DE10039320C2

DE10039320C2 - Verfahren zur Herstellung von Hohlkugeln

Info

Publication number: DE10039320C2
Application number: DE10039320A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Mueller; Michael Neuhaeuser; Jens Bliedtner
Original assignee: INST FUEGETECHNIK und WERKSTOF
Current assignee: GUENTER-KOEHLER-INSTITUT FUER FUEGETECHNIK UND, DE
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2020-08-08
Also published as: DE10039320A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von aus einem schmelzbaren Material bestehen den Hohlkugel, bevorzugt zur Herstellung von Hohlkugeln mit Durchmessern D ≦ 1 mm, wobei das schmelzbare Ma terial in nahezu beliebiger Ausgangsform vorliegen kann. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Hohlkugeln geringer Größe bilden in vielfältigen industriellen Anwendungen zunehmend die Grundlage zur Herstellung hochporöser metallischer Werkstoffe. Derartige Werkstoffe zeichnen sich, wie in "Pulvermetallurgie und Verbundwerkstoffe", Jahresbericht 1999, Fraunhoferinstitut "Fertigungstechnik und Materialforschung", Seiten 34/35 beschrieben, durch Eigenschaften aus, die mit anderen Ma terialien kaum erreicht werden können, vor allem im Hin blick auf Leichtigkeit, Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Temperaturbeständigkeit und ein durch den Porengehalt stark vermindertes Wärmeleitvermögen. Somit ergibt sich für die Entwicklung von Strukturen unter Verwendung sol cher Hohlkugeln ein breites Anwendungsspektrum, das von der Schall- und Wärmedämmung in heißen Umgebungen über schwingungsdämpfende Gehäusebauteile bis zu einem anspruchsvollen Leichtbau reicht.

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

In EP 0 300 543 A1 ist ein Verfahren zum Herstel len von metallischen oder keramischen Hohlkugeln be schrieben, bei dem vorgesehen ist, auf im wesentlichen ku gelförmige Teilchen aus geschäumtem Polymer eine Fest stoffschicht aufzubringen. Dazu werden die Teilchen unter Bewegung mit einer wäßrigen Suspension behandelt, die gelöstes oder suspendiertes Bindemittel und metallische und/oder keramische Pulverteilchen enthält. Dann werden die beschichteten und getrockneten Teilchen unter Bewe gung pyrolisiert und gesintert. Nachteilig an diesem Verfah ren ist die erforderliche Vielzahl Zeit- und energieaufwendi ger Verfahrensschritte, so daß auf diese Weise eine wirt schaftliche Massenfertigung kleiner Hohlkugeln nicht mög lich ist.

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

In DE 196 03 196 A1 ist ein Verfahren zur Herstel lung von anorganischen Hohlkugeln mit einer Kugelkorn größe im Bereich von 0,5 bis 1 mm angegeben. Dabei wer den Ausgangspulver aus porösen Primärpartikeln, porösen Agglomeraten oder porösen Aggregaten in einen Spritz strahl eingebracht, an- bzw. aufgeschmolzen und schließlich in einer Auffangvorrichtung abgekühlt. Zum An- bzw. Auf schmelzen der Ausgangspulver werden konventionelle Brenner zum thermischen Spritzen, wie sie beispielsweise in der Plasmaspritztechnik verwendet werden, und auch Sonderspritzgeräte, wie z. B. Langlichtbogenbrenner, ge nutzt. Das hier vorgeschlagene Verfahren ist zur Herstellung von Hohlkugeln aus allen anorganischen Materialien geeig net, die sich vor dem Schmelzen nicht zersetzten, wie zum Beispiel Metalle, Legierungen, Oxide, Silikate, Poride, Kar bide usw. Auch hier sind nachteiligerweise zeitaufwendige Verfahrensschritte erforderlich.

Ein weiteres Verfahren ist noch aus DE- PS 32 10 770 bekannt. Diese ist zur Herstellung von metal lischen, im wesentlichen kugelförmigen Leichtkörperteil chen geeignet ist. Hierbei werden Schaumstoffteilchen, z. B. aus expandierendem Polystyrol, stromlos mit Kupfer, Silber oder Nickel metallisiert und die Kunststoffkerne py rolytisch bei Temperaturen von etwa 400°C zersetzt. Auf diese Weise entstehen metallische Hohlkörper mit Wandun gen, die elektrochemisch bis auf Dicken von 0,05 mm ver stärkt werden können. Auch dieses Verfahren ist hinsicht lich einer Massenfertigung von Hohlkugeln nicht effektiv.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so wei terzuentwickeln, daß in wesentlich kürzeren Zeitabschnitten die Herstellung einer Vielzahl von Hohlkugeln möglich ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 13.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das in einer beliebigen Ausgangsform vorliegende schmelzbare Mate rial an einem Oberflächenbereich bis über seine Schmelz temperatur hinaus erwärmt wird, mit einem auf diesen Ober flächenbereich gerichteten Gasstrom eine Vielzahl von ge schmolzenen Materialpartikeln ausgetrieben wird und die sich von dem Oberflächenbereich entfernenden Materialpar tikel mit einem Medium in Kontakt gebracht werden, das eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Ma terials aufweist. Dabei ist vorteilhaft vorgesehen, daß die zur Erwärmung bis über die Schmelztemperatur erforderliche Energie mit Hilfe von Laserstrahlung in das Material einge bracht wird.

Aufgrund der hohen kinetischen Energie der Schmelze sowie durch Unterstützung des Gasstromes wer den die Materialpartikel sehr schnell aus dem Bereich des aufgeschmolzenen Materials ausgetrieben, wonach die Ma terialpartikel dann sofort mit der kühleren Umgebung in Kontakt kommen. Dabei ändert sich die Oberflächenspan nung bei den Materialpartikeln so, daß die Hohlkugelfor men 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 Entste hungszeit der Hohlkugeln liegt dabei im Millisekundenbe reich. Ofenprozesse oder auch umweltbedenkliche chemi sche Verfahrensschritte, bei denen schädliche Dämpfe ent stehen, sind nicht erforderlich.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Hohlkugeln aus den verschiedenartigsten schmelzbaren Werkstoffen herge stellt werden können. Außerdem ist es möglich, die Durch messer der entstehenden Hohlkugeln beispielsweise durch Variation der Laserleistung oder der Strömungsgeschwin digkeit des zur Unterstützung des Austreibens der Material partikel verwendeten Gases zu variieren.

Mit der Vorgabe unterschiedlicher Umgebungs temperaturen läßt sich in diversen Ausgestaltungen der Er findung die Abkühlgeschwindigkeit der Hohlkugeln beein flussen; damit ist es möglich, auf die Beibehaltung oder Ver änderung der Eigenschaften des Ausgangsmaterials wäh rend der Entstehung der Hohlkugeln Einfluß zu nehmen, so beispielsweise auf Gefügeeigenschaften, Festigkeit und Härte, magnetische Eigenschaften usw. Die Abhängigkeiten zwischen der Abkühlgeschwindigkeit z. B. von geschmol zenem Stahl und den Materialeigenschaften des Stahles sind aus der Metallurgie hinreichend bekannt und müssen des halb hier nicht ausführlich erläutert werden.

Auch die Wandstärken der Hohlkugeln sind mit der Wahl der Laserstrahlungsquelle, den Laserstrahlungspa rametern sowie weiteren Prozeßgrößen wie Umgebungstemperatur, Ausgangsmaterial usw. beeinflußbar. Die Modi fikation dieser Parameter kann problemlos während des Herstellungsprozesses verändert werden, so daß bei laufen dem Verfahren unterschiedliche Kugelarten bzw. -größen erzeugbar sind.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsva riante kann vorgesehen sein, daß das Material mit einer ge sonderten Wärmequelle vorgewärmt wird, indem beispiels weise in dem zu erwärmenden Oberflächenbereich eine Temperatur dicht unterhalb der Schmelztemperatur des Ma terials, 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 Oberflächenbereich 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 ent fernenden Materialpartikel mit Luft der freien Atmosphäre in Kontakt gebracht, wodurch die Abkühlung der Material partikel und infolgedessen deren 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 Aus gangsmaterial Stahl mit einer Schmelztemperatur zu ver wenden, die bei ca. 1.540°C liegt. Unter Anwendung der er findungsgemäßen Verfahrensschritte ist so die Massenferti gung kleiner mit Luft gefüllter Stahlkugeln bei sehr gerin gem Zeitaufwand möglich. Es kommen hierfür sowohl le gierte, unlegierte als auch Stähle mit hohem Kohlenstoffge halt 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 Ausge staltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch mög lich, die sich von dem Oberflächenbereich entfernenden Ma terialpartikel anstatt mit Luft der freien Atmosphäre bei spielsweise mit einem Inertgas, etwa Stickstoff, in Kontakt zu bringen. Treten die ausgetriebenen Materialpartikel mit diesem Gas in Kontakt, erfolgt ebenfalls die Abkühlung und die Umformung zu Hohlkugeln, wobei eine entsprechende Menge des Inertgases in das Innere einer jeden Hohlkugel eingeschlossen wird. Auf diese Weise können beispiels weise korrosionshemmende Eigenschaften oder auch ver besserte Wärmedämmeigenschaften erzielt werden.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist es denkbar, daß die sich von dem Oberflächenbereich entfer nenden Materialpartikel mit einer Flüssigkeit oder einer Emulsion in Kontakt gebracht werden. Liegt die Temperatur der Flüssigkeit bzw. der Emulsion im entsprechenden Be reich unterhalb der Schmelztemperatur des Ausgangsmate rials, erfolgt hier ebenfalls wie vorbeschrieben die Umfor mung der Materialpartikel zu Hohlkugeln, wobei in diesem Falle eine entsprechende Menge der Flüssigkeit bzw. der Emulsion in das Innere einer jeden Hohlkugel eingeschlos sen wird. Nach diesem Verfahren lassen sich beispielsweise Lötzinn als Ausgangsmaterial und ein Lotflußmittel mitein ander in der Weise verbinden, daß bei der Formung zu Hohl kugeln der Innenraum einer jeden Hohlkugel mit dem Lot flußmittel ausgefüllt ist. Die so entstehenden "Lötkugeln" lassen sich bevorzugt bei automatischen Lötprozessen ver wenden.

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 wei teren Verfahrensschritt mit einer zusätzlichen Substanz, bei spielsweise einem Pulver oder Gas, in Kontakt gebracht werden.

Auf diese Weise wird erreicht, daß sich Teilchen dieser Substanz auf der Hohlkugeloberfläche 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 Größenord nung < 1 mm herstellen, die aus mindestens drei Materialar ten bestehen, wobei eine der Materialarten im Innern einge schlossen ist, das Ausgangsmaterial die kugelförmige feste Hülle bildet und auf der Oberfläche eine oder auch mehrere übereinander liegende Materialschichten, je nach Anzahl der diesbezüglichen Verfahrensschritte, abgesetzt sind.

Auch ist es denkbar, die Ausführung der Verfah rensschritte zeitlich zu trennen, indem zunächst in der vor beschriebenen Weise die Hohlkugeln ohne Beschichtung hergestellt und in weiteren in zeitlichen Abständen folgen den Verfahrensschritten die Hohlkugeln an ihrer Oberfläche beschichtet werden.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine An ordnung zur Durchführung der vorgenannten Verfahrens schritte, umfassend eine Laserstrahlungsquelle, von der ein gebündelter Laserstrahl unter einem Winkel β auf einen Oberflächenbereich des in einer beliebigen Ausgangsform vorliegenden Materials gerichtet ist; eine mit einem Gebläse verbundene Düse, von der ein Gasstrom unter einem Winkel α auf den Oberflächenbereich gerichtet ist und eine Bedien- und Ansteuereinrichtung zur Vorwahl und zur Einstellung 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 Schmelztem peratur 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 ei nem Winkel α ≈ 47°C auf den Auftreffort des Laserfokus gerichtet sein.

In vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsge mäßen Anordnung können Einrichtungen zur Veränderung der Winkel α und/oder β während des Herstellungsprozes ses vorgesehen sein, wodurch der Herstellungsprozeß auf ein Optimum konfigurierbar ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Ausgangsmaterial relativ zum Auftreffort des La serstrahlfokus und des Gasstromes auf die Materialoberflä che kontinuierlich verschoben wird, womit die fortlaufende Herstellung der Hohlkugeln möglich ist. Zu diesem Zweck sollte das Material beispielsweise auf einen Tisch aufgelegt sein, der mit einer Zustelleinrichtung in Verbindung steht.

Weiterhin kann die Anordnung von einer Schutz kammer umgeben sein, die den Oberflächenbereich um schließt, der aufgeschmolzen werden soll, wobei dieser her metisch 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 ent stehenden Hohlkugeln nach der Größe vorzusehen. So kön nen zum Auffangen Aufprallbleche vorhanden sein, die vor teilhaft noch mit einem Gleitmittel, bevorzugt mit Öl, be schichtet sind und die mit Sammelbehältern für die aufpral lenden und abgleitenden Hohlkugeln in Verbindung stehen. Bei entsprechender Neigung der Aufprallbleche folgen die Hohlkugeln der Schwerkraft und können so in die Sammel behälter gelangen, die in Schwerkraftrichtung aufgestellt sind.

Den Sammelbehältern kann eine Sortiereinrich tung, die beispielsweise aus Rüttelsieben mit unterschiedli chen Durchlaßöffnungen besteht, vorgeordnet sein, so daß hiermit sofort nach der Herstellung eine Selektion der Hohl kugeln nach ihrer Größe vorgenommen wird.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Aus führungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehöri gen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in ei ner ersten Ausgestaltungsvariante,

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

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

Fig. 4 eine Ausgestaltungsvariante, bei der zur Ab kühlung der Materialpartikel ein flüssiges Medium vorgese hen ist.

In Fig. 1 ist ein Ausgangsmaterial 1, hier beispiels weise Lötzinn, auf einem Tisch 2 abgelegt, der in Richtung X und in Richtung Z verstellbar ist. Der Tisch 2 ist zu die sem Zweck mit einem Antrieb gekoppelt, der seinerseits mit einer Ansteuereinrichtung in Verbindung steht (zeichnerisch nicht dargestellt). Derartige Tischantriebe und Ansteuer schaltungen sind aus dem Stand der Technik hinreichend be kannt, so daß eine nähere Beschreibung an dieser Stelle ent fallen kann.

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

Damit ist die Intensität der gebündelten Laserstrah lung 3 am Auftreffort auf die Oberfläche 5 des Materials 1 groß genug, um das Ausgangsmaterial 1 dort partiell auf eine Temperatur zu erhitzen, die über der Schmelztempera tur liegt. Es bildet sich also aufgrund der Wechselwirkung der intensiven Laserstrahlung 3 mit dem Ausgangsmaterial 1 eine örtlich begrenzte flüssige Phase des Ausgangsmateri als 1.

Die Erwärmung des entsprechenden Bereiches er folgt dabei in sehr kurzer Zeit, wobei eine zumindest teil weise Wandlung der Wärmeenergie in kinetische Energie erfolgt und Partikel des Ausgangsmaterials 1 in eine Rela tivbewegung zueinander geraten. Dabei werden Partikel mit entsprechend hoher kinetischer Energie aus der Oberfläche 5 ausgetrieben, 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 Ausgangsmateri als 1 gerichtet ist. Das Gebläse ist beispielsweise ebenfalls mit der Ansteuersschaltung verbunden, wobei die Möglich keit besteht, durch entsprechende Sollwertvorgaben die Ge schwindigkeit des Gasstromes 7 und die Menge des pro Zeiteinheit aus der Düse 6 austretenden Gases zu beeinflus sen.

Der unter einem Winkel α auf das Ausgangsmate rial 1 gerichtete Gasstrom 7 sorgt dafür, daß aus dem flüssi gen Bereich des Ausgangsmaterials 1 Materialpartikel 8 ausgetrieben und in eine bevorzugte Richtung R gelenkt werden.

Dabei kann der Winkel α mit beispielsweise 45° fest eingestellt sein. Es kann aber auch eine Verstelleinrich tung zur Variation des Winkels α vorgesehen sein. Außer dem kann die Düse 6 auch noch mit einer Verstelleinrich tung verbunden sein, die ihre Verschiebung in Richtung X ermöglicht, wodurch erreicht wird, daß der Auftreffort des Gasstromes 7 relativ zum Fokus des gebündelten Laser strahles 3 justierbar ist. Hierdurch können Gasstrom 7 und Laserstrahl 3 bedarfsweise so zueinander positioniert wer den, daß das Austreiben der Materialpartikel 8 mit höchst möglicher Ausbeute erfolgt.

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

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

Die Prallplatte 11 kann hinsichtlich ihrer Material eigenschaften elastisch ausgebildet sein, so daß eine Defor mation der sich eben gebildeten Hohlkugeln 10 vermieden wird. Außerdem ist es denkbar, die Temperatur der Prall platte 11 mit Hilfe einer Kühleinrichtung so einzustellen, so daß beim Kontakt der Hohlkugeln 10 mit der Prallplatte 11 eine weitere Abkühlung der Hohlkugeln 10 erfolgt und da mit 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 Hohlkugeln 10 Luft in das Innere der Hohlkugeln 10 einge schlossen.

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 In tensität der Laserstrahlung 3 und/oder für die Strömungsge schwindigkeit des Gasstromes 7 zu verwenden.

In Fig. 2 ist die Anordnung nach Fig. 1 bei Be trachtung aus einem anderen Blickwinkel dargestellt. Hier ist der Blick auf die Oberfläche 5 gerichtet, wobei wiederum der Laserstrahl 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 erkennen sind.

Die Anordnung nach Fig. 2 weist jedoch gegen über Fig. 1 insofern eine Ergänzung auf, als hier eine zusätz liche Wärmequelle 13 in Form eines Plasmabrenners vor handen ist. Vom Plasmabrenner 13 ist ein Plasmastrahl 14 zusätzlich auf den Bereich auf der Oberfläche 5 gerichtet, indem das Ausgangsmaterials 1 über die Schmelztemperatur erhitzt werden soll.

Damit wird erreicht, daß dem Haupterwärmungs prozeß mittels des Laserstrahls 3 eine Vorwärmung durch den Plasmastrahl 14 vorgeordnet ist. So wird die Temperaturdifferenz verringert, die mittels Laserstrahlung 3 zu über winden ist, um die materialspezifische Schmelztemperatur möglichst sprunghaft zu erreichen bzw. zu überschreiten. So wird der Energieeintrag in den betreffenden Oberflächenab schnitt und damit auch der Austreibungsprozeß intensiviert.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsvariante der Anord nung dargestellt, bei welcher der Prozeß der Austreibung der Materialpartikel 8 aus der Flüssigphase des Ausgangs materials 1 unter einer Schutzgasatmosphäre stattfindet. Zu diesem Zweck sind die wesentlichen Anordnungsbestand teile, wie Ausgangsmaterial 1, Tisch 2, Laserstrahl 3, bün delnde Optik 4, Düse 6 von einem Gehäuse 15 umschlossen. Die bereits oben beschriebenen Verfahrensschritte finden nun innerhalb des von dem Gehäuse 15 umschlossenen Rau mes statt, wobei als Schutzgas beispielsweise Stickstoff vor gesehen ist.

Das Schutzgas tritt dabei durch die Düse 6 aus. Der in diesem Falle aus Schutzgas gebildete Gasstrom 7 wird so wohl 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 treten durch eine im Gehäuse 15 vorgesehene Öffnung 16 aus dem Schutzraum aus und gelangen von dort in einen Sammelbe hälter (zeichnerisch nicht dargestellt).

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

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

Bei einer weiteren in Fig. 4 dargestellten Anord nung, mit der sich die erfindungsgemäßen Verfahrens schritte 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 ausgetriebenen Materialpartikel 8 fallen der Schwerkraft folgend in eine Flüssigkeit 21, beispielsweise ein Lotfluß mittel, mit einer Temperatur unterhalb der Schmelztempera tur des Ausgangsmaterials 1.

Beim Eintauchen der Materialpartikel 8 in die Flüssigkeit 21 vollzieht sich die Umformung zu Hohlkugeln 10 wiederum aufgrund der mit der plötzlichen Absenkung der Temperatur einhergehenden Veränderung der Oberflä chenspannung, wobei in diesem Falle die Flüssigkeit in das Innere der Hohlkugeln 10 eingeschlossen wird. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise vorteilhaft "Lötzinnku geln" mit einschlossenem Lotflußmittel 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 Materi al, bei dem

- 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 Viel zahl von geschmolzenen Materialpartikeln (8, 9) ausgetrieben wird,
- die sich von dem Oberflächenbereich entfernenden Materialpartikel (8, 9) mit einem Medium in Kontakt gebracht werden, das eine Temperatur unter halb der Schmelztemperatur des Materials aufweist und dadurch die Tempe ratur der Materialpartikel (8, 9) schnell abgesenkt wird,
- mit der schnellen Temperaturabsenkung die Oberflächenspannung der Ma terialpartikel (8, 9) so verändert wird, daß diese sich zu Hohlkugeln (10) formen und dabei Teile des Mediums in ihr Inneres einschließen.

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 Materialpartikel (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, konzentrisch zum Laserstrahl (3) ausge richtete Ringdüse (6), von der ein Gasstrom (7) unter einem Winkel α auf den Oberflächenbereich gerichtet ist,
- einen mit einer Flüssigkeit (21) gefüllten Auffangbehälter für aus dem schmelzbaren Material ausgetriebene Materialpartikel (8) und
- eine Bedien- und Ansteuereinrichtung zur Vorwahl und Einstellung von Betriebs parametern wie Wellenlänge und Intensität des Laserstrahles (3), Geschwindigkeit des Gasstromes (7) und/oder Temperatur der Flüssigkeit (21).

14. Anordnung nach Anspruch 13, wobei als Material Lötzinn vorgesehen ist, ein CO₂-Laser mit einer Leistung von etwa 1500 W als Laserstrahlungsquelle dient und mittels der Ringdüse (6), die mit einem unter einem Druck von et wa 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.