DE69628578T2 - Herstellen von werkzeugen durch thermisches spritzen - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Technik des Herstellens von Werkzeugen durch thermisches Spritzen bzw. Aufsprühen von Metallen.
  • Industrielle Prozesse, wie beispielsweise die Formgebung und das Auflagern bzw Auftragen von Compositwerkstoffen, erfordert Werkzeuge, die Gestalten bzw. Formen haben, die speziell für den herzustellenden Gegenstand ausgebildet sind. Beispielsweise kann ein Compositgegenstand in einer Form ausgebildet werden, die eine Innengestalt hat, welche der Gestalt des gewünschten Gegenstands entspricht. Werkzeuge zur Herstellung kleiner Teile werden oftmals aus festen bzw. massiven Metallen gearbeitet unter Verwendung herkömmlicher Bearbeitungstechniken. Diese Techniken sind unpraktisch im Falle sehr großer Formen, die Abmessungen von einem Meter oder mehr haben. In vielen Industriezweigen bestand eine zunehmende Notwendigkeit nach großen Formen und insbesondere in der Luftfahrtindustrie bei zunehmendem Vorherrschen von strukturellen Compositwerkstoffen bei Flugwerken bzw. Flugzeugrahmen. Für Flugzeugrahmen verwendete Compositteile müssen genauen Standards in Bezug auf Passung und Finish genügen und beinhalten oftmals komplex gekrümmte Oberflächen. Überdies müssen gewisse besonders geeignete Compositwerkstoffe, wie beispielsweise kohlefaserverstärkte Graphitwerkstoffe, bei relativ hohen Temperaturen geformt werden. Formen, die aus Nickellegierungen geformt sind, die niedere thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, sind zum Formen dieser Werkstoffe bevorzugt. Die Kosten für die Bearbeitung sehr großer Formen aus festen bzw. massiven Blöcken dieser Metalle sind untragbar.
  • Verschiedene Vorschläge wurden unterbreitet in Bezug auf das Formen von Werkzeugen durch Vorsehen einer Matrix, die eine Gestalt hat, die derjenigen des Teils entspricht, und dann Abscheiden von Metall auf der Matrix zum Ausbilden bzw. Formen des Werkzeugs. Beispielsweise können Werkzeuge durch ein Verfahren hergestellt werden, das als elektroerosive Metallbearbeitung bekannt ist, bei dem das das Werkzeug bildende Metall auf die Matrix elektroplattiert wird, bis sich eine ausreichende Dicke an Metall aufgebaut hat. Die elektroerosive Metallbearbeitung ist langsam und teuer und für sehr große Werkzeuge unpraktisch. Überdies können viele Metalle, die für die Bearbeitung nützlich sind, wie beispielsweise rostfreier Stahl und gewisse Nickel enthaltende Legierungen, nicht leicht elektroerosiv bearbeitet werden.
  • Es wurde auch vorgeschlagen, Werkzeuge durch thermisches Spritzen bzw. Sprühen von Metallen auf die Matrix herzustellen. In dieser Offenbarung bezeichnet der Begriff "thermisches Spritzen bzw. thermisches Sprühen" ein Verfahren, bei dem ein Metall erhitzt wird, um sich in Tröpfchen aus geschmolzenem Metall umzuwandeln; die Tröpfchen werden auf eine feste Matrix gesprüht und die abgeschiedenen Tröpfchen verfestigen sich. Beispiele für thermisches Sprühen beinhalten das Spritzmetallisieren, bei dem das Metall geschmolzen wird, um die Tröpfchen zu bilden, indem es durch eine Flamme geführt wird; das Bogen- bzw. Lichtbogenspritzen, bei dem das Metall geschmolzen wird, indem es durch einen elektrischen Lichtbogen durchgeführt wird und das Plasmaspritzen, bei dem das Metall geschmolzen wird durch den Kontakt mit einem heißen Plasma. Der Artikel Spray Metal Composite Tooling von Thorp et al., 26. Nationales SAMPE Symposium, 28.–30. April 1981 (Seiten 374–387) und der Progress Report: Zarge Sprayed Metal Composite Tooling, ebenfalls von Thorp et al., 27. Nationales SAMPE Symposium, 1982 (Seiten 854– 864) beschreiben die Herstellung von Werkzeugen zum Erstellen großer Epoxy-Glasfaser-Compositgegenstände durch Sprühen eines relativ niedrig schmelzenden Metalls, das als Kirksit bekannt ist, auf einen kunststoffbeschichteten Gipsdorn und dann Auftragen eines wabenartigen Compositträgers auf der Außenseite des gesprühten Kirksits und Entfernen des Dorns. Martyniak, Prototype and Limited Production, Spray Metal Tools for Injection and Blow Molding, Technical Paper PE 93-165, Society of Manufacturing Engineers, 1993 beschreibt das Ausbilden von Kunststoffformen durch Sprühen von Zink auf eine Matrix und das rückseitige Verstärken des aufgesprühten Zinkmantels mit Hilfe eines Epoxys zwecks struktureller Verstärkung. Das U.S. Patent 3,784,451 Garner offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer gespritzten Metallform, wie beispielsweise einer gespritzten Zinkform, bei welcher der gespritzte Metallmantel, wie beispielsweise ein Zink- oder Aluminiummantel, imprägniert wird mit einem Polymerharz und elektroplattiert wird, um eine glatte Oberfläche zu liefern. Das U.S. Patent 5,189,781 offenbart die Herstellung einer Matrix zum thermischen Sprühen durch computerbetriebene Festmodelliertechniken. Hier jedoch ist das gesprühte Metall ein relativ niedrig schmelzendes Material, wie beispielsweise ein legierter Zinkwerkstoff. Das U.S. Patent 4,777,002 Putz offenbart ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Form durch Sprühen von Stahl auf einen Formkern, der zunächst beschichtet wurde mit einer wasserlöslichen Trennschicht; Auftragen eines Verstärkers bzw. Trägers auf der gesprühten Schicht aus Stahl und dann Trennen der Verstärkungs- und Stahlschicht durch Lösen der wasserlöslichen Schicht.
  • Das U.S. Patent Nr. 1,813,880 offenbart eine Spritzvorrichtung zum Sprühen von geschmolzenem Metall auf einen Reifen bei Drehung des Reifens. Die Vorrichtung wird mit Hilfe einer Handhabe bzw. eines Handgriffs manipuliert und arbeitet so, daß sie fortwährend den Strahl aus geschmolzenem Metall aus der Düse der Vorrichtung ausstößt. Die Spritzvorrichtung wird jedoch um den kleineren Umfang des Reifens manipuliert bzw. betätigt, um den Reifen mit Metall zu überziehen. Es findet sich dort keine Offenbarung dahingehend, Metall aus unterschiedlichen Sprührichtungen auf dem gleichen Bereich des Reifens abzuscheiden.
  • U.S. Patent 5,073,589 Milovich et al. beschreibt einen Harzträger für ein gespritztes Metallwerkzeug zur Verwendung bei Temperaturen von bis etwa 750°C. Die Harzträgerzusammensetzung wird auf der hinteren Oberfläche eines Metallmantels angeordnet. Der Metallmantel wird gebildet durch Spritzen einer Matrix oder eines Musters mit Metallen, wie beispielsweise Zinn, Zink, Aluminium oder Stahllegierungen. Milovich, Metal-Faced Composite Tooling, Paper TE-89-507, Society of Manufacturing Engineers, 1989 hält fest, daß die "Spritzmetallbearbeitung" in der einen oder anderen Form "während der letzten vierzig Jahre von nahezu jedem Flugzeughersteller" ausprobiert wurde und hält ferner fest, daß "der Mangel an Erfolg und folglich die Nichtannahme durch die Industrie im allgemeinen eher als Beitrag der schlechten Eigenschaften der Grundwerkstoffe angesehen wurden als beruhend auf nicht ausreichendem Material und einer Prozeßentwicklung, welche dieses wenig bekannte Feld kennzeichnet". Das Papier fährt fort, über Messungen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Metaller zu berichten, die von einer Zinn-/Zinklegierung (Schmelztemperatur von 455°F) bis zu Nickellegierungen (Schmelztemperaturen etwa 2700°F) reichen und berichtet ferner von der Herstellung von Demonstrationswerkzeugen aus Aluminiumbronze. Milovich, Fabrication and Analysis of Invar/Faced Composites for Tooling Applications, SME Conference: Tooling for Composites 93, 18.–19. Januar 1993, Pasadena, Kalifornien berichtet von der Herstellung dünner Testplatten aus einer Nickellegierung, bezeichnet als Invar, durch thermisches Spritzen der Legierung auf eine monolithe Graphitmatrix. Die Referenz hält fest, daß der Invar dünn gemacht werden muß, um durch Schrumpfung des Invars nach dem thermischen Spritzen bewirkte abmessungsmäßige Änderungen zu reduzieren.
  • Trotz dieser und anderer Bestrebungen im Stand der Technik war es jedoch vor der vorliegenden Erfindung praktisch nicht möglich, Werkzeuge vorzusehen, die geeignet sind für die Herstellung großer Compositgegenstände bei hohen Schmelztemperaturen durch thermisches Spritzen von Metallen. Insbesondere wurde kein wirklich zufriedenstellendes Verfahren zur Werkzeugherstellung gefunden für die Herstellung großer, relativ dicker Mäntel, welche die Festigkeits- bzw. Stärkeeigenschaften haben, die erforderlich sind für das Ausbilden großer Compositteile, wie denjenigen, wie sie in der Luftfahrtindustrie Anwendung finden. Überdies war es besonders schwierig, derartig große, dicke Mäntel in Metallen auszubilden, die relativ hohe Schmelzpunkte haben, wie beispielsweise rostfreier Stahl und Nickellegierungen. Daher bestanden vor der vorliegenden Erfindung wesentliche, nicht erfüllte Notwendigkeiten hinsichtlich der weiteren Verbesserung der Techniken der Herstellung von Werkzeugen mittels thermischem Spritzens von Metallen und es gab entsprechende Notwendigkeiten für Verbesserungen bezüglich der Werkzeuge selbst.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung liefert Verfahren zur Herstellung von Formen. Ein bevorzugtes Verfahren in Übereinstimmung mit diesem Aspekt der Erfindung beinhaltet den Schritt des Vorsehens einer Matrix mit einer zu formenden Gestalt. Die Matrix kann aus jedem geeigneten Werkstoff bzw. Material gebildet sein, wie beispielsweise einer leicht bearbeitbaren Polymerzusammensetzung oder einer gießbaren, mehrkomponentigen Polymerzusammensetzung. Verfahren gemäß diesem Aspekt der Erfindung beinhalten des weiteren den Schritt des Abscheidens eines Metalls auf der Matrix durch Sprühen des Metalls in geschmolzener Form aus einer Spritzpistole, während die Spritzpistole relativ zu der Matrix derart bewegt wird, daß die Spritzpistole in einer Bewegungsrichtung zurück und vor über die Matrix gelangt. Die Spritzpistole verschiebt sich in einer Schrittrichtung quer zu der Bewegungsrichtung zwischen Durchgängen. Das geschmolzene Metall wird aus der Spritzpistole in einer Sprührichtung ausgestoßen. Am bevorzugtesten beinhaltet das Verfahren den Schritt des Drehens der Pistole zwischen Durchgängen, um die Sprührichtung zu ändern. Die Bewegung der Spritzpistole relativ zu der Matrix wird derart gesteuert, daß Metall während aufeinanderfolgenden Durchgängen in überlappenden Bereichen abgeschieden wird. Daher wird während zumindest einigen der aufeinanderfolgenden Durchgänge Metall in dem gleichen Bereich der Matrix aus zwei Sprührichtungen in einem sich kreuzenden Muster abgeschieden. Das abgeschiedene Metall bildet einen Mantel auf der Matrix. Nach dem Abscheiden wird der Mantel von der Matrix entfernt.
  • Bevorzugte Verfahren gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung können robuste, dicke Metallmäntel ausbilden von im wesentlichen jeder gewünschten Größe, welche genau die Gestalt der Matrix reproduzieren. Diese Mäntel können als Formen zum Herstellen verschiedenster Gegenstände verwendet werden. Obgleich die vorliegende Erfindung dazu verwendet werden kann, um im wesentlichen jede Größe oder Dicke an gewünschtem Mantel herzustellen, ist sie insbesondere nützlich beim Ausbilden relativ dicker, selbsttragender Mäntel, vorzugsweise mit mehr als etwa 3 mm Dicke und besonders bevorzugt von etwa 8 mm Dicke oder mehr. Ebenso sind die bevorzugten Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung besonders nützlich bei der Ausbildung großer Mäntel, die Längen- und Breitenabmessungen von etwa 0,5 mm oder mehr haben und die einen Bereich von wenigstens etwa einem Quadratmeter umfassen. Bevorzugte Verfahren gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung können dazu verwendet werden, um Formen aus im wesentlichen jeglichem Metall herzustellen. Sie sind jedoch insbesondere nützlich bei der Herstellung von Formen aus Metallen, die Schmelzpunkte haben von mehr als etwa 400°C, und Metalle, die im wesentlichen höhere Schmelzpunkte haben, wie beispielsweise oberhalb etwa 1000°C, können unter Anwendung des Verfahrens ebenfalls zu Formen ausgebildet werden. Metalle, die eine oder mehrere Metallkomponenten beinhalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Nickel, Zink, Aluminium und Kupfer, können Verwendung finden.
  • Besonders bevorzugte Anwendungen für das Verfahren beinhalten die Herstellung von Formen aus rostfreiem Stahl und aus Nickellegierungen, wie beispielsweise Nickel-Eisenlegierungen. Beispielsweise haben Nickel-Eisenlegierungen, die etwa 30% bis etwa 55% und besonders bevorzugt etwa 36% bis etwa 50% Nickel beinhalten, niedrige thermische Ausdehnungskoeffizienten und sind besonders erwünschte Werkstoffe für große Formen zur Verwendung bei hohen Temperaturen. Bislang war es nicht praktisch, große, dicke, robuste Formen aus diesen Werkstoffen durch thermisches Spritzen bzw. Sprühen herzustellen. Obgleich die vorliegende Erfindung nicht durch irgendeine Theorie in Bezug auf den Betrieb beschränkt ist, wird geglaubt, daß die beim Sprühschritt verwendeten speziellen Techniken, einschließlich des kreuzweise sich überlappenden Sprühmusters, einen erhöhten Widerstand gegenüber einer Verwerfung und Verzerrung des gesprühten Metallmantels liefern.
  • Das Verfahren kann das Auftragen des gesprühten Metalls in zwei oder mehreren Stufen beinhalten, am bevorzugtesten drei Stufen. In der ersten und dritten Stufe wird das gesprühte Metall relativ langsam aufgetragen bei relativ geringem Leistungsverlust der thermischen Spritzpistole und relativ geringer Bewegungsgeschwindigkeit der Spritzpistole über die Matrix. In der zweiten Stufe wird das gesprühte Metall mit höherer Rate aufgetragen, mit höherem Leistungsverlust der Spritzpistole und schnellerer Bewegung der Spritzpistole über die Oberfläche. Die während der ersten Stufe zugrundeliegenden Verhältnisse liefern eine feine Replikation der Oberflächenkonturen und die Ausbildung einer an der Matrix angrenzenden, dichten Metallschicht, ohne daß die Matrix überhitzt wird. Die im zweiten Zustand verwendeten Verhältnisse liefern einen schnellen Aufbau an Metall zwecks Ausbildung des dicken, robusten Mantels. Je nach Wunsch kann der Mantel in einer "dochtartigen" oder "nichtdochtartigen" Form hergestellt werden. In Zusammenhang mit dieser Offenbarung und unter Bezugnahme auf eine Formkomponente bedeutet der Begriff "dochtartig" bzw. "wickable", daß die Komponente ausreichende Durchlässigkeit gegenüber Gasen aufweist, um bei einem Formgebungsvorgang entstehende, flüchtige Stoffe zu verteilen, wohingegen der Begriff "nicht-dochtartig" bedeutet, daß dem Mantel dieses Maß an Gasdurchlässigkeit fehlt. Um die Mäntel nicht-dochtartig werden zu lassen, können die Mäntel imprägniert werden mit Polymerwerkstoffen oder mit Metallen, wie beispielsweise Nickellegierungen, die durch reduktiv chemisches Plattieren oder durch Elektroplattieren bwz. elektroerosiv aufgetragen werden können. Alternativ oder zusätzlich können die Mäntel imprägniert werden mit Polymerwerkstoffen, wie beispielsweise den Homopolymeren und Copolymeren von Monomeren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Tetrafluorethylen, Fluorethylenpropylen, Perfluoralkoxyethylen, Acrylen, Vinylidenfluoriden und Amiden.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liefert Metallmäntel, gebildet von per Sprühen abgeschiedenen Metallen, die Kombinationen an Eigenschaften haben, die bislang bei Mänteln, die mittels Abscheiden von Metall durch Sprühen nicht erzielbar waren. Bevorzugte Mäntel gemäß diesem Aspekt der Erfindung beinhalten jene, die Längen- und Breitenabmessungen von wenigstens etwa 0,5 Metern haben; eine Dicke von wenigstens etwa 3 mm haben und aus einem mittels Sprühen abgeschiedenen Metall gebildet sind, das eine Schmelztemperatur von wenigstens etwa 500°C und bevorzugt wenigstens etwa 1000°C hat.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine diagrammartige Schnittansicht in Darstellung einer Matrix und eines Mantels, die in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung Verwendung finden.
  • 2 ist ein Diagramm in Darstellung der Spritzpistolenbewegung und der Abdeckung mittels Sprühen in dem Ausführungsbeispiel der 1
  • 3 ist eine diagrammartige Ansicht des in Übereinstimmung mit den Ausführungsbeispielen der 12 gebildeten Mantels.
  • 4 ist eine diagrammartige Ansicht in Darstellung des Mantels der 3 bei einer Formgebung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Ein Verfahren in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet eine Matrix 10, die einen Hohlraumbereich 12 hat, der die Gestalt des zu formenden Teiles zeigt. Die Matrix 10 beinhaltet des weiteren Randbereiche 14, welche den Hohlraumbereich 12 begrenzen und Seitenwände 16, die von den Randbereichen 14 sowie dem Hohlraumbereich 12 vorragen. Die Seitenwände 16 haben Draft- bzw. Ziehwinkel, bevorzugt zwischen etwa 3°– 5° oder mehr. Vorzugsweise sind die Randbereiche 14 etwa 2 Inch (5 cm) breit oder breiter. In wünschenswerter Weise ist die Matrix 10 gebildet aus einem Werkstoff bzw. Material, das eine nützliche strukturelle Festigkeit bis hin zu etwa 220°F (104°C) oder mehr hat. Hochtemperatur-Epoxy-Compositwerkstoffverbindungen, wie diejenigen, die verkauft werden unter der Bezeichnung EL-325HTTC-Epoxy-Compositwerkstoffverbindungen durch Adtech Corporation aus Charlotte, Michigan können Verwendung finden. Derar tige Epoxidharze werden kommerziell zur Verfügung gestellt als Zwei-Komponentensysteme, die gemischt werden und dann zur Form gegossen und gehärtet werden können. Alternativ kann das Gemisch zu einem Block gegossen und dann zur gewünschten Gestalt bearbeitet werden. Andere geeignete Werkstoffe werden verkauft unter der Marke REN SHAPE von der Ciba-Geigy Corporation aus Ardsley, New York und von Ren Plastics, Inc. aus Lansing, Michigan. Der REN SHAPE Werkstoff wird im allgemeinen in Form von Platten oder in vorgefertigten Formen geliefert, die dann auf die gewünschte Gestalt für die Form bearbeitet werden können. Andere leicht formbare oder bearbeitbare Werkstoffe, einschließlich Metallen, wie beispielsweise Aluminium oder Messing oder Graphit, können verwendet werden. Die gewünschte Gestalt für den Hohlraumbereich kann in Form von Computerdaten geliefert werden und die Matrix kann auf die Gestalt hinbearbeitet werden unter Verwendung herkömmlicher computergesteuerter Werkzeugmaschinen. Polymerwerkstoffe, wie beispielsweise die oben erwähnten Epoxywerkstoffe, können mit herkömmlichen Faserverstärkungen verstärkt werden.
  • Eine temperaturempfindliche Sonde 18, wie beispielsweise ein Thermoelement, ist in der Matrix 10 in dem Hohlraumbereich eingebettet und grenzt an der Oberfläche der Form an. Die temperaturempfindliche Sonde ist mit einer herkömmlichen Auslesevorrichtung 20 verbunden, so daß der Operateur während des folgenden Prozesses die Temperatur der Matrixoberfläche aufzeichnen kann. Die Matrix 10 ist vorzugsweise auf einer tragenden Struktur, wie beispielsweise einem Tisch 21 aus rostfreiem Stahl, gehalten und stabilisiert.
  • Eine mit einem Roboter 24 (2) in Verbindung stehende thermische Spritzpistole 22 wird dazu verwendet, um das ausgesprühte Metall aufzutragen. Die thermische Spritzpistole 22 kann eine herkömmliche Plasmaspritzpistole oder Lichtbogenspritzpistole sein. Beispielsweise kann die Spritzpistole des Typs sein, wie er verkauft wird mit der Modellbezeichnung BP 400 Arc Spray System von Miller Thermal, Inc. aus Appleton, Wisconsin. Die BP 400 Pistole ist so angeordnet, daß sie ständig ein paar Drähte vorwärts bewegt, während eine Spannung angelegt wird, um einen Lichtbogen zwischen den Drähten zu erzeugen. Die Drähte schmelzen das Metall ständig und das geschmolzene Metall wird atomisiert und auf das Substrat durch einen Strom aus komprimiertem Gas, wie beispielsweise einem Strom an komprimierter Luft, geblasen. Die Spritzpistole ist mit einer Hochgeschwindigkeitsluftkappe ausgestattet, die angebracht ist, um den Sprühstrahl an Metalltröpfchen und Gas bei einer hohen Geschwindigkeit in einem relativ engen, konusförmigen Muster auszurichten, der im allgemeinen entlang einer Sprührichtung 24 gerichtet ist, und aus der Vorderseite der Pistole verläuft.
  • Die Sprühpistole 22 ist an einem herkömmlichen Industrieroboter 26 montiert, der unter Verwendung herkömmlicher Techniken programmierbar ist. Der Roboter 26 ist so programmiert, daß er die Pistole in der unten erläuterten Weise bewegt. Die Pistole 22 ist zudem mit einer Quelle des in dem Prozeß (nicht gezeigt) verwendeten Drahtes verbunden, wie auch mit einer Quelle an komprimiertem Gas, wie beispielsweise komprimierter Luft, zum Ausstoßen der Tröpfchen. Der von der Pistole 22 verwendete Draht hat die selbe Zusammensetzung wie der gewünschte Metallmantel. Unter den Metallen, die verwendet werden können, befinden sich Aluminiumlegierungen, wie diejenigen in den 2000; 3000; 5000; 6000 oder 7000 Serien von Aluminiumlegierungen. Ein weiter Bereich von Eisenmetallen, einschließlich rostfreier Stähle, kann ebenfalls verwendet werden. Unter den rostfreien Stahllegierungen, die erfolgreich Verwendung finden können, sind die Typen 303, 304, 415 und 15,5. Wie oben erwähnt, sind gewisse Eisen-Nickellegierungen insbesondere nützlich, um fertige Formen mit sehr niederen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu liefern. Legierungen aus Eisen und Nickel, die zwischen etwa 30% und etwa 55% Nickel und zwischen etwa 45% und etwa 70% Eisen haben, sind besonders bevorzugt für diesen Zweck. Die am meisten bevorzugten Legierungen beinhalten Legierungen, die etwa 36% Nickel beinhalten. Unter diesen Legierungen befinden sich diejenigen, die verkauft werden mit den Bezeichnungen "Nickel 36" von der zuvor erwähnten Miller Thermal, Inc. und wo der Werkstoff als Invar 36 bezeichnet ist. Auch kann eine Nickel beinhaltende Legierung des Typs Verwendung finden, wie er mit der Bezeichnung Nilo 36 Fillermaterial von INGO Alloys International aus Huntington, West Virginia, verkauft wird. Der Nilo Füllwerkstoff beinhaltet etwa 36,29% Nickel, 61,47 Fe; 1,14% Co; 0,26% Ti; 0,09% Si; 0,52% Mn und 0,23% C. Die als Nilo 36 Metallkern bezeichnete Legierung, die etwa 40,62% Ni und 58% Fe beinhaltet und bereitgestellt wird von der zuvor erwähnten INCO Alloys International, kann ebenfalls Verwendung finden. Ebenso kann die 50% Nickel – 50% Invar Legierung Verwendung finden.
  • Vor dem Auftragen des Metalls können die Oberflächen der Matrix 10 beschichtet werden mit einem geeigneten Dichtmittel, wie beispielsweise einer Epoxy-Hochtemperaturoberflächenbeschichtung, die erhältlich ist von der zuvor erwähnten AdTech Corporation. Bei dem Metallabscheideprozeß läßt der Roboter 26 die Pistole 22 über die Oberfläche der Matrix 10 streichen, so daß die Pistole sich in einer Bewegungsrichtung bewegt, die angegeben ist durch den doppelköpfigen Pfeil 28 (2) während jedes Durchgangs und verschiebt diese in einer Stufenrichtung 30 zwischen Durchgängen bzw. Durchläufen. Der Roboter 26 hält den Sprühauslaß der Pistole in einem vorgewählten Abstand von der Oberfläche der Matrix 10. Der Roboter dreht auch die Pistole 22, um die Sprührichtung relativ zur Bewegungsrichtung bei abwechselnden Durchgängen umzudrehen. Dadurch ist bei einem Satz von Durchgängen die Pistole gerichtet, wie dies durch durchgezogene Linien bei 22 in 2 angegeben ist, und die Sprührichtung ist die erste Sprührichtung 24. Bei einem anderen Satz von Durchgängen, versetzt zu dem ersten Satz, ist die Pistole so positioniert, wie dies durch gestrichelte Linien mit 22' in 2 angezeigt ist, und die Sprührichtung ist die zweite Sprührichtung 24'. All diese Bewegungen sind miteinander koordiniert, so daß das auf der Oberfläche der Matrix 10 auftreffende, ausgesprühte Metall im Rahmen einer Reihe überlappender Streifen abgeschieden wird. Beispielsweise trifft bei einem ersten Durchgang, bei welchem die Pistole 22 wie mit durchgezogenen Linien angegeben orientiert ist und bei welcher das ausgesprühte Metall in der ersten Sprührichtung 24 ausgerichtet ist, das Metall auf der Matrix 10 in einem Streifen 32A auf, wenn die Pistole in Bewegungsrichtung in Richtung nach oben in Bezug auf die Zeichnung in 2 streicht. Bei dem nächsten Durchgang ist die Sprührichtung die zweite Sprührichtung 24' und die Pistole bewegt sich in die entgegengesetzte Bewegungsrichtung, in Richtung nach unten in der Zeichnung – gesehen in 2 – und das ausgesprühte Metall trifft auf der Matrix in Form eines Streifens 32b auf, welcher den Streifen 32a überlappt. Dieser Vorgang läuft weiter, so daß der nächste Durchgang unter Verwendung der ersten Sprührichtung 24 stattfindet und eine Abdeckung im Rahmen des Streifens 32c erfolgt, der den Streifen 32b überlappt, und so weiter. Bei jedem Durchgang überdeckt das abgeschiedene Metall etwa eine Hälfte der Breite des Streifens, der beim vorhergehenden Durchgang überdeckte. Die Geschwindigkeit der Pistolenbewegung liegt typischerweise zwischen 1200 und 2600 Inch pro Minute.
  • Wenn dieser Prozeß fortschreitet, wird Metall in zwei Sprührichtungen 24 und 24' in einem kreuzweisen Muster abgeschieden. Dieses Muster des Auftragens wird über die gesamte Oberfläche des Hohlraumbereichs 12 und des Randbereichs 14 wiederholt und erstreckt sich auf die Seitenwände, so daß sich das abgeschiedene Metall auf all diese Bereiche erstreckt. Das abgeschiedene Metall bildet einen Mantel 37 mit einer Hohlraumoberfläche 35, die in Richtung der Matrix weist und die Gestalt der Matrix dupliziert. Der Mantel hat auch Rippen 33, die sich über die Seitenwände der Matrix erstrecken und von der Oberfläche 35 vorragen. Während des Sprühvorgangs werden der Temperaturerfassungssensor 18 und der Indikator 20 dazu verwendet, die Temperatur der Matrix zu überprüfen. Die Sprühverhältnisse werden derart kontrolliert, daß die Temperatur der Matrix die Servicetemperatur der Matrix nicht überschreitet und vorzugsweise unter etwa 200°F (95°C) bleibt.
  • Der Sprühvorgang wird in drei Stufen durchgeführt. In der ersten Stufe findet ein erster Satz Sprühverhältnisse Verwendung. Die ersten Sprühverhältnisse beinhalten einen ersten Leistungsverlust des Bogens der Sprühpistole auf relativ niederem Niveau und folglich eine relativ geringe Rate bwz. Menge an Metallabscheidung, wie auch eine erste, relativ geringe Lineargeschwindigkeit in Bewegungsrichtung 28 und geringe Größe an Drahtzufuhr zu der Pistole. Die Verhältnisse erster Stufe werden aufrechterhalten, bis sich auf der Matrix eine vorbestimmte Dicke an Metall aufgebaut hat, typischerweise etwa 0,030–0,060 Inch (etwa 0,75 mm bis etwa 1,5 mm). Die zweite Stufe verwendet einen höheren Leistungsverlust, eine höhere Drahtzufuhrrate bzw. -geschwindigkeit und eine größere Bewegungsgeschwindigkeit als die erste Stufe. Die in der dritten Stufe verwendeten Verhältnisse sind vorzugsweise gleich denjenigen, wie sie in der ersten Stufe verwendet werden, jedoch mit relativ hohem Leistungsverlust. Die Verhältnisse erster Stufe produzieren eine feine, dichte Metallbeschichtung auf der Matrixoberfläche, wohingegen die Verhältnisse zweiter Stufe einen schnellen Aufbau an abgeschiedenem Metall unterstützen. Obgleich spezielle Sprühverhältnisse in gewisser Weise variieren mit der speziell verwendeten Spritzpistole und auch mit dem abzuscheidenden Metall, wurden die folgenden Verhältnisse als zufriedenstellend erachtet für das Abscheiden von 36% Nickel-64% Eisenlegierungen:
    Figure 00150001
  • Ein Abscheiden unter den Verhältnissen der zweiten Stufe wird fortgesetzt, bis sich nahezu die gesamte gewünschte Dicke aufgebaut hat. Mäntel von im wesentlichen jeglicher Dicke können hergestellt werden durch Fortführen des Abscheidens über den gewünschten Zeitraum. Vorzugsweise wird die Dicke des Mantels mit etwa mindestens 3 mm, bevorzugter wenigstens etwa 8 mm und am bevorzugtesten mit bis zu etwa 13 mm (1/2 Inch) während des Abscheidevorgangs aufgebaut.
  • Nach Beendigung des Abscheidens wird dem abgeschiedenen Metallmantel erlaubt, sich allmählich abzukühlen, vorzugsweise über einen Zeitraum von wenigstens mehreren Stunden und bevorzugter über einen längeren Zeitraum, bevor er von der Matrix entfernt wird. Beispielsweise ist eine Abkühlung von etwa 150°C auf etwa 20°C über einen Zeitraum von zwei bis sechs Wochen in einer temperaturgesteuerten Umgebung, gefolgt von einer zusätzlichen Abkühlung bei Raumtemperatur über mehrere Tage, besonders bevorzugt im Falle sehr großer Formen. Es wird angenommen, daß die allmähliche Abkühlung dazu führt, den Metallmantel zu stabilisieren und eine Verwerfung zu verhindern, wenn der Mantel entfernt wird. Obgleich die vorliegende Erfindung nicht durch irgendeine Betriebstheorie beschränkt wird, wird angenommen, daß die Anwesenheit des integralen Metalls 33, das aus der Hohlraumoberfläche 35 der Form entlang den Wandoberflächen 16 der Matrix hervorragt, weiter den Metallmantel gegenüber einer Verwerfung während und unmittelbar nach der Kühlung stabilisiert. Nachdem der Mantel von der Matrix entfernt wurde, werden die Rippen 33 entfernt, um den Mantel in der Form zu belassen, die er als endgültige Form haben wird. Die Hohlraumoberfläche 35 des Mantels, die ursprünglich in Kontakt mit der Matrix 10 stand, gibt naturgetreu die Form der Matrix wieder und hat ein gutes Oberflächenfinish. Vorzugsweise wird das Oberflächenfinish verbessert durch Polieren, typischerweise auf ein Finish mit etwa 125 Mikroinch Oberflächenrauhheit oder glatter. Nach dem Polieren können die Formoberflächen imprägniert werden mit einem Polymer oder mit einem Metall, wie beispielsweise Nickel, durch Elektroplattieren bzw. Elektroerosion oder reduktiv chemisches Plattieren. Geeignete Polymerbeschichtungen schließen Homopolymere und Copolymere von Monomeren ein, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Tetrafluorethylen, Fluorethylenpropylen, Perfluoralkoxyethylen, Acrylvinylidenfluoride und Amide, ein. Deren Auftragen kann durch herkömmliche Beschichtungs- und Imprägniertechniken erfolgen. Unter den Polymerwerkstoffen, die Verwendung finden können, befinden sich die synergistischen Beschichtungen, die verkauft werden unter der registrierten Marke LECTROFLUOR von General Magnaplate Corporation aus Linden, New Jersey. Dort, wo eine nichtdochtartige Form erwünscht ist, sollte der fertige, imprägnierte Mantel einen Vakuumintegritätstest durchlaufen.
  • Der fertige Mantel hat typischerweise ausreichend strukturelle Festigkeit, um als Form zu dienen. Für zusätzli che strukturelle Festigkeit kann der Mantel jedoch verstärkt werden durch Gießen oder durch Auftragen einer polymeren Verstärkung 39 auf der Oberfläche des Mantels 37 gegenüber der Hohlraumoberfläche 35. Die Verstärkung 39 kann zusätzliche metallische Elemente beinhalten oder kann andererseits auch eine wabenartige oder andere verstärkende Struktur beinhalten innerhalb des gegossenen oder aufgetragenen Polymers. Die Verstärkungsstruktur kann auch Elemente, wie beispielsweise Kühl- und Heizrohre, beinhalten zum Kühlen oder Heizen der Oberfläche des Mantels. Bei einer Variante des Verfahrens können Kühl- und Heizrohre, verstärkende Elemente aus solidem Metall und andere metallische Einschlüsse in dem Mantel während des Metallabscheidevorgangs eingebettet werden. Dadurch können derartige Einschlüsse auf dem teilweise fertiggestellten Mantel plaziert werden, so daß zusätzliche Schichten an Metall über den Einschlüssen aufgebaut werden.
  • Die fertige Form kann dazu verwendet werden, um einen Verbundwerkstoffgegenstand, wie beispielsweise den Gegenstand 41, auszubilden. Die Form kann verwendet werden mit einer dazu passenden Form 43, die durch einen gleichen Vorgang ausgebildet werden kann. Formen, die gemäß dem vorhergehenden Verfahren hergestellt wurden, können dazu verwendet werden, um im wesentlichen jegliches Material auszubilden. Sie sind jedoch insbesondere nützlich bei der Ausbildung von Kohlefaser- und Graphitverbundwerkstoffen bzw. Compositen. Derartige Verbundwerkstoffe werden in der Luftfahrtindustrie verwendet, um Flugzeugrahmen bzw. -teile bzw. -strukturen auszubilden. Derartige Verbundwerkstoffe werden normalerweise ausgehärtet bei Temperaturen von etwa 350°F (177°C). Formen aus Nickellegierung, die wie oben beschrieben hergestellt wurden, können dazu verwendet werden, um diese Werkstoffe selbst in sehr großen Teilen auszubilden mit Abmessungen von mehreren Metern oder selbst zehnfachen Metern.
  • Die in Übereinstimmung mit den oben erläuterten Verfahren gebildeten metallischen Mäntel können auch zu anderen Zwecken als zur Formgebung verwendet werden.
  • Da diese und andere Variationen und Kombinationen der oben beschriebenen Merkmale verwendet werden können, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen, sollte die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele lediglich beispielhaft der Darstellung dienen und nicht der Einschränkung der Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert ist.

Claims (27)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugs, das die Schritte umfaßt (a) Vorsehen einer Matrize mit einer zu formenden Gestalt; (b) Abscheiden eines Metalls auf der Matrize durch Sprühen des Metalls in Form geschmolzener Tröpfchen aus einer Spritzpistole durch (i) Bewegen der Spritzpistole relativ zu der Matrix, derart, daß die Spritzpistole in einer Bewegungsrichtung über die Oberfläche der Matrize zurück und vor gelangt, während das Metall aus der Spritzpistole in einer Sprührichtung ausgestoßen wird und Verschieben der Pistole in einer Schrittrichtung quer zu der Bewegungsrichtung zwischen Durchgängen; und (ii) Drehen der Pistole zwischen Durchgängen, um die Sprührichtung zwischen Durchgängen zu ändern, derart, daß während zumindest einigen aufeinanderfolgenden Durchgängen Metall in dem gleichen Bereich der Matrize aus zwei Sprührichtungen in einem sich kreuzenden Muster abgeschieden wird, wobei das abgeschiedene Metall einen Mantel auf der Matrize ausbildet; und (c) Entfernen des Mantels von der Matrize.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Mantel (37) wenigstens etwa 3 mm dick ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der Mantel (37) Längen- und Breitenabmessungen von wenigstens etwa 0,5 m hat.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem der Mantel (37) wenigstens etwa 8 mm dick ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem der Mantel (37) einen Bereich von wenigstens etwa 1 m2 umfaßt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem das Metall eine Schmelztemperatur von wenigstens etwa 400°C hat.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem das Metall eine Schmelztemperatur von wenigstens etwa 1000°C hat.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem das Metall wenigstens etwa 50% einer oder mehrerer Metallkomponenten beinhaltet, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Nickel, Zink, Aluminium und Kupfer.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem das Metall wenigstens etwa 50% einer oder mehrerer Metallkomponenten beinhaltet, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eisen und Nickel.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem das Metall wenigstens etwa 10% Nickel beinhaltet.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem das Metall zwischen etwa 30% und etwa 55% Nickel und zwischen etwa 45% und etwa 70% Eisen beinhaltet.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das des weiteren den Schritt des Abdichtens des Mantels (37) durch Imprägnieren des Mantels (37) umfaßt.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem der Schritt des Imprägnierens des Mantels (37) den Schritt des Imprägnierens des Mantels (37) mit einem Polymerwerkstoff beinhaltet.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem der Schritt des Imprägnierens des Mantels (37) den Schritt des Plattierens eines Metalls auf dem Mantel (37) beinhaltet.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Sprühens des Metall betrieben wird, während die Matrize (10) auf einer Oberflächentemperatur unterhalb etwa 95°C gehalten wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem die Matrize (10) aus einem Polymerwerkstoff gebildet ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Sprühens des Metall in Form geschmolzener Tröpfchen durchgeführt wird durch Lichtbogenspritzen des Metalls.
  18. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Sprühens des Metall in Form geschmolzener Tröpfchen durchgeführt wird durch Plasmaspritzen des Metalls.
  19. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Abscheidens eine erste Stufe unter Verwendung eines ersten Satzes von Verhältnissen beinhaltet, um eine Anfangsschicht aus dem Metall auf der Matrize abzuscheiden, sowie eine zweite Stufe unter Verwendung eines zweiten Satzes von Verhältnissen, die anders ist als der erste Satz, um den Rest des Mantels (37) abzuscheiden.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem der zweite Satz von Verhältnissen eine Dissipation mit höherer Leistung beinhaltet als der erste Satz von Verhältnissen.
  21. Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem die Geschwindigkeit der Bewegung der Spritzpistole (22) über die Oberfläche während der zweiten Stufe größer ist als die Geschwindigkeit der Bewegung der Spritzpistole (22) über die Oberfläche während der ersten Stufe.
  22. Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem die Stufe des Abscheidens eine dritte Stufe beinhaltet, die durchgeführt wird im Rahmen des ersten Satzes von Verhältnissen nach der zweiten Stufe.
  23. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 19, das des weiteren den Schritt des allmählichen Abkühlens des Mantels (37) nach dem Schritt des Abscheidens umfaßt.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, bei welchem der Schritt des Abscheidens durchgeführt wird, um eine Hohlraumoberfläche (35) zu bilden, welche die Gestalt der Matrize (10) hat und mehrere Rippen (33), die von der Hohlraumoberfläche (35) vorstehen, wobei das Verfahren des weiteren den Schritt des Entfernens der Rippen (33) nach dem Schritt des allmählichen Abkühlens umfaßt.
  25. Verfahren nach Anspruch 1, des weiteren den Schritt des Ausbildens eines Verbundwerkstoffteils in dem Werkzeug umfassend.
  26. Werkzeug, hergestellt durch das in Anspruch 1 beanspruchte Verfahren, bei welchem der Aufbau des Werkzeugs Metall umfaßt, das aus zwei Sprührichtungen in einem Kreuzmuster abgeschieden ist.
  27. Mantel in Form eines Werkzeugs nach Anspruch 26, der eine Breite und Länge von wenigstens etwa 0,5 m und eine Dicke von wenigstens etwa 3 mm hat und über ein durch Sprühen abgeschiedenes Metall gebildet ist.
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