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Die
Erfindung betrifft die Konstruktion und den Einsatz einer Vorrichtung
und eines Verfahrens zum Auffangen und Abscheiden von Partikeln
hergestellt mittels eines thermischen Spritzverfahrens.
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Bei
dem thermischen Spritzverfahren wird Spritzmaterial, etwa in Pulver-,
Schnur-, oder Drahtform einer energiereichen Wärmequelle eines Spritzgerätes zugeführt, mittels
welcher das Spritzmaterial aufgeschmolzen wird. Das aufgeschmolzene
Spritzmaterial bildet Tröpfchen
oder Partikel (zusammenfassend: Strahlpartikel), welche mittels
des Spritzgerätes
mit Hilfe eines Trägermediums,
etwa eines Prozessgas-Gasstromes, in einen Spritzstrahl überführt werden.
Die aufgeschmolzenen Partikel werden in dem Spritzstrahl in Richtung
eines zu beschichtenden Substrates hin beschleunigt, auf welchem
sich die Partikel dann schichtbildend niederschlagen. Die Eigenschaften
der Strahlpartikel sind entscheidend für die Qualität einer
Spritzschicht. Hierbei hängt
eine Qualität
einer Beschichtung unter anderem von der Größe der einzelnen Partikel,
der Größenverteilung der
Partikel und ihre Morphologie in dem Spritzstrahl ab.
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Bekannte
Verfahren zum Bestimmen einer Größenverteilung
von Partikeln, welche etwa eine unterschiedliche Trägheit und/oder
eine unterschiedliche Sedimentationsgeschwindigkeit von Partikeln unterschiedlicher
Größe nutzen,
sind zum Bestimmen der Größe von mittels
eines thermischen Spritzverfahrens erzeugten Partikeln ungeeignet,
da die in dem thermischen Spritzverfahren erzeugten Partikel sich
beim Abscheiden auf dem Substrat plastisch verformen, zu kleineren
Partikeln zerplatzen oder auch feste Aggregate aus mehreren Partikeln
bilden. Es liegt in der Natur der thermischen Spritzverfahren, dass
sie so ausgelegt sind, dass die Erstarrung des schmelzflüssigen,
bzw. tröpfchenförmigen Spritzgutes
erst auf dem Substrat erfolgt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Auffangen und Abscheiden mittels eines thermischen Spritzverfahrens
erzeugter Partikel zu schaffen, die ein möglichst verformungsfreies Einfrieren
des Schmelzezustandes gewährleistet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch Verfahren
mit den Merkmalen der Patentansprüche 8 und 9 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen angegeben.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Auffangen und Abscheiden von mittels eines Spritzgerätes in einem
thermischen Spritzverfahren erzeugten Partikeln ist ein Kühlmodul
zum Kühlen
der Partikel und eine mit dem Kühlmodul
koppelbare Auffangeinrichtung zum Auffangen der abgekühlten Partikel
vorgesehen. Durch das Abkühlen
der mittels des Spritzgerätes
erzeugten Partikel ist es ermöglicht,
die erzeugten Partikel im Wesentlichen verformungsfrei aus dem Spritzstrahl
abzutrennen.
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Das
Kühlmodul
ist so ausgelegt, dass die Abkühlung
im Spritzstrahl zumindest soweit erfolgt, dass eine Erstarrung der
Spritzpartikel erfolgen kann. Hierdurch wird Größe, Größenverteilung und Morphologie
der Partikel zu einem Zeitpunkt eingefroren, die dem Auftreffen
auf das Substrat entspricht. Der für die Beschichtungsqualität maßgebliche
Zustand wird hierdurch sehr genau wiedergegeben und nach dem Abtrennen
an den einzelnen Partikeln messbar. Durch die Abkühlung und
Erstarrung im Spritzstrahl wird außerdem erreicht, dass keine
Artefakte gebildet werden und das Messergebnis verfälschen.
Ein wichtiger Mechanismus der Artefaktbildung ist beispielsweise
die Bildung von Aggregate durch verschmelzen oder zusammensintern
einzelner Partikel; ein weiterer die mechanische Zerstörung noch
flüssiger
oder teilverfestigter Partikel beim Auftreffen auf das Substrat
unter Bildung von kleineren Partikeln.
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Die
Vorrichtung kann das heiße
Spritzgut aus dem Spritzstrahl abkühlen und kann dieses weitgehend
verformungsfrei sowie quasi aggregatfrei auffangen. Die im Spritzstrahl
vereinzelt gebildeten festen Partikel können nicht mehr zusammenschmelzen oder
zusammensintern und somit auch keine festen Aggregate bzw. Granulate
mehr bilden.
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Das
Auswerten der Partikeleigenschaften ermöglicht ein Anpassen und Optimieren
von Verfahrensparametern beim Erzeugen des Spritzstrahls mittels
des Spritzgerätes.
Die Vorrichtung lässt
eine individuelle Verfahrens- bzw. Parameteroptimierung eines gegebenen
Spritzgerätes
zu.
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Die
verfahrenstechnischen Parameter können durch Auswertung der Messergebnisse
dahingehend verändert
werden, dass besonders kleine Durchmesser der Partikel erreichbar
sind, oder dass die Partikel eine im Wesentlichen runde Form aufweisen.
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Auch
der Grad der Vereinzelung der Partikel kann gesteuert werden. Das
Spritzverfahren kann dahingehend optimiert werden, dass ein granulares Zusammenhaften,
bzw. aggregieren von Einzelpartikeln in dem Spritzstrahl vermieden
wird.
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Dadurch
können
mittels des thermischen Spritzverfahrens besonders homogene und
belastbare Schichten auf das Substrat aufgebracht werden. Die mittels
des thermischen Spritzverfahrens aufgebrachten Beschichtungen können metallische und/oder
keramische Werkstoffe umfassen. Ebenso können Beschichtungen des Substrats
mit Kunststoffen vorgenommen werden.
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Besonders
feinen und Granulatfreie Pulver können beispielsweise vorteilhaft
als Gleitstoffe und als Rohstoff für Verbundwerkstoffe oder Hochleistungskeramikerzeugnisse
eingesetzt werden. Ebenso können
die Verfahrensgemäß erzeugten
Mikro-, oder Nanopulver als metallische Leitfähigkeitspartikel in Polymeren
oder Klebstoffen eingesetzt werden. Da die Partikel quasi aggregatfrei
bzw. nicht-granular herstellbar sind, können Nano- oder Mikropartikel
in hoher Ausbeute hergestellt und auch in unterschiedliche Kornklassen
fraktioniert werden.
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Erfindungsgemäß ist somit
auch eine Verfahren zur Herstellung von Mikro- oder Nanopartikeln durch
ein thermisches Spritzverfahren erfasst, bei welchem mittels eines
Kühlmoduls
(14) bei einem Spritzgerätes (10), die flüssigen Strahlpartikel
im Spritzstrahl so weit gekühlt
werden, dass sie zu fester Form und Größe erstarren und bei welchem
die abgekühlten
und erstarrten Partikel in einer mit dem Kühlmodul (14) gekoppelten
Auffangeinrichtung (20) quasi aggregatfrei aufgefangen
werden.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, als Mikro- oder Nanopartikel
Verbundwerkstoffe herzustellen. Die thermischen Spritzverfahren,
insbesondere diejenigen welche pulverförmige oder drahtförmige Rohstoffe
verwenden, eignen sich besonders gut zur Herstellung von Verbundwerkstoffen.
Als Rohstoffe werden bevorzugt Metall und Kunststoff zur Bildung
von Metall/Kunststoffverbundwerkstoffen eingesetzt.
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Hierdurch
können
Partikel aus Verbundwerk in Größenordnungen
von Mikro- oder Nanopartikeln erzeugt werden, insbesondere in der
Größenordnung von
200 nm bis 1 μm
und 1 bis 10 μm.
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Bevorzugte
verfahrensgemäß hergestellte Verbundwerkstoffe
sind insbesondere aus Gleitlager-, oder Lagermetalllegierungen und
Polyolefinen, fluorierten Polyolefinen, Polyamid oder Polyester
gebildet werden. Die entsprechenden Nano- oder Mikropartikel, insbesondere
in monomodaler Verteilung und/oder globularer Form oder Morphologie
eigenen sich beispielsweise als Gleitstoffe in Reibpaarungen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche
Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
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1 ein
Kühlmodul,
welches einen mittels eines Spritzgerätes in einem thermischen Spritzverfahren
erzeugten Spritzstrahl bereichsweise umgibt, wobei das Kühlmodul
mit einer Auffangeinrichtung zum Auffangen und Abtrennen der abgekühlten Partikel
aus dem Spritzstrahl verbunden ist; und
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2 eine
perspektivische Ansicht des einen kreiszylindrischen Hohlkörper umfassenden Kühlmoduls
gemäß 1,
welcher Zufuhröffnungen zum
Zuführen
von Wasser als Kühlmedium
aufweist.
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1 zeigt
ausschnittsweise ein Spritzgerät 10 zum
Durchführen
eines thermischen Spritzverfahrens, etwa Lichtbogendrahtspritzen
(LDS) oder Hybrid-Lichtbogendrahtspritzen
(HLDS). Selbstverständlich
können auch
andere thermische Spritzverfahren, wie Plasmaspritzen, Flammspritzen
oder dergleichen in dem Spritzgerät 10 zum Einsatz kommen.
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Beim
Lichtbogendrahtspritzen werden innerhalb des Spritzgerätes 10 zwei
vorliegend nicht gezeigte Drähte
aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien in einem spitzen
Winkel zusammengeführt.
Ein Drahtvorschub kann hierbei über
eine Drahtvorschubeinheit eingestellt werden. Über Drahtführungen werden die zwei Drähte mit
elektrischem Strom beaufschlagt. Beim Zusammenführen der Drähte wird ein Kurzschluss erzeugt.
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Durch
einen Kurzschlussstrom kommt es hierbei lokal zu einer sehr starken
Erwärmung,
das Material der Drähte
verdampft und ein Lichtbogen zündet.
Das durch den Lichtbogen abgeschmolzene Material der Drähte wird
durch einen aus einer Düse tretenden
Gasstrom zerstäubt,
beschleunigt und so ein vorliegend schematisch gezeigter Spritzstrahl 12 eingestellt.
Der Spritzstrahl 12 umfasst vorliegend nicht näher gezeigte
Partikel sowie den ein Trägermedium
darstellenden Gasstrom, und kann als Fluid betrachtet werden.
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Der
Spritzstrahl 12 ist gemäß 1 bereichsweise
von einem Kühlmodul 14 umgeben,
welches einen kreiszylindrischen Hohlkörper 16 umfasst. Der
Hohlkörper 16 ist
hierbei rund 5 mm von einem Brennerkopf des Spritzgerätes 10 beabstandet. Mittels
des Kühlmoduls 14 werden
die Partikel des Spritzstrahls 12 durch Eindüsen eines,
vorliegend Wasser umfassenden, Kühlmediums 18 in
den Hohlkörper 16 abgekühlt.
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Die
abgekühlten
Partikel werden in einer Auffangeinrichtung 20 verformungsfrei
aufgefangen. Ein der Auffangeinrichtung 20 naher Endbereich
des Hohlkörpers 16 ist
hierfür
durch eine Durchtrittsöffnung
in einer Seitenwand der vorliegend im Wesentlichen quaderförmig ausgebildeten
Auffangeinrichtung 20 hindurchgeführt.
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Dem
kreiszylindrischen Hohlkörper 16 wird das
Kühlmedium 18 vorliegend über sechzehn
Zufuhröffnungen 22 zugeführt. Hierbei
sind jeweils vier Zufuhröffnungen 22 außenumfangseitig
und voneinander radial gleichmäßig beabstandet
in dem Hohlkörper 16 ausgebildet.
Das Kühlmedium 18 wird
somit seitlich in den Spritzstrahl 12 eingedüst. Zum
raschen Abkühlen
der Partikel sind die Durchtrittsöffnungen 22 in einem
brennerkopfseitigen Endbereich des Hohlkörpers 16 angeordnet.
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Die
Auffangeinrichtung 20 weist eine Bevorratungseinheit 24 zum
Bevorraten des Kühlmediums 18 auf.
Die Bevorratungseinheit 24 und die Zufuhröffnungen 22 sind
mittels einer vorliegend schematisch gezeigten Verbindungsleitung 26 verbunden.
Die Verbindungsleitung 26 weist eine Pumpeinrichtung 28 auf.
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Der
Hohlkörper 16 ist
vorliegend als Rohr mit einem Durchmesser von 100 mm, einer Wandstärke von
10 mm und einer Länge
von 1000 mm ausgebildet. Eine Hauptzuleitung, welche ein Anschlusselement
zum Anschließen
der Verbindungsleitung 26 aufweist, wird auf vier Zuleitungen
mit einem Durchmesser von jeweils 10 mm aufgeteilt.
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Jede
der vier Zuleitungen ist außenumfangseitig
und im Wesentlichen ringförmig
um den Hohlkörper 16 herum
angeordnet. In jeder der vier Zuleitungen sind vier vorliegend als
T-Stücke
ausgebildete Anschlusselemente angeordnet, welche in die sechzehn
Zufuhröffnungen 22 in
dem Hohlkörper 16 eingesetzt
sind. Die Anschlusselemente weisen hierbei Düsen auf, deren Durchmesser
vorliegend 6 mm beträgt.
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Über die
Düsen wird
das als Kühlmedium 18 dienende
Wasser in den Hohlkörper 16 eingedüst und hierbei
die Partikel in dem Spritzstrahl 12 so abgekühlt, dass
sie beim Auftreffen auf das Umlenkelement 30 in der Auffangeinrichtung 20 keine
plastische Verformung zeigen.
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Selbstverständlich können in
alternativen Ausführungsformen
des Hohlkörpers 16 Öffnungsweiten
der Düsen,
etwa durch geeignete Einsätze, variiert
werden, wobei Durchmesser der Düsen
von beispielsweise 1 mm bis 8 mm einstellbar sein können. Ebenso
kann durch Verändern
des Volumenstroms des Kühlmediums 18 ein
Zerstäuben
des Kühlmediums 18 im
Inneren des Hohlkörpers 16 beeinflusst
werden.
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Auch
können
die Düsen
hierbei als Schlitzdüsen
und/oder als kegelförmige
Düsen ausgebildet sein,
um so ein Aufweiten oder ein Verengen eines in das Innere des Hohlkörpers 16 eindringenden Strahls
des Kühlmediums 18 zu
bewirken.
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Des
Weiteren ist es vorstellbar, die Zufuhröffnungen 22 in einem
dem Spritzgerät 10 zugewandten Endbereich
des Hohlkörpers 16 dichter
anzuordnen, d. h. einen axialen Abstand zwischen den Zufuhröffnungen 22 zu
verkürzen,
um so Partikel beim Eindringen in den Endbereich des Hohlkörpers 16 schneller abzukühlen. Dadurch
kann ein Verformen der Partikel beim Aufprallen auf eine innere
Wandung des Hohlkörpers 16 verringert
werden.
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Ebenso
können
die vorliegend jeweils axial und tangential fluchtend angeordneten
Zufuhröffnungen 22 versetzt
angeordnet werden. Dadurch kann eine besonders flächendeckende
Verteilung der Zufuhröffnungen 22 in
dem Hohlkörper 16 erreicht
werden.
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Die
Bevorratungseinheit 24 ist an einer Unterseite der Auffangeinrichtung 20 angeordnet
und vorliegend als kreiszylindrischer Tank ausgebildet. Durch Führen des
Kühlmediums 18 im
Kreislauf ist ein Auffangen verhältnismäßig großer Mengen
an Partikeln aus dem Spritzstrahl 12 mittels der Auffangeinrichtung 20 ermöglicht.
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Ein
Gemisch aus dem vorliegend Wasser umfassenden Kühlmedium 18 und abgekühlten Partikeln
wird mit Hilfe des Gasstroms als Trägermedium des Spritzstrahls 12 durch
den Hohlkörper 16 bewegt und
in der Auffangeinrichtung 20 aufgefangen. Die Auffangeinrichtung 20 weist
ein vorliegend als Prallplatte ausgebildetes Umlenkelement 30 auf,
welches ein einem Inneren der Auffangeinrichtung angeordnet ist.
Die Prallplatte ist hierbei gegenüber der Seitenwand der Auffangeinrichtung 20 geneigt
ausgerichtet, durch welche der Endbereich des Hohlkörpers 16 geführt ist.
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Ein
Deckel 32 der Auffangeinrichtung 20 weist gemäß 1 eine
Austrittsöffnung 34 auf, über welche
das Trägermedium
des Spritzstrahls 12 aus der Auffangeinrichtung 20 abführbar ist.
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Die
Partikel des Spritzstrahls 12 werden in der Auffangeinrichtung 20 verformungsfrei
aufgefangen. Dadurch ist es ermöglicht,
eine Größenverteilung
der mittels des Spritzgerätes 10 erzeugten
Partikel besonders gut zu bestimmen bzw. einzustellen.
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Betriebsparameter
des Spritzgerätes 10 können hierbei
so angepasst werden, dass die Größenverteilung
der Partikel, ein Durchmesser und/oder Äquivalentdurchmesser der Partikel,
eine Form der Partikel und/oder Agglomerationseigenschaften der Partikel
gezielt beeinflusst werden können.
Dadurch sind Mikropulver und/oder Nanopulver aus Partikeln mit zum
Beschichten von Substraten besonders gut geeigneten geometrischen
und physikalischen Eigenschaften zu erzeugen.
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In
der Auffangeinrichtung 20 wird der mit dem Kühlmedium 18 versetzte
Spritzstrahl 12 auf das Umlenkelement 30 geleitet.
Hierbei wird ein Wasser-Partikel-Gemisch von dem Gasstrom getrennt, und
der als Trägermedium
dienende Gasstrom durch die Austrittsöffnung 34 abgeführt. An
die Austrittsöffnung 34 ist
hierbei ein vorliegend nicht gezeigter Abluftschlauch angeschlossen.
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Die
Auffangeinrichtung 20 besteht aus Edelstahl, wobei der
Deckel 32, die den Endbereich des zylindrischen Hohlkörpers 16 aufnehmende
Seitenwand und das Umlenkelement 30 abnehmbar ausgebildet
sind, um ein Entnehmen einer Probe der Partikel aus der Auffangeinrichtung 20 und
ein Reinigen der Auffangeinrichtung 20 zu erleichtern.
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Der
Deckel 32 und die abnehmbare Seitenwand sind mit selbstklebendem
Dichtband zum Inneren der Auffangeinrichtung 20 hin abgedichtet.
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Die
Pumpeinrichtung 28 kann so betrieben werden, dass ein Volumenstrom
des Kühlmediums 18 von
ca. 0,5 bis 1 Liter pro Sekunde bei einem Druck von 3 bar eingestellt
ist. Die Pumpeinrichtung 28 ist zum Fördern des mit Partikeln versetzten, wässrigen
Kühlmediums 18 geeignet,
wobei eine Korngröße der Partikel
in dem wässrigen
Kühlmedium 18 bis
zu 100 μm
betragen kann, ohne die Pumpeinrichtung 28 zu schädigen.
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Eine
zum Kühlen
der Partikel vorgesehene Menge des Kühlmediums 18 ist vorliegend
so bemessen, dass das Kühlmedium 18 einen
Bodenbereich der Auffangeinrichtung 20, in welchem die
Bevorratungseinheit 24 aufgenommen ist, mit einer Höhe von 5
cm bedeckt.
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Die
Auffangeinrichtung 20 ist gemäß 2 auf einem
Gestell 36 aus Aluminium-Profilträgern angeordnet.
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In
der Auffangeinrichtung 20 können der Bevorratungseinheit 24 zugeordnete,
insbesondere herausnehmbare, Beruhigungselemente vorgesehen sein,
um ein Ausbilden von Wirbeln des Kühlmediums 18 innerhalb
der Auffangeinrichtung 20 und/oder innerhalb der Bevorratungseinheit 24 zu
vermeiden.
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Der
Auffangeinrichtung 20 und/oder der Bevorratungseinheit 24,
kann des Weiteren ein Temperatursensor zugeordnet sein, um eine
Temperatur des Kühlmediums 18 überwachen
und ein Schädigen der
Pumpeinrichtung 28 durch thermische Belastung vermeiden
zu können.
Der Pumpeinrichtung 28 kann eine Filtereinheit vorgeschaltet
sein, um eine Belastung der Pumpeinrichtung 28 mit Partikeln
zu verringern.
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Darüber hinaus
kann die Pumpeinrichtung 28 zum Fördern des Kühlmediums 18 mit einem
größeren als
dem vorliegend beschriebenen Volumenstrom und/oder Druck ausgelegt
sein, wodurch mehr Kühlmedium 18 stärker in
das Innere des Hohlkörpers 16 eingedüst werden
kann. Ebenso kann eine Kühleinheit
zum Kühlen
des Kühlmediums 18 der Pumpeinrichtung 28 vorgeschaltet
sein, um eine thermische Belastung der Pumpeinrichtung 28 zu verringern.
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Im
Bereich der Austrittsöffnung 34 im
Deckel 32 der Auffangeinrichtung 20 kann ein Kontrollelement,
etwa ein Druckausgleichsventil, angeordnet sein, um ein Absaugen
von Abluft kontrollieren und variieren zu können.
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Je
nach Ausgangsmaterial, welches dem Spritzgerät 10 zum Erzeugen
des Spritzstrahls 12 zugeführt wird, kann eine Größenverteilung
der abgekühlten
Partikel bestimmt bzw. eingestellt werden, bei welcher ein Maximum
einer Verteilungsdichtekurve in einem Bereich zwischen 20 μm und 63 μm oder in
einem Bereich zwischen 3 μm
und 5 μm
zu liegen kommen kann. Zum Abscheiden der abgekühlten Partikel aus dem Kühlmedium 18 können Siebe und/oder
geeignete Filtermaterialien vorgesehen werden.
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Die
mittels der beschriebenen Vorrichtung generierbaren Partikel aus
Metall, Keramik oder Metall/Keramikverbunden, beispielsweise Cermets, können unter
anderem für
Gleitlager oder zum Beschichten von Stählen verwendet werden. Insbesondere
können
Oxide von Zirkon, Aluminium und Silizium, beispielsweise ZrO2, Al2O3,
SiO2, sowie auf diesen Oxiden basierende
keramische Werkstoffe mit gewünschten
Größenverteilungen
und Morphologien der Partikel hergestellt werden.