Prozessentwicklung des Hochdruckintegralschaumgießens von Aluminium

Metal foam made from light metals (aluminium and magnesium) is a structural material, which additional to its low density, shows several interesting properties, such as a high energy absorption capacity and a high damping capacity. The use of metal foam as a light weight construction material usually requires its integration into a functional working element, furthermore for most applications a solid surface skin is desired. Both requirements can be fulfilled with so-called integral foam parts. Integral foam parts are defined as castings showing a cellular core and an integral dense skin with the transition from the skin to the core being gradual. At present integral foam parts are made of polymers, only. They are produced by modified injection moulding processes, for which numerous process variations are known. In this work an analogous process for the production of net-shaped aluminium integral foam parts is developed, which is called High Pressure Integral Foam Moulding – HP-IFM. For process development the single steps of polymer integral foam processing technology are assessed concerning their transferability to light metal processing and appropriate technical solutions are developed. The main challenge is the much faster solidification of metal melts compared to polymer melts in the mould cavity. For a better understanding of the solidification process numerical simulations are carried out. A suitable process window for the HP-IFM process is identified. The produced integral foam parts are characterised concerning their structural and mechanical properties. Aluminium integral foam parts with part-thicknesses ranging from 8-17 mm with relative densities of approx. 0.5 can be produced. In comparison to compact high pressure die-cast aluminium components an increased bending stiffness and a comparable bending strength is obtained. For these properties a high relative skin fraction is advantageous. The control of the absolute skin thickness by means of the process parameters is limited. That is why especially thin integral foam parts are of major interest. The production of such parts is, due to the fast solidification velocity, more difficult and requires an improved processing technology. Therefore process modifications, based on findings of this work, are proposed.Metallschaum aus Leichtmetallen (Aluminium und Magnesium) ist ein Konstruktionswerkstoff, der zusätzlich zu einer geringen Dichte weitere interessante Eigenschaften, wie z.B. ein hohes Energieabsorptions- und Dämpfungsvermögen, aufweist. Der Einsatz von Metallschaum als Leichtbauwerkstoff erfordert in der Regel die Integration des Metallschaums in ein Bauteil; zudem wird für viele Anwendungen eine kompakte Außenhaut benötigt. Beide Forderungen können mit so genannten Integralschaumbauteilen erfüllt werden. Integralschaumbauteile bestehen aus einem geschäumten Bauteilkern, der allseitig von einer kompakten Außenhaut umgeben ist, wobei zwischen Schaumkern und Außenhaut ein kontinuierlicher, stoffschlüssiger Übergang besteht. Integralschaumbauteile werden derzeit nur aus Kunststoffen hergestellt. Die Herstellung erfolgt durch modifizierte Spritzgießprozesse, wobei zahlreiche Verfahrensvarianten bekannt sind. In dieser Arbeit wird ein analoger Prozess zur Herstellung von Integralschaumbauteilen aus Aluminium entwickelt, der als Hochdruckintegralschaumgießen (High Pressure Integral Foam Moulding – HP-IFM) bezeichnet wird. Dazu werden die einzelnen Prozessschritte der Kunststoffverarbeitung bezüglich ihrer Übertragbarkeit auf die Leichtmetallverarbeitung analysiert und entsprechende technologische Lösungen entwickelt. Die besondere Herausforderung ist dabei die im Vergleich zu Polymeren sehr viel schnellere Erstarrung der Metallschmelzen in der Bauteilkavität. Für ein verbessertes Verständnis dieses Vorganges wird eine Erstarrungssimulation durchgeführt. Ein geeignetes Prozessfenster für das HP-IFM Verfahren wird identifiziert. Die hergestellten Bauteile werden bezüglich ihrer strukturellen und mechanischen Eigenschaften charakterisiert. Bauteile mit Erzeugnisdicken von 8-17 mm mit relativen Dichten von ca. 0,5 können hergestellt werden. Im Vergleich zu kompaktem Aluminiumdruckguss werden eine erhöhte Biegesteifigkeit und eine vergleichbare Biegefestigkeit erzielt. Für diese Eigenschaften ist insbesondere ein großer relativer Deckschichtanteil vorteilhaft. Da die Beeinflussung der absoluten Deckschichtdicke über die Prozessparameter nur eingeschränkt möglich ist, erscheinen insbesondere dünne Erzeugnisdicken interessant. Die Herstellung von solchen Bauteilen ist aufgrund der schnellen Erstarrungsgeschwindigkeit erschwert und bedarf einer verbesserten Prozesstechnik. Dafür werden, basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen, entsprechende Prozessmodifikationen aufgezeigt

High Pressure Integral Moulding of Aluminium - Process Development

Metallschaum aus Leichtmetallen (Aluminium und Magnesium) ist ein Konstruktionswerkstoff, der zusätzlich zu einer geringen Dichte weitere interessante Eigenschaften, wie z.B. ein hohes Energieabsorptions- und Dämpfungsvermögen, aufweist. Der Einsatz von Metallschaum als Leichtbauwerkstoff erfordert in der Regel die Integration des Metallschaums in ein Bauteil; zudem wird für viele Anwendungen eine kompakte Außenhaut benötigt. Beide Forderungen können mit so genannten Integralschaumbauteilen erfüllt werden. Integralschaumbauteile bestehen aus einem geschäumten Bauteilkern, der allseitig von einer kompakten Außenhaut umgeben ist, wobei zwischen Schaumkern und Außenhaut ein kontinuierlicher, stoffschlüssiger Übergang besteht. Integralschaumbauteile werden derzeit nur aus Kunststoffen hergestellt. Die Herstellung erfolgt durch modifizierte Spritzgießprozesse, wobei zahlreiche Verfahrensvarianten bekannt sind. In dieser Arbeit wird ein analoger Prozess zur Herstellung von Integralschaumbauteilen aus Aluminium entwickelt, der als Hochdruckintegralschaumgießen (High Pressure Integral Foam Moulding – HP-IFM) bezeichnet wird. Dazu werden die einzelnen Prozessschritte der Kunststoffverarbeitung bezüglich ihrer Übertragbarkeit auf die Leichtmetallverarbeitung analysiert und entsprechende technologische Lösungen entwickelt. Die besondere Herausforderung ist dabei die im Vergleich zu Polymeren sehr viel schnellere Erstarrung der Metallschmelzen in der Bauteilkavität. Für ein verbessertes Verständnis dieses Vorganges wird eine Erstarrungssimulation durchgeführt. Ein geeignetes Prozessfenster für das HP-IFM Verfahren wird identifiziert. Die hergestellten Bauteile werden bezüglich ihrer strukturellen und mechanischen Eigenschaften charakterisiert. Bauteile mit Erzeugnisdicken von 8-17 mm mit relativen Dichten von ca. 0,5 können hergestellt werden. Im Vergleich zu kompaktem Aluminiumdruckguss werden eine erhöhte Biegesteifigkeit und eine vergleichbare Biegefestigkeit erzielt. Für diese Eigenschaften ist insbesondere ein großer relativer Deckschichtanteil vorteilhaft. Da die Beeinflussung der absoluten Deckschichtdicke über die Prozessparameter nur eingeschränkt möglich ist, erscheinen insbesondere dünne Erzeugnisdicken interessant. Die Herstellung von solchen Bauteilen ist aufgrund der schnellen Erstarrungsgeschwindigkeit erschwert und bedarf einer verbesserten Prozesstechnik. Dafür werden, basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen, entsprechende Prozessmodifikationen aufgezeigt.Metal foam made from light metals (aluminium and magnesium) is a structural material, which additional to its low density, shows several interesting properties, such as a high energy absorption capacity and a high damping capacity. The use of metal foam as a light weight construction material usually requires its integration into a functional working element, furthermore for most applications a solid surface skin is desired. Both requirements can be fulfilled with so-called integral foam parts. Integral foam parts are defined as castings showing a cellular core and an integral dense skin with the transition from the skin to the core being gradual. At present integral foam parts are made of polymers, only. They are produced by modified injection moulding processes, for which numerous process variations are known. In this work an analogous process for the production of net-shaped aluminium integral foam parts is developed, which is called High Pressure Integral Foam Moulding – HP-IFM. For process development the single steps of polymer integral foam processing technology are assessed concerning their transferability to light metal processing and appropriate technical solutions are developed. The main challenge is the much faster solidification of metal melts compared to polymer melts in the mould cavity. For a better understanding of the solidification process numerical simulations are carried out. A suitable process window for the HP-IFM process is identified. The produced integral foam parts are characterised concerning their structural and mechanical properties. Aluminium integral foam parts with part-thicknesses ranging from 8-17 mm with relative densities of approx. 0.5 can be produced. In comparison to compact high pressure die-cast aluminium components an increased bending stiffness and a comparable bending strength is obtained. For these properties a high relative skin fraction is advantageous. The control of the absolute skin thickness by means of the process parameters is limited. That is why especially thin integral foam parts are of major interest. The production of such parts is, due to the fast solidification velocity, more difficult and requires an improved processing technology. Therefore process modifications, based on findings of this work, are proposed

Physicochemical properties and the crystallization thermodynamics of the pure enantiomer and the racemate for N-methylephedrine

Journal of Chemical and Engineering Data4851092-1098JCEA