DE102005045976A1 - Pressenvorrichtung bzw. Pressverfahren zum isostatischen Pressen eines Körpers - Google Patents

Pressenvorrichtung bzw. Pressverfahren zum isostatischen Pressen eines Körpers Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Pressenvorrichtung bzw. ein entsprechendes Pressverfahren zum isostatischen Pressen eines Körpers (8) aus einem pulver- und/oder granulatförmigen Material (3), aufweisend DOLLAR A - eine Matrize (1) mit einer einen Formraum (2) ausbildenden Matrizenwandung (6) und mit einer Matrizenöffnung (5) von außerhalb der Matrize durch die Matrizenwandung zum Formraum hin zum Befüllen des Formraums mit dem Material und zum Entnehmen des darin gepressten Körpers nach dem Pressen, wobei die Matrizenwandung aus einem elastischen Material ausgebildet ist zum Pressen des Materials (3) mittels eines außen an der Matrizenwandung anliegenden isostatischen Pressdrucks (p), und DOLLAR A - einem Stempel (4) zum Verschließen der Matrizenöffnung während des Pressens, wobei DOLLAR A - der Stempel ausgebildet ist aus einem sich in einer Längsrichtung erstreckenden metallischen Einsatz (13) und einer den metallischen Einsatz umgebenden elastischen Hülle (14), wobei ein stirnseitiger Endabschnitt (7) des Einsatzes (13) im die Matrizenöffnung verschließenden Zustand in den Formraum hineinragt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Pressenvorrichtung mit den oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. auf ein Pressverfahren mit den oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruchs 18.
  • Allgemein bekannt sind Pressvorrichtungen zum isostatischen Pressen eines Körpers aus einem pulver- und/oder granulatförmigen Material. Derartige Pressen umfassen eine Matrize mit einer einen Formraum ausbildenden Matrizenwandung und mit einer Matrizenöffnung, welche von außerhalb der Matrize durch die Matrizenwandung zum Formraum hin führt. Die Matrizenöffnung dient zum Befüllen des Formraums mit dem pulver- und/oder granulatförmigen Material und zum Entnehmen eines im Formraum gepressten Körpers nach dem Pressen. Die Matrizenwandung ist aus einem elastischen Material ausgebildet, um das Material mittels eines außen an der Matrizenwandung anliegenden isostatischen Pressdrucks durch eine entsprechende Verformung der Matrizenwandung und darüber eine Verformung des Formraums zu dem Körper zu pressen. Zum Verschließen der Matrizenöffnung während des Pressens dient ein Stempel, welcher nach dem Befüllen des Formraums in die Matrizenöffnung eingesetzt wird.
  • Über ein solches allgemeines isostatisches Pressverfahren lassen sich verschiedenartige Körper aus Pulver herstellen, weil Pulver unter Druck in einer elastischen Matrize im Zweifelsfall immer irgendwie verdichtet und einen Festkörper ergibt. Da scharfkantige Konturen kaum herstellbar sind, wird das Verfahren immer dann bevorzugt eingesetzt, wenn Körper mittels entweder einer radialen oder einer achssymmetrischen Verdichtung herzustellen sind. Grundkörpergeometrien sind eine Kugel, ein Zylinder und ein Hohlzylinder mit Durchgangsbohrung oder Sacklochbohrung.
  • Bekannt ist auch, dass Zylindergeometrien und Kugelgeometrien kombiniert werden, wobei die Grundgeometrien abschnittsweise und getrennt voneinander auftreten, wie bei z.B. einem Vollzylinder mit Kugelkappe oder einer Hülse mit kugeligem Boden. Allgemein bekannt ist das Pressen hohler zylindrischer Körper mit angeformter Kugelkalotte. Diese dienen beispielsweise als keramisches Diaphragma in Natrium-Schwefelbatterien. In solchen kombinierten Fällen wird stillschweigend davon ausgegangen, dass sich das Pulver auch abschnittsweise quadratisch bzw. kubisch verdichtet, so wie es eben die Matrizengeometrie und die Stahldorngeometrie des Stempels vorgeben.
  • Ziel ist immer eine gleichverteilte Dichte im gepressten Körper. Lokale Unterschiede in der Dichte bei pulverbasierten gepressten Körpern führen bei der späteren Sinterung zu Verzug aufgrund unterschiedlicher Schwindung. Daraus resultierende innere Spannungsgefälle führen zu Rissen und insbesondere Entspannungsbrüchen und sonstigen Fehlern in dem gepressten Körper.
  • Entscheidet man sich zum Pressen für die reine quadratische Verdichtung, entsteht eine Füllraumkontur mit Singularitäten. Entscheidet man sich zum Pressen für eine rein kubische Verdichtung, sind Dichtegradienten am Übergang zwischen dem Stahlstempel und der elastischen Matrize zu erwarten. Grundsätzlich wäre das kubische Verdichten zur Kugel das richtigere und naheliegendere Verfahren, weil die Kugel die Hauptgeometrie darstellt. Dies gilt insbesondere im Fall der Hüftkugel.
  • Nicht möglich ist daher z.B. das Pressen kugelförmiger Körper mit inwandiger zylindrischer oder konischer "Störkontur". Körper mit zueinander überlagerten zylindrischen und kubischen Körperstrukturen sind mit üblichen derartigen Pressenvorrichtungen nicht pressbar, da beim Pressen des Materials in einem zylindrischen Körper eine quadratische Verdichtung stattfindet, wobei dies insbesondere auch für röhrenförmige Körper gilt. Beim Pressen einer Kugel findet hingegen eine kubische Verdichtung statt. Beim Pressen von Mischkörpern mit kubischen und zylindrischen Körperstrukturen entstehen daher große Probleme, eine gleichmäßige Dichte für das gesamte Teil sicherzustellen.
  • Ein Beispiel eines Körpers mit länglichen, insbesondere zylindrischen oder kegeligen, und zusätzlich kugelförmigen Körperstrukturen ist eine künstliche Hüftgelenks-Kugel einer Hüftgelenks-Prothese. Insbesondere in diesem Einsatzbereich ist eine besonders hohe Qualität erforderlich, da Rissbildungen oder Verschleiß nach dem Einsetzen in einen menschlichen Körper zu schweren Schädigungen und gegebenenfalls einer erneuten Operation führen können. Entsprechend werden zum Herstellen derartiger Hüftgelenks-Kugeln sehr hochqualitative pulverförmige Materialien verwendet. Materialien sind Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Mischformen mit weiteren Komponenten und Dotierungen, z.B. Yttrium. Verwendet werden können vorzugsweise nur biokeramische Materialien mit hoher Festigkeit und 100 Biokompatibilität. Es handelt sich um ein sehr teures Rohmaterial.
  • Die Fertigung von Hüftgelenks-Kugeln erfolgt derzeit nach zwei Verfahren. Gemäß dem ersten Verfahren werden Vollkugeln mittels isostatischen Pressens gepresst und nach dem Pressen bzw. vor dem Sintern mit sehr großem Materialverlust mechanisch bearbeitet. Das Bearbeiten erfolgt durch Abtragen von Material bis zu der gewünschten Form, wobei in die ausgebildete Kugel insbesondere ein länglicher und zylindrischer Hohlraum zum Einsetzen eines Schaftes eingearbeitet wird. Gemäß dem zweiten Verfahren wird in üblicher Art und Weise mittels isostatischen Pressens ein zylinderförmiger Körper als Vollzylinder gepresst. In diesem kann bereits beim Pressen eine Sacklochbohrung ausgebildet werden. Das Herausarbeiten von Material für eine entsprechende zylindrische Öffnung in die Kugel hinein entfällt somit, weshalb eine diesbezügliche Materialersparnis erzielbar ist. Jedoch geht bei der Verwendung eines zylindrischen Körpers um so mehr Material beim Drehen des Körpers zu einer Kugelform verloren.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Pressenvorrichtung bzw. ein Pressverfahren bereitzustellen, welche das Ausbilden eines gepressten Körpers ermöglichen, der sowohl kugelförmige bzw. teilkugelförmige als auch längliche Körperstrukturen aufweist. Unter Körperstrukturen sind dabei massive Strukturen aber auch Hohlstrukturen, beispielsweise eine in eine kugelförmige Massivstruktur führende längliche Öffnung, zu verstehen. Es gilt also ein Pressverfahren und einen Werkzeugaufbau für die Herstellung solcher Körper zu finden, welches einerseits kubisch verdichtet und andererseits die Probleme aufgrund einer zylindrischen, aber eigentlich theoretisch richtigen quadratisch verdichtenden Störkontur eliminiert.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Pressenvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch ein Pressverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
  • Ausgegangen wird demgemäß von einer Pressenvorrichtung, insbesondere in Form eines Pressenwerkzeugs, zum isostatischen Pressen eines Körpers aus einem pulver- und/oder granulatförmigen Material, wobei die Pressenvorrichtung eine Matrize und einen Stempel aufweist. Die Matrize bildet mit einer Matrizenwandung einen Formraum aus. Einer Matrizenöffnung führt von außerhalb der Matrize durch die Matrizenwandung zum Formraum hin und dient zum Befüllen des Formraums mit dem Material und zum Entnehmen des darin gepressten Körpers nach dem Pressen. Die Matrizenwandung ist aus einem elastischen Material ausgebildet zum Pressen des Materials mittels eines außen an der Matrizenwandung anliegenden isostatischen Pressdrucks. Der Stempel dient zum Verschließen der Matrizenöffnung während des Pressens. Vorteilhaft wird eine solche Anordnung dadurch, dass der Stempel ausgebildet ist aus einem sich in einer Längsrichtung erstreckenden metallischen Einsatz und einer den metallischen Einsatz umgebenden elastischen Hülle, wobei ein stirnseitiger Endabschnitt des Einsatzes im die Matrizenöffnung verschließenden Zustand in den Formraum hinein ragt.
  • Verfahrensgemäß wird ausgegangen von einem Pressverfahren zum isostatischen Pressen eines Körpers aus einem pulver- und/oder granulatförmigen Material in einer Matrize mit einer einen Formraum ausbildenden elastischen Matrizenwandung und mit einer Matrizenöffnung von außerhalb der Matrize durch die Matrizenwandung zum Formraum hin. Bei dem Pressverfahren wird der Formraum mit dem Material befüllt, dann ein Stempel zum Verschließen der Matrizenöffnung in die Matrizenöffnung einsetzt, dann außen an der Matrizenwandung ein isostatischer Pressdrucks angelegt wird zum Pressen des Materials zu dem Körper und dann nach Beendigung des Pressens der Stempel aus der Matrizenöffnung genommen und der im Formraum gepresste Körpers durch die Matrizenöffnung entnommen. Vorteilhaft wird das Pressverfahren dadurch, dass ein Stempel verwendet wird, der aus einem sich in einer Längsrichtung erstreckenden metallischen Einsatz und einer den metallischen Einsatz umgebenden elastischen Hülle ausgebildet ist, wobei ein stirnseitiger Endabschnitt des Einsatzes im die Matrizenöffnung verschließenden Zustand bis in den Formraum hinein eingeführt wird.
  • Sowohl vorrichtungsgemäß als auch verfahrensgemäß wird eine Kombination aus Kugelpressen und Stabpressen ermöglicht, wodurch sowohl ein deutlich reduzierter Materialverlust als auch ein deutlich reduzierter Aufwand der Nachbearbeitung gegenüber dem Pressen einer Vollkugel bzw. eines Zylinders ermöglicht wird. Insbesondere ermöglicht eine entsprechende Pressenvorrichtung beim Pressen eines derartig geformten Körpers die Sicherstellung einer trotzdem gleichmäßigen Dichte zum Ausbilden eines vollständig homogenen Körpers.
  • Dadurch, dass der stirnseitiger Endabschnitt des Einsatzes im die Matrizenöffnung verschließenden Zustand in den Formraum hineinragt, bildet auch der Stempel bei geschlossenem Werkzeug einen Teil des Formraums bzw. Füllraums aus.
  • Vorteilhaft bei einem entsprechenden Werkzeugkonzept ist die Tatsache, dass ein Körper gepresst werden kann, z.B. eine Hüftkugel mit einem Zapfenloch, bei dem nicht mehr von abschnittsweise geometrischen Grundkörpern ausgegangen wird, sondern von einer Überdeckung eines kugeligen Grundkörpers mit einem zylindrischen oder kegeligen Grundkörper. Damit liegt eine Mischform aus kubischer und quadratischer Verdichtung vor, wobei eine gleich verteilte Dichte erzielt wird.
  • Vorteilhaft ist, wenn die den Einsatz umgebende elastische Hülle aus rückseitiger Richtung zum stirnseitigen Endabschnitt hin ohne feste Verbindung untereinander an dem Einsatz anliegt. Bevorzugt wird dabei, wenn die den Einsatz umgebende elastische Hülle an dem Einsatz in Gleitverbindung zueinander anliegt. Dadurch kann die Hülle in Längsrichtung entlang des Einsatzes gleiten bzw. verschoben werden und sich frei den Druckverhältnissen anpassen. Eine derart ausgebildete gleitende Mantelung auf einem Stahlstempel ermöglicht eine verbesserte, insbesondere optimierte Verdichtung einer Hüftkugel als dem Körper gerade im kritischen Bereich zwischen Matrize und Stempel, weil die notwendige kubische Verdichtung viel besser abgebildet werden kann.
  • Besonders bevorzugt wird dabei, wenn einerseits die den Einsatz umgebende elastische Hülle mit dem Einsatz vom stirnseitigen Endabschnitt in rückseitiger Richtung über eine Gleitstrecke nicht fest verbunden ist und andererseits die den Einsatz umgebende elastische Hülle mit dem Einsatz ab einem vom stirnseitigen Endabschnitt beabstandeten Verbindungspunkt in rückseitiger Richtung fest verbunden ist. Dadurch wird der Hülle ein guter Halt ermöglicht und eine definierte Ausrichtbarkeit der Hülle in Richtung zum Formraum hin erleichtert.
  • In vorteilhafter Weise liegt die den Einsatz umgebende elastische Hülle an dem Einsatz zumindest zum stirnseitigen Endabschnitt hin derart dicht und/oder eng an, dass das im Formraum befindliche Material beim Pressen nicht zwischen den Einsatz und die diesen umgebende elastische Hülle gelangen kann. Dies vermeidet Materialverlust und außerdem eine aufwändige Nachbearbeitung zur Entfernung eines Pressgrats oder Überstandes.
  • Besonders vorteilhaft ist eine stirnseitige Hüllenwandung der elastischen Hülle, wenn die stirnseitige Hüllenwandung im entspannten Zustand ohne anliegendem Pressdrucks von dem stirnseitigen Endabschnitt des Einsatzes um eine Entspannungsstrecke bzw. während des Pressens eine Verdichtungswegstrecke beabstandet endet. Dadurch entsteht ein zusätzlicher Raum, in dem Material eingelagert werden kann, welches nachfolgend mit Presskrafteinwirkung durch auch die stirnseitige Hüllenwandung gezielt verpresst werden kann. Zweckmäßigerweise ist die elastische Hülle dazu derart ausgebildet, dass die stirnseitige Hüllenwandung unter zunehmender Einwirkung des Pressdrucks bis zu dem stirnseitigen Endabschnitt des Einsatzes vorschiebbar ist. Die Entspannungsstrecke entspricht dem Pressweg, den die Hülle, da sie nicht mit dem Stahlstempel verbunden ist, frei zurücklegen muss, um eine gleiche Dichte auch an dieser kritischen Stelle zu erreichen. Das heißt, der elastischen Hülle wird ermöglicht, sich gleich zu verhalten und den gleichen Verdichtungsweg zurückzulegen, als wenn kein Stahlstempel vorhanden wäre. Die Geometrie am Übergang von Stahlstempel und Matrize kann deutlich besser ausfallen, weil sich die Mantelung wie zur Matrize gehörig verhalten kann. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu einer fest anvulkanisierte Mantelung, welche sich ggf. strecken und um den Stahlstempel herum klappen würde. Die Anordnung mit der gleitenden Mantelung ermöglicht auch dünne, elastische Hüllen, weil das notwendige Volumen aus dem hinteren Mantelbereich „geholt" werden kann.
  • Alternativ zu der verschiebbaren Hülle vorteilhaft umsetzbar ist eine Ausführungsform, bei der die den Einsatz umgebende elastische Hülle mit dem Einsatz aus rückseitiger Richtung bis zum stirnseitigen Endabschnitt fest verbunden ist, insbesondere anvulkanisiert oder angeklebt ist. Bei fester Mantelung kann diese den Verdichtungsweg nur aus sich selbst, aus der eigenen, inneren Elastizität holen, was bedeutet, dass hinreichend viel Volumen an elastischem Material vorhanden sein muss. In einem solchen Fall ist die Formgebung der inneren Wandung der Matrizenwandung und der stirnseitigen Hüllenwandung entsprechend aufwändiger zu gestalten.
  • Zur bevorzugten Kraftübertragung bildet die elastische Hülle eine vom Einsatz beabstandete bzw. abgewandte Hüllenwandung aus, wobei die Hüllenwandung im die Matrizenöffnung verschließenden Zustand an einer dazu benachbarten Matrizenöffnungswandung anliegt. Dadurch wird ein direktes Anliegen der Matrizenöffnungswandung an dem metallischen Einsatz mit einer ungünstigeren Kraftlinienführung vermieden. Zur Verbesserung des Kraftlinienflusses zur Verformung der elastischen Hülle bildet die elastische Hülle im Anlagebereich an die dazu benachbarte Matrizenöffnungswandung eine Hüllenwandung mit einem sich von dem Einsatz entfernenden Verlauf aus.
  • Vorteilhafterweise ist der Einsatz in Längsrichtung hohl ausgebildet zum Aufnehmen eines Kerns, der in dem verschließenden Zustand in den Formraum hineinragt zum Ausbilden einer länglichen Hohlstruktur im Körper während des Pressens. Vorzugsweise ist der Kern dabei im Einsatz in Längsrichtung verschiebbar gelagert. Dies ermöglicht ein Pressverfahren, bei dem der Kern vor dem Befüllen des Formraums zumindest teilweise in den Formraum hineinragend eingeführt wird, woraufhin der den Kern umgebende Formraum mit dem zu verpressendem Material gefüllt wird und erst danach die Matrizenöffnung mit weiteren Komponenten des Einsatzes verschlossen wird.
  • Bevorzugt besteht der Stempel aus drei Teilen, erstens dem Kern als einem Mitteldorn zum Ausformen einer zylindrischen Innenkontur des Körpers in Form z.B. einer Hüftkugel, zweitens dem Stempel aus vorzugsweise Stahl, der den Mitteldorn führt und eine Planfläche der Hüftkugel ausformt, und drittens der elastischen Hülle als einem elastischen Mantel um den Stempel, der die fehlenden Kugelflächen um den Stempel ausformt. Diese Dreiteilung ist vorteilhaft, weil die Matrizenöffnung der Matrize zum Entformen des Körpers groß genug sein muss, dass dieser hindurchgeht. Weil die insbesondere plan auszuformende Stirnseite einer Hüftkugel als dem Körper aber im Durchmesser kleiner ist, als der größte Kugeldurchmesser, wird ein Teil der Kugelaußenfläche noch durch die elastische Hülle des Stempels gebildet.
  • Wenn der Einsatz in Längsrichtung mit einer strukturierten Form in den Formraum hineinragt ist eine entsprechend strukturiert geformte Hohlstruktur im Körper während des Pressens ausbildbar.
  • Bevorzugt bildet der Einsatz in Längsrichtung vom Formraum beabstandet in seiner Umfangswandung einen Vorsprung aus und verläuft vom Vorsprung aus zum Formraum hin mit vergrößertem Außenumfang, um während des Pressens durch eine entsprechend größere Materialstärke eine größere Stabilität gegenüber der Pressdruckeinwirkung über die Hülle zu bieten und um für eine Lagerung und/oder Befestigung der Hülle einen definierten Ansatzpunkt zu bieten.
  • Die Hülle und/oder die Matrize sind bevorzugt aus einem Elastomer ausgebildet, insbesondere aus einem Elastomer auf Basis von Kunststoff und/oder Kautschuk. Dabei kann die Shorehärte ggf. auch zueinander verschieden sein. Der metallische Einsatz ist vorzugsweise aus Stahl ausgebildet.
  • Einer Befestigungseinrichtung dient zum lösbaren Befestigen des Stempels mit dem Einsatz und der Hülle in der Matrizenöffnung während des Pressens derart, dass die Befestigung ohne zusätzliche Presskraft-Beaufschlagung auf den Stempel in Richtung der Matrizenöffnung erfolgt. Entsprechend wird der Stempel mit dem Einsatz und der Hülle in der Matrizenöffnung während des Pressens ohne zusätzliche Presskraft-Beaufschlagung auf den Stempel in Richtung der Matrizenöffnung befestigt.
  • Bevorzugt eingesetzt werden eine solche Pressenvorrichtung bzw. ein solches Pressverfahren zum Herstellen des gepressten Körpers als im wesentlichen kugelförmiger Hüftgelenks-Kugel mit einer hineinragenden und im wesentlichen zylindrischen oder kegeligen Schaftaufnahmeöffnung. Eigenständig von Bedeutung ist entsprechend ein derart hergestellter gepresster Körper als im wesentlichen kugelförmiger Hüftgelenks-Kugel mit einer hineinragenden und im wesentlichen zylindrischen Schaftaufnahmeöffnung. Die Anordnung und Kombination von derartigem Verfahren, Teilprozessen und Werkzeuggestaltungen ist beim isostatischen Pressen in einer derart ausgebildeten Form sehr gut auf Geometrien und Bedürfnisse von Hüftkugeln als dem zu pressenden Körper abgestimmt.
  • Besondere weitere Vorteile ergeben sich durch eine große Materialersparnis, da eine materialabhebende Formung der Kugelform und das Einarbeiten der länglichen Öffnung entfallen oder zumindest deutlich reduziert werden können. Auch der Zeitaufwand für derartige Nachbearbeitungen kann entsprechend sehr oder vollständig reduziert werden. Der Kern in Form eines Stahlstiftes ermöglicht eine Ausbildung der gewünschten länglichen Innenkontur im ansonsten im Wesentlichen kugelförmigen Körper.
  • Insbesondere bei der Herstellung von Hüftgelenks-Kugeln ist eine große Materialersparnis ein wesentlicher Vorteil, da für diese Zwecke ein sehr reines und entsprechend sehr teures Material, insbesondere auf Basis von hoch reinem Alumina und Zirkon zu verwenden ist. Außerdem werden strukturelle Beschädigungen bei Nachbearbeitungen vermieden, welche später, im ungünstigen Fall nach dem Einsetzen in einem menschlichen Körper, zu einem Bruch der Hüftgelenks-Kugel führen könnten.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Pressenvorrichtung in seitlicher und teilweise geschnittener Ansicht in einem anfänglichen Stadium eines Pressverfahrens,
  • 2 die Pressenvorrichtung gemäß 1 mit bereits zu einem Körper verpressten Material,
  • 3 die in 1 darstellte Pressenvorrichtung zu einem noch späteren Zeitpunkt vor dem Entnehmen des darin gepressten Körpers,
  • 4 eine Ausschnittsvergrößerung aus 3 und
  • 5 eine Ausschnittsvergrößerung gemäß einer alternativen Ausführungsform.
  • Die 14 zeigen eine teilweise Schnittdarstellung durch eine Pressenvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform. Wie dies ersichtlich ist, umfasst eine Pressenvorrichtung als wesentliches Element eine Matrize 1, welche durch ihre Matrizenwandung 6 einen innenseitigen Formraum 2 ausbildet. Die Matrize 1 weist eine Matrizenöffnung 5 auf, welche durch die Matrizenwandung 6 von einer Außenseite der Matrize 1 zum Formraum 2 hindurchführt. Die Matrizenöffnung 5 dient zum Befüllen des Formraums 2 mit einem pulver- und/oder granulatförmigen Material 3 (1). Das Material 3 wird in dem Formraum 2 durch Anlegen eines isostatischen Pressdrucks p an die Außenseite der Matrizenwandung 6 zu einem gepressten Körper 8 geformt und gepresst (2). Um dies zu ermöglichen, ist die Matrizenwandung aus einem elastischen Material ausgebildet. Als elastisches Material kann ein übliches Material auf Basis von z. B. Kunststoff oder Naturkautschuk verwendet werden.
  • Zum Verschließen der Matrizenöffnung 5 nach der Befüllung des Formraums 2 mit dem zu verpressenden Material 3 wird in der Matrizenöffnung 5 ein Stempel 4 eingesetzt. Das Einsetzen des Stempels 4 erfolgt vorzugsweise mittels einer Befestigungseinrichtung 9 derart, dass der Stempel 4 die Matrizenöffnung 5 verschließt, wobei jedoch kein Druck in Richtung des Formraums 2 ausgeübt werden muss. Die Befestigungseinrichtung 9 fixiert den Stempel 4 in der Matrize 1 relativ zu einem Werkzeug-Unterteil 10, in welchem die Matrize 1 gelagert ist. Das Werkzeug-Unterteil 10 weist einen Pressraum 11 auf, welcher die Matrize 1 vollständig umgibt. Eine Oberseite der Matrize 1 ist derart ausgebildet und dimensioniert, dass über einen Kragen der Matrize 1 der Pressraum 11 nach außen hin verschlossen ist. Die Matrizenöffnung 5 ist im Bereich des Kragens ausgebildet und führt in einen Bereich außerhalb des Formraums des Werkzeug- Unterteils 10. In den Pressraum 11 führt eine Druckleitung 12 von einer Außenseite des Werkzeug-Unterteils 10, wobei die Druckleitung 12 zum Anlegen des Pressdrucks p an die Matrizenwandung 6 der Matrize 1 dient.
  • Die Pressenvorrichtung aus im wesentlichen der Matrize 1 und dem Stempel 4 ist ausgelegt, einen Körper 8 zu pressen, welcher sowohl zumindest eine kugelförmige oder teilkugelförmige Körperkontur als auch eine längliche, insbesondere zylindrische Körperkontur aufweist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Körper 8 durch eine Kugel ausgebildet, in welche von der Außenseite her eine im wesentlichen zylindrische Öffnung hineinführt. Bei dem dargestellten Körper 8 handelt es sich insbesondere um einen Körper zum Ausbilden einer künstlichen Hüftgelenks-Kugel, in deren längliche Öffnung ein Schaft einzusetzen ist. Die direkte Fertigung eines derartigen kugelförmigen Körpers mit einer bereits integrierten länglichen Öffnung ermöglicht eine nachfolgende, sehr materialsparende oder gegebenenfalls diesbezüglich entfallende Nachbearbeitung, da weder im Außenumfangsbereich des bereits kugelförmigen Körpers 8 noch zum Ausbilden der länglichen Öffnung Material in großen Mengen abzutragen ist.
  • Um einen solchen Körper 8 ausbilden zu können, ist der Stempel aus zwei Komponenten ausgebildet, aus einem sich in einer Längsrichtung erstreckenden metallischen Einsatz 13 und einer den metallischen Einsatz 13 umgebenden elastischen Hülle 14. In stirnseitiger bzw. vorderseitiger Richtung ragt der Einsatz 13 mit seinem stirnseitigen Endabschnitt 7 aus der Hülle 14 heraus. Der metallische Einsatz 13 ragt im die Matrizenöffnung 5 verschließenden Zustand mit seinem stirnseitigen Endabschnitt 7 bis in den Formraum 2 hinein.
  • Die den Einsatz 13 umgebende Hülle 14 liegt mit einer vom Einsatz 13 beabstandeten Hüllenwandung 15, das heißt ihrer äußeren Umfangswandung, an einer innenseitigen Matrizenöffnungswandung 16 der Matrizenöffnung 5 an. Die Hülle 14 ist dabei derart ausgebildet und dimensioniert, dass die Hülle 14 im die Matrizenöffnung 5 verschließenden Zustand derart dicht an dem Einsatz 13 anliegt, dass Pulver oder Granulat aus dem Formraum 2 nicht zwischen diese dringen kann. Außerdem liegt die Hülle 14 mit der Hüllenwandung 15 derart dicht an der Matrizenöffnungswandung 16 an, dass Pulver oder Granulat aus dem Formraum 2 nicht zwischen diese dringen kann. Die Hülle 14 ist aus einem elastischen Material, insbesondere einem Elastomer auf Basis von Kunststoff oder Naturkautschuk ausgebildet. Je nach auszubildender Dimension, Struktur und Beschaffenheit des zu pressenden Körpers 8 können die Materialien der elastischen Hülle 14 und der Matrizenwandung 6 voneinander abweichen. Insbesondere kann auch deren Shorehärte zueinander verschieden sein.
  • Um einen bevorzugten Kraftfluss und einen vorzugsweise gleichen Verdichtungsweg beim Anlegen des isostatischen Pressdrucks p an die Außenseite der Matrizenwandung 6 bis hin zum Einsatz 13 zu ermöglichen, verläuft die Hüllenwandung 15 vom Formraum 2 ausgehend vorzugsweise nicht geradlinig parallel zur äußeren Wandung des Einsatzes 13 sondern schräg oder bogenförmig schräg unter einem Winkel mit einem sich von dem Einsatz 13 in rückseitiger Richtung entfernenden Verlauf. Dadurch werden seitlich von der Matrizenwandung 6 über die Matrizenöffnungswandung 16 verlaufende Kraftlinien F derart umgelenkt, dass die zum Formraum 2 hin zugewandte stirnseitige Hüllenwandung 17 in den Formraum 2 hinein verstellt wird, um das darin befindliche Material zu verpressen. Optional besteht dabei zwischen der äußeren Hüllenwandung 15 und der Matrizenöffnungswandung 16 eine Gleitverbindung.
  • Sowohl der Einsatz 13 als auch die elastische Hülle 14 sind rückseitig in einer Stempelbasis 18 des Stempels 4 abgestützt oder befestigt. Die Verbindung von der Hülle 14 zum Einsatz 13 kann hingegen auf verschiedene Art und Weise ausgebildet werden.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform sind die innenseitige Wandung der Hülle 14 und der Außenumfang des Einsatzes 13 aus rückseitiger Richtung bis zum stirnseitigen Endabschnitt 7 hin fest miteinander verbunden, wie dies in 5 skizziert ist. Zum Ausbilden der festen Verbindung kann die Hülle 14 an dem Einsatz 13 insbesondere anvulkanisiert oder angeklebt sein. Bei einer solchen Ausführungsform ist jedoch eine noch relativ aufwändige Formung der stirnseitigen Hüllenwandung 17 und der Innenwandung der Matrize 1 erforderlich, um beim Anlegen des isostatischen Pressdrucks p sicherzustellen, dass auch in einem Körperbereich vor dem stirnseitigen Endabschnitt 7 des Einsatzes 13 eine gewünschte Dichte p erzielt wird.
  • Gemäß einer bevorzugteren zweiten Ausführungsform liegt die Hülle 14 mit ihrer inneren Wandung lose und in Längsrichtung verschiebbar an der Außenwandung des Einsatzes 13 an. Die Hülle 14 liegt dabei derart dicht an dem Einsatz 13 an, dass Material 3 aus dem Formraum 2 während des Pressens nicht zwischen die Hülle 14 und den Einsatz 13 gelangen kann.
  • Gemäß der bevorzugtesten dritten Ausführungsform, welche in 4 skizziert ist, ist die den Einsatz 13 umgebende elastische Hülle 14 mit dem Einsatz 13 vom stirnseitigen Endabschnitt 7 des Einsatzes 13 in rückseitiger Richtung über eine Gleitstrecke g nicht miteinander fest verbunden, was in 4 durch eine übertriebene Beabstandung skizziert ist. Das heißt, zwischen der Hülle 14 und dem Einsatz 13 besteht eine Gleitverbindung, so dass die stirnseitige Hüllenwandung 17 in Richtung des Formraums 2 bzw. von diesem weg verschiebbar am Außenumfang des Einsatzes 13 gelagert ist. Ab einem Verbindungspunkt 20 am Ende der Gleitstrecke g ist die Hülle 14 in rückseitiger Richtung mit dem Einsatz 13 fest verbunden, beispielsweise anvulkanisiert oder angeklebt.
  • Wie auch bei den anderen Ausführungsformen liegt die den Einsatz 13 umgebende elastische Hülle 14 an dem Einsatz 13 zumindest zum stirnseitigen Endabschnitt 7 hin derart dicht und/oder eng an dem Einsatz 13 an, dass das im Formraum befindliche Material 3 beim Pressen nicht zwischen den Einsatz 13 und die diesen umgebende elastische Hülle 14 gelangen kann.
  • Sowohl bei der zweiten als auch bei der dritten Ausführungsform wird eine Dimensionierung der elastischen Hülle 14 derart bevorzugt, dass die Hülle 14 im entspannten Zustand ohne anliegendem Pressdruck p mit ihrer stirnseitigen Hüllenwandung 17 von dem stirnseitigen Endabschnitt 7 des Einsatzes 13 um eine Entspannungsstrecke s in rückseitiger Richtung beabstandet endet. Das heißt, im entspannten Zustand ragt die stirnseitige Hüllenwandung 17 der elastischen Hülle 14 nicht so weit in den Formraum 2 hinein, wie der stirnseitige Endabschnitt 15 des Einsatzes 13. Dies ermöglicht ein Befüllen des dadurch entstehenden Raums seitlich des stirnseitigen Endabschnitts 7 mit Material 3 und ein anschließendes Pressen dieses Materials mittels der stirnseitigen Hüllenwandung 17 der Hülle 14, wodurch eine besonders gleichmäßige Dichte auch im Übergangsbereich vor dem stirnseitigen Endabschnitt 7 und einem an dessen Stirnseite ausgebildeten Vorsprung ermöglicht wird. Durch die Gleitverbindung zwischen dem Einsatz 13 und Hülle 14 wird die stirnseitige Hüllenwandung 17 mit zunehmender Einwirkung des Pressdrucks p bis auf Höhe zu dem stirnseitigen Endabschnitt 7 des Einsatzes 13 vorgeschoben, sofern nicht eine spezielle Kontur mit einer Abstufung des Körpers gewünscht ist.
  • Vorteilhafter Weise kann der stirnseitige Endabschnitt 15 des Einsatzes 13 strukturiert ausgebildet sein, um dem während des Pressens entstehenden Körper 8 eine entsprechende Gegenstruktur aufzuprägen. Insbesondere kann von dem stirnseitigen Endabschnitt 7 ein Vorsprung, beispielsweise ein zylindrischer Vorsprung in den Formraum 2 weiter hineinragen, um eine entsprechende Öffnung in dem Körper 8 auszubilden.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Einsatz 13 in Längsrichtung hohl ausgebildet zum Aufnehmen eines Kerns 21, wobei der Kern 21 in dem verschließenden Zustand in den Formraum 2 hineinragt, um eine entsprechende längliche Hohlstruktur während des Pressens im Körper 8 auszubilden.
  • Vorzugsweise ist der Kern 21 in dem Einsatz 13 verschiebbar gelagert. Dies ermöglicht vor oder während des Befüllens des Formraums 2 mit dem zu verpressenden Material 3 den Kern 21 bereits ganz oder teilweise in den Formraum 2 einzuführen. Dadurch ist eine stirnseitige Materialverdichtung während eines späteren Einführens des Kerns 21 vermeidbar. Durch die verschiebbare Lagerung des Kerns 21 in dem Einsatz 13 können nachfolgend nach dem vollständigen Befüllen des Formraums 2 mit dem zu verpressenden Material 3 die restlichen Komponenten des Stempels 4, das heißt insbesondere der Einsatz 13 mit der Hülle 14, mittels der Befestigungseinrichtung 9 in die Matrizenöffnung 5 eingeschoben werden, um diese zu verschließen. Außerdem ermöglicht eine verschiebbare Lagerung des Kerns 21 in dem Einsatz 13, den Kern 21 nach dem Pressen des Körpers 8 aus dem Körper 8 kontrolliert gesteuert herauszuziehen, während der stirnseitige Endabschnitt 15 noch an dem Körper 8 anliegt und ein Widerlager für die Zugbewegung des Kerns 21 aus dem Körper 8 heraus ausbildet.
  • In vorteilhafter Weise hängt der gepresste Körper nach dem Pressen an dem Kern und kann daher zusammen mit dem Stempel aus dem Formraum entnommen werden und wird erst danach vom Stempel gelöst.
  • Vorzugsweise ist die Wandung des Einsatzes 13 sowohl im Fall einer Ausbildung durch einen Vollkörper als auch im Fall der Ausbildung als Hohlkörper zum Einsetzen des Kerns 21 in dem Bereich zwischen der Matrizenöffnung 5 massiver ausgebildet, das heißt mit einem größeren Durchmesser ausgebildet. dadurch kann den einwirkenden Presskräften des isostatischen Pressdrucks p, welcher aus seitlicher Richtung über die Matrizenwandung 6 und die elastische Hülle 14 einwirkt, besser widerstanden werden. In rückseitiger Richtung verjüngt sich dann der Durchmesser des Einsatzes 13 in vorteilhafter Weise im Bereich eines Vorsprungs 22. Die Verjüngung ermöglicht eine Materialersparnis und insbesondere im Fall der Ausbildung eines markanten Vorsprungs 22 auch eine Unterstützung einer Verbindung zwischen der Hülle 14 und dem Einsatz 13 in Form eines definierten Ansatzpunktes.
  • Mittels der 1 bis 3 sind drei verschiedene Verfahrenszustände eines Pressverfahrens dargestellt. 1 zeigt einen ersten Zustand, bei dem der Formraum 2 mit zu verpressendem pulver- und/oder granulatförmigem Material 3 gefüllt ist. Als zu verpressendem Material 3 können insbesondere metallische oder keramische Materialien verwendet werden. Zum Ausbilden von Hüftgelenks-Kugeln wird ein Material auf Basis von reinem oder nahezu reinem Alumina besonders bevorzugt. Dargestellt ist in 1 ein Zustand mit in der Matrizenöffnung 5 eingesetztem Stempel 4, wobei noch keine isostatischen Kräfte auf die Matrizenwandung 6 einwirken. 2 zeigt einen Verfahrensschritt, bei dem der isostatische Pressdruck p auf die Matrizenwandung 6 einwirkt und zur Verformung der Matrizenwandung 6 der Matrize 1 und zur Verformung der elastischen Hülle 14 führt. Durch die Verformungen wird der Formraum 2 verkleinert und das darin befindliche Material zu dem Körper 8 verpresst. 3 zeigt einen dritten Verfahrensschritt nach dem Abnehmen des isostatischen Pressdrucks und Entspannen der Matrize 1 und der Hülle 14. Am stirnseitigen Endabschnitt 7 sitzt auf dem Kern 21 der ausgebildete Körper 8, welcher zusammen mit dem Stempel 4 oder nach Ablösung und Entfernen des Stempels 4 aus dem Formraum 2 entnehmbar ist.

Claims (22)

  1. Pressenvorrichtung zum isostatischen Pressen eines Körpers (8) aus einem pulver- und/oder granulatförmigen Material (3), aufweisend – eine Matrize (1) mit einer einen Formraum (2) ausbildenden Matrizenwandung (6) und mit einer Matrizenöffnung (5) von außerhalb der Matrize durch die Matrizenwandung (6) zum Formraum (2) hin zum Befüllen des Formraums (2) mit dem Material (3) und zum Entnehmen des darin gepressten Körpers (8) nach dem Pressen, wobei die Matrizenwandung (6) aus einem elastischen Material ausgebildet ist zum Pressen des Materials (3) mittels eines außen an der Matrizenwandung (6) anliegenden isostatischen Pressdrucks (p), und – einen Stempel (4) zum Verschließen der Matrizenöffnung (5) während des Pressens, dadurch gekennzeichnet, dass – der Stempel (4) ausgebildet ist aus einem sich in einer Längsrichtung erstreckenden metallischen Einsatz (13) und einer den metallischen Einsatz (13) umgebenden elastischen Hülle (14), wobei ein stirnseitiger Endabschnitt (7) des Einsatzes (13) im die Matrizenöffnung (5) verschließenden Zustand in den Formraum (2) hinein ragt.
  2. Pressenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die den Einsatz (13) umgebende elastische Hülle (14) aus rückseitiger Richtung zum stirnseitigen Endabschnitt (15) hin an dem Einsatz ohne feste Verbindung untereinander anliegt.
  3. Pressenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die den Einsatz (13) umgebende elastische Hülle (14) an dem Einsatz aus rückseitiger Richtung zum stirnseitigen Endabschnitt (15) hin in Gleitverbindung zueinander anliegt.
  4. Pressenvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die den Einsatz (13) umgebende elastische Hülle (14) mit dem Einsatz vom stirnseitigen Endabschnitt (15) in rückseitiger Richtung über eine Gleitstrecke (g) nicht fest verbunden ist und – die den Einsatz (13) umgebende elastische Hülle (14) mit dem Einsatz ab einem vom stirnseitigen Endabschnitt (15) beabstandeten Verbindungspunkt (20) in rückseitiger Richtung fest verbunden ist.
  5. Pressenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die den Einsatz (13) umgebende elastische Hülle (14) an dem Einsatz zumindest zum stirnseitigen Endabschnitt (15) hin derart dicht und/oder eng anliegt, dass das im Formraum befindliche Material (3) beim Pressen nicht zwischen den Einsatz (13) und die diesen umgebende elastische Hülle (14) gelangen kann.
  6. Pressenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei eine stirnseitige Hüllenwandung (17) der elastischen Hülle (14) im entspannten Zustand ohne anliegendem Pressdrucks (p) von dem stirnseitigen Endabschnitt (15) des Einsatzes (13) um eine Entspannungsstrecke (s) beabstandet endet.
  7. Pressenvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die elastische Hülle (14) derart ausgebildet ist, dass die stirnseitige Hüllenwandung (17) unter zunehmender Einwirkung des Pressdrucks (p) bis zu dem stirnseitigen Endabschnitt (15) des Einsatzes (13) vorschiebbar ist.
  8. Pressenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die den Einsatz (13) umgebende elastische Hülle (14) mit dem Einsatz aus rückseitiger Richtung bis zum stirnseitigen Endabschnitt (15) fest verbunden ist, insbesondere anvulkanisiert oder angeklebt ist.
  9. Pressenvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elastische Hülle (14) eine vom Einsatz (13) beabstandete Hüllenwandung (15) ausbildet, wobei die Hüllenwandung (15) im die Matrizenöffnung (5) verschließenden Zustand an einer dazu benachbarten Matrizenöffnungswandung (16) anliegt.
  10. Pressenvorrichtung nach Anspruch 9, wobei zwischen der Hüllenwandung (15) und der dazu benachbarten Matrizenöffnungswandung (16) während des Pressens eine feste Verbindung besteht.
  11. Pressenvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die elastische Hülle (14) im Anlagebereich an die dazu benachbarte Matrizenöffnungswandung (16) eine Hüllenwandung (15) mit einem sich von dem Einsatz (13) entfernenden Verlauf ausbildet.
  12. Pressenvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Einsatz (13) in Längsrichtung hohl ausgebildet ist zum Aufnehmen eines Kerns (21), der in dem verschließenden Zustand in den Formraum hineinragt zum Ausbilden einer länglichen Hohlstruktur im Körper (8) während des Pressens.
  13. Pressenvorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Kern (21) im Einsatz (13) in Längsrichtung verschiebbar gelagert ist.
  14. Pressenvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Einsatz (13) in Längsrichtung mit einer strukturierten Form in den Formraum hineinragt zum Ausbilden einer entsprechend geformten Hohlstruktur im Körper (8) während des Pressens.
  15. Pressenvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Einsatz (13) in Längsrichtung vom Formraum (2) beabstandet in seiner Umfangswandung einen Vorsprung (22) ausbildet und vom Vorsprung (22) aus zum Formraum (2) hin mit vergrößertem Außenumfang verläuft.
  16. Pressenvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Hülle und/oder die Matrize aus einem Elastomer ausgebildet sind.
  17. Pressenvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Befestigungseinrichtung (9) zum lösbaren Befestigen des Stempels (4) mit dem Einsatz (13) und der Hülle (14) in der Matrizenöffnung während des Pressens ohne zusätzliche Presskraft-Beaufschlagung auf den Stempel in Richtung der Matrizenöffnung (5).
  18. Pressverfahren zum isostatischen Pressen eines Körpers (8) aus einem pulver- und/oder granulatförmigen Material (3) in einer Matrize (1) mit einer einen Formraum (2) ausbildenden elastischen Matrizenwandung (6) und mit einer Matrizenöffnung (5) von außerhalb der Matrize durch die Matrizenwandung (6) zum Formraum (2) hin, bei dem – der Formraum (2) mit dem Material (3) befüllt wird, – ein Stempel (4) zum Verschließen der Matrizenöffnung (5) in die Matrizenöffnung (5) einsetzt wird, – außen an der Matrizenwandung (6) ein isostatischer Pressdrucks (p) angelegt wird zum Pressen des Materials (3) zu dem Körper (8), und – nach Beendigung des Pressens der Stempel (4) aus der Matrizenöffnung (5) genommen und der im Formraum (2) gepresste Körpers (8) durch die Matrizenöffnung (5) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Stempel (4) verwendet wird, der aus einem sich in einer Längsrichtung erstreckenden metallischen Einsatz (13) und einer den metallischen Einsatz (13) umgebenden elastischen Hülle (14) ausgebildet ist, wobei ein stirnseitiger Endabschnitt (7) des Einsatzes (13) im die Matrizenöffnung (5) verschließenden Zustand bis in den Formraum (2) hinein eingeführt wird.
  19. Pressverfahren nach Anspruch 18, bei dem der Einsatz (13) in Längsrichtung hohl ausgebildet ist zum Aufnehmen eines Kerns (21), der vor dem Befüllen des Formraums (2) zumindest teilweise in den Formraum (2) hineinragend eingeführt wird, woraufhin der den Kern (21) umgebende Formraum (2) mit dem Material (3) gefüllt wird und erst danach die Matrizenöffnung (5) mit weiteren Komponenten des Einsatzes (13) verschlossen wird.
  20. Pressverfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem der Stempel (4) mit dem Einsatz (13) und der Hülle (14) in der Matrizenöffnung während des Pressens ohne zusätzliche Presskraft-Beaufschlagung auf den Stempel in Richtung der Matrizenöffnung (5) befestigt wird.
  21. Pressenvorrichtung oder Pressverfahren nach einem vorstehenden Anspruch zum Herstellen des gepressten Körpers (8) als im wesentlichen kugelförmiger Hüftgelenks-Kugel mit einer hineinragenden und im wesentlichen zylindrischen Schaftaufnahmeöffnung.
  22. Gepresster Körper (8) als im wesentlichen kugelförmiger Hüftgelenks-Kugel mit einer hineinragenden und im wesentlichen zylindrischen Schaftaufnahmeöffnung, hergestellt mit einer Pressenvorrichtung oder einem Pressverfahren nach einem vorstehenden Anspruch.
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