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Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Sinteranlagen zur Herstellung keramischer Bauteile bekannt. Bei den bekannten Sinteranlagen können jeweils einzelne Bauteile oder eine bestimmte Anzahl an Bauteilen in den Ofen eingebracht werden und ein Sinterverfahren durchlaufen. Nach Abschluss des Sinterverfahren können die Bauteile entnommen werden und der Ofen erneut bestückt werden. Sintern mit den bekannten Sinteranlagen ist zeitaufwändig, da der Ofen für die Zeit des Vorheizens, Sinterns und Abkühlens mit einer Charge von Bauteilen belegt ist und erst danach für weitere zur Verfügung steht.
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Es besteht Bedarf an einer Sinteranlage, bei der die Bauteile im Durchlaufverfahren gesintert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue Anlage sowie ein neues Verfahren zum Sintern von Bauteilen anzugeben, insbesondere eine Anlage bzw. ein Verfahren, die bzw. das ein Sintern von Bauteilen im Durchlaufverfahren ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 hinsichtlich der Sinteranlage und des Anspruchs 13 hinsichtlich des Verfahrens gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Anlage zum Sintern von Bauteilen umfasst:
- - einen tunnelförmigen Hauptkörper mit einem Eingang und einem Ausgang,
- - eine Sinterkammer, welche in einem mittleren Bereich des Hauptkörpers angeordnet ist,
- - eine am Eingang des Hauptkörpers angeordnete Eingangsschleusenkammer,
- - eine am Ausgang des Hauptkörpers angeordnete Ausgangsschleusenkammer
- - zumindest ein Vorschubsystem,
- - ein Positioniersystem,
- - Heizmittel und Kühlmittel,
wobei die Anlage dazu ausgelegt ist, Bauteile aus der Eingangsschleusenkammer mittels des zumindest einen Vorschubsystems in den Hauptkörper und durch einen ersten Abschnitt des Hauptkörpers bis zur Sinterkammer vorzuschieben, die Bauteile mit dem Positioniersystem in der Sinterkammer zu positionieren und wieder mit dem zumindest einem Vorschubsystem weiter durch einen zweiten Abschnitt des Hauptkörpers zur Ausgangsschleusenkammer vorzuschieben.
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Der tunnelförmige Hauptkörper der Anlage umfasst üblicherweise einen Boden, Seitenwände und eine obere Wand. Am Eingang und am Ausgang ist der Hauptkörper der Anlage zweckmäßigerweise verschließbar. Wände und Boden des Hauptkörpers sind vorzugsweise doppelwandig ausgeführt, um eine Wärmedämmung nach außen zu gewährleisten, und/oder können mit Dämmmaterialien und/oder mit einer Wasserkühlung versehen sein. In oder an Wand, Boden und/oder Deckenflächen können Heiz- bzw. Kühlmittel vorgesehen sein, um Bauteile zunächst auf eine vorgesehene Temperatur zu bringen und nach dem Sinterprozess wieder herunter zu kühlen. Sowohl die Eingangsschleusenkammer als auch die Ausgangsschleusenkammer trennen den Hauptkörper der Sinteranlage von der umgebenden Atmosphäre, so dass in dem Hauptkörper der Anlage eine sauerstoffreduzierte Atmosphäre vorliegen kann. Vorzugsweise ist der Hauptkörper der Anlage mit einem inerten Gas, insbesondere Argon, gefüllt.
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Die Eingangsschleusenkammer umfasst ein erstes Eingangsschleusentor und ein zweites Eingangsschleusentor, wobei mit dem ersten Eingangsschleusentor eine Öffnung zur umgebenden Atmosphäre verschließbar ist, und mit dem zweiten Eingangsschleusentor eine Öffnung zwischen Eingangsschleusenkammer und Hauptkörper verschließbar ist. Die Eingangsschleusenkammer ist mit einer Vakuumpumpe verbunden oder verbindbar. Weiterhin kann zwischen der Eingangsschleusenkammer und dem Hauptkörper eine Fluidverbindung so hergestellt werden, dass die Eingangsschleusenkammer mit im Hauptkörper befindlichem Gas geflutet werden kann und der Druck zwischen Hauptkörper und Eingangsschleusenkammer ausgeglichen werden kann.
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Das Vorschubsystem ist zweckmäßigerweise dazu ausgelegt, Bauteile aus der Eingangsschleusenkammer in den Hauptkörper zu schieben. Mittels desselben oder eines weiteren Vorschubsystems kann das Bauteil dann durch den Hauptkörper in Richtung der Ausgangsschleusenkammer verschoben werden.
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Die Sinterkammer ist vorzugsweise in einem mittleren Bereich des Hauptkörpers angeordnet.
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Zweckmäßigerweise ist das Vorschubsystem ein pneumatisches oder hydraulisches Vorschubsystem.
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Vorzugsweise weist der Hauptkörper einen Boden auf, welcher mit Graphit und/oder BN Platten als Gleitfläche für die Bauteile ausgelegt ist. Der Boden ist insbesondere so ausgestaltet, dass die zu sinternden Bauteile, sogenannte Grünkörper, insbesondere mittels die Bauteile aufnehmenden Werkzeugen über den Boden verschoben werden können. Vorzugsweise sind das oder die Werkzeuge auf einer graphithaltigen Grundplatte, insbesondere Graphitgrundplatte, gelagert und der Boden ist mit BN Platten ausgelegt, da so auch bei höheren Temperatur ein geringer Reibungsfaktor erhalten bleibt. In einer Ausgestaltung können die Grundplatten jeweils für zwei Werkzeuge ausgelegt sein.
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In einer Ausgestaltung kann die Sinterkammer mittels zumindest eines Schiebers oder einer Tür oder Klappe vom Hauptkörper zumindest teilweise getrennt werden. Somit kann eine Wärmeabschirmung und/oder eine Gasströmungsregulierung erzielt werden.
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Die Platten weisen zweckmäßigerweise eine seitliche Führung, insbesondere eine seitliche Führung mit einem U- oder C-Profil auf. Eine solche Führung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Bauteile und/oder Werkzeuge auf Grundplatten verschoben werden, welche in den Profilen geführt werden. Dadurch wird ein „aufsteigen“ der Grundplatten beim Vorschub verhindert.
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Die Sinterkammer ist vorzugsweise für eines der folgenden Verfahren ausgelegt: Drucksintern, Spark-Plasma-Sintern oder Heißpressen.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Anlage eine Heißpresse als Sinterkammer, welche so in einem mittleren Bereich des Hauptkörpers angeordnet ist, dass die Bauteile mittels zumindest einer Hebeeinrichtung in die Sinterkammer gehoben werden. Die Sinterkammer kann sowohl mit dem Hauptkörper in Reihe, d.h. mit gleicher Mittelachse, als auch von einer Mittelachse des tunnelförmigen Hauptkörpers versetzt angeordnet sein. Im letzteren Fall müssen die Bauteile aus dem Hauptkörper in die Sinterkammer verschoben oder gehoben werden. In einer solchen Anordnung können an weiteren Wänden Heizmittel bereitgestellt werden.
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In einer Ausgestaltung sind in dem ersten Abschnitt des Hauptkörpers Heizmittel in zumindest zwei Heizzonen angeordnet und/oder sind in dem zweiten Abschnitt zumindest eine Heizzone mit Heizmitteln und zumindest eine Kühlzone mit Kühlmitteln angeordnet. Durch das Anordnen von zumindest zwei Heizzonen im ersten Abschnitt des Hauptkörpers können die Bauteile im Durchlauf schrittweise auf eine vorbestimmte Vorheiztemperatur gebracht werden. Nach dem Sinterprozess ist es notwendig, dass die Bauteile ausreichend langsam abkühlen. Dazu kann im zweiten Abschnitt des Hauptkörpers zunächst eine Heizzone angeordnet sein und erst darauf folgend zumindest eine Kühlzone.
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Die Heizmittel umfassen zweckmäßigerweise Widerstandsheizer und/oder Induktionsheizer und/oder Strahlungsheizer. Alternativ oder zusätzlich umfassen die Kühlmittel Ventilatoren und/oder Wärmetauscher.
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In Ausgestaltung umfasst das Vorschubsystem und/oder Positioniersystem hydraulische oder pneumatische Stempel, wobei das Positioniersystem vorzugsweise weiterhin eine Positionsmesseinrichtung, insbesondere eine Laserpositionsmesseinrichtung, umfasst und vorzugsweise das Vorschubsystem sowie ein Gegenschubsystem Teil des Positioniersystems ist. Das Vorschubsystem kann beispielsweise aus einem ersten hydraulischen Stempel, der im Bereich der Eingangsschleusenkammer angeordnet ist, bestehen. Das Positioniersystem kann den ersten hydraulischen Stempel und einen im Bereich der Ausgangsschleusenkammer angeordneten zweiten hydraulischen Stempel als Gegenschubsystem umfassen. Somit kann mittels des ersten und des zweiten hydraulischen Stempels das Bauteil in oder an der Sinterkammer in eine vorbestimmte Position geschoben werden. Die Positionsmesseinrichtung kann entweder an einer Ausgabevorrichtung die Position des Bauteils anzeigen oder kann über einen Regelkreis mit dem Vorschubsystem und Gegenschubsystem verbunden werden, so dass das Positioniersystem das Bauteil automatisch in die vorbestimmte Position bewegt. Wenn sich die Sinterkammer außerhalb der Mittelachse des tunnelförmigen Hauptkörpers befindet, kann das Positioniersystem weiterhin auch noch eine Verschiebeeinrichtung bzw. Hebeeinrichtung umfassen, die dazu geeignet ist, das Bauteil in die Sinterkammer zu verschieben oder zu heben.
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Zweckmäßigerweise ist die Eingangsschleusenkammer und/oder die Ausgangsschleusenkammer mit einem Ladesystem umfassend insbesondere weitere hydraulische oder pneumatische Stempel ausgestattet. Mit einem solchen Ladesystem können Bauteile, welche mit einem Wagen oder Förderband zur Anlage geliefert werden, in die Eingangsschleusenkammer verschoben oder gehoben werden.
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Der Hauptkörper ist vorzugsweise mit einer Gasabführeinrichtung versehen, wobei die Gasabführeinrichtung vorzugsweise eine Verbrennungseinrichtung für Abgase aufweist. Mit einer solchen Gasabführeinrichtung können Gase, welche bei der Erwärmung des Grünkörpers, zum Beispiel aus Bindemitteln, entstehen, abgeführt und thermisch verwertet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Sintern von Bauteilen umfasst die folgenden Schritte:
- a) Einbringen des Bauteils als Grünkörper in eine Eingangsschleusenkammer,
- b) Erzeugen von Unterdruck in der Eingangsschleusenkammer und nachfolgendes Fluten der Eingangsschleusenkammer mit Schutzgas,
- c) Vorschieben des Bauteils in einem ersten Abschnitt eines Hauptkörpers der Anlage zu einer Sinterkammer,
- d) Positionieren des Bauteils in der Sinterkammer,
- e) Sintern des Bauteils,
- f) Vorschieben des Bauteils durch einen zweiten Abschnitt des Hauptkörpers der Anlage zu einem Ausgang,
- g) Vorschieben des Bauteils in eine Ausgangsschleusenkammer und
- h) Ausschleusen des Bauteils
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Der Schritt d) umfasst zweckmäßigerweise die Schritte:
- D1) Messen der Position des Bauteils mittels einer Positionsmesseinrichtung und
- D2) Positionieren des Bauteils mittels einer Vorschub- und einer Gegenschubeinrichtung.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann der Schritt d) die folgenden Schritte umfassen:
- D1a) Messen der Position des ersten Bauteils mittels einer Positionsmesseinrichtung,
- D1b) Positionieren des ersten Bauteils,
- D1c) Messen der Position des zweiten Bauteils mittels der Positionsmesseinrichtung und
- D1d) Positionieren des zweiten Bauteils unabhängig von der Positionierung des ersten Bauteils.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
- 1: Seitenansicht der Sinteranlage
- 2: Aufsicht auf die Sinteranlage
- 3: vertikaler Längsschnitt der Sinteranlage entlang III-III
- 4: horizontaler Längsschnitt der Sinteranlage entlang IV-IV
- 5: Schematische Darstellung des Bereichs der Eingangsschleusenkammer
- 6: Schematische Darstellung des Bereichs der Sinterkammer
- 7: Schematische Darstellung des Bereichs der Ausgangsschleusenkammer
- 8: zwei Werkzeuge auf einer Grundplatte
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1 - 4 zeigen eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sinteranlage 2 in verschiedenen Ansichten. Die Sinteranlage 2 umfasst einen tunnelförmigen Hauptkörper 4 mit einem ersten Abschnitt 6 und einem zweiten Abschnitt 8, eine in einem mittigen Bereich des Hauptkörpers 4 angeordnete Sinterkammer 10, sowie eine auf der Zeichnung rechts dargestellte Eingangsschleusenkammer 40 und eine auf der Zeichnung links dargestellte Ausgangsschleusenkammer 60.
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Im Bereich der Eingangsschleusenkammer 40 ist weiterhin das Vorschubsystem 12 angeordnet. Das Vorschubsystem 12 ist so angeordnet, dass es Bauteile 106, 107 aus der Eingangsschleusenkammer 40 in den ersten Abschnitt des Hauptkörpers 6 schieben kann. Insbesondere umfasst das Vorschubsystem 12 einen ersten Pneumatikstempel 70.
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An der Eingangsschleusenkammer 40 und der Ausgangsschleusenkammer 60 ist jeweils ein Ladesystem 16 angeordnet, um die Bauteile 106, 107 in die Eingangsschleusenkammer 40 bzw. aus der Ausgangsschleusenkammer 60 zu schieben bzw. zu heben.
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Der erste Abschnitt des Hauptkörpers 6 umfasst drei Heizzonen 20, 21, 22. Der zweite Abschnitt des Hauptkörpers 8 umfasst eine Heizzone 23 und eine Kühlzone 25.
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Zwischen dem ersten Abschnitt des Hauptkörpers 6 und dem zweiten Abschnitt des Hauptkörpers 8 ist eine Sinterkammer 10 angeordnet. Die Sinterkammer 10 ist in der gezeigten Ausgestaltung von der Mittelachse des Hauptkörpers versetzt angeordnet. In 3 ist dargestellt, dass die Sinterkammer oberhalb der Mittelachse des Hauptkörpers angeordnet ist, so dass Bauteile 106, 107 zum Sintern innerhalb der Anlage bis in die Sinterkammer 10 gehoben werden.
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Bauteile 106, 107, die gesintert werden sollen, werden im gezeigten Ausführungsbeispiel in Werkzeuge 100, 101 eingebracht. Dabei kann ein Werkzeug 100, 101 jeweils ein oder mehrere Bauteile 106, 107 aufnehmen. Die Werkzeuge 100 und 101 sind auf einer Grundplatte 102 angeordnet, wie in 8 dargestellt. Die Grundplatte 102 hat hier eine rechteckige Form und zwei Durchbrüche, in der die Werkzeuge 100, 101 positioniert sind.
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Ein solches Paar Bauteile 106, 107 enthaltender Werkzeuge 100, 101 wird beispielsweise mittels eines Wagens zur Eingangsschleusenkammer 40 gebracht. Ein erstes Eingangsschleusentor 42 wird geöffnet. Das erste Eingangsschleusentor 42 befindet sich an einer Seite der Eingangsschleusenkammer 40 und ist vorliegend als Schiebetor ausgestaltet. Das erste Eingangsschleusentor 42 oder die Öffnung der Eingangsschleusenkammer 40 ist zweckmäßigerweise mit einer Dichtung versehen, die als aufblasbare Dichtung ausgestaltet sein kann. Eine solche Dichtung ist zweckmäßigerweise bei allen Schleusentoren 42, 44, 62, 64 vorgesehen. Eine Ausschnittvergrößerung des Bereiches der Eingangsschleusenkammer 40 ist in 5 dargestellt.
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Mittels des Ladesystems 16, welches zum Beispiel als Pneumatikstempel ausgeführt sein kann, werden die Werkzeuge 100, 101 mit der Grundplatte 102 in die Eingangsschleusenkammer 40 geschoben und nachfolgend wird das erste Eingangsschleusentor 42 geschlossen, während ein zweites Eingangsschleusentor 44, welches zwischen dem Hauptkörper 4 und der Eingangsschleusenkammer 40 angeordnet ist, geschlossen ist. Gas aus der Eingangsschleusenkammer 40 wird zunächst abgepumpt und anschließend wird die Eingangsschleusenkammer 40 mit Gas aus dem Hauptkörper 4 belüftet, bis der Druck zwischen der Eingangsschleusenkammer 40 und dem Hauptkörper 4 ausgeglichen ist, so dass das zweite Eingangsschleusentor 44 geöffnet werden kann. Mittels des Vorschubsystems 12 wird die Grundplatte 102 mit den Werkzeugen 100, 101 in den Hauptkörper 4, insbesondere den ersten Abschnitt des Hauptkörpers 6 hineingeschoben. Die Grundplatte 102 ist zweckmäßigerweise aus Graphit, welches auf den Boden des Hauptkörpers angeordneten Platten aus Bornitrid, weitgehend temperaturunabhängig gleitet.
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Die Wände und/oder die Decke des ersten Abschnitts des Hauptkörpers 6 sind mit Heizmitteln, insbesondere Widerstandsheizern, versehen, so dass die Werkzeuge und die Grundplatte sich erhitzen.
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Sobald eine Grundplatte 102 mit den Werkzeugen 100, 101 im ersten Abschnitt des Hauptkörpers 6 ist, kann das zweite Eingangsschleusentor wieder geschlossen werden und eine weitere Grundplatte mit Werkzeugen durch die Eingangsschleusenkammer 40 eingeschleust werden. Der Vorschub der Grundplatten 102 wird somit durch das aufeinanderfolgende Hineinschieben der Grundplatten 102 erzeugt.
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Wenn eine Grundplatte 102 mit den Werkzeugen 100, 101 in den Bereich unter der Sinterkammer 10 geschoben ist, muss sie positioniert werden. Der Bereich der Sinterkammer 10 ist in der 6 dargestellt. Die Grundplatte 102 wird mit dem Positioniersystem 16 positioniert. Das Positioniersystem 16 umfasst zweckmäßigerweise eine Positionsmesseinrichtung, welche einen Laser und einen Messstift 104 umfasst, sowie den ersten Pneumatikstempel 70 und einen zweiten Pneumatistempel 72, welcher dem ersten Pneumatikstempel 70 gegenüberliegend angeordnet ist, so dass mit dem ersten und dem zweiten Pneumatikstempel 70, 72 die Grundplatte 102 hin und her geschoben werden kann. Der Laser ist zweckmäßigerweise so angeordnet, dass er senkrecht zur einer Vorschubrichtung der Grundplatte einen Strahl aussendet, der durch den Messstift 104 reflektiert wird, und ein Detektor für die reflektierte Laserstrahlung neben oder als Ringdetektor um den Laser angeordnet ist. Der Laser ist zweckmäßigerweise so ausgewählt, dass er eine von der Wärmestrahlung abweichende Farbe aufweist. Der Messstift 104 ist zweckmäßigerweise auf der Grundplatte 102 angeordnet.
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Wenn die Grundplatte, wie in 6 gezeigt, ausgerichtet ist, können die Werkzeuge mittels einer Hebeeinrichtung 18, die Teil des Positioniersystems 14 ist, in die Sinterkammer 10 gehoben werden. Seitlich der Grundplatte 102 sind zwei Schieber 80, 82 angeordnet, die nach der Positionierung der Grundplatte 102 geschlossen werden kann, um die Hebeeinrichtung 18 vor Strahlungswärme zu schützen.
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Die Werkzeuge 100, 101 werden in die Sinterkammer 10 gehoben und dort mit der Sintertemperatur beaufschlagt, die für eine vorgegebene Sinterzeit gehalten wird. Dabei kann durch eine Presseinrichtung 19 in Zusammenwirken mit der Hebeeinrichtung 18 Druck auf die Werkzeuge ausgeübt werden. Die Sintertemperatur beträgt typischerweise zwischen 1800°C und 2400°C, insbesondere 2000°C bis 2200°C. Anschließend werden die Werkzeuge 100, 101 mittels der Hebeeinrichtung 18 wieder abgesenkt und auf der Grundplatte 102 positioniert. Die Schieber 80, 82 werden wieder geöffnet. Die Grundplatte 102 wird um eine Position weitergeschoben, so dass die nächsten Werkzeuge entsprechend positioniert und in die Sinterkammer 10 gehoben werden können.
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Nach dem Sintern werden die Werkzeuge 100, 101 auf der Grundplatte in den zweiten Abschnitt des Hauptkörpers 8 geschoben. Um eine vorgegebene langsame Abkühlung der Bauteile 106, 107 zu gewährleisten, weist der zweite Abschnitt des Hauptkörpers 8 zunächst einen Heizzone 23 und darauffolgend eine Kühlzone 25 auf.
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Die Kühlzone 25 kann mit einer Umwälzschnellkühlung 30 versehen sein.
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Wenn die Grundplatte 102 mit den Werkzeugen 100, 101 am Ende des zweiten Abschnitts des Hauptkörpers 8 angelangt ist, kann sie durch ein geöffnetes erstes Ausgangsschleusentor 62 in eine Ausgangsschleusenkammer 60 geschoben werden. Zum Ausschleusen muss lediglich sichergestellt werden, dass immer nur eine von erstem und zweitem Ausgangsschleusentor 62, 64 zu einem Zeitpunkt geöffnet ist, so dass kein direkter Gasaustausch zwischen Hauptkörper 4 und umgebenden Atmosphäre erfolgt. In Ausgestaltung kann die Ausgangsschleusenkammer 60 vor dem Öffnen des ersten Ausgangsschleusentors 62 jeweils abgepumpt werden. Die Ausgangsschleusenkammer 60 ist in der Ausschnittvergrößerung 7 zu sehen.
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Aus der Ausgangsschleusenkammer wird die Grundplatte mit den Werkzeugen 100, 101 mit einem weiteren Ladesystem 16 beispielsweise auf einen weiteren Wagen geschoben.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Sinteranlage
- 4
- Hauptkörper
- 6
- erster Abschnitt des Hauptkörpers
- 8
- zweiter Abschnitt des Hauptkörpers
- 10
- Sinterkammer
- 12
- Vorschubsystem
- 14
- Positioniersystem
- 16
- Ladesystem
- 18
- Hebeeinrichtung
- 19
- Presseinrichtung
- 20
- Heizzone
- 21
- Heizzone
- 22
- Heizzone
- 23
- Heizzone
- 25
- Kühlzone
- 30
- Umwälzschnellkühlung
- 40
- Eingangsschleusenkammer
- 42
- erstes Eingangsschleusentor
- 44
- zweites Eingangsschleusentor
- 60
- Ausgangsschleusenkammer
- 62
- erstes Ausgangsschleusentor
- 64
- zweites Ausgangsschleusentor
- 70
- erster Pneumatikstempel
- 72
- zweiter Pneumatikstempel
- 80
- Schieber
- 82
- Schieber
- 100
- Werkzeug
- 101
- Werkzeug
- 102
- Grundplatte
- 104
- Messstift
- 106
- Bauteil
- 107
- Bauteil
