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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
die Technik des Herstellens von Werkzeugen durch thermisches Spritzen
bzw. Aufsprühen
von Metallen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine diagrammartige Schnittansicht in Darstellung einer Matrix und
eines Mantels, die in einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung Verwendung finden.
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2 ist
ein Diagramm in Darstellung der Spritzpistolenbewegung und der Abdeckung
mittels Sprühen
in dem Ausführungsbeispiel
der 1
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3 ist
eine diagrammartige Ansicht des in Übereinstimmung mit den Ausführungsbeispielen
der 1–2 gebildeten Mantels.
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4 ist
eine diagrammartige Ansicht in Darstellung des Mantels der 3 bei einer Formgebung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die in Übereinstimmung mit den oben
erläuterten
Verfahren gebildeten metallischen Mäntel können auch zu anderen Zwecken
als zur Formgebung verwendet werden.
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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.