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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kontaktmaterialstücken von Vakuumschaltröhren.
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Bei aus dem landläufigen Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung von Kontaktmaterialstücken von Vakuumschaltröhren werden die Kontaktmaterialstücke beispielsweise in einem Sinterprozess, durch Heißpressen, oder durch Gießen und Umformen hergestellt. Die Kontaktmaterialstücke sind dabei üblicherweise aus verschiedenen metallischen Komponenten aufgebaut, von denen eine Komponente eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und eine weitere Komponente eine hohe mechanische und thermische Belastbarkeit aufweist, beispielsweise Kupfer als erste Komponente und Chrom als zweite Komponente. Derartige Kontaktmaterialstücke werden beispielsweise in Vakuumschaltröhren als Kontaktscheiben auf einem Kontaktträger oder als Kontaktträger selbst eingesetzt und benötigen einerseits sehr gute elektrische Leitfähigkeitseigenschaften, um einen über die Vakuumschaltröhre geführten Strom führen zu können, und andererseits gute Eigenschaften bezüglich der mechanischen und thermischen Belastbarkeit, weil bei Schaltvorgängen in einer Vakuumschaltröhre Lichtbögen entstehen, welche zu einer großen thermischen Belastung der Kontaktmaterialstücke führen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Kontaktmaterialstücken für Vakuumschaltröhre anzugeben, mit welchem eine schnelle und kostengünstige Herstellung ermöglicht ist.
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Erfindungsgemäß gelöst wird dies durch ein Verfahren zur Herstellung von Kontaktmaterialstücken für Vakuumschaltröhren, umfassend die Schritte:
- a) Aufbringen einer ersten Schicht aus Metallpulver auf einen Träger;
- b) Selektives Schmelzen der aufgebrachten Schicht mittels energiereicher Strahlung;
- c) Verdichten und Erstarren der Schicht;
- d) Absenken der Schicht um eine durch die energiereiche Strahlung aufschmelzbare Schichtdicke; und
- e) Aufbringen einer weiteren Schicht aus Metallpulver auf die erstarrte erste Schicht, sowie
Wiederholen der weiteren Verfahrensschritte b) bis e) bis zum Ausbilden eines Kontaktmaterialstückes,
wobei das Metallpulver mindestens zwei Komponenten aufweist, von denen eine erste eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und eine zweite über hohe mechanische und thermische Belastbarkeit verfügt.
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Ein derartiges Verfahren ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Herstellung von Kontaktmaterialstücken für Vakuumschaltröhren, weil bei diesem Verfahren Schritt für Schritt bzw. Schicht für Schicht eines Kontaktmaterialstückes durch Aufbringen einer Pulverschicht und selektives Schmelzen dieser Metallpulverschicht durch eine energiereiche Strahlung ausgebildet wird. Schmelzen im Sinne der vorliegenden Erfindung kann dabei ein vollständiges Aufschmelzen oder auch ein selektives Anschmelzen oder Sintern sein. Als energiereiche Strahlung kann besonders bevorzugt ein Laserstrahl angewendet werden, allerdings sind auch andere energiereiche Strahlungsquellen wie beispielsweise Elektronenstrahlen oder dergleichen denkbar, welche zu einem selektiven Schmelzen der aufgebrachten Schicht aus Metallpulver führen. Das Verdichten vor dem Erstarren kann dabei unterschiedlich geschehen, beispielsweise bei vollständig aufgeschmolzener Schicht unter dem Einfluss der Schwerkraft durch Aufgabe der Kugelanordnung der Teilchen der Pulverschicht, oder bei lediglich angeschmolzenen Teilchen durch Diffusionseffekte. Je nach Art und Energiedichte der Strahlung kann der Strahl angepasst fokussiert oder defokussiert verwendet werden bzw. es kann der Primärstrahl in mehrere Teilstrahlen aufgespalten werden, um die Herstellungsgeschwindigkeit noch weiter zu erhöhen.
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Die Schichtdicke hängt neben der Art der verwendeten Strahlung und der Verfahrgeschwindigkeit des Strahls hauptsächlich von der Korngröße der verwendeten metallischen Pulver ab. Die typischerweise aufgebrachte Schichtdicke liegt zwischen 20 und 250 µm, entsprechend wird die aufgeschmolzene und erstarrte Schicht um 20 bis 250µm abgesenkt, bevor die nächste Schicht aufgebracht und aufgeschmolzen wird. Bei Verwendung von Feinpulvern wird typischerweise eine Schichtdicke von 20 bis 100 µm bevorzugt angewendet.
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Die durch die Strahlung aufgeschmolzene oder gesinterte Zone muss dicker sein als die Schichtdicke der frisch aufgebrachten Pulverschicht, damit beim Schmelzen bzw. Sintern der obersten Schicht auch entsprechend eine stoffschlüssige Verbindung mit der darunter liegenden, vorherigen Schicht ausgebildet wird.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Kontaktmaterialstück ein Kontaktstück, wobei der Schritt b) des selektiven Schmelzens entsprechend vorgegebener Geometriedaten des herzustellenden Kontaktstückes ausgeführt wird. Mit anderen Worten dienen bei den Verfahren zur Herstellung von Kontaktstücken als Kontaktmaterialstücken CAD-Daten zur Ansteuerung des Laserstrahls, so dass dieser selektiv entsprechend der auszuformenden Geometrie des Kontaktstückes das Metallpulver aufschmilzt, wodurch ein dreidimensionales „Rapid Manufacturing“-Verfahren zur Herstellung von Kontaktstücken realisiert ist. Vorteilhafterweise geschieht durch dieses Verfahren direkt die Endfertigung von Kontaktstücken, bei denen keine weitere Nachbearbeitung mehr nötig ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist der der Träger, auf welchem die erste Pulverschicht aufgebracht wird, ein metallisches Vollmaterial, auf welchem eine dünne Schicht aus Kontaktmaterial erzeugt wird. Die Schichtdicke beträgt dabei typischerweise 0,5 mm bis 2 mm. Dadurch läßt sich auf einfache und kostengünstige Weise ein zweiteiliges Kontaktstück erzeugen, welches vorteilhafte mechanische (z. B. Festigkeit, Bruchdehnung) und prozesstechnische Eigenschaften (z. B. Lötbarkeit) aufweist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist der Träger, auf welchem die erste Pulverschicht aufgebracht wird, ein Schaltkontaktträger. Ein Schaltkontaktträger im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dabei der Schaltkontaktträger, welcher direkt in der Vakuumschaltröhre eingesetzt ist und als Stromzuführungsbolzen zum Schaltkontakt verwendet wird, so dass das Kontaktmaterial durch das erfindungsgemäße Verfahren direkt auf diesen Träger aufgebracht wird und weitere Verfahrensschritte zum Verbinden eines Kontaktstückes mit einem Schaltkontaktträger der Vakuumschaltröhre vorteilhafter Weise entfallen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Anteil der ersten Komponente und der zweiten Komponente des Metallpulvers beim Aufbringen der Schicht veränderlich. Durch derartige veränderliche Anteile der ersten Komponente und der zweiten Komponente des Metallpulvers beim Aufbringen der Schicht sind somit Eigenschaften des Kontaktmaterialstückes bzw. des Kontaktstückes entsprechend seiner Verwendung bzw. entsprechend für die jeweiligen Schicht notwendigen Eigenschaften gezielt einstellbar, weil insbesondere beim Aufbringen der jeweiligen Schicht aus Metallpulver deren Zusammensetzung entsprechend der Position der Schicht innerhalb des Kontaktmaterialstückes speziell durch Variierung des jeweiligen Anteils der ersten bzw. der zweiten Komponente entsprechend verändert werden kann. So kann beispielsweise bei der untersten, zuerst erzeugten Schicht ein hoher Anteil an Metallpulver der ersten Komponente mit hoher elektrischer Leitfähigkeit verwendet werden, wohingegen bei der zuletzt erzeugten Schicht ein hoher Anteil der zweiten Komponente mit hohen mechanischen und thermischen Belastbarkeitseigenschaften von Vorteil sein kann, und bei dazwischen angeordneten Schichten kann der Anteil der verschiedenen Komponenten entsprechend graduell verändert werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind der Pulverschicht vor dem Verfahrensschritt b) des selektiven Schmelzens weitere Komponenten zuführbar. Derartige weitere Komponenten wie beispielsweise Tellur, Nickel, Zirkon, Metalloxide, oder auch leicht oxidierbare Füllstoffe, beispielsweise Graphit, Kohlefasern, Kohlenstoffnanofasern, wenn das Verfahren unter Schutzgas oder im Vakuum stattfindet, sind mit diesem Herstellungsverfahren in einfacher Weise verarbeitbar und ermöglichen die Einstellung der Eigenschaften der Kontaktmaterialstücke entsprechend der vorgegebenen Verwendungszwecke.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die energiereiche Strahlung zur Analyse der hergestellten Kontaktmaterialstückes verwendet. Typischerweise lassen sich die Strahlen durch einfache Anpassung (z. B. Verringerung der Leistung) so modifizieren, dass sie zur nicht-zerstörenden, bildgebenden Analyse der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Kontaktmaterialstücke verwendet werden können, beispielsweise bei der Verwendung von Laserstrahlen als energiereicher Strahlung als Profilometer zur Bewertung der Oberflächenrauheit oder im Fall von Elektronenstrahlen als Elektronenmikroskop.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 bis 4 eine schematische Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Kontaktmaterialstücken in verschiedenen Verfahrensschritten.
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1 zeigt einen Träger 1, welcher in einer lediglich schematisch dargestellten Aufnahmevorrichtung 2 gehalten und aufgenommen ist. Der Träger 1 kann dabei unterschiedlich ausgebildet sein, beispielsweise rotationssymmetrisch, wenn scheibenförmige Kontaktmaterialstücke oder Kontaktstücke für Vakuumschaltröhren direkt hergestellt werden sollen. Der Träger 1 kann dabei auch direkt durch einen Kontaktanschlussbolzen einer Vakuumschaltröhre gebildet sein, so dass beim weiteren Fertigungsprozess der Vakuumschaltröhre z. B. auch das Verlöten von Kontaktstück mit Kontaktanschlussbolzen entfällt, weil das Kontaktstück hier direkt auf dem Kontaktanschlussbolzen aufgebracht und mit diesem stoffschlüssig verbunden ist. Aus einem Vorratsbehälter 3 wird über eine Pulverzuführung 4 (beispielsweise eine Rolle oder ein Rakel), wie in der 2 dargestellt, eine erste Schicht 5 aus Metallpulver auf den in der Aufnahmevorrichtung 2 aufgenommenen Träger 1 aufgebracht. Der Vorratsbehälter 3 weist dabei zwei oder auch mehrere Kammern auf, in welchen unterschiedliche Materialen bzw. Pulvermischungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen enthalten sind, wobei mindestens eine erste Komponente mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, beispielsweise Kupfer in Pulverform in einer der Kammern vorgesehen ist, und beispielsweise Chrom als zweite Komponente mit hoher mechanischer und thermischer Belastbarkeit in einer zweiten Kammer vorgesehen ist und entsprechend einer figürlich nicht weiter ausgeführten Steuerung Material aus dem Vorratsbehälter 3 bzw. der einzelnen Kammern entsprechend den Anforderungen an das zu erzeugende Kontaktmaterialstück über die Pulverzuführung 4 auf den Träger 1 aufgebracht wird. Dabei können die unterschiedlichen Komponenten in unterschiedlichen Zusammensetzungen in der jeweils zu erzeugenden Schicht 5 aufgebracht werden, um so beispielsweise einen graduellen Übergang von geringem Chromgehalt in der ersten erzeugten Schicht 5 zu hohem Chromgehalt in der letzen erzeugten Schicht auszubilden.
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Durch Vormischen der Metallpulver oder durch die Verwendung von Core-Shell-Partikeln lassen sich auf einfache Weise homogen zusammengesetzte Pulverschichten auftragen. Ebenso können den Pulvermischungen in den Vorratsbehältern auch weitere vorteilhafte Zuschlagstoffe (wie z. B. Tellur, Nickel, Zirkon, Metalloxide) beigemischt werden.
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Da der erfindungsgemäße Prozess typischerweise unter Schutzgas oder Vakuum stattfindet sind leicht oxidierbare Füllstoffe (z. B. Graphit, Kohlefasern, Kohlenstoffnanofasern) mit diesem Herstellungsverfahren ohne weiteren Aufwand verarbeitbar.
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Eine typische Dicke der Schicht 5 liegt dabei zwischen 20 und 250 µm, besonders vorteilhaft zwischen 20 und 100 µm, je nach verwendeten Komponenten und der Energiedichte der energiereichen Strahlung. In 3 schematisch dargestellt ist der selektive Aufschmelzschritt der aufgebrachten Schicht 5 aus Metallpulver mittels energiereicher Strahlung, im Ausführungsbeispiel durch Laserstrahlung, an welchen Aufschmelzprozess sich der Schritt des Erstarrens der Schicht 5 und der weitere Schritt des Absenkens der Schicht 5 um eine durch die energiereiche Strahlung aufschmelzbare Dicke anschließen, derart, dass nach Absenken der Schicht 5 um diese durch die energiereiche Strahlung aufschmelzbare Dicke eine weitere Schicht aus Metallpulver auf die bereits aufgeschmolzene und erstarrte erste Schicht aus Metallpulver aufgebracht und wiederum mittels der energiereichen Strahlung aufgeschmolzen werden kann, wobei gleichzeitig eine stoffschlüssige Verbindung mit der darunter liegenden Schicht erzeugt wird, wie in den 2 bis 4 dargestellt.
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Die Verwendung eines Lasers oder eines Elektronenstrahls als energiereiche Strahlung zum Schmelzen der aufgebrachten Metallpulverschichten ermöglicht dabei insbesondere in einfacher Weise auch eine Ansteuerung mittels CAD-Daten, um dadurch beim Aufschmelzprozess bereits die auszuformende Geometrie eines Kontaktstückes für eine Vakuumschaltröhre in einfacher Weise zu realisieren, ohne insbesondere spätere aufwändige spanende oder andere Umformungsprozesse zu benötigen. Durch die Auslenkung des Strahls mittels Spiegeln oder elektromagnetischen Feldern kann so beispielsweise eine ggfs. notwendige Schlitzung des Kontaktstückes für AMF- oder RMF-Kontaktsysteme von Vakuumschaltröhren ausgebildet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Träger
- 2
- Aufnahmevorrichtung
- 3
- Vorratsbehälter
- 4
- Pulverzuführung
- 5
- Schicht
- 6
- Laser- oder Elektronenstrahl
- 7
- Spiegel
