-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines Werkstücks, insbesondere zum Sintern, mit einem Induktionsofen, in dem das Werkstück und ggf. Additive – direkt oder indirekt – induktiv erwärmbar sind.
-
Vorrichtungen der in Rede stehenden Art sind seit Jahren aus der Praxis bekannt und werden insbesondere bei der Herstellung von keramischen Werkstücken, beispielsweise von Bremsscheiben, eingesetzt. Dabei werden zunächst verschiedene Rohstoffe, bedarfsweise unter Zugabe von Bindemitteln, miteinander vermischt und beispielsweise durch Verpressen in die gewünschte Form gebracht. Dieser sogenannte Grünling wird bei relativ geringer Temperatur einer Wärmebehandlung – dem Entbindern – unterzogen, um zumindest teilweise Bindemittel aus dem Grünling freizusetzen. Dieser Vorgang wird auch als Pyrolyse bezeichnet.
-
Nach der Entbinderung erfolgt die eigentliche Sinterung, bei der das Werkstück in einem Ofen bei hohen Temperaturen wärmebehandelt wird. Dabei laufen Diffusionsvorgänge zwischen den einzelnen Rohstoffpartikeln in fester und teilweise auch flüssiger Phase ab, wodurch die Porosität des Werkstücks verringert und die Festigkeit erhöht wird. Des Weiteren ist bekannt, das Werkstück in dem Ofen auf eine Schüttung aus einem Additiv, beispielsweise einem Infiltrationsmaterial wie Silizium, zu legen. Bei entsprechender Temperatur schmilzt das Infiltrationsmaterial und infiltriert in die Poren des Werkstücks, so dass das Werkstück die gewünschten Materialeigenschaften erhält. Diese Prozesse müssen in einer besonderen Gasatmosphäre und/oder bei einem Druck unterhalb des Atmosphärendrucks erfolgen. Nach der Wärmebehandlung muss das Werkstück abgekühlt werden, was aufgrund der extremen Temperaturen sehr zeitintensiv ist.
-
Aus der Praxis sind zwei verschiedene Typen von Induktionsöfen vorbekannt, der Durchlaufofen und der Batch-Ofen. Bei einem Durchlaufofen werden die Werkstücke kontinuierlich durch einen Ofen transportiert, wobei der Ofen unterschiedliche Temperaturzonen aufweist. Bei dieser Art von Öfen ist nachteilig, dass die Erzeugung einer geeigneten Gasatmosphäre und der benötigten Temperatur aufgrund der Größe eines Durchlaufofens nur mit großem konstruktivem Aufwand und unter erheblicher Energieaufwendung möglich ist.
-
Bei einem Batch-Ofen, wie er beispielsweise aus der
WO 2007/063562 A1 bekannt ist, wird das Werkstück auf einer Schüttung aus Silizium in den Ofen eingebracht und in dem Ofen ein Unterdruck erzeugt. Wenn die benötigte Atmosphäre erzeugt ist, wird das Werkstück und das Silizium über eine Induktionsspule erhitzt, so dass das Silizium schmilzt und in das Werkstück infiltriert. Nachdem die Infiltration abgeschlossen ist, wird der gesamte Ofen und somit das Werkstück abgekühlt, das Ofeninnere auf Atmosphärendruck gebracht und das fertige Werkstück ausgegeben. Dabei ist nachteilig, dass die Bearbeitung eines Werkstücks sehr viel Zeit in Anspruch nimmt, da zunächst ein Unterdruck erzeugt, dann der Ofen erhitzt, danach der Ofen abgekühlt und schließlich auf Atmosphärendruck gebracht werden muss. Daher ist der Durchsatz bei dieser Vorrichtung nicht sehr groß, auch wenn mehrere Werkstücke gleichzeitig in den Ofen eingebracht werden. Des Weiteren ist nachteilig, dass bei der Wärmebehandlung sehr viel Energie aufgebracht werden muss, um das Werkstück und die Schüttung auf die benötigte Temperatur zu erhitzen.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines Werkstücks der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass mit einfachen konstruktiven Mitteln und mit geringem energetischen Aufwand bei erhöhtem Durchsatz eine sichere und zuverlässige Wärmebehandlung gewährleistet ist.
-
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Danach ist die in Rede stehende Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Induktionsofen als Heizmodul ausgebildet ist und dass dem Heizmodul unmittelbar oder mittelbar ein Einschleusemodul zum Einbringen des Werkstücks vorgeschaltet und ein Kühlmodul zum Abkühlen des Werkstücks nachgeschaltet sind.
-
In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass die zugrunde liegende Aufgabe durch eine modulare Bauweise der Vorrichtung in verblüffend einfacher Weise gelöst werden kann. Im Konkreten ist der Induktionsofen dazu als Heizmodul ausgebildet, in dem die eigentliche Wärmebehandlung des Werkstücks stattfindet. Die Beschickung der Vorrichtung mit dem Werkstück erfolgt über das Einschleusemodul, das dem Heizmodul unmittelbar oder mittelbar vorgeschaltet ist.
-
Nach der Wärmebehandlung ist das Werkstück in dem dem Heizmodul nachgeschalteten Kühlmodul abkühlbar. Durch den modularen Aufbau muss der Induktionsofen nach der Wärmebehandlung nicht mehr abgekühlt werden, um das Werkstück zu kühlen. Der Kühlvorgang findet vom Heizmodul entkoppelt in dem Kühlmodul statt, so dass die Prozesswärme der Wärmebehandlung vorhergehender Werkstücke in dem Heizmodul nutzbar bleibt. Dadurch verringert sich die für die Wärmebehandlung notwendige Energie um ein Vielfaches. Direkt nachdem das wärmebehandelte Werkstück aus dem Heizmodul entfernt und dem Kühlmodul übergeben ist, ist unmittelbar oder mittelbar aus dem Einschleusemodul ein neues Werkstück in das Heizmodul einbringbar. Dies führt zu einem äußerst hohen Durchsatz der Vorrichtung, was beispielsweise bei der Herstellung von Bremsscheiben von besonderem Interesse ist.
-
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass unter dem Begriff Wärmebehandlung die Sinterung eines Werkstücks und/oder die Infiltration eines Werkstücks oder jeder andere Prozess zu verstehen ist, bei dem ein Werkstück hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Des Weiteren ist wesentlich, dass es sich um ein beliebiges Werkstück, beispielsweise einen Grünling, handeln kann, wobei das Werkstück als solches oder zusammen mit jedweden Additiven, beispielsweise Infiltrationsmaterial wie Silizium, erwärmbar ist. Im Folgenden sei zur Vereinfachung von einem Werkstück die Rede, wobei hierunter auch ein ggf. vorhandenes Additiv verstanden sein soll.
-
Um eine indirekte Erwärmung des Werkstücks zu gewährleisten, kann das Heizmodul mindestens eine Induktionsspule aufweisen, durch die eine Heizplatte induktiv erwärmbar ist. Bei der Heizplatte kann es sich beispielsweise um eine Graphitplatte oder eine Platte aus einem beliebigen anderen Stoff handeln, in dem durch die Induktionsspule Wirbelströme erzeugbar sind. Das Feld der Induktionsspule muss somit nicht in das Werkstück, sondern lediglich in die Heizplatte eindringen, so dass das Werkstück unmittelbar durch die Heizplatte und somit nur mittelbar durch die Induktionsspule erwärmbar ist.
-
In besonders vorteilhafter Weise kann das Heizmodul einen verfahrbaren Teller aufweisen, auf dem das Werkstück aufliegt. Dabei kann der Teller beispielsweise vertikal verfahrbar sein und so das Werkstück von einer von der Induktionsspule oder der Heizplatte entfernten Beladeposition in eine der Induktionsspule oder der Heizplatte nahen Bearbeitungsposition verbringbar sein.
-
Zur Gewährleistung einer optimalen Funktionsweise des Heizmoduls kann dieses evakuierbar oder mit Gas spülbar sein. Ergänzend oder alternativ dazu kann in dem Heizmodul eine besondere Gasatmosphäre, beispielsweise aus einem Schutzgas, erzeugbar sein. Wesentlich ist lediglich, dass in dem Heizmodul eine dem Prozess entsprechend benötigte Atmosphäre erzeugbar ist. In weiter vorteilhafter Weise ist in dem Einschleusemodul eine Atmosphäre erzeugbar, die zumindest weitgehend der in dem Heizmodul herrschenden Atmosphäre entspricht.
-
Um eine kontrollierte Abkühlung des Werkstücks zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn das Kühlmodul mit Gas, beispielsweise mit einem Schutzgas, beaufschlagbar ist. Des Weiteren ist denkbar, dass in dem Kühlmodul zumindest weitgehend die gleiche Atmosphäre erzeugbar ist wie in dem Heizmodul. Zur optimalen Abkühlung des Werkstücks ist ferner denkbar, dass das Kühlmodul einen – vorzugweise vertikal – verfahrbaren Teller aufweist, auf dem das Werkstück aufliegt, wobei der Teller zum Verbringen des Werkstücks von einer von einer Gasaustrittstelle entfernten Beladeposition in eine einer Gasaustrittsstelle nahen Kühlposition verbringbar ist. Das Werkstück ist somit in unmittelbare Nähe eines in das Kühlmodul einströmenden Kühlgases verbringbar.
-
Zur weiteren Maximierung des Durchsatzes können mehrere Kühlmodule vorgesehen sein. Dies können beispielsweise parallel oder hintereinander angeordnet und dem Heizmodul nachgeschaltet sein. Insbesondere wenn die Abkühlung des Werkstücks nach der Wärmebehandlung länger dauert als die Wärmebehandlung als solche, ist die Taktrate bzw. der Durchsatz der gesamten Vorrichtung durch mehrere Kühlmodule optimiert.
-
Im Hinblick auf eine optimale Nutzung der Prozesswärme ist es denkbar, ein Entbinderungsmodul zum Ausgasen bzw. Pyrolysieren von Verfestigungs- oder Bindemittel aus dem Werkstück vorzusehen. Im Konkreten kann das Entbinderungsmodul zwischen dem Einschleusemodul und dem Heizmodul vorgesehen sein. Dadurch kann die bei der Entbinderung aufgebrachte Wärmeenergie auch von dem nachgeschalteten Heizmodul genutzt werden, so dass die Energieeffizienz der gesamten Vorrichtung optimiert ist.
-
In weiter vorteilhafter Weise kann ein Zugabemodul zur Zugabe von Additiven, beispielsweise Infiltrationsmaterial wie Silizium, zu dem Werkstück vorgesehen sein. Generell ist es denkbar, beliebige weitere Module dem Einschleusemodul und/oder dem Heizmodul und/oder dem Kühlmodul vor- oder nachzuschalten. Die Module können den verschiedensten Zwecken dienen. Des Weiteren kann die Größe bzw. die Länge eines jeden der beschriebenen Module den Anforderungen entsprechend angepasst sein.
-
Von besonderem Vorteil ist es, wenn zueinander benachbarte Module, wie z.B. das Einschleusemodul und das Heizmodul und/oder das Heizmodul und das Kühlmodul, durch Schleusen voneinander getrennt sind. Die Schleusen sind vorzugsweise vakuumdicht ausgeführt, wobei der Begriff Vakuum hier relativ und nicht im physikalischen Sinne zu verstehen ist. Die Schleusen sollen eine Abdichtung zwischen den einzelnen Modulen ermöglichen, so dass in den Modulen – zumindest weitgehend – eine beliebige Atmosphäre erzeugbar sein kann. Des Weiteren können benachbarte Module über einen Flansch miteinander verbunden sein. Somit ist eine Anpassung der Vorrichtung durch einen Austausch oder eine andere Anordnung der Module jederzeit und ohne großen Aufwand möglich. Die Vorrichtung ist dadurch in idealer Weise an unterschiedliche Werkstücke bzw. Wärmebehandlungen anpassbar.
-
Zur Förderung des Werkstücks von einem Modul zum anderen, beispielsweise von dem Einschleusemodul in das Heizmodul und/oder von dem Heizmodul in das Kühlmodul, kann mindestens eine Schiebereinrichtung vorgesehen sein.
-
Um eine möglichst variable und an die Räumlichkeiten anpassbare Vorrichtung zu realisieren, können die Module derart ausgeführt sein, dass sie in einem beliebigen Winkel zueinander anordenbar sind.
-
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
-
1 in einer schematischen Darstellung eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
-
2 in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1,
-
3 in einer schematischen Darstellung eine erste Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1,
-
4 in einer schematischen Darstellung eine zweite Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1,
-
5 in einer schematischen Darstellung das Heizmodul der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1,
-
6 in einer schematischen Darstellung einen Schnitt durch einen Teil des Heizmoduls der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1.
-
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung weist ein Heizmodul 1 auf, dem ein Einschleusemodul 2 vorgeschaltet und ein Kühlmodul 3 nachgeschaltet ist. Das Einschleusemodul 2 dient zur Aufnahme des zu bearbeitenden Werkstücks. Nachdem das Werkstück in das Einschleusemodul 2 aufgenommen ist, erfolgt in dem Einschleusemodul 2 ein Atmosphärenaustausch bzw. die Angleichung an die Atmosphäre des Heizmoduls 1 und das Werkstück wird in das Heizmodul 1 verbracht. In dem Heizmodul 1 ist das Werkstück und ggf. Additive bei gewünschter Atmosphäre indirekt induktiv erhitzbar.
-
Nachdem die Wärmebehandlung des Werkstücks in dem Heizmodul 1 bei gewünschter Temperatur erfolgt ist, wird es in das Kühlmodul 3 verbracht. In dem Kühlmodul 3 ist das Werkstück kontrolliert abkühlbar, mitunter durch Zugabe eines Gases. Hat das Werkstück die gewünschte Temperatur erreicht, wird es aus dem Kühlmodul 3 entnommen.
-
Das Einschleusemodul 2 und das Heizmodul 1 sowie das Heizmodul 1 und das Kühlmodul 3 sind jeweils über einen Flansch 4 miteinander verbunden. Des Weiteren sind zwischen dem Einschleusemodul 2 und dem Heizmodul 1 sowie zwischen dem Heizmodul 1 und dem Kühlmodul 3 Schleusen 5 vorgesehen. Das Einschleusemodul 2 weist eine weitere Schleuse 5 auf, durch die das Werkstück in das Einschleusemodul 2 einbringbar ist. Am Kühlmodul 3 ist eine weitere Schleuse 5 vorgesehen, aus der das Werkstück ausgebbar ist.
-
Die Schleusen 5 dichten das Einschleusemodul 2, das Heizmodul 1 und das Kühlmodul 3 derart gegeneinander bzw. gegenüber der Atmosphäre ab, dass in dem Einschleusemodul 2, dem Heizmodul 1 und dem Kühlmodul 3 die für die Wärmebehandlung nötige Atmosphäre erzeugbar ist. Ferner dienen die Schleusen 5 dazu, das Heizmodul 1 thermisch gegenüber dem Einschleusemodul 2 und dem Kühlmodul 3 zu isolieren, so dass die Prozesswärme der Wärmebehandlung vorhergehender Werkstücke in dem Heizmodul 1 nicht verloren geht. Im Konkreten verhindern die Schleusen 5, dass das Heizmodul 1 zwischen der Ausgabe eines bearbeiteten Werkstücks und der Aufnahme eines unbearbeiteten Werkstücks möglichst wenig abkühlt.
-
2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung aus 1 in einer Draufsicht. Dabei ist deutlich zu erkennen, dass das Einschleusemodul 2 und das Kühlmodul 3 über die Flansche 4 in einem rechten Winkel an dem Heizmodul 1 angeordnet sind. Das Einschleusemodul 2 und das Kühlmodul 3 können auch in einem beliebigen anderen Winkel zueinander mit dem Heizmodul 1 verbunden sein, so dass sich beispielsweise eine lineare Förderstrecke für das Werkstück ergibt. Die Vorrichtung ist dadurch in idealer Weise an beliebige Räumlichkeiten anpassbar.
-
Das Werkstück ist über Schieber 6 von dem Einschleusemodul 2 in das Heizmodul 1 bzw. von dem Heizmodul 1 in das Kühlmodul 3 verschiebbar. Die Schieber 6 sind hier jeweils um 90° versetzt zum Eingang des Einschleusemoduls 2, des Heizmoduls 1 und des Kühlmoduls 3 angeordnet.
-
Die 3 und 4 zeigen das Ausführungsbeispiel aus 1 in unterschiedlichen Seitenansichten. In 3 ist gezeigt, dass das Kühlmodul 3 eine Hubeinrichtung 7 aufweist, um einen nicht dargestellten Teller, auf dem das Werkstück aufliegt, vertikal zu verfahren. Das Werkstück ist durch die Hubeinrichtung 7 von einer Beladeposition in eine Abkühlposition verbringbar. Zur Vermeidung von Wiederholungen sei des Weiteren auf die Ausführungen zu den 1 bis 3 verwiesen.
-
5 zeigt das Heizmodul 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1. An dem Heizmodul 1 ist eine Hubeinrichtung 7 angeordnet, um einen nicht dargestellten Teller, auf dem das Werkstück aufliegt, von einer Beladeposition in eine Bearbeitungsposition zu verbringen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sei des Weiteren auf die Ausführungen zu den 1 bis 4 verwiesen.
-
In 6 ist in einer schematischen Ansicht ein Schnitt durch einen Teil des Heizmodul 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1 gezeigt. Das Heizmodul 1 weist eine oben liegende Induktionsspule 8 auf. Bei Aktivierung der Induktionsspule 8 induziert diese Wirbelströme in der Heizplatte 9, so dass sich die Heizplatte 9 erwärmt. Die Heizplatte 9 ist beispielsweise als Graphitplatte ausgebildet. Durch die Heizplatte 9 ist das Werkstück erhitzbar, welches sich – ggf. mit Additiven wie z.B. Silizium – in dem Tiegel 10 befindet. Das von der Induktionsspule 8 erzeugte Magnetfeld koppelt bei dieser Ausführungsform kaum in das Werkstück, sondern fast ausschließlich in die Heizplatte 9 ein.
-
Um das Werkstück näher an die Heizplatte 9 heranzuführen, ist ein Teller vorgesehen, auf dem das Werkstück aufliegt. Durch den Teller ist der Tiegel 10 und somit das Werkstück von einer von der Induktionsspule 8 bzw. der Heizplatte 9 entfernten Beladeposition in eine der Induktionsspule 8 bzw. der Heizplatte 9 nahen Bearbeitungsposition verbringbar.
-
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
-
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Heizmodul
- 2
- Einschleusemodul
- 3
- Kühlmodul
- 4
- Flansch
- 5
- Schleuse
- 6
- Schieber
- 7
- Hubeinrichtung
- 8
- Induktionsspule
- 9
- Heizplatte
- 0
- Tiegel
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
