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Die Erfindung betrifft ein Imprägnierverfahren.
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Es existieren heutzutage verschiedene Verfahren, mittels derer basierend auf Konstruktionsdaten dreidimensionale Modelle aus formlosen oder formneutralen Materialien wie Pulvern oder Flüssigkeiten hergestellt werden können. Diese additiven Fertigungsverfahren sind auch unter dem Sammelbegriff „Rapid Prototyping“ bekannt. Oftmals findet hierbei ein Urformungsschritt hat, bei dem das Ausgangsmaterial entweder von vornherein flüssig vorliegt oder zwischenzeitig verflüssigt wird und an vorgesehener Stelle aushärtet. Ein bekanntes Verfahren ist hierbei das sogenannte Schmelzbeschichten (fused deposition modeling, FDM), bei dem ein Werkstück schichtweise aus thermoplastischen Kunststoff aufgebaut wird. Der Kunststoff wird z.B. pulverförmig oder strangförmig zugeführt, aufgeschmolzen und in geschmolzener Form von einem Druckkopf appliziert, der nacheinander einzelne, in der Regel waagerechte Schichten des herzustellenden Objekts aufträgt. Daneben sind Verfahren bekannt, bei denen ein pulverförmiger Stoff, z.B. ein Kunststoff, schichtweise aufgetragen und selektiv mittels eines lokal aufgetragenen bzw. aufgedruckten Bindemittels ausgehärtet wird. Bei wiederum anderen Verfahren, wie z.B. selektivem Lasersintern (SLS), wird ein Pulver z.B. mit Hilfe einer Rakel schichtweise auf eine Basisplatte aufgebracht. Das Pulver wird mittels einer geeigneten fokussierten Strahlung, z.B. eines Laserstrahls, selektiv erwärmt und dadurch gesintert. Nach dem Aufbau einer Schicht wird die Basisplatte geringfügig abgesenkt und eine neue Schicht aufgetragen. Als Pulver können hierbei Kunststoffe, Keramik oder Metalle eingesetzt werden. Beim einem ähnlichen Verfahren, dem selektiven Laserschmelzen (SLM) ist die durch die Strahlung eingetragene Energiemenge so hoch, dass das Pulver bereichsweise aufgeschmolzen wird und zu einem zusammenhängenden Festkörper erstarrt.
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Ein besonderer Vorteil additiver Fertigungsverfahren ist deren große Flexibilität, d.h. es lassen sich innerhalb relativ kurzer Zeit Bauteile mit nahezu beliebiger dreidimensionaler Geometrie fertigen, was bspw. auch für die Fertigung von Prototypen oder kleinen Stückzahlen vorteilhaft sein kann. Prozessbedingt weist das additiv gefertigte Bauteil allerdings oftmals eine poröse Struktur auf, so dass es nicht gasdicht oder nicht einmal flüssigkeitsdicht ist. Falls derartige Eigenschaften bspw. für den Test eines Prototypen notwendig sind, kann das Bauteil nachträglich imprägniert werden, um die entsprechende Dichtheit herzustellen.
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Im Rahmen bekannter Imprägnierverfahren wird üblicherweise zunächst durch die Erzeugung eines (Teil-)Vakuums die Luft aus den Poren innerhalb des Werkstücks entfernt, um das Eindringen des Imprägniermittels zu erleichtern. Bei sogenannten Trockenvakuum-Verfahren findet die Evakuierung vor dem Eintauchen in das Imprägniermittel statt, bei Nassvakuum-Verfahren nach dem Eintauchen. Optional kann das Imprägniermittel mit dem eingetauchten Werkstück einem Überdruck ausgesetzt werden, um den Imprägniervorgang zu beschleunigen. Diese unterschiedlichen Verfahren funktionieren grundsätzlich gut, sind allerdings mit hohem Energieeinsatz verbunden und nur mit hohem technischen Aufwand durchzuführen. Insbesondere der Wechsel von Vakuum zu Überdruck macht die bekannten Verfahren aufwändig. Auch kann der Zeitaufwand für eine erfolgreiche Imprägnierung in einigen Fällen mehrere Stunden betragen.
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Der Artikel
„Ultrasonic impregnation of porous sintered components" (in „Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics" September 1964, Band 1, Ausgabe 5, Seite 375-378) offenbart die Unterstützung eines Imprägniervorgangs durch Einwirkung von Ultraschall. Dabei werden poröse Teile u.a. mit Maschinenöl oder geschmolzenem Metall imprägniert.
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Die
US 5,288,521 A offenbart ein Imprägnierverfahren für Werkstücke aus porösem Material. Das Werkstück wird in einem Autoklaven platziert, der anschließend versiegelt und evakuiert wird. Anschließend wird ein Imprägniermittel in den Autoklaven eingebracht, so dass das Werkstück von diesem bedeckt wird. Während des Imprägnierens wird der Autoklav mittels eines Vibrators in Vibration versetzt, wodurch eine Verringerung der Imprägnierzeit erreicht werden soll.
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Die
US 2005/0065260 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands zur ornamentalen oder architektonischen Verwendung. Dabei wird ein Grundkörper aus porösem Stein in einen Behälter gegeben und mit einem Imprägniermittel bedeckt. Das Imprägniermittel wird anschließend ausgehärtet und der imprägnierte Gegenstand wird mechanisch bearbeitet. Im Rahmen des Imprägnierens kann der Grundkörper evakuiert werden, indem der Behälter in einer Vakuumkammer platziert wird. Optional kann der Behälter auch in leichte Vibration versetzt werden, was in manchen Fällen vorteilhaft ist.
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Die
US 3,842,796 offenbart eine Vorrichtung zum Behandeln von Holz, Textilien und anderen Stoffen, bei der eine Behandlungskammer in einen unteren Teil zur Aufnahme eines Behandlungsmittels und in einen oberen Teil unterteilt ist. Ein Träger für das Behandlungsgut lässt sich mittels Hubvorrichtungen zwischen dem oberen und dem unteren Teil der Behandlungskammer bewegen, um in ihm aufgenommenes Behandlungsgut in ein im unteren Teil befindliches Behandlungsmittel einzutauchen und anschließend in den oberen Teil der Behandlungskammer zurückzukehren. Der Druck in der Behandlungskammer lässt sich gegenüber dem Umgebungsdruck verändern, wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass vor dem Eintauchen in das Behandlungsmittel ein Teilvakuum erzeugt wird. Gemäß einer Ausführungsform kann dieses Teilvakuum oszillierend einwirken.
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In der
US 2005/0244586 A1 ist ein Imprägnierverfahren für hölzerne Werkstücke offenbart, bei dem zunächst die Oberfläche des Werkstücks mit einer dünnen Schicht Imprägniermittel bedeckt wird. Anschließend wird ein Schallgenerator so positioniert, dass er in die Schicht eintaucht, aber das Werkstück nicht berührt, wobei ein bestimmter Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung des Schalls und der Faserrichtung des Holzes bevorzugt ist. In einem Vergleichsversuch wird das Werkstück vollständig in Imprägniermittel eingetaucht und Ultraschall ausgesetzt.
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Die
EP 0 172 304 A2 zeigt eine Vorrichtung zum Imprägnieren poröser Teile, bspw. Guss- oder Sintermetallteile, mit einem flüssigen Imprägniermittel. Die zu imprägnierenden Teile werden in einem Korb mit durchlässiger Wandung aufgenommen, der im oberen Teil eines dicht verschließbaren Behälters in eine drehbar gestützte Zentrifuge abgesetzt wird. Im unteren Teil des Behälters ist ein Becken für das Imprägniermittel angeordnet, das so nach oben verfahren werden kann, dass der Korb in das Imprägniermittel eintaucht.
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Die
US 4,196,231 A offenbart eine Imprägniereinrichtung, bspw. für elektronische Bauteile oder poröse Gussteile. Diese weist einen evakuierbaren Behälter für Imprägniermittel auf, an dessen Oberseite eine Lagerung für ein Schleuderkorb angeordnet ist. Die Lagerung besteht aus einem einzigen Pendellager, das von einem mittels Spreizeinrichtungen am oberen Rand des Behälters verklemmbaren Träger gehalten wird.
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Die
US 7,503,976 B2 offenbart eine Anlage zum Imprägnieren von Bauteilen, mit einer Imprägniervorrichtung sowie einer darunter angeordneten Zentrifugierstation. Die Imprägniervorrichtung weist einen verschließbaren Behälter mit einer Zugangsöffnung in einer Seitenwand auf. Innerhalb des Behälters ist eine Hubvorrichtung angeordnet, auf der ein Teilehalter mit zu imprägnierenden Teilen positioniert wird, bevor er durch Absenken der Hubvorrichtung in die Imprägnierflüssigkeit im unteren Teil des Behälters eingetaucht wird. Die Zentrifugierstation weist einen Zentrifugenträger zur Aufnahme imprägnierter Teile auf, der über ein erstes, oberhalb angeordnetes Lager und ein zweites, unterhalb angeordnetes Lager drehbar gelagert ist.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die effiziente Imprägnierung von Bauteilen, insbesondere additiv gefertigter Bauteile, noch Raum für Verbesserungen. Insbesondere wäre es wünschenswert, ein Verfahren zu schaffen, das schnell und kostengünstig arbeitet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur effizienten Imprägnierung von Bauteilen zur Verfügung zu stellen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Imprägnierverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird ein Imprägnierverfahren zur Verfügung gestellt. In einem ersten Schritt wird dabei ein zu imprägnierendes Werkstück bereitgestellt. Es kann sich insbesondere um ein Werkstück handeln, das wenigstens teilweise durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt wurde. Dabei können unterschiedliche Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen, bspw. FDM oder SLS. Das Fertigungsverfahren kann auf einem partikelförmigen Material, bspw. einem Pulver oder Granulat, basieren, das bspw. aus Kunststoff, Keramik oder Metall bestehen kann. Optional kann vor Beginn des Imprägnierens auch eine dem eigentlichen additiven Fertigungsverfahren nachgeschaltete Bearbeitung erfolgen, bspw. eine spanende Bearbeitung der Oberfläche. In jedem Fall weist das Werkstück eine wenigstens abschnittsweise poröse Struktur auf, die ein Imprägnieren ermöglicht und für bestimmte Zwecke notwendig macht, bspw. dann, wenn eine Dichtheit gegenüber Flüssigkeiten oder Gasen notwendig ist. Bei dem Werkstück kann es sich um einen Prototypen handeln, das erfindungsgemäße Imprägnierverfahren ist aber ausdrücklich auch für eine Serienproduktion geeignet.
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In einem nächsten Schritt wird das Werkstück in ein Bad aus Imprägniermittel innerhalb eines Behälters eingebracht. Es sind Ausführungsformen denkbar, in denen das Werkstück nur teilweise in das Bad eingebracht wird, bspw. dann, wenn nur ein Teil des Werkstücks imprägniert werden muss. Normalerweise wird das Werkstück vollständig eingebracht bzw. eingetaucht. Das Einbringen erfolgt dabei bevorzugt wenigstens teilweise automatisch. Es versteht sich, dass das Werkstück von einer Haltevorrichtung gehalten werden kann, bspw. einem Greifer, Haken, Korb oder dergleichen. Optional kann eine derartige Haltevorrichtung auch mehrere Werkstücke gleichzeitig halten. Um das Werkstück in das Bad aus Imprägniermittel einzubringen, kann die Haltevorrichtung in den Behälter verfahren werden oder der Behälter kann zur Haltevorrichtung hin verfahren werden. Das Imprägniermittel dient dazu, in die poröse Struktur des Werkstücks einzudringen und die Hohlräume wenigstens teilweise zu verschließen. Das Imprägniermittel ist dabei zunächst flüssig, kann aber normalerweise aushärten, nachdem das Werkstück mit ihm imprägniert wurde. Eine derartige Aushärtung kann bspw. durch Luftkontakt, Feuchtigkeit, Strahlungseinwirkung oder andere Faktoren eingeleitet bzw. beschleunigt werden.
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Nachdem das Werkstück in das Bad eingebracht wurde, erfolgt ein oszillierendes Bewegen eines Schwingungskörpers innerhalb des Behälters während eines Imprägnierzeitraums wobei der Schwingungskörper durch Beaufschlagung des Bades oszillierende Druckveränderungen innerhalb des Bades erzeugt. Dies schließt ausdrücklich die Möglichkeit ein, dass der Schwingungskörper auch bereits vor und/oder während des Einbringens des Werkstücks oszillierend bewegt wird. Andererseits ist es möglich, dass die oszillierende Bewegung nicht während des gesamten Imprägnierzeitraums stattfindet, sondern bspw. zwischenzeitlich unterbrochen wird.
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Die Bewegung des Schwingungskörpers ist oszillierend, d.h. es erfolgen wiederholte Richtungswechsel. Dabei kann die Bewegung linear sein, es ist allerdings auch z.B. eine kreisförmige oder elliptische Bewegung denkbar, die als zusammengesetzte Bewegung aus zwei oszillierenden linearen Bewegungen angesehen werden kann. Der zeitliche Verlauf der Bewegung kann zumindest intervallweise einer (sinusförmigen) Grundschwingung entsprechen, eine solche Grundschwingung kann aber auch durch Oberwellen überlagert sein. Insbesondere ist es auch möglich, dass die Frequenz der Grundschwingung sich mit der Zeit ändert. Gleiches gilt für die Amplitude der Bewegung des Schwingungskörpers. Der Begriff „Schwingungskörper“ bezeichnet dabei, dass die Bewegung desselben auch als Schwingung bezeichnet werden kann. Zwischen dem Einbringen des Werkstücks in das Bad und dem Beginn der oszillierenden Bewegungen kann unter Umständen ein gewisses Zeitintervall liegen, im Hinblick auf eine zügige Durchführung des Verfahrens ist eine längere Verzögerung allerdings nicht bevorzugt. Der Schwingungskörper beaufschlagt das Bad, d.h. er steht mit wenigstens einem Teil seiner Oberfläche mit dem Bad in Kontakt. Es erfolgt primär eine Kraftbeaufschlagung bzw. Druckbeaufschlagung des Bades im Kontaktbereich. Es kann sich bei dem Schwingungskörper bspw. um eine Art Kolben handeln, der in einem zylinderartigen Abschnitt des Behälters bewegt wird, wobei eine Stirnfläche des Kolbens mit dem Bad in Kontakt steht. Zur Bewegung des Schwingungskörpers ist selbstverständlich ein Antrieb notwendig, bspw. ein elektrischer Antrieb.
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Nach dem Imprägnierzeitraum erfolgt ein Entfernen des Werkstücks aus dem Bad. Dies kann wiederum dadurch geschehen, dass eine Haltevorrichtung mit dem Werkstück aus dem Behälter gefahren wird oder aber, dass der Behälter gegenüber der Haltevorrichtung abwärts gefahren wird. Optional können sich weitere Schritte zum Entfernen überschüssigen Imprägniermittels anschließen, bspw. ein Abschleudern. Außerdem können sich Verfahrensschritte zum Aushärten des Imprägniermittels innerhalb der Poren des Werkstücks anschließen. Bspw. kann das Werkstück einer Strahlung ausgesetzt oder erwärmt werden, je nachdem welche Bedingungen das Aushärten des Imprägniermittels begünstigen.
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Durch die oszillierende Bewegung des Schwingungskörpers, die wiederum zu einer oszillierenden Druckveränderung innerhalb des Bades führt, wird auch ein oberflächennaher Bereich des Werkstücks einem oszillierenden Druck ausgesetzt. Es ergibt sich somit ein Wechsel von Unterdruck und Überdruck, wobei in der Unterdruckphase noch vorhandenes Gas aus den Poren herausgezogen wird, während in der Überdruckphase Imprägniermittel in die Poren hineingedrückt wird. Die Unterdruckphasen und Überdruckphasen wechseln einander oszillierend ab, wobei jede Phase für sich kurz sein kann. Man könnte davon sprechen, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren die Wirkung auf der Summe der Unterdruckphasen sowie der Summe der Überdruckphasen beruht. Es hat sich gezeigt, dass sich hiermit eine effektive Imprägnierung erreichen lässt, die derjenigen bei klassischen Verfahren, die mit länger anhaltendem Vakuum und/oder länger anhaltendem Überdruck arbeiten, qualitativ nicht nachsteht. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass sich gegenüber den klassischen Verfahren ein kürzerer Imprägnierzeitraum notwendig ist, d.h. das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet sehr zeiteffizient. Darüber hinaus kann der Energieeinsatz gegenüber klassischen Verfahren reduziert werden. Dies liegt einerseits an der geringeren Dauer, andererseits daran, dass sich oszillierende, ggf. geringfügige Druckänderungen mit geringerem Energieeinsatz erzeugen lassen als ein dauerhaft wirkender Unterdruck bzw. Überdruck. Außerdem kann sich der apparative Aufwand verringern, da keine leistungsstarken Pumpen zur Erzeugung von Vakuum und/oder Überdruck und auch keine besonders druckfesten Behälter notwendig sind.
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Wie bereits erwähnt, kommt das erfindungsgemäße Verfahren ohne ein dauerhaftes Einwirken von Vakuum oder Überdruck aus. Bevorzugt herrscht vor, während und/oder nach dem Einbringen des Werkstücks oberhalb des Bades ein Gasdruck, der sich um höchstens 10 % vom Atmosphärendruck unterscheidet und bevorzugt gleich dem Atmosphärendruck ist. Hierbei bezeichnet Atmosphärendruck den in der Umgebung herrschenden Luftdruck, der typischerweise zwischen 0,9 bar und 1 bar liegt. Der Bereich oberhalb des Bades, also an dessen Oberfläche, kann entweder Luft oder ein anderes Gas, bspw. ein Inertgas, enthalten, je nach den Anforderungen des Imprägniermittels. Das Werkstück kann - ähnlich wie bei Nassvakuumverfahren im Stand der Technik - in das Bad eingebracht werden, ohne dass vorher Luft bzw. Gas mittels eines Vakuums aus den Poren des Werkstücks entfernt wurde. Daher kann vor und während des Einbringens Atmosphärendruck herrschen bzw. ein Druck, der sich geringfügig vom Atmosphärendruck unterscheidet. Auch nach dem Einbringen des Werkstücks in das Bad kann außerhalb bzw. oberhalb des Bades Atmosphärendruck (oder ein sich hiervon geringfügig unterscheidender Druck) herrschen. Dies steht bspw. im Gegensatz zum Nassvakuumverfahren sowie zu Verfahren, bei denen oberhalb des imprägniert Bades ein Überdruck erzeugt wird, um das Imprägniermittel in die Poren des Werkstücks zu drücken. Die Aussagen bezüglich des Gasdruckes oberhalb des Bades beziehen sich auf einen zeitlichen Mittelwert, wobei etwaige räumlich und zeitlich begrenzte Druckschwankungen z.B. aufgrund von Schallwellen außer Acht gelassen werden.
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Um die Effektivität des Imprägniervorgangs besser beurteilen zu können, ist es vorteilhaft, wenn eine Druckamplitude innerhalb des Bades ermittelt wird. Wenngleich sich die Druckamplitude am Ort der Messung von der Druckamplitude an der Oberfläche des Werkstücks unterscheiden kann, ist es doch im Allgemeinen möglich, zumindest qualitative Rückschlüsse auf die dort herrschenden Druckverhältnisse zu gewinnen. Normalerweise wird über einen Drucksensor, der mit dem Bad in Kontakt steht, der aktuell herrschende Druck gemessen und es kann aus dessen oszillierenden zeitlichen Verlauf die Amplitude ermittelt werden.
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Normalerweise wird ein Minimalwert und einen Maximalwert gemessen und abgespeichert und die Hälfte der Differenz der beiden Werte als Amplitude definiert.
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Bevorzugt wird der Imprägnierzeitraum in Abhängigkeit von der ermittelten Druckamplitude bestimmt. D.h. also die Länge des Imprägnierzeitraums bzw. das Ende desselben hängt davon ab, welche Druckamplitude bestimmt wurde. Normalerweise bedeutet dies qualitativ, dass eine größere Druckamplitude zu einer Verkürzung des Imprägnierzeitraums führt. Hierbei sind allerdings unterschiedliche Verfahrensausgestaltungen denkbar. Typischerweise beträgt die Länge des Imprägnierzeitraums weniger als 30 Minuten.
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Aus Gründen der Energieeffizienz ist es bevorzugt, dass nach Ablauf des Imprägnierzeitraums der Schwingungskörper gestoppt wird. Dies kann bereits geschehen, bevor das Werkstück aus dem Bad entfernt wird, oder aber auch danach. Alternativ wäre es bspw. bei einer Serienproduktion denkbar, den Schwingungskörper durchgängig zu betreiben.
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Man kann den Schwingungskörper als Erreger eines schwingungsfähigen Systems ansehen, welches das Bad, das Werkstück sowie ggf. den Behälter aufweist. Dieses System hat eine Resonanzfrequenz, bei der sich eine maximale Schwingungsamplitude ergibt, die sich bezüglich des Bades als maximale Druckamplitude äußert. Im Allgemeinen kann davon ausgegangen werden, dass der Imprägniervorgang dadurch optimiert wird, dass die Erregung ungefähr mit der Resonanzfrequenz erfolgt. Um dies auszunutzen, ist es bevorzugt, wenn eine Steuereinheit eine Bewegungsfrequenz des Schwingungskörpers verändert, um die Druckamplitude zu vergrößern. Die Steuereinheit kann bspw. einen Mikroprozessor umfassen, der Signale des Drucksensors erhält und seinerseits den Antrieb des Schwingungskörpers ansteuert. Die Steuereinheit kann den Schwingungskörper bspw. mit einer bestimmten Anfangsfrequenz ansteuern und die Druckamplitude ermitteln. Anschließend kann sie die Frequenz vergrößern bzw. verkleinern und wiederum die Druckamplitude ermitteln. Verkleinert sich die Druckamplitude durch die Frequenzänderung, nimmt die Steuereinheit eine Frequenzänderung in entgegengesetzter Richtung vor. Führt dies zu einer Vergrößerung der Druckamplitude, kann die Frequenz nochmals in der gleichen Richtung verändert werden. Falls nicht, kann eine Frequenzänderung mit kleinerer Schrittweite erfolgen. Dies ist selbstverständlich nur eine mögliche Vorgehensweise und es sind auch andere Strategien denkbar, um die Resonanzfrequenz aufzufinden. Unter Umständen muss die Resonanzfrequenz auch nicht erreicht werden, sondern es kann ausreichend sein, wenn die Frequenz in Richtung auf die Resonanzfrequenz verändert wird.
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Wie bereits oben angedeutet, kann die Länge des Imprägnierzeitraums von der Druckamplitude abhängen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung beendet die Steuereinheit den Imprägnierzeitraum, wenn die Druckamplitude einen vorbestimmten Schwellwert erreicht hat. Dieser Schwellwert kann u.a. von Größe und Material des Werkstücks oder der Art eines ggf. vorgeschalteten additiven Fertigungsverfahrens abhängen. Auch ist eine Abhängigkeit von der Art des Imprägniermittels denkbar. In jedem Fall wird der Schwellwert als Indikator dafür gesehen, dass eine ausreichende Evakuierung der anfangs im Werkstück vorhandenen Poren erfolgt ist und dass die derart evakuierten Poren ausreichend mit Imprägniermittel gefüllt sind. Wenn der Schwellwert erreicht wurde, legt die Steuereinheit entweder unmittelbar oder mit einer gewissen Verzögerung das Ende des Imprägnierzeitraums fest. Würde der Schwellwert für längere Zeit und/oder deutlich überschritten, könnte dies unter Umständen zu einer Beschädigung des Werkstücks oder der Imprägniervorrichtung führen.
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Wie bereits oben dargelegt, ist die Erzeugung eines andauernden Vakuums oder Überdrucks beim erfindungsgemäßen Verfahren unnötig. Aus diesem Grund muss der Behälter im Allgemeinen auch nicht druckdicht verschlossen werden. Optional kann dennoch vorgesehen sein, dass der Behälter nach dem Einbringen des Werkstücks verschlossen wird. Das Verschließen kann bspw. mittels einer Zugangsklappe geschehen, die eine Öffnung verschließt, durch die das Werkstück in den Behälter eingebracht wird. Der Behälter kann flüssigkeitsdicht oder sogar Gas dicht verschlossen werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das Werkstück in eine erste Kammer des Behälters eingebracht, die über einen Verbindungkanal mit einer zweiten Kammer in Verbindung steht, in der der Schwingungskörper angeordnet ist.
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Die zweite Kammer kann dabei, wie oben angedeutet, eine Art Zylinder für einen kolbenartigen Schwingungskörper bilden. Der Verbindungskanal stellt einen Bereich dar, dessen Querschnitt gegenüber den Querschnitten der ersten und der zweiten Kammer verengt ist.
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Dabei ist es bevorzugt, dass die Druckamplitude bezüglich der ersten Kammer ermittelt wird. Dies ist so zu verstehen, dass die Druckmessung, auf der die Ermittlung der Druckamplitude beruht in der ersten Kammer erfolgt bzw. dass eine Druckamplitude ermittelt wird, die in der ersten Kammer herrscht. Dies ist insofern vorteilhaft, als die Messung der Druckamplitude in der ersten Kammer einen stärkeren Zusammenhang mit der an der Oberfläche des Werkstücks herrschenden Druckamplitude hat als diejenige in der zweiten Kammer. Insbesondere ist es denkbar, dass aufgrund von Dämpfungseffekten die Amplitude in der zweiten Kammer, in der Nähe des Schwingungskörpers, maßgeblich größer ist als in größerer Entfernung von diesem. In diesem Fall würde eine Messung in der zweiten Kammer das Ergebnis stark verfälschen.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
- 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; sowie
- 2 einen zeitlichen Verlauf eines gemessenen Druckes.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt in schematisierter Form eine Imprägnieranlage 1, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Die Imprägnieranlage 1 weist einen Behälter 2 auf, der durch einen beweglichen Deckel 3 verschließbar ist. Innerhalb des Behälters 2 sind eine größere, erste Kammer 4 sowie eine kleinere, zweite Kammer 6 ausgebildet, die mit der ersten Kammer 4 durch einen Verbindungskanal 5 verbunden ist. Beide Kammern 4, 6 sowie der Verbindungskanal 5 sind mit einem Bad 7 aus Imprägniermittel gefüllt. Bei dem Imprägniermittel kann es sich bspw. um ein Harz handeln. Angrenzend an die erste Kammer 4 sind ein Drucksensor 8 sowie ein Resonanzsensor 9 angeordnet, die mit einer Steuereinheit 10, die im Folgenden auch als CPU 10 bezeichnet wird, verbunden sind. Die CPU 10 empfängt Messwerte der Sensoren 8, 9. Sie steuert ihrerseits einen elektrischen Antrieb 11 an, der einen Kolben 12 in der zweiten Kammer 6 antreibt. Der Resonanzsensor 9 ist dabei optional und kann ggf. auch weggelassen werden.
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Die Anlage 1 ist zum Imprägnieren additiv gefertigter Werkstücke 20 vorgesehen, bei denen es sich bspw. um Prototypen handeln kann. Nachdem das Werkstück 20 bspw. durch FDM oder SLS hergestellt wurde, weist es noch eine Vielzahl kleiner Poren auf, aufgrund derer es weder gasdicht noch flüssigkeitsdicht ist. Für Anwendungen, bei denen eine entsprechende Dichtheit erforderlich ist, wird das Werkstück 20 wie folgt imprägniert:
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Zunächst wird das Werkstück 20 auf einer hier schematisch dargestellten Haltevorrichtung 13 platziert bzw. von dieser aufgenommen.
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Dann wird das Werkstück 20 in das Bad 7 eingebracht, indem die Haltevorrichtung 13 in den Behälter 2 abgesenkt wird. Es erfolgt dabei kein Evakuieren des Werkstücks 20, sondern es herrscht vor und während des Einbringens oberhalb des Bades 7 Atmosphärendruck.
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Nachdem das Werkstück 20 in einer vorgesehenen Position im Behälter 2 angeordnet und der Deckel 3 geschlossen wurde, steuert die CPU 10 den Antrieb 11 derart an, dass er den Kolben 12 mit einer vorgesehenen Startfrequenz oszillierend bewegt. Die Bewegung kann dabei sinusartig sein. Der Kolben 12 beaufschlagt das Bad 7 mit einem oszillierenden Druck, der insgesamt zu einer oszillierenden Druckveränderung innerhalb des Bades führt. Diese oszillierende Druckveränderung setzt sich über die zweite Kammer 6 und den Verbindungskanal 5 bis in die erste Kammer 4 fort. Hierdurch ergeben sich oszillierenden Druckveränderungen im Bereich der Oberfläche des Werkstücks 20, d.h. es ergibt sich ein Wechsel von Vakuum, das zu einem Evakuieren der Poren innerhalb des Werkstücks 20 führt, und Überdruck, der zu einem Eindringen von Imprägniermittel in die Poren führt.
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Außerdem werden diese Druckveränderungen über den Drucksensor 8 registriert. Der optionale Resonanzsensor 9 kann die Frequenz der Druckänderung detektieren. Die CPU 10 erhält somit eine Rückmeldung über die von der Bewegung des Kolbens 12 hervorgerufenen Druckveränderungen. Insbesondere kann sie durch Vergleichen der Minimal- und Maximalwerte eine Druckamplitude ermitteln. Diese Druckamplitude hängt einerseits von der Bewegungsamplitude des Kolbens 12 ab, allerdings auch und vor allem von der Bewegungsfrequenz desselben. Ausgehend von der Anfangsfrequenz beginnt die CPU 10 die Bewegungsfrequenz zu verändern, um die Druckamplitude zu vergrößern. Nähert sich die Bewegungsfrequenz einer Resonanzfrequenz des Systems, nimmt die ermittelte Druckamplitude stark zu, wie in vereinfachter Form in 2 wiedergegeben, die einen Verlauf des gemessenen Druckes p innerhalb des Bades 7 als Funktion der Zeit t darstellt. Hat die Bewegungsfrequenz des Kolbens 12 die Resonanzfrequenz erreicht oder sich dieser hinreichend angenähert, übersteigt die Druckamplitude einen vorgesehenen Schwellwert, der von der CPU als Anzeichen dafür gewertet wird, dass durch den Wechsel von Vakuum und Überdruck eine ausreichende Imprägnierung des Werkstücks 20 erreicht wird. Sobald dies der Fall ist, stoppt die CPU den Antrieb 11 und das imprägnierte Werkstück 20 kann mittels der Haltevorrichtung 13 aus dem Behälter 2 entfernt werden. Durch das Stoppen des Antriebs 11 wird eine mögliche Beschädigung des Werkstücks 20 und/oder der Imprägnieranlage 1 verhindert.
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Anschließend kann optional ein Abschleudern von überschüssigen Imprägniermittel von der Oberfläche des Werkstücks 20 erfolgen. Je nach Art des Imprägniermittel als können verschiedene Mittel (Strahlung, Wärme etc.) eingesetzt werden, um die Aushärtung des Imprägniermittel einzuleiten oder zu beschleunigen.
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Die Erfindung umfasst auch die Verwendung der beschriebenen Imprägnieranlage 1 zur Imprägnierung additiv gefertigter Werkstücke 20.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Imprägnieranlage
- 2
- Behälter
- 3
- Deckel
- 4
- erste Kammer
- 5
- Verbindungskanal
- 6
- zweite Kammer
- 7
- Bad
- 8
- Drucksensor
- 9
- Resonanzsensor
- 10
- CPU
- 11
- Antrieb
- 12
- Kolben
- 13
- Haltevorrichtung
- 20
- Werkstück
- p
- Druck
- t
- Zeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5288521 A [0006]
- US 2005/0065260 A1 [0007]
- US 3842796 [0008]
- US 2005/0244586 A1 [0009]
- EP 0172304 A2 [0010]
- US 4196231 A [0011]
- US 7503976 B2 [0012]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Ultrasonic impregnation of porous sintered components“ (in „Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics“ September 1964, Band 1, Ausgabe 5, Seite 375-378) [0005]
