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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks
mit mindestens einer Kavität, Ausnehmung, Aussparung, einem
Hohlraum, einer Hinterschneidung oder einem sonstigen nicht ausgefüllten
Anteil, und ein dazu geeignetes Trägermaterial.
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Werkstücke
mit nicht ausgefüllten Anteilen, wie Kavitäten,
Aussparungen, Ausnehmungen, Hinterschneidungen, Hohlräumen
usw., können mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden.
Nicht ausgefüllte Anteile wie beispielsweise Kavitäten,
Aussparungen, Ausnehmungen, Hinterschneidungen, Hohlräume
usw. werden der Einfachheit halber im folgenden generell als „Freiraum"
bezeichnet, wobei dieser Ausdruck auch Räume umfasst, die
nicht allseitig von einer Wand umgeben sind, wie Hinterschneidungen.
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Bei
einem zur Herstellung komplexer Formen geeigneten Verfahren werden
nacheinander Schichten, die den Körper aufbauen, aufgespritzt.
An den Stellen, an denen im fertigen Körper ein Freiraum
entstehen soll, wird ein Material verwendet, das nach Fertigstellung
des Körpers herausgenommen werden kann. Damit ein Material
für derartige Verfahren eingesetzt werden kann, muss es
nach Fertigstellung des Körpers zur Bildung des Freiraums
entfernbar sein, wobei die Entfernung einfach und kostengünstig
erfolgen muss.
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In
der Regel handelt es sich um lösliches Material, das nach
Abschluss der Formgebung herausgelöst werden kann. Die
Verwendung von wasserhaltigen Medien, die leicht verfügbar
sind und leicht zu entsorgen sind, ist daher erwünscht.
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Das
als „Platzhalter" verwendete herauslösbare Material
wird auch als „verlorener Kern" oder „verlorene
Form" bezeichnet.
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Ein
für verlorene Kerne verwendbares Material muss diverse
Anforderungen erfüllen, es muss unter anderem mechanische
und thermische Belastungen aushalten. Diese Anforderungen werden
von den für verlorene Kerne wünschenswerten wasserlöslichen
Salzen nicht erfüllt. Obwohl Salze ein interessantes Material
sind im Hinblick auf ihre Löslichkeit und Verfügbarkeit,
ist ihr Einsatz aufgrund ihrer Sprödigkeit bei Verfahren,
die mechanisch beanspruchen, wie thermisches Spritzen, Kaltgasspritzen,
oder Kompaktieren nicht möglich. Die Salze können
aufgrund ihrer Sprödigkeit der mechanischen Belastung, die
bei derartigen Verfahren entsteht, nicht widerstehen.
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Für
diesen Fall muss daher ein anderes Material gefunden werden, das
einerseits mechanische Belastungen bei der Herstellung des Werkstücks ohne
Beschädigung aushält, andererseits aber nach Fertigstellung
entfernbar ist, ohne das Werkstück zu zerstören.
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In
DE 19 716 524 wird vorgeschlagen,
zur Herstellung von Körpern mit wenigstens einem Hohlraum
einen wasserlöslichen Kern aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung
bereitzustellen. Gegenstand dieser Anmeldung ist es, solche Magnesium-
oder Aluminiumlegierungen zu verwenden, deren Oxidgehalt so eingestellt
wird, dass einerseits die mechanische Festigkeit ausreichend hoch
ist und andererseits die Löslichkeit ausreicht, um anschließend den
Kern herauslösen zu können. Zur Erfüllung
dieser Aufgabe war es notwendig, Legierungen zu verwenden und diesen
einen hohen Anteil an Oxiden zuzusetzen.
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Nach
Fertigstellung des Formkörpers soll diese Legierung dann
mit Wasser oder einer sauren oder basischen Lösung herausgelöst
werden. Es wurde gefunden, dass dieses bekannte Material nicht für
alle Formgebungsverfahren geeignet ist.
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Es
war nun Aufgabe der Erfindung, ein Trägermaterial bereitzustellen,
das in nahezu jede beliebige Form gebracht werden kann, für
nahezu jedes Formverfahren zur Bildung verlorener Kerne einsetzbar
ist, nach Fertigstellung der Form mit vertretbarem Aufwand und im
Wesentlichen ohne Schädigung des Formkörpers entfernbar
ist und dessen Entfernung die Umwelt möglichst wenig belastet.
Das Material soll auch entfernbar sein, wenn es sich um sehr komplexe
oder sehr filigrane Formen, z. B. enge Kanäle handelt.
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Darüberhinaus
war es Aufgabe der Erfindung ein Material bereitzustellen, das auch
mit thermischen Spritzverfahren, insbesondere kinetischem Spritzen
oder Kaltgasspritzen, verarbeitbar ist, das somit mechanisch ausreichend
belastbar ist und leicht verfügbar ist.
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Diese
Aufgaben werden gelöst mit einem Trägermaterial,
das als Platzhalter beim Aufbau von Werkstücken mit mindestens
einem Freiraum verwendet werden kann, das aus einem korrodierbaren Material
besteht, wobei das korrodierbare Material eine Mischung oder Legierung
aus Magnesium und mindestens einer weiteren Metallkomponente, die ein
Metall oder eine Metallverbindung sein kann, ist, deren Normalpotenzialpotenzial
unter Reaktionsbedingungen größer als das von
Magnesium ist, wobei das Material mit einem mechanisch belastenden
Verfahren kompaktiert worden ist.
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Überraschenderweise
wurde gefunden, dass ein korrodierbares Material, das Magnesium
und ein weiteres Metall bzw. eine Metallverbindung mit einem bei
Reaktionsbedingungen höheren Normalpotenzialpotenzial enthält,
bei Kontakt mit Wasser oder einem wässrigen Medium seine
Struktur sehr schnell verliert, wobei das Magnesium sich auflöst
und weitere vorhandene Metalle ggf. zumindest teilweise in Partikelform übrig
bleiben. Das erfindungsgemäße Material hat eine
Struktur, die eine Kombination interessanter Eigenschaften in sich
vereint. Einerseits bietet das Material ausreichende Festigkeit,
um in verschiedensten Verfahren als Platzhalter dienen zu können,
der auch eine mechanische und thermische Beanspruchung aushält,
die z. B. im Rahmen der Formgebung und/oder Bearbeitung erfolgt.
Andererseits zersetzt sich bei Kontakt mit einer korrodierenden
Flüssigkeit das Material sehr schnell.
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In
der vorliegenden Beschreibung wird dabei unter „Korrosion"
jede elektrochemische Reaktion von Magnesium mit einem flüssigen
Medium in Gegenwart eines weiteren Metalls oder einer Metallverbindung
mit einem höheren Normalpotenzial verstanden, die zu einer
weitgehenden oder vollständigen Auflösung des
Magnesiums unter Gasbildung führt. Als korrodierendes Medium
wird eine ionenhaltige Flüssigkeit bezeichnet, die Magnesium
aufgrund einer elektrochemischen Reaktion in Gegenwart eines weiteren
Metalls oder einer Metallverbindung mit einem höheren Normalpotenzial
löst.
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Der
Ausdruck „höheres Normalpotenzial" bezieht sich
dabei immer auf das Normalpotenzial eines Metalls oder einer Metallverbindung
im Vergleich zu Magnesium unter den Reaktionsbedingungen (in Bezug
auf Temperatur, Druck, Art und Menge der Ionen in der Lösung
etc.) und nicht auf die Stellung in der Spannungsreihe.
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Die
korrodierende Reaktion von Magnesium und dem korrodierenden Medium
verläuft in Gegenwart eines weiteren Metalls oder einer
Metallverbindung. Im folgenden soll der Ausdruck „Metall"
auch metallhaltige Verbindungen mitumfassen, die die Korrosionsreaktion
von Magnesium begünstigen.
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Die
vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen
Materials entstehen einerseits durch die metallischen und mechanischen
Eigenschaften des Magnesiums und weiterer Metalle und -verbindungen
und andererseits durch die Korrosionsfähigkeit des Magnesiums
unter bestimmten Bedingungen.
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Ohne
an eine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass durch eine
mechanisch belastende Verarbeitung des erfindungsgemäßen
magnesiumhaltigen Materials, die z. B. bei der Formung des Platzhalters
auftritt, z. B. eine Kompaktierung, die das Magnesiummetall schützende
Magnesiumoxid- bzw. -hydroxidschicht so gestört wird, dass
anschließend bei Kontakt mit einer korrodierenden Flüssigkeit
die Magnesiumpartikel bzw. die Magnesiumstruktur sehr leicht angegriffen
werden, was zu schneller Korrosion führt. Andererseits
wird durch die kompaktierende Verarbeitung die weitere, edlere Komponente
in so engen Kontakt mit dem Magnesium oder der Magnesiumlegierung
gebracht, dass die korrodierende Reaktion sehr schnell erfolgen
kann.
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Es
wurde gefunden, dass bein einem Metallpulver, das Magnesium und
eine weitere Metallkomponente, die Metall oder eine Metallverbindung
sein kann, die bei den Reaktionsbedingungen ein höheres Normalpotenzial
als Magnesium besitzt oder in anderen Worten edler als Magnesium
ist, bei Kontakt mit einem korrodierenden Medium, in der Regel Wasser oder
ein wässriges Medium, in der gewünschten Geschwindigkeit
Auflösung eintritt. Besonders ausgeprägt ist diese
Reaktion, wenn als korrodierendes Medium eine stark ionenhaltige
Lösung verwendet wird. Diese an sich bekannte Korrodierbarkeit
wird erfindungsgemäß dazu ausgenutzt, um ein Trägermaterial
nach Fertigstellung eines Werkstücks in einfacher Weise
und relativ umweltschonend zu entfernen.
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Dazu
wird das Trägermaterial nach Fertigstellung des Werkstücks
zur Entfernung des Platzhalters mit einem korrodierenden Medium
in Kontakt gebracht, wobei sich Magnesium löst und das
nicht gelöste Trägermaterial zusammen mit dem
magnesiumhaltigen Medium anschließend aus der gebildeten Form
herausgespült wird.
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Ohne
an eine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass durch die
Kompaktierung der Metallpulver ein Material entsteht, dessen Partikel
ausreichend Kontakt haben, um eine elektrochemische Reaktion zu
begünstigen. Gleichzeitig wird möglicherweise
durch Belastung bzw. Verformung die die Teilchen umhüllende
Schutzschicht soweit aufgebrochen, dass die Reaktion stattfinden
kann und nicht gehemmt wird. Jedenfalls wurde festgestellt, dass
dann, wenn die Metallpulver in kompaktierter Form vorliegen, mit
einem korrodierenden Medium, in der Regel Wasser oder ein wässriges
Medium, die Auflösung in der gewünschten Geschwindigkeit
erreicht wird. Insbesondere kann mit dem erfindungsgemäßen
Trägermaterial die Geschwindigkeit der Auflösungsreaktion
gezielt eingestellt werden. Wenn demgegenüber Pulvermischungen
mit hoher Porosität eingesetzt werden, die sich bei Zusatz
von Wasser vollsaugen, kann ein unkontrollierbarer Reaktionsverlauf
die Folge sein.
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Bevorzugt
wird daher erfindungsgemäß ein Material verwendet,
dessen Porosität nicht höher als 20 Vol.-%, bevorzugt
nicht höher als 5 Vol.-% ist. In einer besonders geeigneten
Ausführungsform ist die Porosität kleiner als
1%.
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Wird
ein erfindungsgemäßes Material, d. h. eine Magnesium
enthaltende Mischung oder Legierung, das zuvor kompaktiert worden
ist, mit einem korrodierenden Medium, bevorzugt einem leitfähigen wässrigen
Medium in Kontakt gebracht, so löst sich das Magnesium
zumindest weitestgehend auf. Erfindungsgemäß wird
diese Wirkung ausgenutzt, um ein Trägermaterial nach Fertigstellung
eines Werkstücks zu entfernen, indem die Mischung mit einem
korrodierenden Medium in Kontakt gebracht wird und Trägermaterial
und Medium, das das Magnesium gelöst enthält,
anschließend aus der gebildeten Form herausgespült
werden.
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Überraschenderweise
wurde festgestellt, dass auf diese Weise mechanisch hochbelastbares Material
in Form von Metallpulver als Trägermaterial eingesetzt
werden kann und nach Fertigstellung leicht entfernbar ist. Dieses
Material ist vielfältig einsetzbar, insbesondere als verlorener
Kern für die unterschiedlichsten Verfahren. Besonders gut
geeignet ist das erfindungsgemäße Trägermaterial
für die Herstellung von Werkstücken mit Kavitäten,
Aussparungen, Ausnehmungen, Hinterschneidungen und Hohlräumen,
insbesondere zur Herstellung von Hohlkörpern oder Werkstücken
mit Hinterschneidungen unter Anwendung von thermischen Spritzverfahren.
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Die
Geschwindigkeit der Auflösung des Magnesiums ist abhängig
von verschiedenen Faktoren, sodass es mit Routinemaßnahmen
möglich ist, das jeweils optimale Material bzw. die optimalen
Bedingungen herauszufinden und einzusetzen. Zu den Faktoren, die
die Auflösung beeinflussen, gehören die Temperatur,
die Kombination der Metalle, Art und Menge der in dem zur Auflösung
verwendeten Medium enthaltenen Ionen, Flächenverhältnisse
und mechanische Beanspruchung der Oberflächen sowie die
Wasserstoffüberspannung.
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Die
Temperatur ist ein wichtiger Parameter, da die Reaktion umso schneller
verläuft, je höher die Temperatur ist. Die elektrochemische
Reaktion der Metalle mit Wasser ist exotherm. Die Geschwindigkeit
der Auflösung kann daher, falls notwendig oder erwünscht,
eingestellt werden, indem die Temperatur der Reaktion kontrolliert
wird. So kann die Reaktion durch Zuführung von Wärme
und/oder ggf. durch Ableitung von Wärme angepasst werden.
Zuführung und Abführung von Wärme erfolgen
im einfachsten Fall durch Verwendung von entsprechend temperiertem
Medium als Lösungsmittel.
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Ein
weiterer wichtiger Faktor ist die Kombination der in dem Trägermaterial
angewendeten Metalle. Erfindungsgemäß wird eine
Magnesiumlegierung oder eine Mischung von Magnesium mit mindestens einem
weiteren Metall oder einer Metallverbindung eingesetzt. Je nach
zugefügten Metallen ist die Magesium korrodierende Reaktion
stärker oder weniger stark. Durch Auswahl des oder der
weiteren Metalle kann daher die Schnelligkeit der Auflösung
beeinflusst werden.
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Es
hat sich herausgestellt, dass Magnesium bereits alleine unter bestimmten
Bedingungen, unter anderem wenn es ionenhaltiger Lösung
ausgesetzt wird, zu Korrosion neigt. Die Korrosivität kann
jedoch noch erhöht werden, wenn mindestens ein weiteres Metall
oder eine weitere Metallverbindung, das/die in Bezug auf Magnesium
edler ist, d. h. ein höheres Standardpotenzial bzw. Normalpotenzial
als Magnesium hat, zulegiert oder zugemischt wird. Jedes Metall,
das unter den Bedingungen der durch Zugabe des korrodierenden Mediums
erfolgenden Korrosionsreaktion ein höheres Normalpotenzial
als Magnesium hat, ist daher für das erfindungsgemäße
Trägermaterial geeignet. Einen besonders hohen Einfluss auf
die Korrosivität haben Metalle mit niedriger Wasserstoffüberspannung
und insbesondere die Metalle Eisen, Nickel und Kupfer, die daher
in dem erfindungsgemäßen Trägermaterial
bevorzugt einzeln oder in Kombination mit dem Magnesium gemischt bzw.
legiert vorliegen. Besonders bevorzugt wird eine Kombination aus
Magnesium und Eisen verwendet.
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Ein
weiterer wichtiger Faktor ist die mechanische Beanspruchung des
Trägermaterials. Das erfindungsgemäße
Trägermaterial wird aus Magnesium und mindestens einer
weiteren Metallkomponente durch Kompaktierung hergestellt. Es wurde
gefunden, dass dann, wenn vor oder bei der Formung das Material
und damit die einzelnen Partikel stark beansprucht werden, die Korrosion
sehr schnell voranschreitet. Dies dürfte, ohne an eine
Theorie gebunden zu sein, darauf zurückzuführen
sein, dass durch die Beanspruchung gegebenenfalls vorhandene das Magnesium
schützende Hydroxid- oder Oxidschichten gestört
oder zerstört werden, sodass der korrodierende Angriff
danach schneller und heftiger erfolgen kann.
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Als
besonders geeignet hat sich eine Verarbeitung der Mischung bzw.
Legierung aus mindestens zwei Metallen oder aus Magnesium und einer Metallverbindung,
bevorzugt in Form ihrer Pulver, durch thermisches Spritzen erwiesen.
Bei einer Verarbeitung mit thermischen Spritzen werden die einzelnen
Partikel kompaktiert und daher in sehr engen Kontakt gebracht. Dieser
Verfahrensschritt ist daher besonders geeignet, wenn eine Kombination
aus mindestens zwei Metallpulvern, von denen eines Magnesium ist,
eingesetzt wird. Darüberhinaus reduziert diese Behandlung
die Porosität.
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Ein
weiterer Faktor, der die Korrosionsreaktion beschleunigen kann,
ist der Anteil an Ionen und die Aktivität der Ionen, die
in dem korrodierenden, bevorzugt wässrigen Medium, das
zur Auflösung verwendet wird, enthalten sind. Es wurde
gefunden, dass die Korrosion und damit Auflösung des Magnesiums
umso schneller erfolgt, je mehr aktive Anionen zur Verfügung
stehen. Besonders reaktiv in diesem Zusammenhang sind unter anderem
Chlorid-, Nitrat- und Sulfationen. Diese Ionen führen zur
Bildung leicht löslicher Magnesiumsalze, die die Auflösung beschleunigen.
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Weiteren
Einfluss auf die Korrosionsreaktion hat die Leitfähigkeit
der wässrigen Lösung, die wiederum durch den Anteil
an Ionen beeinflussbar ist. Ein wässriges Medium mit hoher
Leitfähigkeit bzw. einem hohen Anteil an Ionen führt
zu einer schnellen Auflösung. Bevorzugt werden daher stark
ionenhaltige wässrige Medien zur Auflösung verwendet.
Am meisten bevorzugt wird aufgrund ihrer Verfügbarkeit und
Wirtschaftlichkeit eine kochsalzhaltige Lösung verwendet.
Meerwasser ist beispielsweise ein sehr gut geeignetes Medium.
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Aus
wirtschaftlichen und Umweltgründen ist auch ionenhaltiges
Abwasser aus anderen Prozessen sehr vorteilhaft, das auf diese Weise
sehr gut verwertet werden kann.
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Ein
weiterer Faktor, der Einfluss auf die Korrosionsreaktion hat, ist
das Flächenverhältnis von anodisch wirkenden Partikeln
zu kathodisch wirkenden Partikeln und der Abstand zwischen anodisch
und kathodisch wirkenden Partikeln. Der geringe Abstand zwischen
Anode und Kathode kann durch die kompaktierende Verarbeitung hergestellt
werden, die die Struktur des erfindungsgemäßen
Trägermaterials erzeugt. Einfluss auf diesen Faktor hat
auch der Anteil der einzelnen Komponenten.
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Auch
die Wasserstoffüberspannung hat Einfluss auf die Korrosion.
Es wurde gefunden, dass in Kombination mit Magnesium Metalle mit
niedriger Wasserstoffüberspannung effektive Kathoden darstellen
und daher die Reaktion begünstigen. Zu Metallen mit niedriger
Wasserstoffüberspannung gehören Nickel, Kupfer
und Eisen, die daher bevorzugt sind.
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Ein
weiterer Faktor, der die Auflösungsgeschwindigkeit und
den Ablauf der Reaktion beeinflusst, ist die Bewegung des Mediums.
Wenn das Medium nach Beginn der Reaktion bewegt wird, wird die Bildung
einer geschlossenen Deckschicht aus Magnesiumhydroxid über
den Magnesiumpartikeln behindert, sodass die Korrosion wiederum
weiter gefördert wird.
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Erfindungsgemäß wird
es daher möglich, durch Einstellung der oben genannten
Faktoren den Verlauf der das Magnesium auflösenden Reaktion gezielt
einzustellen. Damit kann die Geschwindigkeit dem Verfahren angepasst
werden, wobei einer der oben genannten Faktoren oder mehrere eingestellt werden
können.
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Zur
Erläuterung der Herstellung eines Werkstücks mit
dem erfindungsgemäßen Trägermaterial wird
auf das Spritzverfahren Bezug genommen, ohne die Erfindung hierauf
einzuschränken. Aufgrund seiner ausgezeichneten mechanischen
und chemischen Eigenschaften ist das erfindungsgemäße
Trägermaterial für formgebende Verfahren beliebiger
Art anwendbar. Das erfindungsgemäße Material zeichnet
sich insbesondere durch seine Formbarkeit, Zerspanbarkeit, konturengetreue
Schichtbildung, Abbildungseigenschaften und Verträglichkeit
mit anderen Materialien aus. Es kann vorteilhaft besonders dann eingesetzt
werden, wenn Formen durch Schichtenaufbau gebildet werden, die dann
mechanisch nachbearbeitet werden zur Bildung einfacher und komplexer,
auch filigraner Körper, die als Platzhalter für
jede Art von Freiraum, incl. Hinterschneidungen in Materialien beliebiger
Art dienen. Komplexe oder filigrane Formen können durch
mechanische Bearbeitung, in der Regel spanende Bearbeitung, aus
dem Material gebildet werden. Die aus dem erfindungsgemäßen Trägermaterial
gebildeten Schichten folgen dem Untergrund, auf den sie aufgetragen
werden, konturentreu und bleiben dort haften. Das erfindungsgemäße Material
kann daher vielfältig eingesetzt werden.
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Wenn
Werkstücke mit einem Freiraum durch Spritzen hergestellt
werden, wird der Körper schichtweise aufgebaut und in den
Bereichen, die später den Freiraum oder die Hinterschneidung
bilden sollen, das erfindungsgemäße Material aufgetragen, das
nach Fertigstellung des Werkstücks herausspülbar
ist. Die das Trägermaterial bildende Mischung bzw. Legierung
wird so verarbeitet, dass aus den Metallpulvern oder der Legierung
ein kompaktiertes Material entsteht, das auch in gesinterter Form
vorliegen kann. Wichtig ist, dass die Metallpartikel der mindestens
zwei Metalle in innigem Kontakt miteinander sind.
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Selbst
wenn es sich um „echte" Legierungen handelt, ist die Kompaktierung
wichtig. Als Legierungen werden Materialien bezeichnet, die aus
mindestens zwei Komponenten aufgebaut sind und mindestens ein Metall
enthalten, wobei der zweite Legierungsbestandteil in dem Metall
entweder gelöst und darin homogen verteilt ist, oder aber
nur begrenzt gelöst ist, sodass eine legierungsreichere
zweite Phase entsteht. In jedem Fall handelt es sich, wenn der zweite
oder weitere Legierungsbestandteil auch metallisch ist, um intermetallische
Verbindungen, d. h. Atome des einen Metalls sind in die Matrix des
anderen Metalls eingebaut. Die makroskopischen Eigenschaften der
Legierung unterscheiden sich von denen der einzelnen Metallpulver.
Erfindungsgemäß wesentlich ist, dass ein kompaktiertes
Material eingesetzt wird, da dieses die Reaktivität und
den engen Kontakt liefert, die für die Korrosionsreaktion
notwendig sind.
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Das
erfindungsgemäße Trägermaterial enthält
Magnesiumpulver und mindestens ein weiteres Pulver aus verglichem
mit Magnesium edlerem Metall oder Metallverbindung; bevorzugt besteht
es im wesentlichen nur aus Magnesium und Metall oder Metallpulver.
Aufgrund der Potenzialdifferenz dieser beiden Komponenten kommt
es bei Zugabe eines korrodierenden Mediums, insbesondere von Wasser oder
einem wässrigen Medium zu einer Redoxreaktion, die dazu
führt, dass sich das Magnesium als unedleres Metall auflöst.
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Es
kann zusätzlich zu den Metallen eine weitere Komponente
enthalten sein, die weitere gewünschte Eigenschaften beiträgt.
Diese Komponente kann ausgewählt werden aus den unterschiedlichsten
Materialien, mit dem Vorbehalt, dass sie weder den Aufbau der Struktur
noch die elektrochemische Zersetzung derselben stört. So
kann zum Beispiel ein weiteres bezüglich der elektrochemischen
Reaktion inertes Material zugefügt werden, das Einfluss
auf die mechanischen Eigenschaften hat, z. B. kann ein härteres
Material als dritte Komponente zugesetzt werden, um die Haftung
beim kinetischen Kompaktieren zu verbessern. Weiterhin ist es auch
möglich als weitere Komponente ein die elektrochemische
Reaktion katalysierendes Material zuzufügen, um Start und/oder
Verlauf der Reaktion zu beeinflussen. Es kann sich um die Pulver
bei der Lagerung phlegmatisierende Stoffe handeln, wie z. B. Kalk,
mit dem Vorbehalt, dass sie die elektrochemische Reaktion nicht in
schädlicher Weise beeinflussen. Falls eine weitere Komponente
für das erfindungsgemäße Trägermaterial
verwendet wird, sollte ihr Anteil 25 Volumenprozent nicht übersteigen.
Die jeweils am besten geeignete Menge kann vom Fachmann durch Routineversuche
festgestellt werden. Der Anteil darf nicht so hoch sein, dass er
die Ausbildung der Struktur und den Verlauf der Reaktion stört.
Andererseits muss die Menge ausreichend sein, um den gewünschten
Effekt zu erzielen.
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Die
Metallpulver, die das erfindungsgemäße Material
aufbauen, sind bezüglich der Korngröße
und Kornform variabel. Die Form der Partikel ist unkritisch, es
kommen sowohl kugelförmige als auch Flake-artige oder sonstige
Formen in Betracht. Die Partikelgröße ist unkritisch,
mit dem Vorbehalt, dass die Partikel nicht größer
als der auszufüllende Freiraum sein dürfen. Beim
thermischen Spritzen können Partikel mit einer Größe
bis zu ca. 0,5 mm verarbeitet werden. Bevorzugt werden Partikel
mit bis zu 0,25 mm verwendet.
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Auch über
die Partikelgröße der Pulver kann das Auflösungsverhalten
beeinflusst werden, sodass für jede Anwendung das optimal
geeignete Material mit Routineversuchen gewählt werden
kann. Weiterhin können Kompaktierungsverhalten und Struktur durch
Auswahl der Partikelgrößen der beiden Pulver und
deren Verhältnis beeinflusst werden. Die Partikelgröße
kann daher gezielt für ein Pulver oder beide so ausgewählt
werden, dass die gewünschten Eigenschaften bezüglich
Struktur und Auflösung entstehen.
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Wenn
das Werkstück fertig aufgebaut ist, wird ein korrodierendes
Medium zugefügt. Das korrodierende Medium kann jede Flüssigkeit
sein, die die Korrosionsreaktion unterstützt. In der Regel
ist es ionenhaltiges Wasser oder eine wässrige Lösung,
die die Redoxreaktion in Gang setzt oder fördert, durch die
das Magnesium oxidiert wird, Hydroxidionen und gleichzeitig Wasserstoff
entstehen. Dadurch löst sich ein Teil des Trägermaterials
auf, die Struktur wird zerstört und die nicht gelösten
Partikel werden freigesetzt. Diese Partikel werden dann zusammen
mit der Lösung, die das Magnesium gelöst enthält,
herausgespült. Durch die Gasentwicklung entsteht genug Bewegung,
um die Reaktion in Gang zu halten, sogar wenn es sich um enge Kanäle
oder filigrane Kavitäten handelt.
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Bei
der erfindungsgemäßen elektrochemischen Reaktion
kann sich der pH-Wert in den sauren oder basischen Bereich verschieben,
je nach eingesetztem Material und Medium. Wenn daher zur Herstellung
des Werkstücks ein bei sauren oder basischen pH-Werten
korrosionsanfälliges Material eingesetzt wird, kann dieses
geschützt werden, indem Trägermaterial und/oder
korrodierendes Medium entsprechend so ausgewählt werden,
dass die Korrosion des Werkstückmaterials vermieden wird.
So ist z. B. die Entstehung einer basischen Lösung dann
vorteilhaft, wenn das den Formkörper bildende Material Stahl
ist, da die basische Lösung hier gleichsam als Rostschutz
wirkt. Für andere Werkstoffe kann ein leicht saurer pH-Wert,
der durch das eingesetzte Medium erzielt werden kann, vorteilhafter
sein.
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Erfindungsgemäß wird
somit ein Trägermaterial bereitgestellt, das sich nicht
vollständig auflöst, sondern dessen Struktur bei
Kontakt mit Wasser zerstört wird, da nur ein Teil gelöst
wird, der allerdings ausreicht, um das gesamte Material herauszuspülen. Hierzu
sind mindestens Magnesium und ein weiteres Metall bzw. eine metallhaltige
Verbindung notwendig, die bevorzugt in möglichst reiner
Form verwendet werden. Unter rein wird dabei im Sinne der vorliegenden
Erfindung verstanden, dass die Pulver höchstens kleine
Anteile an Verunreinigungen störender Elemente enthalten.
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Es
wurde gefunden, dass die besten Ergebnisse dann erzielt werden können,
wenn die zwei oder mehr Komponenten in der nach dem Auftragen in
kompaktierter Struktur vorliegen. Eine derartige Struktur entsteht
bevorzugt durch thermisches Spritzen, Kaltgasspritzen und/oder kinetisches
Spritzen. Hier wird eine Struktur erreicht, bei der die Partikel eine
verdichtete Matrix bilden. Bevorzugt hat das durch ein derartiges
Verfahren aufgetragene Material eine Porosität unter 20%,
besonders bevorzugt unter 5% und noch bevorzugter unter 1%. Wenn
die Porosität des Materials und dadurch der Anteil an offenen Poren
zu hoch wird, könnte sich das Trägermaterial mit
dem wässrigen Medium vollsaugen und, je nach Reaktionsbedingungen
und Reaktionspartnern so schnell lösen, dass eine unkontrollierbare
Reaktion mit hohem Gasdruck entstünde, was unerwünscht ist.
Außerdem kann aufgrund einer Volumenzunahme durch Hydroxidbildung
der Abtransport der nicht gelösten Partikel gestört
sein.
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Idealerweise
ist die aus den Metallen gebildete Matrix so dicht, dass die Oberflächen
der Teilchen ausreichend Kontakt haben, um die elektrochemische
Reaktion bei Zusatz von Wasser zu fördern.
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Die
Metallpulver werden in solchen Anteilen eingesetzt, dass die elektrochemische
Reaktion im gewünschten Umfang abläuft. Bei Zugabe
von korrodierendem Medium löst sich das Magnesium zumindest
teilweise auf, während das oder die weiteren Komponenten
als Pulver zurückbleiben. Daher muss das Magnesium in einem
solchen Anteil vorhanden sein, dass durch sein Herauslösen
die vorher durch Kompaktieren gebildete Struktur soweit aufgelöst oder
zerstört wird, dass das entstehende Material, d. h. im
Wesentlichen Metallpartikel, herausspülbar ist.
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Ist
der Anteil an weiteren Metallen zu hoch, ist es schwierig, das Trägermaterial
zu entfernen. Andererseits sollte der Anteil des/der edleren Metalle auch
nicht zu gering sein, damit die elektrochemische Reaktion ausreichend
schnell ablaufen kann. Geeigneterweise liegt das Volumenverhältnis
von Magnesium zu den weiteren Komponenten zwischen 250:1 und 1:10.
Bevorzugt werden die Metallpulver in einem Volumenverhältnis
von Magnesium zu edlerem Metall von 5:1 bis 1:10, bevorzugt 3:1
bis 1:3 kombiniert. Besonders bevorzugt werden Magnesiumpulver und „edlere"
Komponente in etwa gleichen Volumenanteilen kombiniert.
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Bei
Kontakt mit dem korrodierenden Medium zerfällt durch Auflösung
des Magnesiums die Struktur, was dazu führt, dass das Trägermaterial
ausgespült werden kann. Hierzu kann, wie oben ausgeführt,
jede Magnesium korrodierende Flüssigkeit verwendet werden.
Das korrodierende, bevorzugt wässrige Medium ist nicht
kritisch und jedes Medium, das überwiegend aus Wasser besteht
ist hier geeignet. Es ist darauf zu achten, dass keine die elektrochemische
Reaktion negativ beeinflussende Inhaltsstoffe in dem Wasser enthalten
sind. Bevorzugt wird ein wässriges Medium eingesetzt, das
die elektrochemische Reaktion fördert, insbesondere eine
ionenhaltige Lösung. Geeignet sind saure, neutrale und
basische ionenhaltige Lösungen, z. B. Salzlösungen.
Es können auch verdünnte Säuren oder
Basen eingesetzt werden. Geeignet sind auch als Abwasser anfallende,
ionenhaltige Medien. Diese sind aus Gründen der Umweltschonung
und aus Kostengründen vorteilhaft. Es kann daher sowohl
Leitungswasser als auch Abwasser aus anderen Prozessen, das bevorzugt
salzhaltig ist, eingesetzt werden, solange es die Redoxreaktion
nicht beeinträchtigt.
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Weiterhin
ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines
Werkstücks mit wenigstens einem Freiraum, d. h. unter anderem
einer Hinterschneidung, einer Kavität, einer Aussparung oder
Ausnehmung, bei dem der den Freiraum bildende Raum mit einem Trägermaterial
gefüllt wird, das nach Fertigstellung herausgespült
wird, wobei das Trägermaterial ein Material ist, wie in
Anspruch 1 definiert.
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Es
hat sich herausgestellt, dass das erfindungsgemäße
Trägermaterial sehr gut geeignet ist, um einen verlorenen
Kern für ein Formverfahren zu bilden, bei dem Werkstücke
mit Hohlräumen oder Hinterschneidungen gebildet werden.
Das erfindungsgemäße Trägermaterial zeichnet
sich durch seine mechanische Belastbarkeit aus, sodass es überall
dort eingesetzt werden kann, wo ein mechanisch belastbares Material
notwendig ist. Darüberhinaus lässt es sich mit
formgebenden Verfahren bearbeiten, insbesondere kann es mit spanenden
Verfahren zu komplexen Formen geformt werden.
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Besonders
geeignet ist das erfindungsgemäße Trägermaterial
für die Verarbeitung mit thermischem Spritzen, kinetischem
Kompaktieren oder Kaltgasspritzen.
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Besonders
bevorzugt wird das erfindungsgemäße Material verwendet
für ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken,
bei dem ein schichtweiser Aufbau durch thermisches Spritzen erfolgt,
wobei die Schichten gegebenenfalls dann noch spanend nachbearbeitet
werden.
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Erfindungsgemäß wird
daher ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks bereitgestellt,
bei dem durch thermisches Spritzen, kinetisches Kompaktieren oder
Kaltgasspritzen eine Struktur aufgebaut wird, wobei die Bereiche,
die im fertigen Körper einen Freiraum bilden sollen, mit
dem erfindungsgemäßen Trägermaterial
gebildet werden, wobei das Trägermaterial nach Fertigstellung
des Werkstücks durch Kontakt mit einem korrodierenden Medium
entfernt wird.
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Das
erfindungsgemäße Trägermaterial kann auch
für andere Verfahren, bei denen ein Platzhalter benötigt
wird, eingesetzt werden, ist aber besonders vorteilhaft für
Verfahren, bei denen thermisches Spritzen eingesetzt wird. Bevorzugt
erfolgt das thermische Spritzen durch kinetisches Spritzen.
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Überraschenderweise
wurde festgestellt, dass das erfindungsgemäße
Trägermaterial sehr gut geeignet ist, um verlorene Kerne
zu bilden. Es kann zu vielfältigen Formen verarbeitet werden.
Nach Fertigstellung des Werkstücks wird durch Kontakt mit
einem korrodierenden Medium die bei der Aufbringung des Materials
entstandene Matrix durch eine elektrochemische Reaktion zerstört
und durch die Bewegung aufgrund der Gasbildung während
der elektrochemischen Reaktion entsteht genug Wasseraustausch, um
die elektrochemische Reaktion in geeigneter Weise voranzutreiben.
Das bei Zerstörung der Matrix zurückbleibende
Metallpulver kann dann leicht zusammen mit der entstehenden Lösung
ausgespült werden und ggf. wiederverwendet werden.
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Die
elektrochemische Reaktion und damit die Auflösung des Magnesiums
und die Zerstörung der Struktur können in einer
bevorzugten Ausführungsform gefördert werden,
indem bei und nach Zugabe des wässrigen Mediums für
eine Bewegung des Mediums gesorgt wird. Dies kann z. B. durch Spülen, durch
Bewegen des Werkstücks oder durch Ultraschallbehandlung
geschehen.
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Erfindungsgemäß wird
daher ein Trägermaterial bereitgestellt, das aufgrund seiner
mechanischen Belastbarkeit sowie Duktilität und seiner
elektrochemischen Reaktionsfähigkeit eine ideale Kombination
von Eigenschaften liefert. Weiterhin wird ein Verfahren zur Verfügung
gestellt, mit dem auch sehr komplizierte Formen hergestellt werden
können, da es möglich ist, die Werkstücke
schichtweise durch Spritzverfahren aufzubauen und anschließend
selbst komplizierte Aussparungen, Kavitäten, Ausnehmungen,
Hohlräume, Hinterschneidungen oder sonstige nicht ausgefüllte
Anteile durch Herausspülen des Trägermaterials
zu bilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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