DE10039320A1

DE10039320A1 - Verfahren zur Herstellung von Hohlkugeln

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Publication number: DE10039320A1
Application number: DE10039320A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Mueller; Michael Neuhaeuser; Jens Bliedtner
Original assignee: INSTITUT fur FUEGETECHNIK und WERKSTOFFPRUEFUNG GmbH; INST FUEGETECHNIK und WERKSTOF
Current assignee: Guenter-Koehler-Institut fur Fuegetechnik Und De
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2002-03-07
Anticipated expiration: 2020-08-08
Also published as: DE10039320C2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von aus einem schmelzbaren Material bestehenden Hohlkugeln (10), bevorzugt zur Herstellung von Hohlkugeln (10) mit Durchmessern D 1 mm, wobei das schmelzbare Material in nahezu beliebiger Ausgangsform vorliegen kann. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das in einer Ausgangsform vorliegende schmelzbare Material an einem Oberflächenbereich bis über seine Schmelztemperatur hinaus erwärmt wird, mit einem auf diesen Oberflächenbereich gerichteten Gasstrom (7) eine Vielzahl von geschmolzenen Materialpartikeln (8, 9) ausgetrieben wird und die sich von dem Oberflächenbereich entfernenden Materialpartikel (8, 9) mit einem Medium in Kontakt gebracht werden, das eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Materials aufweist, wobei sich die Materialpartikel (8, 9) zu Hohlkugeln (10) formen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von aus einem schmelz baren Material bestehenden Hohlkugel, bevorzugt zur Herstellung von Hohlkugeln mit Durchmessern D ≦ 1 mm, wobei das schmelzbare Material in nahezu beliebiger Aus gangsform vorliegen kann. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Hohlkugeln geringer Größe bilden in vielfältigen industriellen Anwendungen zuneh mend die Grundlage zur Herstellung hochporöser metallischer Werkstoffe. Derartige Werkstoffe zeichnen sich, wie in "Pulvermetallurgie und Verbundwerkstoffe", Jahresbe richt 1999, Fraunhoferinstitut "Fertigungstechnik und Materialforschung", Seiten 34/35 beschrieben, durch Eigenschaften aus, die mit anderen Materialien kaum erreicht wer den können, vor allem im Hinblick auf Leichtigkeit, Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Temperaturbeständigkeit und ein durch den Porengehalt stark vermindertes Wärme leitvermögen. Somit ergibt sich für die Entwicklung von Strukturen unter Verwendung solcher Hohlkugeln ein breites Anwendungsspektrum, das von der Schall- und Wärme dämmung in heißen Umgebungen über schwingungsdämpfende Gehäusebauteile bis zu einem anspruchsvollen Leichtbau reicht.

Die Mängel, die bisher dazu geführt haben, daß derartige Werkstoffe noch keine prak tische Relevanz erlangt haben, bestehen in fehlenden bzw. uneffizienten Verfahren zur Herstellung metallischer Hohlkugeln mit Durchmessern von einem Millimeter und dar unter.

In EP 0 300 543 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von metallischen oder kerami schen Hohlkugeln beschrieben, bei dem vorgesehen ist, auf im wesentlichen kugelförmige Teilchen aus geschäumtem Polymer eine Feststoffschicht aufzubringen. Dazu werden die Teilchen unter Bewegung mit einer wäßrigen Suspension behandelt, die gelöstes oder suspendiertes Bindemittel und metallische und/oder keramische Pulver teilchen enthält. Dann werden die beschichteten und getrockneten Teilchen unter Be wegung pyrolisiert und gesintert. Nachteilig an diesem Verfahren ist die erforderliche Vielzahl Zeit- und energieaufwendiger Verfahrensschritte, so daß auf diese Weise eine wirtschaftliche Massenfertigung kleiner Hohlkugeln nicht möglich ist.

In DE 195 37 137 A1 sind ein Kompositwerkstoff sowie ein Verfahren zu dessen Her stellung beschrieben. Der Kompositwerkstoff besteht aus einer Metallmatrix mit ein gebetteten Hohlkugeln, und dem Verfahren zur Herstellung des Kompositwerkstoffes liegt eine elektrolytische Metallabscheidung zugrunde, wobei die Hohlkugeln einem Elektrolytbad zugesetzt werden. Bevorzugt betrifft das Hohlkugeln aus Borosilikatglas.

In DE 196 03 196 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von anorganischen Hohlkugeln mit einer Kugelkorngröße im Bereich von 0,5 bis 1 mm angegeben. Dabei werden Aus gangspulver aus porösen Primärpartikeln, porösen Agglomeraten oder porösen Aggre gaten in einen Spritzstrahl eingebracht, an- bzw. aufgeschmolzen und schließlich in einer Auffangvorrichtung abgekühlt. Zum An- bzw. Aufschmelzen der Ausgangspulver werden konventionelle Brenner zum thermischen Spritzen, wie sie beispielsweise in der Plasmaspritztechnik verwendet werden, und auch Sonderspritzgeräte, wie z. B. Langlichtbogenbrenner, genutzt. Das hier vorgeschlagene Verfahren ist zur Herstel lung von Hohlkugeln aus allen anorganischen Materialien geeignet, die sich vor dem Schmelzen nicht zersetzten, wie zum Beispiel Metalle, Legierungen, Oxide, Silikate, Poride, Karbide usw. Auch hier sind nachteiligerweise zeitaufwendige Verfahrensschrit te erforderlich.

Ein weiteres Verfahren ist noch aus DE-PS 32 10 770 bekannt. Diese ist zur Herstellung von metallischen, im wesentlichen kugelförmigen Leichtkörperteilchen geeignet ist. Hierbei werden Schaumstoffteilchen, z. B. aus expandierendem Polystyrol, stromlos mit Kupfer, Silber oder Nickel metallisiert und die Kunststoffkerne pyrolytisch bei Tempe raturen von etwa 400°C zersetzt. Auf diese Weise entstehen metallische Hohlkörper mit Wandungen, die elektrochemisch bis auf Dicken von 0,05 mm verstärkt werden kön nen. Auch dieses Verfahren ist hinsichtlich einer Massenfertigung von Hohlkugeln nicht effektiv.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der ein gangs genannten Art so weiterzuentwickeln, daß in wesentlich kürzeren Zeitabschnit ten die Herstellung einer Vielzahl von Hohlkugeln möglich ist.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das in einer beliebigen Ausgangsform vorliegen de schmelzbare Material an einem Oberflächenbereich bis über seine Schmelztempera tur hinaus erwärmt wird, mit einem auf diesen Oberflächenbereich gerichteten Gasstrom eine Vielzahl von geschmolzenen Materialpartikeln ausgetrieben wird und die sich von dem Oberflächenbereich entfernenden Materialpartikel mit einem Medium in Kontakt gebracht werden, das eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Materials aufweist. Dabei ist vorteilhaft vorgesehen, daß die zur Erwärmung bis über die Schmelztemperatur erforderliche Energie mit Hilfe von Laserstrahlung in das Material eingebracht wird.

Aufgrund der hohen kinetischen Energie der Schmelze sowie durch Unterstützung des Gasstromes werden die Materialpartikel sehr schnell aus dem Bereich des aufge schmolzenen Materials ausgetrieben, wonach die Materialpartikel dann sofort mit der kühleren Umgebung in Kontakt kommen. Dabei ändert sich die Oberflächenspannung bei den Materialpartikeln so, daß die Hohlkugelformen entstehen.

Mit diesem Verfahren läßt sich eine sehr große Zahl solcher kleinen Hohlkugeln mit Durchmessern unter 1 mm in wesentlich kürzerer Zeit herstellen, als dies nach dem Stand der Technik bisher möglich war. Die Entstehungszeit der Hohlkugeln liegt dabei im Millisekundenbereich. Ofenprozesse oder auch umweltbedenkliche chemische Ver fahrensschritte, bei denen schädliche Dämpfe entstehen, sind nicht erforderlich.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß nach dem erfindungsgemäßen Ver fahren Hohlkugeln aus den verschiedenartigsten schmelzbaren Werkstoffen hergestellt werden können. Außerdem ist es möglich, die Durchmesser der entstehenden Hohlku geln beispielsweise durch Variation der Laserleistung oder der Strömungsgeschwindig keit des zur Unterstützung des Austreibens der Materialpartikel verwendeten Gases zu variieren.

Mit der Vorgabe unterschiedlicher Umgebungstemperaturen läßt sich in diversen Aus gestaltungen der Erfindung die Abkühlgeschwindigkeit der Hohlkugeln beeinflussen; damit ist es möglich, auf die Beibehaltung oder Veränderung der Eigenschaften des Ausgangsmaterials während der Entstehung der Hohlkugeln Einfluß zu nehmen, so beispielsweise auf Gefügeeigenschaften, Festigkeit und Härte, magnetische Eigenschaf ten usw. Die Abhängigkeiten zwischen der Abkühlgeschwindigkeit z. B. von geschmol zenem Stahl und den Materialeigenschaften des Stahles sind aus der Metallurgie hin reichend bekannt und müssen deshalb hier nicht ausführlich erläutert werden.

Auch die Wandstärken der Hohlkugeln sind mit der Wahl der Laserstrahlungsquelle, den Laserstrahlungsparametern sowie weiteren Prozeßgrößen wie Umgebungstempera tur, Ausgangsmaterial usw. beeinflußbar. Die Modifikation dieser Parameter kann pro blemlos während des Herstellungsprozesses verändert werden, so daß bei laufendem Verfahren unterschiedliche Kugelarten bzw. -größen erzeugbar sind.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsvariante kann vorgesehen sein, daß das Material mit einer gesonderten Wärmequelle vorgewärmt wird, indem beispielsweise in dem zu erwärmenden Oberflächenbereich eine Temperatur dicht unterhalb der Schmelztemperatur des Materials, bevorzugt bei etwa dem 0,8- bis 0,95-fachen der Schmelztemperatur, erzielt wird. In diese Vorwärmung kann das gesamte vorbereitete. Ausgangsmaterial einbezogen werden, jedoch ist es auch möglich, lediglich eine Zone um den aufzuschmelzenden Oberflächenbereich.

Die Vorwärmung hat den Vorteil, daß mit der auf den schon vorgewärmten Oberflä chenbereich gerichteten Laserstrahlung wesentlich schneller die Schmelztemperatur erreicht wird und so das Austreiben der Materialpartikel wirkungsvoller erfolgt. Als Wärmequelle kann vorteilhaft ein Plasmabrenner mit einem auf den Oberflächenbereich gerichteten Plasmastrahl vorgesehen sein.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die sich von dem Oberflächenbereich entfernenden Materialpartikel mit Luft der freien Atmosphäre in Kontakt gebracht, wodurch die Abkühlung der Materialpartikel und infolgedessen de ren Formung zu Hohlkugeln bewirkt und wobei eine entsprechende Menge Luft in das Innere einer jeden Hohlkugel eingeschlossen wird.

So ist es zum Beispiel vorteilhaft möglich, als Ausgangsmaterial Stahl mit einer Schmelztemperatur zu verwenden, die bei ca. 1.540°C liegt. Unter Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ist so die Massenfertigung kleiner mit Luft gefüllter Stahlkugeln bei sehr geringem Zeitaufwand möglich. Es kommen hierfür sowohl legierte, unlegierte als auch Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt in Betracht.

Es ergeben sich für die mit eingeschlossener Luft versehenen Hohlkugeln Quantitäts- und Qualitätsmerkmale, welche die besten Voraussetzungen zur Verwendung bei der. Entwicklung und Herstellung thermischer Isoliermaterialien bieten.

Abweichend davon ist es bei alternativen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch möglich, die sich von dem Oberflächenbereich entfernenden Material partikel anstatt mit Luft der freien Atmosphäre beispielsweise mit einem Inertgas, etwa Stickstoff, in Kontakt zu bringen. Treten die ausgetriebenen Materialpartikel mit die sem Gas in Kontakt, erfolgt ebenfalls die Abkühlung und die Umformung zu Hohlku geln, wobei eine entsprechende Menge des Inertgases in das Innere einer jeden Hohl kugel eingeschlossen wird. Auf diese Weise können beispielsweise korrosionshem mende Eigenschaften oder auch verbesserte Wärmedämmeigenschaften erzielt werden.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist es denkbar, daß die sich von dem Oberflächenbereich entfernenden Materialpartikel mit einer Flüssigkeit oder einer Emulsion in Kontakt gebracht werden. Liegt die Temperatur der Flüssigkeit bzw. der Emulsion im entsprechenden Bereich unterhalb der Schmelztemperatur des Aus gangsmaterials, erfolgt hier ebenfalls wie vorbeschrieben die Umformung der Material partikel zu Hohlkugeln, wobei in diesem Falle eine entsprechende Menge der Flüssig keit bzw. der Emulsion in das Innere einer jeden Hohlkugel eingeschlossen wird. Nach diesem Verfahren lassen sich beispielsweise Lötzinn als Ausgangsmaterial und ein Lot flußmittel miteinander in der Weise verbinden, daß bei der Formung zu Hohlkugeln der Innenraum einer jeden Hohlkugel mit dem Lotflußmittel ausgefüllt ist. Die so entste henden "Lötkugeln" lassen sich bevorzugt bei automatischen Lötprozessen verwenden.

Weiterhin ist es denkbar, das erfindungsgemäße Verfahren so auszugestalten, daß die bereits zu Hohlkugeln geformten und mit jeweils dem vorgesehenen Medium (Gas, Flüssigkeit, Emulsion) gefüllten Hohlkugeln in einem weiteren Verfahrensschritt mit einer zusätzlichen Substanz, beispielsweise einem Pulver oder Gas, in Kontakt ge bracht werden.

Auf diese Weise wird erreicht, daß sich Teilchen dieser Substanz auf der Hohlkugel oberfläche absetzen und dort eine Beschichtung bilden. Als eine solche Substanz zur Beschichtung der Hohlkugeloberfläche kann beispielsweise Stellitpulver verwendet werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich demzufolge kugelförmige Körper in der Größenordnung < 1 mm herstellen, die aus mindestens drei Materialarten beste hen, wobei eine der Materialarten im Innern eingeschlossen ist, das Ausgangsmaterial die kugelförmige feste Hülle bildet und auf der Oberfläche eine oder auch mehrere übereinander liegende Materialschichten, je nach Anzahl der diesbezüglichen Verfah rensschritte, abgesetzt sind.

Auch ist es denkbar, die Ausführung der Verfahrensschritte zeitlich zu trennen, indem zunächst in der vorbeschriebenen Weise die Hohlkugeln ohne Beschichtung hergestellt und in weiteren in zeitlichen Abständen folgenden Verfahrensschritten die Hohlkugeln an ihrer Oberfläche beschichtet werden.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Anordnung zur Durchführung der vorge nannten Verfahrensschritte, umfassend eine Laserstrahlungsquelle, von der ein gebün delter Laserstrahl unter einem Winkel β auf einen Oberflächenbereich des in einer be liebigen Ausgangsform vorliegenden Materials gerichtet ist; eine mit einem Gebläse verbundene Düse, von der ein Gasstrom unter einem Winkel α auf den Oberflächenbe reich gerichtet ist und eine Bedien- und Ansteuereinrichtung zur Vorwahl und zur Ein stellung von Betriebsparametern, wie Wellenlänge und Intensität des Laserstrahles, Geschwindigkeit des Gasstromes und andere.

Bevorzugt kann als Laserstrahlungsquelle ein CO₂-Laser mit einer Leistung von etwa 1500 Watt und als Ausgangsmaterial unlegierter Stahl mit einer Schmelztemperatur bei 1535°C vorgesehen sein. Mittels einer Düse, die einen Öffnungsdurchmesser von etwa 1,7 mm aufweist und die mit einem unter einem Druck von etwa 3 bar stehenden Druckluftbehälter in Verbindung steht, kann Luft unter einem Winkel α ≈ 47°C auf den Auftreffort des Laserfokus gerichtet sein.

In vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung können Einrich tungen zur Veränderung der Winkel α und/oder β während des Herstellungsprozesses vorgesehen sein, wodurch der Herstellungsprozeß auf ein Optimum konfigurierbar ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Ausgangsmaterial relativ zum Auftreffort des Laserstrahlfokus und des Gasstromes auf die Materialoberfläche kontinuierlich verschoben wird, womit die fortlaufende Herstellung der Hohlkugeln möglich ist. Zu die sem Zweck sollte das Material beispielsweise auf einen Tisch aufgelegt sein, der mit einer Zustelleinrichtung in Verbindung steht.

Weiterhin kann die Anordnung von einer Schutzkammer umgeben sein, die den Ober flächenbereich umschließt, der aufgeschmolzen werden soll, wobei dieser hermetisch von der freien Atmosphäre getrennt ist. Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, Hohlkugeln herzustellen, deren Inneres mit einem Inertgas gefüllt ist, sofern sich das Inertgas innerhalb der Schutzkammer befindet.

Im Rahmen der Erfindung liegt es weiterhin, Einrichtungen zum Auffangen, Sammeln und Sortieren der entstehenden Hohlkugeln nach der Größe vorzusehen. So können zum Auffangen Aufprallbleche vorhanden sein, die vorteilhaft noch mit einem Gleitmit tel, bevorzugt mit Öl, beschichtet sind und die mit Sammelbehältern für die aufpral lenden und abgleitenden Hohlkugeln in Verbindung stehen. Bei entsprechender Nei gung der Aufprallbleche folgen die Hohlkugeln der Schwerkraft und können so in die Sammelbehälter gelangen, die in Schwerkraftrichtung aufgestellt sind.

Den Sammelbehältern kann eine Sortiereinrichtung, die beispielsweise aus Rüttelsieben mit unterschiedlichen Durchlaßöffnungen besteht, vorgeordnet sein, so daß hiermit sofort nach der Herstellung eine Selektion der Hohlkugeln nach ihrer Größe vorge nommen wird.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Anordnung zur Durchführung des erfindungs gemäßen Verfahrens in einer ersten Ausgestaltungsvariante,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau der Anordnung nach Fig. 1, jedoch aus einem anderen Blickwinkel und zusätzlich ausgestattet mit einer Einrichtung zur Vorwärmung des Ausgangsmaterials,

Fig. 3 eine Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der das Ausgangsmaterial bzw. die Schmelzzone auf dem Ausgangsmaterial von einem Schutzraum umgeben ist,

Fig. 4 eine Ausgestaltungsvariante, bei der zur Abkühlung der Materialpartikel ein flüssiges Medium vorgesehen ist.

In Fig. 1 ist ein Ausgangsmaterial 1, hier beispielsweise Lötzinn, auf einem Tisch 2 ab gelegt, der in Richtung X und in Richtung Z verstellbar ist. Der Tisch 2 ist zu diesem Zweck mit einem Antrieb gekoppelt, der seinerseits mit einer Ansteuereinrichtung in Verbindung steht (zeichnerisch nicht dargestellt). Derartige Tischantriebe und Ansteu erschaltungen sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, so daß eine nähe re Beschreibung an dieser Stelle entfallen kann.

Weiterhin ist in Fig. 1 eine Laserstrahlung 3 dargestellt, die durch eine Optik 4 gebün delt auf die Oberfläche des Ausgangsmaterials 1 gerichtet ist. Es handelt sich bei spielsweise um die Strahlung eines CO₂-Laser mit einer Leistung von etwa 1500 W bei einer Wellenlänge von 10,6 µm.

Damit ist die Intensität der gebündelten Laserstrahlung 3 am Auftreffort auf die Ober fläche 5 des Materials 1 groß genug, um das Ausgangsmaterial 1 dort partiell auf eine Temperatur zu erhitzen, die über der Schmelztemperatur liegt. Es bildet sich also auf grund der Wechselwirkung der intensiven Laserstrahlung 3 mit dem Ausgangsmaterial 1 eine örtlich begrenzte flüssige Phase des Ausgangsmaterials 1.

Die Erwärmung des entsprechenden Bereiches erfolgt dabei in sehr kurzer Zeit, wobei eine zumindest teilweise Wandlung der Wärmeenergie in kinetische Energie erfolgt und Partikel des Ausgangsmaterials 1 in eine Relativbewegung zueinander geraten. Dabei werden Partikel mit entsprechend hoher kinetischer Energie aus der Oberfläche 5 aus getrieben, d. h. sie entfernen sich von der Oberfläche 5.

Die Anordnung nach Fig. 1 weist weiterhin eine Düse 6 auf, die mit einem (zeichnerisch nicht dargestellten) Gebläse oder Druckgefäß verbunden ist und von der ein Gasstrom 7 auf den Bereich des flüssigen Ausgangsmaterials 1 gerichtet ist. Das Gebläse ist bei spielsweise ebenfalls mit der Ansteuersschaltung verbunden, wobei die Möglichkeit besteht, durch entsprechende Sollwertvorgaben die Geschwindigkeit des Gasstromes 7 und die Menge des pro Zeiteinheit aus der Düse 6 austretenden Gases zu beeinflussen.

Der unter einem Winkel α auf das Ausgangsmaterial 1 gerichtete Gasstrom 7 sorgt dafür, daß aus dem flüssigen Bereich des Ausgangsmaterials 1 Materialpartikel 8 aus getrieben und in eine bevorzugte Richtung R gelenkt werden.

Dabei kann der Winkel α mit beispielsweise 45° fest eingestellt sein. Es kann aber auch eine Verstelleinrichtung zur Variation des Winkels α vorgesehen sein. Außerdem kann die Düse 6 auch noch mit einer Verstelleinrichtung verbunden sein, die ihre Verschie bung in Richtung X ermöglicht, wodurch erreicht wird, daß der Auftreffort des Gasstromes 7 relativ zum Fokus des gebündelten Laserstrahles 3 justierbar ist. Hier durch können Gasstrom 7 und Laserstrahl 3 bedarfsweise so zueinander positioniert werden, daß das Austreiben der Materialpartikel 8 mit höchstmöglicher Ausbeute er folgt.

Die Materialpartikel 8 entfernen sich mit hoher Geschwindigkeit in Richtung R von der Oberfläche 5 und werden dabei durch den hohen Innendruck (hohe Temperatur) und die geringe Zähigkeit in eine Vielzahl kleinerer Materialpartikel 9 aufgespalten. Die Materialpartikel 9 bewegen sich durch die kühlere Umgebungsluft hindurch, was dazu führt, daß sich die Oberflächenspannung bei den noch unregelmäßig geformten Mate rialpartikeln 9 schnell ändert und sich dabei kleine Hohlkugeln 10 bilden.

Zum Auffangen der Hohlkugeln 10 ist eine Prallplatte 11 vorgesehen, an welcher die Hohlkugeln 10 der Schwerkraft folgend abgleiten und in einen Sammelbehälter (zeich nerisch nicht dargestellt) gelangen.

Die Prallplatte 11 kann hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften elastisch ausgebildet sein, so daß eine Deformation der sich eben gebildeten Hohlkugeln 10 vermieden wird. Außerdem ist es denkbar, die Temperatur der Prallplatte 11 mit Hilfe einer Kühleinrich tung so einzustellen, so daß beim Kontakt der Hohlkugeln 10 mit der Prallplatte 11 eine weitere Abkühlung der Hohlkugeln 10 erfolgt und damit eine Formstabilisierung gegeben ist.

Besteht der Gasstrom 7 aus Luft und bewegen sich die Materialpartikel 8 durch die freie Atmosphäre, welche die Anordnung umgibt, so wird bei der Umformung zu Hohl kugeln 10 Luft in das Innere der Hohlkugeln 10 eingeschlossen.

Zusätzlich kann, wie in Fig. 1 dargestellt, noch ein Temperatursensor 12 vorgesehen sein, der ebenfalls mit der Ansteuereinheit verbunden ist, wobei sich die Möglichkeit ergibt, die gemessene Temperatur als Regelgröße für die Intensität der Laserstrahlung 3 und/oder für die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes 7 zu verwenden.

In Fig. 2 ist die Anordnung nach Fig. 1 bei Betrachtung aus einem anderen Blickwinkel dargestellt. Hier ist der Blick auf die Oberfläche 5 gerichtet, wobei wiederum der Laser strahl 3, die bündelnde Optik 4, die Düse 6, der Luftstrom 7 und die Materialpartikel 8, die sich in Richtung R von der Oberfläche des Ausgangsmaterials 1 entfernen, zu er kennen sind.

Die Anordnung nach Fig. 2 weist jedoch gegenüber Fig. 1 insofern eine Ergänzung auf, als hier eine zusätzliche Wärmequelle 13 in Form eines Plasmabrenners vorhanden ist. Vom Plasmabrenner 13 ist ein Plasmastrahl 14 zusätzlich auf den Bereich auf der Ober fläche 5 gerichtet, indem das Ausgangsmaterials 1 über die Schmelztemperatur erhitzt werden soll.

Damit wird erreicht, daß dem Haupterwärmungsprozeß mittels des Laserstrahls 3 eine Vorwärmung durch den Plasmastrahl 14 vorgeordnet ist. So wird die Temperaturdiffe renz verringert, die mittels Laserstrahlung 3 zu überwinden ist, um die materialspezifi sche Schmelztemperatur möglichst sprunghaft zu erreichen bzw. zu überschreiten. So wird der Energieeintrag in den betreffenden Oberflächenabschnitt und damit auch der Austreibungsprozeß intensiviert.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsvariante der Anordnung dargestellt, bei welcher der Pro zeß der Austreibung der Materialpartikel 8 aus der Flüssigphase des Ausgangsmateri als 1 unter einer Schutzgasatmosphäre stattfindet. Zu diesem Zweck sind die wesentli chen Anordnungsbestandteile, wie Ausgangsmaterial 1, Tisch 2, Laserstrahl 3, bün delnde Optik 4, Düse 6 von einem Gehäuse 15 umschlossen. Die bereits oben be schriebenen Verfahrensschritte finden nun innerhalb des von dem Gehäuse 15 um schlossenen Raumes statt, wobei als Schutzgas beispielsweise Stickstoff vorgesehen ist.

Das Schutzgas tritt dabei durch die Düse 6 aus. Der in diesem Falle aus Schutzgas ge bildete Gasstrom 7 wird sowohl zum Austreiben der Materialpartikel 8 genutzt als auch bei der Ausbildung der Hohlkugeln 10 in entsprechender Menge in deren Hohlraum eingeschlossen. Die in der oben geschilderten Weise entstehenden Hohlkugeln 10 tre ten durch eine im Gehäuse 15 vorgesehene Öffnung 16 aus dem Schutzraum aus und gelangen von dort in einen Sammelbehälter (zeichnerisch nicht dargestellt).

Eine Besonderheit bei dieser Anordnung kann beispielsweise noch darin bestehen, daß eine Zuführeinrichtung 17 für ein Beschichtungswerkstoff 18 vorhanden ist, der bei entsprechender Ausrichtung einer Austrittsdüse 19 mit den soeben entstandenen Hohlkugeln 10 in Kontakt gebracht wird und der sich dabei auf der Außenfläche der Hohlkugeln 10 absetzt. Als Beschichtungswerkstoff 18 kommt beispielsweise Stellit pulver in Betracht.

Auf diese Weise entstehen Hohlkugeln 10, die im Inneren mit dem Schutzgas gefüllt sind und an ihrer Ausfläche eine Beschichtung aufweisen.

Bei einer weiteren in Fig. 4 dargestellten Anordnung, mit der sich die erfindungsgemä ßen Verfahrensschritte ebenfalls ausführen lassen, ist eine Ringdüse 20 konzentrisch zum Laserstrahl 3 angeordnet, durch die der Gasstrom 7 austritt und gleichmäßig um den Laserstrahl 3 verteilt auf den zu erwärmenden Oberflächenabschnitt trifft.

Hier sind die bündelnde Optik 4 und die Ringdüse 20 gemeinsam in den Richtungen X und Y relativ zum Tisch 2 bzw. dem Ausgangsmaterial 1 verschiebbar. Die hierbei aus getriebenen Materialpartikel 8 fallen der Schwerkraft folgend in eine Flüssigkeit 21, beispielsweise ein Lotflußmittel, mit einer Temperatur unterhalb der Schmelztempera tur des Ausgangsmaterials 1.

Beim Eintauchen der Materialpartikel 8 in die Flüssigkeit 21 vollzieht sich die Umfor mung zu Hohlkugeln 10 wiederum aufgrund der mit der plötzlichen Absenkung der Temperatur einhergehenden Veränderung der Oberflächenspannung, wobei in diesem Falle die Flüssigkeit in das Innere der Hohlkugeln 10 eingeschlossen wird. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise vorteilhaft "Lötzinnkugeln" mit einschlossenem Lot flußmittel herstellen, die bei automatischen Lötprozessen Verwendung finden können.

Bezugszeichenliste

1

Ausgangsmaterial

2

Tisch

3

Laserstrahl

4

Optik

5

Oberfläche

6

Düse

7

Gasstrom

8

,

9

Materialpartikel

10

Hohlkugeln

11

Prallplatte

12

Temperatursensor

13

Wärmequelle

14

Plasmastrahl

15

Gehäuse

16

Öffnung

17

Zuführeinrichtung

18

Beschichtungswerkstoff

19

Austrittsdüse

20

Ringdüse

21

Flüssigkeit
R, X, Y, Z Richtungen

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Hohlkugeln aus einem schmelzbaren Material, dadurch gekennzeichnet, daß
das in einer Ausgangsform vorliegende schmelzbare Material an einem Oberflä chenbereich bis über seine Schmelztemperatur hinaus erwärmt wird,
mit einem auf diesen Oberflächenbereich gerichteten Gasstrom (7) eine Vielzahl von geschmolzenen Materialpartikeln (8, 9) ausgetrieben wird und
die sich von dem Oberflächenbereich entfernenden Materialpartikel (8, 9) mit einem Medium in Kontakt gebracht werden, das eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Materials aufweist, wobei sich die Materialpartikel (8, 9) zu Hohlkugeln (10) formen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erwärmung bis über die Schmelztemperatur erforderliche Energie mit Hilfe von Laserstrahlung (3) in das Material eingebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit einer gesonderten Wärmequelle (13) vorgewärmt wird, wobei an dem zu er wärmenden Oberflächenbereich eine Temperatur unterhalb der Schmelztempera tur erreicht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material auf eine Temperatur von etwa der 0,8-fachen der Schmelztemperatur vorgewärmt wird.

5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sich von dem Oberflächenbereich entfernenden Materialpartikel (8, 9) mit Luft der freien Atmosphäre in Kontakt gebracht werden, wobei mit der Formung der Materialpartikel (8, 9) zu Hohlkugeln (10) eine entsprechende Menge Luft in das Innere einer jeden Hohlkugel (10) eingeschlossen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Material Stahl mit einer Schmelztemperatur bei etwa 1540°C verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sich von dem Oberflächenbereich entfernenden Materialpartikel (8, 9) mit einem Inertgas in Kontakt gebracht werden, dessen Temperatur unterhalb der Schmelz temperatur des Materials gehalten wird, wobei mit der Formung der Materialpar tikel (8, 9) zu Hohlkugeln (10) eine entsprechende Menge dieses Gases in das In nere einer jeden Hohlkugel (10) eingeschlossen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die sich von dem Oberflächenbereich entfernenden Materialpartikel (8, 9) mit Stickstoff in Kontakt gebracht werden, dessen Temperatur bei etwa der 0,5-fachen der Schmelztempe ratur des Materials gehalten wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sich von dem Oberflächenbereich entfernenden Materialpartikel (8, 9) mit einem flüssigen Medium in Kontakt gebracht werden, dessen Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Materials gehalten wird, wobei mit der Formung der Ma terialpartikel (8, 9) zu Hohlkugeln (10) eine entsprechende Menge dieses Medi ums in das Innere einer jeden Hohlkugel eingeschlossen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als schmelzbares Ma terial Lötzinn und als flüssiges Medium ein Lotflußmittel verwendet werden und die Temperatur des Lotflußmittels bei etwa dem 0,5-fachen der Schmelztempera tur des Materials gehalten wird.

11. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bereits zu Hohlkugeln (10) geformten und mit dem Medium gefüllten Ma terialpartikel (8, 9) mit einer weiteren Substanz, bevorzugt einem Pulver in Kon takt gebracht werden, wobei sich Teilchen dieser Substanz auf der Hohlkuge loberfläche absetzten und dort eine Beschichtung bilden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Substanz zur Be schichtung der Hohlkugeloberfläche Stellitpulver verwendet wird.

13. Anordnung zur Herstellung von Hohlkugeln aus einem schmelzbaren Material, umfassend
eine Laserstrahlungsquelle, von der ein gebündelter Laserstrahl (3) unter einem Winkel β auf einen Oberflächenbereich des in einer beliebigen Ausgangsform vorliegenden Materials gerichtet ist,
eine mit einem Gebläse verbundene Düse (6), von der ein Gasstrom (7) unter einem Winkel α auf den Oberflächenbereich gerichtet ist und
eine Bedien- und Ansteuereinrichtung zur Vorwahl und Einstellung von Betriebs parametern wie Wellenlänge und Intensität des Laserstrahles (3) und/oder Ge schwindigkeit des Gasstromes (7).

14. Anordnung nach Anspruch 13, wobei als Material unlegierter Stahl mit einer Schmelztemperatur bei 1535°C vorgesehen ist, ein CO₂-Laser mit einer Leistung von etwa 1500 W als Laserstrahlungsquelle dient und mittels einer Düse, die ei nen Öffnungsdurchmesser von etwa 1,7 mm aufweist und die mit einem unter einem Druck von etwa 3 bar stehenden Druckluftbehälter in Verbindung steht, Luft unter einem Winkel α ≈ 45°C auf den Auftreffort des Laserfokus gerichtet ist.

15. Anordnung nach Anspruch 14, ausgestattet mit einer Einrichtung zur Verände rung des Winkels α und/oder des Winkels β.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, ausgestattet mit einer Einrich tung zum kontinuierlichen Verschieben des Materials relativ zum Auftreffort des Laserstrahles (3) und des Gasstromes (7) auf die Materialoberfläche.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plasmabrenner zur Vorwärmung des Materials vorgesehen ist.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzkammer vorgesehen ist, die den Oberflächenbereich umschließt und diesen hermetisch von der freien Atmosphäre trennt, wobei das Innere der Schutzkammer mit einem Inertgas oder einem reaktiven Gas gefüllt ist.

19. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zum Auffangen, Sammeln und Sortieren der entstehenden Hohlku geln (10) nach der Größe vorhanden ist.

20. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auffangen mindestens eine Prallplatte (11) vorgesehen ist.

21. Anordnung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Prall platte (11) mit einem Gleitmittel, bevorzugt mit Öl, beschichtet und mit Sammel behältern für die aufprallenden und abgleitenden Hohlkugeln (10) verbunden ist.

22. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß den Sammelbehäl tern eine Sortiereinrichtung aus Rüttelsieben mit unterschiedlichen Durchlaßgrö ßen vorgeordnet sind.