DE102020103232A1 - Method for applying particles to a substrate - Google Patents
Method for applying particles to a substrate Download PDFInfo
- Publication number
- DE102020103232A1 DE102020103232A1 DE102020103232.3A DE102020103232A DE102020103232A1 DE 102020103232 A1 DE102020103232 A1 DE 102020103232A1 DE 102020103232 A DE102020103232 A DE 102020103232A DE 102020103232 A1 DE102020103232 A1 DE 102020103232A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- particles
- gas flow
- substrate
- section
- gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 155
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 55
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 97
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 claims abstract description 30
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 14
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 8
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 4
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N (2r,3r,4s,5r)-2-[6-[[2-(3,5-dimethoxyphenyl)-2-(2-methylphenyl)ethyl]amino]purin-9-yl]-5-(hydroxymethyl)oxolane-3,4-diol Chemical compound COC1=CC(OC)=CC(C(CNC=2C=3N=CN(C=3N=CN=2)[C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)C=2C(=CC=CC=2)C)=C1 BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N 0.000 description 1
- 229910003407 AlSi10Mg Inorganic materials 0.000 description 1
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010285 flame spraying Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000009652 hydrodynamic focusing Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 1
- 239000013528 metallic particle Substances 0.000 description 1
- SYHGEUNFJIGTRX-UHFFFAOYSA-N methylenedioxypyrovalerone Chemical compound C=1C=C2OCOC2=CC=1C(=O)C(CCC)N1CCCC1 SYHGEUNFJIGTRX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N nitrogen dioxide Inorganic materials O=[N]=O JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 239000011236 particulate material Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
- C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
- C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
- B05B12/00—Arrangements for controlling delivery; Arrangements for controlling the spray area
- B05B12/16—Arrangements for controlling delivery; Arrangements for controlling the spray area for controlling the spray area
- B05B12/18—Arrangements for controlling delivery; Arrangements for controlling the spray area for controlling the spray area using fluids, e.g. gas streams
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
- B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
- B05B7/16—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed
- B05B7/168—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed with means for heating or cooling after mixing
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
- C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
- C23C24/082—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat without intermediate formation of a liquid in the layer
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D1/00—Processes for applying liquids or other fluent materials
- B05D1/02—Processes for applying liquids or other fluent materials performed by spraying
- B05D1/12—Applying particulate materials
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
Verfahren zum Aufbringen von Partikel (3) auf ein Substrat (2), insbesondere auf eine Substratoberfläche (2a) des Substrates (2),das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:Bereitstellen einer Menge an Partikel (3) in einem Gasstrom (4, 45) an einem Einlassende (E1) einer Vorrichtung (1), wobei der Gasstrom (4, 45) insbesondere ein Trägergasstrom und/oder ein Mantelgasstrom umfasst,Beschleunigen des Gasstroms (45) unter Erhitzen des Gasstroms (45) in Richtung eines Auslassendes (E2) der Vorrichtung,Fokussieren der Partikel (3) auf eine Achse (M), die parallel zum Gasstrom ausgerichtet ist, wobei während des Fokussierens die Partikel beschleunigt und erhitzt werden,Ausrichten des Auslassendes (E2) der Vorrichtung (1) auf das Substrat (2), insbesondere auf die Oberfläche (2a) des Substrates (2).Method for applying particles (3) to a substrate (2), in particular to a substrate surface (2a) of the substrate (2), the method comprises the following method steps: Providing a quantity of particles (3) in a gas stream (4, 45 ) at an inlet end (E1) of a device (1), wherein the gas flow (4, 45) comprises in particular a carrier gas flow and / or a jacket gas flow, accelerating the gas flow (45) while heating the gas flow (45) in the direction of an outlet end (E2 ) of the device, focusing the particles (3) on an axis (M) which is aligned parallel to the gas flow, during which the particles are accelerated and heated, aligning the outlet end (E2) of the device (1) on the substrate ( 2), in particular on the surface (2a) of the substrate (2).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von Partikel auf ein Substrat.The invention relates to a method for applying particles to a substrate.
Im Bereich der additiven Fertigung lassen sich die etablierten Verfahren in Pulverbettverfahren und Freiraumverfahren unterteilen. Bei den Pulverbettverfahren wird Pulver schichtweise auf einer Unterlage verteilt und dabei in definierten Bereichen z.B. über einen Laser aufgeschmolzen, so dass in der Gesamtheit vieler Schichten ein Bauteil entsteht. Das Freiraumverfahren basiert auf der Zugabe von festen oder flüssigen Partikel, auf ein Substrat, wobei die Partikel durch die Aushärtung eine insbesondere stoffschlüssige Verbindung mit dem Substrat eingehen, die durch Aushärten, eine Verschmelzung oder „Verklammerung“ auf dem Substrat ein Gebilde ergeben.In the area of additive manufacturing, the established processes can be divided into powder bed processes and free-space processes. In the powder bed process, powder is distributed in layers on a base and melted in defined areas, e.g. using a laser, so that a component is created in the entirety of many layers. The free space method is based on the addition of solid or liquid particles to a substrate, with the particles entering into a particularly cohesive bond with the substrate as a result of the curing, which results in a structure through curing, fusing or “clamping” on the substrate.
Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung behandelte Fertigungsverfahren ist den Freiraumverfahren zuzuordnen.The manufacturing process dealt with in the context of the present invention is to be assigned to the free space process.
Die
Beim Laserstrahlauftragsschweißen wird ein Pulverstrahl auf ein Substrat geleitet. Ein Laserstrahl dient zum Erhitzen des Pulvers. In einer Wechselwirkungszone zwischen Pulverstrahl und Laserstrahl wird das Pulver durch den Laserstrahl aufgeschmolzen. Das Substrat liegt dabei unmittelbar in der Wechselwirkungszone, so das aufgeschmolzene Pulver mit dem Substrat eine Verbindung eingehen kann.With laser beam deposition welding, a powder jet is directed onto a substrate. A laser beam is used to heat the powder. The powder is melted by the laser beam in an interaction zone between the powder jet and the laser beam. The substrate lies directly in the interaction zone so that the melted powder can form a bond with the substrate.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Fertigungsverfahren bereitzustellen, insbesondere eine Alternative zu den vorgenannten Verfahren bereitzustellen. Dabei ist es insbesondere wünschenswert, feine Strukturen auf Substrate aufzubringen, wobei die Strukturbreite max. 500 Mikrometer, insbesondere max. 50 Mikrometern, insbesondere max. 10 Mikrometern aufweisen soll. Die thermische Belastung des Substrates sollte so gering wie möglich ausfallen.It is the object of the present invention to provide an improved manufacturing method, in particular to provide an alternative to the aforementioned method. It is particularly desirable to apply fine structures to substrates, the structure width should be a maximum of 500 micrometers, in particular a maximum of 50 micrometers, in particular a maximum of 10 micrometers. The thermal load on the substrate should be as low as possible.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren sowie eine Vorrichtung nach den Hauptansprüchen; Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung.The object on which the invention is based is achieved by a method and a device according to the main claims; Refinements are the subject of the subclaims and the description.
Gegenstand des Verfahrens ist insbesondere die Fokussierung sowie gleichzeitige Erhitzung und Beschleunigung von Partikel innerhalb einer Vorrichtung. Insbesondere wird dies ermöglicht durch Verwendung einer Vorrichtung mit einer erhitzten Gasleitung. Nachdem die Partikel in dieser Vorrichtung fokussiert, erhitzt und beschleunigt werden, können diese auf einem Substrat aufgebracht werden, wodurch eine Fertigung durchgeführt wird. Aufgrund der Fokussierung ist das Herstellen von sehr feinen Strukturen auf der Substratoberfläche möglich.The subject of the method is in particular the focusing and simultaneous heating and acceleration of particles within a device. In particular, this is made possible by using a device with a heated gas line. After the particles are focused, heated and accelerated in this device, they can be applied to a substrate, whereby manufacturing is carried out. Due to the focusing, it is possible to produce very fine structures on the substrate surface.
Bewegt sich ein Partikel durch eine Scherströmung, entstehen an dessen Partikeloberfläche unsymmetrische Druckverteilungen und Reibanteile. Eine Integration dieser unsymmetrischen Verhältnisse über die Partikeloberfläche liefert eine Kraftkomponente senkrecht zur Relativgeschwindigkeit zwischen Fluid und Partikel. Diese Kraft wird Saffman-Kraft genannt.If a particle moves through a shear flow, asymmetrical pressure distributions and friction components arise on its particle surface. An integration of these asymmetrical relationships over the particle surface provides a force component perpendicular to the relative speed between the fluid and the particle. This force is called the Saffman force.
Dabei werden im Rahmen des Verfahrens die Partikel mit Hilfe der Saffman-Kraft fokussiert. Dies gelingt durch das laminare und rotationssymmetrische Strömungsprofil innerhalb des Rohres, welches im Rahmen der Durchführung des Verfahrens erzeugt wird. Hierzu ist die axiale Geschwindigkeitskomponente des Partikels kleiner als die der Strömung. In diesem Fall wirkt die Saffman-Kraft in Richtung der größeren Strömungsgeschwindigkeit und damit in das Zentrum des Rohres. Durch die Erhitzung des Gasstromes wird die Strömung beschleunigt und die fokussierende Wirkung verstärkt.In the process, the particles are focused with the help of the Saffman force. This is achieved through the laminar and rotationally symmetrical flow profile within the pipe, which is generated during the implementation of the method. For this purpose, the axial velocity component of the particle is smaller than that of the flow. In this case the Saffman force acts in the direction of the greater flow velocity and thus in the center of the pipe. By heating the gas flow, the flow is accelerated and the focusing effect is intensified.
Durch die Erhitzung des Gasstroms und eine erhöhte Aufenthaltszeit der Partikel in dem Heißen Gasstrom werden die Partikel in der Vorrichtung ebenfalls erhitzt und beschleunigt, was Voraussetzung für den direkten Auftrag der Partikel ist.As a result of the heating of the gas flow and an increased dwell time of the particles in the hot gas flow, the particles are also heated and accelerated in the device, which is a prerequisite for the direct application of the particles.
Optional kann am Auslassende eine zusätzliche Erhitzung der Partikel erfolgen. Dies kann durch eine weitere Heizvorrichtung erfolgen, z.B. durch einen Laser. Hierdurch können auch Partikel aus einem Material mit einer sehr hohen Schmelztemperatur entsprechend erhitzt werden.Optionally, the particles can be additionally heated at the outlet end. This can be done by another heating device, e.g. by a laser. In this way, particles made of a material with a very high melting temperature can also be heated accordingly.
Optional kann das Gas, Trägergas und/oder Mantelgas vor dem Einströmen in einen der Abschnitte vorgeheizt sein. Folglich kann dem ersten Abschnitt ein Abschnitt vorgelagert sein.Optionally, the gas, carrier gas and / or jacket gas can be preheated before flowing into one of the sections. Consequently, the first section can be preceded by a section.
In einer Ausgestaltung ist das Substrat, insbesondere die Substratoberfläche, temperiert, insbesondere auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur um das Substrat herum.In one embodiment, the substrate, in particular the substrate surface, is tempered, in particular to a temperature above the ambient temperature around the substrate.
In einer Ausgestaltung wird als Trägergas und/oder Mantelgas ein sogenanntes Schutzgas insbesondere Argon, Stickstoff oder Kohledioxid verwendet. In einer Ausgestaltung ist auch Druckluft als Mantelgas und/oder Trägergas möglich, insbesondere sofern sichergestellt ist, dass unter den in der Vorrichtung herrschenden Bedingungen keine ungewollten chemischen Reaktionen stattfinden. Druckluft ist vergleichsweise günstig bereitzustellen.In one embodiment, a so-called protective gas, in particular argon, nitrogen or carbon dioxide, is used as the carrier gas and / or jacket gas. In one embodiment, compressed air is also possible as jacket gas and / or carrier gas, in particular if it is ensured that no unwanted chemical reactions take place under the conditions prevailing in the device. Compressed air is comparatively cheap to provide.
In einer Ausgestaltung umfassen die Partikel ein Metall, insbesondere zu mehr als 50%.In one embodiment, the particles comprise a metal, in particular more than 50%.
In einer Ausgestaltung umfassen die Partikel ein Kunststoff, insbesondere zu mehr als 50%. In diesem Fall wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung unter der Solidustemperatur die Schmelztemperatur des Kunststoffes verstanden.In one embodiment, the particles comprise a plastic, in particular more than 50%. In this case, within the scope of the present disclosure, the solidus temperature is understood to mean the melting temperature of the plastic.
In einer Ausgestaltung ist das Trägergas und/oder das Mantelgas aerosolfrei. Es versteht sich von selbst, dass die Partikel dabei nicht als Bestandteil eines Aerosols angesehen werden. Vielmehr ist damit gemeint, dass in den Gasen außer den Partikel, die Bestandteil des additiven Materialauftrags sind, keine weiteren festen und/oder flüssigen Bestandteile aufgenommen sind.In one embodiment, the carrier gas and / or the jacket gas is aerosol-free. It goes without saying that the particles are not considered to be part of an aerosol. Rather, what is meant by this is that apart from the particles that are part of the additive material application, no further solid and / or liquid components are included in the gases.
Mit dem Fertigungsverfahren ist der definierte Auftrag unterschiedlicher Materialien auf das Substrat möglich. Dies eröffnet die Möglichkeit, bereits bestehende additive Fertigungsverfahren vor allem im Bereich von Multimaterialbauteilen zu erweitern. Multimaterialbauteile sind insbesondere solche Bauteile, bei denen unterschiedliche Materialien stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind. The manufacturing process enables the defined application of different materials to the substrate. This opens up the possibility of expanding existing additive manufacturing processes, especially in the area of multi-material components. Multi-material components are in particular those components in which different materials are materially and / or positively connected to one another.
Unterschiedliche Partikel Materialien können in einer Ausgestaltung selektiv wechselnd am Einlassende zugeführt werden. Hierdurch kann während des laufenden additiven Verfahrens das aufzubringende Material geändert werden.In one embodiment, different particle materials can be selectively alternately supplied to the inlet end. This allows the material to be applied to be changed while the additive process is running.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung betreffen Prozentangaben zur Zusammensetzung den jeweiligen Gewichtsanteil.In the context of the present disclosure, percentages relating to the composition relate to the respective weight fraction.
Die Erfindung zeichnet sich - neben dem möglichen Multimaterialauftrag - insbesondere durch ein oder mehrere der folgenden Vorteile aus. Durch die vergleichsweise geringe Geschwindigkeit der Partikel beim Verlassen der Vorrichtung sind die Fertigung von feinen Strukturen mit geringer Streubreite möglich, da aufgrund der vergleichsweise geringen kinetischen Energie die Partikel beim Auftreffen nur geringfügig zerstört bzw. und damit zerstäubt werden. Ebenso wird die Verwendung von weichen Substraten möglich. Durch die vergleichsweise geringe Temperatur am Substrat, die unter der Solidustemperatur oder nur geringfügig oberhalb der Solidustemperatur liegen kann, wird die Verwendung von thermisch sensitiven Substratmaterialien ermöglicht. Das Substrat kann unter Umständen sogar kalt bleiben, da nur die Partikel angeschmolzen werden. Im Vergleich zu Aerosol-Jet-Druckverfahren ist zur Erzeugung eines Materialverbundes kein Bindematerial und damit auch kein weiter Prozessschnitt notwendig.In addition to the possible multi-material application, the invention is distinguished in particular by one or more of the following advantages. Due to the comparatively low speed of the particles when they leave the device, the production of fine structures with a small scatter width is possible, since due to the comparatively low kinetic energy the particles are only slightly destroyed or and thus atomized when they hit the device. The use of soft substrates is also possible. The comparatively low temperature on the substrate, which can be below the solidus temperature or only slightly above the solidus temperature, enables the use of thermally sensitive substrate materials. Under certain circumstances, the substrate can even remain cold, since only the particles are melted. Compared to aerosol jet printing processes, no binding material is required to create a composite material and therefore no further process cuts are required.
Die Erfindung wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert; hierin zeigt:
-
1 eine Vorrichtung zur Verwendung für ein erfindungsgemäßes Verfahren in perspektivischer Darstellung, teilweise aufgeschnitten dargestellt; -
2 schematisch die Vorrichtung nach1 im Längsschnitt; -
3 zwei Strömungsquerschnitte des Gasstroms während des erfindungsgemäßen Verfahrens; -
4 schematisch die Vorrichtung nach1 im Längsschnitt mit beispielhaften Maßangaben.
-
1 a device for use for a method according to the invention in a perspective view, shown partially cut away; -
2 schematically the device according to1 in longitudinal section; -
3 two flow cross-sections of the gas stream during the method according to the invention; -
4th schematically the device according to1 in longitudinal section with exemplary dimensions.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden Partikel
Die Vorrichtung
Am Einlassende
Die Vorrichtung
Der erste Abschnitt A1 umfasst einen, insbesondere zylindrischen, Kernraum
Das in dem ersten Abschnitt eingeleitete Mantelgas oder Trägergas kann vorgeheizt sein, insbesondere auf eine Temperatur oberhalb von 50°C.The jacket gas or carrier gas introduced in the first section can be preheated, in particular to a temperature above 50.degree.
Im ersten Abschnitt A1 sind die Partikel
Am Übergang vom ersten Abschnitt A1 zum zweiten Abschnitt A2 endet die Zwischenwandung
Aufgrund geringer Reynoldszahlen wird eine Vermischung des Trägergases
Der zweite Abschnitt A2 ist grundsätzlich optional, vereinfacht das Verfahren aber, weil kleine Radien im Abschnitt
Die Partikel
Im weiteren Verlauf strömt das Gas
Dabei werden die Partikel
Durch das Erhitzen wird die Dichte des Gases verringert und die Viskosität vergrößert. Als Folge davon wird die Reynoldszahl des Gasstroms abgesenkt. Dadurch wird die Neigung des Gasstroms zur Turbulenzbildung verringert, obwohl der Gasstrom beschleunigt wird.Heating reduces the density of the gas and increases its viscosity. As a result, the Reynolds number of the gas flow is lowered. This reduces the tendency of the gas flow to form turbulence, although the gas flow is accelerated.
Mit Verlassen der Vorrichtung am Auslassende
Anhand der
Die Richtung der Saffmann-Kraft ist dabei senkrecht zur Relativgeschwindigkeit von Partikel
Der Betrag der Saffman-Kraft auf ein Partikel ist ist abhängig von:
- - dem Partikeldurchmesser,
- - der Dichte des Gases, das das Partikel umgibt,
- - die Viskosität des Gases, das das Partikel umgibt,
- . die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Partikel und dem Gas, das das Partikel umgibt,
- - der Gradient in der Strömung, die das Partikel umgibt.
- - the particle diameter,
- - the density of the gas surrounding the particle,
- - the viscosity of the gas surrounding the particle,
- . the relative speed between the particle and the gas surrounding the particle,
- - the gradient in the flow surrounding the particle.
Die Änderungen der Gasdichte und Gasviskosität aufgrund von Temperaturerhöhungen erhöht im Allgemeinen den Betrag der Saffman-Kraft. Gleiches gilt für den Partikeldurchmesser und den Gradienten der Scherströmung. Da durch Erhitzung das Geschwindigkeitsniveau erhöht wird steigt durch Temperaturerhöhung also auch der Gradient der Strömung und damit die Saffman-Kraft.The changes in gas density and viscosity due to increases in temperature generally increases the magnitude of the Saffman force. The same applies to the particle diameter and the gradient of the shear flow. Since the speed level is increased by heating, the gradient of the flow and thus the Saffman force also increase with the increase in temperature.
Zur Illustration sind in den
Da die Geschwindigkeit der Partikel im Abschnitt
Zum Auftrag von Partikel auf das Substrat ist eine Kombination aus Partikelgeschwindigkeit und Partikeltemperatur am Austritt der Vorrichtung erforderlich. Die Heizvorrichtung im dritten Abschnitt A3 bewirkt neben der Fokussierung ein Erhitzen und Beschleunigen der Partikel, sodass eine formschlüssige Verbindung mit dem Substrat ermöglicht wird. Insbesondere werden die Partikel dabei auf eine Temperatur erhitzt, die zumindest ein Anschmelzen der Partikel
Anhand der
Am Ende des zweiten Abschnitts A2 weisen die Partikel
Am Ende des zweiten Abschnitts A2 weisen die Partikel
Im dritten Abschnitt A3 weist der Strömungsquerschnitt einen konstanten Durchmesser
Bereits kurz nach Eintreten der Partikel
In einer Ausgestaltung sind die Partikel
Folgende optionale Wertebereiche sind grundsätzlich zur Charakterisierung der Erfindung und weiteren Beschränkung der Ansprüche isoliert und/oder in jeglicher Kombination mit anderen Merkmalen geeignet: The following optional value ranges are basically suitable for characterizing the invention and further restricting the claims and / or in any combination with other features:
Der Rohrdurchmesser
Ein Auslassdurchmesser
Die dritte Geschwindigkeit
Die dritte Geschwindigkeit
Die dritte Geschwindigkeit
Der Durchmesser
Die Temperatur Tg1 des Gases am Ende des ersten Abschnitts A1 und/oder die Temperatur der Wandung der Zwischenwandung
Die Temperatur
Die Zwischenwandung weist insbesondere eine Wandstärke
Je geringer der Durchmesser
Die Spaltbreite
Die Temperatur
Die Temperatur
Die Temperatur Tg1 des Gases
Die Rohrlänge
Der Abstand
Die Temperatur der Substratoberfläche ist insbesondere geringer als die Temperatur der auf die Substratoberfläche auftreffenden Partikel.The temperature of the substrate surface is in particular lower than the temperature of the particles hitting the substrate surface.
Die Partikel weisen insbesondere eine Dichte von min. 1000 kg/m3 (für Metallpartikel) und/oder min 300 kg/m3 (für Kunststoffpartikel) auf.In particular, the particles have a density of at least 1000 kg / m 3 (for metal particles) and / or at least 300 kg / m 3 (for plastic particles).
Ein Durchmesser der Partikel am Einlassende beträgt insbesondere min. 1 Mikrometer, bevorzugt min 5 Mikrometer, und/oder max. 50 Mikrometer.A diameter of the particles at the inlet end is in particular at least 1 micrometer, preferably at least 5 micrometers, and / or at most 50 micrometers.
Das Verhältnis von Gesamtdurchmesser des ersten Abschnitts (
Die Bezeichnung „erster“, „zweiter“, „dritter“ und „vierter“ Abschnitt dient insbesondere zur Individualisierung der einzelnen Abschnitte und bedingt nicht eine notwendige Mindestanzahl. Das Vorsehen eines dritten Abschnitts bedingt daher nicht das zwangsläufige Vorsehen auch eines zweiten oder ersten Abschnitts. Die Bezeichnung erster Abschnitt lässt es folglich auch zu, dass vor dem ersten Abschnitt weitere Abschnitte vorgesehen sein können.The designation “first”, “second”, “third” and “fourth” section is used in particular to individualize the individual sections and does not require a minimum number. The provision of a third section therefore does not necessarily mean that a second or first section is also provided. The designation of the first section consequently also allows further sections to be provided before the first section.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- SubstratSubstrate
- 2a2a
- SubstratoberflächeSubstrate surface
- 33
- PartikelParticles
- 44th
- TrägergasCarrier gas
- 55
- MantelgasJacket gas
- 4545
- Gesamtgas Total gas
- 1111
- Außenwandung, insbesondere AußenrohrOuter wall, in particular outer tube
- 1212th
- Zwischenwandung, insbesondere ZwischenrohrPartition, in particular intermediate pipe
- 1313th
- Heizeinrichtung Heating device
- 21a21a
- KernraumCore room
- 21b21b
- MantelraumCloakroom
- 2222nd
- VerbindungsraumConnecting room
- 2323
- Fokussierungsraum Focus space
- E1E1
- EinlassendeInlet end
- E2E2
- Auslassende Outlet end
- RR.
- HauptströmungsrichtungMain flow direction
- SS.
- Vorschubrichtung Feed direction
- vp1vp1
- mittlere Geschwindigkeit der Partikel beim Verlassen des ersten AbschnittsAverage speed of the particles when leaving the first section
- vt1vt1
- mittlere Geschwindigkeit des Trägergases beim Verlassen des ersten Abschnittsmean velocity of the carrier gas when leaving the first section
- vm1vm1
- mittlere Geschwindigkeit des Mantelgases beim Verlassen des ersten Abschnitts mean velocity of the jacket gas when leaving the first section
- vp2vp2
- mittlere Geschwindigkeit der Partikel beim Verlassen des zweiten AbschnittsAverage speed of the particles when leaving the second section
- vg2vg2
- mittlere Geschwindigkeit des Gases beim Verlassen des zweiten Abschnitts mean speed of the gas when leaving the second section
- vp3vp3
- mittlere Geschwindigkeit der Partikel beim Verlassen des dritten AbschnittsAverage speed of the particles when leaving the third section
- vg3vg3
- mittlere Geschwindigkeit des Gases beim Verlassen des dritten Abschnitts mean speed of the gas when leaving the third section
- D11D11
-
Durchmesser des Kernraums
11 Diameter of thecore space 11 - B12B12
-
Spaltbreite des Mantelraums
12 Gap width of the shell space12th - D12D12
-
Wandstärke der Zwischenwandung
12 Wall thickness of the partition12th - D3D3
- Rohrdurchmesser des dritten Abschnitts A3Pipe diameter of the third section A3
- DE2DE2
- Auslassdurchmesser am Auslassende E2 Outlet diameter at outlet end E2
- L1L1
- Rohrlänge des ersten Abschnitts A1Pipe length of the first section A1
- L2L2
- Rohrlänge des zweiten Abschnitts A2Pipe length of the second section A2
- L3L3
- Rohrlänge des dritten Abschnitts A3Pipe length of the third section A3
- L4L4
-
Abstand zwischen Auslassende
E2 und Substratoberfläche2a (= max. 5mm)Distance between outlet endE2 andsubstrate surface 2a (= max. 5mm) - Tp1Tp1
- Temperatur der Partikel am Ende des ersten AbschnittsTemperature of the particles at the end of the first section
- Tp3Tp3
- Temperatur der Partikel am Ende des dritten AbschnittsTemperature of the particles at the end of the third section
- Tg3Rg3
- Temperatur des Gases am Ende des dritten AbschnittsTemperature of the gas at the end of the third section
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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.This list of the documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 2009/0056620 A1 [0004]US 2009/0056620 A1 [0004]
Claims (16)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020103232.3A DE102020103232A1 (en) | 2020-02-07 | 2020-02-07 | Method for applying particles to a substrate |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020103232.3A DE102020103232A1 (en) | 2020-02-07 | 2020-02-07 | Method for applying particles to a substrate |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102020103232A1 true DE102020103232A1 (en) | 2021-08-12 |
Family
ID=76968606
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102020103232.3A Withdrawn DE102020103232A1 (en) | 2020-02-07 | 2020-02-07 | Method for applying particles to a substrate |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102020103232A1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6348687B1 (en) | 1999-09-10 | 2002-02-19 | Sandia Corporation | Aerodynamic beam generator for large particles |
DE102006044612A1 (en) | 2006-09-19 | 2008-03-27 | Linde Ag | Method for cold gas spraying |
US20090056620A1 (en) | 2004-11-24 | 2009-03-05 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho | Thermal spraying nozzle device and thermal spraying system using the same |
DE102012001361A1 (en) | 2012-01-24 | 2013-07-25 | Linde Aktiengesellschaft | Method for cold gas spraying |
US20140370203A1 (en) | 2012-01-27 | 2014-12-18 | Ndsu Research Foundation | Micro cold spray direct write systems and methods for printed micro electronics |
-
2020
- 2020-02-07 DE DE102020103232.3A patent/DE102020103232A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6348687B1 (en) | 1999-09-10 | 2002-02-19 | Sandia Corporation | Aerodynamic beam generator for large particles |
US20090056620A1 (en) | 2004-11-24 | 2009-03-05 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho | Thermal spraying nozzle device and thermal spraying system using the same |
DE102006044612A1 (en) | 2006-09-19 | 2008-03-27 | Linde Ag | Method for cold gas spraying |
DE102012001361A1 (en) | 2012-01-24 | 2013-07-25 | Linde Aktiengesellschaft | Method for cold gas spraying |
US20140370203A1 (en) | 2012-01-27 | 2014-12-18 | Ndsu Research Foundation | Micro cold spray direct write systems and methods for printed micro electronics |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
HOEY, J. M., LUTFURAKHMANOV A., SCHULZ, D. L., AKHATOV, I. S.: A Review on Aerosol-Based Direct-Write and Its Applications forMicroelectronics, Journal of Nanotechnology, 2012, S. 1 - 22. - doi:10.1155/2012/324380 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3083107B1 (en) | Device and method for melting a material without a crucible and for atomizing the melted material in order to produce powder | |
EP1390152B1 (en) | Cold gas spraying method and device | |
EP1999297B1 (en) | Cold-gas spray gun | |
EP0708262B1 (en) | Aerostatic bearing and fabrication process of an aerostatic bearing | |
EP2953729B1 (en) | Perforated plate for an application device and corresponding application and production method | |
DE102007054334A1 (en) | Aerostatic bearing and process for its production | |
WO2014053277A2 (en) | Powder nozzle for a laser powder welding device | |
EP3526519B1 (en) | Burner tip comprising an air duct system and a fuel channel system for a burner and method for production thereof | |
DE10326919A1 (en) | Particles, for use in powder-based generative rapid prototyping, have a core of one material with a cladding of a second material, coated with a surfactant to give hydrophobic surfaces and prevent agglomeration | |
AT409235B (en) | METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING METAL POWDER | |
DE102009005528A1 (en) | Dual-component nozzle for injecting a fluid e.g. urea solution into an exhaust gas system of an internal combustion engine for selective catalytic reduction, comprises first nozzle opening, and second nozzle opening formed by annular gap | |
WO2021047821A1 (en) | Material deposition unit having a multiple material focus zone and method for build-up welding | |
EP3444097B1 (en) | Method for the manufacture of a tube | |
EP3188871B1 (en) | Welding material and method of producing an assembly by means of a bonded connection | |
WO1998033031A1 (en) | Heat exchanger tube, and method for the production of same | |
DE102020103232A1 (en) | Method for applying particles to a substrate | |
WO2007134913A2 (en) | Rolling bearing component, and method for the production thereof | |
DE102019105163B3 (en) | Plasma nozzle and plasma device | |
EP3402599B1 (en) | Perforated plate with increased hole spacing in one or both edge regions of a row of nozzles | |
WO2007020043A1 (en) | Improved air conduction for blown film extrusions | |
DE3150221A1 (en) | Process and equipment for producing metal powder from a melt | |
WO2021069600A2 (en) | Method for producing a coated filter element, application device for coating a filter body, and coated filter element | |
DE102019133979A1 (en) | Process for laser deposition welding with granular filler material | |
EP3205762B1 (en) | Nozzle strip for a textile processing machine | |
DE102019135375A1 (en) | Nozzle for a laser processing device and laser processing device with the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |