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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines elektrischen Heizkörpers
durch Komprimieren und Verdichten oder Konsolidieren von pulverisiertem
Metallmaterial. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls
auf einen Heizkörper,
der Metallpulver aufweist und gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt wurde.
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Stand der Technik
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Heizkörper für verschiedene
Arten von Versiegel- oder Schweißbacken werden in verschiedenen
Industriezweigen verwendet. Heizkörper zum Erhitzen von verschiedenen
Materialien werden unter anderem in der Verpackungsindustrie verwendet, insbesondere
bei der Produktion von Verpackungsbehältern aus Verpackungslaminat
mit äußeren Schichten
aus Thermoplastmaterial, d.h. aus warmverschweißbaren Material. Solche Verpackungslaminate
werden zum Beispiel zur Herstellung von Verpackungsbehältern für Getränke wie
Saft oder Milch verwendet. Diese Verpackungsbehälter werden hergestellt, indem
das Thermoplastmaterial gefaltet und versiegelt wird. Beim Warmverschweißen werden zwei
oder mehr Schichten des Verpackungslaminats in der gewünschten
Versiegelzone mit Hilfe von Schweißbacken zusammengepresst, von
denen mindestens eine einen elektrischen Lei ter aufweist, der das
Erwärmen
und Warmverschweißen
des Materials sicher stellt. Während
des Zusammenpressens der Verpackungslaminatschichten wird die Schweißbacke aktiviert,
so dass die aneinander anstoßenden, äußeren Thermoplastschichten
auf eine Erweichungstemperatur erhitzt werden und teilweise miteinander
verschmelzen. Nach einer gewissen Kühlzeit sind die Laminatschichten
in der Versiegelzone miteinander zu einer haltbaren und flüssigkeitsdichten
Schweißnaht
versiegelt, und die Schweißbacken können wieder
voneinander entfernt werden, so dass das verschweißte Laminat
entfernt und durch neue, noch unverschweißte Abschnitte ersetzt werden kann.
In modernen Verpackungs- und Füllmaschinen findet
die Verpackungsproduktion bei hoher Geschwindigkeit statt; daraus
ergeben sich hohe Versiegelungsgeschwindigkeiten, die ein ausreichendes Auskühlen der
Schweißbacken
in dem Zeitintervall zwischen zwei Versiegeloperationen schwierig
machen. Um zu vermeiden, dass die Schweißbacken so heiß werden,
dass sie ein effizientes Auskühlen
der verschmolzenen Thermoplastschichten verhindern, bevor die Schweißbacken
von einander entfernt werden, ist ein Kühlen der Schweißbacken
nötig.
Normalerweise sind die Schweißbacken
dazu neben einem elektrischen Heizleiter oder einer Heizspirale
auch mit Kanälen
für ein
Kühlfluid,
normalerweise Wasser, versehen. Das macht natürlich sowohl die Herstellung
der Schweißbacken
selbst als auch der gesamten Füllmaschine
komplizierter.
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Eine
Schweißbacke
zum elektrischen Heizen, die beispielsweise beim Verschweißen von Thermoplastverpackungsmaterial
verwendet wird, wird auf verschiedene Weise, in vielen verschiedenen
Anordnungen und verschiedenen Konstruktionen hergestellt. Die Anforderungen
an solche Schweißbacken
sind, dass sie eine hohe Formgenauigkeit, hohe Belastungsbeständigkeit
und eine gute Wärmeleitfähigkeit
haben müssen.
Da es darüber
hinaus meist erforderlich ist, dass die Schweißbacke eine relativ komplizierte
Konstruktion hat, werden Schweißbacken
heute mit modernen Methoden und Verfahren hergestellt, z.B. durch
Komprimieren von Pulvermetallmaterial und anschließendem Sintern. Dieses
Verfahren ist per se bekannt; es umfasst das Füllen eines Metallpulvers in
eine Pressform, Komprimieren des Materials bis zu einem gewünschten Grad
und anschließende
Wärmebehandlung
oder Sintern, so dass sich das Material verbindet (bzw. "zusammen bäckt") und einen massiven
und formstabilen Körper
bildet. Der für
die elektrische Erwärmung benötigte Leiter
kann vor dem Metallpulver in die Form gegeben werden und besteht
selbst aus einen Metallpulver in Form von nicht isolierten Metallpartikeln,
z.B. Kupfer, oder er wird in eine Rille im Körper der Schweißbacke gegeben.
Für weitere
Information wird auf die Beschreibung des Europäischen Patents
EP 687.215 verwiesen.
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Bei
der Herstellung von Körpern
aus pulverisiertem, Metallmaterial findet eine Komprimierung des
Metallpulvers in der Form statt. Es ist jedoch trotz extrem hohen
Drucks nicht möglich,
das Material so weit zu komprimieren, dass die pulverisierten Metallpartikel
völlig
miteinander verschmelzen oder den Raum in der Form ganz ausfüllen. Es
kommt in der Praxis immer zu größeren oder
kleineren Lufttaschen oder Luftporen zwischen den Partikeln, die
bei der Verwendung des hergestellten Körpers z.B. als Teil einer Schweißbacke sehr
nachteilig sind, da die eingeschlossene Luft als Dichtung wirkt
und die Ausbreitung der Wärme
im Körper
verhindert. Als Folge werden das Ableiten von zu viel Wärme und
die Emission von Wärme
in die Umgebung ebenfalls verhindert; Schweißbacken mit Heizkörpern aus
Metallpulver haben daher bei längerer,
intensiver Nutzung die Tendenz, auf eine höhere Temperatur zu erhitzen
wie Heizkörper
für Schweißbacken,
die aus einem homogenen Material herge stellt wurden. In diesem Zusammenhang
wird für
weitere Information auf PCT WO 97/14547 verwiesen. In einem bekannten
Verfahren werden die Lufttaschen durch Kunststoffmaterial ersetzt
(Epoxidpolymer), dieses Verfahren kann aber nur begrenzt eingesetzt
werden und ist für
Heizkörper
für Schweißbacken
weniger geeignet, da der Kunststoff den relativ hohen Temperaturen,
denen ein solcher Heizkörper
im fortlaufenden Prozess einer Form- und Füllmaschine ausgesetzt wird,
nicht stand hält.
Eine alternative Lösung
für das
Problem, dass zuviel Wärme
in den Schweißbacken
gehalten wird, ist das Anbringen einer Metalloxidschicht auf der
Oberfläche
eines komprimierten Eisenpulvers, um die Wärme vom Körper abzuleiten. Dieses Verfahren
ist aus WO97/14547 bekannt.
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Es
besteht deshalb in dem im Oberbegriff beschriebenen Stand der Technik
die Notwendigkeit, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein Heizkörper aus
pulverisiertem, Metallmaterial hergestellt wird, bei dem die Poren
zwischen den pulverisierten Metallpartikeln mit einem wärmeleitenden
und wärmebeständigen Material
gefüllt
sind.
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Ziele der Erfindung – Verfahren
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung
eines Heizkörpers
aus pulverisiertem, Metallmaterial bereitzustellen, mit dem es möglich ist,
die zwischen den pulverisierten Metallpartikeln auftretenden Poren
mit einem wärmeleitenden,
wärmebeständigen,
harten und formbeständigen
Material zu füllen.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren wie
oben beschrieben bereitzustellen, bei dem es möglich ist, den Grad, bis zu
welchem die Poren gefüllt
werden, zu bestimmen.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren wie
oben beschrieben bereitzustellen, das für die Herstellung von elektrischen
Heizkörpern
verwendet werden kann, d.h. von Körpern, die vorgefertigte Teile
oder Platz für
solche Teile aufweisen.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren wie
im Oberbegriff beschrieben bereitzustellen, das es möglich macht,
auf integrierte und effiziente Weise einen Körper aus einem Metallpulver
mit gleichmäßiger Komprimierung
oder Verdichtung herzustellen, der Eigenschaften aufweist, die ihn
besonders für
die Verwendung als elektrischen Heizkörper in Schweißbacken
geeignet machen.
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Lösung
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Diese
und andere Ziele werden gemäß der vorliegenden
Erfindung dadurch erreicht, dass das im Oberbegriff offenbarte Verfahren
die kennzeichnenden Merkmale erhält,
dass das pulverisierte Material der Form zugeführt und komprimiert wird, dass ebenfalls
eine Imprägnierlösung, die
in ein Metalloxid umgewandelt werden kann, zugegeben wird und dass
der Körper
danach auf eine Temperatur erhitzt wird, die geeignet ist, dass
die Imprägnierlösung trocknet
und das Oxid sich mit dem pulverisierten Metallmaterial verbindet.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
haben die kennzeichnenden Merkmale wie in den Unteransprüchen 2 bis
13 beschrieben.
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Ziele der Erfindung – Heizkörper
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ebenfalls einen Heizkörper bereitzustellen,
der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
ein Metallpulvermaterial aufweist, das eine exzellente Wärmeleitfähigkeit
hat.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Heizkörper herzustellen,
der eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit
und eine solche Formbeständigkeit
und Stärke
hat, dass er für
die Verwendung als elektrische Heizung in Schweißbacken geeignet ist.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Heizkörper wie
oben beschrieben herzustellen, der elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Heizkörper wie
oben beschrieben herzustellen, wobei der Heizkörper einen elektrisch leitenden
Teil aufnimmt.
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Lösung
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Diese
und andere Ziele werden gemäß der vorliegenden
Erfindung dadurch erreicht, dass der im Oberbegriff offenbarte Heizkörper die
kennzeichnenden Merkmale erhält,
dass er pulverisiertes, metallisches Material aus Eisen mit einer
Partikelgröße von weniger
als 300 μm
beinhaltet und dass sich ein Keramikmaterial zwischen den Partikeln
befindet.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Heizkörpers haben
die kennzeichnenden Merkmale wie in den beigefügten Unteransprüchen 15
bis 21 beschrieben.
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Vorteile
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit gestellt,
die es auf wirtschaftliche Art und Weise ermöglichen, Heizkörper beispielsweise
für die
Verwendung in Schweißbacken
für das
Warmversiegeln herzustellen, wobei die Heizkörper eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit,
aber eine geringe Leitfähigkeit
für elektrischen
Strom aufweisen. Dadurch wird das Problem beseitigt, dass Wärme in den
Schweißbacken akkumuliert,
was beim schnellen und wiederholten Warmverschweißen in moderner
Verpackungs- und Füllmaschinen
zu Schwierigkeiten geführt
hat. Das Herstellungsverfahren macht es möglich, die Poren im Körper bis
zu einem gewünschten
Grad mit einem keramischen, Wärme
leitenden Material auszufüllen. Dieses
Verfahren macht es weiterhin möglich,
den Heizkörper
mit einem elektrischen Leiter oder elektrischen Spule zu einem geeigneten
Zeitpunkt im Herstellungsprozess zu versehen. Nach der Produktion hat
der Heizkörper
die gewünschte
Formgenauigkeit und Formstabilität
und kann weiter bearbeitet werden oder mit weiteren vorgefertigten
Teilen versehen werden.
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Kurze Beschreibung der
beigefügten
Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
und des daraus resultierenden Heizkörpers werden nun mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen, die nur für
das Verständnis
der Erfindung unverzichtbare Teile zeigen, im Detail beschrieben.
Es zeigen:
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1A–E schematisch
die Herstellungsschritte für
die Herstellung eines erfindungsgemäßen Heizkörpers; und
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2 eine
per se bekannte Schweißbacke mit
einem erfindungsgemäßen Heizkörper.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Die
bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
das in 1A–1E dargestellt
ist, ermöglicht
die Herstellung eines formstabilen, gut definierten Körpers aus
einem elektrisch nicht leitenden und wärmeleitenden Material, wobei
der Körper
Teil von verschiedenen Objekten aus verschiedenen Industriezweigen sein
kann, z.B. Teil von verschiedenen Backentypen zum Erwärmen. Der
vorliegende Fall bezieht sich auf die Herstellung eines Körpers zum
elektrischen Heizen und beschreibt dessen Herstellung, wobei der Heizkörper z.B.
eine Hauptkomponente in einer Schweißbacke sein kann, die mit einem
elektrischen Leiter versehen ist, um Thermoplastmaterial durch Wärme zu verschweißen. Diese
Art von Schweißbacken
werden vor allem bei der Herstellung von Getränkepackungen aus laminierten
Kunststoff-/Papiermaterial verwendet, wobei das Laminat äußere Schichten
aus Thermoplastmaterial aufweist, und so mit sich selbst oder mit
anderen Objekten, die vorzugsweise aus Thermoplastmaterial sind,
z.B. Öffnungsvorrichtungen
o.ä., verschweißt werden
kann. In diesen Anwendungsfällen
ist es besonders wichtig, dass der in der Schweißbacke als Hauptkomponente
verwendete Heizkörper
keine elektrische Leitfähigkeit
aufweist, aber dennoch ein guter Wärmeleiter ist. Da in Schweißbacken
verwendete Heizkörper auch
in der Lage sein müssen,
Druck und Erschütterungen
auszuhalten, und ebenso eine gute Formbeständigkeit aufweisen müssen, hat
es sich als vorteilhaft erwiesen, solche Heizkörper aus pulverisierten Metallen
(so genannten Sintermetallen) herzustellen. Diese Verfahren sind
im Stand der Technik bekannt und werden hier nicht näher beschrieben.
Diese Verfahren ermöglichen
die Herstellung eines formstabilen und mechanisch starken Körpers, der
abhängig von
den Eigenschaften des gewählten
Metallpulvers (Metalltyp, isolierende oder nicht isolierende Partikel, Partikelgröße usw.)
und der Dichte eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit, aber genau so gut
gar keine Leitfähigkeit
aufweisen kann. Alle Körper,
die durch die Verfahren der Pulvermetallurgie hergestellt werden,
haben jedoch mehr oder weniger große Zwischenräume oder
Poren zwischen den einzelnen Pulverpartikeln. Selbst wenn zur Maximierung
der Wärmeleitfähigkeit
des Körpers
sichergestellt wird, dass die Metallpulverpartikel dicht gepackt
sind, so dass der Körper
eine hohe Dichte hat, kommt es immer noch zu Zwischenräumen (Porösität), die
sich negativ auf die Wärmeleitfähigkeit
des Körpers
auswirken. Es ist im Stand der Technik bekannt, die Zwischenräume oder
Poren mit Kunststoffmaterialien zu füllen, zum Beispiel mit Epoxidharz.
Wenn der Körper allerdings
bei relativ hohen Temperaturen verwendet werden soll, wird das als
Füllmittel
verwendete Kunststoffmaterial ebenfalls den erhöhten Temperaturen ausgesetzt
und schmilzt möglicherweise,
was natürlich
inakzeptabel ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es,
die Poren im Körper
auf kontrollierte Art und Weise und im gewünschten Ausmaß mit einem
wärmebeständigen,
formbeständigen und
leicht verarbeitbaren Füllmaterial
zu füllen,
das darüber
hinaus eine gewisse Wärmeleitfähigkeit
aufweist und elektrisch isolierend ist, nämlich mit einem Keramikmaterial.
Eine erste Ausführungsform
des bevorzugten Verfahrens wird im Nachfolgenden beschrieben.
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1A bis 1D zeigen
eine Formhälfte 1 zur
Herstellung eines Heizkörpers 2 für eine Schweißbacke 3,
wie in 2 dargestellt. Die Schweißbacke 2 weist neben
Heizkörper 2 einen elektrischen
Leiter oder eine elektrische Spule 4 auf, die U-förmig ist, sich mit ihren Schaften
vorzugsweise in der Längsrichtung
von Körper 2 erstreckt
und mit beiden Enden mit einer Stromquelle verbunden werden kann.
Der Leiter 4 ist vorzugsweise in unmittelbarer Nähe einer
Arbeitsfläche 5 auf
der Schweißbacke 3 angebracht.
Die Arbeitsfläche
ist vorzugsweise geerdet und ein Teil der Arbeitsfläche besteht
aus dem Leiter 4, der in den Körper 2 eingelassen
ist. Die Arbeitsfläche 5 kann
mit einer oder mehr Isolierschichten aus geeignetem Material beschichtet
sein (in 2 nicht dargestellt).
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Die
in 1 dargestellte Formhälfte 1 beinhaltet
eine längliche
Ausbuchtung 6, die der Größe und Form des Körpers 2 angepasst
ist. Die obere Formhälfte 7 dient
als Press-Stempel, der wie durch Pfeil 8 (1A)
dargestellt vertikal reziprok zwischen einer oberen Position, die
von der Formhälfte 1 beabstandet
ist, und einer unteren Position, in der sich die obere Formhälfte 7 teilweise
in die Ausbuchtung 6 der unteren Formhälfte 1 erstreckt,
bewegt werden kann. 1A zeigt ebenfalls wie ein Zusatzkörper 9 auf
den Boden der Ausbuchtung 6 angeordnet wird. Der Zusatzkörper 9 kann
möglicherweise
aus einem Leiter 4 bestehen, der im Nachfolgenden noch
genauer beschrieben wird. Andere Teile wie Anker, Rohre und Ähnliches,
die in den Körper
integriert werden müssen,
können
vorher angeordnet und in der Ausbuchtung 6 angebracht werden.
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1B zeigt
wie die Form 1 teilweise (über Füllrohr 17, 1A)
mit einem Pulvermaterial 10 (Metallpulver) gefüllt wurde
und wie die obere Formhälfte 7 (durch
Pfeil 11 angezeigt), nach unten bewegt wurde, um das Pulvermaterial 10 im
unteren Teil der Ausbuchtung 6 zu komprimieren.
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1C zeigt
schematisch wie ein zweites Material, zum Beispiel eine Imprägnierlösung 12,
der Ausbuchtung 6 zugeführt
wird. Die schematisch dargestellten Kanäle 13 können mit
einer Quelle für
partielles Vakuum (nicht dargestellt) verbunden werden.
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1D zeigt
wie der Körper 2,
der sich in der Formhälfte 1 befindet,
mit Hilfe einer Heizvorrichtung 16, die beispielsweise
elektrische Widerstandselemente 15 aufweisen kann oder
eine andere per se bekanntes Heizvorrichtung sein kann, er hitzt
wird. Vorzugsweise wird auch ein umlaufender, isolierender Wärmeschutz 14 verwendet.
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1E zeigt
wie der komprimierte Körper 2, nachdem
möglicherweise
nochmals (ein Mal oder mehrmals, normalerweise werden mehrere Zyklen wiederholt)
das zweite Material (gemäß 1C)
zugeführt
wurde, mechanisch hochgehoben wird und einer zusätzlichen Behandlung oder abschließendem Härten mit
Hilfe der Heizelemente 15 unterzogen wird. Natürlich können andere
per se bekannte Heizelemente verwendet werden, außerdem können verschiedene
mechanische oder pneumatische Vorrichtungen zur Handhabung von Körper 2,
zum Zuführen/Dosieren
der Komponenten, die den Körper 2 bilden,
und zum Ermitteln und Regulieren der benötigten Temperaturen verwendet
werden. Es werden im Nachfolgenden nur solche Teile im Detail beschrieben,
die von den üblicherweise
in Pulvermetallurgie verwendeten abweichen. In allen anderen Fällen wird auf
den dem Fachmann bekannten Stand der Technik verwiesen.
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Wenn
eine erste bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung von Körper 2 für eine Schweißbacke 3 verwendet
wird, wird zunächst
ein vorgefertigter Leiter 4, der als Zusatzkörper 9 dient,
auf dem Boden von Ausbuchtung 6 angebracht. Der Leiter 4 wird
möglicherweise
auf geeignete Art und Weise in der gewünschten Position mit Bezug
auf die Formhälfte 1 befestigt,
so dass er von den nachfolgenden Arbeitsschritten nicht beeinträchtigt oder
verschoben werden kann. In dieser Position ist die obere Formhälfte 7,
die als Press-Stempel dient, in der oberen Position, was die Ausbuchtung 6 von
oben leicht zugänglich
macht, die dann über
das Füllrohr 17 mit
dem pulverisierten Metallmaterial 10 gefüllt wird.
Das pulverisierte Material enthält
vorzugsweise Partikel aus Eisen (Fe), die eine Partikelgröße von weniger
als 300 μm haben.
Die Partikel haben insbesondere eine durchschnittliche Partikelgröße zwischen
20 und 250 μm.
Vorzugsweise wird metallisches Eisenpulver mit einer durchschnittlichen
Partikelgröße von 35 μm verwendet.
Je kleiner die Partikelgröße ist,
um so höher ist
der Verdichtungsgrad, was wünschenswert
ist, da es für
die Wärmeleitfähigkeit
nötig ist,
dass eine maximale Menge an Metall im Körper ist. Große Partikel verursachen
eine größere Porösität und erhöhen damit
die Wahrscheinlichkeit, dass die Menge an Verdichtungsmittel im
fertigen Körper
maximal ist. Die Partikel können
eine Form von Oberflächenisolierung aufweisen,
sie können
beispielsweise mit einer dünnen
Oberflächenschicht
aus Eisenoxid beschichtet sein. Die Oxidschicht bewirkt das jedes
Partikel elektrisch von seiner Umgebung isoliert ist, wodurch der im
Nachfolgenden aus dem Metallpulver geformte Körper elektrisch isolierend
ist. Es können
auch andere Partikel in verschiedenen Kombinationen verwendet werden,
z.B. Partikel aus Keramik oder Diamant, um dem fertigen Körper die
gewünschten
Eigenschaften zu verleihen. Nachdem das pulverisierte Material 10 in
die Ausbuchtung 6 bis zum gewünschten Niveau gefüllt wurde,
findet eine Verdichtung des Materials statt, vorzugsweise indem
die obere Formhälfte 7 aktiviert
wird und beginnt, sich nach unten zu bewegen, wie durch Pfeil 7 angezeigt
(1B). Die obere Formhälfte ist zur Ermöglichung
dieser Bewegung vorzugsweise mit einem bekannten Antrieb verbunden,
z.B. einem mechanischen oder elektrischen Antrieb. Die Formhälfte 7 wird
danach bis zu einem vorher bestimmten Umkehrpunkt nach unten bewegt, wodurch
die gewünschte
Komprimierung des pulverisierten Materials 10 in der Ausbuchtung 6 erreicht wird.
Als Alternative oder zusätzlich
ist es möglich, die
Formhälfte 1 so
zu vibrieren, dass die gewünschte
Komprimierung oder Verdichtung der Metallpulverpartikel in der Ausbuchtung 6 erreicht
wird. Natürlich kann
auch eine Kombination dieser Verfahren verwendet werden, das Wichtigste
ist, dass das Pulvermaterial 10 den gewünschten Komprimierungsgrad in
einem homogenen Verfahren erhält.
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Wie
aus 1C ersichtlich wird der Ausbuchtung 6 dann
das Verdichtungsmittel in Form einer Imprägnierlösung 12 zugeführt, die
dazu gebracht wird, in das Pulvermaterial 10 einzudringen. Dies
kann möglicherweise
dadurch unterstützt
werden, dass die Vakuumkanäle 13 mit
einer Quelle für partielles
Vakuum verbunden werden, so dass ein partielles Vakuum in den Zwischenräumen oder
Poren entsteht, die nach der Komprimierung immer noch zwischen den
einzelnen aneinander anstoßenden
Metallpartikeln in der Ausbuchtung 6 existieren. Die Imprägnierlösung beinhaltet
eine Flüssigkeit,
vorzugsweise Wasser, sowie ein chemisches Mittel, das (auf thermochemische
Art und Weise) in ein Metalloxid übergehen kann, zum Beispiel
Aluminiumnitrat (AlNO3), das bei Erwärmung auf
eine geeignete Temperatur in Aluminiumoxid (Al2O3) übergeht.
Als Bindungsphase können
zum Beispiel Chromverbindungen (Cr2O3) oder per se bekannte Mischungen aus Metalloxid
verwendet werden.
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In
einem nachfolgenden Schritt (1D) wird
der so geformte Körper 2,
der sich immer noch in Formhälfte 1 befindet,
einem Trocken- und/oder Erwärmschritt
bei einer Temperatur unter der Siedetemperatur von Wasser unterzogen,
was beispielsweise mit heißer
Luft oder den Elementen 15 ausgeführt werden kann. In diesem
Schritt wird der Wassergehalt der Imprägnierlösung verdampft, so dass nur der
Rückstand
der Imprägnierlösung verbleibt,
der später
bei einer erhöhten
Temperatur in den Poren von Körper 2 in
ein Metalloxid übergeht.
Der Körper 2 kann
dann nochmals mit der Imprägnierlösung 12 behandelt
werden, vorzugsweise in dem der in 1C dargestellte
Verfahrensschritt wiederholt wird, d.h. die Kanäle 13 werden wieder
an die Quelle für
partielles Vakuum angeschlossen, weitere Lösung 12 wird zugegeben
und kann in die verbleibenden noch ungefüllten Poren eindringen. Danach
findet ein erneuerter Trocken- und
Verdampfvorgang statt, um das Wasser in der Imprägnierlösung 12 zu verdampfen.
Der Körper
wird nach jeder Behandlung mit der Imprägnierlösung erneut erwärmt; dieser
mehrzyklische Verdichtungsvorgang des Körpers dauert so lange an, bis
die meisten Poren mit der Substanz gefüllt sind. Dieser Vorgang wird
mehrmals (5 bis 10 mal) wiederholt, bis die gewünschte Infiltration und der
gewünschte
Füllgrad
erreicht sind.
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Schließlich (1E)
wird der Körper 2 aus der
unteren Formhälfte 1 entfernt
und einer zusätzlichen
Erhitzung bei einer höheren
Temperatur unterzogen (die Bezeichnung "Sintern" wird nur verwendet, um diese zusätzliche
Erhitzung zu definieren), was sicher stellt, dass der Körper gehärtet wird
und die gewünschte
Härte und
Formstabilität
erhält.
Vorzugsweise wird der Körper
in diesem Schritt auf eine Temperatur zwischen 200 und 600°C erhitzt.
Als Folge werden die im Körper
eingeschlossenen, stark komprimierten Metallpulverpartikel permanent
miteinander verbunden, während
gleichzeitig etwaige verbliebene Flüssigkeit der Imprägnierlösung verdampft
wird. Normalerweise findet das Erhitzen bei einer Temperatur über 300°C statt und
dauert ungefähr
15 Minuten. Diese Daten sind typisch für die Herstellung von Körpern für Schweißbacken,
aber die Dauer des Erhitzens hängt
natürlich
von der Größe und der
Form des Körpers
ab. Die Dauer des Erhitzens muss ausreichend sein, damit eine einheitliche Erwärmung durch
den ganzen Körper
gewährleistet ist.
Das Verdampfen der Restflüssigkeit
in der Lösung
und das Härten
des Pulvermaterials können nach
einander stattfinden, indem die Temperatur progressiv auf die gewünschte Temperatur
erhöht
wird, vorzugsweise auf über
300°C. Dies
ist sinnvoll, wenn die gewünschte
Infiltration und der gewünschte
Füllgrad
im Körper
relativ gering sind und keine Wiederholung der Schritte von 1C und 1D nötig ist. Es
sollte beachtet werden, dass kein "Sintern" im eigentlichen Sinn statt findet,
d.h. das Metallpulver wird nicht so stark erhitzt, dass die Pulverpartikel
nur durch Diffusion aneinander haften. Die Bindung zwischen den
Partikeln wird vielmehr durch die keramische Bindung erreicht, die
durch das Erhitzen der Imprägnierlösung entsteht.
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Das
beschriebene Produktionsverfahren kann auch für die Herstellung von Körpern verwendet werden,
die vorgefertigte Rezesse oder Aussparungen für die Aufnahme von verschiedenartigen,
separat hergestellten Teilen aufweisen, zum Beispiel von elektrischen
Leitern, Ankervorrichtungen oder Verbindungen. In diesen Fällen können gemäß einer zweiten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
eine Anzahl von Zusatzkörpern 9 in
der Ausbuchtung 6 angeordnet werden, bevor das pulverisierte
Material 10 zugeführt
wird. In diesem Fall muss der Zusatzkörper 9 wie die Ausbuchtung 6 mit einem
Zwischenraum versehen werden, d.h. die sich im Wesentlichen vertikal
erstreckende Fläche
in den Figuren muss eine Neigung aufweisen (normalerweise 1 bis
3°), was
es möglich
macht, den geformten Körper 2 aus
der Form zu entfernen und die Zusatzkörper 9 aus dem geformten
Körper
zu entfernen. Die mit Hilfe der Zusatzkörper 9 geformten Aussparungen
im Körper
werden danach verwendet, um die vorgefertigten Teile im Körper anzuordnen
und mit diesem zu verbinden. Dies kann nach oder vor der Wärmebehandlung
des Körpers
statt finden; möglicherweise
müssen
auch noch zusätzliche
Verfahrensschritte am Körper
und/oder den anzufügenden Teilen
durchgeführt
werden, z.B. ein bekannter Schleifvorgang. Dieses Verfahren wird
häufig
bei der Herstellung von Schweißbacken
verwendet, da diese normalerweise eine glatte Arbeitsfläche mit
einem eingebetteten Leiter, beispielsweise aus Kupfer, haben müssen. Die
Arbeitsfläche
kann nach dem Schleifen mit einer elektrischen Isolationsschicht
beschichtet werden, zum Beispiel mit einer Keramikbeschichtung oder
einer Oxidschicht.
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Als
alternatives Herstellungsverfahren sollte noch das im Europäischen Patent
687215 beschriebene Verfahren erwähnt werden, in dem eine Schweißbacke aus
zwei Pulvermaterialien hergestellt wird, nämlich aus einem ersten Material
mit elektrisch isolierenden Oberflächenpartikeln zur Herstellung
des Körpers
der Schweißbacke
und einem zweiten pulverisierten Metallmaterial mit nicht isolierten,
elektrisch leitenden Partikeln, z.B. Kupfer. In diesem Fall wird
das elektrisch leitende Material dazu gebracht, einen Strang zu
bilden, der teilweise im Körper
eingebettet ist und einen Leiter bildet, der sich angrenzend an
die Arbeitsfläche
des Körpers
erstreckt, wobei der Leiter an beiden Enden mit einer Stromquelle
verbunden werden kann. In diesem Fall wird der Körper erst auf die oben beschriebene
Art und Weise hergestellt, indem das Metallpulver einer Form mit
einem Zusatzkörper
zugeführt
und verdichtet wird. Danach wird die Imprägnierlösung zugegeben und der Körper wird
zum Trocknen und Härten erhitzt.
Nach einem möglicherweise
wiederholten Behandlung mit dem Verdichtungsmittel wird die im Körper durch
den Zusatzkörper
geformte Aussparung mit dem Pulvermaterial, das beispielsweise nicht
isolierte Kupferpartikel enthält,
gefüllt,
das auf per se bekannte Art und Weise komprimiert und wärmebehandelt
bzw. gesintert wird. Dieses Verfahren ermöglicht eine große Freiheit
bei der Herstellung von Leitern, z.B. bei der Herstellung von Leitern
mit unregelmäßiger Form
oder einem variierenden Querschnitt.
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Wie
bereits erwähnt
ist es bei der Herstellung von Körpern,
die die Hauptkomponente in einer Schweißbacke darstellen, oft wünschenswert,
den Anteil an Eisen im Körpermaterial
zu maxi mieren. Dies kann vorzugsweise dadurch erreicht werden, dass
ein Pulvermaterial mit der kleinstmöglichen Partikelgröße gewählt wird.
Danach wird die theoretische Maximalmenge an Partikeln für die Form
berechnet. Dann wird das Pulvermaterial mit einem Überschuss
an Wasser oder Imprägnierlösung vermischt
und in eine Form mit erhöhten
Kanten gegossen. Die Partikeln werden sich progressiv im unteren Teil
der Form absetzen, wobei der Prozess dadurch beschleunigt werden
kann, dass die Form Vibrationen ausgesetzt wird. Der Flüssigkeitsüberschuss wird
danach entfernt, und nach einem möglichen zusätzlichen Verdichten und Imprägnieren
des so geformten Körpers
wird die verbleibende überschüssige Flüssigkeit
verdampft und der Körper
wird durch Erhitzen auf die oben genannten Temperaturen gehärtet. In
der Praxis hat sich herausgestellt, dass dieses Verfahren für die Herstellung
von Schweißbacken
mit eingebetteten, vorgefertigten Leitungen aus Kupfermaterial geeignet
ist.
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Die
Imprägnierflüssigkeit
kann abhängig
von der Verwendung des zu behandelnden Körpers eine speziell ausgewählte Mischung
sein, um dem Körper die
gewünschten
Leistungsmerkmale und Eigenschaften zu geben und kann zum Beispiel
Substanzen oder Partikel (Lehm) enthalten, um eine Masse zu bilden,
die dem behandelten Körper
einen Abriebeffekt verleiht oder ihn umgekehrt mit geringen Reibeeigenschaften
versieht.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es möglich,
Körper
mit einer stark erhöhten
mechanischen Stärke
und verbesserter Widerstandsfähigkeit gegenüber Verschleiß herzustellen,
wobei diese Eigenschaften sehr vorteilhaft sind, wenn die Körper als
Hauptbestandteil zur elektrischen Erwärmung in Schweißbacken
verwendet werden sollen. Wenn der Körper mit einer Aussparung hergestellt
wird, in die später
ein vorgefertigter Leiter ein gesetzt wird, kann das Verfahren auch
für die
Herstellung einer elektrischen Isolation des Leiters mit Hilfe eines
Keramiküberzugs
verwendet werden. Schweißbacken,
die mit einem erfindungsgemäßen Körper hergestellt
werden, enthalten keinen Kunststoff oder ein anderes Material, das
bei relativ niedrigen Temperaturen schmilzt, und können deshalb
bei extrem hohen Temperaturen in der Größenordnung bis zu 800°C verwendet
werden. Das Verfahren macht es schließlich möglich, den Metallanteil in
den geformten Körpern auf
einfache Art und Weise zu variieren, was verwendet werden kann,
um die Durchlässigkeit
des Materials zu regulieren, ohne dass die Wärmeleitfähigkeit des Körpers beeinträchtigt wird,
da das keramische Füllmaterial
ebenfalls eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit
aufweist.