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BEREICH DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Keramikformwerkzeuge
und insbesondere ein Keramikformwerkzeug, welches eine haltbare Auskleidung
des Formwerkzeugs aufweist, die die Integrität des Formwerkzeugs schützt, um
dadurch die Haltbarkeit des Formwerkzeugs zu verlängern.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Verbundstoffe
aus faserverstärktem
Harz (d.h. organischer Matrix) werden weithin eingesetzt, weisen
ein hohes Verhältnis
Festigkeit pro Gewicht oder ein hohes Verhältnis Steifheit pro Gewicht
und erwünschte
Ermüdungseigenschaften
auf, welche sie zunehmend populär
bei bezüglich
des Gewichts, der Festigkeit oder der Ermüdung kritischen Anwendungen
macht.
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Prepregs,
welche aus kontinuierlichen, gewebten oder geschnittenen Fasern
bestehen, welche in ein unhärtetes
Matrixmaterial eingebettet sind, werden in die erwünschte Form
geschnittenen und dann in die gewünschte Konfiguration des Verbundstoffteils
geschichtet. Das Prepreg kann direkt auf einem Werkzeug oder einem
Formwerkzeug platziert (darauf gelegt) werden, welches eine Formgebungsoberfläche aufweist,
die mit einer Kontur mit der erwünschten
Form des fertigen Teils versehen ist, oder das Prepreg kann in einer
flachen Schicht aufgelegt werden und die Schicht kann über ein
Werkzeug oder ein Formwerkzeug drapiert werden, um gemäß der Kontur
des Werkzeugs ausgebildet zu werden. Nachdem es darauf gelegt ist,
verfestigt es sich (d.h. härtet)
in einem herkömmlichen
Vakuumpackprozess in einem Druckbehälter (d.h. einem unter Druck
stehenden Ofen). Der Druck presst die individuellen Schichten des
Prepregs bei der Verfestigungs/Härtungstemperatur
zusammen, so dass das Matrixmaterial fließt, um Fehlstellen zu beseitigen
und härtet
im Allgemeinen durch Polymerisation.
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Bei
der Herstellung mittels Druckbehälter müssen die
Verbundstoffe gepackt in dem Druckbehälter platziert werden und die
gesamte erhitzte Masse des Verbundstoffes und die Werkzeuge müssen auf
die Verfestigungs- oder Härtungstemperatur
gebracht werden und bei dieser gehalten werden, bis das Teil ausgebildet
und gehärtet
ist. Das ausgebildete Verbundteil und die Werkzeuge müssen dann
gekühlt
werden, aus dem Druckbehälter
entfernt werden und entpackt werden. Schließlich muss das Verbundteil
von den Werkzeugen genommen werden. Um die erforderlichen Verfestigungsdrücke zuzuführen ist
es notwendig, einen speziellen Druckkasten in dem Druckbehälter zu
bauen oder den gesamten Druckbehälter
unter Druck zu setzen, wodurch die Herstellungszeit und die Herstellungskosten
ansteigen, speziell wenn eine Produktion geringen Umfangs läuft. Druckbehälterwerkzeuge,
auf welche Verbundstoffe gelegt werden, sind typischerweise aus
Metall oder einem verstärkten
Verbundstoff ausgebildet, um geeignete Abmessungstoleranzen sicherzustellen
und um der hohen Temperatur und den Verfestigungskräften zu
widerstehen, welche eingesetzt werden, um die Verbundstoffe auszubilden
und zu härten.
Daher sind Druckbehälterwerkzeuge
im Allgemeinen schwerer und weisen eine große zu erhitzende Masse auf.
Die gesamte zu erhitzende Masse des Werkzeugs muss zusammen mit
dem Verbundstoff während
des Härtens
erhitzt werden und muss gekühlt
werden, bevor das fertige Verbundteil entfernt wird. Die Zeit, welche
erforderlich ist, um die zu erhitzende Masse der Werkzeuge zu erhitzen
und zu kühlen,
addiert sich im Wesentlichen zu der Gesamtzeit, welche notwendig
ist, um ein einziges Verbundteil herzustellen.
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Bei
Verbundteilen, welche engere Toleranzen sowohl bei der inneren als
auch bei der äußeren Formlinie
des Teils erfordern, müssen
zusammenpassende Druckbehälterwerkzeuge
eingesetzt werden. Wenn zusammenpassende Werkzeuge verwendet werden,
wird ein Verfestigungsdruck des Druckbehälters eingesetzt, um die zusammenpassenden Werkzeuge
zusammen zu drücken,
um den Verbundstoff zu verfestigen und geeignete Teilabmessungen zu
erhalten. Zusammenpas sende Werkzeuge sind teurer als offene Werkzeuge
und müssen
sorgfältig entworfen
werden, um gute Ergebnisse zu erzielen, was Herstellungskosten des
Teils erhöht.
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Eine
Alternative zum Herstellen von Verbundteilen in einem Druckbehälter ist,
eine Heißpressvorrichtung
zu verwenden. Bei diesem Verfahren wird das Prepreg, gepackt (wenn
notwendig), aufgelegt und zwischen zusammenpassende Metallwerkzeuge
platziert, welche Formgebungsoberflächen aufweisen, die die inneren
und äußeren Formlinien
des fertigen Teils definieren. Die Werkzeuge und der Verbundstoff
werden in der Pressvorrichtung angeordnet und dann erhitzt. Die
Pressvorrichtung bringt die Werkzeuge zusammen, um den Verbundstoff
in der endgültigen
Form zu verfestigen und auszubilden. Eine Herstellung von Verbundteilen
in einer Heißpressvorrichtung
ist aufgrund der hohen Kapitalkosten und großen Energiemengen, welche erforderlich
sind, um die Pressvorrichtung zu betreiben und die Werkzeuge zu
erhalten, auch teuer.
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Im
Allgemeinen werden bei einem Betrieb mit einer Heißpressvorrichtung,
um enge Toleranzen zu erzielen, die massiven, zusammenpassenden Werkzeuge
aus teueren Metalllegierungen mit niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten
ausgebildet. Die Werkzeuge sind eine wesentliche Hitzesenke, was
eine große
Energiemenge und Zeit erfordert, um auf die Verfestigungstemperaturen
des Verbundstoffs aufzuheizen. Nach einer Verfestigung müssen die
Werkzeuge auf eine Temperatur abgekühlt werden, bei welcher es
sicher ist, das ausgebildete Verbundteil zu entfernen, was die Herstellungszeit
erhöht.
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Die
EP-A2-0335100 offenbart eine Formstruktur, welche Schichten mit
verschiedenen physikalischen Eigenschaften und einen Kegel und Kühlmittel
umfasst.
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Das
US-Patent Nr. 5,683,608 mit dem Titel "Ceramic Cell for Induction Heating Work
Cell" offenbart
ein Keramikformwerkzeug zum Einsatz in einer Induktions heizarbeitszelle,
welche Segmente der Induktionswicklung in einem Feld mit Zwischenräumen in
einem Keramikgusskörper
oder einem Phenolkörper
enthält.
Ein Umfangskompressionsrahmen, typischerweise aus Phenol, umgibt
den Formwerkzeugkörper
und bringt eine Druckbelastung durch seitlich und quer verstärkende Stangen,
welche in den Formwerkzeugkörper
gegossen sind, auf den Formwerkzeugkörper auf. Zusammenpassende
Formwerkzeuge schließen,
um eine Hitze in ein Werkstück,
welches sich in der Mitte der Induktionswicklung befindet, zu lenken.
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Das
US-Patent Nr. 5,728,309 mit dem Titel "Method for Achieving Thermal Uniformity
in Induction Processing of Organic Matrix Composites or Metals" und das US-Patent
Nr. 5,645,744 mit dem Titel "Retort
for Achieving Thermal Uniformity in Induction Processing of Organic
Matrix Composites or Metals" offenbaren
Verfahren, um eine Metall- oder Verbundwerkstückschicht mit einem Keramikformwerkzeug auszubilden.
Bei jedem Verfahren stößt mindestens eine
Suszeptorschicht gegen eine Werkstückschicht. Die Suszeptorschicht
weist eine Curietemperatur auf, welche ungefähr gleich mit der Temperatur
ist, auf welche das Werkstück
zu erhitzen ist. Eine Temperaturgleichmäßigkeit wird erzielt, da die
magnetische Permeabilität
der Suszeptorschicht auf Eins bei der Curietemperatur fällt, was
bewirkt, dass die Temperatur des Werkstücks auf diesem Niveau gehalten
wird.
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Schließlich offenbart
die
US 5530227 eine Vorrichtung
zur Verfestigung von organischen Matrixverbundstoffen, wobei Induktionsheizen
eingesetzt wird. Die Formwerkzeuge oder Werkzeuge für die organischen
Matrixverbundteile werden aus einem Material hergestellt, welches
gegenüber
einem Induktionsheizen nicht empfindlich ist. Beispiele der verwendbaren
Werkzeugsmaterialien sind Keramik- oder Harzverbundstoffe. Die Werkzeuge
werden mit Glasfaserstangen oder anderen geeigneten Verstärkungen
verfestigt und verstärkt,
um den Temperaturen und Drücken
zu widerstehen, welche eingesetzt werden, um die Verbundstoffe auszubilden.
Da die Werkzeuge, welche eingesetzt werden, gegenüber dem
Induktions heizen nicht empfindlich sind, ist es möglich, die
Werkzeuge zusammen mit Induktionsheizelementen zu verwenden, um
das Verbundstoff aufzuheizen.
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Während die
Verbesserungen viel bewirkt haben, um die Betriebszeit zu verringern
und die Qualität
des fertigen Artikels zu verbessern, verbleiben mehrere Probleme.
Ein Problem betrifft die Haltbarkeit des Formwerkzeugs bei Herstellungsabläufen einer
relativ langen Dauer (d.h. mehr als ungefähr 250 Stück). Die Formgebungsoberfläche des
Formwerkzeugs neigt dazu, sich unter einer Verwendung zu verschlechtern,
typischerweise durch Risse aufgrund von zyklischen Belastungen und/oder
Defekten aufgrund von chemischen Inkompatibilitäten mit den Suszeptoren bei
erhöhten
Temperaturen oder mit den Harzen und Chemikalien in den Verbundprepregs
oder Laminierungen, wenn die Suszeptoren nicht verwendet werden.
Folglich erfordern relativ große
Herstellungsabläufe
typischerweise mehrere Sätze
von Formwerkzeugen, was die Kosten dieser Teile weiter erhöht.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform stellt
die vorliegende Erfindung eine Auskleidung eines Formwerkzeugs zur
Verwendung bei einem Formwerkzeug, welches einen Formwerkzeugkörper aufweist,
bereit, wobei der Formwerkzeugkörper
derart ausgestaltet ist, dass er ein Werkstück ausbildet. Die Auskleidung
des Formwerkzeugs ist eine separate Struktur, welche ausgestaltet
ist, um in Verbindung mit dem Formwerkzeugkörper eingesetzt zu werden. Die
Auskleidung des Formwerkzeugs definiert eine Formgebungsoberfläche, um
das Werkstück
auszubilden, und ist derart ausgestaltet, dass sie zumindest eine
Eigenschaft aufweist, welche unterschiedlich von einer entsprechenden
Eigenschaft des Formwerkzeugkörpers
ist, so dass die Auskleidung des Formwerkzeugs die Haltbarkeit des
Formwerkzeugs erhöht.
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Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
stellt die vorliegende Erfindung ein Formwerkzeug zum Einsatz bei
einer Formgebungsvorrichtung bereit. Das Formwerkzeug weist einen
Formwerkzeugkörper
und eine separate Auskleidung auf. Der Formwerkzeugkörper weist
einen Gussabschnitt auf, welcher aus einem ersten Material ausgebildet
ist. Die Auskleidung ist mit dem Gussabschnitt des Formwerkzeugkörpers gekoppelt
und definiert einen Formhohlraum und eine Formgebungsoberfläche. Die
Auskleidung ist aus einem zweiten Material ausgebildet, welches
unterschiedlich zu dem ersten Material ist. Das zweite Material
ist relativ haltbarer als der Gussabschnitt des Formwerkzeugkörpers, um
so einen verlängerten
Einsatz des Formwerkzeugkörpers
zu erlauben.
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Andere
Bereiche einer Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung werden von
der detaillierten Beschreibung, welche im Folgenden bereitgestellt wird
und eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform erläutert, ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Zusätzliche
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen ersichtlich, wenn sie
im Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen gesehen werden, wobei gilt:
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1 ist
eine Perspektivansicht einer Vorrichtung zum Verfestigen und Ausbilden
von organischen Matrixverbundplatten, welche einen Keramikformwerkzeugsatz
aufweist, der gemäß der Lehren der
vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
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2 ist
eine schematische Querschnittsansicht der Vorrichtung der 1;
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3 ist
eine Querschnittsansicht eines flexiblen Wicklungsverbinders;
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4 ist
eine Teilexplosionsansicht und teilweise aufgeschnittene Ansicht
eines Abschnitts der Vorrichtung der 1;
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5 ist
eine Ansicht, welche ähnlich
zu derjenigen der 2 ist, aber ein Paar Werkstücke darstellt,
welche in den Formwerkzeugsatz geladen sind und einen nicht ausgebildeten
Zustand aufweisen;
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6 ist
eine Ansicht, welche ähnlich
zu derjenigen der 5 ist, aber die Werkstücke in einem ausgebildeten
Zustand darstellt; und
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7 ist
eine Teilquerschnittsansicht eines Formwerkzeugsatzes, welcher gemäß der Lehren
einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform konstruiert
ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFOR
MEN
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Mit
Bezug auf 1 der Zeichnungen wird eine
Formgebungsvorrichtung 8 dargestellt, welche einen Formwerkzeugsatz 10 aufweist,
welcher gemäß der erfindungsgemäßen Lehren
konstruiert ist. In dem speziellen gegebenen Beispiel ist die Formgebungsvorrichtung 8 derart
dargestellt, dass sie eine Induktionsheizformgebungsvorrichtung
ist, aber der Fachmann versteht, dass die Prinzipien der vorliegenden
Erfindung auch auf andere mit Wärme
und Kälte
formende Formwerkzeuge genauso gut anwendbar sind. Der Formwerkzeugsatz 10 weist
ein Paar zusammenpassende Werkzeuge oder Formwerkzeuge 20 und 22 auf,
welche in einem oberen Kippträger 24 bzw.
einem unteren Kippträger 26 angebracht
dargestellt sind. Die Kippträger 24 und 26 sind
jeder auf vier mit Gewinde versehenen Säulenstützen oder Hebeschrauben 28 mittels
Gewinde angebracht. Die Hebeschrauben 28 können gedreht werden,
wobei ein Balgmechanismus oder ein anderer Betätigungsmechanismus verwendet
wird, um den oberen und den unteren Kippträger 24 und 26 relativ
zueinander zu bewegen.
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Jeder
Kippträger 24 und 26 stellt
eine feste, flache Verstärkungsoberfläche für sein zugeordnetes Formwerkzeug 20 und 22 bereit,
um zu verhindern, dass die Formwerkzeuge 20 und 22 während wiederholter
Verfestigungs- und Formgebungsvorgängen biegen und reißen. Vorzugsweise
sind die Kippträger 24 und 26 in
der Lage, die Formwerkzeuge mit einer Oberflächentolleranz von +/– 0,003
Zoll pro Quadratfuß der
Formgebungsoberfläche
in dem Werkzeugkasten zu halten. Solche Toleranzen helfen, um sicherzustellen,
dass die geeigneten Teiltoleranzen erzielt werden. Die Kippträger 24 und 26 können aus Stahl,
Aluminium oder irgendeinem anderen Material ausgebildet sein, welches
in der Lage ist, die Belastungen abzuwickeln, welche während einer
Formgebung auftreten. Jedoch sind Materialien, welche nicht magnetisch
sind, wie z.B. Aluminium oder einige Stahllegierungen bevorzugt,
um irgendeine Störung mit
dem magnetischen Feld, welches durch die Induktionswicklungen, welche
im Folgenden beschrieben werden, erzeugt werden, zu vermeiden. Unter gewissen
Umständen
sind die Formwerkzeuge 20 und 22 ohne die Kippträger stark
genug.
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Mit
zusätzlichem
Bezug zu 2 bis 4 kann jedes
der Formwerkzeuge 20 und 22 an seinem zugeordneten
Kippträger 24 und 26 durch
irgendwelche geeigneten Befestigungsvorrichtungen, wie z.B. Bolzen
oder Klemmen, angebracht sein. Bei der bevorzugten Ausführungsform
sind die Formwerkzeuge 20 und 22 auf Halteplatten 40 angebracht,
welche auf einem zugeordneten der Kippträger 24 und 26 durch den
Einsatz von Anpressbalken 42 an Ort und Stelle gehalten
werden. Die Anpressbalken 42 erstrecken sich um die Umfangskanten
der Halteplatten 40 und sind mit ihren entsprechenden Kippträgern 24 und 26 mittels
Befestigungsmitteln (nicht dargestellt) verschraubt.
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Jedes
der Formwerkzeuge 20 und 22 ist derart dargestellt,
dass es eine Mehrzahl von Einschlusswänden 50, eine Mehrzahl
von Verstärkungsstangen 52,
einen Formwerkzeugkörper 54 und
eine Auskleidung 56 des Formwerkzeugs umfasst.
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Bei
der speziellen dargestellten Ausführungsform sind die Einschlusswände 50 aus
einem Material, wie z.B. Phenol, hergestellt, welches gegenüber einem
Induktionsheizen nicht empfindlich ist und welches einen niedrigen
Wärmeausdehnungskoeffizienten,
eine gute Wärmeschockbeständigkeit und
eine relativ hohe Kompressionsfestigkeit aufweist. Jede der Einschlusswände 50 stößt gegen zwei
der anderen Einschlusswände 50,
welche sich quer dazu erstrecken.
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Die
Verstärkungsstangen 52,
welche aus Glasfasern ausgebildet sind, erstrecken sich sowohl in
Längsrichtung
als auch in Quererichtung in einer gitterähnlichen Weise durch die Einschlusswände 50. Die
Verstärkungstangen 52 sind
vorzugsweise nicht elektrisch leitend, so dass sie gegenüber einem
Induktionsheizen nicht empfindlich sind. Alternativ können die
Verstärkungstangen 52 auch
aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet sein, aber vorzugsweise
derart angeordnet sein, dass sie gegenüber einem Induktionsheizen
nicht empfindlich sind. Spannmuttern werden anfänglich eingesetzt, um eine
leichte Klemmkraft auf die Einschlusswände 50 auszuüben, um
vor und während
der Anordnung des Formwerkzeugkörpers 54 ihre
Beziehung relativ zueinander beizubehalten.
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Jeder
Formwerkzeugkörper 54 ist
aus einem ersten Material hergestellt, welches gegenüber Induktionsheizen
nicht empfindlich ist, wie z.B. ein Verbundstoff oder ein Keramikmaterial,
welches vorzugsweise einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
eine gute Wärmeschockbeständigkeit und
eine relativ hohe Kompressionsfestigkeit aufweist. Ein bevorzugtes
Material ist gießbare
Quarzgutkeramik. Ein Verfahren, durch welches die Formwerkzeugkörper ausgestaltet
werden können,
ist in dem im Allgemeinen zugeordneten US-Patent Nr. 6,235,381 mit
dem Titel "Reinforced
Ceramic Structures" beschrieben.
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Die
Auskleidung 56 des Formwerkzeugs ist aus einem zweiten
Material ausgebildet, welches gegenüber einem Induktionsheizen
auch nicht empfindlich ist, welches aber relativ haltbarer als das
erste Material ist. Diesbezüglich
weist das zwei te Material mindestens eine Eigenschaft, wie z.B.
die Materialfestigkeit (z.B. Zugfestigkeit, Scherfestigkeit, Kompressionsfestigkeit
oder Ermüdungsfestigkeit)
oder eine chemische Widerstandsfähigkeit
auf, welche zu der entsprechenden Eigenschaft des ersten Materials
unterschiedlich ist, was bewirkt, dass die Auskleidung 56 des
Formwerkzeugs relativ haltbarer ist.
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Das
zweite Material ist vorzugsweise SiNi, welches durch Schlickergießen in die
gewünschte Form
gebracht wird, oder ein Keramikmatrixverbundstoff, welcher zum Beispiel
aus einem polymeren Sol-Gel (Organosilane oder Glaskeramiksol) und kontinuierlichen
oder geschnittenen Fasern aus Siliciumcarbid (z.B. Nicalon), was
eine Siliciumcarbidmatrix oder ein Aluminiumoxid (z.B. Nextel 312
oder 440) erzeugt, was eine Aluminosilicatmatrix erzeugt. Typischerweise
weist die Auskleidung 56 des Formwerkzeugs eine Dicke auf,
welche zwischen ungefähr
2,0 mm (0,08 Zoll) und ungefähr
3,2 mm (0,13 Zoll) liegt, obwohl Auskleidungen des Formwerkzeugs
von anderen Dicken in geeigneten Situationen eingesetzt werden können. Die
Auskleidung 56 des Formwerkzeugs wird gehärtet (getrocknet)
und gesintert, wie es erforderlich ist, und fest mit ihrem zugeordneten
Formwerkzeugkörper 54 gekoppelt,
um betriebsbereit die Formgebungsoberfläche 60 ihres zugeordneten
Formwerkzeugs 20 und 22 auszubilden. Vorzugsweise
wird der Formwerkzeugkörper 54 jedes
Formwerkzeugs 20 und 22 auf die Auskleidung 56 des
Formwerkzeugs gegossen (d.h. Schüttkeramik
wird auf die nicht dem Teil zu gewandten Seite der Auskleidung 56 des
Formwerkzeugs gegossen).
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Eine
Mehrzahl von Induktionswicklungen 70 erstrecken sich in
Längsrichtung
durch die Länge
der Formwerkzeuge 20 und 22. Bei der bevorzugten
Ausführungsform
werden vier separate Induktionswicklungen 70 verwendet,
jedoch können
andere Anzahlen von Induktionswicklungen auch eingesetzt werden.
Jede Induktionswicklung 70 ist aus einer Mehrzahl von geraden
Rohrabschnitten 72 und einer Mehrzahl von flexiblen Wicklungsverbindern 74 ausgebildet.
Jeder der geraden Rohrabschnitte 72 erstreckt sich über der
Länge des
Formwerkzeugs 20 und 22, in welchem er sich befindet.
Die geraden Rohrabschnitte 72 sind vorzugsweise aus einem leicht
gezogenen Kupferrohrmaterial ausgebildet, welches einen Durchmesser
von ungefähr
25,4 mm (1,00 Zoll) mit einer Wanddicke von ungefähr 1,6 mm (0,63
Zoll) aufweist, und werden vorzugsweise in dem Formwerkzeugkörper 54 angeordnet,
so dass sie sich ungefähr
19,0 mm (0,75 Zoll) entfernt von der Formgebungsoberfläche 60 befinden.
Jeder der flexiblen Wicklungsverbinder 74 koppelt einen
der geraden Rohrabschnitte 72 in dem Formwerkzeug 20 mit einem
der geraden Rohrabschnitte 72 in dem Formwerkzeug 22.
Die Induktionswicklungen 70 sind mit einer externen Leistungsquelle
oder Wicklungssteuerung 76 und mit einer Kühlmittelquelle
durch Verbinder 78, welche sich an den Enden der Induktionswicklungen 70 befinden,
verbunden.
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Um
die Festigkeit des Formwerkzeugkörpers 54 zu
erhöhen,
werden die Verstärkungstangen 52 gespannt,
nachdem der Formwerkzeugkörper 54 ausgebildet
worden ist. Ein nachträgliches
Spannen der Verstärkungsstangen 52 übt eine
Kompressionsbelastung auf den Werkzeugkörper 54 aus. Da die Gusskeramik
des Werkzeugkörpers
typischerweise eine gute Kompressionsfestigkeit aber eine geringe Zugfestigkeit
aufweist, wird diese Technik, welche ähnlich zu denjenigen einer
Vorbelastung von Beton ist, bei der Formwerkzeugkonstruktion verwendet, um
die Toleranzen der Formwerkzeuge 20 und 22 aufrecht
zu erhalten und um Risse oder eine andere Beschädigung während des Einsatzes des Formwerkzeugsatzes 10 zu
verhindern.
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Wenn
die Formwerkzeuge 20 und 22 zueinander geschlossen
werden, wirken ihre Formgebungsoberflächen 60 zusammen,
um einen Formhohlraum zu definieren. Bei dem bereitgestellten Beispiel
wird der Formwerkzeugsatz 10 für einen superplastischen Formgebungsvorgang
eingesetzt, wobei ein Paar Titaniumwerkstücke 90a und 90b gleichzeitig
durch die Formwerkzeuge 20 und 22 ausgebildet und
zusammen gelötet
werden, wie es in 5 und 6 dargestellt
ist. Im Betrieb wird ein Stück
eines Lötmaterials 92 zwischen
den Werkstücken 90a und 90b plat ziert
und die Werkstücke 90a und 90b werden
zwischen den Formwerkzeugen 20 und 22 belastet.
Die Hebeschrauben 28 (1) werden
dann eingesetzt, um die Formwerkzeuge 20 und 22 gegen
die Werkstücke 90a und 90b zu
stoßen
und entwickeln eine Klemmkraft mit einer ausreichenden Stärke, um den
superplastischen Formgebungsvorgang zu ermöglichen. Eine reaktionsträge Atmosphäre wird
vorzugsweise in den Formhohlraum 82 eingeführt, um die
Werkstücke 90a und 90b vor
einer Oxidation zu schützen.
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Die
Wicklungssteuerung 76 und eine Kühlmittelquelle werden betätigt, um
die Induktionswicklungen 70 sowohl mit einem sich zeitlich
verändernden
elektrischen Feld und einem Kühlmittel
zu versorgen. Abhängig
von dem elektrischen Feld, welches durch die Wicklungssteuerung 76 erzeugt
wird, erzeugen die Induktionswicklungen 70 einen elektromagnetischen
Fluss, welcher eingesetzt wird, um die Werkstücke 90a und 90b auf
eine erwünschte
Temperatur vor ihrer superplastischen Ausbildung zu erhitzen. In
dem bereitgestellten Beispiel wird eine Temperatursteuerung erzielt,
indem die Eingangsleistung gesteuert wird, welche den Induktionswicklungen 70 zugeführt wird,
so dass die erwünschte Temperatur
auf einem relativ konstanten Niveau für eine vorbestimmte Zeit, welche
von mehreren Minuten bis zu mehreren Stunden reicht, gehalten wird, während die
Bearbeitung der Werkstücke 90a und 90b vollendet
wird.
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Das
Kühlmittel,
welches durch die Induktionswicklungen 70 fließt, baut übermäßige Hitze
ab, um dadurch sicherzustellen, dass das Kupfer, aus welchem sie
ausgebildet sind, während
des Heizens der Werkstücke 90a und 90b nicht
schmilzt. Wenn die Werkstücke 90a und 90b ausreichend
aufgeheizt worden sind, wird ein Gas, wie z.B. Argon, welches unter
einem ausreichenden Druck steht, in den Formhohlraum 82 in
den Raum oder einen Teilraum 94 zwischen der Formgebungsoberfläche 60 des
Formwerkzeugs 20 und dem Werkstück 90a, den Teilraum 96 zwischen
der Formgebungsoberfläche 60 des Formwerkzeugs 22 und
dem Werkstück 90b und
den Teilraum 98 zwischen den Werkstücken 90a und 90b eingeführt. Der
Druck in jedem der Teilräume 94, 96 und 98 wird
reguliert, um so die Rate, mit welcher sich die Werkstücke 90a und 90b verformen,
zu steuern. Der Fachmann versteht, dass die Teilräume 94 und 96 alternativ
luftleer gemacht werden können (d.h.
unter Vakuum gesetzt werden können).
Aufgrund der erhöhten
Temperatur der Werkstücke 90a und 90b sind
sie relativ formbar und leicht unter dem Druck des Gases zu verformen,
so dass sie in einer Übereinstimmung
mit der Formgebungsoberfläche 60 eines
entsprechenden der Formwerkzeuge 20 und 22 gedrängt werden.
Darüber
hinaus schmilzt das Lötmaterial 92 bei
dieser erhöhten
Temperatur und erzeugt einen starken Verbund um den Umfang der Werkstücke 90a und 90b herum,
was sie fest miteinander verbindet. Wenn die Werkstücke 90a und 90b ausgebildet
worden sind und miteinander verbunden worden sind, wird das sich
zeitlich verändernde
elektrische Feld von den Induktionswicklungen 70 entfernt.
Wenn es erforderlich ist, kann der Fluss des Kühlmittels zu den Induktionswicklungen 70 beibehalten
werden, um so den Formwerkzeugsatz 10 und die Werkstücke 90a und 90b zu
kühlen.
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Wie
es für
den Fachmann verständlich
sein sollte, ist die Formgebungsoberfläche 60 jedes Formwerkstücks 20 und 22 unter
Berücksichtigung
des Schrumpfens der Werkstücke 90a und 90b wie
auch jedes Betriebsschrumpfens, welches inhärent für das Material ist, von welchem
die haltbare Auskleidung 56 des Formwerkzeugs ausgebildet
ist, ausgebildet. Der Fachmann versteht, dass die Auskleidung 56 des Formwerkzeugs
eine Schicht bereitstellt, welche sowohl stabil als auch robust
ist, um dadurch das Keramikmaterial des Formwerkzeugkörpers 54 vor
einem direkten Kontakt während
der Bearbeitung der Werkstücke 90a und 90b wie
auch vor einer zufälligen
Beschädigung,
welche sonst während
des Transports, einer Aufstellung und einer Aufbewahrung des Formwerkzeugsatzes 10 auftreten
könnte,
zu schützen.
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Während der
Formwerkzeugsatz 10 insoweit mit einer haltbaren Auskleidung 56 des
Formwerkzeugs beschrieben worden ist, welche eine Formgebungsoberfläche 60 aufweist,
die die äußere Formlinie
eines Werkstücks
ausbildet, ist es für
den Fachmann klar, dass die Erfindung in ihren umfassenderen Aspekten
ein wenig anders ausgebildet sein kann. Zum Beispiel können die
Formwerkzeuge mit einer Auskleidung 56' des Formwerkzeugs ausgebildet
sein, welche zur Verwendung mit einem Paar von Suszeptorschichten 100 ausgebildet
ist, wie es in 7 dargestellt ist. Da eine Suszeptorschicht 100 zwischen
jedem Werkstück 90a' bzw. 90b' und seinem
zugehörigen
Formwerkzeug 20' bzw. 22' angeordnet
ist, wird die Formgebungsoberfläche 60' der Auskleidung 56' des Formwerkzeugs
relativ zu der vorherigen Ausführungsform
vergrößert, um
das Äußere der
Suszeptorschicht 100 aufzunehmen. Wie es in den vorab referenzierten
US-Patenten mit den Nummern 5,645,744 und 5,728,309 offenbart ist, werden
die Suszeptorschichten 100 auf der Grundlage ihrer Curietemperatur
ausgewählt,
um so eine Temperatursteuerung bei ungefähr der vorbestimmten Temperatur
zu ermöglichen.
Diesbezüglich
wandert der elektromagnetische Fluss, welcher durch die Induktionswicklungen 70 erzeugt
wird, durch die Keramik und in die Suszeptorschichten 100,
wenn sie magnetisch sind und den elektromagnetischen Fluss dicht
aufnehmen. Die Suszeptorschichten 100 heizen abhängig von
einer Aufnahme des elektromagnetischen Flusses bis die Curiertemperatur
erreicht ist, wobei die Suszeptorschichten 100 unmagnetisch werden
und bezüglich
des Induktionsheizens viel weniger empfindlich werden, da das sich
zeitlich verändernde
Magnetfeld geringer konzentrierte Ströme durch die Tiefe des Materials
induziert. Daher erfordert ein Induktionsheizen oberhalb der Curietemperatur
einen wesentlichen Anstieg an Eingangsstrom über denjenigen hinaus, welcher
für einen
Dauerbetrieb bei der Curietemperatur erforderlich ist, da die unmagnetische
Phase der Suszeptorschicht 100 uneffektiv heizt. Dementsprechend
kann durch eine vernünftige
Auswahl eines Suszeptors auf der Grundlage seiner Curietemperatur
eine maximale Temperatursteuerung, welche überall in dem Suszeptor gleichmäßig ist,
garantiert werden.