischen Komponenten und einer weiteren Komponente mit unterschiedlichen Eigenschaften, die in dem hybriden Verbund definierte Aufgaben übernehmen.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist eine definierte Einstellung der erreichbaren mechanischen Kennwerte (Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul) im statischen und dynamischen Bereich durch definierte Anordnung bzw. definierten Volumengehalt der Charakterisierungskomponente möglich. Weiterhin ist durch den Volumengehalt der Charakterisierungskomponente eine definierte Einstellung der erreichbaren thermischen Kennwerte möglich.

Bei den oben genannten Punkten handelt es sich um statische Werte, im Sinne von fixen erreichbaren Werten.

Darüber hinaus ist eine definierte Einstellung der Werkstoff-, Bauteilcharakteristik bei statischer/dynamischer Belastung möglich. Hierbei ist der Verlauf der Kennwerte in Abhängigkeit der Belastung bzw. der Zeit gemeint und beabsichtigt, da diese bei dem beschriebenen Bauteil einstellbar sind.

Weiterhin kann eine Änderung der mechanischen Eigenschaften im Gebrauch durch Änderung der Randbedingungen erzielt werden. Hierbei kann ein „intelligentes" Werkstoffverhalten erreicht werden, ähnlich wie bei Formgedächtnislegierungen, etc. Bei Überschreiten einer Initialschwelle durch die aufgebrachten äußeren Belastungen (Kraft, Moment, Schwingung, Temperatur) ist es dem Werkstoff möglich, seine Struktur und damit auch seine Eigenschaften im Gebrauchszustand zu ändern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Es wurde ein Bauteil aus einem ersten Werkstoff aus einer Aluminium-Silizium-Legierung als Matrixkomponente und aus einem zweiten Werkstoff aus Titan als Charakterisierungskomponente hergestellt.

Dabei lag die Charakterisierungskomponente in Form eines Titandrahtgewebes vor. Es wurden mehrere Lagen des Titandrahtgewebes in eine Form eingelegt. Die Form wurde gemeinsam mit dieser Charakterisierungskomponente auf 400 Grad Celsius erwärmt. Parallel dazu wurde die Matrixkomponente auf 582 Grad Celsius erwärmt, so dass der Anteil der Flüssigkomponente ca. 52% betrug. Nun wurde die sich im teilflüssigen Zustand befindliche Matrixkomponente in die Form gepresst, so dass die Matrixkomponente die Charakterisierungskomponente (Lagen des Titan-Drahtgewebes) umschließt und auch durch und zwischen die Gewebelagen dringt.

Es wurde damit ein Bauteil erzeugt, welches hinsichtlich spezifischer Charakteristika eine Überlegenheit gegenüber der Matrixkomponente aufweist. Das Bauteil ist wesentlich beanspruchbarer als bei einer ausschließlichen Verwendung einer Aluminium-Silizium-Legierung oder weist beispielsweise eine signifikante Kostenreduktion gegenüber der Verwendung von ausschließlich Titan auf.

Bei Kombination der Matrixkomponente aus Stahl mit einer Charakterisierungskomponente aus Titan ist eine Veränderung der Bauteileigenschaften bei Änderungen der Randbedingungen im Gebrauchszustand möglich. Z.B erfolgt bei dem Werkstoff Titan eine Veränderung der Gitterstruktur bei Temperaturänderung, wodurch das Bauteil sein plastisches Verformungsverhalten ändert.

Wird als Charakterisierungskomponente Stahldraht verwendet (in unterschiedlicher Halbzeugart), kommt es beispielsweise durch eine thermisch induzierte Martensitbildung zu einer Modifikation des Bauteilsverhaltens.

Insgesamt wird mit der erfindungsgemäßen Lösung ein überraschend einfach herstellbares Bauteil mit definierbaren Eigenschaften geschaffen, wobei diese Eigenschaften bei entsprechenden Belastungen des Bauteils veränderbar sein können.


Anspruch[de]
Bauteil auf der Basis eines Hybridwerkstoffes, welcher aus wenigstens zwei Komponenten besteht, wobei mindestens eine erste Komponente eine Matrixkomponente aus einem ersten metallischen Werkstoff ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zweite Komponente eine Charakterisierungskomponente ist, die vollständig oder teilweise aus einem zweiten metallischen Werkstoff besteht. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakterisierungskomponente in die Matrixkomponente zumindest teilweise eingebettet ist. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrixkomponente mehrere Charakterisierungskomponenten miteinander verbindet. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die Matrixkomponente eine oder mehrere Charakterisierungskomponenten eingebettet ist/sind. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakterisierungskomponenten aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Charakterisierungskomponenten in der Matrixkomponente in gleichen oder unterschiedlichen Abständen angeordnet sind. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakterisierungskomponenten an definierten Stellen/gradiert in der Matrix/dem Bauteil angeordnet werden können. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Matrixkomponente Belastungen/Beanspruchungen in die Charakterisierungskomponente einleitbar sind. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrixkomponente die Charakterisierungskomponente vor chemischen Einflüssen schützt. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrixkomponente im Bereich von Spannungsspitzen plastifizierbar ist. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Volumengehalt und/oder die Anordnung und/oder die Ausrichtung und/oder die Eigenschaften der Charakterisierungskomponente die mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften des Bauteils einstellbar sind. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Charakterisierungskomponente der Verlauf der mechanischen Charakteristik des Bauteils bei statischer und/oder dynamischer Beanspruchung einstellbar ist. Bauteil nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Charakterisierungskomponente die Versagenseigenschaften des Bauteils bei statischer und/oder dynamischer Beanspruchung einstellbar sind. Bauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Charakterisierungskomponente die Gebrauchseigenschaften des Bauteils einstellbar sind. Bauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Charakterisierungskomponente die Eigenschaften des Bauteils während des Gebrauchs des Bauteils veränderbar einstellbar sind. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Matrixkomponente und Charakterisierungskomponente über Formgebung im teilflüssigen Zustand der Matrixkomponente miteinander kombiniert sind. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrixkomponente aus Leichtmetall oder Leichtmetalllegierung besteht. Bauteil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrixkomponente aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung besteht. Bauteil nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrixkomponente aus einer Aluminium-Silizium-Legierung oder einer Aluminium-Magnesium-Legierung besteht. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakterisierungskomponente als eine Vorform ausgebildet ist. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakterisierungskomponente aus Stahl oder Nichteisenmetall besteht oder Stahl oder Nichteisenmetall enthält. Bauteil nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakterisierungskomponente aus Titan besteht oder Titan enthält. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakterisierungskomponente neben den metallischen Bestandteilen weitere Bestandteile auf der Basis von Keramik, oxidischen Werkstoff, Glas, Karbon, Kunststoff, Faserverbundwerkstoff oder Kombinationen der vorgenannten Werkstoffe enthält. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakterisierungskomponente in Form von Metallschaum, Granulaten, Partikel oder Pulver ausgebildet oder durch Rapid-Prototyping hergestellt ist. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakterisierungskomponente in Form von zwei- oder dreidimensionalen Gelegen, Geweben, Gewirken, Gestricken, Gittern oder in Form von Stäben ausgebildet ist. Bauteil nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakterisierungskomponente ein oder mehrlagig in die Matrixkomponente eingebettet/infiltriert ist. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakterisierungskomponente höhere Festigkeitseigenschaften als die Matrixkomponente aufweist.






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