DE112015002611T5

DE112015002611T5 - Vorform aus einem pulverförmigen Material und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE112015002611T5
Application number: DE112015002611.8T
Authority: DE
Inventors: William C. Dykstra; Luke A. Martin
Original assignee: Temper IP LLC
Current assignee: Temper IP LLC
Priority date: 2014-06-02
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2017-03-09
Also published as: WO2016003563A3; CA2950216A1; AU2015284713A1; US20170095861A1; US20190291185A1; WO2016003563A2

Abstract

Eine pulverförmige Materialvorform weist ein gepresstes pulverförmiges Metall oder ein anderes pulverförmiges Material auf, wobei die Vorform so verarbeitet und so abgedichtet worden ist, dass eine Haut oder eine Hülle an der äußeren Oberfläche der Vorform gebildet wird (wie zum Beispiel durch ein Schmelzen einer äußeren Schicht oder einer Oberfläche der Vorform oder durch ein Hinzufügen einer äußeren Schicht um die Vorform oder durch eine Kombination davon), wobei ein innerer Teil der Vorform ein gepresstes, pulverförmiges Material aufweist. Die mit der Haut versehene Vorform kann eine Form aufweisen, die im Allgemeinen ähnlich zu der eines Endprodukts oder eines Teils ist, das gebildet werden soll, oder sie kann einfach einen Puck oder eine Form von ungefähr der gleichen Masse der Form aufweisen, die gebildet wird, und die mit der Haut versehene Vorform ist zur Verwendung bei nachfolgenden Verdichtungs- und/oder Konsolidierungsverfahren oder deren Kombinationen geeignet, um das fertige, vollständig bearbeitete Teil zu bilden.

Description

Querverweis auf in Bezug stehende Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U. S. Anmeldung mit der Nummer 62/134,063, welche am 17. März 2015 eingereicht worden ist, und die Priorität der vorläufigen U. S. Anmeldung mit der Nummer 62/006,393, welche am 2. Juni 2015 eingereicht worden ist. Hiermit werden deren Inhalte durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Bildung eines Teils mit einem pulverförmigen Material, und insbesondere bezieht sie sich auf die Bildung einer Vorform aus einem pulverförmigen Material zur Verwendung bei der Bildung eines vollständig bearbeiteten Teils.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorform aus einem pulverförmigen Material bereit, die ein gepresstes pulverförmiges Material (wie zum Beispiel ein pulverförmiges Metall wie zum Beispiel Titan, Magnesium, Stahl oder Aluminium oder dergleichen oder wie zum Beispiel ein pulverförmiges Kunststoff- oder Polymermaterial oder wie zum Beispiel ein pulverförmiges keramisches Material oder ein Pulver aus mehreren Stoffen mit oder ohne Kohlenstofffasern oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder anderen verstärkenden Mitteln oder dergleichen) aufweist, wobei die Vorform verarbeitet und abgedichtet wird, so dass eine Haut oder eine Hülle an der äußeren Oberfläche des Körpers ausgebildet ist (zum Beispiel durch einen Laser, ein Plasma, einen Elektronenstrahl, einen Wolfram-Elektroden-Inertgas-(WIG)-Lichtbogen oder eine Induktion oder dergleichen) oder durch ein Hinzufügen einer äußeren Schicht um die Oberfläche der Vorform (zum Beispiel durch ein 3D-Drucken) oder über eine Kombination davon), wobei ein innerer Teil der Vorform ein gepresstes pulverförmiges Material aufweist. Die Vorform mit der Haut kann eine Form aufweisen, die im Allgemeinen ähnlich zu der eines Endprodukts oder Teils ist, das gebildet werden soll, oder sie kann einfach einen Puck oder eine Form von ungefähr der gleichen Masse der Form aufweisen, die gebildet wird, und die Vorform mit der Haut ist zur Verwendung bei nachfolgenden Verdichtungs- und/oder Konsolidierungsprozessen oder deren Kombinationen geeignet, um das fertige, vollständig bearbeitete Teil zu bilden.
Nach einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein pulverförmiges Material mittels eines oder mehrerer Bearbeitungsschritte in eine Form gepresst und dann abgedichtet oder "mit Haut versehen" (was durch ein oder eine Kombination (i) von einem Schmelzen der äußeren Oberfläche, (ii) von einem Schmelzen eines Materials auf der äußeren Oberfläche der Vorform oder (iii) von einem Umhüllen der Vorform erreicht werden kann), wobei das äußere Material dasselbe Material wie das pulverförmige innere Material oder ein anderes Material sein kann, um eine Abdichtung oder eine Haut oder eine Hülle um die pulverförmige Form herum vorzusehen. Die Vorform mit der Haut kann dann abgedichtet und verstärkt werden, um für eine weitere Bearbeitung geeignet zu sein (wie zum Beispiel durch ein Pressen der Vorform, ein Komprimieren der Vorform, ein Verdichten der Vorform oder einer Kombination davon, um das Material zu verfestigen und zu verdichten), um das vollständig bearbeitete Teil herzustellen, wobei sich die Haut und der pulverförmige innere Teil der Vorform während des Verfestigungs- und/oder Verdichtungsprozesses vereinigen oder verfestigen, um das vollständig bearbeitete Teil zu bilden.
Wahlweise kann vor dem, während des oder nach dem Vorgang des Versehens mit der Haut ein Vakuum verwendet werden, um Verunreinigungen aus dem Pulver herauszuziehen, und wahlweise kann das innere Pulver mit einem Inertgas gespült werden, bevor es durchgeführt wird und/oder die Haut auf die Oberfläche angelegt wird, die dann innerhalb der äußeren Haut oder Hülle abgedichtet werden kann, welche an Ort und Stelle belassen werden kann oder welche durch ein Anlegen eines Vakuums entfernt werden kann. Wenn der Vorgang der Vorformung, der Abdichtung oder des Versehens mit der Haut in einem Vakuum stattfindet, besteht keine Notwendigkeit, das Innere der Vorform zu spülen, da diese bereits im Vakuum vorliegt (zum Beispiel wäre dies der Fall bei einem Vorgang des Versehens mit der Haut mit einem Elektronenstrahl), da eine Elektronenstrahlbearbeitung im Vakuum erfolgt). Wenn der Puck mit etwas Prozessgas oder Verunreinigungen im Inneren abgedichtet wird, zum Beispiel wenn der Puck in einem nicht perfekten Vakuum abgedichtet wird, mit einem Prozessgas wie zum Beispiel Argon abgedichtet wird oder unter atmosphärischen Bedingungen abgedichtet wird, kann es mehrere (zum Beispiel mehr als einen und weniger als zehn) Spülzyklen geben, um alle oder im Wesentlichen alle Verunreinigungen aus dem abgedichteten Puck zu entfernen (zum Beispiel wird der Vorgang des Spülens mit einem Inertgas wie Argon oder sogar einem Gas wie Stickstoff oder der dergleichen wiederholt, wobei zum Beispiel ein Prozessgas wie zum Beispiel Argon eintritt, dann ein Vakuum angelegt wird, um das Gas und die Verunreinigungen herauszuziehen, dann Argon, dann Vakuum usw.). Das fertige Teil mit der Haut kann einen Schlauch, eine Entlüftung, ein Ventil oder eine Öffnung haben, die verwendet werden können, um ein Vakuum im Inneren der Vorform mit der Haut zu erzeugen und die Vorform mit dem Inertgas zu spülen, wobei das Rohr, die Entlüftung, das Ventil oder die Öffnung gekrümmt oder anderweitig geschlossen werden können, um die Vorform abzudichten, wenn der Vakuum-/Spülvorgang abgeschlossen ist. Das Rohr, die Entlüftung oder die Öffnung können abgebrochen oder anderweitig entfernt werden oder sie können ein Teil des fertigen, endgültigen Teils werden (weil sie aus dem gleichen Material wie zum Beispiel Titan wie das fertige Teil hergestellt sein können).
Daher stellt die vorliegende Erfindung einen Vorformrohling (und ein Verfahren zur Herstellung desselben) bereit, der einen gepressten Kern aus einem pulverförmigen Material (wie zum Beispiel einem gepressten Metall oder dergleichen) und eine äußere Hülle oder Schicht aufweist, welche den gepressten Kern aus dem pulverförmigen Material umgibt und diesen abdichtet. Der Vorformrohling stellt somit ein pulverförmiges Materialelement oder einen Rohling bereit, welcher von seinem Herstellungsort gehandhabt und zu einem anderen Verfahren oder einer anderen Stelle verschifft oder transportiert werden kann, an welcher der Vorformrohling weiter verarbeitet werden kann, um den endgültigen Rohling zu bilden. Die vorliegende Erfindung stellt somit einen Vorformrohling bereit, der zur Weiterverarbeitung zu einem Endprodukt geeignet ist, während er einen solchen Rohling bereitstellt, der so beständig ist, dass der Rohling ohne einen Bruch oder eine Beschädigung des Rohlings gehandhabt und an einen anderen Ort bewegt werden kann. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung die Herstellung eines Vorformrohlings aus einem pulverförmigen Material an einem Ort und die weitere Verarbeitung des Rohlings zu einem Endprodukt an einem anderen Ort, welcher von dem ersten Ort entfernt sein kann.
Diese und andere Aufgaben, Vorteile, Zwecke und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei Durchsicht der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die 1 ist eine perspektivische Ansicht einer pulverförmigen Metallvorform, bevor eine äußere Haut über der Vorform nach der vorliegenden Erfindung gebildet wird.
Die 2 ist eine perspektivische Ansicht der pulverförmigen Metallvorform der 1 nachdem diese in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung abgedichtet oder mit der Haut versehen worden ist.
Die 2A ist eine Schnittansicht der mit der Haut versehenen Vorform der 2.
Die 2B eine vergrößerte Schnittansicht des Bereichs "B" in der 2A.
Die 3 ist eine perspektivische Ansicht des vollständig bearbeiteten Teils, das aus der mit der Haut versehenen Vorform der 2 gebildet worden ist.
Die 3A ist eine Schnittansicht des vollständig bearbeiteten Teils der 3.
Die 4 und 4A sind perspektivische Ansichten einer Vorformpressform, die zum Bilden einer pulverförmigen Metallvorform verwendet wird.
Die 5 und 5A sind perspektivische Ansichten der Vorformpressform der 4 und 4A, welches mit einem rohen Pulver gefüllt gezeigt ist.
Die 6 und 6A sind perspektivische Ansichten der gefüllten Vorformpressform der 5 und 5A, bei denen gezeigt wird, wie das Metall gepresst wird, um die pulverförmige Vorform zu bilden.
Die 7 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Pressform, bei der die pulverförmige Metallvorform davon entfernt wird.
Die 7A ist eine perspektivische Ansicht der pulverförmigen Metallvorform, bei der gezeigt wird, wie teilweise die Haut nach der vorliegenden Erfindung gebildet worden ist.
Die 8 und 8A sind perspektivische Ansichten der mit der Haut versehenen Vorform.
Die 9 und 9A sind perspektivische Ansichten der mit der Haut versehenen Vorform, wie diese für einen Reinigungsvorgang vorbereitet ist.
Die 10, 10A, 10B sind perspektivische Ansichten der mit der Haut versehenen Vorform, die den Vorgang des Entfernens von Verunreinigungen von der Vorform zeigen.
Die 11, 11A, 11B sind perspektivische Ansichten der mit der Haut versehenen Vorform, die das Verfahren des Reinigens der Vorform mit einem Inertgas zeigen.
Die 12, 12A und 12B sind perspektivische Ansichten der mit der Haut versehenen Vorform, die das Verfahren des Abdichtens der Vorform zeigen.
Die 13 ist ein eine schematische Darstellung, die ein Verfahren zur Herstellung der mit der Haut versehenen Vorform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt und bei der die mit der Haut versehene Vorform zur Herstellung eines fertigen Produkts verwendet wird.
Die 14 ist ein Schema eines Verfahrens zum Bilden einer mit der Haut versehenen Vorform, welches mit den Verfahrensschritten gezeigt wird, die in einem Vakuum auftreten.
Die 15 ist ein Schema eines weiteren Verfahrens zum Bilden einer mit der Haut versehenen Vorform, wobei die ersten beiden Verfahrensschritte in einer offenen Atmosphäre oder in einer gesteuerten Atmosphäre wie zum Beispiel einer Prozessgasatmosphäre auftreten, wobei die Vorform nach dem Vorgang des Versehen mit der Haut oder dem Vorgang der Abdichtung von den Verunreinigungen gereinigt werden.
Die 16 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Durchgangsinduktionsspule zeigt, die verwendet wird, um eine Haut um eine Vorform durch ein Schmelzen der äußeren Oberfläche in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu erzeugen.
Die 17 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Flächeninduktionsspule zeigt, die verwendet wird, um eine Haut um eine Vorform herum zu erzeugen, wobei die Spule unter und/oder um die Vorform herum (zum Beispiel mit einem Roboter) bewegt wird.
Die 18 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Flächeninduktionsspule mit einem Flusskonzentrator zeigt.
Die 19 ist eine perspektivische Ansicht, die das Füllen einer Induktionspressform mit Pulver nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die 20 ist eine perspektivische Ansicht, die das Komprimieren des Pulvers in der Pressform und die Verwendung der Induktionsspule zeigt, um den mit der Haut versehenen Puck oder die mit der Haut versehene Vorform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu erzeugen.
Die 21 ist eine perspektivische Ansicht, die das Entfernen des fertiggestellten Pucks oder der fertiggestellten Vorform aus der Pressform zeigt, wobei der fertiggestellte Puck oder die fertiggestellte Vorform zum Beispiel ein pulverförmiges Titan, ein pulverförmiges Magnesium, ein pulverförmiges Aluminium oder einen pulverförmigen Kunststoff oder eine pulverförmige Keramik oder ein Pulver aus mehreren Stoffen mit oder ohne Kohlenstofffasern oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder anderen verstärkenden Mitteln oder dergleichen aufweist.
Die 22 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Vorform aus einem pulverförmigen Material mit einer kleinen Induktionsspule mit einem Flusskonzentrator zeigt, die verwendet wird, um eine Haut um das pulverförmige Material der Vorform herum in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu erzeugen.
Die 23 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Vorform aus einem pulverförmigem Material mit einer kleinen Induktionsspule ohne einen Flusskonzentrator zeigt, die über die Vorform eines pulverförmigen Materials bewegt wird, um eine Haut in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu erzeugen.
Die 24 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Vorform des pulverförmigen Materials mit einer Eisenkern-Induktionsspule ohne einen Flusskonzentrator zeigt, die über die Vorform des pulverförmigen Materials bewegt wird, um eine Haut über die Vorform des pulverförmigen Materials in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu erzeugen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und die darin dargestellten veranschaulichenden Ausführungsbeispiele stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer abgedichteten oder einer mit der Haut versehenen Vorform 12 eines pulverförmigen Materials 14 wie zum Beispiel eines pulverförmigen, metallischen oder nichtmetallischen Materials wie zum Beispiel Titan, Magnesium, Stahllegierungen, Aluminium, Graphen, Keramiken, Kunststoffen oder dergleichen (1 bis 3A) bereit. Das pulverförmige Material oder das pulverförmige Metall, die pulverförmige Metalllegierung oder das pulverförmige Multimaterial wird zu einer Form 10 gepresst (zum Beispiel in eine Form, die im Allgemeinen der endgültigen Gestalt des Produkts oder des zu formenden Teils entspricht) und sie wird abgedichtet oder mit der Haut versehen (zum Beispiel durch ein Schmelzen der äußeren Schicht oder der Oberfläche der gepressten pulverförmigen Metallvorform oder mittels additiver Herstellungsverfahren wie zum Beispiel 3D-Drucktechniken oder einer Kombination davon). Die mit der Haut versehene pulverförmige Werkstoff-Vorform 12 (der Werkstoff kann zum Beispiel Metall sein) wird dann in einem Verfestigungs- und/oder Verdichtungsverfahren (zum Beispiel einem heißisostatisches Pressen, einem Sintern, einem Heißpressen, einer thermischen Wechselbeanspruchung, einer magnetischen Wechselbeanspruchung oder dergleichen) verwendet, um das Endprodukt 18 zu bilden (3 und 3A).
Die mit der Haut versehene, pulverförmige Materialvorform 12 oder der Rohling oder der Puck ist eine abgedichtete, von Verunreinigungen freie Vorform, die bei Verfestigungs- und/oder Verdichtungsverfahren von pulverförmigen Material verwendet wird, wie zum Beispiel einem heißisostatischen Pressen, einem Sintern, thermischen Wechselbeanspruchungen, Wechselbeanspruchungen mittels magnetischer Phasenwechsel, eine Kombination von thermischen Wechselbeanspruchungen und Wechselbeanspruchungen mittels magnetischer Phasenwechsel oder dergleichen. Der Puck erlaubt eine Kommerzialisierung und eine Massenproduktion von pulverförmigen metallischen oder nichtmetallischen Komponenten auf einer Skala, die sonst nicht erreichbar ist. Diese Leistung ist möglich, weil die abgedichtete oder mit der Haut versehene Vorform oder der Puck frei von gasförmigen Verunreinigungen im Inneren und über eine äußere Schicht abgedichtet ist, um eine Rekontamination zu verhindern. Dies ermöglicht eine einfache Handhabung sowie eine verbesserte Bearbeitung für die Produktion nach einem Chargenverfahren oder einem Fließbandverfahren. Zusätzlich kann die pulverförmige metallische Vorform 12 ein ausgewähltes Material aufweisen, das innerhalb des Pucks angeordnet ist, wie zum Beispiel ein Gas (zum Beispiel Stickstoff, Argon oder dergleichen), einen Feststoff (zum Beispiel Graphen oder dergleichen) oder eine Flüssigkeit (zum Beispiel flüssiger Stickstoff, Wasser oder dergleichen). Zum Beispiel kann das Kornwachstum in dem fertigen Produkt ein Problem sein, und daher kann Stickstoff mit einem Dichteniveau zwischen 0 und 5 Atmosphären Druck innerhalb des abgedichteten Pucks angeordnet sein, um das Kornwachstum zu verändern.
Das Pulvermaterial 14 wird vorgemessen und mittels einer Kaltverdichtung, eines Pressformpressens oder eines ähnlichen Vorgangs zu einem halbfesten Material verdichtet, um einen pulverförmigen Rohling 10 herzustellen (siehe die 1, 4 bis 7 und die 13 bis 15). Der pulverförmige Rohling 10 weist einen Aufbau ähnlich der sedimentären Art eines Feststoffes auf und er besteht aus einem pulverförmigen Material ähnlich der Art wie Sedimentgesteine aus Sandkörnern bestehen. Der pulverförmige Rohling 10 kann irgendein geeignetes pulverförmiges Material aufweisen, wie zum Beispiel ein pulverförmiges Metall, einen pulverförmigen Kunststoff, eine pulverförmige Keramik, einen pulverförmigen Verbundwerkstoff oder irgendeine Kombination von Pulvern. Der pulverförmige Rohling 10 ist so geformt und/oder verteilt, dass er eine Verarbeitung in eine nahezu endförmige Komponente ermöglicht.
Nachdem er in die Form der Vorform gepresst worden ist (wie zum Beispiel eine Pressform 11, wie in den 4 bis 7 gezeigt ist) wird der pulverförmige Rohling 10 dann mit der Haut versehen und gespült oder gesaugt und abgedichtet, um einen abgedichteten Rohling 12 oder Vorform bereitzustellen (siehe die 2, 2A, 2B und 8 bis 12B). Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden sowohl die Verdichtungs- als auch die Abdichtungsschritte, die erforderlich sind, um einen Puck herzustellen, in einer vakuumähnlichen Atmosphäre oder einer vollständigen Vakuumatmosphäre oder einer anderweitig gesteuerten Atmosphäre durchgeführt.
Pulververdichtungsschritt:
Der Pulververdichtungsschritt, wie er in den 4 bis 7 gezeigt ist, arbeitet, um das pulverförmige Material 14 in eine Form der Vorform zu drücken oder zu verdichten. Das komprimierte pulverförmige Formteil oder die Vorform 10 weist ein pulverförmiges Material auf und ist nicht abgedichtet oder mit der Haut versehen oder umhüllt und es ist daher nicht robust oder fest und es kann nicht für eine weitere Handhabung und Verarbeitung geeignet sein, wenn es nicht sorgfältig gehandhabt und von einem Schritt zum nächsten bewegt wird. Der Verdichtungsschritt kann in einer gesteuerten Atmosphäre wie zum Beispiel in einem Vakuum durchgeführt werden, so dass keine Verunreinigungen in der verdichteten, pulverförmigen Metallvorform oder dem Formteil vorhanden sind, die Materialien sind zum Beispiel Titan oder Legierungen von Titanpulvern.
Dies ist wichtig, da für Materialien wie zum Beispiel Titan Verunreinigungen wie zum Beispiel Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff oder andere Verunreinigungen mit dem Pulver während des Bearbeitungsschritts des Versehens mit der Haut oder des Bearbeitungsschritts der Verdichtung reagieren können, was die endgültigen chemischen Eigenschaften und die Materialeigenschaften negativ verändern könnte. Andererseits können bestimmte Elemente wie zum Beispiel Kohlenstoff, Argon, Helium, Stickstoff oder dergleichen mit dem Pulver während des Bearbeitungsschritts des Versehens mit der Haut oder des Bearbeitungsschritts der Verdichtung reagieren und die chemischen Eigenschaften und die Materialeigenschaften positiv verändern. Auf eine ähnliche Weise kann die Atmosphäre, in welcher der Puck hergestellt wird, keine Auswirkung auf die nachfolgende Verarbeitung oder das Leistungsvermögen der Teile in Abhängigkeit von der Art des Materials aufweisen.
Puckabdichtungsschritt:
Vor dem Verlassen der kontrollierten Atmosphäre wird der Puck bevorzugt abgedichtet, wie es in den 8 und 8A dargestellt ist, oder er kann in einem sekundären Verarbeitungsschritt gereinigt und abgedichtet werden, wie es in den 9 bis 12B dargestellt ist. Die Idee ist, die äußere Schicht des Pucks zu verschmelzen oder zu beschichten, um eine Abdichtung zu erzeugen. Die Abdichtung 16 kann durch einen Laser, einen Elektronenstrahl, ein Induktionsheizfeld, eine Ultraschallheizung, eine Mikrowellenerwärmung, eine elektrische Widerstandsheizung, einen elektrischen Wolfram-Elektroden-Inertgas-(WIG-)-Lichtbogen, eine Strahlungswärme, eine Plasmaflamme, ein thermisches Sprühen, eine Flamme, ein Abscheiden, ein Umhüllen oder mittels eines Additivherstellungsverfahrens mit einem Laser, einem Elektronenstrahl, einem Plasma, einer Induktionswärme oder einer Kombination des Schmelzens der Oberfläche und des Additivherstellungsverfahrens oder einer Kombination davon oder eines ähnlichen Verfahrens abgedichtet werden. Wie in den 7 bis 8A gezeigt ist, erzeugt der Vorgang der Abdichtung eine Haut 16 oder eine Umhüllungs- oder Abdichtungsfläche um den pulverförmigen Rohling 10 herum. Die Haut 16 dient mehreren Zwecken, von denen einer ist, das Pulver 14 zu halten. Da der sedimentäre Feststoff leicht zerbröckelt werden kann, stellt die Haut 16 der vorliegenden Erfindung ein robustes Gehäuse bereit und erzeugt dieses (weil es aus der äußeren Schicht oder den Schichten des pulverförmigen Materials selbst gebildet werden kann) und sie stellt sicher, dass während der nachfolgenden Prozesse dem Puck eine Masse weder hinzugefügt noch ihm entfernt wird. Es wird in Erwägung gezogen, dass die Haut 16 eine Anordnung mit einem einzelnen Teil oder mehreren Teilen aufweisen kann, die durch ein Feingießen, ein thixotropes Formen, ein Sintern, eine adiabatische Bearbeitung, eine Bearbeitung zur Verfestigung, eine Bearbeitung zur Verdichtung oder andere denkbare Bearbeitungsverfahren hergestellt werden kann.
Ein anderer Zweck der Haut 16 besteht darin, zu verhindern, dass gasförmige oder andere Verunreinigungen in den Puck eindringen. Der Abdichtungsvorgang kann durchgeführt werden, bevor der halbfeste Puck eine kontrollierte atmosphärische Umgebung verlässt. Dies stellt sicher, dass jedes Gas, das in der kontrollierten Umgebung vorhanden ist oder nicht vorhanden ist, die Abdichtung des Pucks nicht durchdringen kann oder entweichen kann. Dies hat zur Folge, dass, sobald die Haut 16 um den Puck herum geformt und der Puck vollständig abgedichtet worden ist, der Puck aus der kontrollierten Atmosphäre entfernt und in eine unkontrollierte Atmosphäre gebracht werden kann, ohne dass das Risiko besteht, dass unerwünschte Verunreinigungen in das vorgeformte Pulver 14 eingebracht werden. Der vorgeformte und verunreinigungsfreie Puck kann in jeder Umgebung leicht gehandhabt werden, ohne die Integrität des Pulvers 14 oder des Endproduktes 18 zu beeinträchtigen.
Alternativ kann das lose Material in dem vorgeformten Rohling 10 in einer gasförmigen Umgebung (wie zum Beispiel Luft, Stickstoff, Argon und/oder dergleichen in Abhängigkeit von dem verarbeiteten Material) gebildet oder verdichtet werden und dann in demselben gasförmigen Zustand gehalten werden oder in eine neue gasförmige Umgebung geändert werden, mit einer Haut 16 wie oben beschrieben abgedichtet und dann von dem Prozessgas oder den Verunreinigungen gereinigt werden, und dann kann ein neues Prozessgas für den Vorgang der Verfestigung und/oder der Verdichtung in den abgedichteten Puck eingeführt und wieder abgedichtet werden. Dies würde das gleiche Ziel erreichen, wie es oben beschrieben wurde, aber es ermöglicht, dass der Vorformrohling in einem unkontrollierten Raum und/oder einer atmosphärischen Umgebung hergestellt und/oder eingebracht werden kann, bevor er abgedichtet wird.
Somit stellt die vorliegende Erfindung aufgrund der Schwierigkeit der Vorbereitungsarbeit ein pulverförmiges Titan (oder andere Metalle, Nichtmetalle oder Multimaterialien) für ein Verdichtungsverfahren herzustellen, eine verbesserte Verarbeitung bereit, indem eine mit der Haut versehene Vorform des pulverförmigen Materials erzeugt wird. Zum Beispiel ist eine der Schwierigkeiten von pulverförmigen Titanteilen, dass das pulverförmige Titan in speziellen Umgebungen verdichtet werden muss. Durch das Vorsehen einer vorverpackten, abgedichteten Vorform oder eines "Pucks" kann der Puck oder die Vorform der vorliegenden Erfindung bei irgendeinen Verdichtungsverfahren eingesetzt werden, wodurch Verfahrensschritte und Zeit und Geld eingespart werden können, während ein qualitativ hochwertiges Endprodukt bereitgestellt wird.
Die vorliegende Erfindung stellt somit einen Verfahrensschritt zwischen dem Herstellen eines verdichteten oder geformten pulverförmigen Rohlings 10 oder einer Vorform und der Verdichtung des pulverförmigen Rohlings zu einem nahezu endförmigen Teil bereit. Der vorgeformte Puck besteht aus einem pulverförmigen Material, das zu einer Form verdichtet wird (ein verdichteter Block, der gehandhabt werden kann, aber der zerbrechlich sein kann), der dann abgedichtet wird (wie durch ein Schmelzen seiner äußeren Oberfläche), was ihn dann sehr haltbar macht. Die abgedichtete Vorform 12 kann somit leicht bei verschiedenen Verfahren verwendet werden. Zum Beispiel können die abgedichteten oder mit der Haut versehenen Vorformen in einen Trichter eines automatisierten Systems zur weiteren Verarbeitung gebracht, vor einem nachfolgenden Verdichtungsvorgang vorgeheizt oder vorverdichtet werden.
Das Verdichten und das Schmelzen der äußeren Oberfläche der Vorform kann in einem Vakuum, in einer kontrollierten Umgebung oder in einer unkontrollierten Umgebung in Abhängigkeit von den ausgewählten Verdichtungs- und Schmelzverfahren (Verfahren des Versehens mit der Haut), dem zu verarbeitenden Material und der Qualität des fertigen Bauteils durchgeführt werden. Zusätzlich kann es wünschenswert sein, eine kontrollierte Umgebung für den Vorgang und/oder eine kontrollierte Umgebung (oder ein Vakuum) für das Innere des mit der Haut versehenen Pucks zu haben. Zum Beispiel wäre für Titan die bevorzugte Umgebung innerhalb des Pucks ein nahezu perfektes Vakuum mit nahezu null Prozent Sauerstoff. Unterschiedliche Titanlegierungen, Metalle oder Multimaterialien können unterschiedliche Umgebungen erfordern.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform 10 aus einem pulverförmigem Material (wie zum Beispiel ein pulverförmiges Titan, ein pulverförmiges Magnesium, ein pulverförmiger Stahl, ein pulverförmiges Aluminium, eine pulverförmige Keramik oder ein Pulver aus mehreren Stoffen mit oder ohne Kohlenstofffasern oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder anderen verstärkenden Mitteln oder dergleichen bereit), wobei die Vorform verarbeitet und abgedichtet wird, so dass eine Haut 16 oder eine Hülle an der äußeren Oberfläche der Vorform 10 gebildet wird. Die vorliegende Erfindung kann auch die Bearbeitung und die Abdichtung der Vorform erweitern, um die Induktion als ein Verfahren zur Erzeugung der Haut oder der Hülle zu verwenden, wie es in den 16 bis 24 gezeigt ist. Im Fall von Titan verwendet das vorgeschlagene Verfahren eine sehr hohe Frequenz (zwischen 30 Khz und 10.000 Khz, aber besonders bevorzugt zwischen 500 Khz und 2.000 Khz) für das Induktionsfeld, um in die einzelnen Körner des Pulvermaterials 14 an der Oberfläche des vorverdichteten Pucks 10 einzukoppeln und diese zu erhitzen, wodurch diese erwärmt werden. Die Wärme bewirkt, dass die Körner schmelzen und koaleszieren, wodurch eine Haut oder eine Hülle um die Vorform 10 herum erzeugt wird.
Das vorgeschlagene Induktionsfeld würde in das verdichtete Titanpulver 14 an der Oberfläche der Vorform 10 koppeln. Durch ein Auswählen der geeigneten Induktionsheizfrequenz und des Leistungspegels kann auf die äußeren Körner der Vorform zum Erwärmen gezielt werden. Die Erwärmung würde auf die Oberfläche oder die Oberflächen gerade unterhalb der Außenseite der Vorform 10 begrenzt sein.
Die Erwärmung ist auf ein Induktionsfeld zurückzuführen, das durch eine Induktionsspule erzeugt wird. Die Haut 16 kann durch ein Bewegen der Vorform durch das Induktionsfeld erzeugt werden, wobei die Induktionsspule stationär bleibt (siehe die 22 und 24) oder sie kann durch ein Bewegen der Induktionsspule erzeugt werden, wobei die Vorform stationär bleibt (siehe die 23). Andere Anordnungen umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, ein gleichzeitiges Aufbringen der Haut oder der Hülle auf alle Seiten der Vorform, ein Aufbringen der Haut oder der Hülle, wobei die Vorform durch ein nicht leitfähiges oder ein magnetisch transparentes Material wie zum Beispiel eine Keramik, ein Nichteisenmetall oder ein anderes Material unterstützt wird, das für das Induktionsfeld transparent ist.
Alternativ kann das Induktionsverfahren zum Aufbringen der Haut oder der Hülle durchgeführt werden, während sich die Vorform in der Verdichtungspressform befindet, wie in den 19 bis 21 gezeigt ist. Ein derartiger Aufbau würde ein rohes pulverförmiges Material verarbeiten und in eine Form formen und eine Haut oder ein Hülle um die Vorform herum in einem einzigen Vorgang erzeugen.
Änderungen und Abänderungen können an den speziell beschriebenen Ausführungsbeispielen durchgeführt werden, ohne von den Prinzipien der vorliegenden Erfindung abzuweichen, die nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche beschränkt sein soll, wie er nach den Grundsätzen des Patentrechts einschließlich der Äquivalenzlehre ausgelegt wird.

Claims

Vorformrohling, welcher aufweist: ein pulverförmiges Material, welches mindestens teilweise verdichtet worden ist, um eine Form zu bilden; eine äußere Oberfläche, welche im Wesentlichen das pulverförmige Material darin umschließt und abdichtet, wobei das pulverförmige Material eines von (i) einem Metall, (ii) einem Kunststoff und (iii) einer Keramik aufweist, und wobei die äußere Oberfläche eine äußere Oberfläche aufweist, welche durch ein Ummanteln eines äußeren Teils des pulverförmigen Materials hergestellt worden ist.
Vorformrohling nach Anspruch 1, wobei das pulverförmige Material ein Metallpulver aufweist.
Vorformrohling nach Anspruch 2, wobei das Metallpulver mindestens eines von einem Titan, einem Magnesium, einem Aluminium, einem Nickel und einem Eisen aufweist.
Vorformrohling nach Anspruch 1, wobei der Vorformrohling zu einer Verwendung bei einem von einem pulvermetallurgischen Verfahren, einem Verfestigungsverfahren und einem Verdichtungsverfahren geeignet ist.
Vorformrohling nach Anspruch 1, wobei das pulverförmige Material zu einem Rohling geformt wird, wobei eines von einer Kaltverdichtung, einem Pressformen und einem isostatischen Pressen verwendet wird.
Vorformrohling nach Anspruch 1, wobei das pulverförmige Material ein Metallpulver aufweist und wobei das Metallpulver mindestens eine Metalllegierung aufweist, welche mindestens eines von einem Titan, einem Magnesium, einem Aluminium, einem Nickel, einem Eisen und einem Graphit aufweist.
Vorformrohling nach Anspruch 1, wobei das pulverförmige Material mindestens ein verstärkendes Material aufweist.
Vorformrohling nach Anspruch 7, wobei das mindestens eine verstärkende Material mindestens eines von einer Kohlenstofffaser, einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen, einem Kevlar, einer Keramik und einem Glas aufweist.
Vorformrohling nach Anspruch 1, wobei das pulverförmige Material mindestens ein auf Kohlenstoff basierendes verstärkendes Material aufweist
Vorformrohling nach Anspruch 1, wobei der Vorformrohling in einer kontrollierten Umgebung gebildet und abgedichtet worden ist.
Vorformrohling nach Anspruch 10, wobei die kontrollierte Umgebung ein Vakuum aufweist.
Vorformrohling nach Anspruch 10, wobei die kontrollierte Umgebung ein Beinahe-Vakuum aufweist.
Vorformrohling nach Anspruch 10, wobei die kontrollierte Umgebung eine Atmosphäre aufweist, die aus einem oder mehreren Gasen besteht, die Argon, Wasserstoff, Stickstoff oder dergleichen mit verschiedenen Dichten aufweisen.
Vorformrohling nach Anspruch 1, wobei die äußere Oberfläche eine Haut aufweist, welche das pulverförmige Material umgibt.
Vorformrohling nach Anspruch 1, wobei die äußere Oberfläche durch ein Verschmelzen von einem zusätzlichen Pulver um den Rohling mit einem Laser, einem Elektronenstrahl, einem Induktionsheizfeld, einem Ultraschallheizgerät, einer Mikrowellenerwärmung, einer elektrischen Widerstandsheizung, einem elektrischen WIG-Lichtbogen, einer Strahlungswärme und einer Plasmaflamme erzeugt worden ist.
Vorformrohling nach Anspruch 1, wobei die äußere Oberfläche durch ein Verschmelzen der äußeren Schichten des Pulvers, welche den Rohling bilden, mit einem Laser, einem Elektronenstrahl, einem Induktionsheizfeld, einem Ultraschallheizgerät, einer Mikrowellenerwärmung, einer elektrischen Widerstandsheizung, einem elektrischen WIG-Lichtbogen, einer Strahlungswärme und einer Plasmaflamme erzeugt worden ist.
Vorformrohling nach Anspruch 1, wobei die äußere Oberfläche durch ein Beschichtungs- oder ein Abscheidungsverfahren erzeugt worden ist, welches eines von einem thermischen Sprühen, einem Schweißen, einer additiven Herstellung und einem 3-D-Drucken aufweist.
Vorformrohling nach Anspruch 17, wobei das Material der äußeren Oberfläche mindestens eines von einem Kunststoff, einem Wachs, einer Farbe und einem Metall aufweist.
Vorformrohling nach Anspruch 1, wobei die äußere Oberfläche durch ein Abdichten eines Behälters um den Rohling erzeugt worden ist.
Vorformrohling nach Anspruch 1, wobei die äußere Oberfläche verhindert, dass Verunreinigungen in das pulverförmige Material gelangen.
Vorformrohling nach Anspruch 1, wobei der Vorformrohling in einer kontrollierten Umgebung gebildet und abgedichtet worden ist, und wobei die äußere Oberfläche verhindert, dass die kontrollierte Umgebung den Vorformling verlässt.
Vorformrohling nach Anspruch 1, wobei der Vorformrohling in einer unkontrollierten Umgebung gebildet worden ist.
Vorformrohling nach Anspruch 22, wobei die äußere Oberfläche in einer unkontrollierten Atmosphäre ausgebildet worden ist.
Vorformrohling nach Anspruch 23, wobei der Vorformrohling nach dem Herstellen der äußeren Oberfläche von Verunreinigungen gereinigt worden ist.
Vorformrohling nach Anspruch 24, wobei der Vorformling über einen Schlauch, welcher einen Durchgang durch die äußere Oberfläche zu dem pulverförmigen Material herstellt, von den Verunreinigungen gereinigt worden ist.
Vorformrohling nach Anspruch 1, wobei der Vorformrohling vor der Bildung der Verunreinigungen gereinigt worden ist.
Vorformrohling nach Anspruch 1, wobei die äußere Oberfläche durch ein Vereinigen von einer Oberfläche oder von Oberflächen direkt unter der äußeren Oberfläche des pulverförmigen Materials erzeugt worden ist.
Vorformrohling nach Anspruch 27, wobei das Vereinigen auf ein Induktionsfeld zurückzuführen ist, das an dem Vorformrohling erzeugt worden ist.
Vorformrohling nach Anspruch 28, wobei der Vorformrohling stationär bleibt und sich das Induktionsfeld bewegt.
Vorformrohling nach Anspruch 28, wobei das Induktionsfeld stationär bleibt und sich der Vorformrohling bewegt.
Vorformrohling nach Anspruch 28, wobei sich der Vorformrohling und das Induktionsfeld mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten relativ zueinander bewegen.
Vorformrohling nach Anspruch 28, wobei die äußere Oberfläche auf allen Seiten des Vorformrohlings zu einem Zeitpunkt erzeugt worden ist.
Vorformrohling nach Anspruch 28, wobei der Vorformrohling durch ein nicht leitfähiges Material oder ein magnetisch transparentes Material wie zum Beispiel eine Keramik, ein Nichteisenmetall oder ein anderes für das Induktionsfeld transparentes Material unterstützt wird.
Vorformrohling nach Anspruch 27, wobei die äußere Oberfläche erzeugt worden ist, bevor der Vorformrohling aus einer Vorformmatrize, wie einer Kaltverdichtungsmatrize, einer Pressformpresse oder einer isostatischen Pressvorrichtung entfernt wird.
Vorformrohling, welcher aufweist: eine hohle Haut oder eine Hülle, ein pulverförmiges Material, wobei das pulverförmige Material eines aus (i) einem Metall, (ii) einem Kunststoff und (iii) einer Keramik aufweist, und wobei die hohle Haut oder die Hülle mit dem pulverförmigen Material gefüllt ist.
Vorformrohling nach Anspruch 35, wobei die hohle Haut oder die Hülle ein einzelnes Teil oder ein mehrfaches Teil einer Unteranordnung aufweist, welche aus einem Feingussverfahren, einem Thixotropschmelzverfahren, einem Sinterverfahren, einem adiabatischen Verfahren, einem Verfestigungsverfahren und einem Verdichtungsverfahren hergestellt worden ist.
Vorformrohling nach Anspruch 35, wobei die hohle Haut oder die Hülle durch ein Ausbilden der hohlen Haut oder der Hülle um eine vorgeformte Pulverform hergestellt worden ist.
Vorformrohling nach Anspruch 36, wobei die hohle Haut oder die Hülle durch eines der folgenden Verfahren hergestellt worden ist: (i) ein Verschmelzen von einem zusätzlichen Pulver um die vorgeformte Pulverform mit einem Laser, einem Elektronenstrahl, einem Induktionsheizer, einem Ultraschallheizer und einer Plasmaflamme, (ii) ein Verschmelzen von äußeren Schichten des Pulvers, welche die vorgeformte Pulverform bilden, mit einem Elektronenstrahl, einem Induktionsheizfeld, einem Ultraschallheizelements, einer Mikrowellenheizung, einer elektrischer Widerstandsheizung, einem elektrischer WIG-Lichtbogen, einer Strahlungswärme und einer Plasmaflamme; (iii) ein Beschichtungs- oder ein Abscheidungsverfahren, welches ein thermisches Spritzen, ein Schweißen und ein 3-D-Drucken aufweist, und (iv) ein Abdichten eines Behälters um die vorgeformte Pulverform.
Vorformrohling nach Anspruch 35, wobei das pulverförmige Material verwendet worden ist, um die hohle Haut oder die Hülle zu füllen.
Vorformrohling nach Anspruch 35, wobei das Füllverfahren in einer kontrollierten Umgebung durchgeführt wird.
Vorformrohling nach Anspruch 35, wobei der Vorformling gereinigt und abgedichtet worden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Vorformrohlings, wobei das Verfahren aufweist: ein Bereitstellen eines pulverförmigen Materials, wobei das pulverförmige Material eines aus (i) einem Metall, (ii) einem Kunststoff und (iii) einer Keramik aufweist, ein Pressen des pulverförmigen Materials in eine pulverförmige Vorformform, ein Herstellen einer äußeren Haut um die pulverförmige Vorformform, um das pulverförmige Material zu umhüllen und abzudichten, um einen Vorformrohling zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei das Bereitstellen eines pulverförmigen Materials das Bereitstellen eines pulverförmigen Metalls aufweist.
Verfahren nach Anspruch 42 oder 43, wobei das Ausbilden einer äußeren Haut das Verschmelzen von äußeren Schichten der pulverförmigen Vorformform aufweist, welche die vorgeformte Pulverform mit einem Laser, einem Elektronenstrahl, einem Induktionsheizfeld, einem Ultraschallheizelement, einer Mikrowellenheizung, einer elektrischen Widerstandsheizung, einem elektrischen WIG-Lichtbogen, einer Strahlungswärme und einer Plasmaflamme hervorbringt.
Verfahren nach Anspruch 42 oder 43, wobei das Herstellen einer äußeren Haut das Verschmelzen von zusätzlichem Pulver um die Vorformform mit einem Laser, einem Elektronenstrahl, einem Induktionsheizfeld, einem Ultraschallheizgerät, einer Mikrowellenheizung, einer elektrischen Widerstandsheizung, einem elektrisch WIG-Lichtbogen, einer Strahlungswärme und einer Plasmaflamme aufweist.
Verfahren nach Anspruch 42 oder 43, wobei das Herstellen einer äußeren Haut ein Beschichtungs- oder Abscheidungsverfahren aufweist, welches eines von einem thermischen Spritzen, einem Schweißen und einem 3-D-Drucken aufweist.
Verfahren nach Anspruch 42 oder 43, wobei das Herstellen einer äußeren Haut das Abdichten eines Behälters um die vorgeformte Pulverform aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 47, wobei der Vorformrohling in einer kontrollierten Umgebung gebildet und abgedichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 48, wobei die kontrollierte Umgebung ein Beinahe-Vakuum aufweist.
Verfahren nach Anspruch 48, wobei die kontrollierte Umgebung eine Atmosphäre aufweist, die mindestens eines von Argon, Wasserstoff und Stickstoff aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 50, welches das Reinigen des Vorformrohlings von Verunreinigungen aufweist, nachdem die äußere Haut gebildet worden ist.
Verfahren nach Anspruch 51, wobei der Vorformrohling über einen Schlauch, der einen Durchgang durch die äußere Haut zu dem ummantelten pulverförmigen Material herstellt, von den Verunreinigungen gespült wird.
Verfahren nach Anspruch 42, welches das Reinigen des Vorformrohlings von den Verunreinigungen aufweist, bevor die äußere Haut gebildet worden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 50, wobei die äußere Haut durch ein Vereinigen von einer Oberfläche oder von Oberflächen unmittelbar unter einer äußeren Oberfläche des gepressten, pulverförmigen Materials gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei das Vereinigen auf ein Induktionsfeld zurückzuführen ist, welches an dem Vorformrohling erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 55, wobei sich das Induktionsfeld relativ zu der pulverförmigen Vorformform bewegt.
Verfahren nach Anspruch 55, wobei der Vorformrohling durch ein nicht leitendes Material oder ein magnetisch transparentes Material, das für das Induktionsfeld transparent ist, unterstützt wird.