DE19750151C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Metalleinlagerungsverbundwerkstoffen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Herstellung von Metallein­ lagerungsverbundwerkstoffen, bestehend aus einer Vorform eines nichtmetallischen Materials, die mit geschmolzenem Metall infiltriert ist, insbesondere ein hocheffek­ tives System zur Herstellung solcher Verbundwerkstoffe mit einer automatisierten Anordnung, die jede Vorform durch einen Vorheizofen in eine Gußvorrichtung zur weiteren Infiltration mit geschmolzenem Metall bewegt.

Metalleinlagerungsverbundwerkstoffe, oft als MMC bezeichnet, finden mehr und mehr Verbreitung in vielen industriellen Anwendungen, da ihre Eigenschaften wunschgemäß eingestellt werden können. Diese Verbundwerkstoffe bestehen oft aus einem nichtmetallischen, porösen Kern, z. B. einem keramischen Metall, und einem Metall, das im geschmolzenen Zustand den porösen Kern infiltrierte. Das Kernmaterial kann in verschiedenen Formen, wie Partikeln oder Fasern bereitge­ stellt werden und bis zu 80 Vol.% oder mehr des Verbundwerkstoffes ausmachen.

Die Auswahl des Kernmaterials und des infiltrierenden Metalls erlaubt es, die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes wunsch­ gemäß einzustellen. Es ist beispielsweise möglich, Verbundwerkstoffe so zu schaf­ fen, daß sie ein gewünscht hohes Stabilitäts/Gewichtsverhältnis aufweisen. Solche Verbundwerkstoffe sind besonders vorteilhaft bei der Befestigung und Verpackung (packaging) von elektronischen Bauteilen, wie integrierten Schaltkreisen. Durch geeignete Auswahl von Kernmaterial und Metall können Verbundwerkstoffe mit gewünschter hoher Wärmeleitung und niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffi­ zienten leicht hergestellt werden.

Die US 5,259,436 beschreibt eine sehr effektive Technik, um Metalleinlage­ rungsverbundwerkstoffe, insbesondere aus Siliziumkarbidkernen, die mit geschmol­ zenem Aluminium oder Aluminiumlegierungen infiltriert werden, effizient herzu­ stellen. Im Rahmen der technischen Lehre dieses Patents kann eine Vielzahl von. Kernmaterialien und Metallen zur Infiltration eingesetzt werden.

Nach der technischen Lehre dieses Patentes enthält eine besonders bevorzug­ te Technik zur effektiven Herstellung von Metalleinlagerungsverbundwerkstoffen die Vorbereitung einer Vorform aus dem Material des porösen Kerns des Ver­ bundwerkstoffes und ein Vorheizen dieser Vorform, bevor sie in eine entsprechende Gußvorrichtung eingebracht wird, um mit geschmolzenem Metall unter Druck infil­ triert zu werden. Diese Herstellungstechnik erlaubt es, den porösen Kern des Ver­ bundwerkstoffes exakt so zu gestalten, daß die gewünschten physikalischen Eigen­ schaften des Verbundwerkstoffes optimiert sind, während gleichzeitig die Struktur­ festigkeit der Vorform bei der Infiltration mit flüssigem Metall unter Druck erhalten bleibt.

In einer besonders bevorzugten Technik wird eine Vorform aus Siliziumkar­ bidpartikeln hergestellt, deren Teilchengröße so ausgewählt ist, daß kleine Partikel die Zwischenräume zwischen größeren ausfüllen. Beim Mischen der Partikel kann ein Bindermaterial zugegeben werden, das die Formgebung der Vorform erleichtert. Diese Vorform wird geheizt, um eine zumindest teilweise Sinterung der Partikel zu bewirken und eventuell verwendete Bindermaterialien zu verdampfen und auszu­ treiben. Die teilweise Sinterung der Vorform erhält den gewünschten Porositätsgrad des Kernes und verbindet gleichzeitig die Partikel in eine profilierte Form, die der des späteren Verbundwerkstoffes gleichen kann, wenn das gewünscht ist. Die Vor­ form hat typischerweise ausreichende Strukturfestigkeit, um den Transport, insbe­ sondere das Einbringen in die Gußvorrichtung ohne unerwünschte Beschädigungen, Formverlust, etc. zu ermöglichen

Nach der US 5259436 kann die Infiltration der Vorform mit geschmolzenem Metall dadurch verbessert werden, daß die Vorform auf eine Temperatur gleich oder über der des geschmolzenen Metalls, mit dem die Vorform infiltriert wird, aufge­ heizt wird. Da das Vorheizen außerhalb der Gußvorrichtung durchgeführt werden kann, erlaubt ein Aufheizen der Vorform auf eine Temperatur über der des ge­ schmolzenen Metalls das unvermeidliche Abkühlen beim Transport der Vorform von der Vorheizeinrichtung in die Gußvorrichtung. Die Vorform sollte auf oder über der Temperatur des geschmolzenen Metalls sein, um die Metallinfiltration zu ver­ bessern und ein Abkühlen des geschmolzenen Metalls an der Vorform vor der im wesentlichen vollständigen Infiltration zu vermeiden. Obige Patentschrift erwähnt ebenfalls, daß die Infiltration durch fast vollständige Evakuieren des Formhohlrau­ mes, in dem die Vorform positioniert ist, weiter verbessert werden kann; damit wird auch die poröse Struktur der Vorform evakuiert.

Die vorliegende Erfindung zielt auf eine Vorrichtung, für die Verbesserung der effizienten Herstellung von Metalleinlagerungsverbundwerkstoffen durch eine automatisierte, programmierbare Anordnung zum effizienten, sequentiellen Trans­ port poröser Vorformen zum Vorheizen und nachfolgender Anordnung im Form­ hohlraum einer Gußvorrichtung zur Infiltration mit geschmolzenem Metall.

Die vorliegende Erfindung zielt auf eine Vorrichtung zur Herstellung von Metalleinlagerungsverbundwerkstoffen aus mit Metall infiltrierten Vorformen.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungsformen sind durch die Ansprü­ che gekennzeichnet.

Die Vorrichtung umfaßt eine Gußvorrichtung, die obere und untere Form­ hälften mit einem dazwischenliegendem Formhohlraum hat, welche gegeneinander vertikal zwischen einer offenen Stellung zur Aufnahme einer Vorform und einer geschlossenen Stellung zum Infiltrieren der Vorform mit geschmolzenem Metall bewegt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die obere Formhälfte bewegt, während die untere festgehalten wird, und die untere Formhälfte hat eine Zufuhröffnung, durch die geschmolzenes Metall in den Formhohlraum eingebracht wird.

Die vorliegende Vorrichtung umfaßt weiterhin einen programmierbaren Vor­ formförderer, der eine schrittweise Bewegung einer porösen, nichtmetallischen Vor­ form entlang einer im wesentlichen horizontalen Bahn bewirkt. Es hat sich gezeigt, daß diese Bewegung die effiziente Herstellung von Metalleinlagerungsverbund­ werkstoffen stark fördert, wenn sie im Zusammenspiel mit den vertikal öffnenden Formhälften der Gußvorrichtung steht. In der bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die horizontale Bahn, auf der die Vorform bewegt wird, bis in eine Stellung zwischen den offenen Formhälften der Gußvorrichtung, bevorzugt genau bis über die feste, untere Formhälfte. Die Vorform kann so leicht auf die untere Formhälfte abgesenkt werden und anschließend mit geschmolzenem Metall infil­ triert werden, ohne daß sie dabei beschädigt wird.

Der Vorformförderer hat einen Vorformträger, der entlang der im wesentli­ chen horizontalen Bahn bewegt wird und so ausgebildet ist, daß er die Vorform aufnimmt. Der Vorformförderer bewegt den Vorformträger mit der darauf befindli­ chen Vorform in eine Stellung zwischen der oberen und der unteren Formhälfte der Gußvorrichtung, um die Vorform im Formhohlraum der Gußvorrichtung zur Infil­ tration mit geschmolzenem Metall zu positionieren.

Der Vorformförderer führt dabei eine schrittweise Bewegung des Vorform­ trägers von einer ersten Schrittstellung, bei der der Vorformträger die Vorform von einem dazugehörigen Vorformlader erhält, zu einer zweiten Schrittstellung in einem Vorheizofen in eine dritte Schrittstellung zwischen oberer und unterer Formhälfte der Gußvorrichtung durch. Der Vorheizofen ist vorzugsweise direkt neben der Guß­ vorrichtung angeordnet, so daß die zweite Schrittstellung des Vorformträgers zwi­ schen der ersten und der dritten Schrittstellung liegt. Dies dient der Temperatur­ steuerung des Herstellverfahrens, da die Vorform auf die gewünschte erhöhte Tem­ peratur vorgeheizt und dann mit geringstem Wärmeverlust zügig in die Gußvorrich­ tung transportiert werden kann. Die Infiltration der Vorform mit geschmolzenem Metall unter Druck wird so verbessert.

Die Eigenschaften des Vorformförderers verbessern so den effizienten Transport der porösen Vorform. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Vorformträger eine Öffnung auf, in der die Vorform zum Transport mit dem Vor­ formträger angeordnet werden kann. Der Vorformträger hat vorzugsweise zumin­ dest einen an der Öffnung angebrachten, beweglichen Finger, dessen Bewegung die Vorform aus der Öffnung nach unten freigibt. In der bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung eine Anordnung, um den Vorformförderer vertikal zu bewegen, wodurch der Vorformträger vor der Freigabe der Vorform durch die Bewe­ gung des beweglichen Fingers abgesenkt werden kann. Die Vorform kann so ohne zu starken Stoß von der Schwerkraft aus dem Vorformträger nach unten bewegt werden, wenn sie auf der unteren Formhälfte der Gußvorrichtung positioniert wird.

Wie erwähnt, bewirkt der Vorformförderer eine schrittweise Bewegung des Vorformträgers mit der darauf befindlichen Vorform. Das Vorheizen der Vorform verbessert die effiziente Infiltration mit geschmolzenem Metall, weshalb sich die horizontale Bahn, auf der die Vorform vom Vorformförderer bewegt wird, geradli­ nig durch den Vorheizofen der Vorrichtung erstreckt und die Gußvorrichtung vor­ zugsweise direkt nach dem Ofen angeordnet ist. In einer Ausführungsform sind mehrere obere und untere infrarote Heizelemente im Vorheizofen vorgesehen, die über bzw. unter der horizontalen Bahn, auf der der Vorformträger bewegt wird, an­ geordnet sind und dadurch die Strahlungsheizung der Vorform bewirken. Der Vor­ formträger hat vorzugsweise einen oder mehrere Kühlmitteldurchflüsse, wodurch ein zu starkes Heizen des Vorformträgers verhindert wird, wenn die Vorform auf die gewünschte, erhöhte Temperatur vor dem Einbringen in die Gußvorrichtung ge­ heizt wird. Da die Öffnung des Vorformträgers die Vorform der Strahlungsheizung aus dem oberen und unteren Heizelement des Vorheizofens aussetzt, ist ein schnel­ les und gleichmäßiges Aufheizen der Vorform auf die gewünschte, erhöhte Tempe­ ratur gewährleistet.

Die vorliegende Vorrichtung umfaßt weiter eine programmierbare Anord­ nung zur sequentiellen Beladung des Vorformförderers mit Vorformen. Dieser Vor­ formlader hat einen Vorformladekopf, der allgemein horizontal und quer zur hori­ zontalen Bahn des Vorformträgers bewegt werden kann. In einer Ausführungsform bewegt sich der Ladekopf des Vorformladers hauptsächlich rechtwinklig zur Bahn des Vorformträgers und wird unabhängig vom Vorformförderer betrieben, so daß vom Vorformlader eine Vorform positioniert werden kann, wenn die vorherige Vor­ form noch vorgeheizt und dann in die Gußvorrichtung eingebracht wird.

In der bevorzugten Ausführungsform kann der Ladekopf des Vorformladers auch vertikal bewegt werden und weist eine Anordnung zum wahlweisen Anlegen eines Unterdrucks an die Vorform auf. Der Vorformlader hat ein Vorformzufuhr­ magazin, das eine vertikal bewegliche Grundplatte mit einem darauf befindlichen, vertikalen Stapel von Vorformen aufweist. Der Ladekopf des Vorformladers kann so betrieben werden, daß er die oberste Vorform des Stapels im Zufuhrmagazin (durch Anlegen des Unterdrucks) ergreifen und halten kann und diese dann durch Bewegung nach oben, quer und danach nach unten auf den Vorformträger des Vor­ formförderers bringt. Das Abschalten des Unterdrucks des Ladekopfes erlaubt es, die Vorform in der Öffnung des Vorformträgers anzuordnen, wo sie von einem oder mehreren beweglichen Fingern des Vorformträgers während des nachfolgenden Vorheizens gehalten wird. Anschließend wird sie zwischen die Formhälften der Gußvorrichtung eingebracht.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Vorrichtung werden nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht einer Vorrichtung zum Herstellen eines Metallein­ lagerungsverbundwerkstoffes nach der erfindungsgemäßen Lehre.

Fig. 1a zeigt eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung der Schrittabfolge, mit der die vorliegende Vorrichtung den Transport der Vorform und die nachfolgende Infiltration mit geschmolzenem Metall zur Herstellung eines Me­ talleinlagerungsverbundwerkstoffes durchführt.

Fig. 2 zeigt in einer Seitenansicht einen Vorformförderer, einen Vorheiz­ ofen und Teile einer dazugehörigen Gußvorrichtung.

Fig. 2a und 2b zeigen eine perspektivische Seitenansicht eines Vorformladers der Herstellvorrichtung.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht des Vorformförderers, des Vorheizofens und der Gußvorrichtung der Herstellvorrichtung.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht eines Vorformträgers des Vorformförderers der Herstellvorrichtung.

Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht der Gußvorrichtung der Herstellvorrichtung.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zum Herstellen eines Metalleinlagerungsver­ bundwerkstoffes nach der erfindungsgemäßen Lehre gezeigt. Metalleinlagerungs­ verbundwerkstoffe werden durch Infiltration einer porösen, üblicherweise nichtme­ tallischen Vorform (z. B. aus Keramik) mit geschmolzenem Metall, wie Aluminium oder Aluminiumlegierung, hergestellt. Wie bekannt ist, können Vorformen für Me­ talleinlagerungsverbundwerkstoffe aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, ebenso kann eine Vielzahl geschmolzener Metalle für die Infiltration ver­ wendet werden. Die geeignete Materialauswahl für den Verbundwerkstoff sowie ein geeignetes Mengenverhältnis aus porösem Kern und Metall, erlauben es, die physi­ kalischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes an eine Vielzahl von Anwen­ dungen anzupassen, insbesondere für spezielle Anwendungen, bei denen der Kern oder das infiltrierende Material für sich alleine ungeeignet wären.

Wie noch detaillierter beschrieben werden wird, umfaßt die vorliegende Vorrichtung eine Gußvorrichtung 10 zum Empfang des geschmolzenen Metalls, wie Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, aus einer dazugehörigen Schmelzvor­ richtung M. Das geschmolzene Metall wird von der Schmelzvorrichtung über eine Transferrinne T zugeführt und in einem Halteofen 12 der Gußvorrichtung 10 in ge­ schmolzenem Zustand gehalten.

Jeder der mit der vorliegenden Herstellvorrichtung gebildeten Metalleinlage­ rungsverbundwerkstoffe hat eine poröse Vorform, z. B. aus teilweise gesinterten Si­ liziumkarbidpartikeln. Die vorliegende Vorrichtung verfügt über eine programmier­ bare, automatische Anordnung zum Transport der Vorformen, bei der jede Vorform von einem vertikalen Vorformstapel auf einen Vorformförderer 14 geladen wird. Dann wird die Vorform entlang einer im wesentlichen horizontalen Bahn HP in eine Stellung in der Gußvorrichtung 10 zur weiteren Infiltration mit geschmolzenem Metall gebracht. Der Vorformlader 16 lädt die Vorform auf den Vorformförderer 14, der die Vorform dann auf der im wesentlichen horizontalen Bahn HP durch ei­ nen Vorheizofen 18 bewegt, in dem die Vorform auf eine erhöhte Temperatur, vorzugsweise auf oder über die Temperatur des geschmolzenen Metalls aufgeheizt wird.

Der Vorheizöfen 18 ist direkt neben der Gußvorrichtung 10 und nach dem Vorformlader 16 angeordnet. Dann kann jede vorgeheizte Vorform mit minimalem Wärmeverlust schnell vom Vorheizofen in die Gußvorrichtung gebracht werden. Zugleich kann der Vorformlader 16 betätigt werden, um die nächste Vorform für das Abladen auf dem Vorformförderer 14 bereitzustellen.

Fig. 1a zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Transports einer Vorform P. Mehrere Vorformen P sind auf einem senkrechten Stapel eines Zufuhrmagazins des Vorformladers 16 angeordnet. Der Vorformlader führt eine senkrechte Bewegung der obersten Vorform des Stapels sowie danach eine waage­ rechte Bewegung in eine Stellung über dem Vorformförderer durch, wie später noch genauer beschrieben werden wird. Danach senkt der Vorformlader 16 die Vorform P auf einen Vorformträger des Vorformförderers. Sie wird dann mit dem Vorform­ träger auf der im wesentlichen waagerechten und geradlinigen Bahn durch schritt­ weise Bewegung zum Vorheizen und weiter zum Infiltrieren mit geschmolzenem Metall gebracht. In der schrittweisen Bewegung transportiert der Vorformförderer 14 die Vorform von einer ersten Stellung P₁ in eine zweite Stellung P₂, in der die Vorform P vom Vorheizofen 18 vorgeheizt wird und dann in eine dritte Stellung P₃, in der die Vorform zwischen den Gußhälften der Gußvorrichtung für die dann fol­ gende Infiltration mit flüssigem Metall angeordnet wird.

Der Vorformförderer 14 ist in der Lage, eine vertikale Bewegung auszufüh­ ren, so daß jede Vorform auf die untere Gußhälfte der Gußvorrichtung abgesenkt werden kann und so eine unzulässige Erschütterung der relativ zerbrechlichen, teil­ weise gesinterten Vorform unterbleibt. Diesbezüglich ist es von Bedeutung, daß die horizontale Bahn, auf der die Vorform gefördert wird, geradlinig auf eine Stellung zwischen den Formhälften der Gußvorrichtung 10 hin läuft und idealerweise genau über der festen unteren Formhälfte endet. Dann ist nur noch eine sehr kleine Ab­ senkbewegung der Vorform erforderlich, um sie auf der befestigten unteren Formhälfte abzusetzen, wodurch die Effektivität verbessert und Beschädigungen der Vor­ form vermieden werden.

Fig. 2a und b zeigen den Vorformlader 16, der mehrere Vorformen zur Ver­ arbeitung in der vorliegenden Vorrichtung bereithält. Der Vorformlader 16 hat eine vertikale Halterung 20 mit einem im wesentlichen waagerechten Auslegearm 22 als Laderhalterung, so daß die Laderhalterung sich quer, vorzugsweise in einem rechten Winkel und über dem Vorformförderer 14 befindet.

Der Vorformlader 16 hat ein Vorformzufuhrmagazin 24, das einen vertikalen Stapel aus Vorformen P aufnimmt. Das Zufuhrmagazin 24 hat eine vertikal beweg­ liche Grundplatte 26, die eine vertikale Bewegung des darauf angeordneten Vor­ formstapels innerhalb des Zufuhrmagazins bewerkstelligt. Dadurch kann die oberste Vorform des Stapels vom Vorformlader zum Vorformförderer transportiert werden. Die Grundplatte wird von einer geeigneten Antriebseinrichtung, wie einer Gewin­ destange mit einem Schrittmotor o. ä. mit geeigneter, programmierbarer Steuerung betätigt. Dies erlaubt eine schrittweise Erhöhung der Grundplatte, so daß die Vor­ formen des Stapels im Zufuhrmagazin nacheinander für die spätere horizontale Be­ wegung und das Ablegen auf dem Vorformförderer 14 in Position gebracht werden.

Der Vorformlader 16 hat einen Ladekopf 28, um die Vorform vom Stapel des Vorführmagazines abzunehmen. Der Ladekopf 28 führt mittels eines geeigneten Bewegungselementes 30, das über Trägerstangen am Ladekopf befestigt ist, eine vertikale Bewegung aus. Er hat einen oder mehrere Saugköpfe 32 (Fig. 2b), um wahlweise einen Unterdruck an die Vorform anzulegen und sie so halten oder frei­ geben zu können. Somit kann der Ladekopf 28 mit Hilfe des Bewegungselementes 30 abgesenkt und in eine Stellung gebracht werden, in der auf die oberste Vorform des Stapels im Zufuhrmagazin 24 ein Unterdruck angelegt wird. Mittels dieses Un­ terdruckes wird dann die Vorform zum weiteren Transport mit dem Ladekopf 28 gehalten. Das Betätigungselement 30 ermöglicht es, die oberste Vorform vom Sta­ pel des Zufuhrmagazins abzuheben und dann in eine Stellung zum Ablegen auf dem Vorformförderer 14 zu bringen. Nachdem die oberste Vorform vom Stapel des Zufuhrmagazins abgenommen wurde, wird die Grundplatte 26 um einen Bewegungs­ schritt nach oben geführt, so daß der Vorformstapel angehoben wird und dadurch die nächste Vorform für den Ladekopf 28 bereitliegt.

Der Vorformlader 16 hat eine programmierbare Antriebseinrichtung, die den Ladekopf 28 waagerecht auf der Halterung 22 sowie quer und über der Bahn HP, auf der die Vorform von dem Vorformförderer 14 bewegt wird, verfährt. Dies wird von einer geeigneten Antriebseinrichtung (nicht dargestellt), wie einer Gewinde­ stange mit einem Schrittmotor o. ä. bewirkt.

Anhand der Fig. 2, 3 und 4 wird nun der Vorformförderer im einzelnen be­ schrieben. Der Vorformförderer 14 hat einen Vorformträger 34, der eine Öffnung 36 aufweist, in der die Vorform P zum Transport aufgenommen wird. Da die Öffnung 36 des Vorformträgers 34 sowohl die Ober- als auch die Unterseite der Vorform freiläßt, führt das gleichzeitige Heizen beider Seiten im Vorheizofen 18 zu dem ge­ wünschten effizienten Betrieb.

Der Vorformträger 34 ist so ausgebildet, daß er eine hin- und hergehende, geradlinige Bewegung durch einen Tragrahmen 40 erfährt. Eine programmierbare, schrittweise Bewegung des Vorformträgers 34 kann mit Hilfe einer geeigneten Gewindestange und einem Schrittmotor 42 o. ä. erreicht werden. An einem Ende ist der Vorformträger 34 auf einer Tragplatte 44 befestigt, die wiederum an einer Be­ festigung 46 angebracht ist, welche hin- und hergehend angetrieben wird und so die Bewegung des Vorformträgers durchführt. Der Bewegungsbereich des Vorformträ­ gers 34 ist in Fig. 3 veranschaulicht, wobei die Befestigung 46 an den gegenüberlie­ genden Endpunkten des Bewegungsbereiches mit den Bezugszeichen 46 ₁ und 46 ₂ bezeichnet ist. Die Vorrichtung ist beispielsweise so ausgebildet, daß sie ebene, dünne Vorformen der Größe 20 cm × 20 cm × 0,4 cm (8 inch × 8 inch × 0,5 inch) über einen Bewegungsbereich des Vorformträgers 34 von ca. 90 cm (36 inch) trans­ portiert.

Wie bereits erwähnt, führt der Vorformförderer 14 den Transport einer Vor­ form auf dem Vorformträger 34 durch den Vorheizofen 18 in eine Stellung zwischen den Gußhälften der Gußvorrichtung 10 durch. Mehrere Details dieser För­ dereinrichtung machen die Arbeitsweise effizienter. Wie in Fig. 4 zu sehen ist, wird die in der Öffnung 36 des Vorformträgers 34 angeordnete Vorform P nicht nur durch die Abwärtsbewegung des Ladekopfes 28 des Vorformladers 16 im Vorform­ träger angeordnet, sondern wird aus der Öffnung 36 durch die Betätigung zumindest eines, vorzugsweise mehrerer, beweglicher Finger 48, die im wesentlichen an und neben der Öffnung 36 angeordnet sind, weiter nach unten bewegt. Die beweglichen Finger 48, die, wie in der Zeichnung zu sehen, drehbar befestigt sind, haben jeder mehrere Zähne, die im Eingriff mit einer hin- und herbewegbaren Zahnstange 50 stehen. Insgesamt sind in Fig. 4 zwei solcher Zahnstangen zu sehen. Durch die hin- und hergehende Bewegung der Zahnstangen 50 wird eine Drehbewegung der be­ weglichen Finger 48 bewirkt und es so ermöglicht, daß die Finger die Vorform P aus der Öffnung 36 unter dem Einfluß der Schwerkraft nach unten abgeben. Diese Anordnung erleichtert die effiziente Ablage der Vorform in die Gußvorrichtung. Die hin- und hergehende Bewegung der Zahnstangen 50 wird von einer Zahnstangen­ platte 52 bewirkt, die über eine Stange 54 mit einem Stellglied 56 befestigt ist. Stellglied 56, Stange 54 und die anderen Elemente zum Ausführen der hin- und her­ gehenden Bewegung der Zahnstangen sind alle im Vorformförderer, der vom Schrittmotor 42 hin- und hergehend angetrieben wird, befestigt.

Wie erwähnt, wird die Vorform vom Vorheizofen 18 auf eine erhöhte Tem­ peratur aufgeheizt, vorzugsweise über den Schmelzpunkt des Metalls, mit dem die Vorform infiltriert wird. Um zu starkes Heizen des Vorformträgers 34 zu vermei­ den, verfügt dieser über eine Kühleinrichtung. Wie in der Zeichnung zu sehen, hat der Vorformträger Kühlkanäle 58, die von einem Kühlmittel wie Druckluft über geeignete Kühlanschlüsse 60 versorgt werden. Temperatursensoren 62 dienen der Überwachung der Kühlmitteltemperatur.

Die relativ zerbrechliche Vorform P muß vorsichtig transportiert werden, um unzulässige Erschütterungen zu vermeiden. Bevor der Vorformträger 34 die Vor­ form aus der Öffnung 36 durch die Schwerkraft nach Freigabe durch die beweglichen Finger 48 nach unten bewegt wird durch den Vorformförderer 14 eine verti­ kale Bewegung des Vorformträgers 34 ausgeführt. Dessen Tragrahmen 40 (Fig. 2) ist vertikal z. B. durch eine senkrecht stehende Gewindestange mit einem geeigneten Schrittmotor 64 beweglich. Dies erlaubt es, im Betrieb den Vorformträger in eine Stellung unmittelbar über der unteren Gußhälfte der Gußvorrichtung 10 abzusenken, bevor die beweglichen Finger 48 die Vorform aus dem Vorformträger freigeben. Dadurch wird ein sanfter Transport der Vorform erreicht. Die unteren Heizelemente des Vorheizofens 18 sind so ausgebildet, daß ausreichender Spielraum für das Ab­ senken des Vorformförderers verbleibt.

Der Vorformförderer 14 bewegt sich schrittweise, so daß die Vorform in den Wirkungsbereich des Vorheizofens 18 auf der im wesentlichen horizontalen Bahn HP, die sich durch den Vorheizofen erstreckt, gebracht wird. Der Vorheizofen hat oben und unten mehrere infrarote Heizelemente 66 (Fig. 1a), im vorliegenden Aus­ führungsbeispiel zwölf obere und zwölf untere Heizelemente mit 2000 W Heizlei­ stung, z. B. von General Electric Company, Typ GE0004316822790 (Infrarotlampe, 240 V, 2000 W, Quarzlampe). Damit erreicht der Vorheizofen 18 eine Heizleistung von 24 kW oder mehr. Diese hohe Leistung erlaubt es, die Vorform P in einer rela­ tiv kurzen Zeitspanne, in der Größenordnung von 10 s oder weniger, auf die ge­ wünschte, erhöhte Temperatur (in der Größenordnung von 810°C-990°C (1500°F­ -1800°F)) zu bringen und so für einen hocheffizienten Betrieb der Vorrichtung zu sorgen. Natürlich kann auch eine andere Vorheizeinrichtung wie z. B. eine geeignet gewählte Mikrowellenheizung verwendet werden.

Anhand der Fig. 2, 3 und 5 wird nun die Gußvorrichtung 10 im einzelnen beschrieben. Im großen und ganzen kann die Gußvorrichtung 10 konventionell aus­ gebildet sein, einige Eigenschaften erleichtern jedoch den effizienten Einsatz im Zusammenhang mit dem Vorformlader, dem Vorformförderer und dem Vorheiz­ ofen.

Die Gußvorrichtung 10 hat einen Rahmen 68, auf dem eine obere Formhälfte 70 und eine untere Formhälfte 72 auf entsprechenden oberen und unteren Platten 69 und 71 befestigt sind, so daß sie gegeneinander vertikal bewegt werden können. Dies geschieht vorzugsweise dadurch, daß die untere Formhälfte 72 festgehalten wird und die obere Formhälfte 70 bewegt wird. Geschmolzenes Metall aus einem Halteofen 12 wird über eine Leitung 74 dem Formhohlraum zwischen oberer und unterer Formhälfte 70, 72 zugeführt. Über das Stellglied 76, das einen möglichst innen gekühlten Kolben betätigt, wird die Einführung des geschmolzenen Metalls bei hohem Druck (über 65 MPa (10000 psi)) bewirkt. Wie in Fig. 5 sehr gut zu se­ hen ist, wird das geschmolzene Metall über eine Zufuhröffnung 78 in der unteren Formhälfte 72 zugeführt. Das Kühlen des Druckkolbens, der das geschmolzene Metall in den Formhohlraum aus oberer und unterer Formhälfte preßt, in dem die Vorform P zur Infiltration mit geschmolzenem Metall vorbereitet ist, erleichtert eine effiziente Arbeitsweise, indem Wärme abgeführt wird und der sogenannte "Kuchen" metallischen Materials, der sich normalerweise am Übergang zwischen Zufuhröff­ nung 78 und Formhohlraum bildet, erstarrt. Dieser Kuchen wird aus dem Formhohl­ raum zusammen mit der metallinfiltrierten Vorform entnommen und vom nun ge­ bildeten Metalleinlagerungsverbundwerkstoff durch spätere Bearbeitung entfernt. Das Abheben des Verbundwerkstoffes aus dem Formhohlraum wird vorzugsweise mittels geeigneter Ausstoßstäbe in der oberen Formhälfte 70 bewerkstelligt.

Die Infiltration geschmolzenen Metalls in die Vorform P wird durch fast vollständige Evakuierung des Formhohlraumes, nachdem die Vorform zwischen oberer und unterer Formhälfte angeordnet und diese geschlossen wurden, verbes­ sert. Eine Vakuumpumpe 80 ist auf dem Rahmen der Gußvorrichtung befestigt und mit dieser über geeignete Verrohrung (nicht dargestellt) zur Evakuierung des Form­ hohlraumes verbunden.

Claims (22)

1. Vorrichtung zum Herstellen von Metalleinlagerungsverbundwerkstoffen aus mit Metall infiltrierten Vorformen (P), mit:
einer Gußvorrichtung (10) mit oberer und unterer Formhälfte (70, 72), die einen dazwischen liegenden Formhohlraum bilden, wobei die obere und die untere Formhälfte (70, 72) zwischen einer geöffneten Stellung zur Aufnahme einer Vor­ form (P) und einer geschlossenen Stellung zur Infiltrierung der Vorform (P) mit ge­ schmolzenem Metall gegeneinander beweglich sind, und
einem Vorformförderer (14) mit einem Vorformträger (34), welcher auf einer im wesentlichen horizontalen Bahn (HP) bewegbar und zur Aufnahme einer Vor­ form (P) ausgebildet ist, wobei der Vorformträger (34) eine Öffnung (36) zur Auf­ nahme der Vorform (P) und zumindest einen unter der Öffnung (36) angeordneten, beweglichen Finger (48) hat, der die Vorform (P) in der Öffnung (36) unterstützt und beweglich ist, um die Vorform (P) aus der Öffnung (36) freizugeben und der Vorformförderer (14) betätigbar ist, um den Vorformträger (34) mit der darauf be­ findlichen Vorform (P) in eine Stellung zwischen oberer und unterer Formhälfte (70, 72) der Gußvorrichtung (10) zu bewegen, so daß sie sich, sobald sie freigegeben wird, unter Schwerkraft auf die untere Formhälfte (72) des Formhohlraums der Gußvorrichtung (10) bewegt und in dem Formhohlraum zur Infiltration mit ge­ schmolzenem Metall positioniert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegli­ che Finger (48) Zähne und der Vorformförderer (14) zumindest eine hin- und her­ bewegliche Zahnstange (50) für die Zähne des beweglichen Fingers (48) aufweist, wobei die hin- und hergehende Bewegung der Zahnstange (50) eine Bewegung des beweglichen Fingers (48) bewirkt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (40, 64) zur vertikalen Bewegung des Vorformträgers (34) auf die untere Formhälfte (72) hin, bevor der bewegliche Finger (48) zum Freigeben der Vorform (P) aus der Öffnung (36) in die untere Formhälfte (72) bewegt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrich­ tung (40, 64) zur vertikalen Bewegung des Vorformträgers (34) eine vertikale Be­ wegung des Vorformförderers (14) mit dem Vorformträger (34) bewirkt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Vorformlader (16) mit einem Ladekopf (28), der im wesentlichen quer zur horizontalen Bahn (HP) des Vorformträgers (34) bewegbar ist, um die Vorform (P) auf dem Vorformträger (34) zur weiteren Bewegung in die Stellung zwischen oberer und unterer Formhälfte (70, 72) anzuordnen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorform­ lader (16) eine Einrichtung (20, 22, 30) zur vertikalen Bewegung des Ladekopfes (28) aufweist, so dass die Vorform (P) auf den Vorformträger (34) des Vorformför­ derers (14) absenkbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladekopf (28) eine Einrichtung (32) zum wahlweisen Anlegen eines Unterdrucks an die Vor­ form (P) aufweist, so dass der Ladekopf (28) die Vorform (P) wahlweise halten oder freigeben kann.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformlader (16) ein Vorformzufuhrmagazin (24) zur Aufnahme eines vertikalen Stapels von Vorformen und eine vertikal bewegliche Grundplatte (26) aufweist, mit der der Vorformstapel wahlweise angehoben wird, wodurch die oberste Vorform (P) des Stapels für den Transport mit dem Ladekopf (28) des Vor­ formladers (16) positioniert wird.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Gussvorrichtung (10) eine Einrichtung (69) zur Bewegung der oberen Formhälfte (70) gegenüber der unteren (72) aufweist, und dass die untere Formhälfte (72) eine Zuführöffnung (78) hat, durch die geschmolzenes Metall zur Infiltrierung der Vorform (P) in den Formhohlraum eingeführt wird.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Vorheizofen (18) zum Vorheizen der Vorform (P) vor der Anordnung zwischen oberer und unterer Formhälfte (70, 72) der Gussvorrichtung (10), wobei der Vorformträger (34) des Vorformförderers (16) mit der darauf befindlichen Vor­ form (P) vor der Bewegung des Vorformträgers (34) mit der Vorform (P) in die Stellung zwischen unterer und oberer Formhälfte (70, 72) in den Heizbereich des Vorheizofens (18) bringbar ist, um dort vorgeheizt zu werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die im we­ sentlichen horizontale Bahn (HP), auf der der Vorformträger (34) bewegbar ist, sich durch den Vorheizofen (18) erstreckt, um die Vorform (P) auf dem Vorformträger (34) in den Heizbereich des Vorheizofens (18) zu bringen.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formhälftenpaar (70, 72) der Gussvorrichtung (10) gegen­ einander vertikal bewegbar ist, und dass eine Einrichtung (40, 64) zum vertikalen Bewegen des Vorformförderers (14) vorgesehen ist, die die Bewegung des Vor­ formträgers (34) und der darauf befindlichen Vorform (P) nach unten auf die untere Formhälfte (70, 72) hin bewirkt und danach eine Einrichtung (48, 50, 52, 54, 56) zur Freigabe der Vorform (P) aus der Öffnung (36) des Vorformträgers (34) betä­ tigt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorheizofen (18) mehrere obere und untere infrarote Heizelemente (66) hat, die über bzw. unter der horizontalen Bahn (HP) des Vorformträgers (34) angeordnet sind, um Strahlungsheizung der Vorform (P) zu bewirken.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Vor­ formträger (34) eine Einrichtung (58, 60, 62) zum Kühlen des Vorformträgers (34) hat, um ein zu starkes Heizen des Vorformträgers (34) durch den Vorheizofen (18) zu verhindern.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformförderer (14) eine schrittweise Bewegung des Vorformträgers (34) von einer ersten Stellung zum Empfang der Vorform (P) zum Vorformlader (16) in eine zweite Stellung innerhalb des Vorheizofens (18) zum Vorheizen der Vorform (P) und dann in eine dritte Stellung zwischen oberer und unterer Formhälfte (70, 72) der Gussvorrichtung (10) bewirkt, wobei die zweite Stellung zwischen der ersten und der dritten Stellung liegt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (40, 64) zur Bewegung des Vorformträgers (34) in der dritten Stellung vertikal nach unten auf die untere Formhälfte (70, 72) hin und durch eine Einrichtung (50, 52, 54, 56) zur weiteren Betätigung des beweglichen Fingers (48) zur Freigabe der Vorform (P) aus der Öffnung (36) des Vorformträgers (34).

17. Verwendung der Vorrichtung zur Herstellung von Metalleinlagerungsverbundwerkstoffen nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit folgenden Schritten:
Bereitstellen einer Gussvorrichtung (10) mit oberen und unteren Formhälften (70, 72), die gegeneinander zwischen einer offenen Stellung zur Aufnahme einer Vorform (P) und einer geschlossenen Stellung zum Bilden eines Formhohlraumes, in dem die Vorform (P) angeordnet und mit geschmolzenem Metall infiltriert wird, bewegbar sind und
Bereitstellen einer Vorform (P) und Bewegen der Vorform (P) auf einer im wesentlichen horizontalen Bahn (HP) in eine Stellung zwischen der oberen (70) und der unteren Formhälfte (72),
wobei die Vorform (P) zuerst entlang der Bahn (HP) in eine Stellung zum Vorheizen der Vorform (P) bewegt wird, die Vorform (P) dann vorgeheizt wird und danach in eine Stellung zwischen der oberen und der unteren Formhälfte (70, 72) der Gussvorrichtung (10) zur folgenden Infiltration mit geschmolzenem Metall be­ wegt wird.

18. Verwendung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vor­ form (P) nach unten bewegt wird, nachdem sie entlang der Bahn (HP) in die Stel­ lung zwischen der unteren und der oberen Formhälfte (70, 72) bewegt wurde.

19. Verwendung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorheizen die Vorform (P) auf eine Temperatur über der Temperatur des ge­ schmolzenen Metalls, mit der die Vorform (P) infiltriert wird, gebracht wird.

20. Verwendung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeich­ net, dass die Vorform (P) von einem Vorformstapel im wesentlichen horizontal und quer zu der horizontalen Bahn (HP), einschließlich einer Bewegung von der Ober­ seite des Stapels nach oben bewegt wird und dann nach unten auf die horizontale Bahn (HP) zur weiteren Bewegung auf dieser Bahn (HP) bewegt wird.

21. Verwendung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeich­ net, dass die Bewegung der Vorform (P) das Anordnen der Vorform (P) auf einem beweglichen Vorformträger (34) eines Vorformförderers (14) beinhaltet und dass der Vorformträger (34) gekühlt wird, um beim Vorheizen der Vorform (P) ein Überhitzen des Vorformträgers (34) zu verhindern.

22. Verwendung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeich­ net, dass der Formhohlraum fast vollständig evakuiert wird, nachdem die Vorform (P) dort positioniert ist, um die Infiltration der Vorform (P) mit geschmolzenem Metall zu verbessern.