DE60112296T2 - Verfahren zur Herstellung einer Platte umfassend eine Zwischenformung und eine Endformung - Google Patents

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Description

  • Technischer Bereich
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung einer Platte aus Metall oder einem keramischen Material, wobei die Platte ein oder mehrere Felder umfasst, die den größten Teil der Oberfläche der Platte einnehmen und die auf mindestens einer Seite der Platte hochrelief-gemustert sind, genauer, so gemustert, dass die Platte auf dieser mindestens einen Seite innerhalb des Gebiets des Felds oder der Felder Reliefe mit abwechselnd hohen Vorsprüngen und tiefen Tälern oder Vertiefungen aufweist, und zwischen den Seiten ein dünnes Netz, wobei das mit hochrelief-gemusterte Feld oder die Felder zumindest teilweise von breiten Randabschnitten umgeben sind, die eine Dicke haben, die größer als die mittlere Dicke der Platte innerhalb des Gebiets der hochrelief-gemusterten Felder oder des Felds sind. Platten, die für den Einsatz in Brennstoffzellen oder Wärmetauschern bestimmt sind, sind typische Beispiele für Platten der oben genannten Art.
  • Stand der Technik
  • Es ist schwierig, Platten der oben beschriebenen Art herzustellen, und es ist außerordentlich schwierig, solche Platten herzustellen, die dünn sind und ausgeprägt Hochrelief-gemustert sind, während sie gleichzeitig breit sind. Herkömmliche Methoden wie mechanisches Bearbeiten, Funkenerosionsbearbeitung, Ätzen, Laserbearbeitung etc. sind langsam und teuer, und dennoch ist es schwer, mit solchen herkömmlichen Methoden ein perfektes Produkt bereitzustellen. Dies hat in hohem Maß die Entwicklung von Brennstoffzellen behindert, in welchen zahlreiche Hochrelief-gemusterte Platten beinhaltet sind. Solche Platten in einem System können zum Beispiel zur Trennung von verschiedenen Gasen, zum Transport von Restprodukten und zum Führen eines erzeugten Stroms in dem Brennstoffzellensystem beitragen und haben üblicherweise eine runde, quadratische oder rechteckige Form mit einem mittleren Feld, das auf beiden Seiten Rillen hat, die durch relativ hohe Ausläufer bzw. Zungen voneinander getrennt sind. Diese Hochrelief-gemusterten Felder sind von einem umlaufenden, vergleichsweise breiten Rand umgeben, der einen flachen Rahmen um das Hochrelief-gemusterte mittlere Feld bildet, wobei die oberen Flächen der Zungen mit den beiden Seitenflächen des Rahmens zusammenfallen. Die Dicke solcher Platten kann von Fall zu Fall recht deutlich schwanken, überschreitet üblicherweise aber 3 mm nicht, während die Dicke des Netzes zwischen den Rillen z.B. im Bereich von 1 mm liegen kann. Ein Verfahren zum Erzeugen der Rillen in den Platten gemäß heutiger Technik ist durch irgendeine Art von maschineller Bearbeitung, doch das ist wie erwähnt ein langsamer und kostspieliger Vorgang. Es ist nicht möglich, mittels herkömmlicher Formverfahren zu bewirken, dass das Material vollständig in die Werkzeugform fließt, weil beträchtliche Reibungskräfte den Transport des Materials verhindern. Wenn andererseits in herkömmlichen Anlagen zur Bereitstellung des notwendigen Materialtransports größere Drücke angewendet würden, um zu bewirken, dass das Material die Werkzeuggussform vollständig ausfüllt, dann können die Werkzeuge beschädigt werden. Ähnliche Probleme treten bei der Herstellung von Platten auf, die für den Einsatz in Wärmetauschern bestimmt sind.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der Zweck der Erfindung ist, einen deutlich besser geeigneten Prozess für die Herstellung von Metallplatten von der in der Einleitung erwähnten Art bereitzustellen, insbesondere Metallplatten für Brennstoffzellen und/oder Wärmetauscher. Genauer zielt die Erfindung darauf, ein Herstellungsverfahren bereitzustellen, welches deutlich billiger als herkömmliche Verfahren ist, aber dennoch ein Produkt bereitstellt, das die sehr strengen Ansprüche hinsichtlich Maßgenauigkeit, Dichte und anderen Eigenschaften erfüllt, die von Brennstoffzellenplatten und Wärmetauscherplatten gestellt werden. Das Verfahren der Erfindung ist jedoch nicht nur auf die Herstellung von Brennstoffzellenplatten und Wärmetauscherplatten beschränkt, sondern kann auch weitgehend für andere Metallplatten verwendet werden, insbesondere für Platten, die im Verhältnis zu ihrer Dicke breit sind.
  • Gemäß der Erfindung wird eine Presstechnik verwendet, die eine hohe kinetische Energie für das Herstellen der Platte mit den Hochrelief-gemusterten Seiten aufwendet. Es ist aber nicht möglich, Platten mit diesem Muster durch Pressen mit hoher kinetischer Energie durch einen einzelnen Stoß herzustellen, wenn man mit einem Pulver oder einer flachen Platte beginnt. Selbst wenn das Material durch den sehr hohen Druck, der durch das hochkinetische Pressen erzeugt wird, weich wird, wird die Fähigkeit des Materials dennoch zu begrenzt sein, um nicht nur in die labyrinth artigen Gänge in dem Abschnitt des Formwerkzeugs zu fließen, der das Hochrelief-Muster bilden soll, sondern um auch zu den dickeren Randbereichen zu fließen. Ebenso wenig ist es in diesem Werkzeug möglich, das Produkt durch eine Reihe von Stößen zu formen. Im Gegenteil, die Probleme würden verstärkt werden. Das ist insbesondere zutreffend, wenn man mit einem Pulver beginnt, welches sicherlich in einer Oberflächenebene beim ersten Aufschlag plastifiziert werden kann. Doch das würde stattdessen das Plastifzieren des Pulvers weiter unten in der Pulverschicht erschweren, was ein sehr inhomogenes Verdichten und erhöhte Reibung zur Folge hätte.
  • Das Prinzip der Erfindung ist daher, zuerst ein Zwischenprodukt herzustellen, das für einen abschließenden Formvorgang geeignet ist, darauf beruhend, dass die Hochrelief-gemusterte Platte mit einem einzigen Stoß durch die Zuführung von sehr hoher kinetischer Energie geformt wird.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Zwischenprodukt in mindestens einem vorausgehenden Schritt hergestellt, wobei das Zwischenprodukt einen ersten Abschnitt umfasst, der das/die Hochrelief-gemusterte(n) Felder) umfasst, der jedoch noch nicht hochrelief-gemustert ist, sondern eine Menge an Material enthält, die im wesentlichen der Materialmenge entspricht, die in dem/n Feld(ern) der fertigen Platte vorkommt, und zweite Abschnitte, die die Randabschnitte bilden sollen und die im wesentlichen die Materialmenge enthalten, die in den Randabschnitten der fertigen Platte vorkommen sollen. Dieses Zwischenprodukt wird zwischen mindestens zwei Formwerkzeugteile gebracht, die relativ zueinander beweglich sind, wobei mindestens eines der Formwerkzeugteile Hochrelief-geprägt ist und mindestens eines ein Stempel ist, wobei die Werkzeugteile, wenn sie so nah wie möglich zusammen gebracht werden, zwischen sich und oder zusammen mit mindestens einem oder mehreren Werkzeugteilen eine Formhöhlung bilden, die der endgültigen Form der fertigen Platte innerhalb der Bereiche der hochrelief-gemusterten Felder entspricht und zumindest nahe an der endgültigen Form der Randabschnitte ist. Dann werden die Hochrelief-Muster in dem Bereich/den Bereichen des Felds bzw. der Felder hergestellt, indem die geprägten Werkzeugteile gegeneinander gestoßen werden, zumindest der Stempel wird gegen das Zwischenprodukt geschlagen, wobei das Material in den Bereichen des mindestens einen ersten Abschnitts dazu gebracht wird, zu fließen und die Formhöhlung zu füllen, um das Hochreliefmuster im wesentlichen ohne Materialtransport zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt zu bilden.
  • Um die gravierten Werkzeugteile gegeneinander zu schlagen, können ein bzw. zwei Kolben verwendet werden, die vorzugsweise hydraulisch angetrieben werden, welche gegen den Stempel bzw. die Stempel geschlagen werden, welche wiederum die kinetische Energie auf das Zwischenprodukt übertragen. Die Stempel und Aufschlagelemente sind damit in diesem Fall getrennte Einheiten, wobei die Aufschlagelemente z.B. aus hydraulischen Schlagkolben bestehen können. Es ist jedoch möglich, dass die Aufschlagelemente und die Stempel durchgängige Einheiten sind. Dies kann besonders dann zutreffen, wenn der Schlag von oben ausgeführt wird, wobei das Aufschlagelement, z.B. ein hydraulischer Kolben, mit dem Stempel verbunden ist, der von oben auf eine Pressform niedergeschlagen wird. Der Stempel ist in diesem Fall eine Verlängerung der Kolbenstange des Schlagkolbens. Der selbe Zustand kann prinzipiell auch in dem Fall erhalten werden, wenn die Aufschlagmaschine auch einen unteren Stempel umfasst, der z.B. über einen unteren Stempelhalter mit einem unteren Aufschlagelement vereint sein kann, das auch aus einem Kolben bestehen kann. Gemäß dieser Modifikation findet die Beschleunigung der Stempel während des Schlags vorzugsweise innerhalb des Durchgangslochs in dem mindestens einen weiteren Werkzeugteil statt, das vorzugsweise eine Pressform ist, die die Höhlung beinhaltet, in der die Formarbeit stattfindet.
  • Durch Anwenden einer sehr hohen Aufschlagseinwirkung beim abschließenden Formungsvorgang durch einen einzelnen, sehr kraftvollen Schlag auf das Arbeitsmaterial aus einer Richtung oder aus zwei entgegengesetzten Richtungen wird ein Druck erzeugt, der eine sehr kurze Dauer hat, aber so hoch ist, dass das Arbeitsmaterial plastifiziert wird und die Formhöhlung ausfüllt, so dass das Material zu allen Teilen der Formhöhlung vermutlich aufgrund geringerer Reibung deutlich effizienter ausfließt als in einem herkömmlichen Pressvorgang, der auf der Ausübung sehr hoher Kräfte beruht. Das Verfahren, welches ein Formen mit hoher, oder richtiger, hinreichender kinetischer Energie von beweglichen Werkzeugteilen beinhaltet, führt zu einer Plastifizierung des Materials und bewirkt damit möglicherweise auch das Auftreten der geringeren Reibung, was ermöglicht, dass das Material mit einer Geschwindigkeit plastisch geformt werden kann, die 10–100 mal höher als bei herkömmlichen Formungsverfahren sein kann.
  • Gemäß durchgeführten Messungen und Berechnungen hat der Druckpuls, der bei dem einzelnen Aufschlag erzeugt wird, eine Dauer von weniger als 0.001 sek, aber eine Größe, die im Bereich von 1–10 GPa liegt. Typischerweise liegt der Bereich bei 1.5–5 GPa. Wegen des hohen Drucks und der durch den hohen Druck verursachten Plastifizierung wird vermutlich auch die niedrige Reibung zwischen dem Arbeitsmaterial und den Wänden der Formhöhlung sowie zwischen den Pulverkörnern erreicht, wenn das Arbeitsmaterial aus einem Pulver besteht (kann bei der Herstellung des Zwischenprodukts angewendet werden), was dazu beiträgt oder eine Voraussetzung für die Fähigkeit des Arbeitsmaterial ist, auszufließen und alle Teile der Formhöhlung auszufüllen.
  • Das Ausgangsmaterial für die Herstellung des Zwischenprodukts ist entweder ein keramisches Pulver oder ein Metallpulver oder eine homogene Keramik oder eine Metallplatte, die auf herkömmliche Weise hergestellt werden kann, z.B. durch Ausstanzen aus einer größeren Platte, oder durch Verdichten und Sintern eines Pulvers, oder auf irgendeine andere Weise, die Pulververfahren für das Erreichen einer homogenen Platte mit gleichmäßiger Dicke einbezieht. Zumindest wenn man mit einer homogenen Platte beginnt, kann das Herstellen des Zwischenprodukts darauf zielen, Material zu den äußeren Rändern der Platte zu pressen. Unabhängig davon, welches Verfahren genutzt wird, ist das Ziel der Herstellung des Zwischenprodukts, ein Zwischenprodukt bereitzustellen, in dem eine maßgebliche Materialmenge am richtigen Ort vorhanden ist, d.h. im Bereich des Felds/der Felder bzw. der Randabschnitte, wenn der abschließende Formvorgang durchgeführt wird, wenn die Platte zwischen den gravierten Formwerkzeugteilen unter einem sehr hohen Druck mit sehr kurzer Dauer wie oben beschrieben geformt wird, so dass die Platte das Hochrelief-Muster im Bereich des mittleren Felds erhält, d.h. mit Rillen und Zungen geformt wird, wenn es sich um die Herstellung von Brennstoffzellenplatten handelt. Wenn das Material bei dem abschließenden Formvorgang zum Fliessen gebracht wird, weil es unter sehr hohem Druck plastifiziert, dann kann auch die Porosität beseitigt werden, die möglicherweise in dem Zwischenprodukt vorhanden ist, wenn man mit einem Pulver beginnt, so dass eine Dichte erreicht wird, die ausreichend für die Funktion der Platte z.B. in einer Brennstoffzelle ist. Als Alternative kann die Porosität beseitigt werden, indem die fertig geformte Platte in einem darauffolgenden Vorgang gesintert wird. Gemäß noch einer weiteren Alternative wird die Porosität schon im Zwischenprodukt beseitigt, indem das Zwischenprodukt gesintert wird, d.h. indem es auf eine geeignete Temperatur erhitzt wird, um die bestehenden Poren im Material zu verschmelzen, bevor die Platte dem abschließenden Formvorgang unterworfen wird. Es kann auch eine Kombination dieser Alternativen erdacht werden.
  • In Verbindung mit der Herstellung des Zwischenprodukts kann ein Rohling pulvermetallurgisch gefertigt werden, der wie oben erwähnt, durch erhitzen entsprechend gesintert wird, so dass sich die Pulverkörner verbinden, um einen im wesentlichen verfestigten Körper zu bilden, der für das darauffolgende abschließende Formen geeignet ist, indem die gravierten Werkzeugteile mit so hoher kinetischer Energie gegeneinander gebracht werden, dass das Material wie vorstehend erwähnt plastifiziert. Es ist auch denkbar, das Zwischenprodukt durch das Pressen von Pulver in einem Werkzeug herzustellen, was mindestens einen Stempel umfasst, der mit hoher kinetischer Energie gegen das Pulver gestoßen wird, wobei die kinetische Energie so hoch ist und zu einem so hohen Grad auf das Pulver übertragen wird, dass das Pulver zu einem so hohen Grad plastifizieren wird, dass das Zwischenprodukt ausreichend verfestigt wird, um als ein Zwischenprodukt für den abschließenden Formungsvorgang verwendet zu werden. Es ist auch denkbar, einen Rohling oder einen verfestigten Körper durch Pressen in einer Vielzahl von Schritten zu bilden.
  • Um das Vorverdichten des Pulvers zu einem gut vereinigten oder verfestigten Körper in Verbindung mit der Herstellung des Zwischenprodukts ausgehend von einem Metallpulver zu vereinfachen, kann es vorteilhaft sein, das Pulver vor dem Pressvorgang bzw. den Pressvorgängen auf mindestens 70°C vorzuwärmen. Dies trifft besonders dann zu, wenn das Metall aus einem Leichtmetall besteht, vorzugsweise aus einem der Metalle, die zu der Gruppe gehören, welche aus Aluminium, Magnesium und Titan besteht, oder aus einer Legierung, die im wesentlichen aus einem oder mehreren dieser Metalle besteht. Typischerweise werden Brennstoffzellenplatten aus solchen Metallen hergestellt. Für die Herstellung von Platten aus anderen Metallen, wie Messing oder Stahl, einschließlich Edelstahl, sollte das Ausgangsmaterial, egal ob es ein Pulver oder eine homogene Platte ist, auf eine höhere Temperatur vorgewärmt werden.
  • Das Zwischenprodukt kann auch aus einer homogenen Metallplatte durch herkömmliche Bearbeitung hergestellt werden, wie zum Beispiel durch Fräsen oder Schleifen, um zu erreichen, dass der erste Abschnitt/die ersten Abschnitte eine dünnere Dicke als die Randabschnitte hat/haben, d.h. um die „richtige Materialmenge am richtigen Ort" für das darauffolgende abschließende Formen mittels hoher kinetischer Energie sicherzustellen, wenn das Hochrelief-Muster hergestellt wird.
  • In Verbindung mit dem Formvorgang/den Formvorgängen, die Bewegungen von Werkzeugteilen relativ zu einander mit hinreichend hoher kinetischer Energie umfassen, können untere Werkzeugteile auf einem Amboss bereitgestellt werden, der feststehend oder während des Formvorgangs nach oben bewegbar ist, während obere Werkzeugteile, die beschleunigt werden, um eine hinreichend hohe kinetische Energie zu erhalten, nach unten gegen das/die untere(n) Werkzeugteil(e) gestoßen werden, wobei Vorrichtungen vorzugsweise dafür bereitgestellt sind, um die Stoßwelle, die sich ansonsten in der verwendeten Aufschlagmaschine entwickelt, zu dämpfen oder auszulöschen. Beispielsweise kann jede der Aufschlagmaschinen verwendet werden, die in den Schwedischen Patentanmeldungen 0001558-6, 0001660-2, 00020305 und/oder 0003279-7, welche von demselben Anmelder angemeldet wurden, beschrieben sind. Diese Maschinen sind besonders gut für das abschließende Formen von Brennstoffzellenplatten und Wärmetauscherplatten geeignet, wobei sie sogenanntes Formen mit hoher kinetischer Energie umfassen, können aber auch vorteilhaft für die Herstellung des Zwischenprodukts verwendet werden, auch in dem Fall, dass die Herstellung Formen von der Art und Weise umfasst, bei der die Zuführung einer angemessenen kinetischen Energie für die Erzeugung eines Druckpulses angewendet wird, der eine sehr kurze Dauer, aber eine sehr große Stärke hat.
  • Es ist auch denkbar, dass das Gravieren auf den Seiten der Metallplatte mittels gesonderter Werkzeugteile in Verbindung mit dem Formen des Zwischenprodukts aus dem Pulver ausgeführt wird, ebenso wie in Verbindung mit dem abschließenden Formen der Hochrelief-gemusterten Platten. Beispielsweise können ein mittlerer Stempel und ein erster Kolben, die möglicherweise durchgängig sind, für das/die mittlere(n) Felder) verwendet werden, welches Hochrelief-gemustert sein soll, und/oder ein oder mehrere umlaufende Stempel und ein oder mehrere zweite Kolben, die auch möglicherweise durchgängig sind, können verwendet werden, um den umlaufenden, rahmenförmigen Randabschnitt zu formen. Dieses Prinzip bietet die Gelegenheit, die meiste kinetische Energie an den Bereich abzugeben, in dem die Anforderungen hinsichtlich guten Fließverhaltens am höchsten sind, d.h. an das/die mittlere(n) Feld(er), die Hochrelief-gemustert sein sollen.
  • In Aufschlagmaschinen wird ein Verfahren angewendet, das oft als Hochgeschwindigkeitsformen bezeichnet wird, da hohe Kolbengeschwindigkeiten in Aufschlagmaschinen im allgemeinen als Voraussetzung für das Erreichen von gewünschten Ergebnissen, was die Formarbeit betrifft, betrachtet wurden. Hohe Geschwindigkeiten der beweglichen Einheiten können jedoch eine Erschwerung mit sich bringen, wenn die Maschine nach dem Gegenschlagprinzip arbeitet, d.h. mit Einheiten, die sich während des Aufschlagvorgangs aufeinander zu bewegen. Die Erschwerung liegt in der Tatsache, dass die Bewegungen der Einheiten, die gegeneinander bewegbar sind, mit großer Genauigkeit hinsichtlich Geschwindigkeit (Impuls) und Ort synchronisiert und abgestimmt sein müssen, damit der Schlag gleichzeitig mit richtigem Impuls der sich gegeneinander bewegenden Massen durchgeführt wird, was zunehmend schwieriger wird, je höher die Geschwindigkeiten der sich bewegenden Teile sind.
  • Ein Aspekt der Erfindung beruht auf der Überlegung, dass die Geschwindigkeiten der bewegbaren Einheiten in den Aufschlagmaschinen, die sich während des Aufschlagvorgangs gegeneinander bewegen, überhaupt nicht so groß sein müssen, wie es aus der Sicht des Stands der Technik als notwendig betrachtet wurde. Ebenso wenig sollten die kinetischen Energien entsprechend groß sein müssen, d.h. eine geringere Geschwindigkeit muss nicht unbedingt durch entsprechend größere bewegbare Massen ausgeglichen werden. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung kann daher die Geschwindigkeit der Kolben im Bereich von 5–10 Meter pro Sekunde verringert werden auf die Größenordnung von 1 Meter pro Sek., oder allgemeiner auf 0.5–2 Meter pro Sekunde.
  • Die niedrigeren Geschwindigkeiten verbessern damit die Möglichkeit, die Bewegungen der bewegbaren Einheiten während des Aufschlagvorgangs zu synchronisieren. Auch wenn die Geschwindigkeiten grundlegend verringert sind, kann die Formarbeit dennoch perfekt sein, egal ob das Arbeitsmaterial ein Pulver oder ein Festkörper ist. Ohne die Erfindung mit irgendeiner bestimmten Theorie zu verbinden kann angenommen werden, dass dies aufgrund der guten Synchronisation der gegengerichteten Bewegungen der Fall ist, was wiederum zur Folge hat, dass die kinetische Energie der bewegbaren Massen im wesentlichen als effektive Formarbeit mit geringen Energieverlusten an das Maschinenfundament und den Ständer verwendet werden kann.
  • Ein weiterer günstiger Effekt bei den niedrigeren Geschwindigkeiten der Einheiten, die gegeneinander bewegbar sind, ist, dass die Kolbenwege verkürzt werden können. Das macht es möglich, die Aufschlagvorrichtungen/Kolben und die Stempel so auszulegen, dass sie durchgängige Einheiten bilden, wie oben erwähnt. Die Stempel können in diesem Fall in die oberen bzw. unteren Öffnungen der Pressform in der Ausgangsstellung für einen Aufschlagvorgang eingefügt sein, selbst wenn die Stempel mit den Aufschlagvorrichtungen/Kolben oder entsprechendem vereint sind, wobei die Kolbenwege, d.h. die Beschleunigungslängen, kürzer als die axiale Länge der Formhöhlung der Pressform sein werden.
  • Es versteht sich daher, dass die Ausdrücke „hohe kinetische Energie" oder „sehr hohe kinetische Energie" relative Begriffe sind und so ausgelegt werden sollen, dass sie hinreichende kinetische Energie für das Erreichen des Effekts hinsichtlich der Formarbeit bedeuten, der im vorangehenden erwähnt wurde und in der folgenden, ausführlichen Beschreibung der Erfindung genauer beschrieben wird.
  • Weitere charakteristische Eigenschaften und Aspekte der Erfindung sowie Vorteile werden aus den angefügten Patenansprüchen und aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform ersichtlich werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • In der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform einer Erfindung wird Bezug auf die beigefügte Zeichnung genommen, die schematisch die Herstellung einer Brennstoffzelle veranschaulicht, wobei
  • 1 schematisch die Werkzeugteile für die Herstellung eines Zwischenprodukts zeigt,
  • 2 einen Teil von 1 vergrößert zeigt,
  • 3 die Werkzeugteile für die Herstellung des Endprodukts zeigt,
  • 4 einen Teil von 3 vergrößert zeigt,
  • 5 die prinzipielle Form des Zwischenprodukts in einem Querschnitt zeigt, und
  • 6 die prinzipielle Form des Endprodukts, einer Metallplatte für Brennstoffzellen, im Querschnitt zeigt.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Mit Bezug auf zunächst 5 und 6 wird ein Zwischenprodukt mit 1 bezeichnet und schematisch im Querschnitt gezeigt, und eine Metallplatte für Brennstoffzellen wird mit 2 bezeichnet. Die Platte 2, die im wesentlichen quadratisch ist, besteht aus einem mittleren Feld 3, das den Hauptteil der Plattenoberfläche einnimmt, und Randabschnitten 4, die breit im Vergleich zur Dicke der Platte sind und das ganze Feld 3 als einen Rahmen umgeben. Die Randabschnitte 4 weisen flache breite Oberflächen 5, 6 auf. Die Außenseiten werden mit 7 bezeichnet. Das mittlere Feld 3 gemäß der Ausführungsform ist auf beiden Seiten Hochrelief-gemustert (auch einseitiges Hochrelief-bemustern kann in manchen Fällen in Frage kommen) und zeigt abwechselnd Zungen 8 und Rillen 9. Die Zungen und Rillen 8, 9 auf der oberen Seite gemäß der Ausführungsform sind rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zu den Zungen und Rillen auf der Unterseite. Zwischen den Rillen 9, d.h. zwischen den beiden Seiten der Platte, befindet sich ein dünnes Netz 10. Die Spitzen der Zungen 8 gemäß der Ausführungsform sind auf einer Höhe mit den breiten Oberflächen 5, 6 der Randabschnitte.
  • Das Zwischenprodukt 1 besteht aus einem mittleren, ersten Abschnitt 11, der in dem fertigen Produkt das Hochrelief-gemusterte Feld 3 bilden soll, und aus um diesen ersten Abschnitt 11 umlaufenden Abschnitten 12, die die umlaufenden Abschnitte oder den Rahmen 4 der fertigen Platte 2 bilden sollen.
  • Das Ziel der Herstellung des Zwischenprodukt 1 ist es, ein verfestigtes und im wesentlichen homogenes Zwischenprodukt zu formen, dessen mittlerer Abschnitt 11 die Metallmenge beinhaltet, die das Hochrelief-gemusterte mittlere Feld 3 des fertigen Produkts 2 bilden soll. Möglicherweise kann ein sehr kleiner Überschuss an Metall in dem mittleren Abschnitt 1 zugelassen werden, der gemäß der Ausführungsform völlig flach ist. Auch die Seitenabschnitte 12 des Zwischenprodukts 1 sollen die Metallmenge beinhalten, die in den äußeren Abschnitten 4 des Endprodukts 2 vorhanden sein sollen. Ein gewisser Überschuss an Metall in den Abschnitten 12 kann zugelassen werden, wenn das abschließende Formen des Produkts 2 so durchgeführt wird, dass bewirkt wird, dass der Überschuss ausfließen kann, um einen „Grat" oder entsprechendes zu bilden, der in einem Entgratungsvorgang (skegging) nach dem beendeten Pressformen entfernt werden kann.
  • Die in 1 und 2 gezeigten Werkzeugteile können für die Herstellung des Zwischenprodukts 1 verwendet werden. Die drei Formwerkzeugteile bestehen aus einem Gegenstempel 20, einem Stempel 21 und einer Pressform 22. Die letztere ist im Querschnitt gezeigt. Die Pressform umschließt den oberen Teil des Gegenstempels 20 dicht und dient außerdem als Führung für den Stempel 21 während des Betriebs des Stempels. Die einander gegenüberliegenden Oberflächen des Gegenstempels 21 und des Stempels 20 können gleiche Gravuren 23 haben, die so ausgelegt sind, dass die beiden breiten Seiten des Zwischenprodukts deckungsgleiche Nachbildungen der Gravuren 23 sind. Dies bedeutet anders gesagt, dass der Gegenstempel 20 und der Stempel 21 einen flachen mittleren Abschnitt 24 haben können, um den mittleren Abschnitt 11 des Zwischenprodukts zu bilden, und eine umlaufende Vertiefung 25, um den Rahmen 12 des Zwischenprodukts 1 zu bilden.
  • Wenn das Zwischenprodukt 1 hergestellt werden soll, wird eine exakt abgemessene Menge von Metall- und/oder keramischem Pulver in den Zwischenraum 26 gefüllt, der durch die Pressform 22 und den Gegenstempel 20 bestimmt ist, wobei der Gegenstempel 20 in dem Zwischenraum einen Boden bildet und die Pressform 22 eine Wand bildet. Alternativ kann eine flache Platte als Ausgangsmaterial für die Herstellung des Zwischenprodukts 1 verwendet werden. Auch eine solche Platte soll die selbe Materialmenge wie im erwünschten Zwischenprodukt 1 enthalten und hat vorzugsweise eine äußere Form, die der Form der Pressform 22 entspricht. Egal, ob Pulver oder Festkörper als Ausgangsmaterial verwendet wird, kann es geeignet sein, dieses vor dem Formvorgang vorzuwärmen, wie in der anfänglichen Offenbarung der Erfindung erwähnt wurde.
  • Der Gegenstempel 20 und die Pressform 22 werden in einem nicht gezeigten Werkzeuggehäuse bereitgestellt, welches auf einem beweglichen oder festen Amboss untergebracht ist. Der Stempel 21 wird so weit in das Loch in der Pressform 22 abgesenkt, dass er das Pulver bzw. die homogene Platte berührt. Im Fall eines Pulvers wird der Stempel 21 mit einiger Kraft gegen das Pulver gedrückt, so dass die Pulverkörner einem leichten Druck ausgesetzt sind, damit sie sich für das Erzielen einer gewissen dichten Packung des Pulverbetts in der Formhöhlung ausrichten, welche durch die beiden Gravuren 23 und die Pressform 22 festgelegt ist. Dann wird ein Kolben, d.h. ein Schlagkolben in einer Aufschlagmaschine, mit sehr hoher kinetischer Energie gegen die obere Seite des Stempels 21 gestoßen, geeigneterweise über einen Aufschlagkörper, der an dem Stempel aufliegt und die Aufschlagenergie des Kolbens auf den Stempel überträgt. Die sehr hohe Aufschlagenergie wird auf das Pulver in der Formhöhlung übertragen, so dass die Pulverkörner plastifizieren und das plastifizierte Pulver in wenigen Mikrosekunden einen verfestigten Körper bildet, der die erwünschte Form des Zwischenprodukts 1 hat. Während dieses Formens mit hoher kinetischer Energie kann ein gewisser Fluss des während des Aufschlags plastifizierten Materials zwischen den Abschnitten 11 und 12 auftreten.
  • Der Stempel 21 wird dann wieder angehoben, und das gebildete Zwischenprodukt 1 wird aus der Pressform 22 gedrückt, geeigneterweise durch eine relative Bewegung zwischen der Pressform 22 und dem Gegenstempel 20.
  • Für den Fall, dass das Gegenschlagprinzip angewendet wird, gemäß der Offenbarung irgendeiner der schwedischen Patentanmeldungen 0001558-6 oder 00020305, wobei der Gegenstempel 20 nach oben in die Pressform gestoßen wird synchron dazu, dass der Stempel 21 nach unten gestoßen wird, und mit der gleichen Stoßkraft der beweglichen Teile, wird die Formarbeit insofern effektiver erbracht, dass die kinetischen Energien zu einem höheren Grad auf das zu formende Produkt übertragen werden als in dem Fall, wenn der Gegenstempel 20 unbeweglich ist. In diesem Fall müssen die Geschwindigkeiten nicht so groß sein, wie wenn nur der Stempel einem Aufschlagvorgang unterworfen wird. Bei Verwendung des Gegenschlagprinzips werden die beweglichen Teile daher beschleunigt, um eine hinreichende kinetische Energie zu erhalten, die nicht notwendigerweise extrem hoch sein muss.
  • Um sicherzustellen, dass das Zwischenprodukt 1 vollständig verfestigt ist, sollte es vor dem abschließenden Formen des Endprodukts 2 gesintert werden. Dies ist besonders wichtig, wenn das Zwischenprodukt nicht durch die Zuführung einer sehr hohen kinetischen Energie geformt wird, was einen Druckpuls großer Stärke und kurzer Dauer erzeugt, sondern durch ein eher herkömmliches Pressformen, was eine kleinere Kraft an einen Rohling liefert.
  • Die Formwerkzeugteile zum Formen der fertigen Platte 2 sind auf die gleiche Weise ausgelegt wie die Werkzeugteile zur Herstellung des Zwischenprodukts 1 und umfassen einen Gegenstempel 30, einen Stempel 31 und eine Pressform 32, wobei der Gegenstempel 30 und der Stempel 31 Gravuren 33 haben, die deckungsgleich mit den breiten Seiten des fertigen Produkts 1 sind. Damit weist zum Beispiel die Gravur des Gegenstempels 30 einen mittleren Abschnitt 34 mit Vorsprüngen auf, die die Rillen 9 des Hochrelief-Musters des mittleren Felds 3 der fertigen Metallplatte 3 bilden sollen, wobei die Rillen einen oder mehrere Kanäle bzw. Durchgänge in der Platte bilden sollen, und Vertiefungen, die die Zungen 8 zwischen den Vertiefungen/Kanälen 9 bilden sollen. Um diesen profilierten mittleren Abschnitt 35 herum befindet sich ein umlaufender Abschnitt 35, der flach und auf gleicher Höhe mit dem Boden der Vertiefungen des mittleren Abschnitts 34 ist, so dass die beiden flachen Seiten 5, 6 des umlaufenden Randabschnitts 4 auf gleicher Höhe mit den Spitzen der Zungen 8 der fertigen Platte 2 sind.
  • Das Zwischenprodukt 1 wird auf dem Gegenstempel 30 in dem Zwischenraum 36 in der Pressform 32 platziert. Der Stempel 31 wird abgesenkt, um auf dem Zwischenprodukt 1 aufzuliegen. Möglicherweise wird das Zwischenprodukt 1 vorgewärmt, bevor ein Aufschlagelement mit einer sehr hohen kinetischen Energie gegen die Oberseite des Stempels 31 gestoßen wird. Die Aufschlagenergie wird auf das Zwischenprodukt 1 übertragen, welches plastifiziert wird. Das Material in dem mittleren Abschnitt 11 fließt aus, um die Zungen 8 und Rillen 9 zu bilden, d.h. die Hochrelief-Prägung des Bereichs des mittleren Felds 3. Gleichzeitig werden auch die Randabschnitte 4 in ihre endgültige Form gebracht, und wenn es nötig ist, werden Poren in dem Material beseitigt, so dass die fertige Platte 3 sehr dicht ist. Während dieses abschließenden Formvorgangs findet kein wesentlicher Materialtransport zwischen dem mittleren Abschnitt 11 und den Randabschnitten 12 statt. Es kann zugelassen werden, dass jeder mögliche Materialüberschuss in den Randabschnitten 12, 5, über die von der Pressform 32 gebildeten Endseiten 7 ausfließt, welche mit nicht gezeigten Aussparungen für solchen minimalen Metallfluss versehen sein kann. Der „Grat", der damit in sehr kleinem Ausmaß gebildet werden kann, kann in einem abschließenden Entgratungsvorgang (skegging) entfernt werden, wenn die geformte Platte 2 aus dem Werkzeug ausgestoßen wurde. Auch in Verbindung mit diesem abschließenden Formvorgang kann das vorstehend erwähnte Gegenschlagprinzip angewendet werden, d.h. dass der Stempel 31 und der Gegenstempel 30 gleichzeitig mit gleicher Stoßkraft gegeneinander gestoßen werden, wobei die Geschwindigkeiten der beweglichen Werkzeugteile nicht so groß sein müssen, wie wenn der Stempel 31 gegen eine unbewegliche Gegen-Pressform gestoßen wird, jedoch hinreichend sein müssen, um das erwünschte Plastifizieren des Zwischenprodukts zu erreichen, so dass das Material in dem mittleren Abschnitt 11 ausfließt, um die Zungen 8 und Rillen 9 zu bilden, d.h. das Hochrelief-Muster im Bereich des mittleren Felds 3.

Claims (20)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Platte (2) aus Metall oder aus einem Keramik-Material, wobei die Platte ein oder mehrere Felder (3) umfasst, welche den Großteil der Oberfläche der Platte einnehmen, und welche auf mindestens einer Seite der Platte Hochrelief-bemustert ist, genauer so bemustert, dass die Platte auf der mindestens einen Seite in dem Bereich des Felds oder der Felder Reliefs mit abwechselnd hohen Vorsprüngen und tiefen Tälern (9) oder Vertiefungen (8) aufweist, und zwischen den Seiten ein dünnes Netz (10), wobei das Hochrelief-bemusterte Feld oder die Felder zumindest teilweise von breiten Randabschnitten (4) begrenzt werden, die eine Dicke aufweisen, die größer ist als die mittlere Dicke der Platte in dem Bereich des Hochrelief-bemusterten Felds oder der Felder, dadurch gekennzeichnet, – dass in mindestens einem vorbereitenden Schritt ein Zwischenprodukt (1) hergestellt wird, wobei das Zwischenprodukt einen ersten Abschnitt (11) umfasst, welcher das/die Hochrelief-bemusterte(n) Feld(er) bilden soll, welche(s) jedoch noch nicht Hochrelief-bemustert ist/sind, aber eine Menge an Material enthalten/enthält, die im Wesentlichen der Menge an Material entspricht, die in den/dem Feld(ern) der fertig gestellten Platte vorhanden ist, und zweite Abschnitte (12), welche die Randabschnitte bilden sollen und welche im Wesentlichen die Menge an Material enthalten, die in diesen Abschnitten der fertig gestellten Platte vorhanden sein sollen; – dass das Zwischenprodukt zwischen mindestens zwei gravierten Formwerkzeugteilen (30, 31) platziert wird, welche in Bezug aufeinander beweglich sind, wobei mindestens eines der Formwerkzeugteile Hochrelief-graviert ist, und mindestens eines ein Stempel (31) ist, wobei die Formwerkzeugteile, wenn sie maximal zusammengebracht werden, zwischen sich und/oder zusammen mit mindestens einem oder mehreren Werkzeugteilen einen Formhohlraum bilden, welcher der endgültigen Form der fertig gestellten Platte in den Bereichen des/der Hochrelief-bemusterten Felds/Felder, und zumindest nahezu der endgültigen Form der Randabschnitte entspricht; und – dass das Hochreliefmuster in dem/den Bereich(en) des/der Felds/Felder erhalten wird, indem die gravierten Werkzeugteile gegeneinander geschlagen werden, wobei mindestens der Stempel gegen das Zwischenprodukt geschlagen wird, wobei das Material in den Bereichen des mindestens einen Abschnitts dazu gebracht wird, zu fließen und den Formhohlraum zu füllen, um das Hochreliefmuster im Wesentlichen ohne Transport des Materials zwischen dem ersten und den zweiten Abschnitten zu erhalten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Verbindung mit der Herstellung des Hochreliefmusters ein Schlagelement gegen mindestens den Stempel geschlagen wird, der Schlagenergie auf das Zwischenprodukt überträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Zwischenprodukts Pulvertechnologieherstellung eines Rohlings beinhaltet, der durch Erhitzen gesintert wird, so dass sich die Pulverkörner verbinden, um einen im Wesentlichen verfestigten Körper zu bilden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverkörner des Ausgangsmaterials in Verbindung mit der Herstellung des Rohlings mechanisch miteinander verbunden werden.
  5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Zwischenprodukts durch Pressen von Pulver in einem Werkzeug ausgeführt wird, welches mindestens einen Stempel umfasst, der einem Schlagvorgang unterworfen wird, so dass kinetische Energie in einem solchen Maß über den Stempel auf das Pulver übertragen wird, dass bewirkt wird, dass sich das Pulver plastifiziert.
  6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass Herstellung des Zwischenprodukts durch Pressen von Pulver in einem Werkzeug ausgeführt wird, welches mindestens einen Stempel umfasst, der mit einem so hohen Druck gegen das Pulver gepresst wird, dass das Pulver plastifiziert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Herstellung des Zwischenprodukts durch Pressen von Pulver in einem Werkzeug ausgeführt wird, welches mindestens einen Stempel umfasst, der mit einem so hohen Druck gegen das Pulver gedrückt wird, dass die Pulverkörner plastifizieren, um einen im Wesentlichen verfestigten Körper zu bilden.
  8. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 3–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilden des Zwischenprodukts in der Form eines Rohlings oder eines verfestigten Körpers in einer Vielzahl von Schritten ausgeführt wird.
  9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 3–8, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver auf mindestens 70°C vorerhitzt wird, bevor das Zwischenprodukt in einem oder mehreren Vorgängen gebildet wird.
  10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass in Verbindung mit der Herstellung des Zwischenprodukts ein erster gravierter Werkzeugteil, welcher ein unterer Werkzeugteil ist, stationär ist und einen Gegenstempel bildet, und dass ein zweiter gravierter Werkzeugteil, der ein Stempel ist, gegen den Gegenstempel geschlagen oder gepresst wird, der das Pulver enthält, welches das Zwischenprodukt bilden soll.
  11. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass in Verbindung mit der Herstellung des Zwischenprodukts die zwei Werkzeugteile, die in Bezug aufeinander beweglich sind, gegeneinander geschlagen oder gepresst werden, eines davon von oben und nach unten, und das andere von unten und nach oben, in Bezug auf die Umgebung.
  12. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Zwischenprodukts in einem Formwerkzeug ausgeführt wird, das mit soviel Material beladen ist, dass sein Nettovolumen mindestens dem Volumen des Raums eines Formhohlraums für das endgültige Bilden der Platte entspricht, dass das Zwischenprodukt dann durch einen oder mehrere Schlagvorgänge gebildet wird, wobei jegliches überschüssige Material in dem ersten oder den zweiten Abschnitten zu dem Abschnitt oder den Abschnitten gepresst wird, wo ein Defizit an Material zum Erhalten des Zwischenprodukts besteht, wobei mindestens der erste Abschnitt eine Menge an Material enthält, die im Wesentlichen der Menge an Material des Hochrelief-bemusterten Felds der endgültig gebildeten Platte entspricht.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenprodukt durch plastisches Bearbeiten einer flachen Platte hergestellt wird, welche mindestens die Menge an Material enthält, die in der fertig gestellten Platte enthalten sein soll, und dass in Verbindung mit dem plastischen Bearbeiten Material dazu gebracht wird, aus dem mindestens einen ersten Abschnitt, welches das Hochrelief-bemusterte Feld bilden soll, zu den zweiten Abschnitten zu fließen, welche die Randabschnitte bilden sollen, so dass die verbleibende Menge an Material in dem Bereich des mindestens einen ersten Abschnitts im Wesentlichen der Menge in dem Hochrelief-bemusterten Feld der fertig gestellten Platte entspricht, und so dass die sich ergebende Menge an Material in dem Bereich der zweiten Abschnitte mindestens die Menge enthalten wird, die in diesen Abschnitten des fertig gestellten Produkts enthalten sein sollen.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenprodukt durch spanabhebendes Bearbeiten einer Platte in mindestens dem ersten Abschnitt, der das Hochrelief-bemusterte Feld bilden soll, hergestellt wird, so dass der Abschnitt im Wesentlichen die Menge an Material enthalten wird, welche der Menge in dem Feld/den Feldern der fertig gestellten Platte entspricht.
  15. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Randabschnitte in dem Raum des Formhohlraums aus dem Material in den zweiten Abschnitten gebildet werden, wobei gleichzeitig das Hochreliefmuster gebildet wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass überschüssiges Material in den zweiten Abschnitten des Zwischenprodukts aus dem Formhohlraum in eine Teilungsebene zwischen den Werkzeugteilen oder in bestimmte Ausdehnräume gepresst wird, während das Hochreliefmuster und die Randabschnitte gebildet werden, und dass das Material, welches ausgepresst worden ist, dann durch Skegging der erhaltenen Platte entfernt wird.
  17. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1–16, dadurch gekennzeichnet, dass in Verbindung mit dem Bilden des Hochreliefmusters ein unterer gravierter Werkzeugteil, welcher das Zwischenprodukt enthält und einen Gegenstempel bildet, auf einem Amboss platziert wird, und dass ein oberer Werkzeugteil, der ein Prägestempel ist, gegen den Gegenstempel geschlagen wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit, die aus dem Amboss und einem Werkzeug besteht, welches den Gegenstempel enthält, beweglich ist und dazu gebracht wird, sich nach oben zu bewegen, während gleichzeitig der Stempel nach unten geschlagen wird, wobei die Massen und Geschwindigkeiten der Einheiten, die von oberhalb und von unterhalb beweglich sind, so beschaffen sind, dass deren Momente, d.h. die Produkte von Masse multipliziert mit der Geschwindigkeit im Wesentlichen gleich sind, wenn sich die beweglichen Einheiten treffen.
  19. Verfahren nach irgendeinem der vorherigen Ansprüche 1–18, dadurch gekennzeichnet, dass die endgültig geformte Platte in einem nachfolgenden Vorgang zur Beseitigung von jeglichen verbleibenden Poren in dem Material auf eine Sintertemperatur erhitzt wird.
  20. Verfahren nach irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material hauptsächlich aus irgendeinem der folgenden Materialien besteht: Graphit oder einem anderen Keramik-Material, rostfreiem Stahl, Titan, Aluminium, Magnesium, oder einem anderen Leichtmetall, oder aus einer Kombination von zwei oder mehr dieser Materialien.
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