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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Benutzung von Induktionsheizvorrichtungen,
insbesondere auf die Benutzung von intelligenten Suszeptoren, um
selektiv einen Teil oder Teile während eines
Herstellungsprozesses zu erhitzen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Im
Allgemeinen können
Induktionsheizprozesse unter Benutzung eines beliebigen Materials, welches
elektrisch leitfähig
ist und welches Wärme erzeugt,
wenn es einem elektromagnetischen Flussfeld ausgesetzt wird, durchgeführt werden.
Häufig wird
induktives Erhitzen benutzt, um ein elektrisch leitfähiges Teil
während
eines Herstellungsprozesses direkt zu erwärmen. Das elektromagnetische
Flussfeld kann von einer elektromagnetischen Spule, die das Teil
umgibt und von einem elektrischen Wechselstrom oder einem oszillierenden
elektrischen Strom einer Stromquelle versorgt wird, erzeugt werden.
Allerdings erfordert der induktive Heizprozess typischerweise die
Benutzung von einem Suszeptor, der das Teil einkapselt, wenn ein
einfaches Design der elektromagnetischen Spule und eine vollständige Erwärmung des
Teils verlangt werden. Suszeptoren sind nicht nur elektrisch leitfähig, sondern
haben außerdem
eine hohe thermische Leitfähigkeit
für eine effizientere
und vollständige
Erwärmung
des Teils. Deshalb ziehen Herstellungsprozesse, die lokales Erwärmen, relativ
schnelle Aufheiz- und Abkühlzeiten,
eine effizientere Nutzung von Energie, oder kundenspezifische thermische
Merkmale, die die Herstellung ermöglichen, erfordern, Vorteile
aus induktiven Heizprozessen, die Suszeptoren verwenden.
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Bestimmte
Herstellungsprozesse erfordern Erwärmen bis zu einer bestimmten
Temperatur, aber nicht darüber
hinaus. Ein besonderer Typ von Suszeptor, häufig als „intelligenter Suszeptor" bezeichnet, ist
aus einem Material oder Materialien hergestellt, das/die Wärme effizient
bis zum Erreichen einer Schwellwert- oder Curie-Temperatur erzeugt/erzeugen.
Wenn ein Anteil des intelligenten Suszeptors die Curie-Temperatur
erreicht, fällt
die magnetische Permeabilität
von diesem Abschnitt rasch ab. Das Abfallen der magnetischen Permeabilität hat zwei
Effekte, es begrenzt die Erzeugung von Wärme in den Abschnitten mit
Curie-Temperatur und es verschiebt den magnetischen Fluss zu den
Abschnitten mit niedrigerer Temperatur, wodurch diese Abschnitte
unterhalb der Curie-Temperatur schneller auf die Curie-Temperatur
aufgeheizt werden.
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Herstellungsprozesse
von mechanischen Teilen erfordern häufig die gesteuerte Anwendung von
Wärme zum
Beispiel beim Verdichten von zusammengesetzten Platten oder bei
Metallformgebungsprozessen, wie zum Beispiel Löten, und superplastischer Formgebung.
Zu diesem Zweck wurden intelligente Suszeptoren in Verbindung mit
Matrizen zur mechanischen Formgebung eingesetzt, wie zum Beispiel
in der Erfindung in US-Patent Nr. 5,728,309 von Matsen und anderen
beschrieben wurde. Matsen offenbart eine Induktionsheizzelle 10,
die ein Paar von Keramikmatrizen 20, 22 aufweist,
die in einem Paar von Halterungen 24, 26 angebracht
sind. Ein Paar von durch die Matrizen definierten Aushöhlungen 42, 44 halten
jeweils eines von einem Paar von Werkzeugeinsätzen 46, 48.
Eine Retorte 60 ist zwischen den Werkzeugeinsätzen angeordnet
und weist ein Paar von Suszeptorschichten auf, die ein Paar von
Metall- oder Verbundwerkstoffteilplatten sandwichartig umfassen.
Die Werkzeugeinsätze
definieren eine Umrissformgebungsoberfläche 58, welche eine
Form entsprechend der gewünschten
Form der oberen und unteren Spritzgussnahtoberflächen des vollständigen Teils
auf weist. Eine Induktionsspule 35 ist in den Matrizen eingebettet
und umgibt die Hohlräume,
die Werkzeugeinsätze
und die Retorte.
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Mittels
Saugdruck können
die Suzeptorhälften
an den Matrizen gehalten werden, wenn die Matrizen vor dem Beginn
des Prozesses gehandhabt werden. Während des Prozesses wird die
Retorte auf die Formgebungs- oder Verdichtungstemperatur aufgeheizt,
indem die Induktionsspule, welche ein elektromagnetisches Flussfeld
erzeugt, mit Energie versorgt wird. Das Flussfeld bewirkt, dass
die Suszeptorplatten Wärme
erzeugen, während
die Matrizen und Werkzeugeinsätze
eine relativ geringe magnetische Permeabilität aufweisen und daher wenig
Wärme erzeugen.
Der Druck innerhalb der Werkzeuge hält die Suszeptoren während des
Prozesses an den Matrizen. Der Druck wird entweder durch Abdichten rings
um den Umfang der Matrizen oder durch Verwendung von unter Druck
stehenden Blasen bereitgestellt. Die Anwendung von Hitze und Druck
dauert an bis die Metallteilplatten richtig verlötet oder geformt sind oder
das Harz in den Verbundstoffplatten richtig verteilt ist, um das
vollständige
Teil auszugestalten.
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Zweckmäßigerweise
kann der Suszeptor an die gewünschte
Betriebstemperatur kundenspezifisch angepasst werden, indem verschiedene
legierte Materialien wie zum Beispiel Kobalt/Eisen, Nickel/Eisen,
Eisen/Silizium oder amorphe oder kristalline magnetische Legierungen
verwendet werden. Der Suszeptor kann weiterhin ausgelegt sein, um
mehrere verschiedene Betriebstemperaturen zu besitzen, indem mehrere
Lagen von verschiedenen Legierungen, die auf verschiedene Curie-Temperaturen
eingestellt sind, zu benutzen.
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Im
Allgemeinen erfordert die Formgebung von Teilen mit geometrisch
komplexer äußerer Oberfläche eine
vergleichbar komplexe Spritzgussoberfläche. In einer alternativen
Ausführungsform
kann der intelligente Suszeptor aus einem Paar von Metallschichten,
die kalt oder heiß geformt
sind, um eine innere Oberfläche,
die der Oberfläche
des gewünschten
Teils entspricht, zu definieren, hergestellt sein. Jede geformte
Metallschicht ist in dem Hohlraum einer entsprechenden Matrize der
Matrizen angeordnet, so dass die Matrizen die geformten Metallschichten
stützen.
Während
der Verarbeitung erzeugen die Suszeptorschichten Wärme und
ein Vakuumdruck wird angewendet, um die Teilplatten an die innere Spritzgussoberfläche, die
durch die geformten Metallschichten definiert ist, anzupassen.
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Leider
besitzen die für
den Suszeptor benutzten Metallschichten Formgebungseinschränkungen,
welche wiederum dazu neigen, die Komplexität der Spritzgussoberfläche, die
durch die Metallschichten des Suszeptors definiert werden kann,
zu beschränken.
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Daher
wäre es
vorteilhaft, eine Induktionsheizvorrichtung für die Formgebung von geometrisch komplexen
Teilen zu haben. Insbesondere wäre
es vorteilhaft, ein System zur Ausgestaltung einer Suszeptorspritzgussoberfläche mit
einer komplexen Geometrie zu haben, um dadurch die Herstellung von geometrisch
komplexen Teilen zuzulassen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung behandelt die obigen Erfordernisse und erreicht
andere Vorteile durch das Bereitstellen einer Induktionsheizvorrichtung
zur Herstellung eines Teils, einschließlich eines geometrisch komplexen
Teils, durch Erwärmen
des Teils auf eine vorbestimmte Temperatur. Die Induktionsheizvorrichtung
weist eine an eine elektrische Stromversorgung angeschlossene Induktionsspule
zur Erzeugung eines elektromag netischen Flussfeldes auf. Ein intelligenter
Suszeptor der Heizvorrichtung ist in dem elektromagnetischen Flussfeld
angeordnet und weist ein von einer Maschenstruktur gestütztes magnetisch
durchlässiges
Material auf. Das magnetisch durchlässige Material erzeugt in Reaktion
auf das Flussfeld Wärme.
Die Maschenstruktur stellt eine Stütze für das magnetisch durchlässige Material
bereit und passt sich eng an die gewünschte äußere Geometrie des Teils an.
Das magnetisch durchlässige
Material kann als Pulver auf die Masche unter Benutzung einer Heißspritzpistole
aufgebracht werden, um eine dichte Anpassung des Suszeptors an die Teilgeometrie
zu ermöglichen,
wobei Formgebungsbeschränkungen
der Schichtmetallsuszeptoren vermieden werden.
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In
einer ersten Ausführungsform
weist die Induktionsheizvorrichtung eine elektrische Stromversorgung,
eine Induktionsspule und einen intelligenten Suszeptor auf. Die
Induktionsspule ist hinsichtlich des Betriebs mit der elektrischen
Stromversorgung verbunden und ist geeignet ein elektromagnetisches Flussfeld
aus der elektrischen Energie zu erzeugen. Der intelligente Suszeptor
ist in dem elektromagnetischen Flussfeld angeordnet. Der intelligente
Suszeptor weist ein magnetisch durchlässiges Material auf, welches
als Reaktion auf den elektromagnetischen Fluss Wärme erzeugt. Der intelligente
Suszeptor weist weiter eine Maschenstruktur auf, die das magnetisch
durchlässige
Material stützt.
Die Maschenstruktur und das magnetisch durchlässige Material passen sich
an mindestens einen Abschnitt des Teils an, um den Abschnitt des
Teils aufzunehmen und den Abschnitt des Teils aufzuheizen, wenn
das magnetisch durchlässige
Material aufgeheizt ist. Die Maschenstruktur kann aus Draht hergestellt
sein, der geeignet ist, der durch den elektromagnetischen Fluss
erzeugten Wärme
standzuhalten. Beispielsweise kann die Maschenstruktur aus 0,508
mm (0,02 Inch) dickem rostfreien Stahldraht hergestellt sein.
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Wahlweise
kann die Maschenstruktur auch aus magnetisch durchlässigem Draht
hergestellt sein, wie zum Beispiel einer intelligenten Suszeptorlegierung,
um die induktive Wärmeerzeugung
zu verbessern.
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Das
magnetisch durchlässige
Material und die Maschenstruktur können einen Hohlraum definieren,
der sich an alles von dem Teil anpasst. Die Maschenstruktur weist
ein Paar von trennbaren Abschnitten auf, die zusammensetzbar sind,
um den Hohlraum zu definieren. Vorzugsweise weist die Induktionsheizvorrichtung
ferner eine Matrize mit einem Paar von Matrizenabschnitten auf,
wobei jeder von den trennbaren Abschnitten der Maschenstruktur an
einem Matrizenabschnitt von den Matrizenabschnitten angebracht ist.
Auf diese Weise ist die Matrize ausgestaltet, um die teilbaren Abschnitte
der Maschenstruktur zusammenzuhalten, um den Hohlraum zu definieren.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines intelligenten Suszeptors, der als Reaktion auf die Anwendung
eines magnetischen Flussfeldes ein Teil erwärmt. Das Verfahren zur Herstellung
umfasst die Bereitstellung eines Modells mit einer äußeren Geometrie ähnlich zu
der des Teils. In einem Aspekt kann das Modell maschinell aus Richlite
oder Aluminium hergestellt sein. Eine Maschenabschirmung ist über das
Teil drapiert und an die äußere Geometrie
des Modells angepasst, zum Beispiel durch Heften oder Kleben der
Maschenabschirmung an die äußere Geometrie
des Modells. Magnetisch durchlässiges
Material wird auf der Maschenabschirmung angebracht und die Maschenabschirmung
wird mit dem durchlässigen
Material von dem Modell gelöst.
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Das
magnetisch durchlässige
Material kann durch thermisches Spritzen eines magnetisch durchlässigen Pulvers
auf die Maschenabschirmung erstellt werden. Die Abschirmung und
das Pul ver werden blankgetempert und gesintert, um die Verbindung
zu verdichten. Wahlweise kann das Blanktempern in einer Wasserstoffgasbrennkammer
erfolgen. Als eine andere Möglichkeit
kann die verdichtete Verbindung aus Pulver und Abschirmung auf beiden
Seiten mit einer Nickelaluminiumbeschichtung zum Schutz gegen Oxidation
bespritzt werden.
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Die
vorliegende Erfindung hat mehrere Vorteile. Die Verwendung der Maschenabschirmung
und des thermisch gespritzten, magnetisch durchlässigen Pulvers erlauben, dass
der intelligente Suszeptor an geometrisch komplexe Teile geformt
wird, wobei die Formgebungsbeschränkungen der bisherig benutzen Metallschichten überwunden
werden. Insbesondere die flexiblen Bindungen von Maschen lassen
sich eng an geometrisch komplexe Teile drapieren, während Stützung für das magnetisch
durchlässige
Material bereitgestellt wird, um Defekte während Bearbeitung und Verarbeitung
zu vermeiden. Eine erhöhte
Komplexität
der Teilegeometrie lässt
eine Reduktion der Anzahl der Teile, die in Anordnungen verwendet
werden, mit einhergehender Kosten- und Gewichtsreduktion zu. Tempern
in einer Wasserstoffgasbrennkammer reduziert die Oxidation an Maschen
und gespritztem Pulvermaterial während
die erhöhte
Temperatur die Dichte des Materials erhöht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Nach
der allgemeinen Beschreibung der Erfindung werden nun Bezüge zu den
begleitenden Zeichnungen, welche nicht notwendigerweise maßstabsgetreu
sind, hergestellt und wobei:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Induktionsheizarbeitszelle gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine
schematische Darstellung der Arbeitszelle gemäß 1 ist, die
ein Temperatursteuersystem einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung umfasst;
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3 eine
schematische Darstellung eines Paars von Matrizen der Arbeitszelle
nach 1 ist, wobei das Paar der Matrizen einen Hohlraum
definiert, welcher einen thermisch gespritzten Suszeptor umfasst,
der ein Metallteil ausbildet;
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4 eine
Querschnittsansicht eines thermisch gespritzten Suszeptors gemäß 3 ist;
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5A eine
Draufsicht auf eine untere Matrize der Matrizen gemäß 3,
die einen unteren Abschnitt des Suszeptors gemäß 3 hält, ist;
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5B eine
Seitenansicht der unteren Matrize und des unteren Suszeptorabschnitts
gemäß 5A ist;
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6A eine
Draufsicht auf die untere Matrize und den unteren Suszeptorabschnitt
gemäß 5A ist,
wobei ein Gebiet von magnetischer Impermeabilität in dem Suszeptor gezeigt
wird;
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6B eine
Seitenansicht der unteren Matrize und des unteren Suszeptorabschnitts
mit dem Gebiet der magnetischen Impermeabilität gemäß 6A ist;
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7 ein
Diagramm ist, welches Erwärmung und
Formgebung von einem Teil unter Verwendung des Temperatursteuersystems
gemäß 2 zeigt;
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8A ein
Diagramm ist, welches eine Abnahme der magnetischen Permeabilität des intelligenten
Suszeptors gemäß 3 zeigt,
wenn dessen Temperatur ansteigt; und
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8B ein
Diagramm ist, welches eine Erhöhung
der Induktionsspulenleistung in Begleitung mit der Verringerung
der magnetischen Permeabilität des
Suszeptors gemäß 8A zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird nun im Folgenden unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen,
in denen bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung gezeigt sind, vollständiger beschrieben. Diese Erfindung
kann in vielen verschiedenen Ausgestaltungen ausgeführt sein
und sollte nicht begrenzt gemäß der hierin
dargelegten Ausführungsformen
ausgelegt sein; vielmehr werden diese Ausführungsformen zur Verfügung gestellt,
so dass diese Offenbarung genau und vollständig sein wird und den Umfang
dieser Erfindung gemäß den angehängten Ansprüchen an
Fachleute vollständig übermitteln
wird. Ähnliche
Nummern verweisen durchwegs zu ähnlichen
Elementen.
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In
einer Ausführungsform
weist die vorliegende Erfindung eine Induktionsheizarbeitszelle 10 gemäß 1 auf.
Die Arbeitszelle weist eine innerhalb einer oberen Halterung 13 angebrachte
obere Matrize 11 und eine innerhalb einer unteren Halterung 14 angebrachte
untere Matrize 12 auf. Die Halterungen sind jeweils auf
vier mit Gewinde versehenen Säulenstützen oder
Spindeln 15 aufgeschraubt, um die Einstellung der relativen
Anordnung der Matrizen und der Halterungen zu ermöglichen.
Die Matrizen 11, 12 definieren zusammen einen
Matrizenhohlraum 22, der zum Halten eines intelligenten
Suszeptors 34 ausgeformt ist, der wiederum ein Teil, einschließlich ein
geometrisch komplexes Teil 60, umgibt, wie zum Beispiel
ein Titan teil für
ein Flugzeug, wie in 2 und 3 gezeigt.
Mehrere Induktionsspulen 26 sind in die Matrize eingebettet
und umgeben den Suszeptor 34. Wenn die Spulen 26 mit
Energie versorgt werden, erzeugen sie ein magnetisches Flussfeld,
welches bewirkt, dass der Suszeptor 34 Wärme erzeugt,
um einen Schritt der Herstellung des Teils 60 durchzuführen, wie
zum Beispiel die Ausgestaltung eines Metallteils oder die Verdichtung
eines Verbundstoffteils.
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Die
Induktionsheizarbeitszelle 10 umfasst ferner eine Gruppe
von Klemmstangen 16, die die Matrizen gegenüber den
Halterungen 13, 14 in Position halten. Die Halterungen
stellen eine feste, ebene Rückplatte
für die
oberen und unteren Matrizen 11 und 12 bereit,
welche die Matrizen vor Verbiegen und Brechen während des Fertigungsvorgangs
schützen. Weiterhin
dienen die Halterungen als steife Platten, die die Matrizen zusammen
und exakt positioniert halten. Die Halterungen können aus Stahl, Aluminium oder
jedem anderen Material, welches in der Lage ist, die während der
Formgebung oder Verdichtung auftretenden Belastungen, zu handhaben,
hergestellt sein. Vorzugsweise werden nichtmagnetische Materialien
verwendet, um eine Verzerrung der von der Induktionsspule 26 erzeugten
magnetischen Felder zu verhindern. Alternativ zur Benutzung der Halterungen
können
die Matrizen 11, 12 selbst stark genug sein, um
den während
der Formgebung oder der Verdichtung auftretenden Belastungen standzuhalten.
In der Ausführungsform,
die in 1 und 2 gezeigt ist, haben die Halterungen
eine rechteckige Kistenform, aber sie können in Form und Größe verändert werden,
um zu den unzähligen
gewünschten
Größen und
Formen zu passen.
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Jede
der Matrizen 11, 12 weist einen rechteckigen Block
aus keramischem Material 23 auf, welcher durch eine Gruppe
von Fiberglasstäben 20 und eine
Gruppe von Stützplatten 17 verstärkt ist.
Die Stützplatten
sind vorzugsweise eine Gruppe von Phe nolplatten, die in Form einer
rechteckigen Kiste angeordnet sind, die jeden keramischen Block 23 umrahmt.
Die Phenolplatten 17 dienen als Begrenzungswände während des
Gießens
der keramischen Blöcke 23 und
stellen eine Verstärkung
während
des nachfolgenden Induktionsheizprozesses bereit. Wie in 1 gezeigt,
erstrecken sich die Fiberglasstäbe 20 longitudinal
in einer ersten Anordnung und transversal in einer zweiten Anordnung,
um ein Gitter durch jeden Block 23 aus keramischem Material
auszubilden. Die Enden der Fiberglasstäbe sind durch die gegenüberliegenden
Phenolplatten 17 gefädelt und
erstrecken sich durch diese. Das Gitter wird in dem keramischen
Block 23 eingebettet, indem sich die Fiberglasstäbe 20 durch
die Phenoltafeln 17 erstrecken, bevor der Block 23 aus
keramischen Material gegossen wird.
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Nachdem
der Block aus keramischem Material gegossen ist, wird eine Gruppe
von Muttern 21 an den durchgefädelten Enden der Glasfaserstäbe angeordnet
und angezogen, um so eine zusammenpressende Kraft auf die Phenolplatten 17 auszuüben. Die
zusammenpressende Kraft auf den Platten resultiert in einer vorbelastenden
zusammenpressenden Kraft auf den Block aus keramischen Material 23.
Die vorbelastende zusammenpressende Kraft hebt die Zugkräfte, die
sich während
des induktiven Heizvorgangs entwickeln, auf. Aufgrund der schlechten Dehneigenschaften
von keramischen Materialien ist es vorteilhaft, den keramischen
Block unter Druck zu halten. Andere Materialien können zur
Fertigung des Materialblocks 23 benutzt werden, aber Keramik
(insbesondere Ceradyne 120 wird bevorzugt, weil es ein thermischer
Isolator ist und einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
aufweist. Der niedrige thermische Ausdehnungskoeffizient lässt zu,
den Block steilen thermischen Gradienten ohne Abplatzungen des Materials
auszusetzen. Außerdem
dient die Keramik dazu, den Matrizenhohlraum 22 gegen Wärmeverluste
zu isolieren, die von dem Suszeptor 34 erzeugte Wärme zu speichern
und die Zykluszeiten für
Erwärmen
und Abkühlen
des Teils 60 zu verkürzen.
Ferner stellen derartige Merkmale zusätzliche Flexibilität in der
Ausführung
thermischer Zyklen für
verschiedene Typen von Teilen bereit, was insgesamt eine Leistungsverbesserung
ergibt.
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Die
Induktionsspulen 26 sind ebenfalls während des Gießens in
dem Block 23 aus keramischen Material eingebettet und sind
zwischen den Fiberglasstäben 20 angeordnet
und umgeben den Matrizenhohlraum 22, wie in 1–3 gezeigt.
Vorzugsweise sind die Spulen 26 aus einem runden Kupferrohrmaterial,
welches leicht gezogen ist, mit 25,4 mm (1 Inch) Durchmesser, 1,59
mm (0,0625 Inch) Wandstärke
gefertigt. Der bevorzugte leicht gezogene Zustand des Rohrmaterials
ermöglicht
ein genaues Biegen mit numerischen Biegemaschinen, wie bei Fachleuten
bekannt ist. Numerisches Biegen der Rohre lässt genaues Anordnen der Rohre
um den Hohlraum 22 zu, was für eine gleichmäßige Verteilung
des elektromagnetischen Flusses wichtig ist. Die Spulen 26 schaffen
außerdem
thermische Energie fort, indem sie als Leiter für eine Kühlflüssigkeit wie zum Beispiel Wasser
dienen. Nachdem die Spulen 26 gebogen und eingebettet sind,
weisen sie geradlinige Rohrmaterialabschnitte 27 auf, die
mit flexiblen Rohrmaterialabschnitten 28 verbunden sind. Die
flexiblen Rohrmaterialabschnitte verbinden die geradlinigen Rohrmaterialabschnitte 27 und
lassen zu, dass die Matrizen 11, 12 getrennt werden
können. Vorzugsweise
ist die Dicke der Spritzgusskeramik zwischen dem Suszeptor 34 und
den Spulen 26 etwa ? Inch, was ausreichend ist, um den
Temperaturgradienten zwischen dem aufgeheizten Suszeptor und den
wassergekühlten
Spulen zu stützen. 3 verdeutlicht
die genaue Anordnung der Spulen entlang der Umrisse des Matrizenhohlraums 22 und
den darin enthaltenen Suszeptor 34. Die genaue Anordnung des
Rohrmaterials der Spulen 26 um den Hohlraum herum fördert die
Gleichförmigkeit
des Betrages der von dem magnetischen Fluss feld erzeugten Wärme und
den Betrag der durch den Fluss der Kühlflüssigkeit fortgeschafften Wärme.
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Die
Induktionsspulen 26 sind mit einem Temperatursteuersystem,
welches eine Stromversorgung 51, ein Steuerelement 52,
einen Sensor 53 und wahlweise eine (nicht gezeigte) Kühlflüssigkeitsversorgung
aufweist, verbunden. Die Stromversorgung 51 liefert einen
oszillierenden Strom, vorzugsweise mit 3 kHz, zu den Spulen 26,
welcher in den Spulen die Erzeugung des elektromagnetischen Flussfeldes
bewirkt. Die Kühlflüssigkeitsversorgung
liefert Wasser zu den Induktionsspulen 26 zum Zirkulieren
durch die Spulen und zur Entnahme thermischer Energie von den Matrizen 11, 12.
Der Sensor 53 ist in der Lage, die Leistung, die von der
Stromversorgung 51 geliefert wurde, zu messen, um die Temperatur
des Teils zu steuern. Wahlweise oder zusätzlich zur Messung der Stromversorgung
weist der Sensor 53 ein Voltmeter auf, welches den Spannungsverlust über den Induktionsspulen 26 messen
kann. Das Steuerelement sammelt die Stromversorgungs- oder Spannungsmessungen
von dem Sensor 53 und benutzt die Messungen in einer Rückkopplungsschleife,
um die Leistung, welche von der Stromversorgung 51 geliefert
wird, einzustellen. Das Steuerelement kann Hardware, Software, Firmware
oder eine Kombination daraus umfassen, die in der Lage ist, mittels
Rückkopplung
die Stromversorgung 51 einzustellen.
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Wie
in 3 bestens gezeigt, ist der Suszeptor 34 der
vorliegenden Erfindung eine Schicht oder Folie aus magnetisch durchlässigem Material, welches
entlang der Innenseitenoberfläche
des Matrizenhohlraums 22 angeordnet ist. Der Matrizenhohlraum
selbst ist grob passend zu der Form des Suszeptors 34 ausgebildet,
um eine Stütze
für den Suszeptor
bereitzustellen. In der Ausführungsform gemäß 3 definiert
die obere Matrize 11 einen Abschnitt des Hohlraums 22,
welcher eine Form mit mehreren Umrissen aufweist, während die
untere Matrize 12 eine ebene Form definiert. Es sollte
erwähnt
werden, dass andere mehr oder weniger komplexe Formen durch die
Umrisse von beiden, dem oberen und unteren Matrizenabschnitt des
Hohlraums 22 definiert werden können und, dass die dargestellten
Ausführungsformen
nicht als beschränkend
angesehen werden sollten. Vorzugsweise weisen magnetisch durchlässige Materialien
zur Ausführung
des Suszeptors 34 ferromagnetische Materialien auf, die
eine in etwa zehnfache Verringerung der magnetischen Permeabilität aufweisen,
wenn sie auf eine Temperatur höher
als eine kritische oder Curie-Temperatur erhitzt werden. So ein
großer
Abfall an Permeabilität
bei der kritischen Temperatur fördert die
Temperatursteuerung des Suszeptors und demzufolge die Temperatursteuerung
des zu fertigenden Teils. Ferromagnetische Materialien beinhalten
die fünf
Elemente Fe, Co, Ni, Gd und Dy und Legierungen dieser Elemente.
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Der
Matrizenhohlraum kann ferner mit einer schützenden Auskleidung 24 beschichtet
sein, um die Haltbarkeit der Matrizen 11, 12 gegen
Abnutzung durch Einsetzen und Entfernen der Suszeptoren und gegen
die Hitze, die von den Suszeptoren erzeugt wird, zu verbessern.
Bevorzugte Materialien für
die Auskleidung enthalten NEXTEL (Al2O3) Fasern mit einem Aluminiumoxidsilicat
oder einer Aluminiumoxidmatrix oder Siliziumcarbidfasern in einer
Siliziumcarbidmatrix mit einer Gesamtdicke von ca. 2,54 mm (0,100
Inch). Der Suszeptor 34 in der in 3 gezeigten
Ausführungsform
weist obere und untere Abschnitte auf, die in dem Hohlraum 22,
der durch die oberen und unteren Matrizen 11, 12 definiert
ist, aufgenommen werden können.
Es sollte erwähnt
werden, dass der Suszeptor mehrere Abschnitte besitzen kann, die
jeweils einen entsprechenden Abschnitt des Teils berühren.
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Vorzugsweise
ist der Suszeptor 34 der vorliegenden Erfindung ein thermisch
gespritzter, intelligenter Suszeptor, der eine Maschenstruktur 36 aufweist,
die ein magnetisch durchlässiges
thermisch gespritztes Material 37 stützt, und wahlweise eine Nickelaluminiumoxidbeschichtung 38 aufweist,
wie in 4 gezeigt. Die Maschenstruktur 36 ist
vorzugsweise ein Drahtnetz, welches aus rostfreiem Stahl oder aus
einem Metall mit der gleichen Zusammensetzung wie das thermisch
gespritzte Material 37, welches der Temperatur und anderen
umgebungsbedingten Einflüssen
in Zusammenhang mit der Erwärmung
und Formgebung des Teils 60 standhalten kann, gefertigt
ist. Die Maschenstruktur 36 stellt ein Skelett oder eine
Stützstruktur
bereit, welche das gespritzte Material 37 zusammenhält. Die
Drahtmaschenstruktur 36 ist weiter vorzugsweise ein flexibles Maschengewebe,
welches dicht an die Form eines Modells drapiert werden kann, welches
gemäß der Umrisse
der gewünschten
endgültigen
Teilegeometrie gefertigt oder maschinelle hergestellt ist. Beispielsweise
umfasst die Maschenstruktur 36 einen 0,020 Inch dicken
Draht aus rostfreiem Stahl der Serie 300. Weiter sollte
die Maschenstruktur 36 vorzugsweise ausreichend dimensionierte
Zwischenräume 40 zwischen
ihren Drähten 39 aufweisen,
um eine Verschränkung
des gespritzten Materials 37 innerhalb der Maschenstruktur
zuzulassen, und dabei gleichzeitig eine Stützung für das gespritzte Material bereitzustellen.
Vorzugsweise beträgt
die Öffnungsgröße der Masche
in etwa ein Fünffaches
des Drahtdurchmessers. Beispielsweise würde ein 0,508 mm (0,020 Inch)
Draht eine 2,54 mm (0,100 Inch) Maschenöffnung aufweisen.
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Das
bevorzugte Verfahren zur Herstellung des intelligenten Suszeptors 34 weist
maschinelles Herstellen oder Formgebung eines Modells der gewünschten
Teilgeometrie aus Richlite oder Aluminium auf. Die Maschenstruktur 36 wird über die
Umrisse des Modells drapiert und kann an der Oberfläche des
Modells geheftet, geklebt oder auf andere Weise angebracht werden.
Das Material 37 ist zu Beginn in Pulverform und wird von
einer Plasmaspritzpistole erwärmt
und auf das maschenbedeckte Teilmodell gespritzt, bis das gespritzte
Material eine gewünschte Dicke
erreicht hat. Der Suszeptor 34 wird von dem Modell durch
Entfernen des Klebers oder der Heftung gelöst und wird einem Blanktemper-
und Sintervorgang unterzogen, um die Drahtmaschenstruktur 36 mit
dem thermisch gespritzten Material 37 zu verdichten. Vorzugsweise
wird das Tempern und Sintern in einer Wasserstoffgasbrennkammer
ausgeführt,
um Oxidation in dem Suszeptor zu reduzieren und um die Dichte des
Suszeptors zu erhöhen.
Wie 4 zeigt, ist eine Nickelaluminiumoxidbeschichtung 38 auf
beide Seiten des Suszeptors 34 nach der Fertigstellung
des Temper- und Sintervorgangs auch thermisch aufgespritzt.
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Die
Zusammensetzung des thermisch gespritzten Materials 37 und
der Drahtmaschenstruktur 36 kann verändert werden, um näherungsweise
an den gewünschten
Bereich der Betriebstemperaturen) des intelligenten Suszeptors 34 angepasst
zu werden, wie in US-Patent Nr. 5,728,309 von Matsen und anderen
beschrieben ist. Beispielsweise beschreibt Matsen einige der verschiedenen
Legierungen und anderen Materialien, die Merkmale eines intelligenten
Suszeptors aufweisen, und ihre entsprechenden Curie-Temperaturen
in Spalte 13, Tabellen 1 und 2.
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Der
Vorgang des Erwärmens
und der Formgebung des Teils weist ein Einbringen von Schichten aus
Titan oder anderem Metall oder einem Verbundstoff in den Hohlraum 22,
der durch die oberen und unteren Matrizen 11, 12 definiert
wird, und zwischen die oberen und unteren Abschnitte des intelligenten Suszeptors 34,
der darin gestützt
ist, auf, wenn die Matrizen entlang der mit Gewinden versehenen Stützsäulen 15 auseinander
beabstandet sind. Wahlweise können
die Matrizen 11, 12 von den Stützsäulen entfernt werden. Die Matrizen 11, 12 werden
dann durch Bewegen entlang der Stützsäulen 15 zusammengebracht,
bis die Teileschichten und der Suszeptor 34 in dem Hohlraum 22 eingekapselt
sind und der Hohlraum abgedichtet ist. Die Temperatursteuerung 50 erlaubt
der Stromversorgung 51 eine vorbestimmte Menge von Energie
zu liefern, wie in 8B graphisch gezeigt. Die Energie
wird zu den Induktionsspulen 26 geliefert, wodurch ein
oszillierender Strom in den Spulen bewirkt wird, welcher ein elektromagnetisches
Flussfeld erzeugt. Wie in 5A und 5B gezeigt,
bewegt sich das als Flusslinien 100 dargestellte Flussfeld
direkt durch das keramische Material 23 der unteren Matrize 12 aufgrund
der fehlenden magnetischen Permeabilität der Matrize und koppelt mit
dem magnetisch durchlässigen
Material des Suszeptors 34. Die Kopplung mit dem magnetischen
Flussfeld induziert in dem Suszeptor Wirbelströme, welche wiederum zu der
Erzeugung von Wärme
führen.
Die Wärme
erhöht
die Temperatur des Suszeptors, welcher zu den Titanschichten des Teils 60 benachbart
ist und ist damit in dem Hohlraum 22 des thermisch isolierten
Keramikmaterials 23 eingeschlossen, was zu einer Erhöhung der
Temperatur des Teils führt,
wie die Thermoelementmessungen 102 der 7 zeigen.
Die Unterschiede zwischen den Thermoelementmessungen sind ein Ergebnis der
unterschiedlichen Positionen der Thermoelemente.
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Die
Durchschnittstemperatur des Teils 60 steigt mit einer ungefähr konstanten
Rate mit den zuvor genannten Abweichungen zwischen den Positionen
des Teils, bis ein Abschnitt 41, oder Abschnitte, des Suszeptors 34 die
Curie-Temperatur erreichen. Die Temperatur der Matrizen 11, 12 und
der Induktionsspulen 26 wird durch eine Zufuhr von Kühlflüssigkeit
durch die Rohre der Induktionsspulen verhältnismäßig niedrig gehalten. Bei Erreichen
der Curie-Temperatur erfahren diese Abschnitte des Suszeptors einen
plötzlichen
Abfall der magnetischen Permeabilität, wobei die Permeabilität Eins erreicht, wie
in 8A gezeigt. Der plötzliche Abfall der magnetischen
Permeabilität
führt zu
einer Verzerrung des von den Induktionsspulen 26 erzeugten
magnetischen Flusses, welcher sich aus dem undurchlässigen Bereich
des Suszeptors 34 bewegt, wie durch die Flusslinien 100 der 6A und 6B gezeigt ist.
Die übrigen
Abschnitte des Suszeptors setzen die Aufnahme des Flusses und die
Erzeugung von Wärme
fort und können
sogar mehr Wärme
erzeugen, weil der magnetische Fluss, der aus den Abschnitten mit
Curie-Temperatur herausgeschoben wird, in die übrigen Abschnitte des Suszeptors
gezogen wird.
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Letztendlich
erreicht der gesamte Suszeptor 34 die Curie-Temperatur und erfährt einen
Abfall der magnetischen Permeabilität. Die Verringerung der magnetischen
Permeabilität
des Suszeptors fällt
ferner mit einer Verringerung der Induktivität der Spule und dem Betrag
der von dem Teil 60 aufgenommenen Energie zusammen, wie
in 8B gezeigt. Der Sensor 53 erkennt gleichzeitig
mit der Verringerung der magnetischen Permeabilität des Suszeptors
eine Vergrößerung der
Spannung (und/oder zugeführten Leistung)
der Stromversorgung 51. Daher kann der Spannungsanstieg
in Bezug zu dem Permeabilitätsverlust
gebracht werden, welcher sich wiederum auf die globale Temperatur
des Suszeptors 34 und des Teils 60 bezieht. Dieser
Effekt ist in 7 dargestellt, welcher zeigt,
dass die Spannungsmesswerte 101 und die Leistungsmesswerte 103 zu
steigen beginnen, wenn die Thermoelementmesswerte 102 anfangen
die Curie-Temperatur zu erreichen. Die Spannungsmesswerte 101 flachen
ab, sobald alle Thermoelemente auf Curie-Temperatur sind. Das Steuerelement 52 erkennt
die plötzliche Änderung
der Spannung mit Hilfe des Sensors 53 und kann, wie gewünscht, die
Spannung der Stromversorgung 51 ohne Bedarf von Thermoelementen
oder anderen direkten Temperaturerfassungsvorrichtungen beibehalten,
erhöhen
oder erniedrigen. Im Allgemeinen ist der Bereich der Temperatursteuerung
in etwa „10
EF über
einem 20 EF Fenster um den Curie-Punkt". Andere Gesichtspunkte des Temperatursteuersystems sind
in der US-Patentanmeldung Nr. 10/094,560 mit dem Titel „System
and Method for Controlling an Induction Heating Process" beschrieben.
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Während der
Suszeptor 34 auf Curie-Temperatur ist, wird das Titanteil 60 durch
den internen Druck, der durch ein Inertgas bereitgestellt wird,
ausgebildet, wie durch die Druckpfeile 104 der 3 gezeigt.
Wie oben beschrieben, ist der intelligente Suszeptor 34 in
einer Ausführungsform
eine ein thermisch gespritztes Material 37 tragende Maschenabschirmung 36,
die dicht an die Form der gewünschten Teilegeometrie
angepasst wurde. Wenn die Temperatur des Suszeptors 34 und
des Teils 60 ansteigt, steigt der Druck der zwischen den
Titanschichten eingeschlossenen Luft und drückt die Schichten voneinander
weg gegen die komplexen Gestaltungsoberflächen des Suszeptors. Die Luft
zwischen den Matrizen 11, 12 und dem Teil 60 kann
durch (nicht gezeigte) Entlüftungslöcher in
den Matrizen entweichen, um eine Verhinderung der Ausbildung des
Teils zu vermeiden.
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Die
vorliegende Erfindung hat mehrere Vorteile. Die Benutzung der Maschenabschirmung 36 und
das thermisch gespritzte magnetisch durchlässige Pulvermaterial 37 ermöglicht,
dass der intelligente Suszeptor an geometrisch komplexe Teile geformt werden
kann, wobei die Formgebungsbegrenzungen der bisher benutzten Metallschichtsuszeptoren überwunden
werden. Insbesondere die flexiblen Bindungen der Masche 36 lassen
sich dicht an geometrisch komplexen Teilen drapieren, während einer
Stützung für das magnetisch
durchlässige
Material 37 bereitgestellt wird, um Fehler während der
Behandlung und dem Verfahren zu vermeiden. Eine Erhöhung der Komplexität der Teilegeometrie
lässt eine
Reduktion der Anzahl der in den Anordnungen verwendeten Teile mit
einer einhergehenden Kosten- und Gewichtsreduktion zu. Wasserstoffgasbrennkammertempern reduziert die
Oxidation der Masche und des gespritzten Pulvermaterials, während die
erhöhte
Temperatur die Dichte des Materials erhöht.
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Fachleuten,
die von dieser Erfindung betroffen sind, werden viele Änderungen
und andere Ausführungsformen
dieser Erfindung einfallen, welche die Vorteile der dargestellten
Lehre in den vorangegangenen Beschreibungen und zugeordneten Zeichnungen
besitzen. Zum Beispiel kann das Maschengewebe 36 benutzt
werden, um flexibles Suszeptormaterial 37 zu stützen, welches
unter Benutzung anderer Verfahren, wie zum Beispiel Elektroplattieren, abgelagert
wurde. Daher ist verständlich,
dass die Erfindung nicht auf die offenbarten bestimmten Ausführungsformen
beschränkt
ist und dass Änderungen und
weitere Ausführungsformen
auch von dem Umfang der beigefügten
Ansprüche
mit umfasst sein sollen. Obwohl hier spezifische Begriffe verwendet
werden, werden sie nur im allgemeinen und beschreibenden Sinn benutzt
und nicht zum Zweck der Beschränkung.