DE102008006690A1 - Gesinterter Hohlkörper - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft gesinterte Hohlkörper, bei denen ein Hohlraum von einer metallischen oder keramischen Schale umschlossen ist. Aufgabe der Erfindung ist es, 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. Bei einem erfindungsgemäßen gesinterten Hohlkörper ist die Schale so ausgebildet, dass an der Oberfläche des Hohlkörpers mindestens ein Konturelement mit der Schale ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft gesinterte Hohlkörper, bei denen ein Hohlraum von einer metallischen oder keramischen Schale umschlossen ist.
  • 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.
  • 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.
  • Durch den Einsatz von Polystyrolgranulat, in dem zusätzlich noch Treibmittel enthalten sein sollte, können lediglich begrenzte maximale Außendurchmesser erreicht werden.
  • 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.
  • 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.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Für viele Applikationen ist es auch günstig, Konturelemente über die gesamte Oberfläche gleichmäßig verteilt angeordnet auszubilden.
  • 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.
  • 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.
  • An erfindungsgemäßen Hohlkörpern besteht die Möglichkeit, die Schale mit einer konstanten Schichtdicke auszubilden, was auch auf die Teile zutrifft, die Konturelemente bilden.
  • Im Gegensatz zu den bekannten Hohlkugeln weisen erfindungsgemäße Hohlkörper eine größere Oberfläche, bei lediglich geringfügig erhöhter Eigenmasse auf.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
  • Dabei zeigt:
  • 1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Hohlkörpers.
  • 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.
  • 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.
  • Die Oberfläche konnte so im Vergleich zu einer Hohlkugel um den Faktor zwei vergrößert werden.
  • Die radial äußeren Spitzen der Konturelemente 2 sind scharfkantig.
  • Im Inneren ist ein Hohlraum ausgebildet, der auch bereichsweise innerhalb von Konturelementen 2 ausgebildet ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 0300543 B1 [0002]
    • - DE 19929760 A1 [0002]

Claims (18)

  1. Gesinterter Hohlkörper, bei dem ein Hohlraum von einer metallischen oder keramischen Schale umschlossen ist und die Schale so ausgebildet ist, dass an der Oberfläche des Hohlkörpers (1) mindestens ein Konturelement (2) mit der Schale ausgebildet ist.
  2. Hohlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Konturelement(e) (2) zumindest bereichsweise abweichend von einer sphärisch gekrümmten Form ausgebildet ist/sind.
  3. Hohlkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am/an Konturelement(en) (2) mindestens eine Kante oder Spitze, die einen Winkel ≤ 120° einschließt, ausgebildet ist.
  4. Hohlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Konturelemente (2) über die gesamte Oberfläche gleichmäßig verteilt ausgebildet sind.
  5. Hohlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Konturelement(e) (2) kegel-, kegelstumpf-, pyramiden-, pyramidenstumpf-, zylinderförmig oder mit mehreckigem Querschnitt ausgebildet sind.
  6. Hohlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Konturelemente (2) äquidistant zueinander angeordnet und/oder mit ihren mittleren Längsachsen in jeweils glei chen Winkelabständen zueinander ausgerichtet sind.
  7. Hohlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedlich gestaltete und/oder dimensionierte Konturelemente (2) vorhanden sind.
  8. Hohlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Konturelement(e) (2) in ihrem Inneren teilweise hohl ausgebildet sind und der innen hohle Bereich von Konturelement(en) (2) mit dem von der Schale umschlossenen Hohlraum kommuniziert.
  9. Hohlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale eine konstante Schichtdicke aufweist.
  10. Hohlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Konturelemente (2) in Form von Erhebungen und/oder Vertiefungen ausgebildet sind.
  11. Hohlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass komplementär ausgebildete Konturelemente ausgebildet sind.
  12. Hohlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung versehen ist.
  13. Hohlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Konturelement (2) einen Grundkörper (1') des Hohlkörpers (1) mit mindestens dem 0,2-fachen des äußeren Durchmessers des Grundkörpers (1') überragt.
  14. Hohlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Hohlkörper (1) mit der Oberfläche eines Substrates stoffschlüssig verbunden ist.
  15. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Form der Außenkontur eines herzustellenden Hohlkörpers (1) aufweisender Formköper aus einem polymeren Werkstoff mit einer Suspension, in der Metall- oder Keramikpulver und mindestens ein Binder enthalten sind, beschichtet und anschließend eine Wärmebehandlung zum Trocknen, dem Pyrolisieren der organischen Bestandteile und dem Sintern des Metall- oder Keramikpulvers unterzogen wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch Spritzgießen hergestellter Formkörper eingesetzt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formkörper aus einem polymeren Werkstoff eingesetzt wird, der bei einer Temperatur unterhalb von 350°C pyrolisierbar ist.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Hohlkörper (1) mit der Oberfläche eines Substrates stoffschlüssig durch Sintern verbunden wird.
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