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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Sinterprodukten,
Sinterprodukte sowie Verwendungen für Sinterprodukte.
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Die
Druckschrift
DE 699
103 84 T2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines
Sinterproduktes. Es weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen
einer Form mit einem eingelegten Grundmuster zur Definition eines
Formmusters. Füllen
der Form in der Nähe
des Grundmusters mit einer Mischung, die feuerfeste Partikel und
ein wärmeflüchtige Bindemittel
aufweist. Aushärten
der Mischung, um einen ausgehärteten
Gegenstand (Grünling)
bereitzustellen, der ein Formmuster aufweist, das das Grundmuster
dupliziert. Erhitzen des Grünlings
auf eine Temperatur, die ausreichend ist, um das Bindemittel und
das Grundmuster zu veranlassen den Grünling zu verlassen und so einen
porösen
feuerfesten Gegenstand bereitzustellen und durch nachfolgendes weiteres
Erhitzen des porösen
feuerfesten Gegenstands auf eine höhere Temperatur die feuerfesten
Partikel zu veranlassen aneinander zu haften, um einen gesinterten,
porösen
Gegenstand (Bräunling)
zu bilden bei dem nach dem Ausformen des Bräunlings aus der Form das Formmuster
zurückbleibt.
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Durch
die Druckschrift
EP
0 051 634 B1 sind Sinterprodukte mit einer ersten Matrix
aus feuerfestem Material und einer zweiten Matrix aus Metall, sowie
ein Verfahren zur Herstellung dieser Sinterprodukte bekannt. Die
erste Matrix besteht aus Körnern
eines von einem Metall umhüllten
feuerfesten Stoffes. Die zweite Matrix besteht aus einer kontinuierlichen
metallischen Phase, die die Poren des Bräunlings vollständig ausfüllt und
die Sinterprodukte so im wesentlichen porenfrei sind.
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Das
Verfahren zum Herstellen dieser Sinterprodukte umfasst die folgenden
Schritte: Herstellen einer Mischung aus Körnern des feuerfesten Materials
mit Körnern
eines Metalls. Vermischen der Körnermischung mit
einem wärmeflüchtigen
Bindemittel.
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Einfüllen dieser
Mischung in eine erwärmte
Form und Abkühlen
auf Zimmertemperatur unter Abbinden des Bindemittels, so dass ein
handhabbarer Grünling
entsteht, der aus der Form entfernt wird. Erwärmen des Grünlings, so dass das Bindemittel
entweichen kann und die Körner
der Mischung miteinander verbunden werden. Erhitzen des so erhaltenen
Bräunlings
auf eine Temperatur, die es erlaubt ein zweites Metall mit dem Bräunling so
in Kontakt zu bringen, dass das zweite Metall schmilzt und durch
Kapillarwirkung in die Poren des Bräunlings eingesaugt (infiltriert)
wird und diese vollständig
ausfüllt.
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In
der Praxis hat sich gezeigt, dass folgende Probleme bisher nicht
gelöst
sind: Beim Verfahren nach
DE
699 103 84 T2 können
unerwünschte
Rückstände beim
Entfernen des Grundmusters durch Erhitzen verbleiben, welche die
Produktqualität
des herzustellenden Gegenstandes beeinträchtigen.
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Ebenfalls
wird das oftmals aufwändig
hergestellte Grundmuster bei der Entformung zerstört und steht damit
für weitere
Kopiervorgänge
nicht mehr zur Verfügung.
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Bei
den Verfahren nach
DE
699 103 84 T2 und
EP
0 051 634 B1 entstehen unbefriedigende Ergebnisse in Bezug
auf Verzug und Schrumpf gegenüber
dem Grundmuster, insbesondere bei komplizierten Geometrien.
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Die
benannten Verfahren benötigen
lange Temperierzyklen, da der Sinterprozess erst abgeschlossen werden
kann, wenn das gesamte Bindemittel vollständig entfernt ist. Auf Grund
der Verwendung eines homogenen Gemisches aus Bindemittel und Metallpulver
wirkt sich dies bei Geometrien mit großer Wandstärke besonders negativ aus.
Daraus resultiert ein hoher Verbrauch an Energie und Schutzgas.
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Die
benannten Verfahren verwenden homogene Bindemittel-Metallpulvergemische,
die auch kostenintensive Hartmetallanteile aufweisen, obwohl deren
Funktionalität
zum Beispiel nur in bestimmten Teilbereichen und nicht im gesamten
Volumen des Erzeugnisses benötigt
werden.
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Die
in den benannten Verfahren verwendeten homogenen Gemische sind für komplizierte
und/oder großvolumige
Geometrien aufgrund ihrer ungünstigen
rheologischen Eigenschaften wenig geeignet, da bei der Herstellung
des Grünlings
unerwünschte
Hohlräume
im Inneren des Formmusters verbleiben können, die sich im Endprodukt
wiederfinden.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannten
Verfahren so zu verbessern und zu modifizieren, dass die genannten
Nachteile des Standes der Technik eliminiert werden und Sinterprodukte
mit verbesserten Eigenschaften in kürzerer Produktionszeit bei
geringerem Einsatz von Energie und kostenintensiven Materialien
für verschiedene
Anwendungen hergestellt werden können.
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Gelöst ist diese
Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmale sowie durch einen Sintergegenstand nach dem in dem nebengeordneten
Anspruch 10 angegebenen Maßnahmen
sowie Verwendungen der Sintergegenstände nach den weiteren nebengeordneten
Anspruch 18 bis 21. Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen
rückbezogenen
Ansprüche.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand der schematischen Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
Gießform
zur Herstellung eines Sinterproduktes
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2 eine
Gießform
zur Herstellung eines Sinterproduktes gefüllt mit einer definierten Menge
eines Bindemittel-Metallpulvergemisches
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3 eine
Gießform
zur Herstellung eines Sinterproduktes mit einer ersten Schicht eines
ausgehärteten
Bindemittel-Metallpulvergemisches
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4 eine
Gießform
zur Herstellung eines Sinterproduktes mit einer Schicht eines ausgehärteten Bindemittel-Metallpulvergemisches
und mit einer Auffüllung
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5 eine
Gießform
zur Herstellung eines Sinterproduktes mit einer Schicht eines ausgehärteten Bindemittel-Metallpulvergemisches
und mit einer zweiten Füllung
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6 eine
Gießform
zur Herstellung eines Sinterproduktes mit mehreren Schichten von
ausgehärteten
Bindemittel-Metallpulvergemischen
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7 eine
Gießform
zur Herstellung eines Sinterproduktes mit mehreren Schichten von
ausgehärteten
Bindemittel-Metallpulvergemischen und mit einer Auffüllung
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8 eine
Gießform
zur Herstellung eines Sinterproduktes mit mehreren Schichten eines
ausgehärteten
Bindemittel-Metallpulvergemisches, mit eingelegten weiteren Materialien
oder Einlagen und einer Auffüllung
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9 Ausgeformtes
Formmuster zur Herstellung eines Sinterproduktes mit mehreren Schichten
eines ausgehärteten
Bindemittel-Metallpulvergemisches, mit eingelegten weiteren Materialien
oder Einlagen und einer Auffüllung
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In
die in 1 dargestellte Form 1, die das Grundmuster 2 des
herzustellenden Sinterproduktes umfasst, wird im ersten Schritt
eine erste Füllung 5 aus
einer definierten Menge einer Mischung, die Partikel von Metallen
und/oder Metalllegierungen und wärmeflüchtige Bindemittel
enthält,
eingefüllt,
wie in 2 dargestellt. Diese Menge der ersten Füllung 5 der
Partikel-Bindemittelmischung ist so bemessen, dass der Raum 3 über dem
Grundmuster 2 nach dem Einbringen nur teilweise gefüllt ist.
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Im
zweiten Schritt wird die in die Form eingebrachte Bindemittel-Metallpulvermischung
so zum Aushärten
gebracht, dass eine sich über
die Oberfläche
des Grundmusters erstreckende erste Schicht 6 entsteht. (3).
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Der
dritte Schritt umfasst das Einbringen einer zweiten Füllung 7 und
gegebenenfalls weiterer Füllungen
in den Raum 3 über
dem Grundmuster 2 zur Ausbildung einer zweiten Schicht 8 und
weiterer Schichten. (5, 6)
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Der
vierte Schritt umfasst nach dem Aushärten der bereits eingebrachten
Schichten und vor dem Erhitzen des ausgehärteten Gegenstandes (12)
zur Entfernung des Bindemittels und zum Verbinden der Partikel das
mindestens teilweise Einbringen einer Auffüllung 9, die aus einer
Partikelmischung von Metallen und/oder Metalllegierungen ohne Bindemittel
besteht, in den verbleibenden Raum 3 über dem Grundmuster 2 (7).
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Es
folgt Schritt fünf,
bei dem das Entformen des Grünlings
aus der Gießform
geschieht (9). Das Einbringen der Auffüllung 9 kann
alternativ auch nach dem Entformen des Grünlings erfolgen.
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Im
sechsten Schritt erfolgt das Erhitzen des Grünlings nach einem geeigneten
Temperaturprofil, so dass, sobald der Sinterprozess den Punkt erreicht
hat, an welchem kein Bindemittel mehr vorhanden ist, die endgültige Sintertemperatur
eingestellt wird, die der Sintertemperatur der verbliebenen Metallpartikel
entspricht.
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In
einer Variante des Verfahrens wird durch geeignete Maßnahmen
erreicht, dass die erste Schicht 6 oder weitere Schichten
sich gezielt nicht über
die gesamte Oberfläche
des Grundmusters 2 oder weiterer Schichten erstrecken.
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In
einer weiteren Ausführung
des Verfahrens werden massive Materialien und/oder Objekte in den Raum
oberhalb der bereits ausgehärteten
Schichten eingebracht (8).
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In
einer Ausbildung des Verfahrens wird die Verteilung einer Füllung zur
Ausbildung einer Schicht beispielsweise durch Bewegen der Gießform während des
Aushärtens
des Bindemittels erreicht.
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In
einer weiteren Ausbildung des Verfahrens wird die Verteilung einer
Füllung
zur Ausbildung einer Schicht durch das Einführen eines Verdrängerkörpers in
die Form 1 erreicht.
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Die
Stärken
der dabei gebildeten Schichten können
dabei sowohl gleichförmig
als auch gezielt ungleichförmig
ausgebildet sein.
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Die
Ausbildung der Partikel und ihre Vermischung mit dem Bindemittel
lassen sich in weiten Bereichen variieren. So ist es grundsätzlich möglich, Partikel
unterschiedlicher Größen und
geometrischer Formen in fester und/oder flüssiger und/oder gasförmiger Form
dem Bindemittel zuzugeben, um diese darin gezielt zu verteilen,
um beispielsweise Sinterprodukte für den Einsatz bei Prozessen
zu erzeugen, die eine homogene Be- und Entlüftung erfordern.
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Der
hydraulische Widerstand des Sinterproduktes kann gezielt dem Prozess
angepasst werden, indem die Kornverteilung entsprechend eng oder
breit oder aber die Kornform als ausgewählt kugelig oder mit zufälligem Querschnitt
gewählt
wird.
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Dem
gleichen Einsatzzweck dient auch die Verwendung von hochwärmeleitfähigen Partikeln
extrem kleiner Durchmesser bis in den Nanometerbereich, wodurch
eine partielle oder flächige
Schicht an der Produktoberfläche
entsteht, die wie eine extrem wärmeleitfähige Beschichtung
wirkt.
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Eine
hohe Wärmeleitfähigkeit
an definierten, beliebigen Stellen im Produkt selbst kann beispielsweise auch
erreicht werden, wenn vorzugsweise gas- oder flüssigkeitsdichte, infiltrierbare
Hohlkörper
in die Bindemittel-Partikelmischung in die Auffüllung eingebracht werden, sodass
partiell infiltrierte gas- und flüssigkeitsdichte Kanäle im Sinterprodukt
entstehen.
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In
einer weiteren Variante werden nicht infiltrierbare poröse oder
massive Hohl- oder Massivkörper
in die Auffüllung
eingebracht, um spezifische Eigenschaften des Sinterproduktes zu
generieren, die spezifische Prozesse erfordern. So können beispielsweise
Graphitkörper
eingebracht werden, um eine erforderliche Gewichtsreduktion zu erzielen.
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Der
Abform- und Sinterprozess ermöglicht
bei Auswahl eines geeigneten Partikelgrößenmischung bis in den Nanometerbereich
die Abformung von Mikro- und/oder Nanooberflächen. Dieses führt zur
Möglichkeit direkt
aus der Natur stammende Mikro- oder Nanooberflächen oder andere Mikro- oder
Nanooberflächen
abzuformen und damit deren spezifische funktionelle Eigenschaften
auf die Oberfläche
zu übertragen.
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Eine
bevorzugte Durchführung
des Verfahrens sieht beispielsweise vor, dass man bei geeigneter
Auswahl der Einsatzmaterialien zu einem porösen Sinterprodukt gelangt,
welches Eigenschaften als Filter besitzt und/oder als Eigenschaftstransformator
des den porösen
Körper
durch- und/oder umströmenden
Fluids wirkt.
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In
ausgewählten
Anwendungen ist es von Vorteil, wenn innerhalb des Sinterproduktes
partiell oder vollständig
leitende Zonen zur Realisierung elektrischer Eigenschaften vorhanden
sind. Die gezielte Einbringung leitender oder halbleitender Materialien und/oder
isolierender Materialien erfolgt entweder vor dem Aushärten einzelner
Schichten oder vor der Auffüllung.
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Ein
besonderer Vorteil des Verfahrens ist die freie Kombinierbarkeit
der beschriebenen Prozessschritte, der Materialien und damit der
spezifischen Eigenschaften der Einzelanwendungen die somit zu komplexen Funktionseigenschaften
innerhalb eines Produktes führen.
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Durch
das Bereitstellen eines Grundmusters als Gießform und dessen Entformen
entfällt
die Problematik der unerwünschten
Rückstände durch
thermisches Entfernen des Grundmusters wie in der Druckschrift
DE 699 103 84 T2 beschrieben.
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Soll
das Grundmuster direkt abgeformt werden, um zu einem mehrschichtigen
Sinterprodukt zu gelangen, so wird das Grundmuster im kalten Zustand
chemisch aufgelöst,
das Grundmuster und das Lösungsmittel sind
dann aufeinander für
diese Aufgabe abzustimmen.
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Beim
Umformverfahren vom Grundmuster zur Form wird das Grundmuster nicht
zerstört.
Es steht für weitere
Duplikationsvorgänge
zur Verfügung.
Dies ist bei der Herstellung von kostenintensiven Grundmustern angezeigt.
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Durch
den schichtweisen Aufbau des Sinterprodukts muss nur solange das
Bindemittel aus den jeweiligen mit Bindemittel versetzten Schichten
entzogen werden, solange noch Bindemittel in den einzelnen Schichten
vorhanden ist. Sobald kein Bindemittel im zu versinternden Anteil
des Erzeugnisses mehr vorhanden ist, können in einem einzigen temperaturkonstanten
und wesentlich verkürzten
Sinterprozess die verbliebenen Metallpartikel der bindemittelfreien
Auffüllung
versintert werden. Dies führt
zu einer zeitlichen Verkürzung
des Gesamtprozesses, zu Energieeinsparung und zur Reduzierung von
Schutzgasverbrauch.
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Durch
den schichtweisen Aufbau ist es möglich, den einzelnen Schichten
definierte Eigenschaften zuzuordnen, zum Beispiel können teure
Werkstoffe gezielt in definierten Schichten eingesetzt werden, wo
man diese aufgrund der gewünschten
Eigenschaft des Sinterproduktes benötigt. Zum Beispiel können teure
Partikelmischungen mit Partikeln in der Größenordnung von Nanometern (Nanostäube) zur
Herstellung der Oberfläche
etwa für
die Abbildung einer Naturoberfläche
gezielt eingesetzt werden. Durch den Einsatz von kostenintensiven
Materialien nur an Orten, wo sie tatsächlich benötigt werden, lassen sich Materialkosten
einsparen.
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Durch
das gezielte Auswählen
und Abstimmen von Materialmischungen und deren Korngrößen und -formen
ist es möglich,
Gemische herzustellen, welche sehr gute Fließeigenschaften haben. Dies
wird durch das Herstellen eines schichtartigen Aufbaus besonders
begünstigt,
da der Anteil an flüssig
zu verarbeitenden Material im Vergleich zum Gesamtvolumen des herzustellenden
Gegenstandes klein ist und somit innerhalb der Zeit bis zur Aushärtung des
Bindemittels so zu verarbeiten ist, dass keine unerwünschten
Hohlräume
während
des Aushärtens
des Bindemittels entstehen können.
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Im
Nachfolgenden wird die Herstellung des Sinterprodukts für die beispielhafte
Verwendung als Formeinsatz zum Thermoformen einer thermoplastischen
Kunststofffolie für
die Serienproduktion von Joghurtbechern mit Thermoformautomaten
beschrieben.
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Ein
Grundmuster wird durch das bekannte RTV Verfahren abgeformt.
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Ein
Zweikomponenten-Harzbad wird hergestellt. Diesem werden Partikel
aus Wolframkarbidpulver, Eisenpulver und Messingpulver beigemengt.
Das Harzbad-Metallpartikelgemisch wird homogen vermischt und in
die Form verbracht.
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Die
Form wird auf einem Rütteltisch
solange bewegt, bis das Harzbad-Metallpartikelgemisch dünnflüssig ist.
Anschließend
polymerisiert das Harz in der Form bei ca. 37°C und härtet unter ständigen weiteren
Bewegungen aus. Nach dem Aushärten
wird die Form mit einem Eisenpulvergemisch aufgefüllt und
anschließend
entformt. Das ausgehärtete
Kunstharz-Metallpulvergemisch wird in einen Wasserstoff-Reduktionsofen verbracht
und mit einem Temperaturprofil bis 1300°C ausgebrannt. Es entsteht bei
diesem Prozess ein Sintermetallprodukt aus den Bestandteilen Wolframcarbid,
Eisen und Messing. Die Oberfläche
des Sinterproduktes ist extrem hart, da die Oberfläche einen
hohen Wolframcarbidanteil enthält.
Sie ist ebenfalls extrem glatt, da die sehr kleinen Wolframcarbidpartikel
bei der Erzeugung der ersten Schicht an die Oberfläche der
Gießform gelangt
sind. Der gesamte Sinterkörper
ist gas- und flüssigkeitsdurchlässig.
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Es
entsteht ein Werkzeugeinsatz für
die Tiefziehtechnik, der durch die poröse Struktur gut entlüftbar ist.
Es entfallen das bei der Produktion konventionell hergestellter
Formeinsätze
nachträgliche
Einbohren von Entlüftungskanälen zum
Abtransport des Luftvolumens während
des Verformens.
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Die
homogen über
die gesamte Fläche
abtransportierte Luft verhindert die bei der konventionellen Methode
entstehenden Unregelmäßigkeiten
an der Folienoberfläche.
Des weiteren kann die komprimierte Luft, die während des Tiefziehvorgangs
entsteht, wesentlich schneller abtransportiert werden, was zu einer
Verkürzung
der Taktzeiten während
des Tiefziehvorganges führt.
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Ein
weiterer Vorteil besteht in der hohen Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugmaterials.
Dies führt
ebenfalls zu einer Reduzierung der Verformzeit und vor allem zu
einer wesentlichen Verbesserung der Optik und der Eigenschaften
des tiefgezogenen Materials durch hohe Temperaturgradienten.
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Verwendung
des Sinterproduktes als Heizplatte für die Vervielfältigung
von DNA-Material,
das an seiner freigestaltbaren Oberflächenstruktur porös ist und
in der zweiten Schicht flächig
oder partiell hochwärmeleitfähig ist
und/oder diese Flächen
mittels flüssiger
oder gasförmiger
Kühl- oder
Heizmitteln und/oder auf elektrischen Effekte beruhende Heizung
oder Kühlung
zwangstemperiert werden kann. Mit dem Einsatz einer solchen Heizplatte
gemäß oben beschriebenem
Herstellungsverfahren ist es möglich,
Temperaturgradienten zu erreichen, wie sie in der Genforschung angestrebt
werden. Dies kann die Polymerisationszeiten und damit die Produktionszeiten
bei der DNA-Vervielfältigung
weiter verkürzen.
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Verwendung
des Sinterproduktes als leicht zu reinigender Gebrauchsgegenstand.
Mit dem neuen Verfahren ist es möglich
durch den gezielten Einsatz von metallischen und/oder nichtmetallischen
Partikeln mit Korngrößen von
einigen Nanometern direkt in der Natur vorkommende Mikrooberflächen abzuformen
und damit Funktionsflächen
zu erzeugen, die zur Imitation der spezifischen funktionellen Eigenschaften
von Naturoberflächen
geeignet sind. So kann zum Beispiel die Funktionsoberfläche einer
Lotusblüte
abgeformt werden, womit die Imitation des „Lotuseffektes" ge lingt. Die Oberflächenstruktur
der Lotusblüte
bewegt sich im Mikrometerbereich, somit liegt die Abbildungsgenauigkeit
bei dem neuen Verfahren bei ca. 1:100, womit eine sehr gute Imitation
des Effektes gelingt.
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Verwendung
eines mehrschichtiges Sinterproduktes als Filter- und Detektoreinheit.
Durch die Kombination von Verfahrensschritten ist es möglich einen
partiell infiltrierten Rundhohlkörper
herzustellen, der das Kernstück
einer Filter- und Detektoreinheit für ein neuartiges Feinstaubmessgerät bildet.
Dabei wird ein Hohlkörper,
der an der Stelle, an der Feinstäube
zu deponieren sind, eine poröse
betaaktive Nanooberfläche
besitzt, so hergestellt, dass die zu messende Staubschicht, deren
Dicke proportional zur Staubkonzentration in Luft ist, an dieser
Stelle angesaugt und deponiert werden, um dann mittels eines geeignetes
Messverfahrens, zum Beispiel durch Betaabsorptionsmessung, ein Maß für die Staubkonzentration
in Luft zu erhalten. Die wesentlichen Vorteile einer derartigen
Filter-Detektoreinheit gegenüber
Messgeräten
gemäß dem Stand
der Technik bestehen in der homogenen Deposition von Partikeln über den
gesamten Bereich der Depositionsfläche, dem hohen Durchsatz und
der einfachen Reinigung der Depositionsfläche innerhalb des Gerätes selbst mittels
geeigneter Reinigungstechniken wie zum Beispiel Ultraschall und/oder
Ausblasen der Ansaugfläche. Es
werden keine herkömmlichen
Einwegfilter benötigt.
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Verwendung
eines Sinterproduktes als radioaktive Abschirmung mit gezielten
Abschirm- und Kollimatoreigenschaften, zum Beispiel als homogene
Strahlenquelle mit definierten Strahlenaustrittskanälen, welche als
Durchstrahlungsquelle wesentlicher Bestandteil eines neuartigen
bildgebenden Durchstrahlungsgerät
sein kann. Bezugszeichenliste
| 1 | Form |
| 2 | Grundmuster |
| 3 | Raum |
| 4 | Oberfläche |
| 5 | Erste
Füllung |
| 6 | Erste
Schicht |
| 7 | Zweite
Füllung |
| 8 | Zweite
Schicht |
| 9 | Auffüllung |
| 10 | Einlagen |
| 11 | Formmuster |
| 12 | Ausgehärteter Gegenstand |
| 13 | Oberkante |
| | |
| s | Schichtstärke |
| q | Querschnitt |