DE69702290T2

DE69702290T2 - Auftragen von Stop-off Material, zum Diffusionverbinden und superplastischen Verformen

Info

Publication number: DE69702290T2
Application number: DE69702290T
Authority: DE
Inventors: Nigel D. Haworth; Allister Mccool
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1996-12-18
Filing date: 1997-12-16
Publication date: 2000-10-26
Anticipated expiration: 2017-12-17
Also published as: US6106644A; GB9626230D0; DE69702290D1; ES2147424T3; EP0849029A1; EP0849029B1; GB2320461A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Auftragen von Stop-off- Material, welches eine Verbindung während der Herstellung eines metallischen Verbundaufbaus verhindert, wobei insbesondere Diffusionsverbindungen und superplastische Verformungstechniken benutzt werden (DB/SPF), wie dies in der EP-A-0 266 073 beschrieben ist, und außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Druckerpatrone.

Hintergrundtechnik

Eine kombinierte Diffusionsverbindungs- und superplastische Verformungstechnik (DB/SPF) ist eine anerkannte Technik zur Herstellung von Verbundgegenständen aus Materialien, die bei erhöhten Temperaturen superplastische Eigenschaften zeigen. Diese Materialien sind in erster Linie Titan, Aluminium und Legierungen dieser Metalle. Bei bekannten DB/SPF-Verfahren, wie sie beispielsweise in der US-A-5 143 276 beschrieben sind, ist es bekannt, Stop-off-Material auf gewählte Bereiche von zwei oder mehreren Blechen aus superplastischem Material aufzutragen. Dann werden verschiedene Bleche einschließlich jener Bleche, auf die das Stop-off-Material aufgetragen wurde, zu einem Pack aufgebaut, wobei das Stop-off-Material zwischen benachbarten superplastischen Blechen zu liegen kommt. Dann wird der zusammengefügte Pack erhitzt und komprimiert, bis die Bleche durch Diffusionsverbindung miteinander verbunden sind, wobei die Bleche jedoch in jenen Bereichen, die von dem Stop-off-Material bedeckt sind, nicht verbunden werden, da das Stop-off-Material eine Diffusion der Metallatome zwischen benachbarten Blechen verhindert und dadurch eine Diffusionsverbindung in den gewählten Bereichen unmöglich macht.
Der durch Diffusionsverbindung geschaffene Pack kann dann einer superplastischen Formgebung unterworfen werden, indem der Pack gewöhnlich in einer geschlossenen Form auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der die metallischen Komponenten superplastische Eigenschaften annehmen. Dann wird ein inertes Gas mit Hochdruck in gesteuerter Weise in die nicht verbundenen Bereiche des Packs eingeblasen, um dadurch die Bleche graduell zu einer dreidimensionalen Struktur "aufzublasen", wobei diese Struktur eine Außengestalt aufweist, die der Gestalt der Form entspricht. Die nicht verbundenen Bereiche des Packs sind die gewählten Bereiche, die während der Diffusionsverbindung von dem Stop-off-Material bedeckt waren.
Die DB/SPF-Technik findet insbesondere Anwendung in der Flugzeugindustrie, wo kompliziert gestaltete hochfeste Aufbauten mit leichtem Gewicht unter Benutzung dieser Technik hergestellt werden können.
Bekannte Stop-off-Materialien sind allgemein hitzebeständige Materialien, wie beispielsweise Yttriumoxid, Bornitrit, Graphit oder Aluminiumoxid. Yttriumoxid und Aluminiumoxid sind die am häufigsten angewendeten Stop-off-Materialien.
Das Stop-off-Material kann unter Verwendung verschiedener Techniken aufgetragen werden, beispielsweise durch Siebdruck oder durch Spritzen durch eine Maske. Kommerziell wird das Stop-off-Material unter Benutzung von Siebdruckverfahren aufgetragen.
Die EP-A-2 006 073 beschreibt eine Zusammensetzung, die leicht benutzt werden kann, um Stop-off-Material in DB/SPF- Techniken aufzutragen.
Die Herstellung eines Siebdruckschirms ist komplex und sehr zeitaufwendig. Die Verarbeitung und Speicherung von Sieb druckschirmen ist mühsam. Die Siebdruckschirme können bei der Benutzung beschädigt werden. Der Siebdruckschirm besitzt keine sehr hohe Auflösung, und der Druck des Stop-off- Materials, welches durch Siebdruck aufgebracht wird, kann ungenau sein. Im folgenden wird eine kurze Beschreibung der Herstellung von Siebdruckschirmen und ihrer Benutzung beim Auftragen des Stop-off-Materials angegeben.
Bei komplexen Flugzeugausbildungen werden gewöhnlich computerunterstützte Konstruktionstechniken (CAD) benutzt. Unter Benutzung derartiger Techniken kann das erforderliche Stop-off- Muster in einem Speicher des Computers erzeugt werden. Unter Benutzung dieser gespeicherten Musterdaten kann ein Polymerfilm (z. B. ein Rubylitrifilm) ausgeschnitten werden, wobei beispielsweise eine durch Computer gesteuerte Schneidtechnik benutzt wird. Dann wird ein Siebdruckschirm aufgespannt und mit einer lichtempfindlichen Emulsion überzogen. Dann wird der Film über die Emulsion gebracht, und die Emulsion wird durch Licht belichtet. Das Licht härtet die Emulsion an allen Stellen außer an den Bereichen der Schatten des Films aus. Die unbelichtete Emulsion unter dem Film wird dann ausgewaschen, und es verbleibt ein Siebschirm, der nach der Entwicklung und Fixierung in jenen Bereichen durchlässig ist, die dem Stop-off-Muster entsprechen, wobei dieser Schirm ansonsten jedoch undurchlässig ist. Um das Stop-off-Material auf einem Blech aus superplastischem Material aufzutragen, wird der Siebschirm, der durch einen Aluminiumrahmen unter Spannung · gehalten wird, über das superplastische Material gefügt, und die Stop-off-Zusammensetzung wird über die offenen Poren des Siebschirms aufgetragen, indem ein mit Stop-off-Material getränkter Rollenquetscher über den Siebschirm gezogen wird, um das Stop-off-Material auf das darunterliegende superplastische Blech aufzutragen.
Es ist ersichtlich, daß die Herstellung eines Siebschirmes zeitaufwendig und daher kostspielig ist und zu einer Verzö gerung bei der Überführung der Konstruktion in einen hergestellten Artikel führt, wo der Siebschirm erzeugt wird. Es wäre vorteilhaft, diese Zeitverzögerung zu verringern oder auszuschalten. Siebschirme sind empfindlich und können leicht durch Stoß mit scharfen Gegenständen beschädigt werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Siebschirme in einem Rahmen unter Spannung gehalten werden. Bei Beschädigung muß ein neuer Siebschirm erzeugt werden.
Die Genauigkeit des Stop-off-Musters, das durch Siebdrucktechnik aufgetragen wird, ist begrenzt durch den Durchmesser und die Teilung der Siebstränge, und diese sind gewöhnlich größer als es erwünscht ist. Weitere Ungenauigkeiten können in den verschiedenen Herstellungsstufen eingeführt werden, die erforderlich sind, um den Siebschirm zu erzeugen.
Wenn ein großer Seidensiebschirm benutzt wird, um ein grosses Stop-off-Muster aufzutragen, dann kann sich der Seidenschirm strecken, wenn das Stop-off-Material aufgetragen wird, indem der getränkte Rollenquetscher über den Siebschirm gezogen wird. Dies kann eine Versetzung des Musters und/oder Ungenauigkeiten in der Form des aufgetragenen Stop-off-Musters verursachen.
Bevor der Siebschirm gelagert wird, muß er unter Benutzung von Lösungsmitteln gereinigt werden, und dies ist ein zeitraubendes und mühsames Verfahren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfachere Technik zum Auftragen von Stop-off-Material in einem vorbestimmten Muster zu schaffen.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, mit dem ein Muster aus Stop-off-Material auf einem Blatt aus superplastischem deformierbarem Material aufgetragen wird, wobei das Muster im Speicher eines Computers gespeichert ist und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
(a) es werden die Daten, die ein Muster definieren, welches auf dem Blech aufgetragen wird, im Speicher eines Computers gespeichert;
(b) es wird das Blech auf einem Tisch festgelegt, der von einem Druckkopf unter der Steuerung des Computers überfahren wird und in der Lage ist, Flüssigkeitsstrahlen aus einem Flüssigkeitsreservoir auf das darunterliegende Blatt aufzutragen;
(c) es wird eine Suspension aus Stop-off-Material dem Flüssigkeitsreservoir zugeführt; und
(d) es wird das Blech mit dem Druckkopf unter Steuerung des Computers überfahren, wobei der Computer derart programmiert ist, daß der Kopf so gesteuert wird, daß er Strahlen aus Stop-off-Material auf das Blech aufträgt, um ein Muster von Stop-off-Material gemäß dem im Speicher gespeicherten Muster zu erzeugen.
Köpfe zur Erzeugung von Flüssigkeitsstrahlen sind aus der Tintenstrahl-Druckertechnik allgemein bekannt, und ebenso stellt es eine weitverbreitete Technik dar, derartige Köpfe so zu steuern, daß sie ein in einem Computerspeicher gespeichertes Muster auftragen. Die Auflösung derartiger Druckerköpfe liegt in der Größenordnung von 300 bis 1200 Punkten pro Zoll (120 bis 480 Punkten pro cm). Dies ist eine beträchtlich größere Auflösung als sie durch die Siebschirm technik bei dem Auftragen von Stop-off-Material erreicht werden kann. Siebschirme können gegenwärtig eine Auflösung von nur etwa 62 Fäden pro Zoll (25 Fäden pro cm) erreichen.
Ein Druckkopf kann durch einen bekannten Flachbettplotter angetrieben werden, der kommerziell beispielsweise von der Firma Data Technology of Kongsberg bezogen werden kann.
Die Suspension des Stop-off-Materials, das bei der erfindungsgemäßen Technik benutzt wird, sollte eine geringere Viskosität aufweisen als die Suspensionen des Stop-off- Materials, das bei der Siebschirmtechnik benutzt wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß bekannte Stop-off-Suspensionen durch Benutzung eines Lösungsmittels verdünnt werden.
Die EP-0 266 073 beschreibt eine Stop-off-Zusammensetzung, die ein Antiabsetzmittel und ein gerinnungshemmendes Mittel als Zusatz enthält, und diese Zusätze sollten in der Suspension des Stop-off-Materials eingefügt werden, das bei der neuen erfindungsgemäßen Technik Anwendung findet.
Es wurde festgestellt, daß es bei der Benutzung des oben beschriebenen Verfahrens möglich wird, ein Stop-off-Muster direkt auf ein superplastisches Blech aufzutragen, das in einem CAD- oder CAM- (durch Computer unterstützten Herstellung) System gehalten wird, wobei eine bekannte Tintenstrahltechnologie Anwendung findet. Hierdurch wird es überflüssig, Siebschirme herzustellen. Die zu ihrer Erzeugung erforderliche Zeit fällt weg, und es erübrigt sich eine sorgfältige Behandlung und Lagerung der Siebschirme, und außerdem werden Ungenauigkeiten ausgemerzt, wie sie oben unter Bezugnahme auf die Benutzung von Siebschirmen erwähnt wurden. Außerdem ist eine größere Auflösung als in Verbindung mit Siebschirmen möglich.
Das Auftragen von Stop-off-Material wurde vorstehend in Verbindung mit einer DB/SPF-Technik beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt, und sie kann in Verbindung mit anderen Techniken benutzt werden, wo Stop- off-Material in einem vorbestimmten Muster, beispielsweise bei einer Explosionsverbindung, aufgebracht wird.

Beschreibung der Zeichnungen

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Anordnung eines durch Computer gesteuerten Druckkopfes; und
Fig. 2 ist eine Einzeldarstellung des Druckkopfes der Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Einzelbeschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Flachbettplotter 10 bekannter Ausbildung dargestellt, der ein Maschinenbett 12 und einen Flüssigkeitsstrahl-Druckkopf 14 aufweist, der von einem Rahmen 16 über dem Maschinenbett 12 getragen wird. Der Rahmen 16 weist zwei parallele Träger 18 auf, die einen Querträger 20 führen, der längs der Träger 18 durch einen nicht dargestellten Antrieb bewegbar ist. Der Druckkopf 14 kann längs des Querträgers 20 durch einen ebenfalls nicht dargestellten getrennten Antrieb verschoben werden. Ein Blech 22 aus superplastisch deformierbarem Material wird genau auf dem Maschinenbett 12 ausgerichtet, wobei Formschlußanschläge, Paßlöcher oder Paßstifte Anwendung finden können. Stattdessen kann das Blech 22 am Bett unter Benutzung mechanischer Klemmverfahren oder in Verbindung mit Vakuum-Klemmverfahren festgeklemmt werden.
Fig. 2 zeigt, daß der Druckkopf 14 von dem Querträger 20 über dem Blech 22 getragen wird, das am Maschinenbett 12 festgeklemmt ist. Der Druckkopf 14 weist eine Druckerpatrone 24 auf, die ein nicht dargestelltes Reservoir aufweist, in dem eine Suspension von Stop-off-Material enthalten ist. Die Druckerpatrone 24 ist ähnlich ausgebildet wie jene, die für Tintenstrahldrucker benutzt werden, beispielsweise für Novajet- oder Hewlett Packard-Drucker. Der Druckkopf 14 ist in der Lage, die Stop-off-Suspension auf das Blech 22 in Form von Punkten aufzutragen, die eine Auflösung von 400 bis 1200 Punkten pro Zoll (160 bis 480 Punkten pro cm) ergeben.
Um die erforderliche Stop-off-Auflösung zu erreichen, wird das Ausmaß, mit dem ein Strahl von Stop-off-Suspension ausgespritzt werden kann, dadurch beschränkt, daß der Druckkopf sehr nahe über dem Blech 22 bewegt wird. Um eine Anpassung an unterschiedliche Blechmaterialdicken zu ermöglichen, kann der Druckkopf 14 vertikal in Richtung der Z-Achse gegenüber dem Querträger 20 bewegt werden (vgl. Fig. 2). Dies kann durch ein manuell einstellbares Rad oder durch einen Elektromotor bewirkt werden. Um eine Beschädigung des Druckkopfes 14 zu vermeiden, wenn man vergißt, die richtige Höhe des Druckkopfes über dem Blechmaterial einzustellen, ist es zweckmäßig, daß die Höhe des Druckkopfes 14 über dem Blech automatisch durch einen nicht dargestellten Annäherungssensor eingestellt wird.
Der Druckkopf wird über der Oberfläche des Bleches 22 unter der Steuerung eines nicht dargestellten Computers verschoben, der Elektromotoren steuert, die den Druckkopf längs der X- und der Y-Achse antreiben. Auf diese Weise trägt der Druckkopf ein Muster von Stop-off-Material auf dem Blech 22 gemäß den Daten auf, die in einem CAD- oder CAM-System enthalten sind, das im Computer installiert ist.
Die CAD- oder CAM-Daten werden auf irgendeine für Computeranwendungen bekannte Weise, beispielsweise durch CATIA, ANVIL oder Unigraphics, erzeugt. Diese können mit bestehenden bekannten Druckerschnittstellen benutzt werden, um den Flachbettplotter und den Druckkopf 14 anzutreiben.
Die Suspension des Stop-off-Materials wird als Flüssigkeitsstrahl aufgetragen, der auf dem Blech 22 auf natürliche Weise durch Verdampfung der Suspensionsflüssigkeit eintrocknet. Wenn es erwünscht ist, den Trockenvorgang und den Verdampfungsprozeß zu beschleunigen, kann das Blech 22 örtlich, beispielsweise durch eine Infrarot-Heizeinrichtung, erhitzt werden.
Durch die vorliegende Erfindung wird es überflüssig, Siebschirme zu benutzen, und es fallen die den Siebschirmen eigenen Nachteile, welche vorstehend erwähnt wurden, weg. So können die Daten, die in ein CAD/CAM-System eingegeben sind, direkt benutzt werden, um den Plotter und den Druckkopf anzutreiben. Besonders wichtig dabei ist es, daß der Zeitaufwand, der für die Herstellung der Siebschirme erforderlich ist, ebenfalls wegfällt.
Obgleich das Auftragen von Stop-off-Material unter Benutzung eines Siebschirmes extrem schnell vonstatten geht, und allgemein sogar schneller als dies in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung möglich ist, so bedeutet doch der Zeitaufwand, der notwendig ist, um einen Siebschirm zu reinigen, allgemein, daß das Verfahren nach der Erfindung weniger Zeit in Anspruch nimmt, um das Stop-off-Material auf Bleche aus Superplastikmaterial aufzutragen, als dies mit der bekannten Siebschirm-Drucktechnik möglich ist.
Zahlreiche Veränderungen und Abwandlungen der oben beschriebenen Techniken ergeben sich für den Fachmann von selbst, der mit der Tintenstrahl-Drucktechnik und/oder der DB/SPF-Technik vertraut ist, ohne dabei vom Rahmen der beiliegenden Ansprüche abzuweichen.
Natürlich ist es auch möglich, die Lage des Kopfes 14 zu fixieren und das Maschinenbett 12 entsprechend zu bewegen.
Anstelle der Benutzung eines Flachbettplotters zum Überstreichen des Druckkopfes über das Blech kann der Kopf auch durch einen konvertierten kartesischen Roboter verschoben werden.
Um das Aufbringen des Stop-off-Materials zu beschleunigen, kann mehr als ein Druckkopf benutzt werden um das Stop-off- Material auf irgendein Blech aufzutragen.

Claims

1. Verfahren zum Auftragen eines Musters aus Stop-off- Material auf ein Blech aus superplastisch verformbarem Material, wobei das Muster im Speicher eines Computers gespeichert ist und das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

(a) es werden die Daten, die ein auf dem Blech aufzutragendes Muster definieren, im Speicher eines Computers gespeichert;

(b) es wird das Blech auf einem Tisch festgelegt, der von einem Druckkopf unter der Steuerung des Computers überfahrbar ist, der in der Lage ist, Flüssigkeitsstrahlen aus einem Flüssigkeitsreservoir auf das darunterliegende Blatt aufzutragen;

(c) es wird eine Suspension des Stop-off-Materials dem Flüssigkeitsreservoir zugeführt; und

(d) es wird das Blech mit dem Druckkopf unter Computersteuerung überfahren, wobei der Computer derart programmiert ist, daß der Kopf so gesteuert wird, daß er Strahlen aus Stop- off-Material auf das Blech aufträgt, um ein Muster aus Stop-off-Material gemäß dem Muster zu bilden, das in dem Speicher gespeichert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Druckkopf, der die Strahlen aus Stop-off-Material erzeugt, ein Tintenstrahl-Druckkopf ist.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welchem der Druckkopf durch einen Flachbettplotter gegenüber dem Blech überfahren wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Suspension aus Stop-off-Material eine geringere Viskosität besitzt als die Suspensionen der Stop-off-Materialien, die durch Siebschirmdruck aufgetragen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das Blatt anschließend mit einem weiteren Blatt in jenen Bereichen verbunden wird, die durch das Stop-off-Material nicht bedeckt sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die Verbindung durch eine Diffusionsverschweißung erfolgt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 oder 6, bei welchem die verbundenen Bleche durch superplastische Verformung zu einem dreidimensionalen Aufbau verformt werden.

8. Flüssigkeitsstrahl-Druckpatrone mit einem Reservoir, das eine Suspension aus Stop-off-Material enthält.