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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Sinterkörpern sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung.
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Ein Weg der Herstellung von Sinterkörpern vorgegebener Geometrie besteht darin, dass man das zu sinternde Material in Partikelform bringt und mit einem Bindemittel mischt. Das Gemisch aus Partikeln und Bindemitteln kann dann so behandelt werden, dass es eine formfähige Masse bildet, die zum Beispiel gegossen, spritzgegossen oder gepresst werden kann. Man erhält so Grünlinge, welche handhabbar sind und eine Geometrie aufweisen, die der gewünschten Endgeometrie des Produktes derart verwandt ist, dass letztere nach dem Sintern erhalten wird. Diese Grünlinge werden typischerweise vor dem Sintern auf eine erhöhte Temperatur gebracht, bei welcher das Bindemittel pyrolisiert.
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Die Verwendung von Formen bei der Vorgabe der Geometrie eines dreidimensionalen Produktes ist aber dann nachteilig, wenn das fertige Produkt Hinterschneidungen aufweist. Auch lassen sich Produkte, die in einer Dimension sehr geringe Achsen aufweisen, z. B. nur geringe Dicke haben, in Formen schlechter Herstellung, da das Entnehmen nur geringer Dicke aufweisender Grünlinge aus der Form Schwierigkeiten bereitet.
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Durch die vorliegende Erfindung soll ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben werden, die eine verbesserte Herstellung von Sinterkörpern ermöglichen.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 16.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Grünling aus einer Mehrzahl übereinandergelegter Materialschichten hergestellt, die jeweils Bindemittel und Partikel umfassen.
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Diese Schichten können mit gleichbleibenden Randkonturen oder sich von einer Lage zur nächsten und/oder von einer Lagengruppe zu einer nächsten ändernder Randkontur erzeugt werden. Man kann somit prismatische Körper und Körper mit sich in Achsrichtung des Produktes ändernder Querschnittsgeometrie erzeugen. Insbesondere kann man auch solche Produkte erzeugen, bei denen der Querschnitt in Achsrichtung zu- und abnimmt. so dass Hinterschneidungen der Produktoberfläche resultieren.
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Da die Oberflächengestalt des Grünlinges durch Vorgabe der Randkonturen aufeinanderfolgender Materialschichten erfolgt, also ohne Verwendung einer Form, kann man den Grünling auch direkt auf einer Arbeitsunterlage erzeugen, die für die späteren Arbeitsschritte auf dem Weg zum Sinterkörper notwendig sind, insbesondere die Pyrolyse eines Bindemittels und das Sintern selbst. Empfindliche Grünlinge brauchen somit nicht für sich allein gehandhabt zu werden.
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Erfindungsgemäß kann man auch für die verschiedenen Materialschichten unterschiedliche Partikel, unterschiedliche Partikelkonzentrationen und unterschiedliche Bindemittel wählen, do dass der Grünling und/oder das gesinterte Produkte auch eine chemische Schichtstruktur aufweist. Man kann so z. B. Sinterkörper herstellen, die in axialen Endbereichen eine andere Chemie haben als im axial mittleren Bereich.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüche angegeben.
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Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 2 werden die einzelnen Materialschichten aus einem schon vorgefertigten vorgetrockneten Produkt herausgetrennt. Dies erlaubt eine besonders präzise Bestimmung der Randkontur der einzelnen Schichten.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 ist im Hinblick auf eine sichere Verbindung der einzelnen Materialschichten im in Entstehung begriffenen Stapel von Vorteil.
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Dem gleichen Ziel dient auch die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4.
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Das Verfahren gemäß Anspruch 5 ist im Hinblick darauf von Vorteil, sehr dünne einzelne Materialschichten kostengünstig zu erzeugen. Auch können Druckformen, welche die Geometrie einer aufgebrachten gedruckten Materialschicht vorgeben, einfach mit hoher Präzision reprographisch erzeugt werden.
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Alternativ können statt Druckformen auch bewegliche Druckköpfe verwendet werden, die elektronisch gesteuert Tintentröpfchen abgeben.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 6 ist im Hinblick darauf vorteilhaft, einen getrennten Transportschritt (Materialschicht auf die Oberseite des in Entstehung begriffenen Schichtenstapels aufbringen) einzusparen.
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Das im Anspruch 7 angesprochene Druckverfahren (Tampondruck) ist im Hinblick auf besonders einfache Herstellung der Druckform, im Hinblick auf Verlässlichkeit des Druckverfahrens bei hohen Druckfrequenzen und im Hinblick auf einfache Säuberung der Druckform von Vorteil.
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Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 8 kommt die Druckform selbst nicht mit Partikeln in Berührung. Dies ist im Hinblick auf geringe Verschleiß der Druckform und geringe Verschmutzung der Druckform im Betrieb von Vorteil.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 9 ist im Hinblick auf eine konstante Partikeldichte in einer neu aufgebrachten Materialschicht von Vorteil.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 10 verhindert, dass unabsichtlich Partikel wieder abgelöst werden, die an der darunterliegenden Bindemittelschicht haften.
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Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 11 wird erreicht, dass die Unterlage, auf die jeweils eine neue Materialschicht aufgebracht wird, größere Stabilität aufweist als eine neu aufgebrachte Schicht, was im Hinblick auf das Haftenbleiben der neuen Materialschicht von Vorteil ist. Auch ist die Durchlässigkeit einer Partikel enthaltenden Materialschicht für Wärme und IR- und UV-Licht sowie Elektronenestrahlen reduziert, so dass man einen fertigen Stapel nicht ohne Weiteres in kurzer Zeit gleichmäßig trocknen und/oder härten kann.
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Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 12 wird erreicht, dass der fertige Schichtstapel bessere Homogenität aufweist und planparallele Endflächen hat. Es versteht sich, dass die Kraft im Hinblick auf die jeweilige Festigkeit des Materials des Grünlinges gewählt wird und nicht so hoch sein darf, dass eine nennenswerte Querschnittsvergrößerung des Schichtstapels in zur Richtung der ausgeübten Kraft senkrechter (transversaler) Richtung erfolgt. Falls aus Materialgründen eine derart starke Kraftausübung auf den fertigen Schichtstapel notwendig wäre, müsste die entsprechende Konturvergrößerung schon beim Herstellen der einzelnen Materialschichten kompensiert werden, z. B. durch Verwendung von entsprechend vorkompensierenden Druckformen.
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Mit der Weiterbildung gemäß Anspruch 13 wird erreicht, dass im Schichtstapel erhaltene Unregelmäßigkeiten bei jedem Aufbringen einer Materialschicht gleich ausgeglichen werden.
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Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 14 wird ein sehr rasches Aushärten des Bindemittels möglich, wozu UV-Strahler oder Elektronenstrahler oder andere vernetzende Strahlungsquellen verwendet werden können.
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Arbeitet man nach dem Verfahren gemäß Anspruch 15, so hat man für das Aufbringen der nächsten Materialschicht schon eine Unterlage, die deutlich härter ist als das aufzubringende Material. Dies ist im Hinblick auf gute Bedruckbarkeit der Unterlage von Vorteil.
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Die im Anspruch 16 angegebene Vorrichtung erlaubt ein automatisiertes Herstellen von Schichtstapeln aus einzelnen Materialschichten, die Partikel umfassen, die von einer Bindemittelschicht gehalten sind.
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Dabei erfolgt das Aufbringen einer Materialschicht auf einen in Entstehung begriffenen Schichtstapel jeweils unter gleichbleibenden geometrischen Bedingungen.
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Dieses Einhalten gleichbleibender geometrischer Bedingungen bei der Erzeugung aufeinanderfolgender Schichten erfolgt bei der Vorrichtung gemäß Anspruch 18 automatisch. Dies kann einfach dadurch erfolgen, dass man in einer Steuerung der Vorrichtung die Anzahl der Schichten mitzählt, die zur Bildung eines Stapels schon übereinandergelegt wurden. Man kann auch bei der ersten Einrichtung, welche die mehreren Schichten auf den Stapeln erzeugt, einen Sensor vorsehen, der die aktuelle Höhe des gerade neu zu beschichtenden Stapels misst und den Arbeitskopf der ersten Arbeitseinrichtung so steuert, dass dieser eine vorgegebene Höhe über der Stapeloberfläche hat.
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Dabei kann die Regelgröße, die in der ersten Einrichtung verwendet wird, auch an die anderen Einrichtungen weiter gegeben und dort zur Nachführung des Abstandes zwischen Stapeloberseite und Arbeitkopf verwendet werden.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 19 erlaubt eine präzise, registergerechte Führung des Arbeitskopfes der ersten Einrichtung und eine präzise Einstellung seiner Solllage.
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Alternativ oder zusätzlich kann man gemäß Anspruch 120 vorsehen, dass ein Stapel-Tragmittel in Richtung der Stapelachse so verstellbar ist, dass der Abstand zwischen dem Arbeitskopf der ersten Einrichtung und der Stapeloberfläche konstant gehalten wird. Im Einzelnen kann dies ähnlich erfolgen, wie für den Arbeitskopf vorstehend beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich so variieren, dass sie bei gleicher Grundtaktzeit unterschiedliche effektive Arbeitszeiten für unterschiedliche Arbeiten aufweist. Dies erfolgt so, dass man den gleichen Arbeitsschritt an einer Mehrzahl in Stapel-Förderrichtung aufeinanderfolgender Stationen durchführt. Es kann sich hierbei um Trockenschritte handeln, die mehr Zeit benötigen, als ein Schichterzeugungsschritt. Man kann so insgesamt die Frequenz erhöhen, mit der die Schichtstapel erzeugt werden.
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Man kann aber auch mehrere ähnliche Arbeitsköpfe vorsehen, um im Detail unterschiedliche Arbeiten durchzuführen. So kann man eine erste Trockenstation vorsehen, die mit Heißluft arbeitet, eine zweite Trockenstation, die mit IR-Strahlung arbeitet und zusätzliche eine Härtungssstation, die mit UV-Licht arbeitet.
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Durch Kombination unterschiedlicher Schritte, die letztlich auf das gleiche Ziel hinarbeiten, kann man die Qualität des Arbeitsschrittes verbessern und/oder dessen Gesamtdauer verkürzen.
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Auch kann man z. B. Materialmischungen vornehmen, ohne eine Vermischung von Materialien in einem Arbeitskopf in Kauf nehmen zu können. Man kann so z. B., wenn man Puder auf eine klebriger Bindemittelschicht aufstreut, zunächst eine erste Partikelart aufstäuben und dann eine zweite Partikelart aufstäuben. Man kann auch als Bindemittelschicht, auf welche Partikel aufgestäubt werden, ein anderes Bindemittel wählen als für eine weitere Bindemittelschicht, mit welcher man aufgestäubte Partikel abdeckt. Man kann auhc Bindemittel und Partikel von einer Materialschicht zur anderen variieren.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 22 ermöglicht es, eine größere Anzahl von Einrichtungen, die bei der Herstellung eines Schichtstapels mitwirken, auf kompaktem Raum zusammenzufassen. Alternativ kann man auch lineare Anordnungen von Einrichtungen verwenden und die Fördereinrichtung, welche die Schichtstapel durch die verschiedenen Einrichtungen trägt, nach einer Sägezahn-Charakteristik laufen lassen. Derartige lineare Anordnungen haben den Vorteil, dass man sie leicht um eine weitere Station erweitern kann, was für die Herstellung eines bestimmten Produktes notwendig ist.
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Die Weiterbildungen der Erfindung gemäß den Ansprüchen 23 und 24 sind im Hinblick darauf vorteilhaft, Transportschritte bei mechanisch weniger stabilen Schichtstapeln einzusparen. Aucj für die Kleinserienfertigung sind diese Weiterbildungen von Interesse.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
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1: Einen Ausschnitt aus einer linearen Fertigungsanlage für Schichtstapel, bei denen die einzelnen Schichten ein Bindemittel und Partikel, insbesondere Hartpartikel umfassen;
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2: Eine Aufsicht auf eine Fertigungsvorrichtung für Schichtstapel, die man durch Schließen der in 1 gezeigten Vorrichtung zu einem Kreis erhält;
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3: Ein Flussdiagramm, anhand dessen das Arbeiten einer Fertigungsvorrichtung nach den 1 und 2 erläutert wird;
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4: Verschiedene Materialschichten, die zum Herstellen eines Schichtstapels verwendet werden, der im Querschnitt zunehmende und im Querschnitt abnehmende Querschnittsflächen umfasst;
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5: Einen axialen Schnitt durch ein Produkt, wie es durch Übereinanderschichten der Materialschichten von 4 erhalten werden kann;
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6: Einen Ausschnitt aus einer Einrichtung zum Erzeugen und Stapeln von Materialschichten;
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7: Eine graphische Prinzipdarstellung, anhand welcher das Erzeugen von Schichtstapeln beschrieben wird, bei denen die einzelnen Schichten jeweils eine Bindemittelschicht und eine darauf gestäubte Partikelschicht aufweist;
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8: Eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen einer fortlaufenden Materialbahn aus Bindemittel mit darin verteilten Partikeln;
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9: Ein Prinzipschaltbild, anhand dessen die Bildung von Schichtstapeln aus einem Materialband erläutert wird;
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10: Eine abgewandelte Arbeitsstation mit einer höhenverstellbaren Stapelauflage;
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11: Eine schematische Darstellung einer Materialschicht, welche durch Nebeneinanderlegen von Materialsträngen erhalten wurde; und
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12: Eine schematische Aufsicht auf die Unterseite eines Ablegekopfes für einen Materialstrang mit einer Einrichtung zum Abschneiden des Materialstranges.
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In 1 ist mit 10 eine Basisplatte eines Maschinengestelles bezeichnet, welche über nicht gezeigte Lager einen Tragtisch 12 linear verschiebbar trägt. Dieser ist durch einen nur symbolisch angedeuteten Antrieb 14 in 1 in horizontalerr Richtung hin- und herbewegbar, wobei dieser Antrieb einen Sensor umfasst, der die Ist-Stellung des Tragtisches 12 misst.
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In Bewegungsrichtung des Tragtisches 12 äquististant aufeinanderfolgend sind auf der Basisplatte 10 Arbeitseinheiten 16-1 bis 16-5 angeordnet.
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Diese umfassen jeweils eine Befestigungsplatte 18, mit welcher sie auf die Oberseite des Tragtisches 12 aufgeschraubt sind, eine Führungssäule 20, die vertikal auf der Befestigungsplatte 18 befestigt ist, und eine insgesamt mit 22 bezeichneten Arbeitskopf, der verschiebbar auf der Führungssäule 20 läuft. Zur Bewegung des Arbeitskopfes 22 dient eine Gewindespindel 24, die durch einen Elektromotor 26 angetrieben ist und mit einer nicht näher dargestellten Spindelmutter zusammenarbeitet, die im Arbeitskopf 22 vorgesehen ist.
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Der Elektromotor 26 ist auf einer oberen Endplatte 28 angebracht, die fest mit dem oberen Ende der Führungssäule 20 verbunden ist. Auf den Elektromotor 26 ist ferner ein Stellungsgeber 30 aufgesetzt, der mit der Motorwelle zusammenarbeitet und so ein der Vertikalstellung des Arbeitskopfes 22 zugeordnetes Ausgangssignal erzeugt.
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Der Arbeitskopf 22 besteht seinerseits aus einem Schlittenteil 32, welches auf der Führungssäule 20 läuft, und einem Arbeitsteil 34, welches auf die Unterseite des Schlittenteils 32 aufgesetzt ist.
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Die Arbeitsteile 34 der verschiedenen Arbeitseinheiten 16 können unterschiedliche oder auch gleiche Arbeiten ausführen, wie nun nachstehend am Beispiel der Herstellung von Schichtstapeln erläutert wird, die übereinanderliegende Schichten umfassen, die ein Bindemittel und von diesem getragene Partikel aufweisen. Die Arbeitseinheiten 16 haben beim betrachteten Ausführungsbeispiel gleichen mechanischen Grundaufbau, unterscheiden sich jedoch in der Art und Arbeitsweise ihres Arbeitskopfes 22. Auf diese Weise kann man die Arbeitseinheiten 16 im Bedarfsfalle leicht von einer Funktion auf eine andere Funktion umrüsten, indem man nur den entsprechenden Arbeitskopf 22 durch einen anderen ersetzt.
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In 1 sind auf dem Tragtisch 16 bei allen der Arbeitseinheiten 16-1 bis 16-2 jeweils eine unterste Schicht 36 eines in Entstehung begriffenen Schichtstapels 38 tragen.
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Der Arbeitskopf 22-1 ist ein solcher, der eine Schicht aus Bindemittel und Partikeln erzeugt und in einer unteren Endstellung auf eine dann auf einer unter ihm stehende Oberfläche ablegt, wobei es sich um die Oberfläche des Tragtisches 12 handeln kann (Beginn der Stapelbildung) oder die Oberseite eines in Entstehung begriffenen Schichtstapels 38 handeln kann während der Stapelvergrößerung).
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Beispiele für Arbeitsköpfe 22-1, welche derartige Schichten erzeugen können, werden später noch genauer beschrieben.
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In 1 ist die Arbeitseinheit 16-1 zu einem Zeitpunkt dargestellt, zu dem sie das Erzeugen und Ablegen einer weiteren Schicht vorbereitet.
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Die um eine Teilung weiter stromabliegende Arbeitseinheit 16-2 hat einen Arbeitskopf 22-2, welcher ein Trockenkopf ist. Für Erläuterungszwecke sei angenommen, dass dieser Trockenkopf ein Heißluft abgebender Trockenkopf ist.
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Die Arbeitseinheit 16-3 hat wieder gleichen mechanischen Aufbau wie die Arbeitseinheit 16, ihr Arbeitskopf 22-3 ist nun aber ein IR-Trockenkopf.
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Die Arbeitseinheit 16-4 ist eine solche, bei der der Arbeitskopf 22-4 eine polierte Pressplatte aufweist.
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Die Arbeitseinheit 16-5 hat wieder gleichen mechanischen Aufbau wie die vorstehend beschriebenen Arbeitseinheiten, ihr Arbeitskopf 22-5 ist nun aber ein solcher, der UV-Licht abgibt. Damit werden in der Arbeitseinheit 16 Bindemittel ausgehärtet, die durch UV-Strahlung zum Vernetzen gebracht werden.
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In der Arbeitseinheit 16 ist eine einzige Materialschicht 36 zu sehen, die in einem ersten Arbeitszyklus der Maschine hergestellt wurde und getrocknet und gehärtet ist, wie sich aus dem Nachstehenden ergeben wird.
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Auf diese erste Materialschicht 36 legt die Arbeitseinheit 16-1 eine weitere Materialschicht 40 auf (bevorzugt durch Tampondruck). Ist dies geschehen, wird die Arbeitseinheit 16 um eine Teilung weiter nach rechts bewegt, so dass in der Arbeitseinheit 16-2 dann immer ein Schichtstapel 38 liegt, der eine Schicht mehr aufweist als der in der Arbeitseinheit 16-1 einlaufende Schichtstapel. Dieser Schichtstapel 38 wird dann in der Arbeitseinheit 16-2 mit Heißluft getrocknet. Beim nächsten Verschieben des Tragtisches 12 um eine Teilung kommt dieser so vorgetrocknete Schichtstapel in die Arbeitseinheit 16-3 und wird dort durch IR-Strahlung weiter getrocknet.
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Nach Verschieben des Tragtisches 12 um eine weitere Teilung steht dann der weitgehend getrocknete Schichtstapel 38 vor dem Arbeitskopf 22-4, und dort wird die neu aufgetragene getrocknete Materialschicht 40 durch die ebene Druckplatte 22-4 flächig gepresst, so dass die Materialschicht 40 blasenfrei auf der darunterliegenden Materialschicht 40 liegt und eine ebene Oberseite erhält.
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In der letzten Arbeitseinheit 16 wird dann die oberste Materialschicht 40 mit UV-Licht ausgehärtet.
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Anschließend wird der Tragtisch 12 vollständig in der Zeichnung nach links zurückbewegt, so dass der vorderste Schichtstapel 38-5 nun unter den Arbeitskopf 22-1 zu liegen kommt und dort mit einer weiteren Materialschicht versehen wird.
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Der oben beschrieben Zyklus läuft dann so oft ab, bis jeder der Schichtstapel 38 die gewünschte Anzahl von Materialschichten 40 umfasst.
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung lässt sich leicht für einfachere Arbeitsverfahren abspecken, indem man nicht benötigte Arbeitseinheiten 16 einfach abbaut. So könnte man gegebenenfalls die Heißluft-Arbeitseinheit 16-1 weglassen und die vor dem Pressen erfolgende Trocknung der obersten Materialschicht auf eine IR-Trocknung beschränken.
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Umgekehrt könnte man in die Vorrichtung auch noch weitere Arbeitseinheiten 16 einfügen, wenn dies für besondere Arbeitsverfahren notwendig ist. So könnte man z. B. die Arbeitseinheit 16-4 verdoppeln, wenn das Aushärten des Bindemittels mehr Zeit benötigt als einen Fördertakt des Tragtisches 12.
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Wünscht man ein stetiges Arbeiten der Vorrichtung kann man den Tragtisch 12 auch als Drehtisch ausbilden und die Arbeitseinheiten 16 regelmäßig in Umfangsrichtung dieses Drehtisches anordnen. Eine derartige Anordnung ist in 2 gezeigt.
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Der Tragtisch 12 ist nun über Speichen 42 mit einer Nabe 44 verbunden, die von einer Welle 46 getragen ist. Letztere wird durch einen Elektromotor 48 angetrieben, der wieder mit einem Stellungsgeber 50 gekoppelt ist.
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Der Tragtisch 16 wird nun in einer einzigen Richtung angetrieben; die Arbeitsweise ist aber analog zu derjenigen, die unter Bezugnahme auf 1 schon beschrieben wurde.
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3 zeigt die wesentlichen Schritte des Verfahrens der Herstellung von Sinterkörpern in Form eines Flussdiagrammes. Die verschiedenen Blöcke des Flussdiagrammes sind mit A bis I bezeichnet. Davon betreffen die Blöcke A bis G die Herstellung eines Grünlinges, der durch einen fertigen Schichtstapel 38 gebildet wird.
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In einem ersten Block A wird geprüft, ob die verschiedenen Schichtformen schon abgearbeitet sind, aus denen der Schichtstapel letztlich zusammengesetzt sein soll.
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Während es beim Vorgehen nach den 1 und 2 darum ging, durch Übereinanderlegen identischer Schichten 40 eine entsprechend identische Partikelverteilung im Bindemittel zu erhalten, aus welchem dann später nach Pyrolyse des Bindemittels und Sintern der Partikel ein prismatisches Endprodukt entstehen kann, ist es auch durchaus denkbar, nach der oben geschilderten Methode auch Sinterprodukte herzustellen, deren Querschnitt sich in Achsrichtung ändert, so dass auch Produkte hergestellt werden können, die eine Taille aufweisen.
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Hierzu müssen Schichten mit unterschiedlicher Randkontur aufeinandergelegt werden. Diese kann man dadurch erzeugen, dass man entsprechend unterschiedliche Druckformen wählt. Im Block A wird geprüft, ob ein Formenwechsel ansteht. Hierzu umfasst die Steuerung der Maschine einen Speicher, in welchem abgelegt ist, welche Druckform für welche Lagen oder Lagenbereiche verwendet werden soll. Diese Druckformentabelle wird sequentiell abgearbeitet, bis die letzte Druckform verwendet ist.
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Ist ein Druckformenwechsel FW durchzuführen, erhöht das Programm im Block A einen Druckformenzähler ZF um eins und setzt ein Druckschichtenzähler ZD gleich null.
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Im nachfolgenden Programmblock B erfolgt dann das Drucken einer Schicht und der Druckschichtenzähler ZD wird um eins erhöht.
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Im Programmblock C erfolgt dann das Trocknen der aufgebrachten Schicht, wobei der hier einzige Programmblock C in Wirklichkeit eine Mehrzahl in Stapel-Förderrichtung hintereinander angeordneter Trocken-Arbeitseinheiten steuern kann.
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Der Programmblock D steuert das Pressen der getrockneten Schicht.
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Im Programmblock E erfolgt dann das Härten HR des Bindemittels, z. B. durch UV-Strahlung, Elektronenstrahlung oder eine andere vernetzende Verstrahlung.
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In der Verzweigung F wird geprüft, ob die für die gewählte Druckform vorgesehene Anzahl von Drucken ZDS schon abgewickelt ist. Ist dies nicht der Fall, erfolgt ein Rücksprung zum Programmblock B.
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Ist die gewünschte Anzahl von Druckschichten ZDS erreicht, läuft das Programm zu einer weiteren Verzweigung G weiter. Dort wird geprüft, ob schon alle zu verwendenden Querschnittsformen abgearbeitet sind. Ist dies nicht der Fall, erfolgt ein Rücksprung zum Programmblock A, wo ein Formenwechsel FW herbeigeführt wird. Die verschiedenen Zyklen laufen dann so weiter, wie oben beschrieben.
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Wird in der Verzweigung G festgestellt, dass schon alle zu berücksichtigenden Schichtformen ZFS abgearbeitet sind, geht das Programm zum Block H weiter, wo die Pyrolyse PY des Bindemittels gesteuert wird. Nach Abschluss des Blockes H läuft dann das Programm zum Block I weiter, wo das Sintern der Partikel (SI) gegebenenfalls unter gleichzeitiger Druckeinwirkung (PR) erfolgt.
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Wo eine solche Druckeinwirkung beim Sintern ohne geschlossene Form zu einer Querschnittsvergrößerung führt, wird diese schon bei der Wahl der Druckformen kompensiert.
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4 zeigt vier Materialschichten 40-1 bis 40-4, welche gleichen Außendurchmesser haben. Das Material der Materialschichten 40 von 4 ist aber nicht homogen. Diejenigen Partikel, die später den Sinterkörper bilden sollen, sind nur innerhalb einer Kreisfläche 52-1 bis 52-4 angeordnet, deren Durchmesser in 4 von oben nach unten zunimmt. Diese Kreisfläche ist gepunktelt dargestellt.
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Die weiß dargestellte Kreisringfläche 54, welche die Kreisfläche 52 jeweils umgibt, enthält ebenfalls ein Bindemittel und vorzugsweise auch sinterbare Partikel, wobei diese aber solche chemische Natur haben, dass sie reaktiv nach dem Sintervorgang entfernt werden können, z. B. durch Verbrennung in Sauerstoff oder Umsetzung in eine andere Reaktion, für welche die den Sinterkörper bildenden Partikel widerstandsfähig sind.
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Scheiben 40-1 bis 40-4, wie sie in 4 wiedergegeben sind, lassen sich durch zwei Druckschritte erzeugen: Eine ersten Druckschritt, der die Kreisfläche 52 erzeugt und bei dem eine Tinte verwendet wird, die die für den Sinterkörper gewünschten Partikel enthält. Dann einen zweiten Druckschritt, in welchem die Kreisringfläche 54 erzeugt wird, wobei dem Bindemittel gegebenenfalls sinterfähige Partikel zugegeben sind, die dann nach dem Sintern reaktiv entfernt werden können.
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Für Fälle, in denen die Kreisflächen 52 nach Trocknung des Bindemittels ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen, kann man auch Partikel in den Kreisringflächen 54 weglassen, so dass die entsprechenden weißen Bereiche des Grünlinges bei der Pyrolyse entfernt werden und nur die durch die Kreisflächen 52 erhaltene Schichtstruktur gesintert wird.
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5 zeigt ein Beispiel für einen Grünling, den man durch Übereinanderlegen von Materialschichten 40-1 bis 40-4 erhalten kann. Verwendet man die in 4 gezeigten Materialschichten 40 einmal in 4 von unten nach oben und dann von oben nach unten, erhält man einen Rotationskörper mit einer konkaven Taille, wie in 5 gezeigt.
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Die weißen Bereiche der einzelnen Schichten dienen dazu, überkragende Randbereich der Kreisflächen 52 darüber liegender Schichten so lange abzustützen, bis die Kreisflächen 52 selbst ausreichende mechanische Stabilität erhalten haben. Man kann so auch Sinterkörper herstellen, welche starke Querschnittsänderungen in Achsrichtung aufweisen, z. B. Körper, die ähnliche Geometrie aufweisen wie eine Spule mit einem zylindrischen Mittelstück und zwei scheibenförmigen Endstücken.
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Muss ein Abstützung auskragender Randbereiche oberer Schichten des Schichtenstapels nicht erfolgen, da z. B. der Querschnitt des Sinterkörpers nur abnimmt, kann man die verschiedenen Materialschichten auch ohne Vorsehen von Kreisringflächen 54 übereinandersetzen. Eine Arbeitseinheit 16-1, welche dies unter Verwendung von Tampondruck bewerkstelligen kann, wird nun in ihren zentralen Teilen unter Bezugnahme auf 6 beschrieben.
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Man erkennt im linken Teil von 6 den Stapel-Tragtisch 12, der durch den Antrieb 14 inkrementweise des Pfeiles bewegt wird.
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Im rechten Teil von 6 erkennt man eine Druckplatte 56, die durch einen schematisch angedeuteten Antrieb 58 so verstellbar ist, dass nacheinander eine einer Mehrzahl von Druckformen 60-1 bis 60-7 an einer Stelle gestellt werden kann, bei der ein Einfärbekopf 62 sowie ein Tamponkopf 64 angeordnet sind.
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Die Oberseite der Druckplatte 60 ist poliert, und in ihr sind Ätzen, Erodieren oder mechanische Bearbeitung die Druckformen 60 hergestellt worden. Diese unterscheiden sich beim hier betrachtenden Ausführungsbeispiel durch ihren Radius.
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Der Einfärbekopf 62 umfasst ein Farbgehäuse 66, welches auf der Unterseite einen geschliffenen Dichtring 68 trägt, der z. B. aus Keramikmaterial gefertigt sein kann und dessen Unterseite geschliffen ist. Innerhalb des Dichtringes 68 liegt ein Farbnetz 70, durch welches im Inneren des Farbgehäuses 66 befindliche Druckfarbe in geringer Menge austreten kann.
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Durch eine nicht näher gezeigte Mechanik ist der Einfärbekopf 62 zwischen einer in der Zeichnung ausgezogen wiedergegebenen Parkposition, in der die bei ihm stehende Druckform 60-4 von oben zugänglich ist, und einer in 6 gestrichelt eingezeichneten Einfärbeposition verschiebbar, in welcher Farbe an die darunterliegende Druckform 60-4 abgegeben werden kann.
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In 6 ist der Tamponkopf 64 ausgezogen in einer Farbaufnahmestellung wiedergegeben, in welcher eine Silikonmemberan 76 gegen die Druckform 60-4 gelegt wird, so dass sie dort befindliche Farbe mitnimmt, und gestrichelt in deiner Druckposition gezeigt, in welcher er Tinte an die Stapeloberseite abgibt.
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Nach Übernahme der Farbschicht wird der Tamponkopf 64 durch den Antrieb 74 zunächst von der Druckplatte 56 abgehoben und dann in horizontaler Richtung über den Schichtstapel 38 bewegt, der in die Druckposition der Arbeitseinheit 16-1 gestellt ist. Beim sich anschließenden Abwärtsbewegen des Tamponkopfes 64, der den Arbeitskopf 22-1 der Arbeitseinheit 16-1 darstellt, wird dann die von der Silikonmembran 76 getragene Farbschicht gegen die Oberseite des Schichtenstapels 38 bewegt, wo sie hängenbleibt. Nach Anheben des Tamponkopfes 64 kann dann der Tragtisch 12 um eine Teilung weiterbewegt werden.
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Man erkennt in 6, dass der unterhalb der Arbeitseinheit 16-1 stehende Schichtstapel 40i-1 eine Schicht 40 trägt, die auf dem Schichtenstapel 40i noch nicht vorlag.
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Man erkennt, dass man durch Abarbeiten der weiteren Druckformen 60-5 bis 60-7 insgesamt Schichtstapel 38 erhält, die eine kegelstumpfförmige Gestalt haben. Nach Pyrolyse des Bindemittels und Sintern der Partikel erhält man entsprechend einen kegelstumpfförmigen Sinterkörper.
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7 zeigt eine andere Art der Herstellung von übereinanderliegenden Materialschichten 40, die jeweils ein Bindemittel und Metallpartikel umfassen. In zwei Reihen sind jeweils die Teil-Phasen der Herstellung einer Materialschicht gezeigt.
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Zunächst wird im am weitesten links gelegenen Teilbild durch Drucken, z. B. Tampondruck eine Bindemittelschicht 78 erzeugt, auf die dann in einer zweiten Teil-Phase Partikelpulver gestreut wird. Die entsprechende Partikelschicht ist in der Zeichnung mit 80 bezeichnet.
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Das Aufbringen der Partikelschicht kann z. B. durch Vibrieren eines Siebes erfolgen, welches die Unterseite eines Puderbehälters verschließt. Die Bildung der Partikelschicht kann aber auch durch Heraustragen von Partikeln aus einem Vorratsbehälter mit einer Dosierwalze erfolgen, welche in ihrer Umfangsfläche Näpfchen aufweist, welche Partikel aufnehmen können. Auch könnte man die Puderpartikel im Überschuss auf die Bindemittelschicht 78 geben und nicht direkt mit der Bindemittelschicht 78 in Verbindung stehende Partikel anschließend abblasen oder abschütteln.
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In einer dritten Teilphase wird beim hier betrachteten Ausführungsbeispiel über die Partikelschicht 80 eine dünne Bindemittel-Halteschicht 82 gelegt, was durch Aufsprühen erfolgen kann.
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In einer vierten Teilphase wird die getrocknete Halteschicht 82 flächig gegen die Bindemittelschicht 78 gedrückt, wodurch man die in der obersten Reihe rechts gezeigte Struktur erhält, in welcher ein Teil der Partikel in die Bindemittelschicht 78 gedrückt wurde, ein anderer Teil der Partikel in die Halteschicht 82 gedrückt wurde, und die Halteschicht 82 zumindest teilweise flächig an der Bindemittelschicht 78 anliegt.
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Auf die so erhaltene Schicht 40-1 wird dann gemäß der zweiten Reihe der 7 eine weitere Schicht auf gleiche Weise aufgebracht.
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Auf gleiche Weise wird der Stapel weiter aufgebaut, bis er die gewünschte Größe erreicht hat.
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Über das Ausmaß des Trocknens der Bindemittelschicht 78 zwischen der ersten und zweiten Teilphase des oben beschriebenen Prozesses kann man die Klebrigkeit der Schichtoberseite vorgeben und das Eindringen von Partikeln in die Oberseite der Bindemittelschicht 78 steuern.
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Ein weiterer Ansatz des Herstellens von Schichtstapeln wird nun unter Bezugnahme auf die 8 und 9 erläutert.
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Bei diesem Vorgehen wird zunächst ein formstabiles Band erzeugt, welches eine Bindemittl-Matrix und homogen darin verteilte Partikel aufweist. Zur Herstellung eines solchen Bandes kann man im Wesentlichen gemäß 8 vorgehen.
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Aus einem Vorrat 84 an Partikelbrei, der ein strahlungshärtbares Bindemittel und die zusammenzusinternden Partikel enthält, wird unter Verwendung einer Rakel 86 ein dünner Film 88 auf einem Förderband 90 erzeugt, welches in Richtung des Pfeiles 90 angetrieben wird. Das Förderband ist durch eine Platte 92 flächig unterstützt.
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Durch eine schematisch angedeutete IR-Quelle 94 wird der Materialfilm getrocknet. Eine stromab derselben angeordnete Druckrolle 96, die unter konstanter Vorspannung K steht, wird die Filmoberfläche geglättet, und mit einer ebenfalls schematisch angedeuteten UV-Lichtquelle 98 wird der geglättete Film zumindest teilweise gehärtet. Vorzugsweise erfolgt das Härten nur soweit, dass das entstandene Material 102 noch leicht ohne Bruch- oder Rissgefahr gestanzt werden kann und eine gewisse Rest-Klebrigkeit aufweist, so dass übereinadergelegte Bahnabschnitte aneinander haften.
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In 9 ist wiedergegeben, wie man durch ein nicht gezeigtes Stanzwerkzeug aus dem Materialband 102 herausgeschnittene Materialschichten 40 übereinanderlegen kann. Beim Ausführungsbeispiel wird ein einziges Stanzwerkzeug verwendet, so dass alle ausgestanzten Materialschichten 40 gleiche Geometrie haben. Durch Übereinanderlegen erhält man somit prismatische Schichtstapel 38.
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Man erkennt, dass diese Art der Stapelbildung zu Schichtstapeln 38 führt, die in Umfangsrichtung gut glatte Flächen aufweisen.
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10 zeigt eine abgewandelte Arbeitseinheit 16, bei welcher das Einhalten gleichen Abstands zwischen der Oberseite in Entstehung begriffenen Schichtstapel 38 und der Unterseite des Arbeitskopfes 22 nicht durch Verfahren des Arbeitskopfes, sondern durch Verfahren einer Tragplatte 102 erfolgt, auf denen sich jeweils ein Schichtstapel 40 befindet.
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Die Tragplatte 102 ist auf vertikalen Führungsstangen 104, 106 geführt, die von einer Befestigungsplatte 108 getragen sind, die auf dem Tragtisch 10 angebracht ist. Zum Bewegen der Tragplatte 102 auf den Führungsstangen 104, 106 dient ein Elektromotor 110, der auf einer Gewindespindel 112 arbeitet, die mit einer in der Tragplatte 102 vorgesehenen Spindelmutter (nicht gezeigt) zusammenarbeitet. Dem Elektromotor 110 ist wieder ein Stellungsgeber 114 zugeordnet, so dass eine für den Elektromotor vorgesehene Steuerung die Höhe der Tragplatte 102 in Abhängigkeit von der Anzahl schon im Schichtstapel 38 enthaltener Schichten 40 steuern kann, ähnlich wie unter Bezugnahme auf 1 für den Arbeitskopf 20 beschrieben.
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Bei dieser Ausbildung der Abstützung für die Schichtstapel 38 können dann die Arbeitseinheiten 16 in fester vertikaler Position am Maschinenrahmen angebracht sein. Exemplarisch ist bei 116 ein feststehender Maschinenabschnitt dargestellt.
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Falls gewünscht können auch die Verstellmöglichkeiten nach 1 und 10 gemeinsam vorgesehen werden, insbesondere dann, wenn Verstellmechanismen verwendet werden, die jeweils nur einen kleinen Arbeitshub aufweisen. Der Gesamt-Verstellweg ergibt sich dann als die Summe der Verstellwege von Arbeitskopf und Tragplatte.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass der Grünling durch Übereinandersetzen einer größeren Anzahl dünner Schichten 40 erhalten wird.
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Für Produkte, in denen größere Höhen der Grünlinge gewünscht werden, die Qualität der Begrenzungsflächen des Grünlinges aber nicht der wichtigste Aspekt ist, kann man eine Materialschicht 40 auch mit größerer Dicke erzeugen. Ein Beispiel hierfür wird nun anhand der 11 erläutert.
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Die Materialsschicht 40 von 11 wird dadurch erhalten, dass man Abschnitt von Materialsträngen in bestimmter Weise nebeneinander legt. Die Materialstänge bestehen aus einem Material, welches drei ähnliche Konsistenzen aufweist. Es kann sich auch um ein Material handeln, welches von Haus aus weicher ist, welches aber durch Vortrocknen und/oder teilweises Aushärten in einen nicht freifließenden, zumindest kurzfristig formstabilen Zustand gebracht wurde.
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Die in 11 gezeigte Materialschicht hat einen zentralen Abschnitt 40-1, der aus konzentrisch gelegenen Strangabschnitten besteht. Ein in 11 rechts gelegener im Wesentlichen rechteckiger Flügel der Materialschicht 40 ist durch Nebeneinanderlegen geradliniger Strangabschnitte erhalten.
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Ein in 11 links gelegener Abschnitt der Materialschicht 40 ist durch Nebeneinanderstellen kurzer vertikaler Strangabschnitte erhalten.
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Derartige Anordnungen von Strangabschnitten kann man unter Verwendung eines Ablegekopfes erhalten, wie er nachstehend unter Bezugnahme auf 12 erläutert wird.
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In 12 ist ein entsprechender Ablegekopf insgesamt mit 120 bezeichnet. Er hat in seiner unteren Gehäusewand ein Abgaberohr 122, welches einen dünnen Strang breiförmigen Materials abgeben kann.
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Die Steuerung der Abgabe erfolgt durch Steuerung des Arbeitens einer nicht gezeigten Pumpe, welche das breiförmige Material (Bindemittel und Partikel) aus einem Vorratsbehälter (nicht gezeigt) zum Abgaberohr 122 fördert.
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Zum präzisen Führung eines abgelegten Stranges breiförmigen Materiales auf einer Ablagefläche ist der Abstand zwischen der Unterseite des Abgaberohrs 122 und der Ablagefläche klein gewählt. Bei der gewünschten Konsistenz des Materialbreies der nicht frei fließen soll, reißt der Materialstrang nicht durch sein Eigengewicht ab, wenn die Brei-Förderpumpe angehalten wird.
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Um eine präzise Länge abgegebener Materialstränge zu gewährleisten, ist daher am Ausgang des Abgaberohrs 122 eine Trenneinrichtung vorgesehen, welche dort den Materialstrang abschneiden kann. Diese umfasst einen elastischen Federdraht 124, der einen mittleren kreisförmigen Bereich 126 aufweist, der größeren Durchmesser hat als dem Innendurchmesser des Abgaberohres 122 entspricht. Bei entlastetem Federdraht 124 kann somit der Breistrang das Abgaberohr 122 unbehindert verlassen. Von zwei sich an den kreisförmigen Abschnitt 126 anschließenden geradlinigen Drahtabschnitten 128, 130 ist der eine bei 132 fest mit dem Gehäuse des Kopfes verbunden, während der andere mit dem Ende eines Abtriebsteiles 134 eines Linearmotors 136 (z. B. eines Elektromagneten) verbunden ist. Dieser ist seinerseits fest auf das Gehäuse des Ablegekopfes 120 aufgesetzt.
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Wird das Abtriebsteil 134 eingefahren, wird der Durchmesser des kreisförmigen Abschnittes 126 des Federdrahtes 124 verkleinert. Entsprechend wird der Breistrang zumindest soweit durchgeschnitten, dass der stehenbleibende kleine Kern des Breistranges dessen Gewicht nicht mehr halten kann, so dass der Breistrang abgetrennt wird.
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In Abwandlung der obigen Ausführungsbeispiele kann man das Pyrolisieren und Sintern auch in die Fertigungsmaschine integrieren. Hierzu kann man z. B. eine Maschine gemäß den 1 bzw. 2 wie folgt abwandeln. Es werden Arbeitseinheiten 16-1 bis 16.5 wie folgt vorgesehen:
16-1 Drucken und Aufsetzen von Tintenschichten wie gehabt,
16-2 Trocken der Materialschichten, ggf. unter leichtem Druck zur Vermeidung von Lufteinschlüssen und zum Ebnen der Schichtoberseite,
16-3 Härten der obersten Materialschicht/dabei ggf. Nach. härten benachbarter oberer Materialschichten,
16-4 Pyrolyse der Bindemittelanteile,
16-5 Sintern der Partikel.
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Zur Herstellung eines Produktes arbeiten zunächst nur die Arbeitseinheiten 16-1 bis 16-3 und die Arbeitseinheiten 16-4 und 16-5 werden ohne Aktivierung durchfahren, bis ein Schichtstapel genügender Höhe aufgebaut worden ist. Anschließend werden dann beim letzten Durchlauf die Arbeitseinheiten 16-4 und 16-5 aktiviert.
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Alternativ kann man zwei der Arbeitseinheiten von 1 bzw. 2 als tauschbare Einheiten vorsehen, z. B. die Arbeitseinheiten 16-1 und 16-2. Diese werden dann zum Pyrolisieren und Sintern durch zwei Arbeitseinheiten 16-1' und 16-2' ersetzt, die die Pyrolyse bzw. das Sintern besorgen. Damit ist der Durchsatz bei der Bildung des Schichtstapels 38 nicht durch Wartezeiten reduziert.
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Vorzugsweise erfolgt für größere Produktserien das Pyrolisieren und Sintern auf einer getrennten Fördereinrichtgung, auf welche die Schichtstapel 38 umgesetzt werden. Man kann so dann stark unterschiedliche Behandlungsdauern beim Drucken der Materialschichten einerseits und beim Pyrolisieren bzw. Sintern besser andererseits besser aufnehmen und unterschiedliche Umgebungsbedingungen (Abfuhr der Zersetzungsprodukte beim Pyrolisieren, Schutzatmosphäre beim Sintern) einfacher gewährleisten.
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Unter den obigen Ausführungsbeispielen befanden sich solche, bei denen sich die Randkonturen der Materialschichten unterschieden und solche, bei denen die Randkonturen der Materialschichten gleich war. Es versteht sich, dass man mit dem beschriebenen Verfahren nicht nur ausschließlich axial konturierte und axial gleich bleibende Produkte herstellen kann, sondern auch solche, die stückweise prismatisch und stückweise axial konturiert sind.
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Als Bindemittel für Tinten kommen die gleichen Lösungsmittel basierten Bindemittel und UV-Bindemittel infrage, die auch in der Drucktechnik für Metallpartikel enthaltende Druckfarben verwendet werden.
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Beispiele für geeignete UV-härtebare Bindemittel können der
EP 0 555 069 A entnommen werden.
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Als Partikel kommen insbesondere Hartpartikel in Frage, darunter Keramikmaterialien, Metalloxide, Metallkarbide und Metallnitrite. Diese werden in Pulverform bereitgestellt, wobei man je nach der gewünschten Dichte im Endprodukt kleinere oder mittlere Partikeldurchmesser oder größere mittlere Partikeldurchmesser verwenden kann. Dabei muss bei einigen der angesprochenen Druckverfahren auch berücksichtigt werden, dass die dort verwendeten Tinten obere Grenzen für den Teilchendurchmesser setzen. Dies gilt insbesondere für Tintenstrahldruck und Siebdruck. Tampondruck ist bezüglich der Partikelgröße flexibler.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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