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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Kontaktkörper gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Vakuumschaltröhren werden in der Energietechnik für Mittel- und Hochspannungs-Schaltanlagen verwendet. Kontaktsysteme von Vakuumschaltröhren bestehen aus einem Kontaktträger und beispielsweise einer darauf aufgelöteten Kontaktscheibe, und zwar bei Platten-Kontakten, Axialmagnetfeld-Kontakten und Spiralkontakten, oder einer aufgelöteten Kontaktringscheibe, und zwar insbesondere bei Topfkontakten. Üblicher Weise werden Kupfer bzw. Kupferlegierungen als Kontaktträgermaterial verwendet. Für die Kontaktscheiben oder Kontaktscheibenringe werden Werkstoffverbunde aus verschiedenen Materialien verwendet, wie es beispielsweise CuCr oder WCu oder WCCu oder Wag oder WCAg sind.
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Herkömmlicher Weise erfolgt eine Herstellung von Kontaktscheiben bzw. Kontaktstücken und ggf. Kontaktscheibenringen mit Hilfe pulvermetallurgischer oder lichtbogenschmelztechnischer Verfahren. Die für die Schalteigenschaften der Kontaktscheiben bzw. Kontaktscheibenringe erforderlichen Oberflächenstrukturen und ggf. Schlitze werden anschließend mittels spangebender Verfahren, beispielsweise Fräsen erzielt. Standardverfahren sind zum Einen die metallurgische Herstellung von Formteilen für einzelne Kontakte, welche vorgepresst, gesintert und ggf. nachgetränkt werden, um eine hohe Dichte bzw. eine niedrige Porosität zu erzielen. Zum Anderen werden pulvermetallurgisch hergestellte gesinterte Halbzeuge hergestellt, welche in einem Plasmalichtbogen umgeschmolzen, verdichtet und in der Korngröße verfeinert werden, um anschließend durch spanende Bearbeitung, beispielsweise mittels Sägen von Scheiben, Drehen, Fräsen, usw., in die jeweilige Kontaktform gebracht zu werden. Auch ist bekannt, einzelne Kontaktstücke über Spritzguss (injection moulding) zu erzeugen, welche anschließend gesintert und ggf. nachgetränkt werden. Diese herkömmlichen Verfahren erlauben die Herstellung einer Vielzahl von Werkstoffzusammensetzungen.
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Vakuumschaltröhren, insbesondere für Mittel- und Hochspannungs-Schaltanlagen, weisen einen Kontaktträger und einen darauf befestigten, insbesondere aufgelöteten, Kontaktkörper, beispielsweise in Form einer Kontaktscheibe oder Kontaktringscheibe auf.
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Schaltkontakte in luftisolierten Schaltgeräten sind beispielsweise Leistungsschalter oder Schütze.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Schaltkontakt bereitzustellen, in dessen Kontaktkörper räumliche Verteilungen einer Vielzahl von Werkstoffzusammensetzungen über Oberflächen, Querschnitten und/oder Tiefen an Schaltanforderungen genau und flexibel anpassbar und anisotrop ausbildbar sind. Es soll ein geeignetes Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden elektrischen Schaltkontakts mit dessen Kontaktkörper bereitgestellt werden. Das Verfahren soll im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren einfacher, schneller und kostengünstiger sein.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs und einen Kontaktkörper gemäß den Merkmalen des Nebenanspruchs gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktkörpers für einen elektrischen Schaltkontakt, insbesondere für eine Vakuumschaltröhre oder einen luftisolierten Schalter für den Mittel- und/oder Hochspannungsbereich vorgeschlagen, wobei der Kontaktkörper aus einem Werkstoffverbund mindestens eines mit einer Konzentration in einer Matrix eingebundenen Materials besteht, sich in einem x-, y-, z-Koordinatensystem erstreckt, auf einem Kontaktträger (5) fixierbar und mit einem weiteren elektrischen Kontaktkörper kontaktierbar ist, wobei die Konzentrationen des eingebundenen Materials in der Matrix oder die Materialzusammensetzungen des Werkstoffverbundes in Abhängigkeit von der räumlichen Lage in dem Kontaktkörper um eine jede x-, y- und z-Koordinate mittels eines von einem Drei-Dimensionen-Drucker ausgeführten dreidimensionalen Druckverfahrens einzeln erzeugt werden. Entsprechend kann eine jeweilige Konzentration in und an dem Kontaktkörper verändert werden. Entsprechend können unterschiedliche Konzentrationen in und an dem Kontaktkörper geschaffen werden. Es können in und an dem Kontaktkörper verschiedene Materialzusammensetzungen des Werkstoffverbunds geschaffen werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Kontaktkörper für einen elektrischen Schaltkontakt vorgeschlagen, insbesondere für eine Vakuumschaltröhre oder einen luftisolierten Schalter für den Mittel- und/oder Hochspannungsbereich, wobei der Kontaktkörper aus einem Werkstoffverbund mindestens eines mit einer Konzentration in einer Matrix eingebundenen Materials besteht, sich in einem x-, y-, z-Koordinatensystem erstreckt, auf einem Kontaktträger fixierbar und mit einem weiteren elektrischen Kontaktkörper kontaktierbar ist, wobei die Konzentrationen des eingebundenen Materials in der Matrix oder die Materialzusammensetzungen des Werkstoffverbundes in Abhängigkeit von der räumlichen Lage in dem Kontaktkörper um eine jede x-, y- und z-Koordinate mittels eines von einem Drei-Dimensionen-Drucker ausgeführten dreidimensionalen Druckverfahrens einzeln eingestellt sind. Entsprechend kann eine jeweilige Konzentration des eingebundenen Materials oder eine jeweilige Materialzusammensetzung des Werkstoffverbundes in und an dem Kontaktkörper beliebig variiert werden.
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Ziel ist es, eine den Anforderungen des Schaltkontaktes genügende metallurgische Zusammensetzung der Werkstoffkomponenten zu realisieren und hierbei eine möglichst definierte räumliche Verteilung der Werkstoffzusammensetzung über die Oberfläche und Tiefe des Kontaktkörpers einzuhalten. Ähnliche Forderungen werden an Schaltkontakte in luftisolierten Schaltgeräten, insbesondere Leistungsschalter und Schlitze gestellt. Erfindungsgemäß soll eine den Schaltanforderungen genau angepasste anisotrope räumliche Verteilung der Werkstoffzusammensetzung über den Querschnitt und der Tiefe eines Kontaktkörpers erzeugbar sein.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, Rohlinge der Kontaktkörper, die beispielsweise Kontaktscheiben oder Kontaktscheibenringe sind, mit Hilfe eines dreidimensionalen Druckverfahrens (3D-Druck, 3D-Printing) pulvermetallurgisch herzustellen. Das Verfahren des 3D-Druckens erlaubt nicht nur eine präzise Herstellung einer Vielzahl von Werkstoffzusammensetzungen, sondern insbesondere eine beliebige und damit den Schaltanforderungen genau und flexibel anzupassende räumliche Verteilung der Werkstoffzusammensetzung über die Oberfläche, den Querschnitt und die Tiefe des Kontaktkörpers.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann in dem Kontaktkörper mindestens eine beliebig geformte, insbesondere eine gekrümmte oder mehr oder weniger als sechs Begrenzungsfläche(n) aufweisende räumliche Struktur mit mindestens einer Struktur-Konzentration oder Materialzusammensetzung des Werkstoffverbundes erzeugt sein, die sich von mindestens einer Rest-Konzentration oder Materialzusammensetzung des Werkstoffverbundes des die Struktur umgebenden restlichen Kontaktkörpers unterscheidet. Es kann eine jeweilige Änderung der Konzentration oder der Materialzusammensetzung im/oder am Kontaktkörper zur Ausbildung mindestens einer flächigen oder räumlichen Struktur im und/oder am Kontaktkörper mit mindestens einer physikalischen Eigenschaft geschaffen sein. Die flächige oder räumliche Struktur weist dabei im Unterschied zu deren räumlichen Umgebung eine geänderte Konzentration mindestens eines der Materialien auf. Entsprechend kann mindestens eine physikalische Eigenschaft im Unterschied zu der Umgebung in die Struktur eingeprägt sein. Die flächige oder räumliche Struktur weist im Unterschied zu deren Umgebung andere Werte hinsichtlich mindestens einer physikalischen Eigenschaft auf.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Struktur-Konzentration in mindestens einer Raumrichtung mit einem Gradienten geschaffen sein. Es kann eine jeweilige Änderung der Konzentration oder der Materialzusammensetzung im/oder am Kontaktkörper zur Ausbildung mindestens einer physikalischen Eigenschaft mit einem Gradienten in einer jeweiligen Raumrichtung bereitstehen. Eine physikalische Eigenschaft kann damit anisotrop geschaffen sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Werkstoffverbund in Abhängigkeit von der räumlichen Lage um x-, y- und z-Koordinaten des Kontaktkörpers zur Erzeugung von Aussparungen während des dreidimensionalen Druckverfahrens weggelassen oder nicht erzeugt worden sein. Gemäß der weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Materialien des Werkstoffverbunds in Abhängigkeit von der räumlichen Lage in und/oder am Kontaktkörper zur Ausbildung von Aussparungen weggelassen oder nicht erzeugt worden sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Aussparungen Hohlräume und/oder Oberflächenstrukturen und/oder Schlitzungen sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können mittels der erzeugten Konzentrationen oder der erzeugten Materialzusammensetzungen des Werkstoffverbundes in dem Kontaktkörper mindestens eine physikalische Eigenschaft aus mechanischer Stabilität und Elastizität, elektrischer Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, magnetischer Permeabilität und elektrischer und magnetischer Suszeptibilität eingestellt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann/können die physikalischen Eigenschaft(en) für den Kontaktkörper Ausbreitungs- und/oder Blockierungs-Bereiche und/oder Ausbreitungsrichtungen eines Lichtbogens festlegen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann/können mittels der erzeugten Konzentrationen des eingebundenen Materials oder der erzeugten Materialzusammensetzungen des Werkstoffverbundes für den Kontaktkörper ein mechanisches Verhalten, eine Unterdrückung von Wirbelstromeffekten, ein Abbrandverhalten, ein Lichtbogenausbreitungsverhalten, ein Abreissstromverhalten und/oder eine Fixierbarkeit des Kontaktkörpers eingestellt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Werkstoffverbund aus CuCr, WCu, WCCu, WAg oder WCAg bestehen, wobei das eingebundene Material insbesondere Cr, Cu und/oder Ag und das Matrixmaterial Cu, W und/oder WC sein kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die die Matrix und das einzubindende Material und/oder die Materialzusammensetzung flüssig oder pulverförmig mittels separater Auftragsvorrichtungen des Drei-Dimensions-Druckers als Schichten für den Kontaktkörper mit einer jeweiligen Konzentration des einzubinden Materials oder der jeweiligen Materialzusammensetzung des Werkstoffverbundes in Abhängigkeit von der x-, y- und z-Koordinate erzeugt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Schichten mittels einer Energieeinprägung, insbesondere mittels eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls verschmolzen und/oder gesintert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Materialien mit einem Bindemittel vermischt und ausgehärtet und/oder gesintert werden. Es können die Matrix und das einzubindende Material oder die Materialzusammensetzung des Werkstoffverbundes mit einem Bindemittel vermischt und ausgehärtet und/oder gesintert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein erzeugter Druckrohling nachverdichtet werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Schichten auf eine Basis bestehend aus einem reinen Basis-Material oder einem ausscheidungsgehärtetem Basis-Material aufgetragen werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Basis-Material reines Cu oder Cu mit einer Cr- oder Zr-Beimischung, insbesondere im Bereich 0,3 bis 0,8 %, sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Basis mechanisch oberflächenstrukturiert und/oder geschlitzt werden. Dies kann vor oder nach der Erzeugung der Schichten ausgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können unterschiedliche physikalische Eigenschaften in Abhängigkeit von einer räumlichen Lage in und an dem Kontaktkörper mittels Ändern der Konzentration mindestens eines der eingebetteten Materialien und/oder der Materialzusammensetzungen des Werkstoffverbunds örtlich in einem räumlichen Bereich um eine jeweilige x-, y-, z-Koordinate erzeugt werden.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre;
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2 ein Ausführungsbeispiel zweier erfindungsgemäßer elektrischer Schaltkontakte;
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3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schaltkontaktes;
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4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kontaktkörpers;
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5 ein Ausführungsbeispiel eines ersten erfindungsgemäßen Konzentrationsprofils;
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6 ein Ausführungsbeispiel eines zweiten erfindungsgemäßen Konzentrationsprofils;
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7 ein Ausführungsbeispiel eines dritten erfindungsgemäßen Konzentrationsprofils;
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8 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mittelspannungs-Vakuumschalters;
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9 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre. Diese ist schematisch in einem Schnitt dargestellt. Bezugszeichen 1 kennzeichnet einen erfindungsgemäßen Kontaktkörper für einen elektrischen Schaltkontakt, der aus dem Kontaktkörper 1 und einem Kontaktträger 5 besteht. Diese Vakuumschaltröhre 3 weist zu dem Kontaktkörper 1, der auf dem Kontaktträger 5 fixiert ist, einen korrespondierenden elektrischen Schaltkontakt auf, der aus einem korrespondierenden zweiten Kontaktkörper 1‘ und einem weiteren Kontaktträger 5‘ besteht. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Kontaktkörper 1 als ein fester Kontakt auf einem unbeweglichen Festkontaktbolzen 7 ausgebildet sein.
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Demgegenüber ist der weitere Kontaktkörper 1‘ als Bewegkontakt ausgeführt, der auf einem Bewegkontaktbolzen 9 fixiert ist. Entsprechend ist dieser Bewegkontaktbolzen 9 von einem Balken 11 zur Bereitstellung der Beweglichkeit umfasst. Der unbewegliche Schaltkontakt besteht aus dem Kontaktkörper 1 und dessen Kontaktträger 5. Der bewegliche elektrische Schaltkontakt bestehend aus dem weiteren Kontaktkörper 1‘ und dessen Kontaktträger 5‘, kann zur elektrischen Kontaktunterbrechung hier nach oben, weg von dem unbewegten Kontaktkörper 1 bewegt werden. Die beiden elektrischen Schaltkontakte sind zusätzlich von drei Dampfschirmen 13 und beispielsweise zwei Keramikisolatoren 15 umfasst und eingeschlossen. Bezugszeichen 17 kennzeichnet eine Endkappe.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel zweier erfindungsgemäßer elektrischer Schaltkontakte (AMF-Kontakte), die in einem geöffneten Zustand beispielsweise einer Vakuumschaltröhre 3 dargestellt sind. Analog zu 1 ist ein erfindungsgemäßer Kontaktkörper 1 mittels dessen Kontaktträgers 5 auf einem Festkontaktbolzen 7 fixiert. Darüber als Gegenspieler ist ein zweiter erfindungsgemäßer Kontaktkörper 1‘ mittels dessen Kontaktträgers 5‘ an einem beweglichen Bewegkontaktbolzen 9 befestigt. Der Kontaktkörper 1 des unteren elektrischen Schaltkontakts ist zu dem zweiten Kontaktkörper 1‘ des oberen elektrischen Schaltkontakts mit einer Länge LB beabstandet. LB stellt ebenso schraffiert einen bei einem Trennen erzeugten Lichtbogen dar. Zusätzlich weist der erfindungsgemäße Kontaktkörper 1 und ein entsprechender erfindungsgemäßer weiterer Kontaktkörper 1‘ Aussparungen in Form von Schlitzungen 8 auf. Diese sind ebenso in dem jeweiligen Kontaktträger 5 und 5‘ weitergeführt.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Schaltkontaktes (AMF-Kontakt). Der elektrische Schaltkontakt weist einen Kontaktkörper 1 auf, der auf einem Kontaktträger 5 befestigt wurde. In dem Kontaktträger 5 sind Schlitzungen 8 eingearbeitet. Der Kontaktkörper 1 ist mittels des Kontaktträgers 5 auf einem Bewegkontaktbolzen 9 befestigt. Der obere Bereich des elektrischen Schaltkontaktes kann als Schaltsystem 19 bezeichnet werden. Mit LB ist ein Lichtbogen bzw. eine Lichtbogensäule graphisch dargestellt, die beim Trennen zweier elektrischer Schaltkontakte erzeugt wird.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kontaktkörpers 1 bzw. 1‘. 4 zeigt oben eine Draufsicht auf den Kontaktkörper 1, wobei unten ein Querschnitt entlang der Linie A-B dargestellt ist. Der Kontaktkörper 1 weist eine räumliche Erstreckung entlang einer durch einen Mittelpunkt M verlaufenden Hochachse und eine radiale räumliche Erstreckung dazu auf. Der erfindungsgemäße Kontaktkörper 1 bzw. 1‘ besteht aus einem Werkstoffverbund verschiedener Materialien, wobei beispielsweise eine Konzentration eines der Materialien des Werkstoffverbundes, und damit die Materialzusammensetzung des Werkstoffverbundes in einer Abhängigkeit von einer räumlichen Lage und damit veränderbar in und an dem Kontaktkörper 1 mittels eines dreidimensionalen Druckverfahrens geschaffen ist. Das heißt ein erfindungsgemäßer Kontaktkörper 1 kann unterschiedliche physikalische Eigenschaften in Abhängigkeit von einer Position in und an dem Kontaktkörper 1 aufweisen. Dabei kann die Konzentration des beispielsweise einen Materials in der Materialzusammensetzung des Werkverbundes in Abhängigkeit der axialen h- und/oder der radialen r-Lage des Materials in den Kontaktkörper 1 mit Bezug auf die Hochachse H des Kontaktkörpers 1 geschaffen sein. Ein erfindungsgemäßer Kontaktkörper 1 kann insbesondere als eine Kontaktscheibe oder eine Kontaktringscheibe erzeugt sein. Mittels der Variabilität der Konzentration beispielsweise einen Materials des Werkstoffverbunds können in und/oder am Kontaktkörper 1 flächige oder räumliche Strukturen erzeugt werden, die sich von deren Umgebung in mindestens einer physikalischen Eigenschaft unterscheiden. Ebenso kann die Variabilität der Konzentration des beispielsweise einen Materials des Werkverbundes zur Ausbildung mindestens einer physikalischen Eigenschaft mit einem Gradienten in eine jeweilige Raumrichtung verwendet werden. Grundsätzlich ist es nötig, die Schlitzungen 8 derart zu erzeugen, dass alle Materialien des Werkstoffverbundes an den entsprechenden Stellen mit einer Konzentration von 0 bereitgestellt werden. Die erfindungsgemäßen Änderungen von Konzentrationen von Materialzusammensetzungen im Werkstoffverbund können somit ebenso zur Erzeugung von Aussparungen verwendet werden. Mit Hilfe des Verfahrens des dreidimensionalen Druckens ist es möglich, gänzlich neue Eigenschaften von Kontakten bzw. von Kontaktkörpern 1 zu erzeugen, welche mit herkömmlichen Verfahren nicht bereitstellbar sind. Dazu gehört insbesondere die Erzeugung von zwei- oder dreidimensionalen Strukturen im Kontaktkörper 1 mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften. Insbesondere können durch die erfindungsgemäße Möglichkeit der Änderung der Werkstoffzusammensetzung örtlich bzw. lokal gezielt Strukturen mit einer besonders hohen oder niedrigen elektrischen oder auch thermischen Leitfähigkeit erzeugt werden, welche auch gezielte Gradienten in unterschiedlichen Raumrichtungen aufweisen können.
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Weiterhin können beispielsweise in Oberflächennähe bevorzugt höhere Konzentrationen von Beimischungen erzeugt werden, welche ein Abbrandverhalten und ein Lichtbogenausbreitungsverhalten sowie Abreißströme positiv beeinflussen, ohne dass sich deren mögliche negativen Auswirkungen auf andere Eigenschaften, die beispielsweise mechanisch, elektrisch oder thermisch sein können, im Kontaktvolumen auswirken. Dabei befinden sich diese Beimischungen nur in den Bereichen, in denen eine Ausbreitung des Lichtbogens gewünscht wird. Gegebenenfalls können in Bereichen, in denen kein Lichtbogen auftreten soll, beispielsweise in den Randbereichen des Kontaktkörpers bzw. des elektrischen Schaltkontaktes, andere Beimischungen lokal in Oberflächennähe definiert zugemischt sein, welche dort die Lichtbogenausbreitung behindern. In einem anderen Beispiel kann die Kupferkonzentration in kupferbasierten Kontakten, analog zu Ag-Konzentration in Ag-basierten Kontakten von Luftleistungsschaltern und Luftleistungsschützen, gezielt nahezu beliebige Gradienten aufweisen, um definiert die elektrische Leitung und die Wärmeleitung anisotrop zu gestalten. Damit lassen sich z.B. unter anderen Wirbelstromeffekte unterdrücken bzw. kontrollieren, Wärme besser abführen und/oder eine dreidimensionale Stromführung innerhalb des Kontaktkörpers bzw. des Kontaktstücks zur magnetischen Lichtbogenbeeinflussung erzielen. Diese Effekte sind mit herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht erzielbar. Entsprechend kann ebenso die Lötbarkeit bzw. die Verbindungstechnik von Kontakten bzw. Kontaktkörpern 1 gezielt lokal optimiert werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass im vorgegebenen Verbindungsbereich bereits eine dünne Silberschicht oder andere für die jeweilige Verbindungstechnik günstige Werkstoffe, mittels 3D-Druckens definiert und materialsparend eingebracht werden. In einem weiteren Beispiel können innerhalb des Kontaktstückes bzw. innerhalb des Kontaktkörpers 1 Bereiche mit hoher Permeabilität geschaffen werden, welche es erlauben, den Lichtbogen LB speziell in Vakuumschaltröhren 3 gezielt zu beeinflussen, ohne dass sich negative Auswirkungen beispielweise eines Eisenkörpers bemerkbar machen. Besonders vorteilhaft können sehr feine mechanische Strukturen erzeugt werden, beispielsweise Nuten, gekrümmte Schlitze, Phasen und dergleichen, welche keine oder eine nur sehr geringe Nachbearbeitung erfordern, was zu einer erheblichen Kosteneinsparung gegenüber den heutigen Verfahren führt.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines ersten erfindungsgemäßen Konzentrationsprofils. In 5 ist eine Cr-Konzentration in % über einer radialen Position r in mm dargestellt. Die x-Achse gibt den radialen Abstand r gemäß 4 wieder. 5 zeigt ein Chromkonzentrationsprofil eines CuCr-Kontaktkörpers 1 an einer Kontaktoberfläche als Funktion der radialen Position r. Die waagrechte Linie von 40% Cr-Konzentration stellt den Stand der Technik dar. Die darunter angeordnete gestrichelte Linie stellt ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Profil dar. Als erfindungsgemäßes Beispiel wird die Cr-Konzentration in Abhängigkeit von der räumlichen Lage im Kontaktkörper 1 verändert. Je nach Materialzusammensetzung des Werkstoffverbundes, kann dieser alternativ drei oder vier verschiedene Materialien aufweisen, deren jeweilige Konzentration in Abhängigkeit von einer räumlichen Lage in und an dem Kontaktkörper 1 verändert werden können. Gemäß 5 ist die Cr-Konzentration ausgehend von der Hochachse H radial nach außen mit dem Radius r sich vergrößernd geschaffen. Dabei kann diese Vergrößerung der Konzentration des Cr an der dem weiteren elektrischen Schaltkontakt zugewandten Oberfläche des Kontaktkörpers 1 geschaffen sein. Hierzu wird ein auf die Darstellung gemäß 2 verwiesen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Cr-Konzentration an der Position der Hochachse H größer 0, und zwar hier 10%. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Cr-Konzentration in einem Anfangsbereich und in einem Endbereich des Radius r konstant. Im Anfangsbereich sind dies hier 10% und im Endbereich sind dies hier 40%. Gemäß 5 gehen die Werte der Cr-Konzentration ausgehend von dem Wert in dem Anfangsbereich in Form einer S-Kurve in den Wert des Endbereichs des Radius r über. Der Anfangsbereich liegt im Bereich von 0 bis ca. 5 mm. Der Endbereich liegt ca. zwischen 23 und 40 mm.
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zweiten erfindungsgemäßen Konzentrationsprofils. Gemäß 6 ist eine Cr-Konzentration in % gegenüber einer axialen Position h in mm aufgetragen. 6 zeigt zwei Chromkonzentrationsprofile im Inneren des Kontaktkörpers 1 als Funktion der axialen Position h für R = 0 und R = Rmax, wobei Rmax = 40 mm ist. Die höchste Cr-Konzentration wird jeweils an der dem anderen Kontaktkörper 1‘ bzw. 1 zugewandten Oberfläche des Kontaktkörpers erreicht. 6 zeigt, dass die Cr-Konzentration eines CuCr-Werkstoffverbundes ausgehend von einer zu der Hochachse H senkrechten ersten Oberfläche des Kontaktkörpers 1 mit zunehmenden axialen Abstand H zu dieser vergrößernd geschaffen ist. Diese Vergrößerung der Cr-Konzentration des Materials ist insbesondere in Richtung einer dem weiteren elektrischen Schaltkontakt zugewandten zu der Hochachse H senkrechten zweiten Oberfläche des Kontaktkörpers 1 geschaffen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist die Cr-Konzentration mit dem zunehmenden Abstand h sich linear vergrößernd geschaffen. Dabei ist die Steigung bei R = 40 größer als die bei R = 0. Grundsätzlich können gemäß der erfindungsgemäßen Lösung unter Verwendung eines 3D-Druckverfahrens beliebige Materialzusammensetzungen in Abhängigkeit von einem Radius r oder einer Höhe H bereitgestellt werden. Besonders einfach ist es, wenn lediglich eine Komponente in ihrer Konzentration im Bezug auf die gesamte Materialzusammensetzung des Werkstoffverbundes räumlich verändert wird. Grundsätzlich können bei mehrfach Werkstoffverbunden grundsätzlich auch drei oder vier Komponenten mit deren jeweiligen Konzentrationen in Abhängigkeit von deren räumlichen Lage verändert werden. 6 zeigt, dass die Cr-Konzentration an der ersten Oberfläche des Kontaktkörpers 1 gleich 0 ist.
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7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines dritten erfindungsgemäßen Konzentrationsprofils. Dabei entspricht die Darstellung gemäß 7, die der 6, mit dem Unterschied, dass der Kontaktkörper 1 eine 2,5 mm starke Basisplatte aus Kupfer aufweist. Entsprechend ist die Cr-Konzentration in einem Anfangsbereich, also in dem Bereich der Basisplatte, gleich 0. Erst ab einem Abstand h von 2,5 mm steigen die jeweiligen Cr-Konzentrationen bei R = 0 und R = 40 linear an. Die Cr-Konzentration ist hier ebenso an der zweiten Oberfläche des Kontaktkörpers 1 maximal.
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Die waagrechten Verläufe von 40% an CR-Konzentration gemäß 6 und 7 stellen herkömmliche Profile dar, die über einen Radius r und einer Höhe h konstant sind.
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8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mittelspannungs-Vakuumschalters in einer Seitenansicht. Der Vakuumleistungsschalter 21 umfasst eine Vakuumschaltröhre 3, die mittels eines Schaltantriebes 23 einen elektrischen Leitungskontakt herstellt oder diesen trennt. Zwischen der Vakuumschaltröhre 3 und dem Schalterantrieb 23 sind elektrische Isolatoren 25 ausgebildet.
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9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Mittels eines dreidimensionalen Druckverfahrens, das von einem Drei-Dimensionen-Drucker ausgeführt wird, können schichtweise dreidimensionale Strukturen gedruckt werden, wie beispielsweise ein erfindungsgemäßer Kontaktkörper 1. Mittels des 3D-Druckens kann der Kontaktkörper 1 mit einer jeweiligen Konzentration mindestens eines der Materialien des Werkstoffverbundes in Abhängigkeit von einer räumlichen Lage veränderbar, erzeugt werden. Diese variable Bereitstellbarkeit dieser Konzentration ermöglicht ein Ausbilden einer flächigen oder räumlichen Struktur in und/oder am Kontaktkörper. Diese flächige oder räumliche Struktur unterscheidet sich dann in mindestens einer physikalischen Eigenschaft von deren Umgebung. Ebenso kann diese physikalische Eigenschaft mit einem Gradienten in einer jeweiligen Raumrichtung erzeugt werden, so dass für den Kontaktkörper 1 Anisotropie erzeugbar ist. Die variable Bereitstellbarkeit von Materialkonzentrationen bezieht sich ebenso auf ein Weglassen des entsprechenden Materials. Auf diese Weise können einfach und energiesparend Aussparungen erzeugt werden. Gemäß einem ersten Schritt S1 können die Materialien des Werkstoffverbundes flüssig- oder pulverförmig mittels separater Auftragsvorrichtungen eines 3D-Druckers als Schichten in Abhängigkeit von einer räumlichen Lagen in und an den Kontaktkörper mit einem gewünschten Mischungsverhältnis zur Einstellung der Konzentration(en) erzeugt werden. Des Weiteren können die Schichten mittels einer Energieeinprägung in einem zweiten Schritt S2 verschmolzen und/oder in einem weiteren Schritt S3 gesintert werden. Abschließend kann in einem weiteren Schritt S4 ein erzeugter Druckrohling nachverdichtet werden.
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Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, Rohlinge von Kontaktkörpern, beispielsweise von Kontaktscheiben oder Kontaktscheibenringen, mit Hilfe eines 3D-Druckverfahrens, insbesondere pulvermetallurgisch herzustellen. Das Verfahren 3D-Printing erlaubt nicht lediglich eine präzise Herstellung einer Vielzahl von Werkstoffzusammensetzungen, sondern insbesondere eine beliebige und somit geforderten physikalischen Eigenschaften genau und flexibel anzupassende räumliche Verteilung der Werkstoffzusammensetzung in und an dem Kontaktkörper 1. Mittels des dreidimensionalen Druckens lassen sich darüber hinaus zeit- und kostenintensive Verarbeitungsschritte der mechanischen Oberflächenstrukturierung und Schlitzung einsparen. Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird das pulverförmige, insbesondere metallische Ausgangsmaterial, mit einer geringen Menge an Bindemittel vermischt, um nach dessen Aushärtung dem Druckrohling eine für das weitere Handling ausreichende Festigkeit zu geben. Anschließend kann der Rohling nachverdichtet werden, und zwar beispielsweise mittels isostatischem Pressen. Es kann ein Sintern und ggf. ein Nachverdichten in einem weiteren Prozessschritt ausgeführt werden.
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Das dreidimensionale Drucken ist ein Verfahren zum Aufbau dreidimensionaler Werkstücke. Der Aufbau erfolgt computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder pulverförmigen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen, ist also computer aided Design, (CAD), d.h. computerunterstütztes Konstruieren. Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und/oder Metalle. Das Verfahren dient nicht nur der Herstellung einzelner Prototypen, sondern ebenso der Massenproduktion von Teilen insbesondere Kontaktkörpern 1. Gegenüber allen materialwegnehmenden Verfahren, wie dies beispielsweise Sägen, Schneiden, Drehen, Bohren, Fräsen sind, hat das 3D-Drucken den Vorteil, dass der Materialverlust größtenteils entfällt. Meist ist der Vorgang auch energetisch günstiger, weil das Material lediglich einmal in der benötigten Größe und Masse aufgebaut wird. Im Zusammenhang mit der Herstellung von Kontaktwerkstoffen und der Fertigung von Kontaktkörpern 1 ist ein 3D-Druckverfahren vollkommen neu.
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Im Bezug auf die Ausführungsbeispiele gemäß den 5 bis 7 wird eine variable Chromkonzentration in axialer Richtung erreicht mittels Verwendung eines 2-Komponenten-3D-Drucks, bei dem die pulverförmigen Ausgangsstoffe Kupfer (Cu) und Chrom (Cr) schichtweise separater Auftragsvorrichtungen derart aufgebracht werden, dass lokal bzw. örtlich das gewünschte Mischungsverhältnis, und zwar die Konzentration, entsteht, analog zu einem Mehrfarben-Tintenstrahldrucker. Die Schichten werden jeweils dem Stand der Technik entsprechend über einen ausreichend hohen Energieeintrag, beispielsweise über einen fokussierten Laser oder einen intensiven Elektronenstrahl, gesintert bzw. verschmolzen.
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Als Basis kann beispielsweise eine Scheibe aus reinem Kupfer (Cr = 0%) oder aus ausscheidungsgehärtetem Kupfer mit beispielsweise typischer Weise 0,3 bis 0,8 % Cr- oder Zr-Beimischung gewählt werden, auf der die geforderte Kontaktschicht des Kontaktkörpers 1 durch 3D-Druck aufgetragen wird.
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Die Basisscheibe kann bereits die zur Verringerung von Wirbelströmen notwendige Schlitzung 8 beispielsweise mittels Stanzen aufweisen, wobei diese Schlitzung 8, gemäß 4, mittels 3D-Druck in die zusätzlich aufgebrachte Kontaktschicht des Kontaktkörpers 1 fortgeführt wird.
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Eine Materialzusammensetzung meint hier die Bestandteile aus denen der Verbundwerkstoff gebildet wird, wobei die Bestandteile zueinander qualitativ unterschiedliche Stoffe sind.
