ΜΕΤΑΛΛΙΚΟΙ ΑΦΡΟΙ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΜΑ: ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ,ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΛΛΟΓΝΩΣΙΑΣ ΔΙΕΥΘΥΝΤΗΣ:ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΣΙΠΑΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΜΑ: ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ,ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΑΦΡΩΝ ΜΕΤΑΛΛΙΚΟΙ ΑΦΡΟΙ KΑΡΑΜΑΝΕΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΚΟΡΟΥΛΗΣ ΒΑΣΙΛΗΣ 359 ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ-Μάιος 25

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Εισαγωγή σελ.4 2. Βιβλιογραφική έρευνα 2.1 Τρόποι παραγωγής κυψελοειδών μεταλλικών υλικών σελ Κατεργασίες και μορφοποίηση σελ Εφαρμογές σελ Πειραματική διαδικασία 3.1 Διαδικασία παραγωγής μεταλλικού αφρού σελ Διαδικασία χαρακτηρισμού του δείγματος σελ Μέτρηση πορώδους σελ Αποτελέσματα η σειρά δοκιμίων σελ η σειρά δοκιμίων σελ η σειρά δοκιμίων σελ η σειρά δοκιμίων σελ η σειρά δοκιμίων σελ Ανάλυση αποτελεσμάτων 5.1 Συγκεντρωτικά αποτελέσματα σελ Επίδραση της πειραματικής διαδικασίας στο συνολικό μέσο πορώδες 5.3 Επίδραση της πειραματικής διαδικασίας στη σχετική πυκνότητα ρ* σελ.128 σελ Συμπεράσματα σελ Επίλογος σελ Βιβλιογραφία σελ.134 2

3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα θέλαμε ειλικρινά να ευχαριστήσουμε τον Καθηγητή Α.Π.Θ. κ. Τσιπά Δημήτριο, για την καθοδήγηση, τις πολύτιμες συμβουλές και την βοήθεια που μας προσέφερε σε όλη τη διάρκεια της διπλωματικής εργασίας, αλλά και των μαθημάτων. Επίσης, οφείλουμε να ευχαριστήσουμε και τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Παρθενιώτη Γεώργιο για την ουσιαστική συμβολή, συμπαράσταση και βοήθεια που μας παρείχε κατά την διεξαγωγή των πειραμάτων και σε όλη την διάρκεια της διπλωματικής εργασίας. Χωρίς αυτούς δεν θα είχαμε φτάσει στο επιθυμητό αποτέλεσμα. 3

4 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Είναι ευρέως γνωστό ότι πορώδη υλικά χρησιμοποιούνται με άριστα αποτελέσματα για μόνωση, συσκευασίες ή φιλτράρισμα. Λίγοι όμως είναι αυτοί, που πιστεύουν ότι μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν, πολύ αποτελεσματικά, σε δομικές κατασκευές. Υπάρχουν χιλιάδες επιστημονικές δημοσιεύσεις που ασχολούνται με την ελαχιστοποίηση των πόρων σε κατασκευές που δέχονται φορτία. Μηχανικοί ασχολούνται με το πώς να απαλείψουν πόρους από τεμάχια που κατασκευάζονται με χύτευση, κονιομεταλλουργία, συγκολλήσεις κτλ. Υπό αυτή την οπτική γωνία είναι δύσκολο για κάποιον να αποδεχθεί ότι μεγάλες φέρουσες κατασκευές μπορούν να περιέχουν πόρους, ακόμα και ευμεγέθεις. Παρόλα αυτά, μεγάλες φυσικές κατασκευές με κυψελοειδή δομή υπάρχουν για χιλιάδες χρόνια, αποδεικνύοντας πως υπάρχει η δυνατότητα δημιουργίας κυψελοειδών υλικών με βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες και μικρό βάρος. Το ενδιαφέρον για τους μεταλλικούς αφρούς χρονολογείται από το 194,όπου έγιναν κάποιες προσπάθειες για παραγωγή τους, με ατμοποίηση (vaporization) μεταλλικών κραμάτων χαμηλού σημείου τήξης. Αργότερα, δημοσιεύτηκαν προσπάθειες για την κατασκευή τους με εκτόξευση μετάλλου γύρω από σωματίδια( space holders ), τα οποία μετά απομακρινόμενα, δημιουργούν διάκενο, καθώς και για την προσθήκη ουσιών στο λιωμένο μέταλλο,οι οποίες απελευθέρωναν αέριο. Παρόλα αυτά, η έρευνα είχε λίγα αποτελέσματα μέχρι τη δεκαετία 9, όπου μια ουσιαστική επιτάχυνση επιτεύχθηκε. Εξαιτίας των πόρων, τα υλικά αυτά έχουν κάποιες «περίεργες» ιδιότητες, συγκρινόμενα με συμπαγούς δομής υλικά. Υψηλή ικανότητα απορρόφησης ενέργειας κατά την κρούση ή την συμπίεση, ανεξάρτητα από την φορά της φόρτισης, εξαιρετικός συνδυασμός μηχανικών ιδιοτήτων(κυρίως αντοχή και ακαμψία) και χαμηλό βάρος, είναι τα κύρια προτερήματα. Επιπρόσθετα, είναι πολύ αποτελεσματικά στην απορρόφηση ταλαντώσεων, ήχου, και ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Οι ιδιότητες αυτές πηγάζουν από το πορώδες της δομής. Υπάρχουν πολλές βασικές αρχές που έχουν προταθεί για το χαρακτηρισμό και τη μοντελοποίηση αυτής της σχέσης. Αυτές, που είχαν αρχικά αναπτυχθεί για τα πολυμερή, βασίζονται στη σχετική πυκνότητα του αφρού και γι αυτό προϋποθέτουν ομοιόμορφη κατανομή των κυψελίδων, τουλάχιστον σε μακροσκοπικό επίπεδο. Όμως, οι μεταλλικοί αφροί διαφέρουν δραματικά από τους πολυμερείς: οι τελευταίοι συνήθως έχουν κανονική δομή, σε αντίθεση με τους μεταλλικούς που είναι «ακατάστατοι» και παρουσιάζουν μια μεγάλη ποικιλία μεγέθους και σχήματος κελιών. Επίσης, υπάρχουν πολλές ατέλειες στη δομή, όπως ρωγμές ή οπές ή αυλακώσεις στους τοίχους των κυψελίδων. Αυτά τα συμπτώματα είναι αναπόφευκτα κατά τη διάρκεια της κατασκευής σε σημαντικά υψηλότερες θερμοκρασίες από ό,τι τα πολυμερή. Αν αυτό δεν ληφθεί υπ όψιν και οι ιδιότητες του αφρού χαρακτηρισθούν μόνο σε σχέση με τη σχετική πυκνότητα, τότε παίρνουμε διαφορετικές τιμές από τις αναμενόμενες. Κατασκευάζοντας έναν αφρό από μέταλλο, σε αντίθεση με τα πολυμερή, αυξάνεται η ακαμψία, διευρύνεται η θερμοκρασία λειτουργίας και μεγαλώνει η αντίσταση σε πολλές διαλυτικές ουσίες και στη φωτιά. Σε σύγκριση με κεραμικούς αφρούς, εμφανίζονται βελτιωμένα αποτελέσματα σε σχέση με την ανθεκτικότητα και την αντοχή σε κόπωση, την θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα, καθώς και την (καλύτερη) ικανότητα μορφοποίησης. Επίσης, αξίζει να σημειωθεί ότι είναι πλήρως ανακυκλώσιμα υλικά, χωρίς να εμφανίζεται μόλυνση ή κατασπατάληση. Το τελευταίο δεν μπορεί να αγνοηθεί, καθώς η παραγωγή, η χρήση και η διάθεση νέων 4

5 προηγμένων υλικών συχνά έχει αρνητικές επιδράσεις κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής τους. Με βάση το είδος της πορώδους δομής, τα κυψελοειδή υλικά χωρίζονται στα ανοιχτών κελιών υλικά(όταν οι πόροι επικοινωνούν μεταξύ τους), τα οποία ονομάζονται και μεταλλικοί σπόγγοι, και κλειστών πόρων (όταν οι πόροι δεν επικοινωνούν μεταξύ τους). Αυτά διαφέρουν όχι μόνο στον τρόπο παραγωγής, αλλά και στις ιδιότητες που έχουν και στις εφαρμογές για τις οποίες προορίζονται. Στην πρώτη κατηγορία υπάρχουν οι πιο υποσχόμενες μέθοδοι για φθηνή μαζική παραγωγή από ακατέργαστη α ύλη και για αυτό συγκεντρώνει μεγάλη προσοχή για δομικές εφαρμογές. Αυτές περιέχουν ποικίλες κατασκευές για απορρόφηση ενέργειας προοδευτικά, κάτω από εφαρμοζόμενο φορτίο. Παρόλα αυτά, μέχρι σήμερα υπάρχουν προβλήματα, όπως πρόωρη αστοχία και μικρή ελαστικότητα. Έχει γίνει αντιληπτό ότι τα προβλήματα μπορούν να περιοριστούν, αν το μέγεθος των κυψελίδων είναι προσεγμένο και ομοιόμορφο. Επιπλέον, εμφανίζεται συχνά στους τοίχους των κελιών ανεπιθύμητη ψαθηρότητα, που οφείλεται σε διάφορα κεραμικά σωματίδια ή films οξειδίων, πολλά από τα οποία προστίθενται σκόπιμα. Γι αυτό χρειάζεται μελέτη και έρευνα πάνω στην ανάπτυξη μεθόδων παραγωγής, που θα περιορίζουν ή θα εξαλείφουν αυτά τα αρνητικά συμπτώματα. Στη δεύτερη κατηγορία υπάρχουν πολλές εφαρμογές, όπως φίλτρα, καταλύτες, εναλλάκτες θερμότητας, συσκευές για τον έλεγχο ροής ρευστών, συσσωρευτές ενέργειας(μπαταρίες), προστατευτικές μεμβράνες και επενδύσεις, βιοϊατρικά τεχνητά μέλη κ.α. Εδώ, το κόστος κατασκευής είναι υψηλότερο σε σύγκριση με προηγουμένως. Η αναλογία του αριθμού των κυψελίδων και το μέγεθός τους είναι συχνά οι σημαντικότερες παράμετροι. Συνήθως όμως, απαιτείται και μια ελάχιστη αντοχή και ελαστικότητα με ταυτόχρονη ομοιόμορφη και χωρίς ατέλειες δομή. Ένας μεγάλος αριθμός μετάλλων ερευνάται για εφαρμογές που χρειάζονται ανοιχτών πόρων δομές. Στην παρούσα εργασία έγινε μια προσπάθεια συστηματικής καταγραφής μεθοδολογιών παρασκευής, τρόπων κατεργασίας και εφαρμογών μεταλλικών αφρών και κυψελοειδών υλικών, καθώς και η παρασκευή και ο χαρακτηρισμός μεταλλικού αφρού αλουμινίου από υγρό μέταλλο αλουμίνιο και υδρίδιο του τιτανίου, σε διάφορες συστάσεις. 5

6 2. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ 2.1 ΤΡΟΠΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Μια μεγάλη ποικιλία κυψελωδών υλικών έχει παραχθεί μέχρι σήμερα. Κάποια από αυτά, που ήδη παράγονται σε βιομηχανικό επίπεδο είναι τα: Duocel, Incofoam, Alporas. Οι διαφορετικοί τύποι προϊόντων είναι αποτέλεσμα διαφορετικού συνδυασμού παραγωγικής μεθόδου, αρχιτεκτονικής της κυψελοειδούς δομής και μεταλλικής μήτρας. Όλες οι μέθοδοι δεν είναι κατάλληλες για κάθε μέταλλο. Μερικές μέθοδοι εφαρμόζουν ίδιες τεχνικές με αυτές που εφαρμόζονται για να αφροποιήσουν υδατογενή ή πολυμερικά υγρά, ενώ αντιθέτως άλλες σχεδιάζονται ειδικά, εκμεταλλευόμενοι τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των μετάλλων, όπως την δράση κατά το sintering ή τον παράγοντα ότι μπορούν να εναποθέτουν δια ηλεκτρισμού. Στο παρακάτω σχεδιάγραμμα φαίνεται μια ταξινόμηση των διαφόρων μεθόδων : Σχ.1 Τεχνικές παραγωγής για πορώδη μέταλλα, ταξινομημένες με βάση την φάση του μετάλλου, τη διαμόρφωση της αρχιτεκτονικής της κυψελίδας και τα στοιχεία δημιουργίας των πόρων. Όπως φαίνεται στο παραπάνω σχεδιάγραμμα, τα κυψελοειδή μέταλλα ταξινομούνται με βάση τα παρακάτω κριτήρια: Την κατάσταση του μετάλλου κατά τη διάρκεια δημιουργίας του πορώδους: υγρό, διάλυμα ή γαλάκτωμα, στερεό Την διαδικασία μορφοποίησης που ακολουθείται: χύτευση σε καλούπι(casting), αφροποίηση(foaming), εναπόθεση ιζήματος(deposition), συμπύκνωση(sintering), με αρχικό διάλυμα(precursor slurry) Την μέθοδο δημιουργίας των πόρων: ενσωμάτωση κοίλων σωματιδίων, με μετακινούμενο υπόστρωμα, ή με αέριο(είτε απευθείας διαλυμένο, είτε μέσα από διάσπαση κάποιου στοιχείου) 6

7 Ανοιχτού πορώδους υλικά, μπορούν να κατασκευασθούν με τη μέθοδο της αντιγραφής (replication), της εναπόθεσης ιζήματος (deposition), ή με ένωση στερεών κοίλων σωματιδίων, με απόσταση μεταξύ τους, για τη δημιουργία πλέγματοςδικτυώματος. Δομές κλειστής κυψελίδας κατασκευάζονται συμπίεση-σύσφιξη (embedding) ή συγκόλληση κοίλων σωματιδίων ή με αφροποίηση σε υγρή φάση. Διαδικασίες αφροποίησης για το αλουμίνιο (Al) -Με έγχυση αερίου(gas injection) Σχ.2 Αφροποίηση με έγχυση αερίου Το αρχικό υλικό (Αl + 1-3%SiC ή κομμάτια Al 2 O 3 ) λιώνεται σε ένα συμβατικό χυτήριο. Έπειτα, μεταφέρεται σε ένα δοχείο και εμπλουτίζεται με αέριο (συνήθως αέρα). Αυτό διοχετεύεται με ένα περιστρεφόμενο στροφείο, που έχει στην άκρη του ακροφύσια και με την περιστροφή του διαμορφώνεται μια διασπορά φυσαλίδων. Το μέγεθος των φυσαλίδων μπορεί να ελεγχθεί ρυθμίζοντας τη ροή του αέρα, το σχεδιασμό του στροφείου (αριθμός και σχήμα ακροφυσίων), και την ταχύτητα περιστροφής του. Είναι απαραίτητη η χρήση κεραμικών σωματιδίων, τα οποία αυξάνουν την πυκνότητα του χυτού και παγιδεύουν τις ανερχόμενες φυσαλίδες. Επίσης, σταθεροποιούν τα τοιχώματα των κυψελίδων και αποτρέπουν συνενώσεις κελιών. Ο μεταλλικός αφρός απομακρύνεται με μία ταινία μεταφοράς, όπου στερεοποιείται και κρυώνει. Η σχετική πυκνότητα ελέγχεται βασικά από παραμέτρους της διαδικασίας, όπως, η ταχύτητα του ρότορα, η ροή του αερίου, το ποσοστό των σωματιδίων και οι συνθήκες στερεοποίησης. Με τη διαδικασία αυτή παράγονται panels αφρού με ρυθμό 9kg/h, με 1,5m πλάτος και 25-15mm πάχος. Έχουν σχετική συχνότητα 2-2% ( g/cm 3 ). Ο μέσος όρος των διαστάσεων του κελιού είναι αντίστροφος με τη σχετική συχνότητα και είναι της τάξης 2,5-3mm. 7

8 -Με εσωτερική δημιουργία του αερίου (in-situ Gas generation) Η προηγούμενη μέθοδος αντιμετωπίζει συχνά το γεγονός ότι δημιουργείται ένας σχετικά μικρός αριθμός μεγάλων φυσαλίδων, που οδηγεί σε μάλλον άτεχνη και μη κανονική κατανομή πόρων. Το φαινόμενο δεν παρουσιάζεται στις παρακάτω μεθόδους -Η διαδικασία Shinko Wire Σχ.3 Αφροποίηση με εσωτερική δημιουργία αερίου Η διαδικασία αυτή έχει αναπτυχθεί από την ομώνυμη εταιρία. Ο σχεδιασμός είναι για παραγωγή μεγάλων μπλοκ αφρού. Για ρύθμιση του ιξώδους του λιωμένου Al προστίθεται 1,5% Ca στους 68 ο C και ανακατεύεται για 6 λεπτά. Σχ.4-Επίδραση του χρόνου ανάδευσης στην πυκνότητα του τήγματος αλουμινίου μετά την προσθήκη ασβεστίου. Μετά προσθέτουμε ένα στοιχείο που περιέχει O 2 για να διευκολυνθεί η οξείδωση και να αυξηθεί το ιξώδες με παραγωγή οξειδίων: Cao, Al 2 O 3, CaAl 2 O 4. Το διογκωμένο Αl μεταφέρεται σε ένα καλούπι, προστίθεται 1,6%TiH 2 και αναδεύεται έντονα. Το TiH 2 διασπάται και οι φυσαλίδες Η 2 διαστέλλουν το χυτό και γεμίζει το καλούπι. Το τελικό τεμάχιο με 25mm μήκος, 65mm ύψος και 45mm πλάτος κόβεται σε πλάκες. Πετυχαίνονται πυκνότητες g/cm 3 και το μέσο μέγεθος του κελιού είναι 4,5mm. Έχει αποδειχθεί ότι προσεκτικές ρυθμίσεις στις παραμέτρους της διαδικασίας οδηγούν σε πολύ ομογενείς αφρούς. Στην πραγματικότητα οι αφροί που παράγονται με την διαδικασία αυτή με το εμπορικό όνομα Alporas - φαίνεται να είναι οι πιο ομογενής αφροί που έχουν παρασκευαστεί. Τέτοιου είδους μορφολογία φαίνεται στη φωτογραφία 5. 8

9 Φωτ.5- Δομή των πόρων αφρού αλουμινίου από την προσθήκη TiH 2. (πηγή: Southeast University Nanjing, China). -Η διαδικασία FORMGRIP Σχ.6 Αφροποίηση με εσωτερική δημιουργία αερίου 9

10 H διαδικασία αυτή (Foaming of Reinforced Metal by Gas Release in Precursors) συνενώνει κάποια από τα προτερήματα της παραγωγής από χυτό και κάποια από την παραγωγή με σκόνες σε μια διαδικασία. Παρασκευάζεται ένα αρχικό λιωμένο υλικό, προπομπός (precursor), με ανάμιξή σκόνης AlSi12, SiC και ΤiH 2. Μπαίνει σε καλούπι και ψήνεται σε δύο στάδια (24h-4 C + 1h-5 C), οπότε οξειδώνεται, διασπάται το TiH 2, απελευθερώνεται αέριο και σχηματίζονται φυσαλίδες. Στη συγκεκριμένη διαδικασία δεν χρειάζεται να μεταφέρουμε λιωμένο μέταλλο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας. Ο προπομπός μπορεί να μορφοποιηθεί εύκολα πριν το τελικό ψήσιμο. Είναι όμως λιγότερο οικονομική από τις προηγούμενες. - Ευτηκτική στερεοποίηση στερεού- αερίου ( gasars ). Η μέθοδος αυτή στηρίχθηκε στην παρατήρηση ότι μερικά υγρά μέταλλα σχηματίζουν ευτηκτικά συστήματα με υδρογονωμένο αέριο. Τήκοντας ένα από αυτά τα μέταλλα σε υδρογονωμένη ατμόσφαιρα, υπό υψηλή πίεση ( πάνω από 5 atm), λαμβάνουμε ένα ομοιογενές τήγμα που γεμίζει με υδρογόνο. Εάν τότε χαμηλώσουμε την θερμοκρασία το τήγμα τελικά υφίσταται μια μετάβαση σε ετερογενές διφασικό σύστημα «στερεό + αέριο». Ψύχοντας το τήγμα προκαλείται κατευθυνόμενη στερεοποίηση, το υδρογόνο κοντά στην περιοχή της στερεοποίησης αυξάνεται και σχηματίζονται οι φυσαλίδες. Οι παράμετροι της διαδικασίας πρέπει να επιλεγούν με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε οι φυσαλίδες να μην μεταφερθούν στην υγρή περιοχή και στη συνέχεια ξεφύγουν αλλά να είναι κοντά στη ζώνη στερεοποίησης και να παγιδευτούν στο στερεό. Η μορφολογία των πόρων εξαρτάται από το περιεχόμενο υδρογόνο, την εξωτερική πίεση, την κατεύθυνση και τον ρυθμό απομάκρυνσης της θερμότητας και τη χημική σύσταση του τήγματος. Γενικά ο προσανατολισμός των πόρων εξαρτάται από την στερεοποίηση που εφαρμόζεται. Η διάμετρος των πόρων κυμαίνεται από 1 μm μέχρι 1 mm, το μήκος των πόρων από 1 μm έως 3 μm. Φωτ. 7- Δομή των πόρων αφρού "gasar" 1

11 Μια πιθανή πρακτική εφαρμογή της διαδικασίας των gasar περιγράφεται στο σχήμα 8σ. Απαιτείται ένα κλειστό δοχείο χημικών αντιδράσεων μέσα στο οποίο μπορεί να παραχθεί το τήγμα, με υδρογόνο και τελικά κατευθυνόμενα στερεοποιημένο. Σχ. 8-Συσκευή παραγωγής "gasars" -κονιομεταλλουργία Σχ.9 Παραγωγή αφρού με κονιομεταλλουργία Η τεχνική αυτή αποτελείται από ανάμιξη σκόνης Al ή κραμάτων του με κατάλληλα στοιχεία που προκαλούν αφροποίηση και συμπίεση έτσι ώστε να πάρουμε ένα υλικό που το ονομάζουμε «αφροποιήσιμος προπομπός»( foamable precursor material ). Η σκόνη συμπιέζεται με θερμή συμπίεση, διαμορφωτική εξώθηση ή κύλιση. Εναλλακτικά, η σκόνη μπορεί να συμπιεσθεί εν ψυχρώ, για να κατεργάζεται πιο εύκολα. Θερμαίνουμε τον προπομπό άνω της θερμοκρασίας τήξης με αποτέλεσμα τη διάσπασή των συντελεστών της αφροποίησης και τη δημιουργία φυσαλίδων. Η μέθοδος αυτή δεν περιορίζεται στο αλουμίνιο αλλά και σε πολλά άλλα υλικά, όπως τιτάνιο. Έχει εμφανή προτερήματα, όπως η κατασκευή περίπλοκων σχημάτων με εύκολη μορφοποίηση του προπομπού, η ευελιξία στην επιλογή σκόνης και η μη χρήση επιπρόσθετων σταθεροποιητικών στοιχείων, π.χ. κεραμικά. Αν και όταν 11

12 απαιτηθεί από κάποιες ειδικές εφαρμογές μπορούν να προστεθούν εύκολα κεραμικές σκόνες ή μεταλλικές ίνες για να αυξήσουν την αντοχή σε φθορά. Υπάρχουν, όμως, και κάποια μειονεκτήματα, όπως το υψηλό κόστος, η μη ικανοποιητική ομοιομορφία της δομής, η δυσκολία στη δημιουργία μεγάλων τεμαχίων. Η παραπάνω τεχνική απεικονίζεται στο επόμενο διάγραμμα: Σχ. 1-Διαδικασία παραγωγής συμπίεσης τήγματος κόνεων Αφροποιώντας ένα κομμάτι πρόδρομου υλικού μέσα σε φούρνο με τη μορφή σβώλων δημιουργούμε μεταλλικό αφρό απροσδιορίστου μορφής, εκτός και αν έχουμε διαστολή σε συγκεκριμένη διεύθυνση. Αυτό μπορεί να γίνει εάν εισάγουμε το πρόδρομο υλικό σε κοίλο καλούπι και διασταλεί με θέρμανση. Αρκετά πολύπλοκα σχήματα μπορούν να γίνουν με τη μέθοδο αυτή. Η διαδικασία αυτή επεξηγείται σχηματικά στο σχήμα 11. Η δομή των πόρων μπορεί να έχει ατέλειες εάν η διαδικασία δεν ελεγχθεί με προσοχή. Ωστόσο η διαδικασία μπορεί να είναι ένα σημαντικό βήμα προς μια μαζική και οικονομική παραγωγή τεμαχίων με πολύπλοκο όγκο και σχήμα. 12

13 Σχ.11-Κατασκευή αντικειμένου περίπλοκής γεωμετρίας από αφρό Πάνελ τύπου sandwich μπορούν να κατασκευασθούν με τη μέθοδο αυτή ενώνοντας τον πυρήνα ο οποίος είναι ο μεταλλικός αφρός με δύο μεταλλικά φύλλα (αλουμινίου ή χάλυβα). Εναλλακτικά, εάν απαιτείται καθαρός μεταλλικός δεσμός, τα παραδοσιακά φύλλα μετάλλου-αλουμινίου ή χάλυβα - εξελάσονται σε φύλλα του αφροποιημένου πρόδρομου υλικού. Το τελικό προϊόν μπορεί να πάρει επιθυμητές μορφές σε παραπέρα βήμα π.χ. βαθιά κοίλανση. Η τελική θερμική κατεργασία κατά την οποία μόνο ο αφρώδης μεταλλικός πυρήνας διαστέλλεται, χωρίς παραμόρφωση των εξωτερικών φύλλων, οδηγεί σε διαστασιολογικά επιθυμητές διατομές όπως φαίνεται και στη φωτογραφία 12. Φωτ. 12. Πλαίσιο τύπου sandwich με πυρήνα από αφρό αλουμινίου (πάχους 12 mm) και δύο επιφανειακά φύλλα χάλυβα (πηγή: Fraunhofer and Studiengesellschaft Stahlanwendungen). Κυλινδρικά ή οποιοσδήποτε μορφής σχήματα μπορούν να γεμίσουν με αφρό αλουμινίου με διάφορους τρόπους. Ο πιο εύκολος τρόπος είναι να εισάγουμε με ένα 13

14 βάκτρο το υπό αφροποίηση υλικό μέσα στο χώρο που θα αναπτυχθεί και στη συνέχεια να τα τοποθετήσουμε μέσα στο φούρνο. Το υπό αφροποίηση υλικό θα αρχίσει να διαστέλλεται και να συμπληρώσει το κενό χώρο που προβλέφθηκε. Το μειονέκτημα της μεθόδου αυτής είναι ότι το υλικό που περιβάλει τον μεταλλικό αφρό πρέπει να έχει σημείο τήξεως υψηλότερο του υλικού που αφροποιείται (π.χ. εάν αφροποιούμε αλουμίνιο θα πρέπει να έχουμε φύλλα από χάλυβα). Εναλλακτικά μπορούμε να εισάγουμε ένα αφροποιήσιμο κοίλο τμήμα προσαρτίζοντας το στο τμήμα που θα γεμίσει με αφρό, αντί να χρησιμοποιήσουμε βάκτρο. Τότε ο αφρός μπορεί να διασταλεί και να καταλάβει τον κενό χώρο ( κατευθυνόμενος προς το κέντρο βάρους), προσδίδοντας μια σίγουρη μηχανική υποστήριξη κατά τη διάρκεια της αφροποίησης. Επίσης, η θερμική αγωγιμότητα μεταξύ του περιβλήματος και του αφρού προστατεύει το περίβλημα από την υπερθέρμανση κατά την διάρκεια της αφροποίησης. Τρίτη περίπτωση αποτελεί η μέθοδος κατά την οποία δύο σωλήνες προσαρμόζονται ομοαξονικά και αποτελούνται από υλικά που έχουν μεταξύ τους μεταλλουργική συνάφεια. Το υλικό του εσωτερικού σωλήνα θα αποτελέσει το παράγοντα αφροποίησης ενώ ο εξωτερικός σωλήνας αποτελείται από ένα κοινό κράμα αλουμινίου. Το επόμενο βήμα είναι το εσωτερικό υλικό θερμαινόμενο να διασταλεί και να κατευθυνθεί προς τη νοητή αξονομετρική γραμμή γεμίζοντας το χώρο. Άλλη μέθοδος είναι η παραγωγή αφρού αλουμινίου με πυκνό εξωτερικό περίβλημα, με θερμικό ψεκασμό αλουμινίου επάνω σε προ-μορφοποιημένο κορμό αφρού αλουμινίου, όπως φαίνεται και στη φωτογραφία 13. Φωτ. 13-Αφρός αλουμινίου με επικάλυψη από αλουμίνιο (πηγή: Fraunhofer and RWTH Aachen, το μήκος του τεμαχίου είναι περίπου 6 mm ). Το κάτω μέρος του δείγματος είναι πριν από την επικάλυψη, το μεσαίο τμήμα μετά τον θερμικό ψεκασμό και το πάνω μέρος είναι η τελική μορφή. 14

15 Τέλος αφροί από αλουμίνιο μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν πυρήνες στον παραδοσιακό τρόπο της χύτευσης (sand casting), κατά τον οποίο δημιουργούνται υλικά στα οποία ο μεταλλικός αφρός περικλείεται από το υλικό της χύτευσης. Ο αφρός αλουμινίου μπορεί να συνδυαστεί με επιφανειακά φύλλα από χάλυβα ή τιτάνιο. Πρόσφατα έχει ληφθεί μέριμνα να μην τήκονται τα επιφανειακά φύλλα κατά την διάρκεια της αφροποίησης με την επιλογή κραμάτων με διαφορετικό σημείο τήξεως μεταξύ των υλικού αυτού και του πυρήνα. Τέτοιο είδος υλικού φαίνεται στη φωτογραφία 14. Φωτ. 14-Αφρός αλουμινίου/αλουμινίου (aluminium/aluminium) τύπου sandwich που περιέχει TiH 2 σαν παράγοντα δημιουργίας φυσαλίδων (πηγή: Karmann and Fraunhofer). Το πάχος είναι περίπου 1 mm. Με βιομηχανικό τρόπο μπορούν να κατασκευασθούν επίσης κεραμικά με μεταλλικό αφρό. Αφρός αλουμινίου (AlSi12) μπορεί να μεταφερθεί διαχυτικά σε ελάσματα αλουμινίου σε θερμοκρασία 5 ο C με πίεση 1 kpa σε κενό. Άλλος τρόπος κατασκευής είναι αφρός αλουμινίου από κράμα 661, ο οποίος τοποθετείται σε ελάσματα αλουμινίου με αυτοκαταλυτική μέθοδο και αφήνεται να διασταλεί μεταξύ δύο κεραμικών επικαλύψεων προκαθορισμένης απόστασης. Τα περισσότερα κομμάτια μεταλλικών αφρών μπορούν να κατασκευασθούν με απλούς φούρνους του εμπορίου στους οποίους υπάρχει σχετικά ομοιόμορφη θερμοκρασιακή κατανομή. Ωστόσο για μια συμφέρουσα παρασκευή μεγάλης κλίμακας, είναι προτιμότερο να χρησιμοποιούμε συνεχείς φούρνους στους οποίους το πρόδρομο υλικό που προορίζεται για αφροποίηση είτε είναι σε κατάλληλα καλούπια είτε σε προκαθορισμένη μορφή φύλλων χωρίς καλούπια να μεταφέρεται διαμέσου διαφόρων ζωνών θερμότητας, όπου και θα αφροποιείται και τελικά θα ψύχεται. Ακόμη η παραπάνω μέθοδος μπορεί να βελτιωθεί χρησιμοποιώντας καλούπια που γεμίζουν και αδειάζουν αυτόματα. Με τον τρόπο αυτό θα μπορούσαμε να αποφύγουμε να ψύχουμε τα καλούπια στην επιθυμητή θερμοκρασία μετά από κάθε κύκλο αφροποίησης. Το καλούπι μπορεί να χρησιμοποιείται μεταξύ της θερμοκρασίας αφροποίησης και στην ελάχιστη θερμοκρασία κατά την οποία ο αφρός αρχίζει να γίνεται στερεό. Με τον τρόπο αυτό μπορούμε να εξοικονομήσουμε 15

16 ενέργεια, να μειώσουμε δραματικά το χρόνο αφροποίησης ενός τεμαχίου και να ελαχιστοποιήσουμε το κόστος λειτουργίας του εργαστηρίου. Ψευδάργυρός (Zinc) Ο ψευδάργυρος μπορεί να αφροποιηθεί με την τεχνική της κονιομεταλλουργίας. Σαν στοιχείο αφροποίησης χρησιμοποιείται TiH 2. Οι διαδικασίες ανάμιξής και οι ιδιότητες της σκόνης είναι ανάλογες με αυτές του αλουμινίου. Μόνο η πίεση και η θερμοκρασία αφροποίησης πρέπει να επιλεχθούν σε πιο χαμηλά επίπεδα, καθώς η θερμοκρασία τήξης του Zinc είναι 419 C. Ο συγκεκριμένος αφρός εμφανίζει πολύ ομοιόμορφη δομή, πράγμα που οφείλεται στο ότι η θερμοκρασία διάσπασης του TiH 2 είναι κοντά σε αυτήν της τήξης. Έτσι συμβαίνει ταυτόχρονα το λιώσιμό και η εμφάνιση πόρων. Μόλυβδος (Lead) Ο μόλυβδος και τα κράματά του, όπως Pb-Sn και Pb-Sb αφροπιούνται με μια άλλη διαδικασία. Το TiH 2 δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν πηγή αερίου εξαιτίας της χαμηλής θερμοκρασία τήξης του καθαρού Pb (327 C) και της ακόμη χαμηλότερης των κραμάτων του. Καλά αποτελέσματα επιτυγχάνονται με χρήση καρβιδίων του μόλυβδου. Φωτ Τομή δείγματος αφρού μολύβδου Τιτάνιο(Ti) Εξαιτίας του υψηλού σημείου τήξης (167 C) και της σχετικά χαμηλής πυκνότητας (4,51 g/cm 3 ) το τιτάνιο και τα κράματά του είναι εξαιρετικά υλικά για ελαφριές κατασκευές σε υψηλές θερμοκρασίες και χρησιμοποιούνται ευρέως στην αεροναυπηγική. Οι αφροί του τιτανίου έχουν το θετικό του επιπλέον μειωμένου βάρους, ενώ είναι κατάλληλοι και για εφαρμογές όπου χρειάζεται ανοιχτών πόρων δομή. Υπάρχουν πολλές μέθοδοι παραγωγής, οι περισσότερες από τις οποίες 16

17 στηρίζονται στην κονιομεταλλουργία. Πολλές είναι ακόμη στο στάδιο της έρευνας. Από τις πιο ανεπτυγμένες είναι η θερμή ισοστατική πίεση σκόνης τιτανίου και η παγίδευση αερίου, η οποία έχει χρησιμοποιηθεί επιτυχώς σε κάποιες αεροπορικές εφαρμογές. Επίσης, μεταλλικές κοίλες σφαίρες μπορούν να παραχθούν, χρησιμοποιώντας χημικές μεθόδους για επικάλυψη σφαιρών πολυστυρένιου (styrofoam). Δίνοντας το επιθυμητό σχήμα (shaping) και μετά συμπυκνώνοντας (sintering) παίρνουμε υλικά με πολύ χαμηλό πορώδες. Μια από τις πιο υποσχόμενες μεθόδους για παραγωγή ανοιχτών κυψελίδων δομής είναι η συμπύκνωση (sintering) ενός πεπιεσμένου μίγματος σκόνης τιτανίου και σωματιδίων (space holders), τα οποία όταν απομακρυνθούν δημιουργούν κενό στη θέση που προϋπήρχαν. Σαν space holders μπορούν να χρησιμοποιηθούν ενώσεις με βάση την αμμωνία, ή οποία μπορεί να απομακρυνθεί με θέρμανση στους 2 C. Χάλυβας (steel) Μία από τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται σε αυτή την κατηγορία είναι η Powder-Compact Foaming Technique. Προσοχή πρέπει να δοθεί στην επιλογή κατάλληλων στοιχείων που προκαλούν την αφροποίηση, στην ανάπτυξη κραμάτων ικανά γι αυτήν τη διαδικασία, στην εκτίμηση των διαφόρων μεθόδων συμπίεσης και, τέλος, στην προσαρμογή την μεθόδου αφροποίησης. Οι βασικές απαιτήσεις για το μέσον της αφροποίησης είναι σημείο εκπομπής πάνω από 1-12 C, ανάλογα με το σημείο τήξης του κράματος, ευρύ θερμοκρασιακό πεδίο εκπομπής αερίου, και επαρκής όγκος απελευθερούμενου αερίου. Καλές ιδιότητες έχει βρεθεί ότι έχουν μεταλλικά νιτρίδια και ανθρακικά άλατα. Μια άλλη μέθοδος είναι η παραγωγή από μίγματα σκόνης-πληρωτικού υλικού (fillers). Αφού ετοιμαστεί το κατάλληλο μίγμα, συμπιέζεται, ενώ συχνά προστίθενται πρόσθετα υλικά για καλύτερη αντοχή. Προαιρετικά μπορεί να γίνει ξήρανση. Μετά, το πληρωτικό υλικό απομακρύνεται με θερμικές ή χημικές διαδικασίες. Τέλος, ακολουθεί συμπύκνωση (sintering). Φωτ.16-Αφροί βασισμένοι σε χάλυβα, με διαφορετικό ποσοστό SrCO 3, %-.25%-.5% 17

18 Η Μέθοδος Διήθησης (Infiltration) και Αντιγραφής (Replication) για την παραγωγή μεταλλικών σπόγγων. Η διαδικασία της αντιγραφής μιας δομής είναι γνωστή στη μεταλλουργία εδώ και αιώνες. Για παράδειγμα, στη χύτευση το μέταλλο αναπαράγει την αρνητική φόρμα του καλουπιού. Στα πορώδη υλικά ο όρος «Replication» αναφέρεται στην αντιγραφή μιας ανοιχτών πόρων αρχιτεκτονικής ενός πορώδους υλικού. Τρία είναι τα βασικά στάδια αυτής της διαδικασίας: Προετοιμασία ενός μετακινούμενου προπλάσματος-προτύπου Διείσδυση και πλήρωση του καλουπιού Απομάκρυνση του προπλάσματος Σχ.17- Διαδικασία αντιγραφής Σε κάποιες περιπτώσεις ακολουθεί και ένα τέταρτο βήμα, όπως πυρόλυση, που μπορεί να απαιτείται για να μεταφερθεί το πορώδες πλέγμα στην επιθυμητή φάση. Η δομή και η αρχιτεκτονική του μεταλλικού σπόγγου είναι ευέλικτη και καθορίζεται από το πρότυπο. Το πορώδες κυμαίνεται από 55% μέχρι 98% και έχουν επιτευχθεί πόροι με μέγεθος 1μm. Η διαδικασία μπορεί να ακολουθηθεί για, θεωρητικά, όλα τα κράματα που μπορούν να χυτευθούν, με το ανάλογο, κάθε φορά, πρόπλασμα. Η βασική απαίτηση για το πρότυπο είναι πως όταν έρθει σε επαφή με το μέταλλο, σε θερμοκρασίες χύτευσης, πρέπει να είναι χημικά σταθερό και να μην αντιδράσει με το χυτό. Επιπλέον, μετά τη διείσδυση, θα πρέπει να υπάρχει ένα ανοιχτό δίκτυο, ανάμεσα στους μεταλλικούς συνδέσμους, ούτως ώστε να μπορεί να απομακρυνθεί το πρότυπο. Υπάρχουν τέσσερις βασικοί τύποι προτύπων: 18

19 Συνεχή πυρίμαχα: σπόγγοι πολυουρεθάνης μη συνεχή πυρίμαχα: μικρά χυτά σφαιρίδια καύσιμα: πολυστερίνη επικαλυμμένη με ρητίνες διηθητά.: άλατα (NaCl) Σχ. 18- Παραγωγή κυψελοειδών μετάλλων με χύτευση με εσωτερική επένδυση πολυμερικού αφρού Η διείσδυση του χυτού γίνεται είτε φυσικά, με τη βαρύτητα, είτε σε κενό ή και με κάποια πίεση, για καλύτερα αποτελέσματα. Ο τρόπος απομάκρυνσης του προπλάσματος είναι ανάλογος του υλικού από το οποίο είναι. Έτσι, τα πυρίμαχα απομακρύνονται με ψεκασμό νερού κατάλληλα, έτσι ώστε αυτό να σπάει και να απομακρύνεται, χωρίς όμως να καταστρέφεται η μεταλλική μήτρα. Τα πολυμερή καίγονται. Τα διηθητά διαλύονται με τοποθέτηση του τεμαχίου σε νερό ή κάποιο διαλύτη. Στην τελευταία περίπτωση χρειάζεται κάποια ηλεκτρολυτική προστασία το μέταλλο για να αποφευχθεί διάβρωσή. Σχ.19- Παρουσίαση μεθόδων Αντιγραφής 19

20 Φωτ. 2-Αριστερά:Εικόνα SEM από "Duocel", δεξιά: μερικά υλικά που έγιναν με χύτευση με εσωτερική επένδυση πολυμερικού αφρού (ο μεγάλος κύλινδρος έχει διάμετρο περίπου 4 mm ). Μέθοδοι στερεάς φάσης και εναπόθεσης ιζήματος Μια πρακτική διαφοροποίηση ανάμεσα σε αυτές τις μεθόδους, μπορεί να γίνει με τη βοήθεια δύο κατασκευαστικών παραμέτρων, όπως φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Τα κριτήρια «μορφοποίηση της κυψελοειδούς δομής» και «μορφοποίηση των κελιών» έχουν άμεση συνέπεια για την ίδια την διαδικασία, όπως επίσης και για τις ιδιότητες του υλικού. Σχ.21- Μέθοδοι στερεάς φάσης και εναπόθεσης 2

21 Σχετικά με την ταξινόμηση, η κατασκευή της κυψελοειδούς δομής γίνεται είτε με χτίσιμο από ξεχωριστές κυψελίδες, είτε από ακατέργαστη α ύλη. Η μορφοποίηση των ίδιων των κελιών μπορεί να γίνει με τη βοήθεια ενός αναλώσιμού πυρήνα (lost core) ή με μια διαδικασία χωρίς πυρήνα. Γενικά, ή μορφοποίηση από ξεχωριστές κυψελίδες δίνει τη δυνατότητα πολύ κλειστού ελέγχου των ιδιοτήτων την δομής. Παρόλα αυτά, στις περισσότερες περιπτώσεις απαιτούν πιο πολλά βήματα από την άλλη διαδικασία. Οι διαδικασίες που χρησιμοποιούν αναλώσιμούς πυρήνες έχουν την προδιάθεση να εισάγουν στα διάκενα του πλέγματος ανεπιθύμητες ουσίες, όπως άνθρακας ή οξυγόνο, αφού οι πυρήνες είναι συνήθως υδρογονάνθρακές. Αυτές, πρέπει να απομακρυνθούν θερμικά, πράγμα που απαιτεί επιπρόσθετο χρόνο. Συμπερασματικά, υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία μεθόδων στερεάς φάσης και εναπόθεσης, οι οποίες έχουν, η καθεμία, προτερήματα και μειονεκτήματα. Η μέθοδος που θα ακολουθηθεί, εξαρτάται πάρα πολύ από την εφαρμογή για την οποία προορίζεται το υλικό. Μορφοποίηση από ξεχωριστές κυψελίδες (single cell):μέθοδοι χωρίς πυρήνα -Δομές από κοίλες σφαίρες, φτιαγμένες από ψεκασμό κόνεων Είναι γνωστό ότι με ψεκασμό αερίου μπορούν να δημιουργηθούν ξεχωριστά κοίλα σωματίδια, εξαιτίας της παγίδευσης αερίου,μέσα στο υγρό. Με κατάλληλες μεθόδους διαχωρισμού, αυτά τα κοίλα σωματίδια μπορούν να ξεχωρισθούν και να συγκεντρωθούν έτσι ώστε να δημιουργήσουν μια δομή. Τυπικές διαστάσεις τους είναι 5-1μm διάμετρος και 1-3μm πάχος τοιχώματος. Ο διαχωρισμός μπορεί να γίνει με συμπύκνωση (sintering), με στιγμιαία συμπύκνωση υγρή φάσης (transient liquid phase sintering) και θερμή ισοστατική πίεση. Δημιουργούνται δομές από TiAlV 64 όπως και από υπερκράματα νικελίου. Φωτ.22- Δομές από κοίλες σφαίρες, φτιαγμένες από ψεκασμό κόνεων 21

22 -Δομές από κοίλες σφαίρες, φτιαγμένες από ομοαξονικό ψεκασμό διαλυμάτων Κοίλες σφαίρες μπορούν να παραχθούν με ψεκασμό ενός διαλύματος σκόνης, που περιέχει έναν διαλύτη και μία πολυμερή κολλητική ουσία μέσω ενός ακροφυσίου. Λόγω υδροδυναμικής αλληλεπίδρασης στο εσωτερικό του, δημιουργούνται ξεχωριστές φυσαλίδες. Κατά την πτήση τους σφαιροποιούνται και στεγνώνουν. Το αποτέλεσμα είναι κοίλες σφαίρες με διάμετρο 1-6mm και κλειστό έλεγχο των διαστάσεών τους (±4%). Θερμαίνονται για να απομακρυνθούν οι οργανικές κολλητικές ουσίες, και συμπυκνώνονται σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Για να δημιουργηθεί μία οντότητα από αυτά τα σωματίδια, τοποθετούνται σε καλούπι, όπου συγκολλούνται με διάχυση ή συμπύκνωση, με τη βοήθεια και κάποιου μεταλλικού διαλύματος. Φωτ 23. Πλάκες αφρού με δύο διαφορετικές πυκνότητες και μεγέθη κελιών με την μέθοδο ψεκασμού αερίου (πηγή: Hydro Aluminium, Norway). Μορφοποίηση από ξεχωριστές κυψελίδες: Μέθοδοι αναλώσιμου πυρήνα. -Δομές από κοίλες σφαίρες, φτιαγμένες με συγκόλληση και συμπύκνωση Όταν διαλυμένα σφαιρικά σωματίδια τοποθετηθούν σε διάλυμα αναδευόμενου CuSO 4, τότε γίνεται η παρακάτω αντίδραση: Cu 2+ + Fe <=> Cu + Fe 2+ Αυτή οδηγεί σε διάλυση του σιδήρου και εναπόθεση σωματιδίων χαλκού. Έτσι φτιάχνονται σκόνες χαλκού με διάμετρο σωματιδίων 5-75mm. Τα τοιχώματά τους είναι αρκετά τραχιά και έχουν πάχος μερικές εκατοντάδες μικρά. Χρειάζονται, όμως, περαιτέρω επεξεργασία, όπως επικάλυψη με κασσίτερο, για να αποκτήσουν ικανοποιητική αντοχή. Στο τέλος, τοποθετούνται σε καλούπι και συγκολλούνται με sintering. 22

23 -Δομές από κοίλες σφαίρες, φτιαγμένες από γαλβανικά επικαλυμμένες σφαίρες πολυστυρένιου (styrofoam) Εδώ, οι σφαίρες φτιάχνονται από γαλβανικά επικαλυμμένες σφαίρες πολυστυρένιου (styrofoam), οι οποίες δρουν σαν αναλώσιμος πυρήνας (lost core) και απομακρύνονται με κάποια θερμική κατεργασία. Η διάμετρός τους κυμαίνεται από 2 μέχρι 1 mm. Εμφανίζουν εξαιρετική ομοιομορφία στο πάχος των τοιχωμάτων των κελιών. Όμως παχύτερα τοιχώματα είναι πολύ ακριβά στην κατασκευή. Τα υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σ αυτή τη διαδικασία είναι μόνο αυτά που είναι κατάλληλα για γαλβανική εναπόθεση, όπως χαλκός και νικέλιο. Για την κατασκευή μια δομής, τα σφαιρίδια συγκολλούνται με μπρουτζοκόλληση ή συγκόλληση με διάχυση. Φωτ.24- Δομές, φτιαγμένες από γαλβανικά επικαλυμμένες σφαίρες (styrofoam) πολυστυρένιου -Δομές από κοίλες σφαίρες πολυστυρένιου (Styrofoam), επικαλυμμένες σε ρευστοποιημένη κλίνη Όπως και στην προηγούμενη μέθοδο, έτσι και εδώ κατασκευάζονται κοίλες σφαίρες με επικάλυψη σφαιριδίων Styrofoam, όταν αυτά εισέλθουν σε αιώρημα που περιέχει μεταλλική σκόνη και συγκολλητικές ουσίες. Τα νέα σωματίδια, τοποθετούνται σε καλούπι και συμπιέζονται. Σε αυτήν τη φάση ο πυρήνας βοηθάει να αποφευχθεί η κάμψη των τοιχωμάτων και οδηγεί σε πιο ομοιόμορφη κατανομή των κελιών. Ακολουθεί συμπύκνωση. Επιτυγχάνονται διάμετροι τις τάξεως,5-1mm και πάχος τοιχώματος 1-1μm. Σε αυτή τη διαδικασία μπορούν να χρησιμοποιηθούν 23

24 διάφορα μέταλλα και κράματα Η έρευνα εστιάζεται στον ανοξείδωτο χάλυβα και σε οξείδια του σιδήρου. Σχ.25- Διαδικασία με κοίλες σφαίρες πολυστυρένιου (Styrofoam), επικαλυμμένες σε ρευστοποιημένη κλίνη Ένα από τα πλεονεκτήματα των δομών με κοίλες σφαίρες είναι ότι το μέγεθος των πόρων δεν διαμορφώνεται με τυχαίο τρόπο όπως στις περιπτώσεις των παραγράφων , αλλά μπορεί να ρυθμιστεί με κατάλληλη επιλογή των σφαιριδίων. Οι μηχανικές και οι άλλες φυσικές ιδιότητες των δομών με κοίλες σφαίρες είναι πιο προβλέψιμες απ ότι των «πραγματικών» αφρών με το τυχαίο μέγεθος πόρων. Ένα επιπλέον πλεονέκτημα είναι ότι μια μεγάλη ποικιλία υλικών κατάλληλα για τη κονιομεταλλουργία μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη διαδικασία αυτή όπως υπερκράματα, κράματα τιτανίου και διαμεταλλικές ενώσεις. Οι κατασκευές από κοίλες σφαίρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών. Φωτ. 26.Ανοικτή δομή κοίλων σφαιρών κατασκευασμένων από ανοξείδωτο χάλυβα με sintering: μετά και πριν την αξονική παραμόρφωση. Η διάμετρος των αντικειμένων είναι περίπου 2 mm (πηγή: Fraunhofer). 24

25 Αφροποίηση στερεών Η έρευνα σε αυτόν τον τομέα εστιάζει στη δημιουργία sandwiches TiAlV 64, με πορώδη πυρήνα. Αυτό επιτυγχάνεται με κονσερβάρισμα σκόνης TiAlV 64 σε μεταλλικό καλούπι. Ακολουθεί θερμή ισοστατική πίεση για να γίνει η συνένωση και μετά θερμή σφυρηλασία ή διέλαση για τη δημιουργία εξωτερικού ελάσματος. Τέλος, ακολουθεί θέρμανση σε θερμοκρασίες 9 C-12 C για να γίνει διαστολή των πόρων. Η σχετική πυκνότητα που παίρνουμε είναι,65-,5. Ένα πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η δυνατότητα κατασκευής μεγάλων ελασμάτων (2mm x 12mm x 4mm). Σχ.27- Αφροποίηση στερεών 25

26 Φωτ. 28. Δομή TiAl6V4 τύπου sandwich με πορώδη πυρήνα κατασκευασμένο με την τεχνική παγίδευσης αερίου Μέθοδος με εναπόθεση Η τεχνική αυτή απαιτεί την ύπαρξή ενός προτύπου, πάνω στο οποίο θα επικαθίσει το μέταλλο. Συνήθως χρησιμοποιείται κάποιος αφρός πολυμερούς, ο οποίος απομακρύνεται στο τέλος με θερμική ή χημική κατεργασία. Το μέταλλο επικάθεται σε ιονική μορφή, γαλβανικά ή ηλεκτρολυτικά. Υλικά που συνήθως χρησιμοποιούνται είναι νικέλιο, νικέλιο-χρώμιο, χαλκός και τιτάνιο. Για να υπερπηδήσουμε τους περιορισμούς στα υλικά, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το μέταλλο σε αέρια φάση. 26

27 Εναλλακτικά για την κατασκευή αφρού νικελίου, μπορούμε να κάνουμε χρήση ενός πολύ αποδοτικού τρόπου με καρβονύλιο του νικελίου για την επικάλυψη του πρόδρομου υλικού με νίκελ σε χαμηλή θερμοκρασία. Το καρβονύλιο του νικελίου παρασκευάζεται κατά την αντίδραση: Ni + 4CO Ni(CO) 4 Το καρβονύλιο του νικελίου είναι αέριο το οποίο αποσυντίθεται σε νικέλιο και μονοξείδιο του άνθρακα, όταν θερμαίνεται πάνω από τους 12 ο C. Επομένως μπορούμε να περιβάλουμε το πολυμερές υλικό, αφήνοντας ρεύμα αέριου καρβονυλίου του νικελίου να οδηγηθεί σε αυτό. Το νικέλιο μορφοποιείται κατά τη διάρκεια της αποσύνθεσής του και συσσωρεύεται πάνω στο πρόδρομο υλικό, δημιουργώντας μεταλλική επένδυση. Το πολυμερές μπορεί απλά να κρατηθεί στη θερμοκρασία του καρβονυλίου χρησιμοποιώντας υπέρυθρη θερμότητα. Μετά την ψύξη το πολυμερές μπορεί να απομακρυνθεί με θερμική ή χημική κατεργασία. Οι αφροί νικελίου που παράγονται με τον τρόπο αυτό είναι εμπορικά διαθέσιμοι με το όνομα Incofoam (σχήμα 29) και με πάχος φύλλων πάνω από 3.3 mm. Έχουν πυκνότητα που κυμαίνεται από.2 έως.6 g/cm 3 και με καθαρότητα υλικού πολύ υψηλή (99.97% Ni) και δύναμη εφελκυσμού γύρω στα.6 MPa για μέτρια πυκνότητα. Φωτ. 29. Δείγμα "Incofoam" κατασκευασμένο από καρβονύλιο του νικελίου (2 ppi) 27

28 2.2 ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΕΙΣ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΑΦΡΩΝ Η παρουσίαση νέων υλικών στην πράξη απαιτεί κατάλληλα ανεπτυγμένη τεχνολογία για την μηχανουργική τους κατεργασία, την μορφοποίηση τους, την επιφανειακή τους επικάλυψη ή την συγκόλληση τους. Μέχρι τώρα έχει δοθεί μεγάλη σημασία στην προετοιμασία τους καθώς και στην αξιολόγηση των μηχανικών και φυσικών τους ιδιοτήτων χωρίς όμως οι τρόποι κατεργασίας τους να έχουν τύχει της ιδίας προσοχής. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι τα ακόλουθα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των μεταλλικών αφρών απαιτούν μια συγκεκριμένη προσέγγιση όσο αναφορά την παρασκευή τους. Τέτοια χαρακτηριστικά είναι: Αντοχή σε κρούσεις (δύσκολη μορφοποίηση και κατεργασία) Υψηλή ευαισθησία σε αξονικές καταπονήσεις (δύσκολη μορφοποίηση) Ατέλειες σε κυτταρικά τοιχώματα και στην επιφάνεια (δύσκολη επικάλυψη) Παρουσία οξειδίων στην επιφάνεια(δύσκολη επικάλυψη και συγκόλληση) Παρουσία των στερεοποιητικών κεραμικών (δύσκολη κατεργασία) Εξαρτήματα που έχουν παραχθεί από μεταλλικούς αφρούς έχουν συνήθως πλεγματική δομή η οποία γίνεται με αφροποίηση του τηγμένου μετάλλου. Αυτά τα πορώδη εξαρτήματα είναι πάντα καλυμμένα με ένα μικρό επιφανειακό στρώμα. Μολαταύτα, αυτή η λεπτή επιφάνεια, συνήθως περιέχει διάφορα ελαττώματα όπως μικρές οπές ή μικροραγίσματα έτσι ώστε να μην μπορεί να θεωρηθεί εντελώς συμπαγής. Η επιφάνεια αυτή βελτιώνει αισθητά τις ιδιότητες και την εμφάνιση του εξαρτήματος μας, έτσι είναι ανεπιθύμητο να την αφαιρέσουμε, μην παραβλέποντας παράλληλα και το γεγονός ότι είναι και μια πολυέξοδη διαδικασία. Υπάρχουν και άλλα κυψελοειδή μέταλλα που έχουν δημιουργηθεί με διάφορα καλούπια. Έχουν ανοιχτή δομή και δεν έχουν εξωτερικό περίβλημα (το καλούπι πρέπει να απομακρυνθεί από τη δομή μετά την στερεοποίηση). Είναι φανερό ότι οι κατεργασίες αυτών των δύο ειδών δομών είναι πολύ διαφορετικές. Μηχανουργικές κατεργασίες. Οι μηχανουργικές κατεργασίες των αφρών που έχουν τη δομή δικτυώματος καταστρέφουν το εξωτερικό περίβλημα και αποκαλύπτουν την εσωτερική δομή των πόρων. Ένας τρόπος για να αποφύγουμε τις μηχανουργικές κατεργασίες είναι να έχουμε ήδη λάβει μέτρα στο στάδιο του σχεδιασμού. Όμως, ακόμα και οι καλά σχεδιασμένοι αφροί χρειάζεται να κοπούν και να φρεζαριστούν. Τα κυψελοειδή μέταλλα μπορούν γενικά να κοπούν με όλες τις κοινές μεθόδους, όμως το να πετύχουμε μια υψηλής ποιότητας επιφάνεια είναι αρκετά πιο ακριβό από ότι θα ήταν για κάποιο άλλο υλικό. Αν έχουν χρησιμοποιηθεί κεραμικά υλικά για την σταθεροποίηση του υγρού αφρού, η εκτεταμένη φθορά των κοπτικών εργαλείων πρέπει να ληφθεί υπ`όψη. Οι κοινές κατεργασίες προκαλούν λύγισμα των λεπτότοιχων πόρων των ελαστικών κραμάτων και θραύση των ψαθυρών κραμάτων. Τα τοιχώματα των πόρων κάμπτονται ή θραύονται στο λεπτότερο σημείο τους, το οποίο συνήθως βρίσκεται έξω από το επίπεδο κοπής. Αυτό μας οδηγεί σε μια χαμηλής ποιότητας επιφάνεια κοπής και χαμηλή ακρίβεια. Η ακρίβεια και η ποιότητα της επιφάνειας κοπής επηρεάζεται σημαντικά από την τήξη των λεπτών τοιχωμάτων και την εξάπλωσή του τήγματος στο κοπτικό εργαλείο. Η υψηλή συγκέντρωση σε 28

29 πόρους και η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα δεν επιτρέπουν την επαρκή ψύξη κατά την κατεργασία. Αντίθετα η τήξη και το καμπύλωμα των τοιχωμάτων των πόρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την σκλήρυνση της επιφάνειας κοπής. Αν χρειαζόμαστε μια καλή μηχανική επιφάνεια, οι παραδοσιακοί τρόποι κατεργασίας δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Η κατεργασία με ηλεκτρική εκκένωση φαίνεται να είναι η πιο κατάλληλη καθώς αποφεύγονται μηχανικές ατέλειες στα τοιχώματα. Το υλικό στο επίπεδο κοπής απλά καίγεται. Το αποτέλεσμα είναι μια καθαρή επιφάνεια κοπής (χωρίς συμπιεσμένο υλικό στην επιφάνεια των πόρων) και καλή διαστατική ακρίβεια. Η ταχύτητα της κατεργασίας με ηλεκτρική εκκένωση είναι ουσιαστικά μεγαλύτερη στα πορώδη υλικά σε σχέση με τα συμπαγή. Το κύριο μειονέκτημα αυτής της διαδικασίας είναι ότι πρέπει να χρησιμοποιούμε διηλεκτρικό υγρό το οποίο στο τέλος πρέπει να αφαιρείται με καύση, πράγμα που το κάνει επιβαρυντικό για το περιβάλλον. Η ποιότητα που έχουμε γενικά είναι αρκετά καλή, σε σχέση με το κλασσικό κόψιμο με πριόνι καθώς δεν λαμβάνει χώρα λύγισμα των τοιχωμάτων. Πάντως, όσο η ταχύτητα κοψίματος και το πάχος αυξάνει, η ποιότητα της κάτω επιφάνειας χειροτερεύει εξαιτίας της διασποράς της ακτίνας. Το ίδιο αποτέλεσμα έχουμε και όταν κόβουμε με πλάσμα ή με laser. Μερικές φορές η κοίλανση επίπεδων τμημάτων είναι απαραίτητη. Κατά την διάρκεια αυτής της κοίλανσης, ρωγμές ξεκινούν στα επίπεδα που καταπονούνται από αξονικά φορτία και στη συνέχεια διαδίδονται μέσα στο υλικό. Η κοίλανση μπορεί να πραγματοποιηθεί χωρίς ζημιά με αύξηση της πλαστικότητας των τοιχωμάτων ή με αύξηση του πάχους της πλάκας. Αυτό είναι εφικτό μόνο για αφρούς που έχουν γίνει από όλκιμα υλικά και σε ανεβασμένες θερμοκρασίες. Επιφανειακή επικάλυψη Για επιφανειακές επικαλύψεις εφαρμόζονται οι ίδιες αρχές που εφαρμόζονται και στα άλλα κυψελοειδή υλικά, όμως, η σπογγώδης συμπεριφορά της πορώδους δομής τους πρέπει να ληφθεί υπ` όψη, διότι περιορίζει σημαντικά αυτές τις επιφανειακές κατεργασίες στις οποίες υπόκεινται τα εξαρτήματά μας. Οι αφροί από αλουμίνιο μπορούν επιμεταλλωθούν με ηλεκτρόλυση, αλλά η αφαίρεση του ηλεκτρολύτη από τη δομή είναι απαραίτητη για να αποφευχθεί η διάβρωση. Εξαιτίας της μικροπορώδους δομής της εξωτερικής επιφάνειας, βαφή με ημίρρευστες βαφές είναι γενικά εφικτή. Αν μετά το τοποθετήσουμε στο φούρνο, μπορεί να οδηγηθούμε στο σχηματισμό φυσαλίδων στην επιφανειακή βαφή προκαλούμενη από την διαστολή αερίων μέσα στους πόρους και κατά την διάρκεια της προσπάθειας διαφυγής τους μέσα από τα μικροραγίσματα της επιφάνειας. Για αυτό προτείνεται να αφήνουμε μερικές ελεύθερες επιφάνειες ώστε να μπορεί ο αφρός να «αναπνέει» σε θερμοκρασιακές μεταβολές. Εάν ο αφρός πρέπει να είναι ερμητικά κλειστός, τότε η διαδικασία της επικάλυψης πρέπει να γίνει σε απόλυτο κενό μέχρι να στερεοποιηθεί η επικάλυψη. Συνδέσεις Για πρακτικές εφαρμογές σε κυψελωτά μέταλλα, τεχνικές συνδέσεων είναι απαραίτητες. Καθώς η δομή αυτών των υλικών είναι παρόμοια με αυτή του ξύλου, μέθοδοι που χρησιμοποιούμε στα ξύλινα μέρη, ειδικά κόλληση με κόλα ή τοποθέτηση μαντάλων μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν στα κυψελωτά υλικά. Επιπλέον μέθοδοι για συνένωση μεταλλικών εξαρτημάτων, όπως ηλεκτροσυγκόλληση ή κασσιτεροκόλληση, είναι επίσης εφαρμόσιμες. 29

30 Το να ενωθούν αφροί με μπουλόνια είναι απλό, γρήγορο και εύχρηστο καθώς και αρκετά οικονομικό. Η συνένωση αυτή είναι επίσης και αποκολλήσιμη. Η δύναμη της σύσφιγξης εξαρτάται καταρχήν από την πυκνότητα και το μέγεθος των πόρων του αφρού και αυξάνεται αν χρησιμοποιούμε αφρό με εξωτερική επιδερμίδα. Επίσης, η δύναμη μπορεί να αυξηθεί σημαντικά εάν την τρύπα που έχουμε διανοίξει την γεμίσουμε με κάποιο κατάλληλο συγκολλητικό μέσο. Όπως προαναφέρθηκε οι αφροί μπορούν να ενωθούν μεταξύ τους και με κόλλες. Οι ενώσεις αυτές γίνονται γρήγορα και εύκολα ενώ πολλές φορές παρατηρείται η δύναμη τους να ξεπερνά και την εσωτερική δύναμη της δομής των αφρών. Όμως οι ενώσεις με κόλες έχουν και κάποια μειονεκτήματα όπως χαμηλή θερμοκρασιακή σταθερότητα, διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής της κόλας σε σχέση με το κολλημένο υλικό και η δημιουργία ενός μονωτικού στρώματος (θερμικού ή ηλεκτρικού). Τέλος θα πρέπει να λάβουμε υπόψη ότι με ένα τέτοιο είδος ένωσης αυξάνεται και το βάρος όλης της κατασκευής. Συγκόλληση Οι μεταλλικοί αφροί μπορούν σε γενικές γραμμές να συγκολληθούν, αρκεί βέβαια να έχουν κάποια καλή συγκολλησιμότητα. Οι ενώσεις με συγκόλληση είναι πολλά υποσχόμενες, όμως οι τεχνικές για αυτό απαιτούν περαιτέρω ανάπτυξη καθώς το κόστος είναι αρκετά υψηλό για τέτοιες εφαρμογές. Τα προβλήματα με την συγκόλληση βασίζονται στην μεγάλη διαφοροποίηση στο πάχος του εξωτερικού περιβλήματος του αφρού. Ο περιορισμός αυτός μπορεί να αποφευχθεί με μερικώς ελεγχόμενη εισαγωγή της θερμότητας π.χ. με συγκόλληση με laser. Καλές συγκολλήσεις μπορούν να επιτευχθούν εάν το προς αφροποίηση υλικό χρησιμοποιείται ως πληρωτικό μέσο. Γενικά, το να δίνουμε σχήμα σε ένα μεταλλικό αφρό είναι μια αρκετά δύσκολη υπόθεση εξαιτίας της ιδιαίτερής τους φύσης. Αν δουλεύουμε σε ανεβασμένες θερμοκρασίες γίνεται να έχουμε το αποτέλεσμα που θέλουμε χωρίς ιδιαίτερες ατέλειες και διατήρηση της αρχικής πορώδους δομής. Έτσι η κατανόηση της συμπεριφοράς κοντά στην solidus είναι απαραίτητη για την περαιτέρω διαδικασία κατεργασίας των αφρών. Πέρα από τα κραματικά στοιχεία, η διαδικασία παραγωγής επίσης επηρεάζει την θερμική συμπεριφορά. Υλικά που έχουν δημιουργηθεί με την τεχνική της συμπίεσης μεταλλικής σκόνης έχουν μια επιφανειακή επιδερμίδα που εμποδίζει την μετάδοση της θερμότητας από τον φούρνο μέσα στον αφρό. Υλικά που έχουν δημιουργηθεί με την διαδικασία της τήξης έχουν συνήθως πολλούς ανοιχτούς πόρους εξωτερικά έτσι ώστε η θερμότητα μέσα στο υλικό να επιταχύνεται. Συμπερασματικά το θερμοκρασιακό πεδίο της περιοχής που δουλεύουμε μπορεί να επιτευχθεί αρκετά πιο γρήγορα. Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας είναι το υλικό που προκάλεσε την αφροποίηση. Μέχρι την solidus οι μεταλλικοί αφροί δεν φαίνεται να έχουν κάποιες μόνιμες παραμορφώσεις. Όταν όμως την φτάνουν αφροί για παράδειγμα που έχουν παραχθεί με τη βοήθεια TiH 2 αρχίζουν να δημιουργούν νέους πόρους στα κυψελλικά τοιχώματα. Αυτό συμβαίνει καθώς το TiH 2 που έχει παραμείνει αρχίζει σε αυτή τη θερμοκρασία να διαχωρίζεται και να απελευθερώνει υδρογόνο ενώ παράλληλα το κράμα έχει αρχίσει να λιώνει. Η κυψελλωτή δομή αλλάζει καθώς η θερμοκρασία ανεβαίνει και όταν ξεπερνιέται η solidus ένας συνδυασμός από πόρους είναι εφικτός. Αντίθετα αφροί που έχουν παραχθεί με εμφύσημα αερίου δεν παρουσιάζουν μια τέτοια συμπεριφορά. Η δομή των πόρων παραμένει σταθερή και πάνω από την 3

31 solidus. Είναι φανερό ότι η θερμοκρασία πρέπει να βρίσκεται κάτω από την solidus για να αποφεύγεται το αδυνάτισμα των σχηματισμένων κομματιών με συγχώνευση των πόρων. Φωτ. 3- Επίδραση της θερμοκρασίας και του παράγοντα αφροποίησης κυψελλική δομη (αριστερά ΤiH 2 και δεξιά με εμφύσηση αερίου) στην Επικάλυψη με εναπόθεση ψεκασμού Ο θερμός ψεκασμός είναι μια επιφανειακή τεχνική που χρησιμοποιεί σκόνη τηγμένη από μια θερμική πηγή. Τα τηγμένα υλικά επιταχύνονται και εναποτίθενται πάνω στην επιφάνεια ώστε να δημιουργήσουν μια επικάλυψη με τη βοήθεια ενός μπεκ που φυσά αέριο. Η πηγή θερμότητας μπορεί να είναι ένα laser ή ένα ηλεκτρικό τόξο. Τα υλικά που εναποτίθενται μπορεί να είτε μέταλλα είτε κεραμικά είτε ακόμη και πλαστικά. Οι μηχανικές ιδιότητες των εναποθετημένων επιφανειών μετά από ψεκασμό δεν είναι ίδιες με αυτές του πρωτογενούς υλικού επειδή υπάρχουν διαφοροποιήσεις στη δομή τους. Τα ψεκασμένα αποθέματα παρουσιάζουν μια ανισοτροπική συμπεριφορά καθορισμένη από τη λαμελική δομή τους. Κατά την διάρκεια της γρήγορης ψύξης του λιωμένου υλικού εναπομένουσες τάσεις μαζί με ψαθυρές φάσεις που ήδη υπάρχουν, όπως π.χ. οξείδια μέσα στο στρώμα μπορεί να προκαλέσει τη λαμελική δομή να υποχωρήσει. Άρα η δύναμη που μπορεί να αντέξει η ψεκασμένη επιφάνεια είναι μικρότερη από αυτή που μπορούσε η πρωτογενής επιφάνεια. 31

32 Φωτ.-31Εναπόθεση σε αφρό αλουμινίου Όμως σιγά σιγά έχουν αναπτυχθεί ορισμένες μέθοδοι για να αναβαθμιστούν οι μηχανικές ιδιότητες της επιφάνειας. Με το να έχουμε προθερμάνει την προς ψεκασμό επιφάνεια, η ταχύτητα ψύξης καθώς και οι εσωτερικές τάσεις μπορούν να περιοριστούν. Επίσης, η χρήση αδρανούς αερίου αντί για πεπιεσμένο αέρα μειώνει το ποσό των ψαθυρών φάσεων στα ψεκασμένα αποθέματα. Επιπλέον αν έχουμε κάποια συνεκτικότητα των ουσιών που χρησιμοποιούμε έχουμε καλύτερη διάχυση και αποδοχή της λαμελικής δομής στην ψεκασμένη επιφάνεια. Ένα πράγμα που χρίζει ιδιαίτερης προσοχής είναι ότι το συνοριακό στρώμα ανάμεσα στο εναποθετημένο στρώμα και στην καρδιά του αφρού πρέπει να μπορεί να μεταφέρει όσο το δυνατόν περισσότερες διατμητικές τάσεις. Σε περίπτωση που το στρώμα δεν έχει προσφύσει καλά μπορεί να προκαλέσει σπασίματα εξαιτίας των διατμητικών τάσεων με αποτέλεσμα να «ξεφλουδίζει» με την διάδοση των ρωγμών και να οδηγούμαστε στην αποτυχία του εξαρτήματος. Σχ. 32-εναπόθεση με ψεκασμό 32

33 Ένωση μεταξύ μεταλλικών αφρών Καθώς οι κύριες απαιτήσεις της βιομηχανίας είναι οι συνένωση μεταλλικών αφρών με μεταλλικά πάνελ δεν δίνεται μεγάλη σημασία στην συνένωση μεταξύ των αφρών. Μεταξύ αφρών από αλουμίνιο είναι εφικτή συγκόλληση με laser. Εξαιτίας της κατάρρευσης την κυψελωτής δομής κατά την διάρκεια της συγκόλλησης πρέπει να χρησιμοποιηθεί μεγάλη ποσότητα πληρωτικού υλικού, πράγμα που αυξάνει την πυκνότητα της δομής στην περιοχή της ραφής. Ένα επιπλέον πρόβλημα που μπορεί να αντιμετωπίσουμε είναι το πάχος του δομής του αφρού διότι δεν θα κολληθεί το ίδιο σε ολόκληρα τη διατομή. Παράλληλα είναι περιορισμένες οι γεωμετρίες της συγκόλλησης που μπορεί να επιτευχθεί ειδικά για αφρούς αλουμινίου. Ένωση μεταξύ αφρού-πάνελ Ακολούθως θα επικεντρωθούμε σε διαδικασίες παραγωγής εξαρτημάτων από μεταλλικούς αφρούς και μεταλλικά πάνελ καθώς αυτά μπορούμε να τα χρησιμοποιήσουμε για την επιμέρους σκλήρυνση δομικών κομματιών της κατασκευής μας. Στις περισσότερες περιπτώσεις το αποτέλεσμα που παίρνουμε είναι το εξάρτημα μας να έχει μονόπλευρη προσβασιμότητα. Πάντως γενικά όλες οι γνωστές μέθοδοι συνένωσης είναι εφικτές. Έτσι έχουμε: Βίδες Μια σύνδεση μορφής δεν γίνεται μόνο με το χτύπημα ενός πριτσινιού αλλά και με το σπείρωμα μιας βίδας. Καθώς ο αφρός συμπιέζεται καθώς η βίδα οδηγείται μέσα, αρκετό υλικό είναι παρών για να συγκρατήσει το σπείρωμα. Έτσι έχουμε μια αρκετά καλά μηχανική σύνδεση η οποία όμως εξαρτάται άμεσα από την πυκνότητα του αφρού. Πριτσίνωμα Εξαιτίας της απαλής επιφάνειας του πριτσινιού υπάρχει μόνο ένας μηχανισμός για αυτήν την σύνδεση τριβής στην περιοχή του λεπτού τμήματος του πριτσινιού. Επειδή ο μηχανισμός της τριβής δεν είναι επαρκής για τους αφρούς πρέπει να χρησιμοποιήσουμε ένα εξόγκωμα στο κάτω τμήμα της κατασκευής του οποίου η διάμετρος είναι σημαντικά μεγαλύτερη από την προ-διάνοιξη τρύπας. Κόλληση Η κόλληση ανήκει στην κατηγορία των τεχνικών που δημιουργούν ένα μηχανισμό ένωσης των υλικών. Αυτό οφείλεται στις κολλητικές δυνάμεις ανάμεσα την επιφάνεια του υποστρώματος και της κόλας. Συμπερασματικά καλά κολλημένα αντικείμενα δεν πρέπει να αποτύχουν στην διεπιφάνεια καθώς οι κολλητικές δυνάμεις πρέπει να είναι μεγαλύτερες από τις συνεκτικές δυνάμεις της κόλας ή του υποστρώματος. Η κόλληση μπορεί να γίνει σε αφρούς ανεξάρτητα με το εάν αυτοί έχουν μια εξωτερική επιφάνεια από την διαδικασία της χύτευσης. 33