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Die
Erfindung betrifft gesinterte Hohlkörper, bei denen ein
Hohlraum von einer metallischen oder keramischen Schale umschlossen
ist.
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Möglichkeiten
für die Ausbildung und Herstellung unterschiedlicher metallischer
oder keramischer Hohlkugeln sind aus
EP 0 300 543 B1 sowie
DE 199 29 760 A1 bekannt.
Bei der Herstellung wird dabei so vorgegangen, dass ein Granulat,
das mit treibmittelhaltigem Polystyrolgranulat gebildet ist, mit einer
Suspension, in der neben einem Binder auch pulverförmiges
Metall oder pulverförmige Keramik enthaltend sind, beschichtet
wird. Im Anschluss an diese Beschichtung wird eine mehrstufige Wärmebehandlung
durchgeführt, bei der ein so beschichtetes Granulat getrocknet
und nachfolgend dann durch Pyrolysierung das Polystyrolgranulat
entfernt und bei etwas höheren Temperaturen dann das pulverförmige
Metall oder die Keramik versintert werden. So können vollständig
sphärische Hohlkugeln hergestellt werden. Die Schalen so
hergestellter Hohlkugeln können aus unterschiedlichen Metallen
oder Metalllegierungen aber auch aus verschiedensten Keramiken hergestellt
werden. Schalen können dabei mehr oder weniger porös
oder relativ dicht versintert werden. Es wird aber immer eine nahezu
vollständige sphärische Außenkontur an
solchen Hohlkugeln ausgebildet.
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Eine
solche Außenkontur hat für viele Anwendungen vorteilhafte
Eigenschaften und so können unterschiedlichste Applikationen
erschlossen werden. Diese sind jedoch begrenzt durch die vollständig
sphärische Außenkontur und es hat sich herausgestellt,
dass diese Formen für bestimmte ausgewählte Anwendungsgebiete
jedoch Defizite aufweisen und dadurch der Einsatz mehr oder weniger
eingeschränkt bzw. vollständig verhindert wird.
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Durch
den Einsatz von Polystyrolgranulat, in dem zusätzlich noch
Treibmittel enthalten sein sollte, können lediglich begrenzte
maximale Außendurchmesser erreicht werden.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, gesinterte Hohlkörper
zur Verfügung zu stellen, deren äußere Form
von einer vollständig sphärischen abweicht und dadurch
neue Anwendungsgebiete erschlossen werden können oder für
Anwendungen verbesserte Eigenschaften erreichbar sind.
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Erfindungsgemäße
wird diese Aufgabe mit einem gesinterten Hohlkörper, der
die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Er kann
mit einem Verfahren nach 15 hergestellt werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können
mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen
erreicht werden.
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Die
erfindungsgemäßen gesinterten Hohlkörper
sind dabei mit einer metallischen oder keramischen Schale ausgebildet,
die, wie auch bei Hohlkugeln einen Hohlraum umschließt.
Dabei ist aber im Gegensatz zu den Hohlkugeln an der Oberfläche
des erfindungsgemäßen Hohlkörpers mindestens
ein Konturelement mit der Schale ausgebildet. Dadurch ist zumindest
in dem Bereich, in dem ein Konturelement ausgebildet ist, eine von
einer sphärischen Außenkontur abweichende Form
gegeben, wobei dies lediglich eine Abweichung des Radius eines Konturelements
sein kann. Erfindungsgemäß besteht aber auch die
Möglichkeit, an Hohlkörpern Konturelemente auszubilden,
die zumindest bereichsweise abweichend von einer sphärisch
gekrümmten Form ausgebildet sind.
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Bei
einer letztgenannten Ausführungsform kann an Konturelementen
mindestens eine Kante oder Spitze ausgebildet sein. Solche Kanten
oder Spitzen können dann einen Winkel ≤ 120° einschließen.
Es sind aber auch deutlich kleinere Winkel möglich und
bei der Herstellung erfindungsgemäßer gesinterter
Hohlkörper erreichbar. So können die Winkel auch
deutlich kleiner als 90° und bis hin zu Winkeln im Bereich
zwischen 5 und 10° an Konturelementen ausgebildet werden.
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Konturelemente
können in unterschiedlichsten geometrischen Gestaltungsformen
ausgebildet werden, wie dies beispielsweise kegel-, kegelstumpf-,
pyramiden-, pyramidenstumpf-, zylinderförmige oder auch
Konturelemente mit mehreckigen Querschnitten sind. Insbe sondere
bei zylinderförmig ausgebildeten Konturelementen kann eine
Abweichung von einer sphärisch gekrümmten Form
lediglich entlang einer Achse ausgebildet sein.
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An
einem erfindungsgemäßen Hohlkörper können
in bevorzugter Ausführung Konturelemente äquidistant
zueinander angeordnet und/oder mit ihren mittleren Längsachsen
in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander ausgerichtet
sein. So können beispielsweise die mittleren Längsachsen
von kegel-, kegelstumpf-, pyramiden-, pyramidenstumpf- oder zylinderförmigen
Konturelementen mit einer solchen Ausrichtung ihrer mittleren Längsachsen
an einem Hohlkörper ausgebildet sein.
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Für
viele Applikationen ist es auch günstig, Konturelemente über
die gesamte Oberfläche gleichmäßig verteilt
angeordnet auszubilden.
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An
einem Hohlkörper können aber auch unterschiedlich
gestaltete und/oder dimensionierte Konturelemente vorhanden sein.
So können beispielsweise Erhebungen und/oder Vertiefungen
als Konturelemente an einem Hohlkörper ausgebildet worden
sein. In diesem Fall können also an Hohlkörpern
Erhebungen und Vertiefungen vorhanden sein, die dann auch komplementär
ausgebildet werden können. Damit besteht die Möglichkeit
zwei oder mehr solcher Hohlkörper in einem formschlüssigen Verbund
zu halten, indem eine komplementär ausgebildete Erhebung
in die entsprechende Vertiefung eines weiteren Hohlkörpers
eingeführt worden ist. Dadurch kann eine Stapelung einer
Mehrzahl von so ausgebildeten Hohlkörpern erreicht werden.
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Wie
nachfolgend noch auszuführen sein wird, können erfindungsgemäße
gesinterte Hohlkörper auch so hergestellt werden, dass
im Inneren von Konturelementen ebenfalls hohle Bereiche vorhanden
sind und diese teilweise hohlen Bereiche von Konturelementen dann
mit dem Hohlraum, der im Wesentlichen von der Schale umschlossen
ist, kommunizieren. Es kann so also ein dementsprechend gestalteter
Gesamthohlraum innerhalb eines erfindungsgemäßen
Hohlkörpers vorhanden sein.
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An
erfindungsgemäßen Hohlkörpern besteht die
Möglichkeit, die Schale mit einer konstanten Schichtdicke
auszubilden, was auch auf die Teile zutrifft, die Konturelemente
bilden.
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Im
Gegensatz zu den bekannten Hohlkugeln weisen erfindungsgemäße
Hohlkörper eine größere Oberfläche,
bei lediglich geringfügig erhöhter Eigenmasse
auf.
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Dies
ermöglicht einen günstigeren Einsatz für
katalytische Anwendungen in verschiedensten Bereichen, wobei dann
eine katalytisch wirksame Beschichtung auf der Oberfläche
von Hohlkörpern vorhanden sein kann.
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Durch
die Konturierung der Oberfläche erfindungsgemäßer
Hohlkörper kann aber auch, wie bereits angedeutet worden
ist, durch die Formgebung ein gewisser Halt einer Vielzahl nebeneinander
oder auch übereinander angeordneter Hohlkörper
allein durch ein Verhaken oder Formschluss ein festerer Halt erreicht
werden.
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Bei
der Herstellung erfindungsgemäßer Hohlkörper
kann in ähnlicher Form vorgegangen werden, wie dies für
die Herstellung von Hohlkugeln aus dem Stand der Technik bekannt
ist. Im Gegensatz zu den bekannten technischen Lösungen
wird aber ein Formkörper aus einem polymeren Werkstoff eingesetzt,
dessen Außenkon tur der Außenkontur des herzustellenden
Hohlkörpers entspricht. Bei der Dimensionierung eines solchen
polymeren Formkörpers ist lediglich die bei einer Sinterung
auftretende Schwindung zu berücksichtigen.
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Die
polymeren Formkörper werden dementsprechend mit einer Suspension,
die mindestens aus einem Binder und einem Metall oder Keramikpulver gebildet
ist, beschichtet. In einer solchen Suspension können aber
auch weitere Bestandteile, wie beispielsweise eine Flüssigkeit
zusätzlich enthalten sein.
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Nach
dem Beschichten erfolgt mit einer Wärmebehandlung, die
auch in mehreren Stufen bei unterschiedlichen Temperaturen und in
unterschiedlichen Atmosphären durchgeführt werden
kann, ein Trocknen, ein Pyrolisieren der organischen Bestandteile
(der polymere Werkstoff des Formkörpers, gegebenenfalls
auch ein organischer Binder) und nachfolgend an die Pyrolisierung
eine Sinterung des jeweiligen Pulvers.
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Dabei
ist es möglich, Hohlkörper mit einer vollständig
geschlossenen Schale, also auch in Bereichen, an denen Konturelemente
ausgebildet sind, zu erhalten. Die Dichte und Porosität
einer durch Sinterung erhaltenen Schale von Hohlkörpern
kann durch geeignete Auswahl des jeweiligen Pulvers unter Berücksichtigung
seines Sinterverhaltens und insbesondere unter Auswahl einer demgemäßen
mittleren Partikelgröße des eingesetzten Pulvers
beeinflusst werden. So bilden fein vermahlene Pulver sehr dichte
Schalen, die eine äußerst geringe Porosität aufweisen,
aus.
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Die
für die Herstellung einzusetzenden polymeren Formkörper
können mit unterschiedlichsten Technologien hergestellt
und in die gewünschte Form gebracht werden, wobei dabei
das Spritzgießen bevorzugt ist.
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Günstig
ist es außerdem zur Herstellung von Formkörpern
polymere Werkstoffe einzusetzen, die bei einer Temperatur unterhalb
von 350°C pyrolisierbar sind und diese Temperatur deutlich
unterhalb der Temperatur zum Pyrolisieren des aus der Hohlkugelherstellung
bekannten Polystyrols liegt. Geeignete Polymere sind beispielsweise
Polyurethane, die auch durch Spritzgießen in die gewünschte
Form für Formkörper gebracht werden können.
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Für
die Herstellung können für die Sinterung geeignete
Metalle, Metalllegierungen oder Keramiken eingesetzt werden. Es
besteht auch die Möglichkeit Mischungen davon einzusetzen.
In diesem Fall können geeignete Schmelztemperaturen der
Metalle und/oder Keramiken gewählt werden. Legierungen können
eutektisch sein, um die für die Sinterung erforderliche
Temperatur abzusenken.
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Ein
erfindungsgemäßer Hohlkörper kann ein oder
mehrere Konturelemente aufweisen, die einen Grundkörper überragen.
Dabei kann ein Konturelement den Grundkörper mit einer
Höhe überragen, die mindestens dem 0,2-fachen,
bevorzugt dem 0,5-fachen des Außendurchmessers eines Grundkörpers entspricht.
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Hohlkörper
können miniaturisiert sein, und eine maximale Größe
von 3 bis 6 mm aufweisen, wobei dies auch den Abstand äußerer
Enden, Stirnflächen oder Stirnkanten von Konturelementen,
die diametral gegenüberliegend bzw. zumindest nahezu so an
einem Hohlkörper ausgebildet sind, betreffen kann.
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Erfindungsgemäße
Hohlkörper können auch an einer O berfläche
eines Substrats stoffschlüssig befestigt werden. Dies kann
z. B. durch eine Klebverbindung erreicht werden. Günstig
ist es aber eine solche stoffschlüssige Verbindung ebenfalls
durch Sintern herzustellen. Dabei können ein Substrat und mindestens
ein Hohlkörper als Grünkörper eingesetzt
und gemeinsam gesintert werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit
ein fertiges Substrat mit mindestens einem Hohlkörper zu
verbinden, indem bevorzugt eine Suspension, in der der Werkstoff
mit dem der/die Hohlkörper gebildet ist, enthalten ist,
auf die jeweiligen Oberflächenbereiche aufgebracht wird. Dann
Hohlkörper auf die Oberfläche aufgelegt und dabei
ggf. eine Druckkraft beim Sintern ausgeübt wird. Das Substrat
kann so als Träger für Hohlkörper eingesetzt
werden.
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Nachfolgend
soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert
werden.
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Dabei
zeigt:
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1 ein
Beispiel eines erfindungsgemäßen Hohlkörpers.
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Bei
dem in 1 gezeigten Beispiel sind an dem Hohlkörper 1 eine
Vielzahl gleicher Konturelemente 2 ausgebildet. Sie sind
kegelförmig gestaltet und weisen eine radial nach außen
gerichtete Spitze auf. Der Grundkörper 1' des
Hohlkörpers 1 ist hier kugelförmig gestaltet.
Die Konturelemente 2 sind mit ihrer Basis am Grundkörper 1' äquidistant
zueinander angeordnet. Die mittleren Längsachsen der Konturelemente 2 sind
in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander ausgerichtet.
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Der
Grundkörper 1' weist bei diesem Beispiel einen Außendurchmesser
von 2,5 mm auf. Die Konturelemente 2 ragen darüber
mit einer Höhe von 1,5 mm hinaus. Es sind hier achtzehn
Konturelemente 2 ausgebildet. Die Konturelemente 2 weisen
an ihrem Fuß, also in Höhe des Außenradius
des Grundkörpers 1' einen Durchmesser von 0,6
mm auf.
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Die
Oberfläche konnte so im Vergleich zu einer Hohlkugel um
den Faktor zwei vergrößert werden.
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Die
radial äußeren Spitzen der Konturelemente 2 sind
scharfkantig.
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Im
Inneren ist ein Hohlraum ausgebildet, der auch bereichsweise innerhalb
von Konturelementen 2 ausgebildet ist.
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Bei
der Herstellung wurde ein polymerer Formkörper, der die
gleiche Außenkontur, wie der herzustellende Hohlkörper
aufwies, eingesetzt. Es wurde Polyurethan im Kunststoffspritzgussverfahren für
die Herstellung der Formkörper eingesetzt.
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Bei
der Herstellung des Hohlkörpers 1 wurde der Formkörper
mit einer wässrigen Suspension von PVA (Binder) und Eisenpulver
beschichtet. Dann die Wärmebehandlung, bei der bei Temperaturen
unterhalb 400°C durch Pyrolyse die organischen Bestandteile,
also auch der polymere Formkörper entfernt. Bei höheren
Temperaturen erfolgte dann die Sinterung und der Hohlkörper 1,
wie in 1 gezeigt, konnte fertig gestellt werden.
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Er
wies, obwohl, wie aus den vorab angegebenen Maßen, eigentlich
nicht zu erwarten, eine geschlossene Schale mit den Konturelementen 2,
die einen inneren Hohl raum umschließen, auf. Trotz der erreichten
Miniaturisierung des „igelförmigen" Hohlkörpers 1,
war auch eine ausreichende Festigkeit gegeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0300543
B1 [0002]
- - DE 19929760 A1 [0002]