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Pulverpreßvorrichtung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pulverpreßvorrichtung gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik: 1) Lehfeldt, E. "Verdichten und Pressen von Metallpulvern
mit überlagerten Ultraschallschwingungen", Planseeber. Pulvermet. No. 16 (4), S.
263-267 (1968); 2) Siwkiewicz, Z. u.a. "Untersuchungen über den Einfluß von Ultraschallschwingungen
beim Pressen von Eisenpulver" Planseeber. Pulvermet., No. 25, S. 255-262 (1977);
3) Ensminger, D. "Ultrasonics", Marcel Dekker Inc., New York, S. 458-460 (1973).
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Aus den oben aufgeführten, für den Stand der Technik repräsentativen
Veröffentlichungen betreffend die Herstellung von Preßlingen oder Preßkörpern aus
pulverförmigem Ausgangsmaterial ist bekannt, daß Dichte, Festigkeit und Homogenität
solcher Preßlinge verbessert (erhöht) und/oder der statische Preßdruck, die Temperatur
und die Preßdauer verringert werden können, wenn man dem statischen Preßdruck akustische
Schwingungen (mechanische Longitudinalschwingungen) höherer Frequenz (z.B. etwa
10 bis 20 kHz) überlagert.
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Bei den bekannten Preßvorrichtungen werden die akustischen Schwingungen
durch einen einzigen elektro-akustischen Wandler erzeugt, der mit einem der beiden
Preßstempel einer den statischen Druck erzeugenden Presse direkt gekoppelt ist.
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Hochfrequente mechanische Schwingungen hoher Amplitude können im Preßling
nur bei entsprechender akustischer Anpassung des Wandlers und Abstimmung des die
Preßstempel und den Preßling enthaltenden Systems auf Resonanz bezüglich der akustischen
Schwingungen erreicht werden. Es ist dabei bekannt, die Geometrie der Preßwerkzeuge
und die Anordnung des elektroakustischen Wandlers so zu wählen, daß sich der Preßling
entweder am Ort eines Spannungsknotens oder am Ort eines Bewegung 5-knotens der
akustischen Schwingungen befindet.
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Je nach den Parametern des Preßprozesses wirken die dem statischen
Preßdruck überlagerten Schwingungen stets überwiegend nach einem der beiden folgenden
Mechanismen: a) durch Bewegung des gesamten Pulverkörpers relativ zum Preßwerkzeug,
wodurch die Reibung an der Wand des Preßwerkzeugs verringert wird, oder b) durch
Bewegung der einzelnen Pulverteilchen in Bezug aufeinander, was die Reibung zwischen
den Pulverteilchen verringert,
die plastische Verformung der Pulverteilchen
erleichtert, vorzeitig gebildete Agglomerate aufhricht und das letztliche Verschweißen
von Kontaktflächen zwischen den Pulverteilchen fördert.
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Bei der Anordnung des Preßlings im Spannungsknoten wird der Preßling
an die schwingende Stirnfläche des den elektroakustischen Wandler enthaltenden Preßstempels
gedrückt und befindet sich somit am Ort eines Bewegungsbauches, wo zwar maximale
Relativbewegungen zur Umgebung (gegebenenfalls einer Matrizenwand) stattfinden,
jedoch nur minimale Relativbewegungen der einzelnen Pulverteilchen in Bezug aufeinander
(siehe z.B. Lehfeldt l.c., Fig. 3).
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Im Falle einer akustischen Abstimmung von Ober- und Unterstempel,
die aus der obengenannten Veröffentlichung von Lehfeldt (Fig.1a und 1c) ebenfalls
bekannt ist, bewirkt bei guter Kopplung (hohem statischen Anpreßdruck und hinreichend
dichtem Preßling) der schwingende Oberstempel ein gleichphasiges Mitschwingen des
Unterstempels; nur bei geringer Ankopplung (die bei geringem Anpreßdruck und großer
freier Weglänge der Pulverteilchen im Anfangsstadium der Verdichtung vorliegt) sind
Relativbewegungen von Ober- und Unterstempel und damit von Pulverteilchen in Bezug
aufeinander möglich.
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Bei ruhendem Unterstempel (Lehfeldt, l.c. Fig. 1b) wird mit steigendem
Anpreßdruck und steigender Dichte des Preßlings in unmittelbarer Nähe des Bewegungsbauches,
nämlich an der Grenzfläche zwischen Preßling und Unterstempel, ein Bewegungsknoten
erzwungen, dies bewirkt eine Verstimmung des gesamten Resonanzsystems mit starker
Verringerung der Schwingungsamplituden. Solange überhaupt noch Schwingungen des
Oberstempels am Ort seiner Stirnfläche aufrechterhalten werden können, ist eine
inhomogene Verteilung der Schwingungsamplituden auf Kosten der Homogenität des resultierenden
Preßlings die Folge.
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Zusammenfassend kann also gesagt werden, daß bei Anordnung des Preßlings
am Ort eines Spannungsknotens gerade dann, wenn der zur weiteren Verdichtung des
Preßlings erforderliche Aufwand steigt, nämlich bei fortgeschrittener Verdichtung
des Preßlings, der Wirkungsgrad der Einkopplung der Schwingungen in den Preßling
sinkt.
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Aus der oben genahnten Veröffentlichung von Ensminger ist eine Pulverpreßvorrichtung
bekannt, bei der Oberstempel-Preßling-Unterstempel einen A/2-Resonator bilden, welcher
über zwei an Bewegungsknotenebenen der Stempel befindlichen Krägen in eine Presse
eingespannt ist. Der eine Stempel wird durch einen elektro-akustischen Wandler (Schallgeber)
zu akustischen Schwingungen aktiv angeregt. Als Ausgangsmaterial wird ein auf mindestens
75% der theoretischen Dichte vorgepreßter Pulverpreßkörper verwendet. Dieser schon
verhältnismäßig kompakte Körper koppelt die Schwingungen auf den anderen abgestimmten
Stempel, der dadurch passiv gegenphasig mitschwingt, wobei die Schwingungsamplituden
des zweiten Stempels mit zunehmender Kopplung zunehmen. Die Stirnflächen des Ober-
und des Unterstempels sollen durch diese Kopplung gegenläufige Schwingungsbewegungen
in Bezug aufeinander durchführen, so daß sich entsprechende Relativbewegungen der
Massenelemente des Preßlings entsprechend dem oben erwähnten Mechanismus b) ergeben.
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Die praktische Durchführung dieses Verfahrens und seine Anwendung
für unterschiedliche Materialien und Arbeitstemperaturen sind bisher jedoch auf
große Schwierigkeiten gestoßen.
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Eine eingehendere Untersuchung des letzterwähnten Verfahrens hat gezeigt,
daß die Gründe für die Schwierigkeiten, die sich einer breiteren Anwendung dieses
Verfahrens entgegenstellen, vermutlich in den sich im Verlaufe des Preßvorganges
stark ändernden akustischen Eigenschaften des porösen Pulverkörpers lieqen. Insbesondere
ändern
sich Elastizitätsmodul und Dämpfung sowie Abmessungen und
Dichte beim Preßvorgang sehr stark, was eine entsprechende Änderung der Kopplungsverhältnisse
zwischen dem aktiv zu Schwingungen angeregten Preßstempel unddem passiv mitschwingenden
Preßstempel zur Folge hat. Durch solche Änderungen wird nicht nur die Schwingungsamplitude,
sondern auch die Lage des Bewegungsknotens (Spannungsbauches) bezüglich des Preßlings
in unerwünschter Weise geändert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pulverpreßvorrichtung
der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, daß eine optimale Wirkung der
überlagertern akustischen Schwingungen auf den Preßling auch dann gewährleistet
ist, wenn sich dessen Eigenschaften im Verlaufe des Preßvorganges stark ändern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Pulverpreßvorrichtung
der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen
der Pulverpreßvorrichtung gemäß der Erfindung.
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Bei der Pulverpreßvorrichtung gemäß der Erfindung wird praktisch die
Bildung eines Bewegungsknotens (=Bereich maximaler Druckänderungen) im Preßling
erzwungen, ohne daß es hierfür auf die Eigenschaften des Preßlings wesentlich ankommt.
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Man kann daher ein pulverförmiges Ausgangsmaterial verwenden und dieses
zu sehr kompakten, festen und homogenen Körpern zusammenpressen. Eine besonders
sorgfältige Steuerung des Preßvorganges ist hierfür nicht erforderlich. Das Pressen
kann bei Raumtemperatur oder erhöhten Temperaturen durchgeführt werden.
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Besonders vorteilhaft ist Ausgestaltung der Preßvorrichtung gemäß
der Erfindung, bei der die Anordnung der beiden elektroakustischen Wandler und die
Preßstempelanordnung bezüglich der Mitte des Preßlings bzw. der zu seiner Aufnahme
bestimmten Preßkammer symmetrisch sind.
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Bei der Pulverpreßvorrichtung gemäß der Erfindung wird auch bei starker
Inelastizität und Dämpfung des gepreßten Materials sowie bei sich ändernden Schallparametern
dieses Materials die Schwingungsknotenebene stets im Preßling gehalten und Phasenverschiebungen
zwischen Ober- und Unterstempel werden verhindert. Um eine bestimmte Druckamplitude
in der Mitte der Probe zu erzeugen, benötigt man überraschenderweise bei der beidseitigen
Resonanzanregung gemäß der Erfindung insgesamt weniger Energie als bei der bekannten
einseitigen Anregung. Außerdem sind die Druckamplituden längs der Probe gleichmäßiger.
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Bei der Pulverpreßvorrichtung gemäß der Erfindung können ferner für
die Preßstempel auch Materialien mit verhältnismäßig hoher Eigendämpfung verwendet
werden, wie Graphit. Wegen seiner hohen Dämpfung wäre die Verwendung von Graphit
bei den bekannten Ein-Schwinger-Systemen nicht sinnvoll.
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Im folgenden wird der Erfindungsgedanke unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht einer auf Resonanz abgestimmten
Zwei-Schwinger-Preßstempelanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Fig.
2 eine schematische Darstellung einer Pulverpreßvorrichtung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung und Fig. 3 einen vergrößerten Axialschnitt eines Teiles der Pulverpreßvorrichtung
gemäß Fig. 2.
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In Fig. 1 ist schematisch die Preßstempelanordnung einer bevorzugten
Ausführungsform der Pulverpreßvorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt. Die Preßstempelanordnung
ist im wesentlichen symmetrisch bezüglich einer Ebene 0, welche wenigstens annähernd
durch die Mitte einer in Fig. 3 genauer dargestellten Preßkammer 10 verläuft, die
das zu verpressende Ausgangsmaterial bzw. den Preßling aufnimmt.
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Die Preßkammer 10 wird in Radialrichtung durch eine Matrize 12 und
in Axialrichtung durch zwei Stempel 14,16 begrenzt.
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Die Stempel 14,16 bilden (mit dem zwischen ihnen eingeklemmten Pulver
bzw. Preßling) einen Zentralresonator 18, dessen Länge einer halben Wellenlänge
der dem statischen Preßdruck überlagerten akustischen Schwingungen entspricht.
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Für die akustischen Schwingungen hat sich eine Frequenz zwischen etwa
15 und 20 kHz bewährt. Wegen des besseren Wirkungsgrades und der sich ergebenden
größeren Abmessungen der auf Resonanz abgestimmten Teile der Preßvorrichtung sind
an sich relativ niedrige Frequenzen bis herab zu einigen Kilohertz insbesondere
ca. 10 kHz, vorzuziehen, andererseits treten dann Störgeräusche auf, die im allgemeinen
Maßnahmen zum Schallschutz erforderlich machen. Ein für viele Zwecke zufriedenstellender
Kompromiß sind Frequenzen zwischen der oberen Grenze des Hörbereiches und etwa 20
kHz, also zwischen etwa 16 und 20 kHz.
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An die beiden Stempel 14 und 16 schließen sich im wesentlichen stabförmige
Übertragungsstücke 20 bzw. 22 an, deren Länge wieder einer halben Wellenlänge der
überlagerten Schwingungen entspricht und die in der Mitte einen Kragen 24 bzw. 26
aufweisen, auf den durch eine z.B. hydraulische Presse (siehe Fig. 2) eine statische
Preßkraft F ausgeübt werden kann.
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Die der Preßkammer abgewandten Enden der Übertragungsstücke 20 und
22 sind jeweils über Verstärkungshörner 28 bzw. 30, mit Wandlersystemen 34 bzw.
36 gekoppelt. Die Verstärkungshörner 28
und 30 enthalten jeweils
einen sich exponentiell verjüngenden Teil. Die Wandlersysteme 34 und 36 können jeweils
einen piezoelektrischen oder vorzugsweise einen magnetostriktiven Schwinger enthalten.
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Aufgrund der Bemessung der anhand von Fig. 1 erläuterten Anordnung
erzeugen die akustischen Schwingungen in ihr eine stehende Welle, wie in Fig. 1
rechts angedeutet ist, wenn die Wandlersysteme mit Wechselspannungen geeigneter
Frequenz und Phasenlage gespeist werden. Der Verlauf der mechanischen Spannung a
ist durch eine ausgezogen gezeichnete Kurve, der Verlauf der longitudinalen Schwingungsamplitude
a durch eine gestrichelte Kurve dargestellt. Man sieht, daß am Ort des Preßlings
10 ein Spannungsbauch auftritt, wo die mechanische Spannung einen Maximalwert a0
hat. An den Enden der Anordnung gemäß Fig. 1 und an den Ubergangsstellen zwischen
den einzelnen X/2-langen Bauteilen tritt dagegen jeweils ein Spannungsknoten bzw.
Bewegungsbauch auf, wo die Bewegungsamplitude einen Maximalwert aO hat, so daß eine
gute Kopplung gewährleistet ist.
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Dadurch, daß beide Seiten der Preßstempelanordnung jeweils mit einem
Wandlersystem verbunden sind und aktiv zu Schwingungen angeregt werden, wird das
Auftreten eines Spannungsbauches im Preßling erzwungen, so daß die vorteilhaften
Wirkungen gemäß dem eingangs erwähnten Mechanismus a) auch bei den verschiedensten
und sich während des Preßvorganges ändernden Eigenschaften des gepreßten Materials
gewährleistet sind.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Pulver-Heißpreßvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Das anhand
von Fig. 1 beschriebene, beidseitig aktiv anregbare Resonatorsystem ist mit den
sich in Bewegungsknotenebenen befindenden Krägen 24 und 26 in eine hydraulische
Presse 42 eingespannt, die einen Hydraulikzylinder 44 enthält, welcher die statische
Preßkraft F über ein auf Rundstäben
46 verschiebbares, rahmenartiges
Joch 48 auf den Kragen 24 ausübt. Der andere Kragen stützt sich auf ein festes Joch
50 ab, das wie auch die Rundstäbe 46 durch einen Rahmen 52 der Presse yehaltert
sind.
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Die beiden Wandlersysteme 34 und 36 werden gegenphasig mit Wechselstrom
einer Frequenz zwischen 10 und 20 kHz entsprechend der akustischen Resonanzfrequenz
des Systems von einer Wechselspannungsquelle versorgt, welche einen Sinusgenerator
54 und einen Leistungsverstärker 56 enthält. Die Frequenz f wird durch einen Frequenzzähler
58 gemessen, der Strom und die Spannung, die vom Leistungsverstärker an die Wandlersysteme
abgegeben werden, werden durch einen Oszillographen 60 kontrolliert.
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Die Bewegungsamplitude aO wird berührungslos mittels eines mit einer
optischen Eichvorrichtung verbundenen elektrodynamischen Wandlers 62 bekannter Bauart,
eines Signalverstärkers 64 und des Oszillographen 60 gemessen und vorzugsweise über
eine auf die Frequenz des Sinus generators 54 einwirkende Regelschleife (nicht dargestellt)
auf einem Maximalwert gehalten.
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Die Erhitzung des gepreßten Materials erfolgt mittels eines Hochfrequenzgenerators
66 und einer Hochfrequenzspule 68; die Messung der Temperatur erfolgt mit einer
geeigneten Temperaturmessvorrichtung, die z.B. ein Strahlungspyrometer (nicht dargesteRt)
oder ein in die Matrize 12 eingesetztes Thermoelement 70 (Fig. 3) sein kann und
auf einer Leitung 72 ein entsprechendes Temperatursignal an einen Temperaturregler
74 liefert, der den Hochfrequenzgenerator 66 entsprechend steuert.
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Die hydraulische Preßkraft F wird durch eine Druckmittelquelle 76
erzeugt und eine Druckdose 78 gemessen, sie kann durch einen geeigneten Regler (nicht
dargestellt) geregelt oder gemäß einem vorgegebenen Programm gesteuert werden.
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Zur Aufzeichnung von statischem Preßdruck F und Temperatur T kann
ein Registriergerät 80 vorgesehen sein.
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Fig. 3 zeigt Einzelheiten des mittleren Teils der Pulverpreßvorrichtung
gemäß Fig. 2. Der auf A/2 abgestimmte Zentralresonator 18 aus dem Oberstempel 14,
dem Unterstempel 16 und dem in der Preßkammer 10 befindlichen Preßling ist zwischen
den Stellen X-X', an denen ein Spannungsknoten auftritt, zwischen die durch temperaturfeste
Endstücke 82, 84 abgeschlossenen X bertragungsstücke 20 und 22 eingespannt. Einsenkungen
86, 88 verhindern ein seitliches Verrücken der lose eingesetzten und nur durch den
statischen Anpreßdruck (welcher zwecks ausreichender Kopplung stets größer als 2aO
sein muß) gehaltenen Stempel 14, 16 während des Pressens mit Schwingungsüberlagerung.
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Die ;Doppelpfeile90 deuten die Schwingungsrichtung an den Orten X,
X des Bewegungsbauches (Druckknotens) an. Die Einfach-Pfeile F deuten die auf die
Krägen 24, 26 der aus einer Titanlegierung gefertigten A/2-Ubertragungsstücke 20,
22 angreifende statische Preßkraft F an. Die Matrize 12, die Stempel 14, 16, die
Endstücke 82 und 84 sowie die Enden der übertragungsstücke 20 und 22 befinden sich
in einer Kammer 92, die durch einen Quarzglaszylinder 94 und Flanschteile 96,98
begrenzt wird, welche über jeweils zwei Dichtungsringe 100 aus PTFE oder dergleichen
bezüglich der Ubertragungsstücke 20,22 verschiebbar abgedichtet sind.
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Die Kammer 92 kann mit einem Schutzgas gefüllt oder gespült werden.
Die Endstücke 82,84 können, wie dargestellt, einen zapfenförmigen Ansatz haben,
der in die rohrförmigen Ubertragungsstücke 20 bzw. 22 eingeschraubt ist. Zur Kühlung
der stirnseitigen Enden der Ubertragungsstücke und der Endstücke kann ein Kühlmedium
in das Innere 102 bzw. 104 der Ubertragungsstücke 20 und 22 und in Kühlkammern 106,108
der Flanschteile 96 und 98 eingeleitet werden.
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Bei der Pulverpreßvorrichtung gemäß der Erfindung ist man hinsichtlich
der Wahl der Materialien für die Preßstempel 14 und 16 wesentlich freier als bei
den bekannten Preßvorrichtungen.
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Durch Auswahl geeigneter Stempelmaterialien hinsichtlich ihrer Temperaturbeständigkeit
und mechanischen Eigenschaften lassen sich daher verschiedene und neue Anwendungen
hinsichtlich Temperatur
und Wechseldruck erschließen. So kann
zum Beispiel der für Stempel- und Matrizenmaterial wegen seiner hervorragenden Temperaturbeständigkeit
besonders geeignete Graphit trotz ungünstiger Schalleigenschaften für Heißpressen
bei sehr hohen Temperaturen und mäßigen Wechseldruckamplituden verwendet werden,
wobei durch die Schalldruck verstärkende und zentrierende Wirkung, die bei der Pulverpreßvorrichtung
gemäß der Erfindung gewährleistet ist, die niedrige Schallimpedanz und die Dämpfung
dieses Materials ausgeglichen werden. Stempelmaterialien sehr hoher akustischer
Impedanz bei guter Temperaturbeständigkeit wie Wolfram und Wolframlegierungen können
zur Erzeugung sehr hoher Schalldruckamplituden im Preßling bei mittleren Temperaturen
eingesetzt werden.
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Die Endstücke 82 und 84 können zum Beispiel aus hochfestem Stahl oder
Titan bestehen. Die Ubertragungsstücke und Verstärkerhörner wellen vorzugsweise
aus einer wechselbeanspruchungsfesten Titanlegierung hergestellt.
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Ein Teil der oben beschriebenen vorteilhaften Wirkungen läßt sich
auch mit einer unsymmetrischen Stempelanordnung erreichen. So kann z.B. die Anordnung
gemäß Fig. 1 dadurch abgewandelt werden, daß man zwischen das Ubertragungsstück
20 und das Verstärkungshorn 28 eines oder mehrere Zwischenstücke mit einer akustischen
Länge von A/2 einfügt. Die Bildung eines Spannungsbauches am Ort des Preßlings läßt
sich auch in solchen Fällen gewährleisten, indem man den Wandlersystemen Wechselspannungen
entsprechender gegenseitiger Phasenlage zuführt.
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Wenn sich beispielsweise der Abstand zwischen den Ankopplungsflächen
der Wandlersysteme einerseits und der Mittelebene der Preßkammer um A/2 unterscheidet,
werden die Wandler gleichphasig erregt. Wichtig ist jedoch, daß auf alle Fälle die
einen Spannungsknoten und Schwingungsbauch darstellende Kopplungsfläche des Wandlersystems
jeweils von der Mitte der Preßkammer einen Abstand hat, der gleich einem ungeradzahligen
Vielfachen (einschließlich dem 1-fachen> eines Viertels der Wellenlänge der akustischen
Schwingungen in dem betreffenden
Material ist, also gleich (2n-1)
/4, wobei n eine natürliche Zahl ist.
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Die Pulverpreßvorrichtung gemäß der Erfindung eignet sich zum Herstellen
von sehr kompakten Körpern aus den verschiedensten pulverförmigen Ausgangsmaterialien,
z.B. aus Metall und/oder Keramik, insbesondere wenn diese Materialien hohe Schmelzpunkte
haben und ihre Formgebung dementsprechend schwierig ist.
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Die Preßkammer kann auch durch entsprechende Formgebung der Stirnseiten
der beiden Preßstempel gebildet werden, eine zusätzliche Matrize, wie die Matrize
12 ist also nicht unbedingt erforderlich.
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Die einzelnen Teile der Preßwerkzeuganordnung gem. Fig. 1, wie die
Übertragungsstücke 20, 22 und Verstärkungshörner 28, 30, die sich zwischen dem Zentralresonatorl8
und den Kopplungsflächen der Schwingungserzeuger 24, 36 befinden, sollen im allgemeinen
eine Länge gleich A/2 ( oder eines ganzzahligen Vielfachen von A/2) haben und die
aneinander anliegenden Stirn- oder Kopplungsflächen dieser Teile sollen sich am
Ort eines Bewegungsbauches befinden, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.
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Die Endstücke 82,84 und die zugehörigen Ubertragungsstücke 20 bzw.
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22 können jeweils aus einem Stück bestehen, z.B. einem Drehteil.
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Zwischen den Stempeln 14 und 16 einerseits und den Ubertragungsstücken
20 bzw. 22 andererseits kann eine thermische Isolationsschicht vorgesehen sein,
z.B. eine Platte aus hochfester, dämpfungsarmer Keramik, z.B. Al203-Keramik. Man
kann z.B. auch die Endstücke 82,84 aus einem solchen schlecht wärmeleitenden Material
machen.
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Die Stempel und Matrize können die verschiedensten Querschnitte haben,
z.B. in Form eines Vieleckes, Zahnrades u. dgl.
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