DE69021103T2

DE69021103T2 - Giessvorrichtung und Verfahren.

Info

Publication number: DE69021103T2
Application number: DE69021103T
Authority: DE
Inventors: Arnold J Cook
Original assignee: PCC Composites Inc
Current assignee: PCC Composites Inc
Priority date: 1989-03-17
Filing date: 1990-03-16
Publication date: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2010-03-17
Also published as: EP0388235A2; DE69021103D1; ATE125476T1; EP0388235A3; JPH02284756A; EP0388235B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gießverfahren, insbesondere zur Fertigung faserverstärkter Materialien.
Faserverstärkte Materialien, die üblicherweise aus einem Metall bestehen, erhalten eine strukturelle Festigkeit, die in anderer Weise durch das Material an sich nicht zu erreichen ist. Die Fasern im Material erhöhen die Steifigkeit des Materials in einer Weise, daß es bei einer vorgegebenen Belastung weniger deflektiert als nicht verstärkte Materialien. Normalerweise werden die Fasern in einer der geplanten endgültigen Form des mit Fasern verstärkten Materials entsprechenden Weise zusammengebündelt. Anschließend muß das Material in irgendeiner Weise gezwungen werden, in das Faserbündel einzudringen, bis es die Hohlräume des Faserbündels vollkommen füllt. Dies wird üblicherweise dadurch erreicht, daß das Material in den flüssigen Zustand versetzt und dann in das Faserbündel gedrückt wird. Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Eindrücken geschmolzenen Metalls in ein Faserbündel wurden in der US Patentanmeldung US- A-4.573517 angemeldet. Hierbei ist es erforderlich, die Vorrichtung, mit welcher das Verfahren realisiert werden soll, zunächst mittels einer dazugehörigen Heizvorrichtung zu evakuieren. Danach wird das geschmolzene Metall unter dem Druck eines in das Gefäß gepumpten Gases in ein Faserbündel gezwungen. Diese Technik verlangt jedoch, wie alle bisher bekannten Techniken, daß die Kammer, in welcher die Herstellung des faserverstärkten Materials erfolgt, genügend Festigkeit aufweist, um dem notwendigen Druck zu widerstehen, damit sie nicht von innen oder von außen her zerbirst.
Ferner muß bei dem Verfahren nach dem oben genannten US Patent der Stand des geschmolzenen Metalls im Innenraum der Vorrichtung sorgfältig reguliert werden, da andernfalls seine Abkühlung zu einer Erstarrung führt, durch die das Verfahren seine Nützlichkeit verliert.
Masur, L.J., Mortensen, A., Cornie, J.A., und Flemings, M.C. offenbaren in "Druckgießen faserverstärkter Metalle", Protokoll der sechsten internationalen Konferenz über Verbundstoffe ("Pressure Casting of Fiber-Reinforced Metals" Proceedings of the Sixth International Conference on Composite Materials) ICCM-VI, Verlag F.L. Matthews, N.L.R. Bushell und J.M. Hodginson, London, 1987, Elsevier Applied Science, S. 2.320-2.329, eine Vorrichtung, in der eine Heizvorrichtung im Innenraum eines Druckbehälters angeordnet ist und eine Faser-Vorform lediglich mit Hilfe von Druck mit geschmolzenem Material gefüllt wird. Da diese Vorrichtung jedoch dem Zweck dient, den für das Eindringen in die Faser-Vorform nötigen Druck zu bestimmen, sind die von dieser hergestellten Erzeugnisse von fragwürdigem praktischem Nutzen.
Das Patent der Nummer DE-A-3416132 meldet eine Gießvorrichtung an, die folgende Teile umfaßt:
ein Druckgefäß;
ein Mittel zur Evakuierung des Gefäßes, wobei das Druckmittel mit dem Gefäß in Flüssigkeitsverbindung steht;
ein Tiegel, der im Druckgefäß angeordnet ist und in dem das Material geschmolzen wird;
eine Werkzeugkammer, in der sich eine Form befindet, wobei die Werkzeugkammer sich in Flüssigkeitsverbindung mit dem Tiegel befindet; und
mit der Werkzeugkammer in Flüssigkeitsverbindung stehende Mittel, die dazu dienen, dieselbe zu evakuieren, wodurch geschmolzenes Material aus dem Tiegel in die Werkzeugkammer gesaugt werden kann, indem die Evakuiermittel auf die Werkzeugkammer einwirken.
Erfindungsgemäß wird eine Methode zur Herstellung eines verstärkten Teils angeboten, die durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:
Plazieren einer Verstärkung in eine Werkzeugkammer, welche sich in einem Druckgefäß befindet;
Versiegeln der Druckgefäßes mit der die Verstärkung enthaltenden Werkzeugkammer;
Aufheizung eines schmelzbaren Materials im Druckgefäß, bis dieses den geschmolzenen Zustand erreicht, wobei es sich um das Material handelt, das in die Verstärkung eindringen soll;
Druckbeaufschlagung des Druckgefäßes;
Eindringen der Verstärkung in die Werkzeugkammer mit dem geschmolzenen Material; und
Erstarrung des die Verstärkung umgebenden und in sie eindringenden geschmolzenen Materials:
Wobei nach der Druckbeaufschlagung, jedoch vor der Erstarrung ein Schritt erfolgt, der darin besteht, daß die Verstärkung in der Werkzeugkammer unter Einwirkung des Drucks im Gefäß von dem im geschmolzenen Zustand befindlichen Material umgeben wird; und wobei der Schritt der Infiltration, nachdem das geschmolzene Material die Verstärkung umgeben hat, auch das Eindringen der Verstärkung in die Werkzeugkammer beinhaltet.
Vorzugsweise folgt auf den Erstarrungsschritt die Entfernung der Verstärkung mit dem in diese eindringenden und sie mit einer Materialhaut umgebenden, erstarrten Material.
Vorzugsweise beinhaltet der Aufheizungsschritt auch die Aufheizung der Werkzeugkammer auf eine Temperatur, die das Material in geschmolzenem Zustand hält.
Vorzugsweise ist die Haut eine reine Materialliaut und das Material besteht vorzugsweise aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium.
Die vorliegende Erfindung bietet ein verstärktes Teil an, dadurch gekennzeichnet, daß es geformt wird, indem geschmolzenes Material unter der Einwirkung von Gas in eine Verstärkung gedrückt wird, die sich in einer Werkzeugkammer innerhalb eines Druckgefäßes befindet.
Die vorliegende Erfindung bietet auch ein verstärktes Teil mit einer reinen Metallhaut an, dadurch gekennzeichnet, daß es geformt wird, indem ein geschmolzenes Metall in einer Weise in eine Werkzeugkammer gedrückt wird, die eine Verstärkung enthält, daß das geschmolzene Metall an der Wand der Werkzeugkammer entlang geführt wird und dann in die Verstärkung eindringt.
Die vorliegende Erfindung erfordert, daß ein Druckgefäß genügend Festigkeit besitzt, um dem im Gefäß notwendigen Druck standzuhalten. Folglich unterliegt eine Werkzeugkammer, welche im Gefäß eine Faseranordnungsform enthält, nur geringen Druckschwankungen, wodurch beträchtlich dünnere oder weniger feste Werkzeugkammem zur Anwendung in Frage kommen. Aus diesem Grunde ist die Vorrichtung nach der Erfindung leichter und weniger zeitaufwendig anzuwenden und ermöglicht eine gleichmäßigere Aufheizung der Werkzeugkammer mit einer einzigen Heizungskonstruktion. Darüberhinaus ist der Stand des geschmolzenen Materials unwichtig, solange es die Werkzeugkammer füllt, da das Abkühlen des geschmolzenen Materials zugunsten des Verfahrens genutzt wird und nicht zu seinem Nachteil gereicht.
Es ist als vorteilhaft anzusehen, daß erfindungsgemäß die Werkzeugkammer im Druckgefäß angeordnet ist, die eine Form enthält. Nach der erfindungsgemäßen Methode wird vorzugsweise eine Heizvorrichtung eingesetzt, um das Material im Tiegel und die Form in der Werkzeugkammer in einer Weise aufzuheizen, daß Material im Tiegel geschmolzen wird und im geschmolzenen Zustand bleibt, während es in die Werkzeugkammer hinaufgesaugt wird, wenn die Evakuier- und Druckmittel das Gefäß evakuieren, und während das Material in die Form gedrückt wird, wenn die Evakuier- und Druckmittel das Gefäß aufladen, wobei die Heizvorrichtung sich im Gefäß befindet.
Vorzugsweise umfaßt das Evakuiermittel einen Schnorchel, welcher mit der Werkzeugkammer in Flüssigkeitsverbindung steht und aus dem Gefäß hervorragt, sowie ein Mittel zur Erstarrung des geschmolzenen Materials im Schnorchel, so daß ein Pfropfen gebildet werden kann, wenn das geschmolzene Material in den Schnorchel gesaugt wird.
In einer vorteilhaften Ausführung enthält die Werkzeugkammer ein Zufuhrrohr, das mit derselben in Flüssigkeitsverbindung steht und darüber hinausragt, und ferner umfaßt die Vorrichtung einen Tiegelheber, der mit dem Tiegel verbunden ist, so daß der Tiegel in einer Weise angehoben werden kann, daß er mit dem aus der Werkzeugkammer hervorragenden Zufuhrrohr in Flüssigkeitsverbindung steht, wobei die Werkzeugkammer flüssigkeitsdicht isoliert ist und in keinerlei direkter Verbindung mit dem Innenraum des Gefäßes steht.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und um zu zeigen, wie diese umgesetz:t werden kann, sollen nachstehend beispielhaft die beigefügten Zeichnungen aufgeführt werden. Diese zeigen in:
FIG. 1 eine schematische Darstellung einer Gießvorrichtung.
FIG. 2 eine Seitenansicht einer Gießvorrichtung mit einem Tiegel in Ausgangsposition.
FIG. 3 eine schematische Darstellung einer Gießvorrichtung, in welcher der Tiegel in Flüssigkeitsverbindung mit einer Werkzeugkammer steht.
FIG. 4 eine schematische Darstellung einer Gießvorrichtung, welche geladen wird.
FIG. 5 eine schematische Darstellung einer Gießvorrichtung, in welcher ein Material im Tiegel in einem Druckgefäß geschmolzen wird, wobei die Form und das Gefäß durch die Form evakuiert werden.
FIG. 6 eine schematische Darstellung einer Gießvorrichtung, in welcher der Tiegel in Flüssigkeitsverbindung mit der Werkzeugkammer gesetzt wird, wodurch die Werkzeugkammer gegen das Innere des Gefäßes isoliert wird.
FIG. 7 eine schematische Darstellung der Gießvorrichtung, in welcher das im Tiegel geschmolzene Material in die Werkzeugkammer gesaugt wird.
FIG. 8 eine schematische Darstellung der Gießvorrichtung, in welcher ein Erstarrungspfropfen geformt wird.
FIG. 9 eine schematische Darstellung der Gießvorrichtung, in welcher regulierter, wachsender Druck dem Gefäß zugeführt wird, um das geschmolzene Material in die Vorform zu zwingen.
FIG. 10 eine schematische Darstellung der Gießvorrichtung, in welcher sich das geschmolzene Material in einer Richtung verfestigt.
FIG. 11 eine schematische Darstellung einer Gießvorrichtung, welche entladen wird.
FIG. 12 eine Seitenansicht der Gießvorrichtung, in welcher ein Stützrahmen mit Schnellverschlußköpfen das Gefäß hält.
FIG. 13 eine partielle Seitenansicht der Gießvorrichtung, in welcher eine Foliendichtung auf dem Füllrohr aufliegt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG

In den Zeichnungen, in welchen glelche Zahlen in allen Ansichten gleiche oder ähnliche Teile bezeiclinen, insbesondere bezüglich FIG. 1, ist ein Querschnitt einer schematischen Darstellung einer Gießvorrichtung 10 dargestellt. Die Vorrichtung 10 besteht aus einem Druckgefäß 12 und einem Mittel zur Evakuierung und Druckbeaufschlagung des Gefäßes 12. Das bevorzugte Gefäß 12 wird aus Edelstahl der Güte 316 angefertigt. Das Evakuier- und Druckbeaufschlagungsmittel steht in Flüssigkeitsverbindung mit dem Gefäß 12. Die Vorrichtung 10 besteht weiterhin aus einem Tiegel 14, welcher im Druckgefäß 12 angeordnet ist und in dem das Material 16, z.B. Aluminium, geschmolzen wird. Eine Werkzeugkammer 18 ist im Druckgefäß 12 angeordnet, worin eine Faseranordnungs-Vorform 20 gehalten wird, obwohl die Erfindung in keiner Weise auf Faseranordnungs- Vorformen beschränkt ist. Die bevorzugte Werkzeugkammer 18 bestehe aus Edelstahl der Güte 304; andere Werkstoffe werden jedoch ebenfalls benutzt, und der bevorzugte Tiegel 14 ist aus Grafit angefertigt. Die eingesetzten Fasern bestehen vorzugsweise aus Siliziumkarbid. Wenn die Werkzeugkammer 18 sich in Flüssigkeitsverbindung mit dem Tiegel 14 befindet, kann geschmolzenes Material 16 aus dem Tiegel 14 in die Werkzeugkammer 18 gesaugt werden, während das Evakuier- und Druckbeaufschlagungsmittel das Gefäß 12 mit Druck beaufschlagt. Bei der Anwendung von Siliziumkarbidfasern und geschmolzenem Aluminium betragen typische Drücke 1450 Pa - 2900 Pa (1000 PSI - 2000 PSI) und vorzugsweise 1885 Pa - 2175 Pa (1300 PSI - 1500 PSI). Die Höhe des erforderlichen Drucks hängt mit dem Volumenprozentsatz an Fasern zusammen. Im Allgemeinen läßt sich sagen, daß je mehr Fasern jede Volumeneinheit enthält, desto höherer Druck erforderlich ist, um das geschmolzene Material zwischen die Fasern zu zwingen.
Die Vorrichtung umfaßt außerdem ein Mittel 16 zur Erhitzung des Materials im Tiegel 14 und der Faseranordnungs-Vorform 20 in der Werkzeugkammer 18, so daß das Material 16 im Tiegel 14 geschmolzen wird und geschmolzen bleibt, wenn es in die Werkzeugkammer 18 hinaufgesaugt wird, während das Evakuier- und Druckbeaufschlagungsmittel das Gefäß 12 evakuiert, und wenn es in die Faseranordnungs-Vorform 12 gezwungen wird, während das Evakuier- und Druckbeaufschlagungsmittel das Gefäß 12 mit Druck beaufschlagt. Das bevorzugte Meizmittel ist im Gefäß 12 angeordnet. Das Meizmittel sollte genügend Wärme erzeugen, um das Material in geschmolzenem Zustand zu halten. Bei Verwendung von Aluminium zum Beispiel sollte die Temperatur mehr als 600ºC betragen und vorzugsweise zwischen 650ºC und 700ºC liegen.
Das bevorzugte Evakuier- und Druckbeaufschlagungsmittel weist ein Mittel 22 zur Evakuierung des Gefäßes und ein Mittel 24 zur Druckbeaufschlagung des Gefäßes auf, wie z.B. eine Vakuumpumpe 23 bzw. eine Druckpumpe 25. Das Evakuiermittel 22 steht in Flüssigkeitsverbindung mit der Werkzeugkammer 18 im Gefäß 12, während das Druckbeaufschlagungsmittel in Flüssigkeitsverbindung mit dem Gefäß 12 steht. Das bevorzugte Heizmittel enthält einen Formofen 26 zur Erhitzung der Werkzeugkammer 18 sowie einen Tiegelofen 28 zur Erhitzung des Tiegels 14. Der bevorzugte Formofen 26 umschließt die Werkzeugkammer 18, während der bevorzugte Tiegelofen 28 den Tiegel 14 umschließt, um eine im wesentlichen gleichmäßige Erhitzung der Werkzeugkammer 18 bzw. des Tiegels 14 zu bewirken. Es sollte jedoch erwähnt werden, daß der Formofen 26 für die wirksame Funktion der Vorrichtung nicht erforderlich ist.
Das bevorzugte Evakuiermittel 22 umfaßt einen Schnorchel 30, welcher mit der Werkzeugkammer 18 in Flüssigkeitsverbindung steht, aus dieser austritt und aus dem Gefäß 12 herausragt. Das bevorzugte Evakuiermittel 22 umfaßt auch ein Mittel zur Verfestigung des geschmolzenen Materials 16 und des Schnorchels 30, so daß ein Erstarrungspfropfen entsteht, wenn das geschmolzene Material 16 in den Schnorchel 30 eingesaugt wird. Das bevorzugte Evakuiermittel 22 enthält einen wassergekühlten Kopf 34, der sich in thermischer Verbindung mit dem Schnorchel 30 befindet. In einer Ausführung dieser Art verfestigt sich das geschmolzene Material und formt den Erstarrungspfropfen, indem es sich neben den Kopf 34 bewegt. Der Kopf 34 kann nun benutzt werden, um, wie oben gezeigt, eine Erstarrung in einer Richtung vom Pfropfen ausgehend und an der Form entlang abwärts zu beginnen, damit beispielswelse eine etwaige Metallschrumpfung während der Erstarrung durch die Zufuhr zusätzlichen Metalls aus dem Tiegel ausgeglichen werden kann.
Die bevorzugte Werkzeugkammer 18 umfaßt ein Zufuhrrohr 38, welches in Flüssigkeitsverbindung mit derselben steht und daraus hervorragt. Das Zufuhrrohr ist im Gefäß 12 vorgesehen. Der Tiegel 14 steht über das Zufuhrrohr 38 in einer Weise mit der Werkzeugkammer 18 in Flüssigkeitsverbindung, daß geschmolzenes Material 16 aus dem Tiegel 14 in die Werkzeugkammer 18 gesaugt werden kann, während die Vakuumpumpe 23 das Gefäß 12 evakuiert und das Innere der Werkzeugkammer 18 flüssigkeitsdicht gegen direkte Verbindung mit dem Innenraum des Gefäßes 12 isoliert ist. Dabei ist zu beachten, daß die Druckpumpe auch dazu benutzt werden kann, durch Druckbeaufschlagung des Gefäßes 12 und Hineindrücken des geschmolzenen Materials 16 aus dem Tiegel 14 in die Werkzeugkammer 18 beim Füllen der Werkzeugkammer 18 mit geschmolzenem Material 16 zu helfen.
In einer weiteren Ausführung können die Faseranordnungs- Vorformen 20 auch vor ihrem Einsatz im Gefäß erhitzt und evakuiert werden, und zwar mit Hilfe einer Foliendichtung 41, die am Boden des Zufuhrrohrs 38 instralliert ist, wie FIG. 13 zeigt. Die Foliendichtung kann beispielsweise aus demselben Werkstoff 16 wie das Material 16 im Tiegel 14 bestehen. Die Foliendichtung 41 schmilzt, wenn sie in den mit geschmolzenem Material 16 gefüllten Tiegel 14 eingeführt wird, wodurch der Innenraum der Werkzeugkammer 18 feuchtigkeitsdicht gegen eine direkte Verbindung zum Innenraum des Gefäßes isoliert wird und das Material 16 in das Zufuhrrohr 38 fließt. In einer solchen Ausführung kann das Material nach dem Einsetzen des Zufuhrrohrs 38 geschmolzen werden, wodurch die Notwendigkeit eines Ofens order eines Tiegelhebers 40 fortfällt.
Die bevorzugte Vorrichtung 10 umfaßt einen Tiegelheber 40, der mit dem Tiegel 14 verbunden ist und zum Anheben des Tiegels 14 in einer Weise dient, daß dieser mit dem Zufuhrrohr 38, das aus der Werkzeugkammer 18 hervorragt, in Flüssigkeitsverbindung tritt, wie FIG. 2 und FIG. 3 zeigen. In den Abbildungen 2 und 3 werden schematisch Querschnitte einer Vorrichtung 10 gezeigt, in welcher sich der Tiegel 12 nicht in Flüssigkeitsverbindung mit dem Zufuhrrohr 38 befindet bzw. in welcher sich der Tiegel 12 in Flüssigkeitsverbindung mit dem Zufuhrrohr 38 befindet, nachdem der Tiegelheber 40 den Tiegel 14 angehoben hat (Hier ist zu beachten, daß FIG. 1, 2 und 3 maßstabsgerecht gezeichnet wurden, so daß das Verhältnis der verschiedenen Elemente und Strukturen unabhängig von der tatsächlich gewählten Größe definiert sind).
Die bevorzugte Vorrichtung 10 wird mit Wasser gekühlt, zum Beispiel durch um das Gefäß 12 herum angeordnete Rohrleitungen 42. Die bevorzugte Vorrichtung 10 weist auch eine Isolierung 44 auf, die im Gefäß 12 vorgesehen ist und den Werkzeugofen und den Tiegelofen 28 umschließt, um die Wärme darin aufrechtzuerhalten.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Materials. Das Verfahren besteht aus den folgenden Schritten: Plazieren der Faseranordnungs-Vorform 20 in die Werkzeugkammer 18 des Druckgefäßes 12; Plazieren des Materials 16 in den Tiegel 14 des Druckgefäßes 12, wie FIG. 4 zeigt; dann das Evakuieren des Druckgefäßes 12 durch die Werkzeugkammer 18 und das Schmelzen des Materials 16 im Tiegel 14, wie FIG. 5 zeigt; anschließend wird der Tiegel 14 mit der Werkzeugkammer 18 in Flüssigkeitsverbindung gesetzt, wie FIG. 6 zeigt; danach wird das Gefäß 12 mit Druck beaufschlagt, während es kontinuierlich in einer Weise evakuiert wird, daß das geschmolzene Material 16 in die Werkzeugkammer 18 gesaugt und in die Faseranordnungs-Vorform 20 gedrückt wird, wie FIG. 7 und 8 zeigen. Der Schritt des Beaufschlagens sollte vorzugsweise auch den Schritt der Regelung der Geschwindigkeit, mit welcher der Druck aufgebaut wird, umfassen, so daß der Druck in der Werkzeugkammer 18 genügend Zeit hat, ein momentanes Gleichgewicht mit dem Druck im Gefäß 12 anzustreben.
Vor dem Schritt der Beaufschlagung erfolgt vorzugsweise das Entstehen eines Erstarrungspfropfens in einer Weise, daß eine weitere Evakuierung des Druckgefäßes 12 verhindert wird, wie FIG. 8 zeigt, und das geschmolzene Material daran gehindert wird, durch den Schnorchel 30 aus dem Gefäß 12 auszutreten. Nachdem sich der Erstarrungspfropfen gebildet hat, wird das geschmolzene Material 16 dank der kontinuierlichen Druckbeaufschlagung des Gefäßes 12 durch die Druckpumpe 25 durch das Zufuhrrohr 38 in die Werkzeugkammer 18 gedrückt. Diese kontinuierliche Druckbeaufschlagung veranlaßt das geschmolzene Material 16, in die Faseranordnungs-Vorform 20 einzudringen und allmählich die Faseranordnungs-Vorform 20 zu füllen, wie FIG. 9 und 10 zeigen.
Da sich die Werkzeugkammer 18 und der Tiegel 14 ebenso wie der Werkzeugofen 26 und der Tiegelofen 28 im Innenraum des Gefäßes 12 befinden, muß das Druckgefäß 12 lediglich genügend Festigkeit besitzen, um den sich unter dem Druck der Druckpumpe 25 aufbauenden, inneren Kräften zu widerstehen. Da der Druck im Druckgefäß 12 jedoch im wesentlichen überall gleich ist, besteht durch die Regulierung der Geschwindigkeit der Druckbeaufschlagung in einer Weise, daß der Druck in der Werkzeugkammer genügend Zeit hat, ein momentanes Gleichgewicht mit dem Druck um Druckgefäß anzustreben, zu jeder Zeit nur ein geringer Druckunterschied zwischen dem Innenraum der Werkzeugkammer 18 und dem Innenraum des Druckgefäßes 12. Damit reduziert sich die Sorge um die Festigkeit der Werkzeugkammer und die Dichtungen auf ein Minimum. Dieser geringe Druckunterschied zwischen dem Innenraum der Werkzeugkammer 18 und dem Innenraum des Druckgefäßes 12 wird möglichst niedrig gehalten, da das geschmolzene Material 16 in Mengen, welche dem auf das geschmolzene Material 16 ausgeübten Druck entsprechen, durch die Druckpumpe 25 in die Werkzeugkammer 18 gedrückt wird.
Sobald die Faseranordnungs-Vorform 20 mit geschmolzenem Material 16 gesättigt ist, wird die Temperatur in der Werkzeugkammer 16 abgesenkt, um das geschmolzene Material 16 erstarren zu lassen. Anschließend wird der Druck entlastet und die Vorform 20 aus dem Druckgefäß 12 entfernt.
Beim Betrieb der bevorzugten Ausführung wird der Tiegel 14 mit Aluminium beladen und in das Gefäß 12 gestellt, welches dann mit VITON Hochtemperatur-Dichtungen abgedichtet wird, wie FIG. 4 zeigt. Der Tiegelofen 28 und der Werkzeugofen 26 werden aktiviert, um das Aluminium im Tiegel 14 zu schmelzen. Zugleich wird die Vakuumpumpe 23 aktiviert und evakuiert das Gefäß 12 durch die Werkzeugkammer 18, wie FIG. 5 zeigt. Wie FIG. 1 deutlicher zeigt, evakuiert die Vakuumpumpe 23 das Druckgefäß 12 durch die Werkzeugkammer 18, indem die im Gefäß 12 befindliche Flüssigkeit zuerst durch das Zufuhrrohr und danach durch die Werkzeugkammer 18 und schließlich durch den Schnorchel 30 gesaugt wird. Durch das Evakuieren der Vorform 20 wird die Möglichkeit einer Entstehung von Hohlstellen im faserverstärkten Material, nachdem das geschmolzene Material 16 in die Vorform 20 eingesickert ist, verringert.
Wenn das Aluminium im Tiegel 14 geschmolzen ist, wird der Tiegelheber 40 aktiviert und veranlaßt den Tiegel 14, in Flüssigkeitsverbindung mit dem Schnorchel 30 zu treten, wodurch der Innenraum der Werkzeugkammer gegen eine direkte Verbindung mit dem Innenraum des Gefäßes isoliert wird, so daß das geschmolzene Aluminium unter der Einwirkung der Vakuumpumpe durch den Schnorchel 30 aus dem Tiegel 14 in die Werkzeugkammer 18 gesaugt werden kann, wie FIG. 6 und 7 zeigen. Gleichzeitig beginnt die Druckbeaufschlagung des Gefäßes mit Stickstoffgas, um dabei zu helfen, das Aluminium in das Zufuhrrohr zu drücken. Während die Vakuumpumpe 23 weiterhin Flüssigkeit aus dem Gefäß 12 saugt und das Aluminium durch das Zufuhrrohr 38 in die Werkzeugkammer 18 gesaugt wird, wo es die Faseranordnungs-Vorform 20 umschließt und mit dem wassergekühlten Kopf im Schnorchel 30 in Berührung kommt, entsteht ein Erstarrungspfropfen.
Sobald das geschmolzene Aluminium unter der Einwirkung der Vakuumpumpe 23 die Werkzeugkammer 18 so weit wie möglich gefüllt hat, pumpt die Druckpumpe 25 Stickstoffgas in das Gefäß 12, wie FIG. 8 zeigt. Der Druck im Gefäß 12 wird dadurch im gesamten Gefäß 12, insbesondere an der Oberfläche des geschmolzenen Aluminiums im Tiegel 14, erhöht. Da das geschmolzene Aluminium im Tiegel 14 das unter Druck stehende Gas im Gefäß 12 daran hindert, in das Zufuhrrohr 38 einzudringen und die Werkzeugkammer 18 zu erreichen, weil der Innenraum der Werkzeugkammer 18 flüssigkeitsdicht gegen direkte Verbindung mit dem Innenraum des Druckgefäßes isoliert ist, entsteht zwischen dem Innenraum des Gefäßes 12 und dem Innenraum der Werkzeugkammer 18 ein Druckdifferential. Dieses Druckdifferential führt dazu, daß das geschmolzene Aluminium durch das Zufuhrrohr 38 und in die Werkzeugkammer 18 hinaufgedrückt wird, wie FIG. 9 zeigt. Die Menge geschmolzenen Aluminiums, die in die Werkzeugkammer 18 und daher auch in die Faseranordnungs-Vorform 20 gedrückt wird, entspricht dem Druck im Gefäß 12 an der Oberfläche 48 des geschmolzenen Aluminiums im Tiegel 14. Je höher der Druck im Gefäß, desto mehr Flüssigkeit wird in die Werkzeugkammer 18 und die Faseranordnungs-Vorform 20 gedrückt, um den Druckunterschied zwischen dem Innenraum der Vorformkammer 20 und dem Innenraum des Gefäßes 12 auszugleichen, wie FIG. 9 zeigt. Wenn das Aluminium in die Faseranordnungs-Vorform 20 gedrückt wird, gleicht sich der Druck zwischen dem Innenraum der Faseranordnungs-Vorform 20 und dem Innenraum des Gefäßes 12 selbst auf. Durch eine Regelung der Geschwindigkeit der Druckbeaufschlagung wird es möglich, den Unterschied zwischen dem Druck innerhalb und außerhalb der Faseranordnungs-Vorform 20 zu regulieren. Je langsamer diese Geschwindigkeit, desto niedriger ist der Druck, welchem die Außenseite der Form ausgesetzt wird, weshalb die Wand dünner und weniger fest sein darf. Rascher Druckaufbau hingegen erfordert dicke Wände, um dem Druck, dem die Wände der Werkzeugkammer ausgesetzt sind, zu widerstehen.
Während das geschmolzene Aluminium die Faseranordnungs- Vorform 20 füllt, wird es ebenfalls in den Schnorchel 30 gedrückt. Wenn das geschmolzene Aluminium das obere Ende des Schnorchels erreicht, verursacht der wassergekühlte Kopf 34 eine Erstarrung des geschmolzenen Aluminiums im Schnorchel 30 im Umfeld des wassergekühlten Kopfes 34. Diese Erstarrung des geschmolzenen Aluminiums verursacht die Bildung des Erstarrungspfropfens. Die Erstarrung des geschmolzenen Aluminiums setzt sich wie eine Welle vom Erstarrungspfropfen her zur Faseranordnungs-Vorform 20 und zum Tiegel 14 fort, wie FIG. 10 zeigt. Die Druckpumpe 25 wird dann ausgeschaltet, und die Werkzeugkammer 18 mit der darin befindlichen Faseranordnungs- Vorform 20 wird aus dem Druckgefäß 12 entfernt. Das Gefäß 12 wird für die Dauer des Prozesses in einem Stützrahmen 46 gehalten, wie FIG. 12 zeigt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Teils, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

Plazieren einer Verstärkung 20 in eine Werkzeugkammer 18, die sich in einem Druckgefäß 12 befindet;

Abdichten des Druckgefäßes 12 mit der die Verstärkung 20 enthaltenden Werkzeugkammer 18;

Aufheizen eines schmelzbaren Materials 16 im Druckgefäß 12, wobei dieses Material 16 in die Verstärkung 20 sickern und in geschmolzenen Zustand übergehen soll;

Druckbeauf schlagung des Druckgefäßes 12;

Infiltrieren der Verstärkung 20 in die Werkzeugkammer mit dem geschmolzenen Material 16; und

Erstarrung des geschmolzenen Materials 16, das die Verstärkung 20 umgibt und in sie hineinsickert:

Wobei nach der Druckbeaufschlagung und vor dem Erstarrungsschritt ein Schritt eingefügt ist, durch den die Verstärkung 20 in der Werkzeugkammer 18 unter Einwirkung des Drucks im Druckgefäß 12 min dem Material 16 in geschmolzenem Zustand umgeben wird, und wobei der Infiltrier-Schritt nach der Umschließung der Verstärkung 20 durch das geschmolzene Material 16 den Schritt des Infiltrierens der Verstärkung 20 in die Werkzeugkammer 18 umfaßt.

2. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, gekennzeichnet dadurch, daß auf den Erstarrungsschritt die Entnahme der Verstärkung 20 aus dem Druckgefäß 12 mit dem in diese eingesickerten und sie mit einer Haut des Materials 16 umschließenden, erstarrten Material 16 folgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Erhitzung der Werkzeugkammer 18 auf eine Temperatur, die das Material 16 in geschmolzenem Zustand hält.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haut des Materials 16 eine reine Haut aus dem Material 16 ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material 16 ein Metall ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Aluminium ist und daß die Haut eine reine Aluminiumhaut ist.