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Die
vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren, bei dem Bauteile aus
mindestens zwei verschiedenen Materialien durch thermisches Spritzen hergestellt
werden, sowie diese Bauteile.
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Die
individuelle Änderung der Eigenschaften verschiedener Materialien
bei einer Änderung der Temperatur wird in einer Vielzahl
von technischen Anwendungen ausgenutzt. So führt die unterschiedliche
thermische Längenausdehnung von zwei miteinander verbundenen
Metallen zu einer mechanischen Verformung, die z. B. in den sogenannten
Bimetallschaltern ausgenutzt wird.
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Andere
Werkstoffkombinationen können nach einer mechanischen Verformung
durch Erwärmung wieder in ihre ursprüngliche Form
gebracht werden. Durch Aufeinanderschichten von Materialien unterschiedlicher
Wärmeleitfähigkeit ergibt sich ein Körper,
der längs der Schichten als Wärmeleiter und quer
zu den Schichten als Isolator dient.
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Die Änderung
des elektrischen Widerstands mit der Temperatur wird in Widerstandsthermometern
genutzt. Die Thermokraft führt zu einem Stromfluss, wenn
zwei unterschiedliche Metalle einen geschlossenen Stromkreis bilden
und die beiden Kontaktstellen unterschiedliche Temperaturen aufweisen.
Dieser Effekt wird in Thermoelementen zur Temperaturmessung oder
in Umkehrung des Effektes in Peltier-Elementen zur Kühlung
genützt.
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In
der Mikroelektronik werden durch dotieren von Silizium auch bereits
Körper erzeugt, die diese Effekte ausnutzen und hauptsächlich
in der Sensorik eingesetzt werden.
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Im
makrotechnischen Maßstab erweist sich der Aufbau derartiger
Bauteile jedoch insbesondere dann als schwierig wenn sehr unterschiedliche
Materialien wie z. B. Aluminium oder Kupfer und Stahl miteinander
verbunden werden sollen, wobei sich gerade mit diesen Kombinationen
hochinteressante thermische Eigenschaften erzielen lassen. Mechanische Verfahren
scheitern dabei daran, dass entweder keine ausreichende Verbindung
zustande kommt oder Zusatzwerkstoffe wie Kleber oder Lote verwendet werden,
die die gewünschten Eigenschaften negativ beeinflussen.
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In
Frage kommen noch aufbauende Verfahren, wie das direkte und indirekte
Lasersintern im Pulverbett, das Elektronenstrahlsintern sowie das Auftragsschweißen.
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Das
Indirekte Selektive Lasersintern ist ein Derivat des Selektiven
Lasersinterns, bei dem die Energie des zum Einsatz kommenden Laserstrahls ein
Anschmelzen des, ein jedes metallische Pulverkorn umhüllenden,
polymeren Binders und damit das Entstehen eines sogenannten »grünen« Bauteils
bewirkt. In sequentiell nachgeschalteten Prozessschritten wird die
Bauteilfestigkeit gesteigert, der polymere Binder entfernt und die
dadurch entstehende Porosität durch Infiltration eines
niedrigschmelzenden metallischen Werkstoffs gesenkt. Gerade letzterer
Prozessschritt bewirkt jedoch bei den Bauteilen thermische Eigenschaften,
die weitestgehend denen des infiltrierten Metalls entsprechen.
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Das
Direkte Selektive Lasersintern unterscheidet sich vom Indirekten
Selektiven Lasersintern durch den Einsatz energiereicherer Laserstrahlen, die
nicht einen polymeren Binder, sondern das metallische Pulver selbst
anschmelzen oder aufschmelzen. Die Einschränkung dieses
Verfahrens liegt ebenso wie beim Laserauftragsschweißen
darin, dass keine Materialkombinationen wie z. B. Aluminium und
Stahl verarbeitet werden können.
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DE 2 044 249 A beschreibt
einen Verbundwerkstoff oder -element, bestehend aus mindestens zwei
Komponenten, von denen die eine innerhalb der anderen angeordnet
ist, wobei der Grenzflächenverbund im wesentlichen auf
der gesamten Berührungsfläche zwischen den Komponenten
derart beschaffen ist, dass seine lokale Scherfestigkeit mit zunehmender
Zugspannung in dem Werkstoff oder Element abnimmt.
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Die
DE 10 2005 001 367
A1 betrifft ein Bauteil mit einer Hybridstruktur. Desweiteren
wird ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils
beschrieben.
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DE 10 2005 020 907
A1 offenbart eine Hohlstruktur aus faserverstärktem
Kunststoff mit Lasteinleitungselementen zur Einleitung, Aufnahme
und zur Lagerung von Kräften und/oder von Momenten, wobei
der faserverstärkte Kunststoff an die Innenkonturen der
Lasteinleitungselemente angeordnet ist.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil und ein Verfahren
zur Herstellung eines derartigen Bauteils bereitzustellen, das obige
Probleme ausräumt.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch ein Bauteil gelöst, welches aus mindestens
zwei verschiedenen Materialien durch thermisches Spritzen hergestellt
ist, wobei das Bauteil durch die Materialkombination und deren räumliche
Verteilung im Bauteil vorbestimmte Eigenschaften, insbesondere mechanische
Verformbarkeit, Längenausdehnung oder Wärmefluss
aufweist. Hierdurch wird ein Bauteil geschaffen, das durch die Verwendung
unterschiedlicher Materialien oder Materialmischungen spezifische
Charakteristika, wie etwa eine Geometrieveränderung innerhalb
des Bauteils, z. B. zur Regelung eines Kühlkanals, aufweist.
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Nach
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung weist das Bauteil innere Kavitäten auf, welche
etwa als Kühlkanal wirken. Durch die spezielle Material-
oder Materialmischungsauswahl im Bauteil lassen sich durch adäquates
Ansteuern der spezifisch gewählten Materialien oder Materialmischungen
etwa Verengungen oder Erweiterungen des Kühlkanals oder
ein Schalteffekt zwischen zwei Kühlkanälen oder
Kavitäten erzielen.
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Vorzugsweise
ist mindestens eines der verwendeten Materialien elektrisch nicht
leitfähig und/oder mindestens eines der verwendeten Materialien
magnetisierbar.
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Vorteilhafterweise
kann das Bauteil ein selbstregelndes Verhalten aufweisen.
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Ferner
wird obige Aufgabe auch durch ein thermisches Spritzverfahren zur
Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils,
welches aus mindestens zwei Materialien hergestellt ist, gelöst,
indem dem Bauteil während des Herstellprozesse gezielt Wärme
partiell oder komplett zugeführt und/oder entzogen wird.
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Beim
thermischen Spritzen, bevorzugt Kalkgasspritzen oder kinetisches
Kompaktieren, werden Partikel miteinander verbunden und daraus die
gewünschte Struktur erstellt. In Kombination von thermischem
Spritzen mit einem abtragenden Verfahren und einem temporären
Füllmaterial können komplexe Geometrien, z. B.
mit Hinterschneidungen oder Hohlräume realisiert werden.
Durch die Verwendung unterschiedlicher Materialien oder Materialmischungen
lassen sich in einem Bauteil Bereiche mit unterschiedlichen physikalischen
Eigenschaften realisieren. Diese Materialübergänge
müssen nicht schlagartig sein, es können auch
fließende Übergänge von einem Material
in ein anderes realisiert werden. Die Änderung der Mischungsverhältnisse
kann dabei beliebig sein.
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Grundsätzlich
werden beim thermischen Spritzen Partikel meist in einem Gasstrom
erwärmt und mit hoher Geschwindigkeit auf eine Oberfläche gespritzt.
Die unterschiedlichen Spritzverfahren unterscheiden sich von der
Temperatur und der Partikelgeschwindigkeit. Durch Verfahrensparameter,
wie z. B. Partikeltemperatur und Partikelgeschwindigkeit, Materialeigenschaft
(z. B. Härte, Größe, Geometrie, Dichte,
Oxidgehalt), Werkstoffkombination und Substrattemperatur, Spritzfleck-Geometrie,
Vorschubgeschwindigkeit, Bahnüberlappung, können
dem Bauteil bzw. Bauteilbereichen bestimmte Eigenschaften, wie z.
B. Eigenspannungen (z. B. Zug- oder Druckspannungen), Härte,
Porosität oder Werkstoffkennwerte, wie z. B. E-Module,
zugeordnet werden.
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Wird
nun dem Bauteil während des Herstellprozesses gezielt Wärme
partiell oder komplett zugeführt und/oder entzogen, können
etwa im Bauteil während des Herstellprozesses Bereiche
geschaffen werden, welche spezielle physikalische Eigenschaften
aufweisen, die sich in einem späteren Einsatz des hergestellten
Bauteils nutzen lassen
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Vorzugsweise
kann die Beheizung beim Herstellprozess des Bauteils durch magnetische
Induktion, durch Anlegen einer Spannung und den elektrischen Widerstand
im Bauteil selbst oder die Kühlung durch den Peltier-Effekt
erzielt werden.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
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1 ein
Bauteil, durch welches Wärmeströme gezielt gelenkt
werden;
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2 ein
weiteres mechanisch aktives Bauteil; und
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3 ein
Bauteil mit einem selbstregelnden Kühlkanal.
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In 1 ist
ein Bauteil dargestellt, durch welches Wärmeströme
gezielt gelenkt werden. Eingebettet in ein thermisch schlecht leitendes
Material 1 befindet sich eine Leitschicht 2, durch
die ausgewählte Punkte der Oberfläche 3 temperiert
werden können. Die Wärmezu- oder -abfuhr erfolgt
dabei über seitliche Kontaktflächen 4.
Basierend auf diesem Prinzip können damit Kühlkanäle
mit thermisch gut leitfähigen Abzweigungen versehen werden,
um kritisch belastete Bereiche in einer Kunststoffspritzgussform
optimal zu kühlen. Eine weitere Möglichkeit besteht
darin, in einer komplexen Kontur unmittelbar oberhalb der Ober fläche
Bereiche aus einem Material hoher Wärmekapazität
anzubringen, um lokale Temperaturspitzen abzudämpfen.
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Durch
Einbettung magnetischen Materials in einen unmagnetischen Bereich
kann über Induktion lokal Wärme erzeugt und ebenfalls
durch thermisch leitfähige Strukturen in dem Körper
verteilt werden. Dies ist insbesondere bei sich bewegenden oder
drehenden Teilen interessant, wenn eine Kabel- oder Schlauchverbindung
nicht oder nur unter hohem Aufwand angebracht werden kann.
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Kombinationen
mit elektrisch nicht leitfähigen Schichten, z. B. aus PTFE,
erlauben die direkte Integration von Peltier-Elementen zur lokalen
Kühlung oder eine direkte Beheizung über den veränderten
elektrischen Widerstand einzelner Bereiche. Grundlage für
den Peltier-Effekt ist der Kontakt von zwei Metallen, die eine unterschiedliche
Energie der Leitungsbänder besitzen. Leitet man einen Strom durch
zwei hintereinander liegende Kontaktstellen, so wird auf der einen
Kontaktstelle Wärmeenergie aufgenommen, damit das Elektron
in das energetisch höhere Leitungsband des benachbarten
Metalls gelangt, hier kommt es zur Abkühlung. Auf der anderen Kontaktstelle
fällt das Elektron von einem höheren auf ein tieferes
Energieniveau, so dass hier Energie in Form von Wärme abgegeben
wird.
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Ein
weiteres Beispiel eines mechanisch aktiven Bauteils zeigt 2.
Auf einem Grundmaterial 5 wird ein Gradientenwerkstoff 6 aufgetragen,
dessen Materialzusammensetzung sich mit der Höhe kontinuierlich
verändert. Den Abschluss bildet eine Deckschicht 7.
Das Bauteil bildet ein im mechanischen Ausschlag optimiertes Bimetall.
Durch einen geeigneten dreidimensionalen Gradienten oder eine geeignete
dreidimensionale Werkstoffkombination können komplexe Geometrieänderungen
realisiert werden
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Auf
der Basis der einen Gradienten eines gut wärmeleitfähigen
Materials aufweisenden Werkstoffes lassen sich Bauteile mit veränderlicher
Wärmeleitfähigkeit in nahezu jeder Richtung aufbauen,
um abhängig von den äußeren Randbedingungen,
z. B. eine optimale Temperaturverteilung im Inneren eines Körpers
sicherzustellen. Grundsätzlich können durch den
Einsatz von Gradienten werkstoffen beim thermischen Spritzen Materialien
kombiniert werden, die herkömmlich nur schwer oder gar
nicht kombinierbar sind. Dazu gehört z. B. die Kombination
von Aluminium mit Kupfer oder Stahl, Edelstahl oder Eisen. Bei schlagartigen Übergängen
zwischen verschiedenen Materialien stellt die Grenzschicht bei vielen
Materialpaarungen die Schwachstelle dar. Durch einen Gradienten
kann die Anbindung verbessert und die Belastung auf einen größeren
Bereich verteilt werden. Durch die Optimierung der Materialverbindung
können größere Verformungen und somit
auch starke Belastungen zugelassen werden. Je nach Werkstoffkombination
und Anwendung können die Bauteil- und Werkstoffeigenschaften
durch eine Wärmebehandlung weiter beeinflusst werden.
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Besonders
interessant ist hierbei, dass sich auch Partikelgemische verarbeiten
lassen, die es ermöglichen, innerhalb des Körpers
Strukturen mit sich stetig verändernder Materialzusammensetzung
zu erzeugen. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund einer Verarbeitung
von Stahl mit Aluminium oder Kupfer von Bedeutung, da wegen der
hohen Unterschiede in der thermischen Leitfähigkeit dieser Materialien
Bauteile mit völlig neuen Eigenschaften erzeugt werden
können. Eine weitere Verfeinerung ergibt sich, wenn im
Rahmen des Aufbaues Strukturen durch mechanische Bearbeitung eingebracht werden,
die anschließend mit einer neuen Materialzusammensetzung
wieder ausgefüllt werden. Bei der Materialzusammensetzung
sollten insbesondere die unterschiedlichen Wärmeleitungskoeffizienten
oder auch Längenausdehnungskoeffizienten der einzelnen
Materialien berücksichtigt werden. Je weiter diese Koeffizienten
der einzelnen Materialien auseinander liegen, umso stärker
ist der physikalische Effekt.
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In 3 ist
schließlich ein thermisch aktives Bauteil dargestellt,
bei dem das thermische Verhalten zur gezielten Regelung oder einer
Optimierung des Wärmeflusses verwendet werden kann. Durch
gezielte Verformung einzelner integraler Bereiche können
z. B. Kühlkanäle verengt oder erweitert werden. In
einer vorteilhaften Weiterbildung können sogar Ventile
realisiert werden, wie sich 3 entnehmen lässt,
bei denen sich durch Verschließen oder Verengen des einen
Kanals ein anderer öffnet oder erweitert. Hierbei wird,
wie in 3 er sichtlich, das Ventil einstückig
während des Herstellungsprozesses mit dem Bauteil ausgebildet.
Durch die geeignete Wahl der das Ventilglied bildenden Materialkombination und
der resultierenden unterschiedlichen Längenausdehnung etwa
bei Wärme- bzw. Kältebeaufschlagung wird in 3 der
eine Kanal geöffnet/erweitert und der andere geschlossen/verengt
und umgekehrt.
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Diese
Geometrieveränderung kann durch elektrische Heizungen oder
interne Kanäle, welche mit einem Medium zum Heizen oder
Kühlen durchströmt werden, realisiert werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung kann die Geometrieveränderung auch
selbstregelnd sein. Durch Erwärmung oder Kühlung
eines Bauteils oder eines Bereichs kann die Geometrieveränderung
insofern selbstregelnd ausgestaltet sein, als bestimmte Eigenschaften,
wie z. B. Geometrieveränderungen, Temperaturverhalten, kompensiert,
entgegengewirkt oder verstärkt werden. Ferner kann durch
die Bewegung etwa ein Sensor betätigt werden, der die Regelung
beeinflusst. Auch kann etwa ein Kühlkanal in einem derartigen Bauteil
mit thermisch gut leitfähigen Abzweigungen versehen werden,
um kritisch belastete Bereiche in etwa einer Kunststoffspritzgussform
optimal zu kühlen.
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Obgleich
nicht dargestellt, kann etwa auch durch eine Verformung ein Wärmeübergang
oder eine Wärmeleitung, etwa durch Spaltbildung oder Spaltvergrößerung
oder Spaltverkleinerung im Bauteil beeinflusst werden.
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Somit
kann auf der Basis der einen Gradienten eines gut wärmeleitfähigen
Materials aufweisenden Werkstoffes ein Bauteil mit veränderlicher
Wärmeleitfähigkeit in nahezu jeder Richtung aufgebaut werden,
um abhängig von den äußeren Randbedingungen,
z. B. eine optimale Temperaturverteilung im Inneren eines Körpers
sicherzustellen.
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Wenn
das Bauteil vorbestimmte thermische Spannungen aufweisen soll, werden
diese durch eine gezielte Beheizung und Kühlung des Bauteils sowie
durch geeignete Verfahrensparameter, wie z. B. Partikeltemperatur,
Partikelgeschwindigkeit, Materialeigenschaft, Werkstoffkombination,
Substrattemperatur, Spritzfleck, Vorschubgeschwindigkeit, Bahnüberlappung,
eingebracht. Damit lassen sich mechanische Verformungen des fertigen
Bauteils durch ein Wärmen und Abkühlen erreichen.
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Die
Offenbarung der Figuren wird als expliziter Inhalt der vorliegenden
Beschreibung angesehen.
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Die
vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur
zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung
der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen
und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung
sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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- 1
- Material
- 2
- Leitschicht
- 3
- Oberfläche
- 4
- Kontaktfläche
- 5
- Grundmaterial
- 6
- Gradientenwerkstoff
- 7
- Deckschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2044249
A [0010]
- - DE 102005001367 A1 [0011]
- - DE 102005020907 A1 [0012]