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Beschreibung[de]
BEREICH DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Keramikformwerkzeuge und insbesondere ein Keramikformwerkzeug, welches eine haltbare Auskleidung des Formwerkzeugs aufweist, die die Integrität des Formwerkzeugs schützt, um dadurch die Haltbarkeit des Formwerkzeugs zu verlängern.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Verbundstoffe aus faserverstärktem Harz (d.h. organischer Matrix) werden weithin eingesetzt, weisen ein hohes Verhältnis Festigkeit pro Gewicht oder ein hohes Verhältnis Steifheit pro Gewicht und erwünschte Ermüdungseigenschaften auf, welche sie zunehmend populär bei bezüglich des Gewichts, der Festigkeit oder der Ermüdung kritischen Anwendungen macht.

Prepregs, welche aus kontinuierlichen, gewebten oder geschnittenen Fasern bestehen, welche in ein unhärtetes Matrixmaterial eingebettet sind, werden in die erwünschte Form geschnittenen und dann in die gewünschte Konfiguration des Verbundstoffteils geschichtet. Das Prepreg kann direkt auf einem Werkzeug oder einem Formwerkzeug platziert (darauf gelegt) werden, welches eine Formgebungsoberfläche aufweist, die mit einer Kontur mit der erwünschten Form des fertigen Teils versehen ist, oder das Prepreg kann in einer flachen Schicht aufgelegt werden und die Schicht kann über ein Werkzeug oder ein Formwerkzeug drapiert werden, um gemäß der Kontur des Werkzeugs ausgebildet zu werden. Nachdem es darauf gelegt ist, verfestigt es sich (d.h. härtet) in einem herkömmlichen Vakuumpackprozess in einem Druckbehälter (d.h. einem unter Druck stehenden Ofen). Der Druck presst die individuellen Schichten des Prepregs bei der Verfestigungs/Härtungstemperatur zusammen, so dass das Matrixmaterial fließt, um Fehlstellen zu beseitigen und härtet im Allgemeinen durch Polymerisation.

Bei der Herstellung mittels Druckbehälter müssen die Verbundstoffe gepackt in dem Druckbehälter platziert werden und die gesamte erhitzte Masse des Verbundstoffes und die Werkzeuge müssen auf die Verfestigungs- oder Härtungstemperatur gebracht werden und bei dieser gehalten werden, bis das Teil ausgebildet und gehärtet ist. Das ausgebildete Verbundteil und die Werkzeuge müssen dann gekühlt werden, aus dem Druckbehälter entfernt werden und entpackt werden. Schließlich muss das Verbundteil von den Werkzeugen genommen werden. Um die erforderlichen Verfestigungsdrücke zuzuführen ist es notwendig, einen speziellen Druckkasten in dem Druckbehälter zu bauen oder den gesamten Druckbehälter unter Druck zu setzen, wodurch die Herstellungszeit und die Herstellungskosten ansteigen, speziell wenn eine Produktion geringen Umfangs läuft. Druckbehälterwerkzeuge, auf welche Verbundstoffe gelegt werden, sind typischerweise aus Metall oder einem verstärkten Verbundstoff ausgebildet, um geeignete Abmessungstoleranzen sicherzustellen und um der hohen Temperatur und den Verfestigungskräften zu widerstehen, welche eingesetzt werden, um die Verbundstoffe auszubilden und zu härten. Daher sind Druckbehälterwerkzeuge im Allgemeinen schwerer und weisen eine große zu erhitzende Masse auf. Die gesamte zu erhitzende Masse des Werkzeugs muss zusammen mit dem Verbundstoff während des Härtens erhitzt werden und muss gekühlt werden, bevor das fertige Verbundteil entfernt wird. Die Zeit, welche erforderlich ist, um die zu erhitzende Masse der Werkzeuge zu erhitzen und zu kühlen, addiert sich im Wesentlichen zu der Gesamtzeit, welche notwendig ist, um ein einziges Verbundteil herzustellen.

Bei Verbundteilen, welche engere Toleranzen sowohl bei der inneren als auch bei der äußeren Formlinie des Teils erfordern, müssen zusammenpassende Druckbehälterwerkzeuge eingesetzt werden. Wenn zusammenpassende Werkzeuge verwendet werden, wird ein Verfestigungsdruck des Druckbehälters eingesetzt, um die zusammenpassenden Werkzeuge zusammen zu drücken, um den Verbundstoff zu verfestigen und geeignete Teilabmessungen zu erhalten. Zusammenpassende Werkzeuge sind teurer als offene Werkzeuge und müssen sorgfältig entworfen werden, um gute Ergebnisse zu erzielen, was Herstellungskosten des Teils erhöht.

Eine Alternative zum Herstellen von Verbundteilen in einem Druckbehälter ist, eine Heißpressvorrichtung zu verwenden. Bei diesem Verfahren wird das Prepreg, gepackt (wenn notwendig), aufgelegt und zwischen zusammenpassende Metallwerkzeuge platziert, welche Formgebungsoberflächen aufweisen, die die inneren und äußeren Formlinien des fertigen Teils definieren. Die Werkzeuge und der Verbundstoff werden in der Pressvorrichtung angeordnet und dann erhitzt. Die Pressvorrichtung bringt die Werkzeuge zusammen, um den Verbundstoff in der endgültigen Form zu verfestigen und auszubilden. Eine Herstellung von Verbundteilen in einer Heißpressvorrichtung ist aufgrund der hohen Kapitalkosten und großen Energiemengen, welche erforderlich sind, um die Pressvorrichtung zu betreiben und die Werkzeuge zu erhalten, auch teuer.

Im Allgemeinen werden bei einem Betrieb mit einer Heißpressvorrichtung, um enge Toleranzen zu erzielen, die massiven, zusammenpassenden Werkzeuge aus teueren Metalllegierungen mit niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet. Die Werkzeuge sind eine wesentliche Hitzesenke, was eine große Energiemenge und Zeit erfordert, um auf die Verfestigungstemperaturen des Verbundstoffs aufzuheizen. Nach einer Verfestigung müssen die Werkzeuge auf eine Temperatur abgekühlt werden, bei welcher es sicher ist, das ausgebildete Verbundteil zu entfernen, was die Herstellungszeit erhöht.

Die EP-A2-0335100 offenbart eine Formstruktur, welche Schichten mit verschiedenen physikalischen Eigenschaften und einen Kegel und Kühlmittel umfasst.

Das US-Patent Nr. 5,683,608 mit dem Titel "Ceramic Cell for Induction Heating Work Cell" offenbart ein Keramikformwerkzeug zum Einsatz in einer Induktionsheizarbeitszelle, welche Segmente der Induktionswicklung in einem Feld mit Zwischenräumen in einem Keramikgusskörper oder einem Phenolkörper enthält. Ein Umfangskompressionsrahmen, typischerweise aus Phenol, umgibt den Formwerkzeugkörper und bringt eine Druckbelastung durch seitlich und quer verstärkende Stangen, welche in den Formwerkzeugkörper gegossen sind, auf den Formwerkzeugkörper auf. Zusammenpassende Formwerkzeuge schließen, um eine Hitze in ein Werkstück, welches sich in der Mitte der Induktionswicklung befindet, zu lenken.

Das US-Patent Nr. 5,728,309 mit dem Titel "Method for Achieving Thermal Uniformity in Induction Processing of Organic Matrix Composites or Metals" und das US-Patent Nr. 5,645,744 mit dem Titel "Retort for Achieving Thermal Uniformity in Induction Processing of Organic Matrix Composites or Metals" offenbaren Verfahren, um eine Metall- oder Verbundwerkstückschicht mit einem Keramikformwerkzeug auszubilden. Bei jedem Verfahren stößt mindestens eine Suszeptorschicht gegen eine Werkstückschicht. Die Suszeptorschicht weist eine Curietemperatur auf, welche ungefähr gleich mit der Temperatur ist, auf welche das Werkstück zu erhitzen ist. Eine Temperaturgleichmäßigkeit wird erzielt, da die magnetische Permeabilität der Suszeptorschicht auf Eins bei der Curietemperatur fällt, was bewirkt, dass die Temperatur des Werkstücks auf diesem Niveau gehalten wird.

Schließlich offenbart die US 5530227 eine Vorrichtung zur Verfestigung von organischen Matrixverbundstoffen, wobei Induktionsheizen eingesetzt wird. Die Formwerkzeuge oder Werkzeuge für die organischen Matrixverbundteile werden aus einem Material hergestellt, welches gegenüber einem Induktionsheizen nicht empfindlich ist. Beispiele der verwendbaren Werkzeugsmaterialien sind Keramik- oder Harzverbundstoffe. Die Werkzeuge werden mit Glasfaserstangen oder anderen geeigneten Verstärkungen verfestigt und verstärkt, um den Temperaturen und Drücken zu widerstehen, welche eingesetzt werden, um die Verbundstoffe auszubilden. Da die Werkzeuge, welche eingesetzt werden, gegenüber dem Induktionsheizen nicht empfindlich sind, ist es möglich, die Werkzeuge zusammen mit Induktionsheizelementen zu verwenden, um das Verbundstoff aufzuheizen.

Während die Verbesserungen viel bewirkt haben, um die Betriebszeit zu verringern und die Qualität des fertigen Artikels zu verbessern, verbleiben mehrere Probleme. Ein Problem betrifft die Haltbarkeit des Formwerkzeugs bei Herstellungsabläufen einer relativ langen Dauer (d.h. mehr als ungefähr 250 Stück). Die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs neigt dazu, sich unter einer Verwendung zu verschlechtern, typischerweise durch Risse aufgrund von zyklischen Belastungen und/oder Defekten aufgrund von chemischen Inkompatibilitäten mit den Suszeptoren bei erhöhten Temperaturen oder mit den Harzen und Chemikalien in den Verbundprepregs oder Laminierungen, wenn die Suszeptoren nicht verwendet werden. Folglich erfordern relativ große Herstellungsabläufe typischerweise mehrere Sätze von Formwerkzeugen, was die Kosten dieser Teile weiter erhöht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Bei einer bevorzugten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Auskleidung eines Formwerkzeugs zur Verwendung bei einem Formwerkzeug, welches einen Formwerkzeugkörper aufweist, bereit, wobei der Formwerkzeugkörper derart ausgestaltet ist, dass er ein Werkstück ausbildet. Die Auskleidung des Formwerkzeugs ist eine separate Struktur, welche ausgestaltet ist, um in Verbindung mit dem Formwerkzeugkörper eingesetzt zu werden. Die Auskleidung des Formwerkzeugs definiert eine Formgebungsoberfläche, um das Werkstück auszubilden, und ist derart ausgestaltet, dass sie zumindest eine Eigenschaft aufweist, welche unterschiedlich von einer entsprechenden Eigenschaft des Formwerkzeugkörpers ist, so dass die Auskleidung des Formwerkzeugs die Haltbarkeit des Formwerkzeugs erhöht.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Formwerkzeug zum Einsatz bei einer Formgebungsvorrichtung bereit. Das Formwerkzeug weist einen Formwerkzeugkörper und eine separate Auskleidung auf. Der Formwerkzeugkörper weist einen Gussabschnitt auf, welcher aus einem ersten Material ausgebildet ist. Die Auskleidung ist mit dem Gussabschnitt des Formwerkzeugkörpers gekoppelt und definiert einen Formhohlraum und eine Formgebungsoberfläche. Die Auskleidung ist aus einem zweiten Material ausgebildet, welches unterschiedlich zu dem ersten Material ist. Das zweite Material ist relativ haltbarer als der Gussabschnitt des Formwerkzeugkörpers, um so einen verlängerten Einsatz des Formwerkzeugkörpers zu erlauben.

Andere Bereiche einer Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung werden von der detaillierten Beschreibung, welche im Folgenden bereitgestellt wird und eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform erläutert, ersichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Zusätzliche Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen ersichtlich, wenn sie im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gesehen werden, wobei gilt:

1 ist eine Perspektivansicht einer Vorrichtung zum Verfestigen und Ausbilden von organischen Matrixverbundplatten, welche einen Keramikformwerkzeugsatz aufweist, der gemäß der Lehren der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;

2 ist eine schematische Querschnittsansicht der Vorrichtung der 1;

3 ist eine Querschnittsansicht eines flexiblen Wicklungsverbinders;

4 ist eine Teilexplosionsansicht und teilweise aufgeschnittene Ansicht eines Abschnitts der Vorrichtung der 1;

5 ist eine Ansicht, welche ähnlich zu derjenigen der 2 ist, aber ein Paar Werkstücke darstellt, welche in den Formwerkzeugsatz geladen sind und einen nicht ausgebildeten Zustand aufweisen;

6 ist eine Ansicht, welche ähnlich zu derjenigen der 5 ist, aber die Werkstücke in einem ausgebildeten Zustand darstellt; und

7 ist eine Teilquerschnittsansicht eines Formwerkzeugsatzes, welcher gemäß der Lehren einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform konstruiert ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFOR MEN

Mit Bezug auf 1 der Zeichnungen wird eine Formgebungsvorrichtung 8 dargestellt, welche einen Formwerkzeugsatz 10 aufweist, welcher gemäß der erfindungsgemäßen Lehren konstruiert ist. In dem speziellen gegebenen Beispiel ist die Formgebungsvorrichtung 8 derart dargestellt, dass sie eine Induktionsheizformgebungsvorrichtung ist, aber der Fachmann versteht, dass die Prinzipien der vorliegenden Erfindung auch auf andere mit Wärme und Kälte formende Formwerkzeuge genauso gut anwendbar sind. Der Formwerkzeugsatz 10 weist ein Paar zusammenpassende Werkzeuge oder Formwerkzeuge 20 und 22 auf, welche in einem oberen Kippträger 24 bzw. einem unteren Kippträger 26 angebracht dargestellt sind. Die Kippträger 24 und 26 sind jeder auf vier mit Gewinde versehenen Säulenstützen oder Hebeschrauben 28 mittels Gewinde angebracht. Die Hebeschrauben 28 können gedreht werden, wobei ein Balgmechanismus oder ein anderer Betätigungsmechanismus verwendet wird, um den oberen und den unteren Kippträger 24 und 26 relativ zueinander zu bewegen.

Jeder Kippträger 24 und 26 stellt eine feste, flache Verstärkungsoberfläche für sein zugeordnetes Formwerkzeug 20 und 22 bereit, um zu verhindern, dass die Formwerkzeuge 20 und 22 während wiederholter Verfestigungs- und Formgebungsvorgängen biegen und reißen. Vorzugsweise sind die Kippträger 24 und 26 in der Lage, die Formwerkzeuge mit einer Oberflächentolleranz von +/– 0,003 Zoll pro Quadratfuß der Formgebungsoberfläche in dem Werkzeugkasten zu halten. Solche Toleranzen helfen, um sicherzustellen, dass die geeigneten Teiltoleranzen erzielt werden. Die Kippträger 24 und 26 können aus Stahl, Aluminium oder irgendeinem anderen Material ausgebildet sein, welches in der Lage ist, die Belastungen abzuwickeln, welche während einer Formgebung auftreten. Jedoch sind Materialien, welche nicht magnetisch sind, wie z.B. Aluminium oder einige Stahllegierungen bevorzugt, um irgendeine Störung mit dem magnetischen Feld, welches durch die Induktionswicklungen, welche im Folgenden beschrieben werden, erzeugt werden, zu vermeiden. Unter gewissen Umständen sind die Formwerkzeuge 20 und 22 ohne die Kippträger stark genug.

Mit zusätzlichem Bezug zu 2 bis 4 kann jedes der Formwerkzeuge 20 und 22 an seinem zugeordneten Kippträger 24 und 26 durch irgendwelche geeigneten Befestigungsvorrichtungen, wie z.B. Bolzen oder Klemmen, angebracht sein. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Formwerkzeuge 20 und 22 auf Halteplatten 40 angebracht, welche auf einem zugeordneten der Kippträger 24 und 26 durch den Einsatz von Anpressbalken 42 an Ort und Stelle gehalten werden. Die Anpressbalken 42 erstrecken sich um die Umfangskanten der Halteplatten 40 und sind mit ihren entsprechenden Kippträgern 24 und 26 mittels Befestigungsmitteln (nicht dargestellt) verschraubt.

Jedes der Formwerkzeuge 20 und 22 ist derart dargestellt, dass es eine Mehrzahl von Einschlusswänden 50, eine Mehrzahl von Verstärkungsstangen 52, einen Formwerkzeugkörper 54 und eine Auskleidung 56 des Formwerkzeugs umfasst.

Bei der speziellen dargestellten Ausführungsform sind die Einschlusswände 50 aus einem Material, wie z.B. Phenol, hergestellt, welches gegenüber einem Induktionsheizen nicht empfindlich ist und welches einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine gute Wärmeschockbeständigkeit und eine relativ hohe Kompressionsfestigkeit aufweist. Jede der Einschlusswände 50 stößt gegen zwei der anderen Einschlusswände 50, welche sich quer dazu erstrecken.

Die Verstärkungsstangen 52, welche aus Glasfasern ausgebildet sind, erstrecken sich sowohl in Längsrichtung als auch in Quererichtung in einer gitterähnlichen Weise durch die Einschlusswände 50. Die Verstärkungstangen 52 sind vorzugsweise nicht elektrisch leitend, so dass sie gegenüber einem Induktionsheizen nicht empfindlich sind. Alternativ können die Verstärkungstangen 52 auch aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet sein, aber vorzugsweise derart angeordnet sein, dass sie gegenüber einem Induktionsheizen nicht empfindlich sind. Spannmuttern werden anfänglich eingesetzt, um eine leichte Klemmkraft auf die Einschlusswände 50 auszuüben, um vor und während der Anordnung des Formwerkzeugkörpers 54 ihre Beziehung relativ zueinander beizubehalten.

Jeder Formwerkzeugkörper 54 ist aus einem ersten Material hergestellt, welches gegenüber Induktionsheizen nicht empfindlich ist, wie z.B. ein Verbundstoff oder ein Keramikmaterial, welches vorzugsweise einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine gute Wärmeschockbeständigkeit und eine relativ hohe Kompressionsfestigkeit aufweist. Ein bevorzugtes Material ist gießbare Quarzgutkeramik. Ein Verfahren, durch welches die Formwerkzeugkörper ausgestaltet werden können, ist in dem im Allgemeinen zugeordneten US-Patent Nr. 6,235,381 mit dem Titel "Reinforced Ceramic Structures" beschrieben.

Die Auskleidung 56 des Formwerkzeugs ist aus einem zweiten Material ausgebildet, welches gegenüber einem Induktionsheizen auch nicht empfindlich ist, welches aber relativ haltbarer als das erste Material ist. Diesbezüglich weist das zweite Material mindestens eine Eigenschaft, wie z.B. die Materialfestigkeit (z.B. Zugfestigkeit, Scherfestigkeit, Kompressionsfestigkeit oder Ermüdungsfestigkeit) oder eine chemische Widerstandsfähigkeit auf, welche zu der entsprechenden Eigenschaft des ersten Materials unterschiedlich ist, was bewirkt, dass die Auskleidung 56 des Formwerkzeugs relativ haltbarer ist.

Das zweite Material ist vorzugsweise SiNi, welches durch Schlickergießen in die gewünschte Form gebracht wird, oder ein Keramikmatrixverbundstoff, welcher zum Beispiel aus einem polymeren Sol-Gel (Organosilane oder Glaskeramiksol) und kontinuierlichen oder geschnittenen Fasern aus Siliciumcarbid (z.B. Nicalon), was eine Siliciumcarbidmatrix oder ein Aluminiumoxid (z.B. Nextel 312 oder 440) erzeugt, was eine Aluminosilicatmatrix erzeugt. Typischerweise weist die Auskleidung 56 des Formwerkzeugs eine Dicke auf, welche zwischen ungefähr 2,0 mm (0,08 Zoll) und ungefähr 3,2 mm (0,13 Zoll) liegt, obwohl Auskleidungen des Formwerkzeugs von anderen Dicken in geeigneten Situationen eingesetzt werden können. Die Auskleidung 56 des Formwerkzeugs wird gehärtet (getrocknet) und gesintert, wie es erforderlich ist, und fest mit ihrem zugeordneten Formwerkzeugkörper 54 gekoppelt, um betriebsbereit die Formgebungsoberfläche 60 ihres zugeordneten Formwerkzeugs 20 und 22 auszubilden. Vorzugsweise wird der Formwerkzeugkörper 54 jedes Formwerkzeugs 20 und 22 auf die Auskleidung 56 des Formwerkzeugs gegossen (d.h. Schüttkeramik wird auf die nicht dem Teil zu gewandten Seite der Auskleidung 56 des Formwerkzeugs gegossen).

Eine Mehrzahl von Induktionswicklungen 70 erstrecken sich in Längsrichtung durch die Länge der Formwerkzeuge 20 und 22. Bei der bevorzugten Ausführungsform werden vier separate Induktionswicklungen 70 verwendet, jedoch können andere Anzahlen von Induktionswicklungen auch eingesetzt werden. Jede Induktionswicklung 70 ist aus einer Mehrzahl von geraden Rohrabschnitten 72 und einer Mehrzahl von flexiblen Wicklungsverbindern 74 ausgebildet. Jeder der geraden Rohrabschnitte 72 erstreckt sich über der Länge des Formwerkzeugs 20 und 22, in welchem er sich befindet. Die geraden Rohrabschnitte 72 sind vorzugsweise aus einem leicht gezogenen Kupferrohrmaterial ausgebildet, welches einen Durchmesser von ungefähr 25,4 mm (1,00 Zoll) mit einer Wanddicke von ungefähr 1,6 mm (0,63 Zoll) aufweist, und werden vorzugsweise in dem Formwerkzeugkörper 54 angeordnet, so dass sie sich ungefähr 19,0 mm (0,75 Zoll) entfernt von der Formgebungsoberfläche 60 befinden. Jeder der flexiblen Wicklungsverbinder 74 koppelt einen der geraden Rohrabschnitte 72 in dem Formwerkzeug 20 mit einem der geraden Rohrabschnitte 72 in dem Formwerkzeug 22. Die Induktionswicklungen 70 sind mit einer externen Leistungsquelle oder Wicklungssteuerung 76 und mit einer Kühlmittelquelle durch Verbinder 78, welche sich an den Enden der Induktionswicklungen 70 befinden, verbunden.

Um die Festigkeit des Formwerkzeugkörpers 54 zu erhöhen, werden die Verstärkungstangen 52 gespannt, nachdem der Formwerkzeugkörper 54 ausgebildet worden ist. Ein nachträgliches Spannen der Verstärkungsstangen 52 übt eine Kompressionsbelastung auf den Werkzeugkörper 54 aus. Da die Gusskeramik des Werkzeugkörpers typischerweise eine gute Kompressionsfestigkeit aber eine geringe Zugfestigkeit aufweist, wird diese Technik, welche ähnlich zu denjenigen einer Vorbelastung von Beton ist, bei der Formwerkzeugkonstruktion verwendet, um die Toleranzen der Formwerkzeuge 20 und 22 aufrecht zu erhalten und um Risse oder eine andere Beschädigung während des Einsatzes des Formwerkzeugsatzes 10 zu verhindern.

Wenn die Formwerkzeuge 20 und 22 zueinander geschlossen werden, wirken ihre Formgebungsoberflächen 60 zusammen, um einen Formhohlraum zu definieren. Bei dem bereitgestellten Beispiel wird der Formwerkzeugsatz 10 für einen superplastischen Formgebungsvorgang eingesetzt, wobei ein Paar Titaniumwerkstücke 90a und 90b gleichzeitig durch die Formwerkzeuge 20 und 22 ausgebildet und zusammen gelötet werden, wie es in 5 und 6 dargestellt ist. Im Betrieb wird ein Stück eines Lötmaterials 92 zwischen den Werkstücken 90a und 90b platziert und die Werkstücke 90a und 90b werden zwischen den Formwerkzeugen 20 und 22 belastet. Die Hebeschrauben 28 (1) werden dann eingesetzt, um die Formwerkzeuge 20 und 22 gegen die Werkstücke 90a und 90b zu stoßen und entwickeln eine Klemmkraft mit einer ausreichenden Stärke, um den superplastischen Formgebungsvorgang zu ermöglichen. Eine reaktionsträge Atmosphäre wird vorzugsweise in den Formhohlraum 82 eingeführt, um die Werkstücke 90a und 90b vor einer Oxidation zu schützen.

Die Wicklungssteuerung 76 und eine Kühlmittelquelle werden betätigt, um die Induktionswicklungen 70 sowohl mit einem sich zeitlich verändernden elektrischen Feld und einem Kühlmittel zu versorgen. Abhängig von dem elektrischen Feld, welches durch die Wicklungssteuerung 76 erzeugt wird, erzeugen die Induktionswicklungen 70 einen elektromagnetischen Fluss, welcher eingesetzt wird, um die Werkstücke 90a und 90b auf eine erwünschte Temperatur vor ihrer superplastischen Ausbildung zu erhitzen. In dem bereitgestellten Beispiel wird eine Temperatursteuerung erzielt, indem die Eingangsleistung gesteuert wird, welche den Induktionswicklungen 70 zugeführt wird, so dass die erwünschte Temperatur auf einem relativ konstanten Niveau für eine vorbestimmte Zeit, welche von mehreren Minuten bis zu mehreren Stunden reicht, gehalten wird, während die Bearbeitung der Werkstücke 90a und 90b vollendet wird.

Das Kühlmittel, welches durch die Induktionswicklungen 70 fließt, baut übermäßige Hitze ab, um dadurch sicherzustellen, dass das Kupfer, aus welchem sie ausgebildet sind, während des Heizens der Werkstücke 90a und 90b nicht schmilzt. Wenn die Werkstücke 90a und 90b ausreichend aufgeheizt worden sind, wird ein Gas, wie z.B. Argon, welches unter einem ausreichenden Druck steht, in den Formhohlraum 82 in den Raum oder einen Teilraum 94 zwischen der Formgebungsoberfläche 60 des Formwerkzeugs 20 und dem Werkstück 90a, den Teilraum 96 zwischen der Formgebungsoberfläche 60 des Formwerkzeugs 22 und dem Werkstück 90b und den Teilraum 98 zwischen den Werkstücken 90a und 90b eingeführt. Der Druck in jedem der Teilräume 94, 96 und 98 wird reguliert, um so die Rate, mit welcher sich die Werkstücke 90a und 90b verformen, zu steuern. Der Fachmann versteht, dass die Teilräume 94 und 96 alternativ luftleer gemacht werden können (d.h. unter Vakuum gesetzt werden können). Aufgrund der erhöhten Temperatur der Werkstücke 90a und 90b sind sie relativ formbar und leicht unter dem Druck des Gases zu verformen, so dass sie in einer Übereinstimmung mit der Formgebungsoberfläche 60 eines entsprechenden der Formwerkzeuge 20 und 22 gedrängt werden. Darüber hinaus schmilzt das Lötmaterial 92 bei dieser erhöhten Temperatur und erzeugt einen starken Verbund um den Umfang der Werkstücke 90a und 90b herum, was sie fest miteinander verbindet. Wenn die Werkstücke 90a und 90b ausgebildet worden sind und miteinander verbunden worden sind, wird das sich zeitlich verändernde elektrische Feld von den Induktionswicklungen 70 entfernt. Wenn es erforderlich ist, kann der Fluss des Kühlmittels zu den Induktionswicklungen 70 beibehalten werden, um so den Formwerkzeugsatz 10 und die Werkstücke 90a und 90b zu kühlen.

Wie es für den Fachmann verständlich sein sollte, ist die Formgebungsoberfläche 60 jedes Formwerkstücks 20 und 22 unter Berücksichtigung des Schrumpfens der Werkstücke 90a und 90b wie auch jedes Betriebsschrumpfens, welches inhärent für das Material ist, von welchem die haltbare Auskleidung 56 des Formwerkzeugs ausgebildet ist, ausgebildet. Der Fachmann versteht, dass die Auskleidung 56 des Formwerkzeugs eine Schicht bereitstellt, welche sowohl stabil als auch robust ist, um dadurch das Keramikmaterial des Formwerkzeugkörpers 54 vor einem direkten Kontakt während der Bearbeitung der Werkstücke 90a und 90b wie auch vor einer zufälligen Beschädigung, welche sonst während des Transports, einer Aufstellung und einer Aufbewahrung des Formwerkzeugsatzes 10 auftreten könnte, zu schützen.

Während der Formwerkzeugsatz 10 insoweit mit einer haltbaren Auskleidung 56 des Formwerkzeugs beschrieben worden ist, welche eine Formgebungsoberfläche 60 aufweist, die die äußere Formlinie eines Werkstücks ausbildet, ist es für den Fachmann klar, dass die Erfindung in ihren umfassenderen Aspekten ein wenig anders ausgebildet sein kann. Zum Beispiel können die Formwerkzeuge mit einer Auskleidung 56' des Formwerkzeugs ausgebildet sein, welche zur Verwendung mit einem Paar von Suszeptorschichten 100 ausgebildet ist, wie es in 7 dargestellt ist. Da eine Suszeptorschicht 100 zwischen jedem Werkstück 90a' bzw. 90b' und seinem zugehörigen Formwerkzeug 20' bzw. 22' angeordnet ist, wird die Formgebungsoberfläche 60' der Auskleidung 56' des Formwerkzeugs relativ zu der vorherigen Ausführungsform vergrößert, um das Äußere der Suszeptorschicht 100 aufzunehmen. Wie es in den vorab referenzierten US-Patenten mit den Nummern 5,645,744 und 5,728,309 offenbart ist, werden die Suszeptorschichten 100 auf der Grundlage ihrer Curietemperatur ausgewählt, um so eine Temperatursteuerung bei ungefähr der vorbestimmten Temperatur zu ermöglichen. Diesbezüglich wandert der elektromagnetische Fluss, welcher durch die Induktionswicklungen 70 erzeugt wird, durch die Keramik und in die Suszeptorschichten 100, wenn sie magnetisch sind und den elektromagnetischen Fluss dicht aufnehmen. Die Suszeptorschichten 100 heizen abhängig von einer Aufnahme des elektromagnetischen Flusses bis die Curiertemperatur erreicht ist, wobei die Suszeptorschichten 100 unmagnetisch werden und bezüglich des Induktionsheizens viel weniger empfindlich werden, da das sich zeitlich verändernde Magnetfeld geringer konzentrierte Ströme durch die Tiefe des Materials induziert. Daher erfordert ein Induktionsheizen oberhalb der Curietemperatur einen wesentlichen Anstieg an Eingangsstrom über denjenigen hinaus, welcher für einen Dauerbetrieb bei der Curietemperatur erforderlich ist, da die unmagnetische Phase der Suszeptorschicht 100 uneffektiv heizt. Dementsprechend kann durch eine vernünftige Auswahl eines Suszeptors auf der Grundlage seiner Curietemperatur eine maximale Temperatursteuerung, welche überall in dem Suszeptor gleichmäßig ist, garantiert werden.


Anspruch[de]
  1. Formwerkzeug (20, 22; 20', 22') zur Verwendung bei einer Formgebungsvorrichtung (8), welche Induktionsheizen einsetzt, wobei das Formwerkzeug umfasst:

    – einen Formwerkzeugkörper (54) mit einem Gussabschnitt, welcher aus einem ersten Material ausgebildet ist; und

    – eine Mehrzahl von Induktionswicklungssegmenten (72), welche in den Formwerkzeugkörper eingebettet sind,

    dadurch gekennzeichnet,

    – dass eine Auskleidung (56) des Formwerkzeugs mit dem Formwerkzeugkörper gekoppelt ist, wobei die Auskleidung einen Formhohlraum (82) und eine Formgebungsoberfläche (60) definiert, wobei die Auskleidung (56) aus einem Keramikmaterial ausgebildet ist und die Auskleidung ein Keramikverbundstoff ist, welcher gesintert worden ist, wobei der Keramikverbundstoff verschieden von dem ersten Material ist und mindestens eine Eigenschaft, wie z.B. Materialfestigkeit und/oder Chemikalienfestigkeit, aufweist, welche verschieden von der entsprechenden Eigenschaft des ersten Materials ist, wobei ein beständigeres Material als der Gussabschnitt des Formwerkzeugkörpers erhalten wird, um so einen verlängerten Einsatz des Formwerkzeugs zu ermöglichen.
  2. Formwerkzeug (20, 22; 20', 22') nach Anspruch 1, wobei die Auskleidung (56) aus einer Gruppe von Materialien ausgebildet ist, welche aus Siliciumnitrid und Keramikmatrixverbundstoffen besteht.
  3. Formwerkzeug (20, 22; 20', 22') nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auskleidung vorgeformt ist und der Gussabschnitt des Formwerkzeugkörpers (54) auf einer Seite der Auskleidung (56), welche der Formgebungsoberfläche (60) gegenüber liegt, gegossen ist.
  4. Formwerkzeug (20, 22; 20', 22') nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Auskleidung (56) durch Schlickergießen in eine vorbestimmte Form gegossen ist.
  5. Formwerkzeug (20, 22; 20', 22') nach einem der Ansprüche 1–4, wobei der Verbundstoff ein Keramikmaterial beinhaltet, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Siliciumcarbidfasern und Aluminiumoxidfasern.
  6. Formwerkzeug (20, 22; 20', 22') nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Auskleidung (56) eine Dicke zwischen ungefähr 2,0 mm und ungefähr 3,2 mm aufweist.
  7. Formwerkzeug (20, 22; 20', 22') nach einem der Ansprüche 1–6, wobei das erste Material ausgewählt ist aus einer Gruppe von Materialien bestehend aus Phenolharz und Keramik.
  8. Formwerkzeug (20, 22; 20', 22') nach Anspruch 7, wobei das erste Material gießbares Quarzgut ist.
  9. Formwerkzeug (20, 22; 20', 22') nach einem der Ansprüche 1–8, weiter umfassend eine Mehrzahl von seitlichen und quer laufenden Verstärkungsstangen (52), welche sich in getrennten Ebenen durch den Formwerkzeugkörper erstrecken.
  10. Formwerkzeug (20, 22; 20', 22') nach Anspruch 9, wobei die Verstärkungsstangen (52) aus einem Material ausgebildet sind, welches nicht empfindlich bezüglich Induktionsheizen oder elektrisch leitend ist, und in einer Weise angeordnet sind, so dass sie bezüglich Induktionsheizen nicht empfindlich sind.
  11. Formwerkzeug (20, 22; 20', 22') nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Verstärkungsstangen (52) gespannt sind, um eine komprimierende Kraft aufzubringen, welche auf den Formwerkzeugkörper (54) ausgeübt wird.
  12. Formwerkzeug (20, 22; 20', 22') nach einem der Ansprüche 1–11, wobei jedes der Wicklungssegmente (72) ein Kupferrohr ist, und wobei die Wicklungssegmente (72) in den Formwerkzeugkörper (54) neben die Formgebungsoberfläche (60) in einer beabstandeten Anordnung gegossen sind, um für ein räumlich gleichförmiges Magnetfeld über einem Werkstück (90a, 90b; 90a', 90b') zu sorgen, wenn die Wicklungssegmente (72) elektrisch derart zusammen verbunden sind, dass sie eine Wicklung ausbilden und die Wicklung mit Energie versorgt wird.
  13. Formwerkzeug (20, 22; 20', 22') nach einem der Ansprüche 1–12, wobei das erste Material und das Keramikmaterial nicht empfindlich bezüglich Induktionsheizen sind.
  14. Formwerkzeug (20, 22; 20', 22') nach einem der Ansprüche 1–13, wobei die Auskleidung (56') eine vergrößerte Formgebungsoberfläche (60') aufweist, um die Suszeptorschicht (100) zur maximalen Temperatursteuerung aufzunehmen.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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