DE102009005859B3

DE102009005859B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Homogenisierung einer Pulverschüttung bei der Herstellung von Pulverpresslingen

Info

Publication number: DE102009005859B3
Application number: DE200910005859
Authority: DE
Inventors: Claas Bierwisch; Michael Prof. Dr. Moseler; Torsten Dr. Kraft; Hermann Prof. Dr. Riedel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2029-01-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Homogenisierung einer Pulverschüttung bei der Herstellung von Pulverpresslingen. Bei dem Verfahren wird ein zu verdichtendes Pulver in eine Kavität einer Matrize eingefüllt und die Matrize nach dem Einfüllen des Pulvers in eine rotatorische Vibration versetzt. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung lässt sich vor allem bei rotationssymmetrischen Kavitäten eine sehr gute Homogenisierung der Pulverschüttung erreichen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Homogenisierung einer Pulverschüttung bei der Herstellung von Pulverpresslingen, bei dem ein zu verdichtendes Pulver in eine Kavität einer Matrize eingefüllt und die Matrize nach dem Einfüllen des Pulvers in Vibration versetzt wird, um die Pulverschüttung zu homogenisieren.
Pulvertechnologisches Trockenpressen und anschließendes Sintern werden bspw. in der Massenproduktion geometrisch komplexer Bauteile eingesetzt. Die Prozessfolge für die Herstellung der Bauteile beginnt mit dem Befüllen einer Matrize, in der eine geeignete Kavität ausgeformt ist. Das Pulver wird hierzu zunächst aus einem Reservoir in einen Füllschuh befördert. Dieser bewegt sich anschließend einmal oder mehrere Male über die von der Matrize definierte Kavität und füllt diese mit dem Pulver. Als nächster Schritt erfolgt in einer Presse eine uniaxiale Kompaktierung des Pulvers, wobei der sog. Grünkörper erzeugt wird. Anschließend wird der Grünkörper durch einen Unterstempel aus der Matrize ausgestoßen und in einem Ofen gesintert. Beim Sintern entsteht ein fester Körper, der je nach Werkstoff noch mehr oder weniger Porosität aufweisen kann, z. B. nahezu 0% bei Keramiken und bis zu 15% bei Sinterstählen.
Im Allgemeinen führt die Befüllung mittels Füllschuh zu einer inhomogenen Dichteverteilung des Pulvers in der Kavität. Die räumlichen Dichteschwankungen können oft auch durch das Kompaktieren nicht vollständig ausgeglichen werden. Während des Sinterns kommt es dann zu ungleichmäßiger Schwindung und damit verbunden zu unerwünschtem Verzug des Bauteils. Eine weitestgehend homogene Befüllung der Kavität vor dem Kompaktieren würde diese Problematik verringern oder vermeiden.
Stand der Technik
Es sind verschiedene Ansätze bekannt, um eine homogene Verteilung des Pulvers in der Kavität zu erreichen. Oftmals wird dabei die Kinematik des Füllschuhs beeinflusst. So wird bspw. in der DE 199 03 417 A1 vorgeschlagen, den Füllschuh während der Befüllung der Kavität entlang mehrerer Achsen zu bewegen, um einer Verdichtung entlang einer Richtung entgegen zu wirken. In dieser Druckschrift wird auch vorgeschlagen, zusätzlich während des Befüllungsvorgangs Oberstempel und/oder Unterstempel und/oder Matrize in Vibration zu versetzen, um die Dichte weiter zu vergleichmäßigen.
Die WO 95/16559 A1 schlägt eine Vibration des Füllschuhs während des Entladens des Pulvers vor. In der WO 01/56726 A1 ist eine Technik beschrieben, bei der eine Fluidisierung des Pulvers durch Gaszuleitungen im Füllschuh vorgenommen wird. Dies soll die Fließfähigkeit des Pulvers verbessern und der Füllung eine höhere Homogenität verleihen. Die JP 05140610 A beschreibt schließlich eine Vibration der Matrize nach der Befüllung, um die Homogenität des Pulvers in der Kavität zu erhöhen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Homogenisierung einer Pulverschüttung bei der Herstellung von Pulverpresslingen anzugeben, mit denen vor allem bei rotationssymmetrischen Kavitäten eine gleichmäßig homogene Befüllung erreicht wird.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung und dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird das zu verdichtende Pulver in die Kavität einer Matrize eingefüllt und die Matrize nach dem Einfüllen des Pulvers in Vibration versetzt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Matrize in eine rotatorische Vibration versetzt wird, die insbesondere eine rotatorische Vibration der Kavität bewirkt. Bei einer Kavität mit einer Symmetrieachse erfolgt diese Rotation vorzugsweise um die Symmetrieachse der Kavität. Damit erfolgt nicht wie bei den bekannten Verfahren des Standes der Technik eine translatorische Vibration, die aufgrund der Richtungswirkung zu einer richtungs abhängigen Homogenisierung führen kann. Durch die rotatorische Vibration wird das Pulver gerade bei rotationssymmetrischen Kavitäten wirkungsvoll homogenisiert, ohne die in diesem Fall bei translatorischer Vibration auftretenden richtungsabhängigen Dichteschwankungen aufzuweisen.
Die Matrize wird dabei nach dem Befüllen und vor dem Kompaktieren für eine geeignete Zeitspanne, vorzugsweise eine Zeitspanne von etwa 1–10 s, in rotatorische Vibrationen versetzt, wobei die Rotationsachse vorzugsweise einer Symmetrieachse der Kavität entspricht, die sich senkrecht zur Oberfläche der Matrize erstreckt. Die Rotation kann dabei in-situ, d. h. direkt in der Presse, oder auch ex-situ, d. h. außerhalb der Presse, erfolgen.
Der maximale Auslenkungswinkel der Matrize sei θ₀ und die Oszillationsfrequenz sei f. Somit wird die Bewegung eines beliebigen Punktes der Matrize durch folgende Gleichung beschrieben:
Der Auslenkwinkel θ₀ der rotatorischen Vibration liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 3° und 7°, die Frequenz der Rotation bspw. zwischen 5 und 50 Hz, vorzugsweise zwischen 25 und 35 Hz. Es versteht sich von selbst, dass die genannten Werte in Abhängigkeit von dem äußeren und inneren Radius der Kavität variieren können, um ein optimales Homogenisierungsergebnis zu erreichen.
Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist in bekannter Weise eine Matrize mit einer Kavität, einen Ober- und einen Unterstempel in einer Presse sowie einen entsprechenden Füllschuh mit Antriebs- und Befullungseinheit auf. Zusätzlich verfügt diese Vorrichtung über eine Antriebseinrichtung, die die Matrize in entsprechende Rotationsschwingungen versetzen kann. Diese Vorrichtung unterscheidet sich somit von den bekannten Vorrichtungen zur Herstellung von Pulverpresslingen durch die zusätzliche Einrichtung zur Erzeugung der rotatorischen Vibration.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine Skizze einer Matrize und eines Füllschuhs für die Herstellung von Pulverpresslingen;
2 eine perspektivische Sicht auf die mit Pulver gefüllte Matrize, die in rotatorische Vibrationen versetzt wird;
3 eine Skizze zur Definition des Azimutwinkels ϕ um die Kavität in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Füllschuhs; und
4 verschiedene Dichteverteilungen in der ringförmigen Kavität ohne Vibration und bei unterschiedlichen Vibrationen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine Skizze einer Matrize 1 und eines Füllschuhs 3 einer Vorrichtung zur Herstellung von Pulverpresslingen, wie sie auch beim vorliegenden Verfahren zum Einsatz kommen kann. Die Matrize 1 weist eine rotationssymmetrische Kavität 2 auf, in der nach dem Befüllen mit einem nicht dargestellten Oberstempel und ggf. dem Unterstempel 4 das Pulver kompaktiert wird. Zum Befüllen der Matrize wird das Pulver 5 zunächst aus einem Reservoir in den Füllschuh 3 befördert. Dieser bewegt sich anschließend einmal oder mehrere Male über die von der Matrize 1 definierte Kavität 2 und füllt diese mit dem Pulver 5. Als nächster Schritt folgt dann die uniaxiale Kompaktierung des Pulvers 5 in der Kavität 2, wodurch der sog. Grünkörper erzeugt wird. Anschließend wird der Grünkörper durch den Unterstempel 4 aus der Matrize 1 ausgestoßen, und in einem nicht dargestellten Ofen gesintert.
Beim vorgeschlagenen Verfahren wird nun die Matrize 1 nach der Befüllung des Pulvers 5 und vor dem Kompaktieren über eine in der 1 nicht dargestellte Einrichtung in rotatorische Vibrationen um die Symmetrieachse 6 der Kavität 2 versetzt, um das Pulver 5 in der Kavität 2 zu homogenisieren. Bei einem inneren Durchmesser der Kavität 2 von ca. 20 mm können als sinnvolle Parameter bspw. ein maximaler Auslenkwinkel von θ₀ ungefähr 5° und eine Oszillationsfrequenz von ungefähren 30 Hz eingestellt werden.
2 zeigt hierzu eine perspektivische Sicht auf die mit dem Pulver 5 gefüllte Matrize 1. Die Matrize 1 wird nach der Befüllung und vor der Kompaktierung um ihre Symmetrieachse 6 in rotatorische Vibrationen versetzt, um die Dichteverteilung des Pulvers zu homogenisieren. Die rotatorischen Vibrationen sind durch den Doppelpfeil in der Figur angedeutet.
Der Effekt der rotatorischen Vibrationen wurde am Beispiel einer ringförmigen Kavität simuliert. Das Füllsystem ist in 3 gezeigt. Der Füllschuh 3 fährt von rechts nach links über die Kavität 2. Dabei wird der Azimuthalwinkel ϕ = 0° zuerst erreicht. Die Kavität hat hierbei einen Innendurchmesser von 20 mm, einen Außendurchmesser von 26 mm und eine Höhe von 16 mm.
Mit einem numerischen Simulationstool für Pulverfließvorgänge (Bierwisch et al., J. Mech. Phys. Solids 57: 10–31, 2009) wurden die Dichteverteilungen in der Kavität 2 nach dem Füllvorgang sowie anschließender Vibration der Matrize 1 berechnet. 4 zeigt hierzu die berechneten Dichteverteilungen, aufgetragen gegen den Azimuthalwinkel ϕ und die Höhe der Kavität.
4a zeigt hierzu die Dichteverteilung nach dem Befüllen mit einer Füllschuhgeschwindigkeit von 0,09 m/s. Deutlich auszumachen sind sowohl vertikale als auch azimuthale Gradienten in der Dichte. In den 4b bis 4d sind die Dichten nach dem Befüllen mit derselben Schuhgeschwindigkeit aber zusätzlicher rotatorischer Vibration um die Symmetrieachse der Kavität nach dem Füllen dargestellt. Nach der Vibration mit 8 Hz sind die Dichtegradienten deutlich abgeschwächt und das Pulver ist insgesamt stärker verdichtet (4b). Bei 32 Hz Vibrationsfrequenz sind diese beiden Trends noch ausgeprägter (4c, 4d). Das Pulver ist stark verdichtet und nahezu gleichmäßig über die Kavität verteilt. Insbesondere die azimuthalen Dichtegradienten sind nicht mehr vorhanden. Zum Vergleich ist in 4e die Dichteverteilung nach einer linearen Vibration der Matrize in y-Richtung mit 32 Hz dargestellt. Das Pulver ist stark verdichtet in den Bereichen der Kavität, die parallel zur Vibrationsachse ausgerichtet sind (ϕ ≈ 0°, 180°), aber wesentlicher weniger dicht in den Bereichen senkrecht dazu (1 90°, 270°). Eine lineare Vibration ist folglich nicht zur Homogenisierung des Pulvers in einer Kavität mit Rotationssymmetrie geeignet. Dies zeigt den besonderen Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens, mit dem vor allem Dichteverteilungen in rotationssymmetrischen Kavitäten optimal homogenisiert werden können, indem die Art der vibratorischen Anregung der Symmetrie der Kavität Rechnung trägt.
Die rotatorischen Vibrationen lassen sich mit geeigneten Antrieben des Standes der Technik realisieren. Für eine in-situ Anwendung können bspw. die Unterstempel, die bereits in z-Richtung angetrieben werden müssen, zusätzlich in die rotatorischen Vibrationen versetzt werden, um auch die Matrize entsprechend zu bewegen. Bei einer ex-situ Anwendung kann bspw. die Matrize nach dem Befüllen zunächst auf eine geeignete Einrichtung gesetzt werden, um die rotatorischen Vibrationen durchzuführen. Hierzu muss selbstverständlich ein unterer Verschluss der Kavität gewährleistet sein.
Das Verfahren lässt sich für die Herstellung unterschiedlichster Produkte einsetzen, bspw. für die Herstellung von Funktionskeramik, Konstruktionskeramik, Sinterstahl oder Hartmetall.

1: Matrize
2: Kavität
3: Füllschuh
4: Unterstempel
5: Pulver
6: Symmetrieachse

Claims

Verfahren zur Homogenisierung einer Pulverschüttung bei der Herstellung von Pulverpresslingen, bei dem – ein zu verdichtendes Pulver (5) in eine Kavität (2) einer Matrize (1) eingefüllt und – die Matrize (1) nach dem Einfüllen des Pulvers (5) in Vibration versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (1) in eine rotatorische Vibration versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die rotatorische Vibration der Matrize (1) so ausgeführt wird, dass die Kavität (2) in rotatorische Vibration versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Matrize (1) eingesetzt wird, deren Kavität (2) eine Symmetrieachse (6) aufweist, und dass die Matrize (1) in eine rotatorische Vibration um die Symmetrieachse (6) der Kavität (2) versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Matrize (1) eingesetzt wird, deren Kavität (2) Rotationssymmetrie aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (1) für eine Zeitspanne von 1 bis 10 s in rotatorische Vibration versetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auslenkwinkel der rotatorischen Vibration im Bereich zwischen 3° und 7° liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz der Vibration oberhalb von 5 Hz gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz der Vibration im Bereich zwischen 5 und 50 Hz, vorzugsweise zwischen 25 und 35 Hz gewählt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit – einer Matrize (1) mit einer Kavität (2), – einer Fülleinrichtung (3), mit der die Kavität (2) mit Pulver (5) befüllbar ist, und – einer Einrichtung zum Verdichten des Pulvers (5) in der Kavität (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Antriebseinrichtung aufweist, mit der die Matrize (1) in eine rotatorische Vibration versetzbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung zur Erzeugung der rotatorischen Vibration so angeordnet ist, dass die Kavität (2) in rotatorische Vibration versetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (2) eine Symmetrieachse (6) aufweist und dass die Antriebseinrichtung so angeordnet ist, dass die Matrize (1) in eine rotatorische Vibration um die Symmetrieachse (6) der Kavität (2) versetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (2) Rotationssymmetrie aufweist.