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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und konkreter auf dem Gebiet der Gießereitechnik. Sie betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gewendelten Körpers, beispielsweise einer Spule oder einer Feder. Unter einem solchen Körper wird insbesondere ein strangförmiger Körper verstanden, der derart gekrümmt ist, dass er in Form einer Wendel verläuft. Solche wendelförmigen Körper können beispielsweise als elektrische Spulen verwendet werden und sind insbesondere dann für einige Zwecke vorteilhaft, wenn der gewendelte Körper selbst hohl ist. In diesem Fall kann die Wendel von einem Strom großer Stromstärke durchflossen und von der Innenseite her durch eine den Hohlraum durchströmende Flüssigkeit gekühlt werden. Es sind jedoch auch andere Anwendungen für derartige hohle gewendelte Körper denkbar.
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Wird ein derartiger gewendelter Körper, beispielsweise in Form einer Spule, verwendet, so lassen sich höhere Leistungsdichten ohne die Gefahr einer Überhitzung erreichen als mit massiven Spulen. Die Raumnutzung kann somit effizienter gestaltet werden. Allerdings ist die Formung derartiger gewendelter hohler Körper bisher nur mit großem Aufwand möglich.
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Zudem lassen sich mit einem derartig ausgestatteten wendelförmigen/ gewendelten Körper auch Auswirkungen des Skineffekts, d.h. der Verdrängung des Stroms zur Oberfläche eines Leiters hin, reduzieren.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines hohlen gewendelten, elektrisch leitenden Körpers zu schaffen, das mit einfachen Mitteln durchzuführen ist und eine kostengünstige Herstellung solcher Körper erlaubt.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 11 beziehen sich auf mögliche Ausgestaltungen eines solchen Verfahrens.
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Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines hohlen, gewendeten, elektrisch leitenden Körpers.
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Konkret ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass zunächst ein gewendelter Kern aus einem unter Wärmeeinwirkung verflüssigbaren oder verdampfbaren Kernmaterial hergestellt und danach mittels eines Pulverbeschichtungsverfahrens mit einer ersten Pulverschicht eines wenigstens teilweise elektrisch leitenden ersten Pulvers beschichtet wird und dass darauf der gewendelte Kern mit der ersten Pulverschicht auf eine erste Temperatur erhitzt wird, bei der der Kern verflüssigt oder in Gasform überführt und die erste Pulverschicht in poröser Form wenigstens teilweise verfestigt wird, wobei das Kernmaterial aus dem von der Pulverbeschichtung umgebenen Raum austritt und wobei nach dem Austritt des Kernmaterials aus dem von der ersten Pulverschicht umgebenen Raum die erste Pulverschicht weiter gesintert wird, insbesondere dadurch, dass die erste Pulverschicht auf eine zweite Temperatur erhitzt wird, die höher ist als die erste Temperatur.
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Das Verfahren stellt sich demnach derart dar, dass zunächst ein gewendelter Kern, beispielsweise aus einem geschäumten Kunststoff, insbesondere aus einem EPS-Kunststoff (expandiertes Polystyrol), hergestellt wird. Dieser so hergestellte Körper definiert die Geometrie des entstehenden gewendelten Körpers. Dieser als Modell wirkende Kern kann alternativ zu einem Schaumstoff auch aus einem wachsartigen, leicht schmelzbaren Werkstoff hergestellt werden.
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Der auf diese Weise geschaffene Kern wird dann mit einem elektrisch leitenden ersten Pulver, beispielsweise einem Metallpulver, beschichtet. Dieser Beschichtungsschritt kann in einem bekannten Pulverbeschichtungsverfahren realisiert werden. Bei dem verwendeten Pulver handelt es sich um ein sinterbares Pulver, das durch das Schaffen entsprechender physikalischer Bedingungen, insbesondere die Aufheizung auf eine notwendige Sintertemperatur, gesintert werden kann. Die Pulverschicht wird somit erhärtet, während sie an dem Kern haftet. Gleichzeitig wird das Kernmaterial geschmolzen oder verdampft und kann austreten. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn das Pulver nur so weit gesintert wird, dass der entstehende Festkörper porös bleibt, so dass das Material des Kerns wenigstens teilweise durch die Poren der gesinterten Pulverschicht austreten kann. Als Pulver für die erste Schicht können folgende Materialien verwendet werden.
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Nach dem Austritt des Kernmaterials kann die Pulverschicht weiter gesintert werden, beispielsweise durch Erhitzen auf eine gegenüber der ersten Temperatur erhöhten zweiten Temperatur. Zudem können auch andere physikalische Parameter geändert werden, wie beispielsweise der Druck, um eine weitere Sinterung zu begünstigen. Damit kann das erste Pulver so weit gesintert werden, dass es ausreichend verfestigt wird, insbesondere auch so weit, dass die Poren geschlossen werden.
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Damit ist ein gewendelter Körper geschaffen, der im Wesentlichen die Form des gewendelten Kerns annimmt. Konkret weist der spätere gewendelte elektrisch leitende Körper einen Hohlraum in seinem Inneren auf, der genau der Form des anfangs darin befindlichen gewendelten Kerns entspricht. Die Pulverschicht ist dabei selbsttragend, so dass ein stabiler gewendelter elektrisch leitender Körper aus der Pulverschicht entsteht.
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Die Geometrie des Kerns kann dabei so gewählt werden, dass die Zwischenräume zwischen den einzelnen Wendeln des geschaffenen elektrisch leitenden Körpers minimiert sind und somit eine optimierte Raumfüllung/Raumnutzung mit dem gewendelten elektrisch leitenden Körper erreicht ist, beispielsweise mit einer Raumfüllung oberhalb von 95 %.
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Wie oben bereits erwähnt, kann die Sinterung derart gesteuert werden, dass bei der ersten Temperatur eine Versinterung der ersten Pulverschicht erfolgt, durch die die erste Pulverschicht verfestigt wird, dabei jedoch derart porös bleibt, dass das verflüssigbare oder verdampfbare Kernmaterial durch die versinterte Pulverschicht entweichen kann.
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Es ist jedoch auch denkbar, die erste Pulverschicht in einem einzigen Schritt oder durchgehend zu sintern, insbesondere wenn sichergestellt ist, dass das Material des Kerns an einem Ende des Kerns / der zu schaffenden Spule austreten kann.
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Es kann insbesondere für die Stromtragfähigkeit und die Schaffung eines geringen elektrischen Widerstands vorteilhaft sein, dass bei der zweiten Temperatur eine Versinterung der ersten Pulverschicht erfolgt, durch die die erste Pulverschicht derart verdichtet wird, dass sie für Flüssigkeiten und insbesondere auch für Gase undurchlässig wird.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass die erste Pulverschicht in Form von mehreren nacheinander aufgebrachten Teilschichten des ersten Pulvers ausgebildet wird. Damit lässt sich die Dicke der Pulverschicht gut steuern, und insbesondere lassen sich auf diese Weise auch nacheinander Teilschichten aufbringen, die jeweils vor Aufbringen der nächsten Schicht wenigstens schrittweise getrocknet oder teilverfestigt, insbesondere auch teilgesintert werden können.
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Es ist auch denkbar, dass auf die erste Pulverschicht wenigstens eine zweite Pulverschicht eines zweiten Pulvers, insbesondere vor oder nach einem ersten Sinterschritt, aufgebracht wird. Auch auf diese Weise kann die Sinterschicht geeignet gestaltet werden, und der entstehende Spulenkörper kann mit dem benötigten Leitungsquerschnitt versehen werden. Dabei können auch verschiedene Pulverschichten nacheinander aufgebracht werden, um eine bestimmte Stromverteilung oder andere gewünschte elektrische Eigenschaften zu verwirklichen.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das zweite Pulver aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff besteht und nach dem Sintern eine Isolierschicht ausbildet. In diesem Fall kann der Körper insgesamt als funktionsfähiger und isolierter Wendelkörper/Spulenkörper hergestellt werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die zweite Pulverschicht ebenso wie die erste Pulverschicht gleichzeitig mit dieser oder nach dieser gesintert wird. Es kann jedoch auch eine andere Verfestigungsart der zweiten Schicht, wie Trocknen oder Abbinden, gewählt werden.
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Bei der Pulverbeschichtung durch die erste oder eine zweite oder weitere Schicht kann vorgesehen sein, dass die Pulverbeschichtung mit der ersten und/oder einer zweiten Pulverschicht durch Sprühen, Eintauchen oder Verwendung eines fluidisierenden Pulverbetts oder durch mehrere verschiedene aufeinander folgende der genannten Beschichtungsarten erfolgt. Durch die genannten Beschichtungsarten kann die gesamte Oberfläche des gewendelten Körpers des Kerns gleichmäßig beschichtet werden, auch wenn der Abstand zwischen benachbarten Gängen der Wendel gering ist. Auf diese Weise kann insgesamt ein gewendelter Körper mit minimalen Abständen zwischen den einzelnen Wendeln gefertigt werden.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Pulverbeschichtung mit Pulverschlicker und/oder einem Pulverfeedstock erfolgt. Unter Pulverschlicker wird dabei eine breiartige Masse verstanden, die ein Pulver in einer Trägerflüssigkeit unter Zusatz eines viskosen Bindemittels umfasst. Unter einem Pulverfeedstock wird eine homogene Mischung von Pulver und Bindemittel verstanden, die eine besonders gute Maßhaltigkeit beim Sintern ermöglicht.
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Als Sinterverfahren kommen alle bekannten und für das jeweils verwendete Pulver sinnvollen Sinterverfahren in Frage, beispielsweise auch unter Verwendung einer geeigneten Gasatmosphäre oder Schutzgasatmosphäre. Als Sintermaterialien können insbesondere Metallpulver oder Metalllegierungspulver oder Mischungen verschiedener Metallpulver oder Metalllegierungspulver verwendet werden.
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Bei der Herstellung des Kerns kann insbesondere vorgesehen sein, dass der gewendelte Kern in einem Gießverfahren oder einem Schäumverfahren hergestellt wird, wobei der Kern insbesondere aus mehreren Teilen zusammengesetzt wird. Damit sind auch Kerne in komplizierten Formen, beispielsweise in der Form einer Schrauben- oder Spiralfeder, einfach herstellbar. Der Schaum kann dabei in einer Form aufgeschäumt oder durch Extrusion und anschließende Formgebung hergestellt werden.
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Es ist auch denkbar, dass der Kern als Rohling hergestellt und danach durch Erzeugen einer wendelförmigen Ausnehmung in die Form einer Wendel gebracht wird. Der Rohling kann beispielsweise zylindrische oder quaderförmige Gestalt haben, wobei der Rohling einen ihn durchsetzenden, zylindrischen, prismatischen oder quaderförmigen Hohlraum aufweisen kann, der ihn vollständig von einem ersten Ende zum zweiten Ende durchsetzt. Beispielsweise kann der Rohling somit die Gestalt eines Hohlzylinders aufweisen.
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Es kann zudem vorgesehen sein, dass in dem Kern die wendelförmige Ausnehmung durch ein um eine den Kern durchsetzende Achse rotierendes und gleichzeitig entlang der Achse stetig vorgeschobenes Werkzeug erzeugt wird. Die Achse des Kerns, um die das Werkzeug rotiert, kann sowohl den Rohling als auch den Hohlraum in seinem Inneren durchsetzen, so dass das Werkzeug wenigstens teilweise innerhalb des Hohlraums rotiert und an seinem radial äußeren Ende das Material des Rohlings durchsetzt und entfernt. Beispielsweise kann die Achse, um die das Werkzeug rotiert, die Längsachse eines Hohlzylinders sein, der den Rohling bildet. Um die Achse kann dann das Werkzeug rotieren, welches eine Ausnehmung in die Wand des Hohlzylinders einbringt, beispielsweise schneidet, fräst oder sägt. Das Werkzeug kann beispielsweise nach Art eines Messers oder einer Säge oder einer Raspel ausgebildet sein. Das Werkzeug kann auch während des Bearbeitungsvorgangs um seine eigene Längsachse rotieren oder entlang seiner Längsachse eine sägende, oszillierende oder vibrierende Bewegung ausführen. Das Werkzeug kann zum Aufschmelzen des Materials des Rohlings auch beheizt werden.
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Zusätzlich zu der rotierenden Schwenkbewegung des Werkzeugs kann dieses parallel zu der Längsachse des Rohlings stetig vorgeschoben werden, so dass das Werkzeug eine wendelförmige Ausnehmung in dem Rohling erzeugt und damit den Rohling in einen wenigstens teilweise wendelförmigen Körper umformt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine perspektivische Ansicht eines wendelförmigen Körpers / einer Spule,
- 2 eine Windung einer Spule / eines wendelförmigen Körpers im Querschnitt,
- 3 eine Wendel eines weiteren wendelförmigen Körpers im Querschnitt,
- 4 in schematisch vergrößerter Form die pulverbeschichtete Oberfläche eines gewendelten Körpers in einem Querschnitt sowie
- 5 eine Vorrichtung zum Herstellen eines wendelförmigen Kerns sowie einen Kern, in den teilweise eine Ausnehmung eingebracht worden ist.
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1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine elektrisch leitende Spule 1 als wendelförmigen Körper, die/der durch einen gewendelten, isolierten, strangförmigen elektrischen Leiter 2 gebildet ist. In der Darstellung der 1 ist eine im Querschnitt viereckige, insbesondere quadratische Spule dargestellt, wobei der Leiter, der die Spule bildet, für sich ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Die verschiedenen Wendellagen des Leiters sind rechteckig geformt und mit geringen Abständen übereinandergelegt.
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2 zeigt beispielhaft den Querschnitt eines isolierten Leiters, der beispielsweise zur Herstellung einer Spule verwendet werden kann, wie sie in 1 dargestellt ist. In 2 ist der hohle, aus einem gesinterten Pulver gebildete äußere Teil mit 3 bezeichnet, und es ist innerhalb der Pulverbeschichtung 3 noch der Kern 4 dargestellt, der beispielsweise aus einem Schaumstoff, insbesondere EPS, besteht. Die in 2 dargestellte Konstellation ergibt sich beispielsweise direkt nach der Beschichtung des gewendelten Kerns 4 mit einem ersten Pulver 3. Das Pulver 3 ist elektrisch wenigstens teilweise leitend ausgebildet und besteht aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, beispielsweise einem Metall oder einer Metalllegierung. Es kann auch aus einer Mischung von zwei oder mehr Pulvern bestehen, die vorzugsweise alle elektrisch leitend sind.
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In der dargestellten Konstellation kann der beschichtete Kern 4 auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des ersten Pulvers erwärmt werden, wobei das Material des Kerns 4 entweder verdampft oder sich verflüssigt. Das Material des Kerns kann dann an einem Ende der Schicht/ Beschichtung oder durch die Beschichtung selbst hindurch entweichen, so dass nur die Beschichtung übrig bleibt, die gleichzeitig gesintert und damit verfestigt wird. Der Sintervorgang wird üblicherweise so gesteuert, dass in einer ersten Phase der Sinterung, wenn die erste Pulverschicht 3 noch gas- oder fluiddurchlässig ist, der Kern verflüssigt oder gasförmig gemacht wird und damit beispielsweise auch durch die Beschichtung 3 / Pulverschicht 3 austreten kann.
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Nach dem Austreten des Materials des Kerns 4 kann die Sinterung weiter fortgesetzt werden, entweder indem die Temperatur für eine weitere Zeit stabil gehalten wird oder indem die Temperatur etwas erhöht wird, so dass der Sintervorgang weiter fortschreitet. Dies kann so lange fortgeführt werden, bis eine Verdichtung der ersten Pulverschicht erfolgt ist, so dass diese gas-/ fluidundurchlässig geworden ist. Der Sintervorgang kann beispielsweise in einer Schutzatmosphäre erfolgen.
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In 3 ist eine Konstellation mit einem im Querschnitt runden Kern 4' gezeigt, der von einer ersten Pulverschicht 3' und einer äußeren zweiten Pulverschicht 5 umgeben ist. Die erste Pulverschicht 3' besteht aus einem elektrisch leitenden Pulver, beispielsweise einem Metallpulver, während die zweite Pulverschicht 5, die die erste Pulverschicht 3' umgibt, aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff besteht.
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Beim gemeinsamen Sintern der ersten und zweiten Pulverschicht entstehen zwei harte selbsttragende Schichten, wobei die innere Schicht 3' elektrisch leitend ist und den Leiter des gewendelten Körpers bildet und die äußere Schicht 5 eine äußere Isolation für den Leiter 3' bildet. Die Pulverschichten 3' und 5 können auch nacheinander aufgebracht und gesintert werden. Da die Pulverbeschichtung mit den gängigen Pulverbeschichtungsverfahren, wie Tauchen oder Sprühen, sehr wenig Raum erfordert, können auch nah beieinander liegende Windungen der Spule, wie in 1 dargestellt, gleichmäßig mit einer Pulverschicht bedeckt werden, die danach durch Sintern verfestigt wird. Damit ist eine Herstellung von einem gewendelten elektrisch leitenden Körper mit geringem Platzbedarf und geringem Freiraum zwischen den einzelnen Windungen und optional auch mit einer Isolierung in einfacher Weise herstellbar. Durch einen solchen gewendelten Körper ist unter optimaler Raumnutzung eine Spule oder Feder herstellbar.
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4 zeigt in einer vergrößerten schematischen Darstellung eine erste Pulverschicht 3 sowie einen Kern 4, wobei einzelne Körner der Pulverschicht unterscheidbar sind. Das Material des Kerns wird verdampft oder verflüssigt und kann gemäß den Pfeilen 6, 7 durch die Poren der ersten Pulverschicht 3 hindurch gelangen, solange das Material der ersten Pulverschicht noch nicht bis zu einer Fluiddichtigkeit gesintert worden ist.
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In 5 ist ein Hohlzylinder 8 dargestellt, der als Rohling zur Herstellung des Kerns dient. Dieser Rohling 8 kann beispielsweise aus einem Schaumstoff, jedoch auch aus einem Wachs oder ein ähnlich schmelzbaren Masse bestehen. Der Zylinder 8 hat einen zylindrischen Hohlraum 9, so dass er insgesamt als Hohlzylinder mit einer Hohlzylinderwand 10 ausgebildet ist. Die Längsachse des Hohlzylinders ist mit 11 bezeichnet.
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Unterhalb des Hohlzylinders 8 ist eine Vorrichtung zur Einbringung einer wendelförmigen Ausnehmung in den Hohlzylinder 8 dargestellt, die eine vertikal angeordnete Welle 12 aufweist, die auf einem Halter 17 um ihre Längsachse drehbar gelagert ist. An der Welle 12 ist ein Werkzeug 13 angeordnet, das von der Welle 12 senkrecht absteht. Das Werkzeug 13 ist mittels eines Vibrations- oder Sägeantriebs 14 mit der Welle 12 verbunden. Dieser Antrieb 14 kann eine Oszillationsbewegung des Werkzeugs 13 in Richtung des Doppelpfeils 15 bewirken. Anstelle des Vibrationsantriebs 14 kann auch eine Heizung für das Werkzeug 13 vorgesehen sein.
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Wird die Welle 12 rotierend angetrieben, so bewegt sich das Werkzeug 13 auf einer Kreisbahn um die Achse 11 und zerteilt dabei den Hohlzylinder 8, wenn das Werkzeug sich einen Weg durch die Zylinderwand 10 bahnt. Dies kann beispielsweise durch eine raspelnde oder sägende Bewegung geschehen, soweit das Werkzeug 13 eine Zahnung aufweist. Es kann auch eine Beheizung des Werkzeugs 13 vorgesehen sein, um dieses so weit aufzuheizen, dass es das Material des Hohlzylinders 8 aufschmelzt. Gleichzeitig mit der Rotationsbewegung um die Achse 11 ist ein axialer Vorschub des Werkzeugs 13 in Richtung der Achse 11 vorgesehen, der beispielsweise mit gleichbleibender Geschwindigkeit erfolgt. Die Vorschubgeschwindigkeit kann jedoch auch zur Erzeugung verschiedener Abschnitte mit unterschiedlicher Steigung geändert werden. Durch die Kombination der Rotations- und Vorschubbewegung des Werkzeugs 13 wird eine wendelförmige Ausnehmung 16 in den Hohlzylinder 8 eingebracht. Der zwischen den einzelnen Gängen der durchgehenden Ausnehmung 16 stehenbleibende Teil des Hohlzylinders 8 hat ebenfalls die Form einer Wendel. Dieser Körper kann als Kern für den herzustellenden gewendelten Körper verwendet und später mit einer ersten Pulverschicht bedeckt werden. Nach Sintern der ersten Pulverschicht und Entfernen des Kernmaterials bleibt ein hohler, gewendelter elektrisch leitender Körper in Form einer Spule übrig.
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Durch die Erfindung kann ein hohler gewendelter Körper mit geringem Platzbedarf und hoher Raumnutzung geschaffen werden, der als elektrische Spule durch die Möglichkeit der Innenkühlung sehr effizient eingesetzt werden kann.
