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Die
Erfindung betrifft eine Drucksintervorrichtung mit einer Werkzeugform,
die wenigstens eine Aufnahme für ein Werkstück
aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff umfasst, sowie mit
Druckmitteln, die im Betrieb die Werkzeugform von entgegengesetzten
Seiten her mit Druck beaufschlagen, um das Werkstück in
der Aufnahme zu pressen, sowie mit Heizmitteln zum Aufheizen der
Werkzeugform.
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Eine
derartige Drucksintervorrichtung ist aus der
EP 1 674 177 A1 bekannt.
Die bekannte Drucksintervorrichtung umfasst eine Matrizenebene, die
einen Trägerkörper aufweist, in der eine Matrize zur
Aufnahme eines kalt gepressten Grünlings vorgesehen ist.
Die Druckmittel umfassen eine obere und eine untere Druckstempelanordnung,
die von oben und von unten in eine Kavität, d. h. eine
Aufnahme, der Matrize einfahren und so den vorgepressten Grünling
unter hohen Druck setzen können. Gleichzeitig wird die
Matrize, d. h. die Werkzeugform, stark erhitzt. Zur Aufheizung sind
Heizmittel in Form einer elektrischen Widerstandsheizung vorgesehen,
bei der eine Heizdrahtanordnung spulen- oder wendelartig koaxial
um die Matrize selbst herumgelegt ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Drucksintervorrichtung der eingangs genannten
Art zu schaffen, die auch eine Drucksinterung von geometrisch kompliziert
geformten Werkstücken ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Heizmittel zwei Heizplatten
umfassen, die den gegenüberliegenden Druckmitteln zugeordnet
sind und im Betrieb wärmeleitend an der Werkzeugform anliegen,
und die druckfest gestaltet sind, um Druckkräfte der Druckmittel
auf die Werkzeugform übertragen zu können. Die
Wärmeübertragung von den Heizplatten zu der Werkzeugform
erfolgt erfindungsgemäß durch Wärmeleitung.
Gleichzeitig besitzen die Heizplatten eine Doppelfunktion, da sie
zusätzlich zu ihrer Wärmeerzeugungsfunktion auch
noch druckfest gestaltet sind, um durch die Druckmittel eine Pressfunktion
auf die Werkzeugform ausüben zu können. Die Werkzeugform
selbst weist keine offene Kavität auf, in die ein Druckstempel
der Druckmittel einführbar ist, wie dies beim Stand der
Technik der Fall ist. Vielmehr ist die Werkzeugform mehrteilig ausgeführt
und wenigstens ein Formteil der Werkzeugform, das der einen oder
der anderen Heizplatte zugeordnet ist, ist beweglich gelagert, um
als Pressstempel für die Aufnahme, die der bewegliche Teil
begrenzt, zu dienen. Durch die erfindungsgemäße
Lösung ist es möglich, eine Drucksinterung von
geometrisch relativ kompliziert gestalteten Werkstücken
vorzunehmen. Zudem ist es durch die erfindungsgemäße
Lösung möglich, eine Drucksinterung oder Pressung
von Werkstücken aus schlecht wärmeleitenden Werkstoffen
zu erzielen. Denn dadurch, dass die Aufnahme und damit auch in ihr
befindliche Werkstücke allseitig von der wärmeleitenden
Werkzeugform umgeben ist, ist eine gleichmäßige
Aufheizung der Aufnahme von allen Seiten ermöglicht.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine der Heizplatten
gemeinsam mit einem Pressplattenabschnitt des zugeordneten Druckmittels
beweglich angeordnet. Als Pressplattenabschnitt wird ein linear
be weglicher Abschnitt einer hydraulisch betätigten Pressvorrichtung
bezeichnet. Vorzugsweise ist das Druckmittel somit eine hydraulisch betätigte
Pressstempelanordnung. Vorzugsweise weist eine Pressfläche
des Plattenabschnitts sowie auch eine korrespondierende Pressfläche
der zugeordneten Heizplatte wenigstens die Fläche der benachbarten
Anlagefläche der Werkzeugform auf. Dadurch ist eine Wärmeleitung
zur Werkzeugform hin über die größtmögliche
Fläche ermöglicht.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist jede Heizplatte durch einen
eigenen Stromkreis elektrisch aufheizbar, und die beiden Heizplatten
sind galvanisch voneinander getrennt. Aufgrund der galvanisch voneinander
getrennten Stromkreise der beiden Heizplatten ist gewährleistet,
dass auch im anliegenden Presszustand der Heizplatten an der Werkzeugform
kein Strom durch die Werkzeugform selbst fließt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen jeder Heizplatte
und der Werkzeugform eine Schutzschicht, insbesondere eine Schutzplatte, mit
gegenüber einer elektrischen Leitfähigkeit der Heizplatte
reduzierten elektrischen Leitfähigkeit vorgesehen. Die
elektrisch wirksame Schutzschicht kann als mit der Werkzeugform
oder der Heizplatte verbundene Beschichtung oder als separate Schutzplatte
gestaltet sein, die zwischen Heizplatte und Werkzeugform angeordnet
ist. Diese Schutzschicht verhindert, dass Strom, der durch die Heizplatte fließt,
zur Werkzeugform hin umgeleitet wird. Dabei kann die Schutzplatte
mit der Heizplatte oder der Werkzeugform verbunden sein. Als elektrisch
wirksame Schutzschicht kann ein Karbonfaserwerkstoff (CFC) eingesetzt
werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen jeder Heizplatte
und einem benachbarten Pressplattenabschnitt des zugehörigen
Druckmittels eine elektrisch und/oder thermisch wirksame Schutzschicht,
insbesondere eine thermisch isolierende Schutzplatte, vorgesehen.
Bevorzugt ist die Heizplatte relativ zum benachbarten Pressplattenabschnitt thermisch
isoliert, um eine Aufheizung des Pressplatten- oder Druckstempelabschnittes
zu vermeiden. Auch eine gemäß der zuvor beschriebenen
Ausgestaltung elektrisch wirksame Schutzschicht ist sinnvoll, um
einen Stromdurchfluss durch den Druckstempelabschnitt zu verhindern.
Die Schutzschicht kann analog der zuvor beschriebenen Ausgestaltung als
mit dem Druckstempelabschnitt oder der Heizplatte verbundene Beschichtung
oder auch als separate Schutzplatte gestaltet sein.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Heizplatten für
Aufheiztemperaturen der Werkzeugform zwischen 300°C und
3000°C ausgelegt. Dies gilt sowohl für die Materialwahl
der Heizplatten als auch für die Auslegung des entsprechenden Stromkreises.
Dieser muss in Kombination mit dem Material der zugeordneten Heizplatte
bezüglich seiner Stromquelle so stark bemessen sein, dass
der beschriebene Temperaturbereich erzielbar ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Heizplatten zumindest
abschnittsweise aus Grafit hergestellt. Zumindest abschnittsweise
bedeutet, dass jede Heizplatte wenigstens über ihre der
Anlagefläche zur Werkzeugform entsprechende Fläche aus
Grafit besteht, das neben einer ausreichenden elektrischen Leitfunktion
auch eine gute Wärmeleitfunktion besitzt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind seitlich über
eine Anlagefläche mit der Werkzeugform hinausragende Flächenabschnitte
der Heizplatte mit Wärmeisolationsmitteln oder mit Kühlmitteln
versehen. Die thermische Isolation oder die Kühlung dieser seitlichen
Flächenabschnitte gewährleistet, dass die starke
Aufheizung lediglich im Anlagebereich zur Werkzeugform erfolgt,
in dem die entsprechende Wärmeleitung benötigt
wird. Die seitlich außenliegende Bereiche hingegen sind
lediglich reduzierten thermischen Beanspruchungen ausgesetzt, um
ins besondere Anschlussbereiche des Stromkreises nicht durch zu hohe
Hitze in Mitleidenschaft zu ziehen. Als Wärmeisolationsmittel
können Ummantelungen der entsprechenden Werkzeugformabschnitte vorgesehen
sein. Alternativ kann die Heizplatte in diesen Abschnitten aus einem
anderen Material bestehen, das eine entsprechende Isolierung oder
reduzierte Wärmeleitung oder verbesserte Stromleitung ermöglicht.
Es ist möglich, bei diesen Flächenabschnitten
eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit zu
erreichen, wodurch zwangsläufig aufgrund des reduzierten
Widerstandes eine geringe Erwärmung auftritt.
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Vorzugsweise
werden die Flächenabschnitte mit einem geeigneten Medium
getränkt, das trocknet und anschließend eine verbesserte
elektrische Leitfähigkeit in diesem Abschnitt erzielt.
Der elektrische Widerstand der jeweiligen Heizplatte wird lokal
gesenkt, so dass lokal eine geringere Aufheizung im Bereich der
Kontaktierung des Stromkreises erreicht wird.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Wärmeisolations-
oder Kühlmittel in Anschlussbereichen des Stromkreises
jeder Heizplatte vorgesehen. Dadurch ist gewährleistet,
dass keine Überhitzung dieser Anschlussbereiche erfolgt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst jeder Stromkreis einen
Transformator. Der Transformator dient dazu, die Spannung des Versorgungsstromnetzes
zu verändern. Durch Herabsetzung der Spannung ist eine
Erhöhung des Stromdurchflusses erzielbar, die wiederum
eine verbesserte Aufheizung ermöglicht.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung, das anhand der einzigen Zeichnung dargestellt ist.
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1 zeigt
in schematischer Schnittdarstellung eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Drucksintervorrichtung.
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Die
auch als Heizpresse bezeichnete Drucksintervorrichtung gemäß 1 dient
zum Pressen von Werkstücken 1 in einer Werkzeugform 2a, 2b, 3,
wobei die Werkstücke 1 während des Pressvorganges
gleichzeitig einer starken Aufheizung unterworfen sind. Die Werkstücke 1 können
vorgepresste Presslinge aus einem pulverförmigen Ausgangsmaterial
sein. Ein bevorzugter Ausgangsstoff ist Borkarbid in Pulverform,
das ein keramisches Material ist. Borkarbid kann für kugelsichere
Westen eingesetzt werden. Durch entsprechende Drucksinterung in
der Drucksintervorrichtung gemäß 1 ist ein
entsprechendes Werkstück aus Borkarbid in seine Endform
bringbar.
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Das
vorgepresste Werkstück 1 ist in einer Aufnahme
einer mehrteiligen Werkzeugform 2a, 2b, 3 angeordnet.
Die Werkzeugform 2a, 2b, 3 weist einen
relativ zu einem nicht näher dargestellten Maschinengestell
der Drucksintervorrichtung stationär gehaltenen Außenring 3 auf,
der allseitig die Aufnahme für das Werkstück 1 umschließt.
Oben und unten wird die Aufnahme der Werkzeugform durch boden- und
deckseitige Druckplatten 2a, 2b begrenzt, die aus
dem gleichen Material wie der Außenring 3 bestehen
und passgenau von oben bzw. von unten in den Außenring 3 eingefügt
sind. Dadurch ist die Aufnahme für das Werkstück 1 allseitig
durch die Werkzeugform 2a, 2b, 3 umschlossen.
Beide Druckplatten 2a, 2b der Werkzeugform sind
koaxial zu einer Mittelhochachse der Werkzeugform translatorisch
beweglich in dem Außenring 3 geführt.
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Die
beiden Druckplatten 2a und 2b werden durch Druckmittel
in entgegengesetzten Richtungen zueinander und damit zur Mitte der
Aufnahme der Werkzeugform hin im Betrieb der Drucksintervorrichtung
mit Druck beaufschlagt, so dass die Druckplatten 2a, 2b gegeneinander
gepresst werden. Dabei ist es ausreichend, wenn eine der beiden
Druckplatten 2a, 2b den ausreichenden Gegendruck
gegenüber der gegenüberliegenden Druckplatte 2a, 2b aufbringt,
ohne selbst innerhalb des Außenringes 3 verschoben
zu werden. Es genügt, wenn die andere Druckplatte 2a, 2b sich
relativ zu dieser ersten Druckplatte bewegt und so die Kompression
des Werkstückes 1 bewirkt. Es ist aber auch möglich,
beide Druckplatten 2a, 2b relativ zum Außenring 3 während eines
Pressvorganges zu verschieben. Als Druckmittel sind eine obere und
eine untere Pressvorrichtung vorgesehen, die als Druckstempelanordnungen 8a bis 10a, 8b bis 10b gestaltet
sind. Relativ zur Werkzeugform 2a, 2b, 3 außen
liegend weist jede Pressvorrichtung eine Pressplatte 10a, 10b auf,
die in der Darstellung nach 1 die Oberseite
bzw. die Unterseite der Drucksintervorrichtung bilden. Diese Pressplatten 10a, 10b sind
koaxial zur Beweglichkeit der Druckplatten 2a, 2b der
Werkzeugform in nicht näher dargestellter Weise hubbeweglich
gelagert und werden hydraulisch beaufschlagt. Zur Werkzeugform 2a, 2b, 3 hin
schließt an die Pressplatte 10a, 10b jeweils eine
thermische Isolationsschicht in Form einer thermischen Isolierplatte 9a, 9b an.
Auf die thermische Isolationsplatte 9a, 9b folgt
in Richtung zur Werkzeugform 2a, 2b, 3 zur
Mitte hin, d. h. nach unten bzw. nach oben, jeweils eine Kühlplatte 8a, 8b,
die vorzugsweise kühlmittelbeaufschlagt ist. Die Kühlplatte 8a, 8b besteht
vorzugsweise aus Metall, insbesondere Stahl, und wird durch Kühlflüssigkeit
gekühlt, die entsprechende Kühlmittelkanäle
durchfließt. Auch jede Pressplatte 10a, 10b besteht
aus Stahl.
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Um
die Werkzeugform 2a, 2b, 3 auf entsprechende
Sintertemperatur aufheizen zu können, ist sowohl der oberen
Pressvorrichtung 8a bis 10a als auch der unteren
Pressvorrichtung 8b bis 10b jeweils eine Heizplatte 5a, 5b zugeordnet,
die durch eine thermische Isolierschicht 7a, 7b thermisch
von der benachbarten Kühlplatte 8a, 8b getrennt
ist. Jede Heizplatte 5a, 5b besteht aus Grafit
und weist eine Grundfläche auf, die wesentlich größer
ist als die Grundfläche der Werkzeugform 2a, 2b, 3.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht die Grundfläche
jeder Heizplatte 5a, 5b der Grundfläche
der zugeordneten Pressplatte 10a, 10b. Jede Heizplatte 5a, 5b ist
an einen Stromkreis 11a, 11b angeschlossen, wobei
die beiden Stromkreise 11a, 11b und damit auch
die beiden Heizplatten 5a, 5b galvanisch voneinander
getrennt sind. Jedem Stromkreis 11a, 11b ist in
nicht näher dargestellter Weise ein Transformator zugeordnet,
der vorzugsweise zur Herabsetzung der Spannung des anzuschließenden Stromversorgungsnetzes
dient, wodurch der durch die Heizplatten 5a, 5b fließende
Strom erhöht werden kann. Die Stromkreise sind so ausgelegt,
dass die Heizplatten 5a, 5b auf Temperaturen bis
zu wenigstens 3000°C aufgeheizt werden können.
Bevorzugte Sintertemperaturen liegen zwischen 2000°C und 2600°C.
Beide Heizplatten 5a, 5b weisen seitlich über
die Grundfläche der Werkzeugform und des Außenringes 3 hinausragende
Anschlussbereiche für die Stromkreise 11a, 11b auf.
In diesen seitlichen Anschlussbereichen ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel
der Grafit der jeweiligen Heizplatte 5a, 5b getränkt,
um für diese Anschlussbereiche eine verbesserte elektrische
Leitfähigkeit zu erzielen. Dadurch werden diese Anschlussbereiche
aufgrund des reduzierten elektrischen Widerstandes nicht so stark erwärmt
wie die mittleren Bereiche der Heizplatte 5a, 5b,
so dass es möglich ist, diese Anschlussbereiche kühl
zu halten. Die Tränkung mit einem geeigneten Medium und
anschließender Trocknung bildet somit ein entsprechendes
Wärmeisolations- oder Kühlmittel für
die jeweiligen Anschlussbereiche der Heizplatten 5a, 5b.
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Um
zu vermeiden, dass im Betrieb ein Stromfluss durch die Werkzeugform 2a, 2b, 3 erfolgt, sind
die beiden Heizplatten 5a, 5b durch jeweils eine elektrische
Schutzschicht 6a, 6b elektrisch zu der Werkzeugform 2a, 2b, 3 getrennt.
Diese Schutzschicht 6a, 6b weist eine schlechtere
elektrische Leitfähigkeit als die jeweilige Heizplatte 5a, 5b auf,
so dass keine Stromumleitung in Richtung der Werkzeugform erfolgt.
Als elektrische Schutzschicht 6a, 6b kann eine
Schichtplatte aus einem Karbonfaserwerkstoff (CFC) vorgesehen sein.
Die Heizplatten 5a, 5b liegen an den Druckplatten 2a, 2b über
Verschleißplatten 4a, 4b flächig
an, die vorzugsweise ebenfalls aus Grafit oder einem anderen, gut
wärmeleitenden Material bestehen. Die Verschleißplatten 4a, 4b liegen
vollflächig auf den Druckplatten 2a, 2b der
Werkzeugform auf. Gleichzeitig erfolgt auch eine vollflächige
Anlage der Verschleißplatten 4a, 4b an den
Heizplatten 5a, 5b. Die elektrische Schutzschicht 6a, 6b,
die zwischen den Verschleißplatten 4a, 4b und
den Heizplatten 5a, 5b angeordnet ist, beeinträchtigt
die Wärmeleitung zwischen den Heizplatten 5a, 5b und
den Verschleißplatten 4a, 4b nicht.
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Die
Aufheizung der Drucksintervorrichtung und damit die Aufheizung der
Heizplatten 5a, 5b und der Werkzeugform 2a, 2b, 3 kann
unter Vakuum oder Schutzgas erfolgen.
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Durch
die Pressvorrichtung werden für einen Drucksintervorgang
hohe Drücke, insbesondere zwischen 10 und 100 MPa, aufgebracht.
Da jede Heizplatte 5a, 5b gemeinsam mit der durch
die Verschleißplatte 6a, 6b, die Kühlplatte 8a, 8b und
die Pressplatte 10a, 10b gebildete Druckstempelanordnung
bewegt und mit Druck beaufschlagt wird, müssen die Heizplatten
wie auch die übrigen Teile jeder Druckstempelanordnung
so druckfest oder druckstabil ausgebildet sein, dass die beschriebenen
Druckbereiche zwischen 10 und 100 MPa keine Beschädigung
oder Beeinträchtigung der Heizplatten 5a, 5b bewirken.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung sind insbesondere
Werkstücke aus Keramikpulver herstellbar. Für
einen entsprechenden Drucksintervorgang werden die obere und die
untere Pressvorrichtung mit dem gewünschten Pressdruck
beaufschlagt. Zuvor wurden die Heizplatten 5a, 5b aufgeheizt,
um in der Werkzeugform die gewünschte Sintertemperatur
zu erzielen. Durch die aufgebrachten Drücke von oben und
von unten wird der Pressling innerhalb der Aufnahme der Werkzeugform 2a, 2b, 3 bzw.
das vorbereitete Werkstückmaterial entsprechend kompri miert
und gesintert. Die Heizplatten 5a, 5b werden gemeinsam
mit der entsprechenden Druckstempelanordnung mitgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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