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Die
Erfindung betrifft ein Sinterverfahren zur Formgebung und Materialverarbeitung
infolge Verdichten und Verbinden von pulverförmigen Ausgangsstoffen,
das auf der gleichzeitigen Verwendung von Ultraschall und statischem
Druck beruht. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung
zum Sintern von pulverförmigen Ausgangsstoffen, die die gleichzeitige
Verwendung von Ultraschall und Druck zur Formgebung und Materialverarbeitung
ermöglicht.
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Als
gängige Verfahren zur Formgebung und Materialverarbeitung
werden auf dem die Erfindung betreffenden Gebiet gegenwärtig
das Sintern, das Schweißen, das Löten und das
Pressen angewendet. In Vorbereitung des Pressens ist dabei meist
ein zusätzlicher Binder notwendig, der die Presslinge nach
der Kompaktierung in einem ersten Schritt zusammenhält.
Bei konventionellen Presstechniken wird der Zusammenhalt der Probe
durch einen abschließenden Schritt des Sinterns sichergestellt.
Weiterentwicklungen der Techniken führten in der Vergangenheit
zum Ultraschallschweißen, Ultraschalllöten, Spark-Plasma-Sintering
(Funkenentladungssintern) und zum Schock-Compacting (Druckwellenkompaktierung).
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Das
Sintern wird als urformendes Fertigungsverfahren im Wesentlichen
in der Pulvermetallurgie und der Keramikherstellung, beziehungsweise der
Herstellung von Kompositen aus beiden, eingesetzt, wobei eine Umgehung
der Schmelze möglich ist. Vor dem Sintern werden Pulvermassen
zunächst so geformt, dass zumindest ein minimaler Zusammenhalt
der Pulverpartikel durch Verpressen oder ohne Pressschritt aus Suspensionen
gegeben ist. Im Folgenden werden nur Presstechniken weiter dargestellt.
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Das
vorgepresste Formteil, der sogenannte Grünling, wird im
Anschluss durch Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur
verdichtet und ausgehärtet. Diese thermische Verdichtung,
das Sintern, bei hohen Temperaturen zwischen 500°C und 2000°C
bewirkt eine deutliche Verringerung der Porosität und des
Volumens des Grünlings.
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Die
Festigkeit der Sinterkörper beruht auf den sich beim Sintern
gebildeten Sinterhälsen, die durch Oberflächendiffusion
oder eine Flüssigphasenbildung zwischen den Pulverpartikeln
entstehen.
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Als
abschließender Schritt kann der Sinterkörper kalibriert
werden, um eine sehr hohe Maßgenauigkeit, die durch den
nicht exakt bestimmbaren Volumenverlust nicht gegeben sein muss,
zu erreichen. Dabei wird der Sinterkörper erneut unter
hohem Druck in eine Form gepresst. Für sehr spröde Sinterkörper,
wie sie im Allgemeinen bei Keramiken entstehen, ist dieses letzte
Verfahren nicht möglich.
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Als
nachteilig erweisen sich der zusätrlich notwendige Sinterschritt
sowie die komplizierte Berechnung der sinterbedingten Schrumpfung
des Sinterkörpers. Außerdem werden die Materialien
einer langzeitigen Wärmeeinwirkung ausgesetzt, was die Herstellung
gewisser Verbundwerkstoffe verhindert. Dies ist dann der Fall, wenn
eine zu lange Diffusionszeit entsteht, bei der eine in diesem Falle
unerwünschte Mischung der chemischen Konstituenten stattfindet.
Die große Anzahl an Verfahrensschritten und die Notwendigkeit
einer Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen machen das
Verfahren des Sinterns kostenintensiv und zeitaufwändig.
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Beim
Ultraschallschweißen, als kontinuierliches Schweißverfahren,
werden von einem Generator erzeugte elektrische Schwingungen durch
einen Konverter in mechanische Schwingungen umgewandelt, die über
eine sogenannte Sonotrode als Schweißwerkzeug zu den zu
verbindenden Werkstücken geleitet werden. Durch die Reflexion
der mechanischen Schwingungen an der schallabstrahlenden Endfläche
der Sonotrode bildet sich eine stehende Welle aus, die die Energie
in die Werkstücke überträgt. Infolge
innerer Reibung erwärmen sich die zu verbindenden Werkstücke.
Durch Druckerzeugung werden die aufgewärmten Flächen
miteinander verbunden.
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In
der
EP 1 867 462 A2 wird
ein Ultraschallschweiß-Füge-Verfahren zum Verschweißen
zweier Fügepartner aus Kunststoff offenbart. Durch die durch
die Sonotrode eingeleiteten mechanischen Schwingungen und die dabei
entstehende Grenzflächenreibung im Inneren entsteht Wärme.
Des Material wird aufgeschmolzen. Unter Druck werden die Fügepartner
aufeinander gepresst. Nach dem Schweißvorgang und einer
Abkühlphase ist eine innige stoffschlüssige Verbindung
der Fügepartner hergestellt.
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Das
Ultraschallschweißen ist ausschließlich eine Methode,
um Verbindungen herzustellen. Eine dreidimensionale Formgebung ist
dabei nicht möglich. Neben diesem bedeutenden Nachteil
hat das Ultraschallschweißen den Vorteil, nicht an das
Vorhandensein elektrisch leitfähiger Materialien gebunden zu
sein.
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Das
Spark-Plasma-Sintering ist ein mit dem Heißpressen vergleichbares
Sinterverfahren. Die Sinterung erfolgt dabei im Wesentlichen mittels
gepulstem Gleichstrom, der direkt durch leitfähiges Material
strömt, so dass der Sinterkörper von innen erwärmt
wird und nicht, wie beim herkömmlichen Heißpressen,
von außen. Der Vorteil des Spark-Plasma-Sintering liegt
in der extrem hohen Erwärmungsrate oder Kühlungsrate
von bis zu 600 Kelvin pro Minute.
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Das
Spark-Plasma-Sintering, als gleichzeitige Verwendung von elektrischem
Strom und Druck, ist jedoch an das Vorhandensein elektrisch leitfähiger Materialien
gebunden. Das Verfahren hat gegenüber dem herkömmlichen
Sintern die Vorteile, dass zum einen kein zusätzlicher
Verfahrensschritt des Kalibrierens nach dem Pressvorgang und zum
anderen kein Binder für den Zusammenhalt des vorgepressten
Grünlings notwendig sind.
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In
der
DE 30 01 816 C2 wird
eine Pulverpressvorrichtung zum Ultraschallverdichten von Pulvern
offenbart. Für die Herstellung von Presskörpern aus
pulverförmigem Ausgangsmaterial ist bekannt, dass zum einen
ihre Dichte, Festigkeit und Homogenität erhöht
und zum anderen der statische Pressdruck, die Temperatur und die
Pressdauer verringert werden können, wenn dem statischen
Pressdruck akustische Schwingungen beziehungsweise mechanische Longitudinalschwingungen
höherer Frequenz überlagert werden. Die Pulverpressvorrichtung
dient somit dem Verdichten eines pulverförmigen Ausgangsmaterials
durch Anwendung eines statischen Druckes, wobei das Verdichten durch
die Überlagerung von Schwingungen zusätzlich begünstigt
wird. Die Vorrichtung gewährleistet auch dann eine optimale
Wirkung der überlagerten Schwingungen auf den Pressling,
wenn sich dessen Eigenschaften im Verlaufe des Pressvorganges stark ändern.
Allerdings wird beim Verfahren nach der
DE 30 01 816 C2 keine hinreichende
Energie zugeführt, um Sinterhälse als Sinterverbindungen
zwischen den Körnern zu erzeugen. Das Verfahren dient lediglich
der geometrischen Erhöhung der Packungsdichte.
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Die
Nachteile im Stand der Technik lassen sich zusammenfassend so darstellen,
dass
- – beim Pressen mit nachfolgendem
Sintern ein zusätzlicher Sinterschritt sowie eine komplizierte Berechnung
der sinterbedingten Schrumpfung notwendig sind,
- – das Pressen außerdem mit einer langzeitigen Wärmeeinwirkung
auf die Materialien verbunden ist, was zu unerwünschten
Diffusionsprozessen führt,
- – das Ultraschallschweißen eine reine Verbindungsmethode
ist, mit der keine dreidimensionale Formgebung möglich
ist,
- – das Verfahren des Spark-Plasma-Sintering für eine
hohe Effizienz des Verfahrens an das Vorhandensein elektrisch leitfähiger
Materialien gebunden ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, sowohl ein urformendes Fertigungsverfahren
als auch eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen
pulverförmig vorliegende Ausgangsstoffe durch Sintern zu
einem festen Verbund fügbar sind. Mit dem Verfahren soll
eine dreidimensionale Formgebung möglich sein, wobei das
Verfahren nicht an das Vorhandensein elektrisch leitfähiger
Materialien gebunden sein soll und eine langzeitige Wärmeeinwirkung
von außen auf die Materialien ausgeschlossen werden kann.
Das Verfahren soll dadurch weniger kostenintensiv und weniger zeitaufwändig
als die im Stand der Technik bekannten Verfahren sein.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Ultraschall-Sinterverfahren
zum Verdichten und Verbinden von pulverförmigen Ausgangsstoffen
mittels gleichzeitiger Anwendung von Ultraschall und statischem
Druck sowie einer Vorrichtung, die die Durchführung des
Verfahrens ermöglicht, gelöst. Das Verfahren beinhaltet
den Vorgang des Sinterns zumindest eines pulverförmigen
Ausgangsstoffes. Nach der Konzeption der Erfindung sind sowohl elektrisch
leitende als auch elektrisch nichtleitende Ausgangsstoffe einzeln
oder gemeinsam in einem Arbeitsgang zu einem festen Verbund beziehungsweise
zu einer Endform fügbar. Mit Hilfe der Vorrichtung wird
der statische Druck über eine isostatische oder uniaxiale
Presse innerhalb eines Pressraumes bereitgestellt, wobei der Pressraum
zum Beispiel eine zylindrische oder quaderförmige Form
aufweist und der Ultraschall in den im Pressraum angeordneten Presskörper
einleitbar ist.
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Erfindungsgemäß wird
ein Sinterkörper unter statischem Druck zusammengepresst.
Gleichzeitig werden akustische Wellen mit hoher Frequenz in den Sinterkörper
eingeleitet, so dass der Sinterkörper derart erwärmt
wird, dass zumindest ein pulverförmiger Ausgangsstoff,
bei dem es sich beispielsweise um Keramik oder Metall handeln kann,
sintert.
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Die
Ultraschallwelle ermöglicht das Umsortieren und eine partielle
Reibung der Partikel aneinander, um durch Reibkräfte und
die dabei lokal erzeugte Wärme einen festen Verbund herzustellen. Der
Sinterkörper erwärmt sich. Dabei werden Sinterverbindungen
als Sinterhälse zwischen den Körnern erzeugt.
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Nach
der Konzeption der Erfindung ist mit dem Verfahren primär
entweder eines der konstituierenden Pulver oder das gesamte Schüttgut
erwärmbar. Das Verfahren beinhaltet bevorzugt die Formgebung
von ein oder zwei pulverförmigen Ausgangsstoffen, wobei
auch eine größere Anzahl an pulverförmigen
Ausgangsstoffen verwendbar ist. Abhängig von der durch
die statische Vorlast erreichten Packungsdichte der Pulver koppelt
die Schallwelle unterschiedlich gut an den Probenkörper
an. Bei guter Ankopplung wird zumindest eines der Pulver quasi homogen über
den gesamten Probenkörper erwärmt. Bei schlechter
Ankopplung wird sich zunächst nur eine direkt am Schallleiter/Booster
liegende Pulverschicht erwärmen. Mit zunehmender Sinterung
beziehungsweise bei sich einstellender Flüssigphase zwischen
den Sinterteilchen wird die Schallwelle stetig immer weiter in den
Sinterkörper eindringen und sich eine Sinterfront ausbilden.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Sinterkörper
zwischen einem Widerlager und einem Transformationsstück
gehaltert. Von einem Ultraschallsender werden die Ultraschallwellen
abgestrahlt, die erfindungsgemäß durch einen Schallkanal
zum Transformationsstück geleitet werden. Innerhalb des
Transformationsstücks werden die Ultraschallwellen den
Abmessungen des Sinterkörpers geometrisch und in der Schallimpedanz
angepasst, durchdringen den Sinterkörper und werden am
Widerlager reflektiert.
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Konzeptionsgemäß können
die pulverförmigen Ausgangsstoffe des Sinterkörpers
unterschiedliche Korngrößen aufweisen. Die unterschiedlichen pulverförmigen
Ausgangsstoffe werden anhand ihrer Eigenschaften, wie Dichte, Elastizitätsmodul
und Größe der Körner beziehungsweise
Partikel charakterisiert. Die Pulver mit Partikeln kleinerer Korngröße weisen
Körner auf, die sich von den Körnern der Pulver
mit Partikeln größerer Korngröße
in ihren äußeren Abmessungen unterscheiden. Auf
Grund der unterschiedlichen Dichte, Elastitzitäsmoduli
und Abmessungen weisen die Pulverkörner der Ausgangsstoffe
unterschiedliche akustische Resonanzfrequenzen auf. Je nach Zielstellung
im spezifischen Sinterprozess können die Pulver so gewählt
werden, dass ihre Resonanzfrequenzen entweder ähnlich sind,
wodurch alle Konstituenten des Presslings gleichzeitig erwärmt
werden, oder ihre Resonanzfrequenzen deutlich unterschiedlich sind,
was zur Erwärmung nur eines oder bestimmter Pulverkonstitutenten
führt. Beim Sinterprozess mit Pulvern ähnlicher
Resonanzfrequenzen kann ein ähnliches Verhalten wie im
klassischen thermischen Sintern erzielt werden. Beim Sinterprozess
mit Pulvern unterschiedlicher Resonanzfrequenzen wird zunächst
immer eine Pulverkomponente erwärmt.
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Auf
Grund unterschiedlicher elastischer Eigenschaften weisen die pulverförmigen
Ausgangsstoffe zudem unterschiedliche akustische Resonanzfrequenzen
auf.
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Während
des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bevorzugt
die Partikel kleinerer Korngröße resonant derart
angeregt, dass diese die gesamte durch die Schwingungen verursachte
Reibungsenergie aufnehmen und sintern, ohne dass die Partikel größerer
Korngröße aufschmelzen.
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Nach
einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind auch Verbunde
herstellbar, wobei die Partikel größerer Korngröße
resonant derart angeregt werden, dass diese die gesamte durch die Schwingungen
verursachte Reibungsenergie aufnehmen, sich untereinander kontaktieren
und sintern, ohne dass die Partikel kleinerer Korngröße
aufschmelzen. Zwischen den Partikeln größerer
Korngröße bilden sich vorteilhafterweise Sinterhälse, ohne
dass das Matrixpulver, bestehend aus den Partikeln kleinerer Korngröße,
sintert.
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Die
sinternden Partikel bilden während des Sintervorgangs erfindungsgemäß eine
geschlossene 3D-Matrix. Die weiterhin als pulverförmig
vorliegenden Partikel sind von der geschlossene 3D-Matrix eingeschlossen.
Auf diese Art und Weise sind 3D-0D-Verbunde herstellbar.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sintern
sowohl die pulverförmigen Ausgangsstoffe kleinerer Korngröße
miteinander als auch die pulverförmigen Ausgangsstoffe
größerer Korngröße miteinander
und verbinden sich jeweils über Lücken zu einer
geschlossenen 3D-Matrix, so dass 3D-3D-Verbunde herstellbar sind.
3D-3D Verbunde sind Verbundwerkstoffe, in denen die Konstituenten
in sich geschlossene 3D-Netzwerke bilden. Diese zwei oder mehr Netzwerke
sind ineinander verschachtelt, so dass sich ein dichter Werkstoff
bildet. Bleiben bei der Herstellung größere Volumenanteile mit
Gas oder Luft gefüllt, so verbleibt eine Restporosität
im Sinterkörper.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die pulverförmigen
Ausgangsstoffe als einzelne Gefügeanteile durch die Einstellung
einer spezifischen Ultraschallfrequenz oder eines Frequenzbandes
angeregt. Für die Erwärmung der pulverförmigen Ausgangsstoffe
werden dabei vorteilhaft gezielt die Resonanzfrequenz der jeweiligen
Pulverkomponente genutzt, die sich aus der Dichte, der geometrischen Länge,
dem Elastizitätsmodul und einem Skalierungsfaktor für
die Pulverteilchengeometrie errechnet. Die Resonanzfrequenz liegt
zwischen wenigen kHz und mehreren GHz. Zum Beispiel beträgt
die Resonanzfrequenz bei Al2O3 mit
einem Teilchendurchmesser von 100 nm 43,5 GHz oder bei Quarz mit
einem Teilchendurchmesser von 100 μm 29,5 kHz. Der Bereich
der Resonanzfrequenz kann auch über die genannten Werte
hinausgehen, da ebenso Pulvergrößen von 50 nm
bis 500 μm auftreten können und sich die Elastizitätsmoduli
um mindestens eine Größenordnung unterscheiden
können. Weichen die Partikel zudem von der Kugelform ab
und sind beispielsweise stäbchenförmig oder plättchenförmig, ändert
sich die Resonanzfrequenz ebenfalls.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Sintern pulverförmiger
Ausgangsstoffe umfasst ein Widerlager und ein Transfarmationsstück,
zwischen denen ein Sinterkörper angeordnet ist. Desweiteren weist
die Vorrichtung eine Presse zum Aufbringen des statischen Druckes
auf den in einem Pressraum angeordneten Sinterkörper auf.
Die von einem Ultraschallsender abgestrahlten akustischen Wellen
mit hoher Frequenz werden durch einen Schallkanal geleitet und gerichtet
in den im Pressraum angeordneten Sinterkörper eingeleitet.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Presse als
isostatisch oder uniaxial wirkende Presse ausgebildet. Bei der Verwendung einer
isostatischen Druckkammer wird der Sinterkörper mit einer
dünnwandigen Umhüllung versehen, um das Eindringen
von Druckflüssigkeit zu vermeiden. Dabei wird abweichend
von herkömmlichen Verfahren, bei denen ein Kautschukkondom
verwendet wird, eine geschlossene Folie benutzt, die den Ultraschall
transmittiert und der Hitzeentwicklung standhält. Bei einer
alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird eine Kautschukform
oder eine Teflonform verwendet, die den Sinterkörper gegen
die Flüssigkeit abdichtet und nicht, wie beim Verfahren
mit geschlossener Folie, zwischen dem Sinterkörper und dem
Transformationsstück angeordnet ist.
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Der
zylindrisch oder quaderförmig ausgebildete Pressraum weist
ein Volumen von wenigen Kubikmillimetern bis zu mehreren Kubikdezimetern
auf.
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Der
Pressdruck ist konzeptionsgemäß bevorzugt innerhalb
eines Bereiches von 1 MPa bis 1000 MPa einstellbar.
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Die
Frequenz des gerichtet einwirkenden Ultraschalls ist zwischen einigen
Kilohertz bis einige Gigahertz regelbar, um erfindungsgemäß auf
die jeweilige Resonanzfrequenz der Partikel eingestellt werden zu
können. Um den gesamten Frequenzbereich abzudecken, werden
Schallsendeköpfe gewählt, die im bevorzugten Frequenzbereich
abstrahlen. Die Schallsendeköpfe unterscheiden sich je
nach dem zu verarbeitenden Pulversystem.
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Zusammenfassend
ist festzustellen, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen
Ultraschall-Sinterverfahrens des und der dazugehörigen
Vorrichtung zum Sintern pulverförmiger Ausgangsstoffe vorteilhaft Bauteile
und Urformen aus den verschiedensten Materialien in einem Arbeitsgang
fertigbar sind, ohne an das Vorliegen elektrisch leitfähiger
Materialien gebunden zu sein. Dabei sind erfindungsgemäß weder Binder
noch eine langfristige Wärmeeinwirkung auf die Materialien,
wie beim herkömmlichen Sintern, notwendig. Außerdem
entfällt der zusätzliche Sinterschritt als Nachbehandlung
einhergehend mit einer aufwändigen Berechnung der sinterbedingten Schrumpfung,
wie es bei herkömmlichen Pressmethoden erforderlich ist.
Das Verfahren ermöglicht eine dreidimensionale Formgebung,
wobei insbesondere im Fall isostatischen Drucks auch von der Zylindergeometrie
abgewichen werden kann.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen.
Es zeigen:
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1:
Einkopplung des Schallsignals,
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2:
Einkopplung des Schallsignals bei uniaxialem Druck,
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3:
Einkopplung des Schallsignals bei quasi isostatischem (hydrostatischem)
Druck,
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4:
Einkopplung des Schallsignals bei quasi isostatischem (hydrostatischem)
Druck mit verkürztem Druckbehälter,
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5:
Bimodales Gefüge, in dem im Wesentlichen ein pulverförmiger
Ausgangsstoff erwärmt wird und
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6:
Bimodales Gefüge nach der Erwärmung eines pulverförmigen
Ausgangsstoffes.
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In 1 ist
ein Schema der Vorrichtung 1 zum Ultraschallsintern als
Verfahren zum Verdichten und Verbinden von pulverförmigen
Ausgangsstoffen 8, 9 mittels gleichzeitiger Anwendung
von Ultraschall und statischem Druck dargestellt. Der zwischen dem Widerlager 2 und
dem Booster, im Weiteren auch als Transformationsstück 4 bezeichnet,
gehalterte Sinterkörper 7 wird während
des Vorgangs des Ultraschallsinterns unter statischem Druck zusammengepresst.
Dem statischen Druck werden dabei akustische Wellen mit hoher Frequenz,
Ultraschallwellen, überlagert. Diese Ultraschallwellen
werden vom Ultraschallsender 6 abgestrahlt und gelangen
durch den Schallkanal 5 zum Transformationsstück 4.
Im Transformationsstück 4 werden die Wellen den
Abmessungen des Sinterkörpers 7 geometrisch und
in der Schallimpedanz angepasst, anschließend durch den
Sinterkörper 7 geleitet und am Widerlager 2 reflektiert.
Das Widerlager 2 und der Ultraschallsender 6 grenzen
jeweils an statische Druckauflager 10.
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Beim
in 1 dargestellten Schema der Vorrichtung 1 zum
Ultraschallsintern wird das gesamte Schüttgut erwärmt.
Dabei wird anfangs nur eine Seite des Sinterkörpers 7 erhitzt,
wobei sich eine Sinterfront 3 ausbildet, die sich über
die Flüssigphase zwischen den Körnern durch den
Sinterkörper 7 bewegt.
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In 2 ist
ein Schema der Vorrichtung 1 zum Ultraschallsintern pulverförmiger
Ausgangsstoffe 8, 9 dargestellt, bei der die Einkopplung
des Schallsignals bei uniaxialem Druck erfolgt. Der Unterschied
zur Vorrichtung 1 aus 1 ist die
Verwendung einer Führungshülse 11 zum
Halten der pulverförmigen Ausgangsstoffe 8, 9 unter
uniaxialem Druck.
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3 zeigt
die Vorrichtung 1 zum Ultraschallsintern pulverförmiger
Ausgangsstoffe 8, 9 bei Einkopplung des Schallsignals
bei hydrostatischem beziehungsweise quasi isostatischem Druck. Der Vorgang
des Ultraschallsinterns findet innerhalb einer isostatischen Druckkammer,
die im unteren Bereich von einem ersten statischen Druckauflager 10 und
seitlich von einem statischen Druckbehälter 16 begrenzt
wird, statt. Auf der Oberseite wird die Druckkammer durch Dichtungen 12 zwischen
einem zweiten statischen Druckauflager 10 und dem statischen Druckbehälter 16 verschlossen.
Bei passgenauer Ausführung des Werkzeugs sind die Dichtungen 12 nicht
notwendig. Das Widerlager 2 ist über eine Feder 13 mit
dem statischen Druckauflager 10 verbunden. Die Feder 13 dient
dabei dem leichten Andruck des Widerlagers 2. Der isostatische
Druck wird über eine Druckflüssigkeit 15 auf
den Sinterkörper 7 erzeugt. Der Sinterkörper 7 wird
dabei von einer dünnwandigen Umhüllung 14 vollständig
umschlossen, um das Eindringen der Druckflüssigkeit 15 zu
vermeiden. Als dünnwandige Umhüllung 14 wird
eine geschlossene Folie verwendet, die den Ultraschall transmittiert
und der Hitzeentwicklung standhält.
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Alternativ
zu der in 3 dargestellten Vorrichtung 1 ist
in 4 eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung 1 dargestellt,
bei der das Schallsignal bei hydrostatischem beziehungsweise quasi
isostatischem Druck eingekoppelt wird. Der Vorgang des Ultraschallsinterns
findet wiederum innerhalb einer isostatischen Druckkammer, die im
unteren Bereich und seitlich von einem statischen Druckbehälter 16 begrenzt
wird, statt. Der untere Bereich des statischen Druckbehälters 16 schließt
mit dem Schallkanal 5 ab. Auf der Oberseite wird die Druckkammer
ebenfalls durch Dichtungen 12 zwischen einem statischen Druckauflager 10 und
dem statischen Druckbehälter 16 verschlossen.
Das Widerlager 2 ist über eine Feder 13,
die dem leichten Andruck des Widerlagers 2 dient, mit dem
statischen Druckauflager 10 verbunden.
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Anstelle
der Ausgestaltung in 3 wird bei der alternativen
Ausgestaltung in 4 eine Kautschukform oder eine
Teflonform als dickwandige Umhüllung 17 verwendet,
die den Sinterkörper 7 gegen die Flüssigkeit
abdichtet. Die jeweilige Form umfasst den Sinterkörper 7 lediglich
an der Mantelseite und nicht an den Stirnseiten, wie beim Verfahren
mit dünnwandiger Umhüllung 14 beziehungsweise
geschlossener Folie, bei dem die Folie auch zwischen dem Sinterkörper 7 und
dem Transformationsstück 4 angeordnet ist.
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5 zeigt
ein bimodales Gefüge in Pulverform, bei dem im Verfahren
der pulverförmige Ausgangsstoff 8 mit Partikeln
kleinerer Korngröße 8a durch Einstellung
einer spezifischen Ultraschallfrequenz oder eines Frequenzbandes
angeregt und erwärmt wird. Der pulverförmige Ausgangsstoff 9 mit Partikeln
größerer Korngröße 9a liegt
auch nach dem Vorgang des Ultraschallsinterns in Pulverform vor, während
der pulverförmige Ausgangsstoff 8 mit Partikeln
kleinerer Korngröße 8a in eine Komponente
im gesinterten Zustand 8b übergeht (siehe 6).
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Ist
lediglich einer der pulverförmigen Ausgangsstoffe 8, 9 zu
erhitzen, müssen deren Resonanzfrequenzen hinreichend unterschiedlich
sein, so dass der wesentliche Anteil der Energie nur in eine der
pulverförmigen Ausgangsstoffe 8, 9 eingetragen wird.
Im Falle der stark unterschiedlichen Elastizitätsmoduli
der pulverförmigen Ausgangsstoffe 8, 9 ist
es möglich, dass die Pulver zwar gleiche Korngröße
aufweisen, aber trotzdem nur einer der pulverförmigen Ausgangsstoffe 8, 9 erwärmt
wird. Ebenso besteht die Möglichkeit, dass ein Pulver mit
kleinerer Korngröße und deutlich geringerem Elastizitätsmodul
eine mit den großen Partikeln vergleichbare Resonanzfrequenz
aufweist und dadurch die entsprechenden Pulver gleichzeitig erhitzt
werden. Je nach gewünschtem Ergebnis des Sinterprozesses
sind verschiedene Kombinationen ausführbar.
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Dieses
Verfahren wird genutzt, um beispielsweise magnetische Partikel in
einer Matrix aus nichtmagnetischen Partikeln anderer Korngröße
einzubetten. Beide Pulver werden gemischt, wobei das Matrixpulver
eine deutlich andere Korngröße hat, als das Magnetpulver.
Die Ultraschallfrequenz wird so gewählt, dass die kleinen
Matrixpartikel resonant angeregt werden und so die gesamte Reibungsenergie nahezu
vollständig in die Partikel kleinerer Korngröße übergeht.
Diese sintern und können zum Beispiel ohne Aufschmelzen
der Magnetpartikel einen Sinterkörper bilden, wie 6 zu
entnehmen ist.
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Bei
diesem Verfahren kommen Resonanzfrequenzen zwischen wenigen Kilohertz
bis zu mehreren Gigahertz zur Anwendung. Die Schallquelle beziehungsweise
der Ultraschallsender 6 muss geeignete Schichtdicken aufweisen,
um die nötige starke elektrische Leistung in eine Schallwelle
geeignet hoher Frequenz umsetzen zu können. Hierzu sind
Vielschichtsysteme aus sehr dünnen Lagen zu verwenden,
die deutlich kleiner oder mit den späteren Korngrößen
vergleichbar klein sind. Die Schichten weisen Dicken im Bereich
von 100 nm bis 20 μm auf. Dabei werden Piezoelektrika,
wie Aluminium-Nitrit, angewendet. Auch oxidkeramische Schichten
sind möglich aber schädigungsanfälliger.
Für eine gute Erhitzung von Korngrößenverteilungen
müssen die Sender eine geeignete Bandbreite aufweisen.
Die geeignete Bandbreite bezieht sich auf ein Frequenzband, das
Ultraschallfrequenzen umfasst, die die Körner anregen..
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Die
hohen Resonanzfrequenzen ermöglichen es, bei Gemischen
aus verschiedenen pulverförmigen Ausgangsstoffen 8, 9 mit
extrem unterschiedlichen Stoffeigenschaften, wie Dichte und Elastizitätsmodul,
beziehungsweise unterschiedlichen Korngrößen,
nur die Partikel kleinerer Korngröße 8a zu
resonanter Schwingung anzuregen. Nur die Partikel kleinerer Korngröße 8a werden
damit primär erhitzt und verdichtet, ohne dass die andere
die Partikel größerer Korngröße 9a in
gleichem Maße erhitzt werden.
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Als
elektrische Quellen werden Radiosender eingesetzt. Auf Grund elektromagnetischer
Verträglichkeit, elektromagnetischer Störunterdrückung
und geschlitzter Radiofrequenzen sind die üblichen Maßnahmen
zur Abschirmung der Vorrichtung nach außen zu schaffen.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Widerlager
- 3
- Sinterfront
- 4
- Transformationsstück
- 5
- Schallkanal
- 6
- Ultraschallsender
- 7
- Sinterkörper
- 8
- pulverförmiger
Ausgangsstoff
- 8a
- Partikel
kleinerer Korngröße
- 8b
- Komponente
im verschmolzenen Zustand
- 9
- pulverförmiger
Ausgangsstoff
- 9a
- Partikel
größerer Korngröße
- 10
- statisches
Druckauflager
- 11
- Führungshülse
- 12
- Dichtung
- 13
- Feder
- 14
- dünnewandige
Umhüllung
- 15
- Druckflüssigkeit
- 16
- statischer
Druckbehälter
- 17
- dickwandige
Umhüllung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1867462
A2 [0009]
- - DE 3001816 C2 [0013, 0013]