(57)【要約】【課題】金属マトリックス材料と添加剤の均一な混合物を簡単な態様で製造する。【解決手段】金属マトリックス材料と添加剤（Ｖ）の混合物（Ｗ）の製造方法において、金属バルク材料（Ｓ）は多軸スクリュー機（１）におけるその加熱ゾーン（２５）内で誘導加熱装置（３９）によって溶融され金属マトリックス材料を形成する。多軸スクリュー機（１）のハウジング（３）の少なくとも１つのハウジング部分（６）は少なくとも部分的に加熱ゾーン（２５）において非磁性、非導電性材料で作成されているので、金属バルク材料（Ｓ）を溶融するための高エネルギー、効率的エネルギー入力が簡単な態様で達成可能である。混合物（Ｗ）を製造する添加剤（Ｖ）は多軸スクリュー機（１）の処理エレメントシャフト（１４）によって金属マトリックス材料に混合される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多軸スクリュー機（１）を提供する工程を含み、前記多軸スクリュー機（１）は、
搬送方向（４）に連続して配置される複数の相互接続されるハウジング部分（５〜９）を含むハウジング（３）と、
ハウジング（３）に形成される複数のハウジングボア（１１、１２）と、
ハウジングボア（１１、１２）に通じる少なくとも１つの供給開口（２２、２２、６６）と、
ハウジングボア（１１、１２）内に回転駆動可能態様で配置される複数の処理エレメントシャフト（１３、１４）と、
加熱ゾーン（２５）を形成して構成される誘導加熱装置（３９）とを有し、
加熱ゾーン（２５）内の少なくとも１つのハウジング部分（６）は少なくとも部分的に非磁性、非導電性材料（Ｍ４）で作成され、
誘導加熱装置（３９）は処理エレメントシャフト（１３、１４）を取り囲み、内部空間（５０）を形成する少なくとも１つのコイル（４０）を備え、
少なくとも１つのハウジング部分（６）は内部空間（５０）において非磁性、非導電性の材料（Ｍ４）のみで作成され、
処理エレメントシャフト（１３、１４）は少なくとも加熱ゾーン（２５）において導電性材料（Ｍ３）で構成され、前記多軸スクリュー機（１）は、
少なくとも１つのコイル（４０）で発生した熱損失を消滅させるように構成される冷却装置（４２）を有し、
金属バルク材料（Ｓ）及び添加剤（Ｖ）を少なくとも１つの供給開口（２２、６６）を介してハウジングボア（１１、１２）に供給する工程と、
金属バルク材料（Ｓ）を誘導加熱装置（３９）によって溶融して金属マトリックス材料（Ｓ´）を得る工程と、
処理エレメントシャフト（１３、１４）によって金属マトリックス材料（Ｓ´）及び添加剤（Ｖ）の混合物（Ｗ）を製造する工程とを含むことを特徴とする金属マトリックス材料及び添加剤の混合物の製造方法。
【請求項２】
金属バルク材料（Ｓ）は誘導加熱装置（３９）を用いて直接加熱されることを特徴とする請求項１記載の金属マトリックス材料及び添加剤の混合物の製造方法。
【請求項３】
処理エレメントシャフト（１３、１４）は誘導加熱装置（３９）を用いて加熱され、金属バルク材（Ｓ）は処理エレメントシャフト（１３、１４）によって間接的に加熱されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の金属マトリックス材料及び添加剤の混合物の製造方法。
【請求項４】
処理エレメントシャフト（１３、１４）は金属バルク材料（Ｓ）の供給に先立って、誘導加熱装置（３９）を用いて加熱されることを特徴とする請求項３記載の金属マトリックス材料及び添加剤の混合物の製造方法。
【請求項５】
少なくとも１つのハウジング部分（６）は少なくとも部分的に加熱ゾーン（２５）においてハウジングボア（１１、１２）を形成する内側スリーブ（４５）を備え、
内側スリーブ（４５）は非磁性、非導電性の材料（Ｍ４）で作成されることを特徴とする請求項１乃至請求項４何れか１項記載の金属マトリックス材料及び添加剤の混合物の製造方法。
【請求項６】
金属バルク材料（Ｓ）及び／又は添加剤（Ｖ）は不活性ガス雰囲気中で供給されることを特徴とする請求項１乃至請求項５何れか１項記載の金属マトリックス材料及び添加剤の混合物の製造方法。
【請求項７】
金属バルク材料（Ｓ）及び添加剤（Ｖ）は加熱ゾーン（２５）の上流、特に共通の供給開口（２２）を介して供給されることを特徴とする請求項１乃至請求項６何れか１項記載の金属マトリックス材料及び添加剤の混合物の製造方法。
【請求項８】
金属バルク材料（Ｓ）は加熱ゾーン（２５）の上流の第１の供給開口（２２）を介して供給され、添加物（Ｖ）は加熱ゾーン（２５）の下流の第２の供給開口（６６）を介して供給されることを特徴とする請求項１乃至請求項７いずれか１項記載の金属マトリックス材料及び添加剤の混合物の製造方法。
【請求項９】
金属バルク材料（Ｓ）及び／又は添加剤（Ｖ）は少なくとも１つの供給装置（２、７６）によって供給されることを特徴とする請求項１乃至請求項８何れか１項記載の金属マトリックス材料及び添加剤の混合物の製造方法。
【請求項１０】
交番磁場を発生させるために、誘導加熱装置（３９）は周波数ｆで動作可能であり、周波数ｆは１ｋＨｚ＜ｆ≦５０ｋＨｚ、特に５ｋＨｚ≦ｆ≦４５ｋＨｚ、特に１０ｋＨｚ≦ｆ≦４０ｋＨｚのようなものであることを特徴とする請求項１乃至請求項９何れか１項記載の金属マトリックス材料及び添加剤の混合物の製造方法。
【請求項１１】
多軸スクリュー機（１）を備え、前記多軸スクリュー機（１）は、
搬送方向（４）に連続して配置される複数の相互接続されるハウジング部分（５〜９）を含むハウジング（３）と、
ハウジング（３）に形成される複数のハウジングボア（１１、１２）と、
ハウジングボア（１１、１２）に通じる少なくとも１つの供給開口（２２、６６）と、
ハウジングボア（１１、１２）内で回転駆動可能に配置された複数の処理エレメントシャフト（１３、１４）と、
加熱ゾーン（２５）を形成するように構成される誘導加熱装置（３９）とを有し、
加熱ゾーン（２５）内の少なくとも１つのハウジング部分（６）は少なくとも部分的に非磁性、非導電性材料（Ｍ４）で作成され、
誘導加熱装置（３９）は処理エレメントシャフト（１３、１４）を取り囲み、内部空間（５０）を形成する少なくとも１つのコイル（４０）を備え、
少なくとも１つのハウジング部分（６）は内部空間（５０）において非磁性、非導電性の材料（Ｍ４）のみで作成され、
処理エレメントシャフト（１３、１４）は少なくとも加熱ゾーン（２５）において導電性材料（Ｍ３）で構成され、前記多軸スクリュー機（１）は、
少なくとも１つのコイル（４０）で発生した熱損失を消滅させるように構成される冷却装置（４２）を有し、
金属バルク材料（Ｓ）及び添加剤（Ｖ）を少なくとも１つの供給開口（２２、６６）を介してハウジングボア（１１、１２）に供給するように構成される少なくとも１つの供給装置（２、７６）を備えることを特徴とする金属マトリックス材料及び添加剤の混合物の製造装置。
【請求項１２】
少なくとも１つのハウジング部分（６）は少なくとも部分的に加熱ゾーン（２５）のハウジングボア（１１、１２）を形成する内側スリーブ（４５）を備え、
内側スリーブ（４５）は非磁性、非導電性の材料（Ｍ４）で作成されていることを特徴とする請求項１１記載の金属マトリックス材料及び添加剤の混合物の製造装置。
【請求項１３】
少なくとも１つのハウジング部分（６）は少なくとも１つの外側部分（４４）及び１つの内側スリーブ（４５）を備え、
少なくとも１つの外側部分（４４）は特に誘導加熱装置（３９）の少なくとも１つのコイル（４０）の内側空間（５０）の外側に配置され、
内側スリーブ（４５）は少なくとも１つの外側部分（４４）に対して支持されていることを特徴とする請求項１１又は請求項１２記載の金属マトリックス材料及び添加剤の混合物の製造装置。
【請求項１４】
少なくとも１つの供給装置（２、７６）は重量測定投与ユニット（６３）及び／又は供給スクリュー機（６５）を備えることを特徴とする請求項１１乃至請求項１３何れか１項記載の金属マトリックス材料及び添加剤の混合物の製造装置。
【請求項１５】
誘導加熱装置（３９）は周波数ｆを設定可能な周波数変換器を有するエネルギー供給装置（４１）を備え、周波数ｆは１ｋＨｚ＜ｆ≦５０ｋＨｚ、特に５ｋＨｚ≦ｆ≦４５ｋＨｚ、特に１０ｋＨｚ≦ｆ≦４０ｋＨｚのようなものであることを特徴とする請求項１１乃至請求項１４何れか１項記載の金属マトリックス材料及び添加剤の混合物の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属マトリックス材料及び添加剤の混合物を製造する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合材料の製造方法は、特許文献１〔ＤＥ １０ ２００５ ０５２ ４７０ Ｂ３（ＵＳ ２００８／０２５４５９４ Ａ１に対応）〕から知られている。押出機内に配置された複数のストリップヒータによって、金属粒形物が少なくとも部分的に溶融されて金属マトリックス相、即ち金属マトリックス材料が押出機内に供給される。投予スクリューによって、補強粒形物が材料マトリックス相に添加される。複合材料を製造するために、次に補強粒形物が押出機によって金属マトリックス相に混合される。金属粒形物を少なくとも部分的に溶融させて金属マトリックス相を形成させ、その後補強粒形物を混合するプロセスはきわめて念入りに仕上げられる。特に、これを実施するための機械要求は極めて複雑であって、金属粒形物を溶融し補強粒形物を混合するために押出機を比較的長くする必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】DE 10 2005 052 470 B3（=US2008/0254594 A1）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、金属マトリックス材料及び添加剤の均一な混合物を簡単な態様で製造する方法を提供することを目的とする（第１の目的）。
【０００５】
また、本発明は、金属マトリックス材料及び添加剤の均質な混合物を簡単な態様で製造することを可能にする装置を提供することを目的とする（第２の目的）。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この第１の目的は、請求項１に記載された特長を有する方法によって本発明にしたがって達成される。誘導加熱装置によって、金属バルク材料は少なくとも部分的に溶融されて金属マトリックス材料、換言すれば金属マトリックス相を簡単かつ効率的な方法で形成する。金属バルク材料又は金属マトリックス材料への効率的なエネルギー入力を確実にするために、加熱ゾーン内の少なくとも１つのハウジング部分は少なくとも部分的に非磁性で非導電性である電磁的に透明な材料からなる。明瞭化のために、加熱ゾーン内の少なくとも１つのハウジング部分は、以後、加熱ゾーンハウジング部分とも称される。電磁的に透明な材料は誘導加熱装置と相互作用しない。特に、この材料は強磁性ではない。好ましくは、複数の加熱ゾーンハウジング部分、特に全ての加熱ゾーンハウジング部分は少なくとも部分的に非磁性で非導電性の材料で作られる。高エネルギー、効率的エネルギー入力に因り、多軸スクリュー機は比較的短くすることができ、製造設備の複雑さを大幅に軽減することができる。誘導加熱装置にしたがう高エネルギー、効率的エネルギー入力に因り、多軸スクリュー機に作用する機械的力及び結果として生じる摩耗は大幅に低減することができる。したがって、製造設備の複雑さが大幅に低減される。高エネルギー、効率的エネルギー入力は金属バルク材料が実質的に完全に溶融することを保証し、したがって添加剤を簡単な態様で均一に混合することを可能にする。添加剤は、特に補強材及び／又は充填材である。
【０００７】
誘導加熱装置は処理エレメントシャフトを囲み、内部空間を形成する少なくとも１つのコイルを有し、少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分は内部空間内において非磁性で非導電性材料のみで構成される。これは、バルク材料を溶融するための高エネルギー、効率的エネルギー入力を保証する。好ましくは、内部空間に配置された少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分の材料は酸化物セラミック繊維強化複合材料などのセラミック及び／又は繊維強化材料である。酸化物セラミックス繊維強化複合材は、電磁波透過性、電気・熱絶縁性、延性及び非脆性破壊挙動、高抗張力・曲げ剛性、耐酸化性・耐食性、１３００℃以上の高温までの高温安定性、耐熱衝撃性などの金属及びセラミックスの優れた特性を組みわせている。少なくとも１つのコイルの交番磁場は低エネルギー入力のみを内部空間の外側の導電性構成エレメントに供給するので、内部空間の外側に配置される少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分の領域は導電性材料で作成することができる。別法として、内部空間の外側に配置された少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分の領域は非磁性で非導電性の材料で作ることもできる。少なくとも１つのコイルのコイル軸又は長手方向中心軸は処理エレメントシャフトの回転軸線に向かって同方向に整列される。理想的には、少なくとも１つのコイルの長手方向中心軸は処理エレメントシャフトの回転軸線に平行である。少なくとも１つのコイルはヘルムホルツコイルの態様に配置され、処置エレメントシャフトはコアを形成する。したがって、交番磁場の磁力線は内部空間及び処置エレメントシャフトに集中しているので、処置エレメントシャフトへの高エネルギー入力が簡単な態様で可能である。搬送方向における加熱ゾーンの長さは少なくとも１つのコイルの長さ及び／又はコイルの数によって調整可能である。少なくとも１つのコイルの長さは巻線の数及び／又は間隔によって調整可能である。少なくとも１つのコイルはオーミック損失によって加熱される。少なくとも１つのコイルで発生した熱損失は冷却装置によって消滅される。冷却装置は、特に水冷装置として構成されている。したがって、少なくとも１つのコイルは高出力で動作させることができる。好ましくは、少なくとも１つのコイルは、冷却剤を流すことができる別個の冷却ダクトを形成する。冷却剤は特に水である。少なくとも１つのコイルが配置され、少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分によって全体的に囲まれた収容空間も冷却ダクトとして使用することができる。オーミック損失を避けるために、少なくとも１つのコイルは、特にアルミニウム又は銅で作成される。
【０００８】
金属バルク材料は、好ましくは少なくとも１つの軽金属又は少なくとも１つの軽金属合金で作られる。軽金属又は軽金属合金は、特に２０℃で最大５ｇ／ｃｍ３の密度を有する。軽金属は、特にマグネシウム又はアルミニウムである。添加剤は、特に補強粒形物及び／又は強化繊維の形態で構成されている。
【０００９】
少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分の非磁性及び非導電性材料は、特にセラミック材料及び／又は繊維強化材料のような非金属材料である。処理エレメントシャフトの導電性材料は、特に金属材料、例えばスチールである。
【００１０】
好ましくは、多軸スクリュー機は二軸スクリュー機として構成される。処理エレメントシャフトは、特に同じ方向に回転するように駆動可能である。処理エレメントシャフトは、好ましくは密接に噛合する対として構成されている。好ましくは、処理エレメントシャフトは、複数の処理エレメントが搬送方向に見て連続的に非回転的に配置されるシャフトをそれぞれ備えている。処理エレメントは、例えばスクリューエレメント及び／又は混練エレメントとして構成されている。それぞれの混練エレメントは単一の混練ディスクとすることができるし、複数の相互に連結された混練ディスクからなる単一の混練ブロックとすることもできる。
【００１１】
好ましくは、多軸スクリュー機は金属バルク材料又は金属マトリックス材料の温度を測定するための温度測定センサを有し、誘導加熱装置は測定温度に応じて制御装置によって制御される。温度測定センサによって測定された温度は測定された温度に応じて誘導加熱装置の電力を調整することを可能にする。例えば、制御装置は測定された温度を溶融に必要な所望の公称温度と比較し、必要に応じて誘導加熱装置の電力を変更する。制御装置は、特に誘導加熱装置を動作させるために使用される交流電圧及び／又は交流電流の周波数ｆ及び／又は振幅を調節する。例えば、誘導加熱装置は周波数変換器を含むエネルギー供給装置を備えている。
【００１２】
請求項２に記載の方法は、金属バルク材料への高エネルギー、効率的エネルギー入力を保証する。誘導加熱装置によって生成された交番磁場は渦電流を金属バルク材料もしあれば金属マトリックス材料中に誘導し、これによって渦電流損失を惹起して、特にヒステリシス損失とともに金属バルク材料もしあれば金属マトリックス材料の直接的な温度上昇を引き起こす。したがって、金属バルク材料及び金属マトリックス材料は導電性及び／又は磁性である。それに反して、交番磁場は少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分の非磁性及び非導電性材料と相互作用しないので、少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分への望ましくないエネルギー入力が効果的に防止される。
【００１３】
請求項３に記載の方法は、金属バルク材料への高エネルギー、効率的エネルギー入力を保証する。誘導加熱装置によって生成され、処理エレメントシャフトと相互作用する交番磁場は渦電流を処理エレメントシャフトに誘導させ、これらの渦電流は渦電流損失を発生して、特にヒステリシス損失とともに、処理エレメントシャフトの直接的な温度上昇を引き起こす。処理エレメントシャフトは金属バルク材料及び金属マトリックス材料に対してその広い表面積にわたって密接して包囲されており、その結果金属バルク材料及び金属マトリックス材料は処理エレメントシャフトによって間接的に加熱される。導電性材料は、特に鉄及び強磁性である。それに反して、交番磁場は少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分の非磁性及び非導電性材料と相互作用しないので、その結果少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分への望ましくないエネルギー入力が効果的に防止される。
【００１４】
請求項４に記載の方法は、金属バルク材料を溶融させる簡単な態様を提供する。処理エレメントシャフトは誘導加熱装置を用いて予熱されるので、金属バルク材料が処理エレメントシャフトに接触するとき、金属バルク材料にエネルギーが即座に入力され、金属バルク材料を簡単かつ迅速に溶融する。
【００１５】
請求項５に記載の方法は、金属バルク材料を溶融するための高エネルギー、効率的エネルギー入力を保証する簡単な態様を提供する。内側スリーブは少なくとも１つのコイルの内側空間に配置され、交番磁場と相互作用しないので、内側スリーブへのエネルギー入力を防止する。特に、組み合わされる加熱ゾーンハウジング部分の内側スリーブのみが内側空間に配置される。好ましくは、内側スリーブは少なくとも１つのコイルが配置される収容空間の少なくとも一部を形成する。少なくとも１つのコイルを収容空間に配置することにより、コイルが少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分によって保護されることを保証する。
【００１６】
請求項６に記載の方法は、軽金属又は軽金属合金を使用して混合物を製造する簡単な態様を提供する。不活性ガス雰囲気は、望ましくない危険な化学反応を防止する。
【００１７】
請求項７に記載の方法は、均質な混合物を製造する簡単な態様を提供する。金属バルク材料は誘導加熱装置によって迅速に加熱されるので、添加剤を加熱ゾーンの上流に事前に供給することができる。これにより、製造設備の複雑さが軽減される。金属バルク材料及び添加剤は、共通の供給開口を介して又は加熱ゾーンの上流の別個の供給開口によって供給することができる。
【００１８】
請求項８に記載の方法は、均質な混合物を製造する簡単で信頼できる態様を提供する。添加剤を加熱ゾーンの下流に供給することにより、添加剤を事前に溶融された金属マトリックス材料に簡単に混合することができる。
【００１９】
請求項９に記載の方法は、所望の混合物を製造する簡単で柔軟な態様を提供する。金属バルク材料及び添加剤は、加熱ゾーンの上流に配置された共通の供給装置を介して又は加熱ゾーンの上流に配置された別個の供給装置を介して供給することができ、又は金属バルク材料は加熱ゾーンの上流に配置された別個の供給装置によって供給され、一方添加剤は加熱ゾーンの下流に配置された別個の供給装置によって供給される。金属バルク材料用の供給装置は、特に重量測定投与ユニットを備えている。添加剤用の供給装置は、重量測定投与ユニット及び／又は投与／供給スクリューを備えている。
【００２０】
請求項１０に記載の方法は、金属バルク材料を溶融する高エネルギー、効率的エネルギー入力を保証する簡単な態様を提供する。誘導加熱装置は交番磁場を生成する周波数ｆで動作可能であり、周波数ｆは１ｋＨｚ＜ｆ≦５０ｋＨｚ、特に５ｋＨｚ≦ｆ≦４５ｋＨｚ、特に１０ｋＨｚ≦ｆ≦４０ｋＨｚのようなものである。誘導加熱装置が此の第１の周波数範囲の周波数ｆで動作する場合、これは金属バルク材料及び／又は処理エレメントシャフトへの高エネルギー入力を確実にする有効な態様を提供する。少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分は非磁性で非導電性材料で作られているので、少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分へのエネルギー入力が効果的に防止される。これに代えて又はこれに加えて、誘導加熱装置は第２の周波数範囲における周波数ｆで動作させることができ、周波数ｆは１４０ｋＨｚ≦ｆ≦３６０ｋＨｚ、特に１５０ｋＨｚ≦ｆ≦３５０ｋＨｚ、特に１６０ｋＨｚ≦ｆ≦３４０ｋＨｚのようなものである。誘導加熱装置を２つの周波数範囲で動作させることにより、例えば金属バルク材料及び／又は処理エレメントシャフト内の様々な浸透深さで励磁又は温度上昇を可能にする。誘導加熱装置は、第１の周波数範囲及び第２の周波数範囲で好ましくは交互に動作作される。これは高エネルギー入力を保証する効率的な態様法を提供する。誘導加熱装置のエネルギー供給装置は、特に周波数ｆ及び／又は交流電圧及び／又は交流電流の振幅を調整することを可能にする周波数変換器を備えている。
【００２１】
本発明は、金属マトリックス材料及び添加剤の均質な混合物を簡単な態様で製造することを可能にする装置を提供することを目的とする（上述の第２の目的）。
【００２２】
この第２の目的は、請求項１１に記載された特長を有する装置によって達成される。本発明にしたがう装置の利点は、既に上述した本発明にしたがう方法の利点と同じである。特に、本発明にしたがう装置は本発明にしたがう方法の特長を用いてさらに発展させることができ、その逆も可能である。
【００２３】
請求項１２に記載の装置は、金属バルク材料を溶融させる高エネルギー、効率的エネルギー入力を確保する簡単な態様を提供する。内側スリーブは誘導加熱装置の少なくとも１つのコイルの内部空間に配置される。好ましくは、組み合わされる少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分の内側スリーブのみが少なくとも１つのコイルの内側空間に配置される。
【００２４】
請求項１３に記載の装置は均一な混合物を製造する簡単な態様を提供する。内側空間の内側に配置された内側スリーブはその内側スリーブの機械的安定性が保証される態様で少なくとも１つの外側部分に支持される。内側スリーブは好ましくは少なくとも１つの外側部分に両端で支持される。機械的安定性を高めるために、内側スリーブは少なくとも１つの外側部分に対してその端部の間で付加的に支持することができる。少なくとも１つの外側部分は、例えば外側ジャケットとして構成される。内側スリーブは、回転軸線に沿って少なくとも２つの支持位置、特に少なくとも３つの支持位置、特に少なくとも４つの支持位置で外側部分に対して支持される。
【００２５】
請求項１４に記載の装置は、均一な混合物を製造する簡単な態様を提供する。この装置は金属バルク材料及び添加剤を供給する共通の供給装置を有することができる。さらに、この装置は金属バルク材料を供給する第１の供給装置と、添加剤を供給する第２の供給装置とを有することができる。金属バルク材料を供給する供給装置は特に重量測定投与ユニットを備えている。添加剤を供給するための供給ユニットは特に重量測定供給ユニット及び／又は供給スクリューをさらに備えている。好ましくは、少なくとも１つの供給装置は、金属バルク材料及び／又は添加剤を不活性ガス雰囲気中で供給するそれぞれの不活性ガス供給開口を有する。
【００２６】
請求項１５に記載の装置は、金属バルク材料を簡単な態様で溶融する高エネルギー、効率的エネルギー入力を保証する。誘導加熱装置は、特にこの第１の周波数範囲及び第２の周波数範囲の周波数で動作し、第２の周波数範囲の周波数ｆは、１４０ｋＨｚ≦ｆ≦３６０ｋＨｚ、特に１５０ｋＨｚ≦ｆ≦３５０ｋＨｚ、特に１６０ｋＨｚ≦ｆ≦３４０ｋＨｚのようなものである。誘導加熱装置は、第１の周波数範囲及び第２の周波数範囲で好ましくは交互に動作される。
【００２７】
本発明の他の特徴、利点及び詳細は、幾つかの実施例について以下の説明から図面を参照すれば明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、第１の実施例にしたがう金属マトリックス材料及び添加剤の混合物を製造する装置の部分断面図を示す。
【図２】図２は、図１における装置の多軸スクリュー機の誘導加熱装置の領域における拡大図を示す。
【図３】図３は、図１における装置の多軸スクリュー機の部分断面平面図を示す。
【図４】図４は、図２におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った多軸スクリュー機の断面図である。
【図５】図５は、第２の実施例にしたがう金属マトリックス材料及び添加剤の混合物を製造する装置の部分断面図を示す。
【図６】図６は、図５における装置の多軸スクリュー機の誘導加熱装置の領域における拡大図である。
【図７】図７は、図５における装置の多軸スクリュー機の部分断面平面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の第１の実施例について図１〜図４を参照して説明する。図１に示す装置は、多軸スクリュー機１及び金属バルク材料Ｓ及び添加剤Ｖを供給する供給装置２を備えている。スクリュー機１は複数のハウジング部分５〜９（ハウジングユニットとも称する）で作られるハウジング３を有し、金属バルク材料Ｓの搬送方向４に沿って連続して配置されている。複数のハウジング部分５〜９は、その端部に配置されるフランジ１０を介して互いに連結されてハウジング３を形成する態様とされている。
【００３０】
ハウジング３において、２つのハウジングボア１１、１２が形成されており、これらのボアは互いに平行であり、断面で見たときに水平８字形状を有するように相互に貫通している。ハウジングボア１１、１２において、組み合わされる回転軸線１６、１７の周りを駆動モータ１５によって回転可能に駆動される２つの処理エレメントシャフト１３、１４がハウジングボアと同心円状に配置されている。処理エレメントシャフト１３、１４は同じ方向、即ち同じ回転方向１８、１９で回転軸線１６、１７の周りに駆動される。駆動モータ１５及び処理エレメントシャフト１３、１４の間には、カップリング２０及び分岐ギアユニット２１が配置されている。
【００３１】
分岐ギアユニット２１に隣接する第１のハウジング部分５において、金属バルク材料Ｓ及び添加物Ｖがハウジングボア１１、１２に供給可能な供給開口２２が形成されている。供給開口２２を通って供給するために、第１のハウジング部分５にはホッパ２３が配置されている。
【００３２】
スクリュー機１は、入口ゾーン２４、加熱ゾーン２５、均質化ゾーン均質化２６及び圧力増強ゾーン２７を有して搬送方向４に連続して配置されている。最後のハウジング部分９において、ハウジング３は吐出口２９が設けられたノズルプレート２８によって閉塞されている。
【００３３】
処理エレメントシャフト１３、１４は、それにそれぞれ配設されるシャフト３０、３１及び処理エレメント３２〜３７又は３２´〜３７´によって形成されている。第１のシャフト３０に配置された処理エレメント３２〜３７と、第２のシャフト３１に配置された処理エレメント３２´〜３７´とは互いに対応しており、第２のシャフトシャフト３１に配置された処理エレメント３２´〜３７´の参照番号は´を付加し、第１のシャフト３０上に配置された処理エレメント３２〜３７と区別可能にしている。
【００３４】
処置エレメント３２〜３７及び３２´〜３７´は密接に噛合する対として構成され、言い換えれば互いに係合する。処理エレメントは、入口ゾーン２４及び加熱ゾーン２５においてスクリューエレメント３２、３２´及び３３、３３´として構成されている。その下流に配置された均質化ゾーン２６において、処理エレメントはスクリューエレメント３４、３４´及び混練エレメント３５、３６、３５´、３６´として構成されている。各混練エレメント３５、３６、３５´、３６´は混練ブロックとして構成されており、換言すれば各混練エレメントは一体に構成されている。混練エレメント３５、３６、３５´、３６´はそれぞれ複数の混練ディスク３８、３８´を有し、これらは相互に角度をなして配置され、互いに連結されている。圧力増強ゾーン２７において、処理エレメントは再びスクリューエレメント３７、３７´として構成されている。
【００３５】
処理エレメント３２〜３７、３２´〜３７´は組み合わされるシャフト３０、３１上に回転不可能に配置されている。この目的のために、シャフト３０、３１は外側輪郭Ａを有し、これは処置エレメント３２〜３７及び３２´〜３７´の対応する内側輪郭Ｉに係合する。
【００３６】
金属バルク材料Ｓを加熱ゾーン２５において溶融させるために、スクリュー機１は誘導加熱装置３９を有する。誘導加熱装置３９はコイル４０と、組み合わされるエネルギー供給装置４１と、冷却装置４２とを備える。
【００３７】
コイル４０はハウジング部分６に形成された収容空間４３内に配置されている。加熱ゾーン２５に位置するハウジング部分６は以下において加熱ゾーンハウジング部分とも称される。ハウジング部分６は外側部分４４を有し、外側部分内に内側スリーブ４５が配置される。外側部分４４は外側ジャケットとして構成されている。外側ジャケット４４及び内側スリーブ４５は収容空間４３を形成する。フランジ１０は外側ジャケット４４でハウジング部分６の端部に形成され、一方ハウジングボア１１、１２は搬送方向４に延在する第１の内側スリーブ部分４６内に形成される。第１の内側スリーブ部分４６の端部において、２つの内側スリーブ部分４７、４８が形成され回転軸線１６、１７を横断する方向に延びて、収容空間４３をその端部において密封する。好ましくは、内側スリーブ４５は第２の内側スリーブ部分４７、４８によって、例えば締まり嵌めによって外側ジャケット４４に固定される。
【００３８】
コイル４０は長手方向の中心軸線４９を有し、内部空間５０を形成する。長手方向中心軸線４９は回転軸線１６、１７に実質的に平行に延在し、このため処理エレメントシャフト１３、１４はコイル４０の内部空間５０を貫通して転動する。したがって、コイル４０は加熱ゾーン２５内の処理エレメントシャフト１３、１４を取り囲むことになる。
【００３９】
コイル４０は通常の態様で導体５１から成り、導体は巻回されてコイル４０を形成し複数の巻線を有している。導体５１はアルミニウムや銅のような良導電性の材料から成る。導体５１において、冷却剤ダクト５２が形成され、これは冷却装置４２の一部である。導体５１はコイル４０の端部で外側ジャケット４４内に形成された貫通開口５３、５４を介してコイル４０から導出される。ハウジング部分６の外側において、冷却剤ダクト５２は冷却剤ポンプ５６に接続され、これは冷却剤ダクト５２を通して冷却剤を給送するために設けられる。冷却剤ポンプ５６は冷却装置４２の一部である。好ましくは、水が冷却剤として使用される。
【００４０】
コイル４０はエネルギー供給装置４１に接続されており、これで調整可能な周波数ｆ及び／又は調整可能な振幅Ａで交流電圧ＵＳ及び／又は交流電流ＩＳをコイル４０に供給する。エネルギー供給装置４１は、特に周波数変換器である。エネルギー供給装置４１は、端子５５を介して、主電圧ＵＮを供給する主電源に接続されている。
【００４１】
金属バルク材料Ｓの溶融は、処理エレメント３２、３２´、３３、３３´によって行われる。処理エレメント３３、３３´は３層構造を有し、したがって簡単で効率的な温度上昇を保証する。内部トルク伝達層５７は絶縁層５８によって取り囲まれており、そして絶縁層５８は同様に外側発熱層５９によって取り囲まれている。それぞれの処理エレメント３３、３３´の絶縁層５８は、組み合わされる発熱層５９を組み合わされるトルク伝達層５７及び組み合わされるシャフト３０又は３１からそれぞれ熱絶縁する。この目的のために、それぞれの絶縁層５８はトルク伝達層５７の全周囲及び全長にわたって設けられている。したがって、それぞれの絶縁層５８は組み合わされる回転軸線１６又は１７をそれぞれ取り囲んでいる。それぞれの加熱層５９は処理エレメント３３又は３３´の表面を形成する。
【００４２】
層５７〜５９を形成するために、処理エレメント３３、３３´は金属セラミック複合材料で作成される。それぞれのトルク伝達層５７は第１の金属Ｍ１で作成され、それぞれの発熱層５９は第２の金属材料Ｍ３で作成され、その間に配置される絶縁層５８はセラミック材料Ｍ２で作成される。材料Ｍ１は例えばスチールが適切な機械的強度を有するためスチールである。これに対して、材料Ｍ２は熱的及び非伝導、非導電性で非磁性であり、換言すれば電磁気的に透明である。材料Ｍ３は鉄、例えばスチールであり、それで誘導加熱装置３９によって誘導された渦電流が渦電流損を発生させ、これにより加熱層５９を所望の加熱温度ＴＨに加熱することができる。さらに、誘導加熱装置３９の交番磁場は鉄材料Ｍ３内にヒステリシス損失を生じさせ、加熱層５９のさらなる温度上昇をもたらす。
【００４３】
内側スリーブ４５は電磁的に透明な材料Ｍ４で作成される。電磁的に透明な材料Ｍ４は非磁性で非導電性である。これは、誘導加熱装置３９の交番磁場によって生じる内側スリーブ４５の温度上昇を防止する。材料Ｍ４は好ましくはセラミック材料である。母材Ｍ４は、例えば酸化物セラミック繊維強化複合材である。酸化物セラミックス繊維強化複合材料は電磁波透過性、電気・熱絶縁性、延性及び非脆性破壊挙動、高抗張力・曲げ剛性、耐熱衝撃性、１３００℃以上の高温までの高温安定性などの金属の特性とセラミックスの特性を組み合わせている。
【００４４】
内部空間５０において、加熱ゾーンハウジング部分６は、非磁性で非導電性材料Ｍ４のみで作成される。内側空間５０に位置する内側スリーブ４５の部分は非磁性で非導電性の材料Ｍ４のみで作成される。
【００４５】
外側ジャケット４４がコイル４０の外側に配置されるので、小さい渦電流のみが交番磁場によって外側ジャケット４４に誘起される。したがって、外側ジャケット４４は金属材料Ｍ５で作成される。好ましくは、他のハウジング部分５、７〜９も同様に金属材料Ｍ５で作成される。金属材料Ｍ５は特にスチールである。代替的には、外側ジャケット４４は材料Ｍ４でも同様に作成することができる。これにより、外側ジャケット４４の温度上昇が実質的に完全に防止される。
【００４６】
金属バルク材料Ｓ又は金属マトリックス材料Ｓ´の温度ＴＫを測定するために、スクリュー機１は温度測定センサ６０を有する。温度測定センサ６０はハウジング部分７上で、例えば均質化ゾーン２６の開始部に配置されている。温度測定センサ６０は制御装置６１と信号通信して、スクリュー機１、特に誘導加熱装置３９を制御するために使用される。この目的のために、制御装置６１は、特にエネルギー供給装置４１及び冷却装置４２と信号通信する。制御装置は、特に測定された温度ＴＫに応答して誘導加熱装置３９を制御するために使用される。
【００４７】
さらに、スクリュー機１は冷却装置を有し、これはハウジング部分７及び８に形成された冷却ダクト６２を備えている。冷却ダクト６２は冷却剤を冷却ポンプ（図示せず）によって通常の態様で送給可能である。冷却剤は、特に水である。必要であれば、冷却ダクト６２はハウジング部分６の外側ジャケット４４に形成することもできる。
【００４８】
供給装置２は金属バルク材料Ｓ及び添加剤Ｖを供給開口２２を通して供給するために使用され、供給開口は搬送方向４に対して加熱ゾーン２５の上流に配置される。供給装置２は重量測定投与ユニット６３を備えている。重量測定投与ユニット６３は金属バルク材料Ｓ及び添加剤Ｖの混合物を投与供給するために使用される。さらに、供給装置２は不活性ガスＧを供給し不活性ガス雰囲気を作り出す不活性ガス供給口６４を備えている。不活性ガスＧは不活性ガス貯蔵装置から例えば不活性ガスコンベアを用いて供給することができる。
【００４９】
この装置の機能は以下の通りである。
【００５０】
供給開口２２を介して、金属バルク材料Ｓ及び添加剤Ｖの混合物が供給装置２によってスクリュー機１に供給される。スクリュー機１への供給は不活性ガス雰囲気中で行われる。この目的のために、不活性ガスＧは不活性ガス供給口６４を介して供給装置２に導入される。
【００５１】
重量測定投与ユニット６３によって、混合物は規定投与量でスクリュー機１に供給される。
【００５２】
処理エレメントシャフト１３、１４は、金属バルク材Ｓの供給に先立って、誘導加熱装置３９によって予熱される。この目的のために、処理エレメント３３、３３´は誘導加熱装置３９を用いて加熱される。次に、処理エレメント３３、３３´は入口ゾーンにおいて処理エレメント３２、３２´を加熱する。
【００５３】
供給後、混合物が入口ゾーン２４において処理エレメントシャフト１３、１４と接触するとき、金属バルク材料Ｓは処理エレメントシャフト１３、１４及び処理エレメント３２、３２´によって間接的に加熱される。混合物は加熱ゾーン２５に搬送方向４に搬送される。加熱ゾーン２５において、金属バルク材料Ｓは誘導加熱装置３９によって直接、処理エレメントシャフト１３、１４及び加熱された処理エレメント３３、３３´によって間接的に加熱される。遅くとも加熱ゾーン２５において、金属バルク材料Ｓは少なくとも部分的に溶融されて金属マトリックス材料Ｓ´又は金属マトリックス相を形成する。
【００５４】
金属バルク材料Ｓを溶融させるために、誘導加熱装置３９は、エネルギー供給装置４１及びコイル４０によって交番電磁場を生成する。誘導加熱装置３９は特に周波数ｆで動作し、第１の周波数範囲における周波数ｆは１ｋＨｚ＜ｆ≦５０ｋＨｚ、特に５ｋＨｚ≦ｆ≦４５ｋＨｚ、特に１０ｋＨｚ≦ｆ≦４０ｋＨｚのようなものである。さらに、第２の周波数範囲における周波数は、１４０ｋＨｚ≦ｆ≦３６０ｋＨｚ、特に１５０ｋＨｚ≦ｆ≦３５０ｋＨｚ、特に１６０ｋＨｚ≦ｆ≦３４０ｋＨｚのようなものである。誘導加熱装置３９は第１の周波数範囲及び／又は第２の周波数範囲で動作する。好ましくは、誘導加熱装置３９は両方の周波数範囲で交互に動作し、その結果、交番磁場の様々な浸透深さが達成される。
【００５５】
交番磁場の磁場線Ｆが図２に示されている。磁場線Ｆの集中はコイル４０の内部空間５０において高く、そのためそこでは磁場強度は高い。さらに、処置エレメントシャフト１３、１４はコアの態様で作用する。交番磁場は加熱層５９に渦電流を誘導し、これらの渦電流はオーミック渦電流損失を生じさせる。また、交番磁場は発熱層５９にヒステリシス損失を発生させる。オーミック渦電流損失及びヒステリシス損失は発熱層５９の温度上昇を加熱温度ＴＨに変動する。加熱温度ＴＨは周波数ｆ及び／又は振幅Ａによって変化させることができる。処理エレメントシャフト１３、１４との密着により、金属バルク材Ｓは間接的に加熱される。
【００５６】
したがって、渦電流が金属バルク材料Ｓ及び金属マトリックス材料Ｓ´に誘起され、この渦電流はオーミック渦電流損失を生じさせる。さらに、交番磁場は金属バルク材料Ｓ又は金属マトリックス材料Ｓ´にヒステリシス損失を生じさせる。オーミック渦電流損失及びヒステリシス損失は金属バルク材料Ｓを加熱して溶融させ、溶融後に金属マトリックス材料Ｓ´のさらなる温度上昇をもたらす。温度上昇は周波数ｆ及び／又は振幅Ａによって変化させることができる。金属バルク材料Ｓ又は金属マトリックス材料Ｓ´は温度ＴＫまで加熱される。
【００５７】
内側スリーブ４５は、非磁性かつ非導電性である電磁的に透明な材料Ｍ４のみで作成されているので、交番磁場は内側スリーブ４５の温度上昇をもたらさない。したがって、誘導加熱装置３９によって供給されるエネルギーは金属製のバルク材Ｓに簡単かつ効率的に導入される。また、絶縁層５８は発熱層５９で発生した熱がシャフト３０、３１の方向に伝わることを防止する。温度ＴＫは温度測定センサ６０によって測定され、制御装置６１に伝送される。制御装置６１は温度ＴＫを所定の公称温度ＴＳと比較し、これは好ましくは金属バルク材料Ｓの溶融温度より高い。温度ＴＫが公称温度ＴＳよりも低い場合、制御装置６１は供給装置４１を制御して、振幅Ａ及び／又は周波数ｆを増加させる。逆に、温度ＴＫが高すぎると、振幅Ａ及び／又は周波数が減少する。大電流ＩＳがコイル４０の導体５１を流れるので、必要に応じて導体５１を冷却する必要がある。このために、冷却装置４２は冷却剤ポンプ５６によって冷却ダクトを通して冷却剤、特に水を供給する。
【００５８】
均質化ゾーン２６において、金属マトリックス材料Ｓ´及び添加剤Ｖが均質化されて混合物Ｗが形成される。必要であれば、ハウジング部分７、８は冷却ダクト６２を通って供給される冷却剤、特に水によって均質化ゾーン２６内で冷却される。圧力増強ゾーン２７において、混合物Ｗの圧力が増加する。次いで、混合物Ｗは排出開口２９を介して排出される。
【００５９】
金属バルク材料Ｓは粉末及び／又は粒状材料の形態で構成されている。好ましくは、金属バルク材料Ｓは軽金属又は軽金属合金である。軽金属は、例えばマグネシウム又はアルミニウムである。不活性ガス雰囲気は軽金属の望ましくない危険な化学反応を防止する。添加剤Ｖは、粒形物（パーティクル）及び／又は繊維の形態である。添加剤Ｖは、特に補強材料及び／又は充填剤である。添加剤Ｖは、例えば補強繊維の形態である。
【００６０】
エネルギーを誘導加熱装置３９によって金属バルク材Ｓ又は金属マトリックス材料Ｓ´に高エネルギー密度で直接導入することにより、温度ＴＫをこのレベルに正確に設定して維持することができるので、金属マトリックス材料Ｓ´は所望のチクソ性状態のままである。熱が金属バルク材料Ｓ又は金属マトリックス材料Ｓ´中で直接的に生成され及び／又は処理エレメントシャフト１３、１４から金属バルク材料Ｓ又は金属マトリックス材料Ｓに伝達されるので、従来技術とは異なり熱を外部から内部に伝導する必要がないことからスクリュー機１の断熱を簡単でコスト効率の良いデザインとなるように構成することができる。
【００６１】
スクリュー機１は金属バルク材料Ｓ又は金属マトリックス材料Ｓ´にエネルギーを簡単かつ効率的に導入することができるので、機械的エネルギー入力を大幅に低減することができ、その結果、スクリュー機１の機械的負荷及び磨耗が大幅に低減される。さらに、効率的なエネルギー投入によってスクリュー機１の省エネルギー動作が保証される。スクリュー機１の総出力に関して、誘導加熱装置３９は、特に１０％〜９０％、特に２０％〜８０％、特に７０％の３０％である。必要であれば、誘導加熱装置３９を複数の異なる周波数ｆで同時に動作させることもできる。これにより、金属バルク材料Ｓ及び処理エレメントシャフト１３、１４などの様々な距離に配置される領域を加熱することが可能になる。
【００６２】
処置エレメント３３、３３´は、例えば複合材料で作成される。複合材料は、特に焼結又はフレーム溶射によって製造される。この種の複合材料又は複合体の製造方法は知られている。
【００６３】
次に、本発明の第２の実施例について、以下図５〜図７によって説明する。第１の実施例とは対照的に、本装置は金属バルク材料Ｓを供給する第１の供給装置２と、添加物Ｖを供給する第２の供給装置７６とを有している。供給スクリュー機６５によって、添加物Ｖは加熱ゾーン２５の下流に配置される第２の供給開口６６を通ってハウジングボア１１、１２内に案内される。供給スクリュー機６５は２つのハウジングボア６８、６９が形成されるハウジング６７を有する。ハウジングボア６８、６９において、互いに緊密に噛合するように配置される２本のスクリューシャフト７０、７１が配置されている。スクリューシャフト７０、７１は駆動モータ７２及び分岐ギアユニット７３によって同じ回転方向に回転駆動される。不活性ガス供給開口７５を含む供給ライン７４がハウジングボア６８、６９に通じている。したがって、添加物Ｖは第２の供給装置７６によって加熱ゾーン２５の下流の金属マトリックス材料Ｓ´に供給される。供給スクリュー機６５は、好ましくはサイドローダとして構成され、換言すればスクリュー機１の側面に配置される。
【００６４】
第１の実施例とは異なり、加熱ゾーンハウジング部分６は端部が２つの外側部分４４に収納される内側スリーブ４５を有する。外側部分４４は内側空間５０の外側に配置される。さらに、外側部分４４はフランジ１０を形成するような板状のデザインを有している。外側部分４４は、それらの間に距離が設けられるようにねじ付きロッド７７によって互いに接続されている。さらに、ねじ付きロッド７７は外側部分４４と隣接するハウジング部分５〜７との間にねじ結合を提供する。したがって、収容空間４３は部分的に外側に開いている。ねじ付きロッド７７の間には、導体５１の貫通開口５３、５４が形成されている。
【００６５】
添加剤Ｖは不活性ガス雰囲気中で供給スクリュー機６５に供給され、スクリュー機６５によって、ハウジングボア１１、１２に配置される金属マトリックス材料Ｓ´に導入される。均質化ゾーン２６において、混合物Ｗは上述の態様で生成される。第２の実施例の構造及び機能に関してさらに詳細なことは第１の実施例の説明で見出すことができる。
【００６６】
実施例の特長は任意に組み合わせて使用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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