Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Her¬ stellen von Formkörpern durch Verdichten und Verbinden von tei 1 chenförmi gen Werkstoffen und auf eine dafür geeignete Vorrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere geeignet zur Herstellung von porösen Werkstofftei 1 en .

Es sind bereits verschiedene Verfahren zum Verpressen, Warmverpressen, Sintern von tei 1 chenförmigen Materi¬ alien zur Herstellung von Festkörpern bekannt. Bei¬ spielsweise wird pulver örmiges Material in einem Formgesenk einer Presse zusammengedrückt. Das zu einem Preßling verdichtete Material ist ein sogenannter grüner Preßling. Dieser wird dann bei hoher Temperatur in einem Ofen geglüht oder gesintert. Dabei verliert das Material an Brüchigkeit, wobei die Dichtigkeit aus dem vorangegangenen Preßvorgang an gewisse Grenzen gebunden ist. Außerdem ist die Komplexität der Formen durch die beim Preßvorgang erforderlichen Kräfte einge¬ schränkt.

Um pastöse Massen zu verdichten und in Festkörper zu überführen, sind Vorrichtungen mit einem schwingfähig gelagerten Rütteltisch und mit darauf angeordneten Formkasten mit einem Deckgewicht bekannt. Durch Rüttel- und Schütte! ewegung werden die Bestandteile der pastö- sen Massen zunächst verdichtet und ein sogenannter Grünling gebildet, der dann einer Warmbehandlung zum Sintern des Materials unterzogen wird.

Aus DE-A-31 38 223 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Schal 1 energi e in eine homogene Hasse eingeleitet wird, um deren Konsistenz zu bestimmen. Aus den detaillierten Angaben und dem beabsichtigten Zweck des Ausmessens der Konsistenz ergibt sich, daß die insgesamt eingebrachte Energie außerordentlich niedrig ist und keine Verände¬ rungen in der Material Struktur bewirken kann. Eine solche ist nach der Lehre dieser Druckschr ft grund¬ sätzlich auch nicht beabsichtigt.

Aus Kunststoffen lassen sich beispielsweise durch

Spritzgießen auch Formkörper komplexer Formen herstel¬ len, jedoch ist es nicht möglich, durch Spritzgießen poröse Formteile mit hoher Festigkeit herzustellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfah¬ ren zum Herstellen von Formkörpern aus tei 1chenförmigern Material und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen, das die Nachteile der bekannten Preß- und Sinterverfahren vermeidet.

Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zum Hei— stellen von Formkörpern durch Verdichten von teilchen- förmigem Material aus Kunststoff, Kohlenstoff, Metall oder Keramik durch gleichzeitige Behandlung des in

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einen Formrau;n ein eschlossenen Materials mit einem Druck zwi chen 10 und 1 θΗ]/cιr.2 und Schall einer Frequenz von 10 bis 100 kf'ertz, das dadurch gekennzeichne ist, daß die Amplitude der Schallenergie 5 bis 100 Uüi beträgt und auf deren Frequenz und auf den El asti zi tätsi.iodul des zu behandelnden iiaterials ent¬ sprechend den Fo eln

in denen die '..'ellenlange der Sc al lenergie, A I— die Ai.iplitude, V die Schal eschwindigkeit im ..Jateria!, f die Frequenz , z_— i e Dehnung des iiaterials bedeuten so abgostii.irπt sind, daß die eingebrachte Sc alle ergie in Form von Stoßwellen auf das zu verdichtende iiaterial und durch Reibung in Uärr.ie umgewandelte Energie an den Berührungsflächen der Teilchen ein'.n ken und eine feste Verbindung der Teilchen Miteinander durch Ve schmelzen ode Verkle en ά o. r ierührun _ sste11 en e zeug wird.

Vorzugsweise verbindet fr.an unterschiedliche teilchen- för;,'.ige Mate ial ien an den oerühru ngsf1 ächen mitein¬ ander.

Bei spiεlswe st ann ir.an Grap itpulver mit Teer oder

Pech m schen und eine Paste ausbilden, wobei Teer oder Pech als Bindemittel irken.

Durch die gleichzeitige Beaufschlagung des iiaterials ι.ιit Druc und Stoßwellen einer a sgewä lten und an das Material angepassten Frequenz und Am litude und Inten¬ sität v/erdan die Teilchen in ihrer Lage zueinander 1 αιj ori enti e r , wobei sich c i e zunächst vorhandenen Zwischenräume zwi schon cior. Teilchen verringern und

nahezu vollständig aufgefüllt werden. Dabei werden durch die Ausbildung des Schwingkörpers Stoßwellen übertragen, die erhebliche Energiemengen übertragen. Schal 1 energi e wird dabei in Stoßenergie umgewandelt, wobei nur die Longitudi nalwell en ausgenutzt werden. Es können Energiemengen von 1 bis 3 KW übertragen werden. Dies führt zu der erwünschten Verdichtung des Materi¬ als, wenn gleichzeitig der als Schwingkörper ausgebil¬ dete Stempel dem sich verdichtenden und damit im Volu- en schrumpfenden Material nachgeführt und eine Druck¬ belastung des Materials aufrechterhalten wird. Der Verdichtungszustand ist bei dieser Arbeitsweise höher als bei den bekannten Preßverfahren, bei denen das Material nur einem Preßdruck ausgesetzt wird. Dies beruht darauf, daß die Druckkräfte des Schwingkörpers während des Preßvorgangs lokal entsprechend der Fre¬ quenz über die Länge der Amplitude auf das Material einv/irken. Der Schwingkörper löst sich ständig mit der Frequenz entsprechend der Amplitude von Masse ab.

Die Behandlungsdauer, die Frequenz und Amplitude der Schallenergie werden so auf den Elastizitätsmodul des zu behandelnden Materials abgestimmt, daß das verdich¬ tete Material sich an den Berührungsfl chen der Teil- chen verbindet und ein der Form des Formraumes entspre¬ chender Formkörper ausgebildet wird. Die Verbindung beruht darauf, daß die einzelnen Teilchen unter Einwir¬ kung der vom Schwingkörper ausgehenden Stoßwellen aneinander reiben und sich das Material erwärmt. Die Schallenergie ist besonders irksam im sogenannten Ultraschal 1 berei eh. Im Gegensatz zum herkömml chen Ultraschallschweißen ist nicht nur die Amplitude der P.esonanzeinheit, sondern es sind auch die bei der Ein¬ wirkung entstehenden Kräfte von Bedeutung. Geht man beispielsweise von einer Frequenz von 20 kHz und einer

..d l)

Amplitude von 35 my aus, erhält man nach der Formel

Λ -

- Wellenlänge der Schal1energie Schallgeschwindigkeit im Material Frequenz

für Stahl eine Wellenlänge von 0,225 m (angenommen V = 4.500 m(sec). Die zugrundegelegte Amplitude von 35 my ist die Längenänderung des Schwingsystems in 1/4 • Die dazugehörige Spannung errechnet sich folgendermaßen:

έ - f £ ε - ^χ

έ - ^~ >. ⁼ Spannung des uaterialε

E = Elas izitätsmodul des Materials

C = Dehnung des Materials

,ΔL = Amplitude der Schal1energie

Daraus ergibt sich in diesem Falle eine Spannung von etwa 13 kN/cm^.

Der wesentliche Unterschied zum herkömmlichen Pressen besteht darin, daß man die nötige Energie zum Behandeln erst zu einem Zeitpunkt auf das aterial aufgeben muß, wenn der Oberstempel bereits in das Gesenk eingefahren ist, d.h. bis zu diesem Zeitpunkt besteht in keiner eise die Gefahr, daß sich die Bedienperson in irgend¬ einer Form an dem Gesenk verletzen kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch die Herstellung von Verbundwerkstoffen, wenn beispielsweise unterschiedl che tei Ichenförmige Materialien mitein¬ ander gemischt und als Mischung in einer Formmatrize mittels Druck und Schall behandelt werden. Werden die unterschiedlichen Stoffe schichtweise abwechselnd in der Matrize angeordnet, lassen sich mehrschichtige Verbundmaterial en herstellen, die aus zwei oder mehre¬ ren Schichten bestehen. In einem solchen Fall ist eine Abstimmung der Frequenz der Schal 1 energi e auf die Elastizitätsmodule beider oder mehrerer Materialien erforderlich. Um eine feste Verbindung erreichen zu können, sollten die Elastizitätsmodule der unterschied¬ lichen Stoffe ähnlich sein und nicht zu große Untei— schiede aufweisen.

Im Rahmen der Herstellung von Verbundwerkstoffen ist das erfindungsgemäße Verfahren auch geeignet, um vorge¬ gebene Formkörper mit Schichten aus gleichem oder unterschiedlichem Material zu versehen, wobei die aufgebrachten Schichten vorzugsweise eine poröse Struk¬ tur aufweisen und mit dem Trägermaterial fest verbunden sind. Grundsätzlich ist die Verbindung aus verdichteten porösen oder nicht porösen Werkstoffen mit porösen oder 5 dichten Werkstoffen gleicher oder unterschiedlicher

Herkunft möglich. Als Verbundwerkstoffe können Verbünde aus unterschiedlichen Kunststoffen hergestellt werden, z.B. aus Duroplasten, d.h. räumlich eng vernetzte Polymere und Thermoplaste miteinander verbunden werden. 0 Dabei können polymere Substrate mit dichter makroskopi¬ scher Struktur sowohl mit porösen als auch mit dichten Schichten versehen werden. Es lassen sich ggfs. auch poröse Trägerstrukturen mit makroskopisch dichten Kunststoffschi chten verschließen. r.

ERSATZBLATT

Geeignete Kunststoffe sind Phenolharze, Kresolharze, Novolacke, Resole, Harnstoffharze, Mel ami nharze, Alkyd- harze, d.h. aus mehrbasischen Säuren und mehrwertigen Alkoholen gebildete Polyesterharze aber auch ungesät¬ tigte Polyesterharze, Epoxiharze, vernetzte Polyure¬ thane, Thermoplaste wie Polyolefine, Polyvinylchlorid, Polystyrol und Styrol copolymeri säte, Polyamide, Poly- acrylate und Poly ethacryl ate, Polycarbonate, Cel 1 ul oseacetobutyrat, Cel 1 u 1 oseacetopropi onat können erfindungsgemäß verarbeitet werden.

Beispiele für Verbund erkstoffe sind auch Verbünde aus Metallen oder Keramik mit den zuvor genannten Kunst¬ stoffen. Es können beispielsweise Sintermetalle von Eisen, Kupfer, Silizium, Aluminium, Titan, Bro en mit Kunststoffen beschichtet und verbunden werden oder Kohlewerkstoffe mit Silber, Gold, Metallen der Platin¬ gruppe. Grundsätzlich ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, metallische Substrate mit keramischen Schichten zu versehen und zu verbinden.

Als ein Beispiel von Verbundmaterial lediglich unter¬ schiedlicher makroskopischer Struktur ist eine Kupfer¬ platte anzusehen, die mit metallischem Kupfergranulat beschichtet und eine poröse Oberfl chenschicht ausge- bi 1 det wurde.

Ein solches Verbundmaterial weist die mechanische Festigkeit des Grund-/ oder Trägermaterials auf. Die poröse Oberflächenschicht läßt sich für die spätere

Verwendung mit Flüssigkeiten tränken, so daß die Hohl¬ räume der Oberflächenschicht damit gefüllt und die Eigenschaften der Oberfläche i Vergleich zum Träger¬ material modifiziert sind. For körper mit derart modifizierten Oberflächen sind beispielsweise als

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selbstschmierende Gleitfilter verwendbar, wenn in die poröse Struktur Gleitmittel eingelagert werden. Dem Fachmann bereitet es keine Schwierigkeiten, das Grundprinzip der Behandlung auf andere als die bei¬ spielhaft genannten Werkstoffe zu übertragen und damit die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zu vergrössern.

Entscheidend für diese Ausführungsform des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens ist es, daß die durch Schall, ins¬ besondere Ultraschall, eingebrachte und durch Reibung in Wärme umgewandel te Energie an den Berührungsflächen der Teilchen auf das Material einwirkt und eine feste Verbindung der Teilchen miteinander erzeugt wird durch Verschmelzen oder Verkleben der Berührungsstellen.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich besonders günstig poröse Werkstofftei 1 e herstellen, die ggfs. noch einer thermischen Nachbehandlung unterzogen werden können, wenn dies wegen der besonderen Eigen¬ schaften des Materials notwendig ist und zu einer weiteren Verbesserung der Festigkeit oder anderer Eigenschaften der Formkörper führt. Beispielsweise können sogenannte Grünkörper durch reines Verdichten hergestellt werden und dann üblichen Sintei— oder Nachbehandlungsschritten unterzogen werden. Besonders bevorzugt ist es jedoch, die Verbindung unmittelbar durch die Einwirkung von Druck und Schal 1 energie herbeizuführen, so daß Nachbehandlungen entfallen können.

Beispiele für Werkstofftei 1 e, die sich nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens her¬ stellen lassen, sind insbesondere poröse Kunststoff-, Sintermetall-, Keramik- oder Koh1 enstofformtei 1 e wie Lager, Dichtungen und andere. Das erfindungsgemäße

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Verfahren eignet sich generell auch zur Herstellung von komplizierten Formteilen, wie Lagern mit komplizierten Formen, die mit den bisherigen Preßtechnologien nicht herstellbar waren.

Bei der Anpassung der Frequenz und Amplitude des Schalls werden Frequenzen im Bereich von 10 kHz, voi— zugsweise oberhalb 15 kHz verwendet. Besonders bevor¬ zugt sind Frequenzen zwischen 20 und 40 kHz oder 20 bis 60 kHz. Die Amplituden liegen zwischen 5 und 100/Um, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 40 /im. Der gleichzeitig auszuübende Druck beträgt zwischen 10 und 10^ N/cm ² , vorzugsweise von 50 bis 1500 N/cm ² . Ganz besonders geeignet sind Drucke von 200 bis 1000 N/cm ² .

Die Erfindung schließt auch eine Vorrichtung zur Aus¬ übung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein. Diese Vorrichtung zum Behandeln von teilchenför igem Material mit einem Formraum für das zu behandelnde Material weist eine Matrize und einen Oberstempel und einen Unterstempel auf, die beide in einen Hohlraum der Matrize beweglich ausgebildet sind. Vorhanden sind ferner ein Scha11 generator und ein Schal 1 konverter. Das Kennzeichnende der erfindungsgemäßen Vorrichtung be¬ steht darin, daß entweder der Unterstempel oder der Oberstempel oder beide Stempel als Schwingkörper aus¬ gebildet sind. Sie werden mit Schal l mit einer Frequenz von 10 bis 100 kHz von dem Scha 11 konverter aus beaufschlagt. Ober- und Unterstempel sind in der Ma¬ trize aufeinander zu und voneinander weg beweglich ausgebildet, um gleichzeitig mit Schal l und einem Druck von 10 bis 10000 N/cm ² auf das Material auszuüben. Die Halterung der atrize und die bewegbar ausgebilde- ten Ober- und Unterstempel sind mit denen herkömmlicher

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Pressen vergleichbar, d.h. Gesenk und Adaptoren haben einen ähnlichen Aufbau wie bei den bekannten Pressen. Der Oberstempel oder der Unterstempel oder ggfs. beide Stempel sind dem Schwingsystem angepasst. Sowohl Obei— und Unterstempel sind mit einem Schrittmotor oder einem anderen Längenmeßsystem präzise auf bestimmte Positio¬ nen fahrbar. Das Nachführen der Stempel von einer gewissen Stellung an erfolgt selbsttätig, d.h. der Stempel wird mittels einer geeigneten Vorrichtung, wie beispielsweise eines Preßluftzyl nders, leicht vorge¬ spannt. Damit ist dieser Weg als fester Weg vorgegeben. Korrekturen des Preßweges sind über Schrittmotoren möglich. Die exakte Einstellung über Schrittmotoren erfolgt mittels Kurbel gewi detri eb oder ähnliche Sy¬ steme. Schall darf dabei in diese Apparateteile nicht übertragen werden.

Es ist grundsätzlich möglich, mehrere Behandlungssta¬ tionen zusammenzufassen und von einem Frequenzgenerator über entsprechende Konvertoren die Schwingkörper mit der Schal 1 energi e zu beaufschlagen.

Die Frequenz der Schal 1 energie kann grundsätzlich im angegebenen Bereich variieren und auch bei Bedarf während eines Preßvorganges z. B. optimiert verändert werden, um ggfs. die Abstimmung auf die Elastizitätsmo¬ dul oder -module der Werkstoffe während der Phase des Verbindens der Teilchen miteinander zu verbessern.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren noch näher erl utert.

Figur 1_ zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Ver¬ dichten und Sintern der pul verförmigen, pastösen Mate- rialien oder von Granulat mit einem als Matrize (1)

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ausgebi 1deten Formraum, der durch einen Oberstempel (3 und einen Unterstempel (2) verschlossen werden kann. Ober- und Unterstempel (2, 3) sind derart beweglich angeordnet, daß sie einzeln oder auch beide in den freien Innenraum der Matrize hinein und heraus bewegt werden können. Der Stempel (2) ist ein konventioneller Stempel, wie er in Pressen üblicherweise verwendet wird. Der Stempel (3) ist als Schwingkörper ausgebil¬ det, um das im Formraum der Matrize (1) angeordnete Material (4) mit einer Schwingung beaufschlagen zu können. Die Außenrandkanten der Stempel (2, 3) liegen dicht an der Innenwand der Matrize an. Die Position de Stempel (2, 3) relativ zur Matrize wird mittels hydrau lischer, pneumatischer, elektrischer oder mechanischer Bewegungseinrichtungen (8) eingestellt, beisp elsweise mit Zylindern, die auf Untei— bzw. Oberstempel einwir¬ ken. Dabei wirkt die Kolbenstange (9) der unteren Bewegungseinrichtung (8) auf den konventionell ausge¬ bildeten Unterstempel (2) wie bei bekannten Pressen ein. Der als Schwingkörper ausgebildete Oberstempel (3 steht in Verbindung mit einem Verstärker (5), der von einem Träger (7) gehalten wird. Der Eingriff der Bewe¬ gungseinrichtung (8) erfolgt durch feste Verbindung oder Kopplung des Zylinders (8) mit dem Träger (7). Oberhalb des Verstärkers (5) und mit diesem verbunden ist ein Schwingungserzeuger (5) angeordnet, der als Quelle für die Erregung des als Schwingkörper ausge il¬ deten Oberstempels (3) dient.

ΣiSiül Z. zeigt schematisch eine andere Ausführung der Vorrichtung zum Verdichten und Sintern, bei der der Unterstempel (2) als Schwingkörper ausgebildet ist und der Oberstempel (3) ein konventioneller Preßstempel ist, die beide n den Innenraum der Matrize (1) hinein und heraus be eglich angeordnet sind. Der Oberstempel

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(3) steht über die Kolbenstange (9) in Verbindung mit der Bewegungseinrichtung (8), die beispielswei e ein Zylinder sein kann. Die untere Bewegungseinrichtung (8) ist mit dem Träger (7) verbunden oder gekoppelt, um diesen relativ zur Matrize (1) bewegen zu können. Der als Schwingkörper ausgebildete Unterstempel steht in Verbindung mit einem Verstärker (5), der vom Träger (7) gehalten ist. Der Verstärker (5) steht in Verbindung mit einem Schwingungserzeuger (6).

Die in i u. 3_ schematisch wiedergegebene Ausführungs¬ form unterscheidet sich von denen der Figuren 1 und 2 dadurch, daß sowohl Oberstempel (3) als auch Unterstem¬ pel (2) als Schwingkörper ausgebildet sind, die relativ zur Matrize (1) beweglich angeordnet sind. Die Bewe¬ gungseinrichtungen (8) sind mit Trägern (7) verbunden, die jeweils den Verstärker (5) halten. Die Schwingungs¬ erzeuger (6) s nd über die Verstärker (5) m t den Schwingkörpern (2, 3) verbunden und können diese erre¬ gen.

Fi_ ur _ gibt schematisch und vergrössert das durch das erfindungsgemäße Verfahren entstehende Gefüge des Materials wieder. Die Randzonen der Werkstofftei 1 chen (16) sind mehr oder weniger innig miteinander verbun¬ den, ohne daß die Teilchenstruktur mit Hohlräumen zwischen den Teilchen völlig beseitigt wird.

Das erf ndungsgemäße Verfahren ist aber auch, wie in Figur _5 schematisch gezeigt wird geeignet, um untei— schiedliche Werkstoffe (18, 19) in ihren Randzonen miteinander zu verbinden und legierungsähnliche Struk¬ turen im Verbindungsbereich (17) zu erzeugen. Anstelle von derartigen Strukturen und Verbindungsbereichen in Schichtenform ist auch eine Verbundstruktur durch

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direktes Mischen der unterschiedlichen Materialien und ihrer Verbindung möglich.

Fi guren und 7_ zeigen beispielhafte Ausführungsformen von Formkörpern, die mit dem erfindungsgemäßen Verfah¬ ren hergestellt werden können. In Figur (5 ist ein Formkörper (Bundlager) (20) mit glatter Außenfläche (10) und einem umlaufenden Bund (11) und gebrochenen Kanten (12), sowie einer glatten Innenfläche (13) wiedergegeben. Derartige Buchsen lassen sich mit ent¬ sprechend ausgebildeten Matrizen und in diese eingrei¬ fenden Stempeln ohne weiteres herstellen. Es sind aber auch komplexere Formen, wie beispielsweise in Figur 1_ wiedergegeben, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar. Dieser Formkörper (21) weist unterhalb der umlaufenden Ränder (22) Hi nterschneidüngen (14) und Durchbrüche (15) durch den Wandmantel zwischen den Rändern auf. Derartige Formkörper lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Anwendung entspre- chender Werkzeuge besser herstellen, als nach bekannten ethoden des Verpressens oder Sinterns.

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