DE102020103232A1 - Method for applying particles to a substrate - Google Patents

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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 US 2009/0056620 A1 offenbart eine Thermospritzverfahren, bei dem Partikel auf eine Geschwindigkeit oberhalb der Schallgeschwindigkeit gebracht werden ( US 2009/0056620 A1 , Anspruch 1). Die Partikel werden von einer Lasereinrichtung derart erhitzt, dass diese aufgeschmolzen werden. In einem Rohrabschnitt wird das aufgeschmolzene Partikelmaterial durch umströmendes Trägergas beschleunigt, wobei eine Atomisierung erfolgen soll. Da das Trägergas kälter als die Partikel ist, erfolgt im Rohrabschnitt eine schnelle Abkühlung der Partikel. Zudem erfolgt eine Defokussierung ( US 2009/0056620 A1 , 9-11). Es wird folglich ein Zerstäuben der Partikel bewirkt, was die Herstellung von sehr feinen flächigen Schichten begünstigt.the US 2009/0056620 A1 discloses a thermal spray process in which particles are brought to a speed above the speed of sound ( US 2009/0056620 A1 , Claim 1). The particles are heated by a laser device in such a way that they are melted. In a pipe section, the melted particulate material is accelerated by the carrier gas flowing around it, and atomization should take place. Since the carrier gas is colder than the particles, the particles are rapidly cooled in the pipe section. In addition, there is a defocusing ( US 2009/0056620 A1 , 9-11 ). As a result, the particles are atomized, which favors the production of very fine, two-dimensional layers.

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 nach 1 im Längsschnitt;
  • 3 zwei Strömungsquerschnitte des Gasstroms während des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 4 schematisch die Vorrichtung nach 1 im Längsschnitt mit beispielhaften Maßangaben.
The invention is explained in more detail below with reference to the figures; here shows:
  • 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 to 1 in longitudinal section;
  • 3 two flow cross-sections of the gas stream during the method according to the invention;
  • 4th schematically the device according to 1 in longitudinal section with exemplary dimensions.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden Partikel 3 auf eine Substratoberfläche 2a eines Substrates 2 (z.B. Werkstück) aufgebracht. Dazu wird eine Vorrichtung 1 verwendet, deren Funktion nachfolgend erläutert wird. Bei allen nachfolgenden Geschwindigkeitsangaben handelt es sich um jeweils die mittlere Geschwindigkeit, sofern nicht anders angegeben.The process according to the invention results in particles 3 onto a substrate surface 2a of a substrate 2 (e.g. workpiece) applied. A device is used for this 1 is used, the function of which is explained below. All of the following speed information is the average speed, unless otherwise stated.

Die Vorrichtung 1 umfasst eine rohrförmige Außenwandung 11 mit einem Einlassende E1 und einem Auslassende E2. Die rohrförmige Außenwandung 11 definiert eine Mittelachse M. Gase können innerhalb der Außenwandung 11 von dem Einlassende E1 in Richtung des Auslassende E2 entlang einer, insbesondere geradlinigen, Hauptströmungsrichtung R strömen.The device 1 comprises a tubular outer wall 11 with an inlet end E1 and an outlet end E2 . The tubular outer wall 11 defines a central axis M. Gases can be inside the outer wall 11 from the inlet end E1 towards the outlet end E2 along a, in particular straight, main flow direction R. stream.

Am Einlassende E1 wird ein Trägergas 4, welches mit den Partikel 3 versehen ist, eingelassen. Innerhalb der Vorrichtung 1 werden die Partikel 3 derart beschleunigt und erhitzt, sodass die Partikel 2 anschließend mit hoher Energie die Vorrichtung 1 am Auslassende E2 verlassen, um auf das Substrat 2 aufgebracht zu werden.At the inlet end E1 becomes a carrier gas 4th which one with the particle 3 is provided, let in. Inside the device 1 become the particles 3 accelerated and heated so that the particles 2 then the device with high energy 1 at the outlet end E2 rely on the substrate 2 to be applied.

Die Vorrichtung 1 umfasst einen ersten Abschnitt A1, einen zweiten Abschnitt A2 und einen dritten Abschnitt A3, die in Hauptströmungsrichtung R betrachtet nacheinander durchströmt werden. In diesem Beispiel ist die Hauptströmungsrichtung R im dritten Abschnitt A3 geradlinig und die Außenwandung 11 im dritten Abschnitt A3 parallel zur Mittelachse M. Alternativ ist eine Vorrichtung denkbar, bei der die Außenwandung 11 im dritten Abschnitt A3 konisch oder freiformend verläuft. Insbesondere ist dadurch der zweite Abschnitt A2 optional und kann somit entfallen, insbesondere kann die Funktion des zweiten Abschnitts in den ersten und/oder zweiten Abschnitt integriert werden.The device 1 comprises a first section A1, a second section A2 and a third section A3, which are in the main flow direction R. viewed one after the other. In this example the main flow direction is R. in the third section A3 straight and the outer wall 11 in the third section A3 parallel to the central axis M. Alternatively, a device is conceivable in which the outer wall 11 in the third section A3 is conical or free-form. In particular, the second section A2 is therefore optional and can therefore be omitted; in particular, the function of the second section can be integrated into the first and / or second section.

Der erste Abschnitt A1 umfasst einen, insbesondere zylindrischen, Kernraum 21a, in dem das Trägergas 4 mit den Partikel 3 geführt ist. Um den Kernraum 21a herum ist ein, insbesondere hohlzylindrischer, Mantelraum 21b angeordnet. Der Mantelraum 21b umgibt den Kernraum 2 ringförmig. Im Mantelraum 21b wird ein Mantelgas 5 in Hauptstromrichtung R geführt. Der Mantelraum 21b ist von dem Kernraum 21a durch eine zylindrische Zwischenwandung 12 getrennt. Damit wird im ersten Abschnitt A1 das Mantelgas 5 getrennt von dem Trägergas 4 und den Partikel 3 geführt.The first section A1 comprises an, in particular cylindrical, core space 21a in which the carrier gas 4th with the particles 3 is led. Around the core room 21a around it is a shell space, in particular a hollow cylindrical one 21b arranged. The coat room 21b surrounds the core space 2 ring-shaped. In the coat room 21b becomes a jacket gas 5 in the main flow direction R. guided. The coat room 21b is from the core room 21a through a cylindrical partition 12th Cut. The jacket gas is thus in the first section A1 5 separated from the carrier gas 4th and the particle 3 guided.

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 3 in dem Trägergas 4 zufällig verteilt angeordnet. Am Ende des ersten Abschnitts A1 weisen die Partikel 3 mitsamt dem Trägergas 4 eine erste Partikelgeschwindigkeit vp1 in Hauptströmungsrichtung R auf, die einer ersten Trägergasgeschwindigkeit des Trägergases 4 entspricht. Das Mantelgas 5 weist in Hauptströmungsrichtung R am Ende des ersten Abschnitts A1 eine erste Mantelgasgeschwindigkeit vm1 auf.In the first section A1 are the particles 3 in the carrier gas 4th randomly arranged. At the end of the first section A1, the particles point 3 together with the carrier gas 4th a first particle velocity vp1 in the main flow direction R. a first carrier gas velocity of the carrier gas 4th is equivalent to. The jacket gas 5 points in the main flow direction R. a first jacket gas velocity at the end of the first section A1 vm1 on.

Am Übergang vom ersten Abschnitt A1 zum zweiten Abschnitt A2 endet die Zwischenwandung 12. Der Mantelraum 21b und der Kernraum 21 münden somit in einen gemeinsamen Verbindungsraum 22, in dem Trägergas 4 und damit die Partikel 3 mit dem Mantelgas 5 zusammengeführt werden. Dies ist in Einzelheit in 2 dargestellt.The partition ends at the transition from the first section A1 to the second section A2 12th . The coat room 21b and the core space 21 thus open into a common connecting space 22nd , in the carrier gas 4th and with it the particles 3 with the jacket gas 5 be merged. This is in detail in 2 shown.

Aufgrund geringer Reynoldszahlen wird eine Vermischung des Trägergases 4 und des Mantelgases 5 auch im zweiten und dritten Abschnitt A2, A3 vermieden. Das Trägergas 4 befindet sich bis zum Verlassen der Vorrichtung mittig in dem Leitungssystem und wird vom Mantelgas umgeben. Da eine Unterscheidung der beiden Gase im weiteren Verlauf unwichtig ist, wird nachfolgend nur noch von dem Gas 45 gesprochen. Durch eine Verjüngung des Durchflussquerschnitts im Verbindungsraum 22 ergibt sich eine Beschleunigung des Gases 45, so dass das Gas 45 am Ende des zweiten Abschnitts A2 mit einer Geschwindigkeit vg2 strömt. Bereits im Verbindungsraum 22 ergibt sich eine hydrodynamische Fokussierung. Insbesondere ist diese Fokussierung zum einen auf die Saffman-Kraft und/oder zum anderen auf die Verjüngung der Strömung zurück zu führen.Due to the low Reynolds numbers, there is a mixing of the carrier gas 4th and the jacket gas 5 also avoided in the second and third sections A2, A3. The carrier gas 4th is located in the middle of the line system until it leaves the device and is surrounded by the jacket gas. Since a distinction between the two gases is unimportant in the further course, the following is only about the gas 45 spoken. By tapering the flow cross-section in the connection space 22nd there is an acceleration of the gas 45 so that the gas 45 at the end of the second section A2 at one speed vg2 flows. Already in the connecting room 22nd hydrodynamic focusing results. In particular, this focus can be traced back on the one hand to the Saffman force and / or on the other hand to the tapering of the flow.

Der zweite Abschnitt A2 ist grundsätzlich optional, vereinfacht das Verfahren aber, weil kleine Radien im Abschnitt 3 mit größeren Geometrien im Abschnitt 1 kombiniert werden können. Die kleinen Radien im Abschnitt 3 gewährleisten eine gute Fokussierung aufgrund hoher Saffman-Kraft. Die größeren Geometrien in Abschnitt 1 gewährleisten gleichzeitig einen großen Kernraum 21a, sodass die Geschwindigkeit des Trägergases 4 geringer sein kann. (Bei gleicher Geschwindigkeit des Gases 45 sind die Geschwindigkeiten in Abschnitt 1 aus Kontinuitätsgründen bei einer größeren Geometrie - und damit größeren Durchmessern - in Abschnitt 1 geringer) Dies wiederum führt zu geringeren Partikelgeschwindigkeiten im Kernraum 21a, sodass eventuelle radiale Partikelgeschwindigkeiten in Richtung Außenwandung 11 oder Partikelrotationen durch Kollisionen mit der zylindrischen Zwischenwandung 12 geringer sind. Die Quergeschwindigkeiten und Rotationen der Partikel nach Verlassen des Kernraums 21a können außerdem durch einen Breiteren Mantelraum 21b und damit eine größere Geometrie im Abschnitt 1 besser abgefangen werden.The second section A2 is basically optional, but simplifies the process because the section has small radii 3 with larger geometries in the section 1 can be combined. The small radii in the section 3 ensure good focus due to the high Saffman force. The larger geometries in section 1 at the same time ensure a large core space 21a so that the speed of the carrier gas 4th can be lower. (At the same speed of the gas 45 are the speeds in section 1 for reasons of continuity with a larger geometry - and thus larger diameters - in section 1 lower) This in turn leads to lower particle velocities in the core space 21a so that any radial particle velocities in the direction of the outer wall 11 or particle rotations due to collisions with the cylindrical partition 12th are lower. The transverse velocities and rotations of the particles after leaving the core space 21a can also through a wider jacket space 21b and thus a larger geometry in the section 1 be better intercepted.

Die Partikel 3 verbleiben zum größten Anteil im radial inneren Bereich und strömen nicht radial nach außen. Am Ende des zweiten Abschnitts A2 weisen die Partikel eine zweite Partikelgeschwindigkeit vp2 auf, die größer ist als die erste Partikelgeschwindigkeit vp1. Die zweite Geschwindigkeit des Gases vg2 ist größer als die zweite Partikelgeschwindigkeit vp2 und die erste Partikelgeschwindigkeit vp1.The particles 3 remain for the most part in the radially inner area and do not flow radially outwards. At the end of the second section A2, the particles have a second particle velocity vp2 that is greater than the first particle velocity vp1 . The second speed of the gas vg2 is greater than the second particle velocity vp2 and the first particle velocity vp1 .

Im weiteren Verlauf strömt das Gas 45 weiter in Hauptströmungsrichtung R in den dritten Abschnitt A3 hinein. Der Abschnitt A3 ist Kern der Vorrichtung 1. Hier werden die Partikel auf die Mittelachse M fokussiert sowie auf eine zum Auftrag auf das Substrat ausreichende Partikelgeschwindigkeit beschleunigt und Partikeltemperatur erhitzt. Am dritten Abschnitt A3 ist eine Heizeinrichtung 13 vorgesehen, die das Gas 45 erhitzt. Das Gas 45 dehnt sich dadurch aus und wird folglich weiter beschleunigt.The gas continues to flow 45 further in the main flow direction R. into the third section A3. Section A3 is the core of the device 1 . Here, the particles are focused on the central axis M, accelerated to a particle speed sufficient for application to the substrate, and the particle temperature is heated. A heating device is located on the third section A3 13th provided that the gas 45 heated. The gas 45 thereby expands and is consequently further accelerated.

Dabei werden die Partikel 3 insbesondere bedingt durch Gravitations- und Strömungskräfte, wiederum geringer beschleunigt als das Gas 45, sodass die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Gas und den Partikel aufrechterhalten wird. Daher wirkt auf die Partikel die Saffmann-Kraft F, welche die Partikel 45 stets nach innen beaufschlagt und damit auf die Mittelachse M fokussiert. Eventuelle Störungen der Fokussierung wie radiale Partikelgeschwindigkeiten nach außen oder Rotationen durch Partikel-Partikel-Kollisionen oder turbulenter Strömungen werden ebenfalls durch die Saffman-Kraft kompensiert, sodass die Flugbahn der Partikel trotz Störungen stabilisiert wird. Ergänzend zur Dichteabnahme durch die Gaserhitzung verringert sich die Gasdichte in Strömungsrichtung durch Druckabnahme. Die Druckabnahme ist Resultat aus Wandreibungen und Dissipationen der Strömung in der Vorrichtung. Durch diesen Effekt wird das Gas in dem Kapillarrohr auch dann beschleunigt, wenn die Gastemperatur zum Ende des dritten Abschnitts in der praktischen Umsetzung einer Anlage leicht verringert wird.Thereby the particles 3 in particular due to gravitational and flow forces, again less accelerated than the gas 45 so that the relative velocity between the gas and the particles is maintained. Therefore, the Saffmann force F acts on the particles, which the particles 45 always applied inwards and thus focused on the central axis M. Possible disturbances of the focus such as radial particle velocities outwards or rotations due to particle-particle collisions or turbulent flows also compensated by the Saffman force, so that the trajectory of the particles is stabilized despite disturbances. In addition to the decrease in density due to the gas heating, the gas density decreases in the direction of flow due to the decrease in pressure. The pressure decrease is the result of wall friction and dissipation of the flow in the device. As a result of this effect, the gas in the capillary tube is accelerated even if the gas temperature is slightly reduced at the end of the third section in the practical implementation of a plant.

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 E2 bewegen sich die erhitzten Partikel innerhalb des noch erhitzten Gases und treffen nach kurzer Distanz L4 (wenige Millimeter) auf das Substrat 2 auf. Der Abstand L4 zwischen dem Auslassenden E2 und der Substratoberfläche ist in den Figuren als vierter Abschnitt A4 dargestellt.When leaving the device at the outlet end E2 the heated particles move within the still heated gas and hit after a short distance L4 (a few millimeters) on the substrate 2 on. The distance L4 between the outlet end E2 and the substrate surface is shown in the figures as fourth section A4.

Anhand der 3 wird die Saffmann-Kraft beschrieben, welche zur Fokussierung der Partikel in Abschnitt 3 genutzt wird. Die Vorrichtung ist so ausgelegt, dass die Gasströmung aufgrund geringer Reynoldszahlen laminar ist. In einer laminaren Strömung sind Schichten parallel zur Strömungsrichtung R mit jeweils unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten ausgebildet. An der Außenwandung 22 ist die Geschwindigkeit aufgrund der Reibung mit der Wandung am geringsten; Mit zunehmendem Abstand der Schichten von der Wandung weisen die Schichten der Strömung eine größere Geschwindigkeit auf. An der Mittelachse M ist der Abstand zur Wandung am größten und damit die Geschwindigkeit des Gases am größten. Der Gradient des Geschwindigkeitsprofils ist daher von jeder Seite auf die Mittelachse M gerichtet.Based on 3 the Saffmann force is described, which is used to focus the particles in section 3 is being used. The device is designed in such a way that the gas flow is laminar due to the low Reynolds numbers. In a laminar flow, layers are parallel to the direction of flow R. each formed with different flow velocities. On the outside wall 22nd the speed is the lowest due to the friction with the wall; As the distance between the layers and the wall increases, the layers of the flow have a greater velocity. At the central axis M, the distance to the wall is greatest and thus the speed of the gas is greatest. The gradient of the speed profile is therefore directed towards the central axis M from each side.

Die Richtung der Saffmann-Kraft ist dabei senkrecht zur Relativgeschwindigkeit von Partikel 3 und Strömung und damit quer zur Hauptströmungsrichtung R. In dem Fall von Partikel-Reynoldszahlen kleiner 50 ist das Vorzeichen der Saffman-Kraft davon abhängig, ob die Partikelgeschwindigkeit oder die Gasströmung in unmittelbarer Nähe eines Partikels größer ist. Die Saffmann-Kraft F wirkt nun auf diejenigen Partikel 3 in Richtung der Mittelachse M, die eine langsamere Geschwindigkeit aufweisen als das Gas. Ein Partikel, welches folglich außermittig zur Mittelachse M angeordnet ist, wird aufgrund der vorstehend beschriebenen Bedingungen zwangsläufig hin zur Mittelachse M beaufschlagt. Dabei kann es zu einem Einschwingvorgang kommen, da einzelne Partikel über die Mittelachse M hinausbewegt werden. Auf der anderen Seite der Mittelachse M bewirkt allerdings ebenso die Saffmann-Kraft, dass das jeweilige Partikel wieder zurück in Richtung der Mittelachse M beaufschlagt wird.The direction of the Saffmann force is perpendicular to the relative speed of particles 3 and flow and thus transverse to the main flow direction R. . In the case of particle Reynolds numbers less than 50, the sign of the Saffman force depends on whether the particle velocity or the gas flow in the immediate vicinity of a particle is greater. The Saffmann force F now acts on those particles 3 in the direction of the central axis M, which have a slower speed than the gas. A particle which is consequently arranged eccentrically to the central axis M is inevitably acted upon towards the central axis M due to the conditions described above. This can lead to a transient process, since individual particles are moved beyond the central axis M. On the other side of the central axis M, however, the Saffmann force also has the effect that the respective particle is applied back in the direction of the central axis M again.

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 amount of the Saffman force on a particle depends on:
  • - 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 3a und 3b jeweils Partikel 3a und 3b eingezeichnet. Die Temperatur des Gases ist in 3b größer als in 3a, wobei die Relativgeschwindigkeit zwischen Gas 45 und Partikel gleich ist. In der 3b ist der Gradient aufgrund des insgesamt höheren Geschwindigkeitsniveaus höher als in 3. Somit ist die Saffmann-Kraft auf die jeweiligen in 3b an identischen Radialpositionen größer als in der 3a.For illustration, the 3a and 3b Particles 3a and 3b are shown in each case. The temperature of the gas is in 3b larger than in 3a , where the relative speed between gas 45 and particle is the same. In the 3b the gradient is higher than in due to the overall higher speed level 3 . Thus, the Saffmann force is on the respective in 3b larger at identical radial positions than in the 3a .

Da die Geschwindigkeit der Partikel im Abschnitt 3 stets kleiner als die Strömungsgeschwindigkeit ist, wirkt die Saffman-Kraft in Richtung der Mittelachse M. Dies führt - zusammen mit dem erhöhten Betrag der Saffman-Kraft durch Temperierung im Abschnitt 3 entlang der Hauptströmungsrichtung R - zu einer Fokussierung der Partikel 3 auf die Mittelachse M.Because the speed of the particles in the section 3 is always smaller than the flow velocity, the Saffman force acts in the direction of the central axis M. This leads - together with the increased amount of the Saffman force through temperature control in the section 3 along the main flow direction R. - to a focusing of the particles 3 on the central axis M.

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 3 zur Folge hat. Die Größenordnungen der Geschwindigkeiten der Partikel am Austrittsende A2 entsprechen im Fall metallischer Partikel zumindest denen beim Pulverflammspritzen.In order to apply particles to the substrate, a combination of particle velocity and particle temperature is required at the outlet of the device. In addition to focusing, the heating device in the third section A3 heats and accelerates the particles so that a form-fitting connection with the substrate is made possible. In particular, the particles are heated to a temperature that at least fuses the particles 3 has the consequence. The magnitudes of the velocities of the particles at the exit end A2 correspond in the case of metallic particles at least to those in powder flame spraying.

Anhand der 4 (nicht maßstabsgetreu) wird eine beispielhafte Vorrichtung mit beispielhaften Maßen beschrieben. Der Kernraum 11 weist einen Durchmesser D11 von 1,1 mm auf. Ein Ringspalt, der durch den Mantelraum 12 gebildet wird, weist eine Breite B12 von 1 mm auf.Based on 4th (not true to scale) an exemplary device is described with exemplary dimensions. The core room 11 has a diameter D11 of 1.1 mm. An annular gap that runs through the shell space 12th is formed has a width B12 of 1 mm.

Am Ende des zweiten Abschnitts A2 weisen die Partikel 3 eine zweite Geschwindigkeit vp2 auf, die größer ist als die erste Geschwindigkeit vp1 der Partikel am Ende des ersten Abschnittes A1.At the end of the second section A2, the particles point 3 a second speed vp2 that is greater than the first speed vp1 the particles at the end of the first section A1.

Am Ende des zweiten Abschnitts A2 weisen die Partikel 3 eine zweite Geschwindigkeit vp2 auf, die geringer ist als eine zweite Geschwindigkeit vg2 des Gases 45 am Ende des zweiten Abschnitts A2.At the end of the second section A2, the particles point 3 a second speed vp2 on that is less than a second speed vg2 of the gas 45 at the end of the second section A2.

Im dritten Abschnitt A3 weist der Strömungsquerschnitt einen konstanten Durchmesser D3 von 1 mm auf. Der dritte Abschnitt A1 weist in Hauptströmungsrichtung R eine Länge L3 von 750mm auf. Eine Länge von L3=750 mm insbesondere bei einer Rohrtemperatur von 900 °C ermöglicht eine ausreichende Erhitzung und Beschleunigung der Partikel (AlSi10Mg, 10-40µm), da die Aufenthaltszeit der Partikel im erhitzen Abschnitt 3 trotz hoher Partikelgeschwindigkeiten ausreichend hoch ist. Im Fall der beispielhaften Maße wird Argon als Gas genutzt.In the third section A3, the flow cross section has a constant diameter D3 of 1 mm. The third section A1 points in the main flow direction R. a length L3 from 750mm up. A length of L3 = 750 mm, especially at a pipe temperature of 900 ° C, enables sufficient heating and acceleration of the particles (AlSi10Mg, 10-40 µm), since the time the particles stay in the heated section 3 is sufficiently high despite high particle velocities. In the case of the exemplary dimensions, argon is used as the gas.

Bereits kurz nach Eintreten der Partikel 3 in den dritten Abschnitt A3 sind die Partikel auf die Achse M fokussiert. Im weiteren Verlauf des dritten Abschnitts A3 wird die Präzision der Fokussierung weiter erhöht, insbesondere da ein Schwingen um die Mittelachse abklingt.Shortly after the particles enter 3 in the third section A3 the particles are focused on the M axis. In the further course of the third section A3, the precision of the focusing is further increased, in particular since oscillation around the central axis subsides.

In einer Ausgestaltung sind die Partikel 3 am Auslassende E2 innerhalb eines Toleranzbandes von weniger als 10 Mikrometern um die Achse M herum angeordnet.In one embodiment, the particles are 3 at the outlet end E2 arranged around the axis M within a tolerance band of less than 10 micrometers.

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 D3 im dritten Abschnitt A3 weist einen Durchmesser von bevorzugt max. 4mm auf und/oder der Rohrdurchmesser D3 im dritten Abschnitt A3 weist einen Durchmesser von bevorzugt min. 0,5mm auf.The pipe diameter D3 in the third section A3 has a diameter of preferably a maximum of 4 mm and / or the pipe diameter D3 in the third section A3 has a diameter of preferably at least 0.5 mm.

Ein Auslassdurchmesser DE2 am Auslassende E2 weist beträgt insbesondere min 0,5mm und/oder max. 3mm. Der Auslassdurchmesser DE2 kann sich von dem Rohrdurchmesser D3 des dritten Abschnitts A3 unterscheiden.An outlet diameter DE2 at the outlet end E2 has a minimum of 0.5 mm and / or a maximum of 3 mm. The outlet diameter DE2 may differ from the pipe diameter D3 of the third section A3.

Die dritte Geschwindigkeit vp3 der Partikel 3 am Auslassenden E2 ist insbesondere geringer als die Geschwindigkeit des Gases vg3 am Auslassende E2. Die Geschwindigkeit vp3 der Partikel 3 am Auslassenden E2 ist größer als die erste und die zweite Geschwindigkeit der Partikel vp1, vp2.The third speed vp3 the particle 3 at the outlet end E2 is in particular less than the speed of the gas vg3 at the outlet end E2 . The speed vp3 the particle 3 at the outlet end E2 is greater than the first and second velocities of the particles vp1 , vp2 .

Die dritte Geschwindigkeit vp3 der Partikel 3 am Auslassenden E2 beträgt insbesondere max. 200 m/s. Die dritte Geschwindigkeit vg3 des Gasstroms 45 am Auslassenden E2 beträgt insbesondere max. 200 m/s.The third speed vp3 the particle 3 at the outlet end E2 is in particular a maximum of 200 m / s. The third speed vg3 of the gas flow 45 at the outlet end E2 is in particular a maximum of 200 m / s.

Die dritte Geschwindigkeit vp3 der Partikel 3 am Auslassende E2 beträgt insbesondere zumindest 5 m/s für Partikel aus Kunststoff 5 m/s und/oder insbesondere bevorzugst zumindest 50 m/s für Partikel aus Metall.The third speed vp3 the particle 3 at the outlet end E2 is in particular at least 5 m / s for particles made of plastic 5 m / s and / or particularly preferably at least 50 m / s for particles made of metal.

Der Durchmesser D11 des Kernraums 21a ist bevorzugt so gering wie möglich zu dimensionieren, so dass Partikel 3 noch hinzugefügt werden können. Bevorzugt beträgt der Durchmesser D11 des Kernraums min 0,5 mm, da bei kleineren Durchmessern der Trägergasstrom verringert und die Partikel nicht mehr in die Strömung gebracht werden können. Bevorzugt beträgt der Durchmesser D11 des Kernraums max. 2 mm,The diameter D11 of the core space 21a is preferably to be dimensioned as small as possible so that particles 3 can still be added. The diameter is preferably D11 of the core space min 0.5 mm, since with smaller diameters the carrier gas flow is reduced and the particles can no longer be brought into the flow. The diameter is preferably D11 of the core space max. 2 mm,

Die Temperatur Tg1 des Gases am Ende des ersten Abschnitts A1 und/oder die Temperatur der Wandung der Zwischenwandung 12 am Ende des ersten Abschnitts ist insbesondere geringer als die Solidustemperatur der Partikel.The temperature Tg1 of the gas at the end of the first section A1 and / or the temperature of the wall of the partition 12th at the end of the first section is in particular lower than the solidus temperature of the particles.

Die Temperatur Tg3 des Gases am Ende des dritten Abschnitts A3 und/oder die Temperatur der Wandung der Zwischenwandung 12 am Ende des dritten Abschnitts ist insbesondere größer als die Solidustemperatur der Partikel.The temperature Rg3 of the gas at the end of the third section A3 and / or the temperature of the wall of the partition 12th at the end of the third section is in particular greater than the solidus temperature of the particles.

Die Zwischenwandung weist insbesondere eine Wandstärke D12 von max. 0,2mm auf.The partition has in particular a wall thickness D12 of max.0.2mm.

Je geringer der Durchmesser D11 des Kernraums ist, desto geringer kann die Länge L2 des zweiten Abschnitts 2 ausfallen. Könnte man die Partikel sehr fein einbringen und den Durchmesser D11 des Kernraum 21a verringern, wäre eine Vorrichtung denkbar, bei welcher ein Durchmesser (=D11 + 2 x B12) der Außenwand 11 den Durchmesser D3 des dritten Abschnitts A3 aufweist, wodurch der zweite Abschnitt A2 entfallen könnte. Der zweite Abschnitt A2 ist demnach erforderlich, um die Strömung aus dem Kernraum 21b des ersten Abschnitts A1 in den dritten Abschnitt A3 zu überführen.The smaller the diameter D11 of the core space, the shorter the length can be L2 of the second section 2 fail. One could bring in the particles very finely and the diameter D11 of the core room 21a reduce, a device would be conceivable in which a diameter (= D11 + 2 x B12) of the outer wall 11 the diameter D3 of the third section A3, whereby the second section A2 could be omitted. The second section A2 is therefore required to control the flow from the core space 21b of the first section A1 to be transferred to the third section A3.

Die Spaltbreite B12 des Mantelraums 12 beträgt vorzugsweise max. 5mm und/oder min, 0,5mm. Der Mantelgasstrom dient insbesondere dazu, „Ausreißer“ an Partikel wieder insbesondere vor dem dritten Abschnitt wieder einzufangen und führt insbesondere dazu, dass die Partikel im Abschnitt 3 nicht in Kontakt mit den erhitzen Wandungen kommen.The gap width B12 of the jacket room 12th is preferably a maximum of 5 mm and / or a minimum of 0.5 mm. The jacket gas flow serves in particular to " Outliers ”of particles again, especially before the third section, and leads in particular to the particles in the section 3 do not come into contact with the heated walls.

Die Temperatur Tp1 der Partikel 3 am Ende des Abschnitts 1 ist geringer als die Temperatur Tp3 der Partikel am Ende des dritten Abschnitts.The temperature Tp1 the particle 3 at the end of the section 1 is lower than the temperature Tp3 the particle at the end of the third section.

Die Temperatur Tp3 der Partikel 3 am Ende des dritten Abschnitts ist insbesondere höher als die Solidustemperatur des Partikels. Eine Verbindung des Partikels mit der Substratoberfläche wird damit begünstigt.The temperature Tp3 the particle 3 at the end of the third section is in particular higher than the solidus temperature of the particle. This promotes a connection between the particle and the substrate surface.

Die Temperatur Tg1 des Gases 45 am Ende des ersten Abschnitts A1 ist geringer als die Temperatur Tg3 des Gases am Ende des dritten Abschnitts A3.The temperature Tg1 of the gas 45 at the end of the first section A1 is lower than the temperature Rg3 of the gas at the end of the third section A3.

Die Rohrlänge L1 des ersten Abschnitts A1 beträgt insbesondere min. 10 mm. Die Rohrlänge L2 des zweiten Abschnitts A2 beträgt insbesondere max. 150 mm. Die Rohrlänge L3 des dritten Abschnitts A3 beträgt insbesondere min. 100 mm und/oder max. 1000 mm.The pipe length L1 of the first section A1 is in particular at least 10 mm. The pipe length L2 of the second section A2 is in particular a maximum of 150 mm. The pipe length L3 of the third section A3 is in particular at least 100 mm and / or at most 1000 mm.

Der Abstand L4 zwischen dem Auslassenden E2 und dem Substrat / der Substratoberfläche beträgt insbesondere max. 5 mm und/oder min 1mm.The distance L4 between the outlet end E2 and the substrate / the substrate surface is in particular a maximum of 5 mm and / or a minimum of 1 mm.

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 (B12+D12+D11 +D12+B12) zu Rohrdurchmesser D3 des dritten Abschnitts beträgt insbesondere max. 5 und/oder min. 1.The ratio of the total diameter of the first section ( B12 + D12 + D11 + D12 + B12 ) to pipe diameter D3 of the third section is in particular a maximum of 5 and / or a minimum of 1.

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 the core space 11
B12B12
Spaltbreite des Mantelraums 12 Gap width of the shell space 12th
D12D12
Wandstärke der Zwischenwandung 12 Wall thickness of the partition 12th
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 Substratoberfläche 2a (= max. 5mm)Distance between outlet end E2 and substrate 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

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 2009/0056620 A1 [0004]US 2009/0056620 A1 [0004]

Claims (16)

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 durch den beschleunigte Gasstrom 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), the gas stream (4, 45) in particular comprising a carrier gas stream and / or a jacket gas stream, 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, with the particles being accelerated and heated by the accelerated gas flow during the focusing, Alignment of the outlet end (E2) of the device (1) on the substrate (2), in particular on the surface (2a) of the substrate (2). Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere in einer ersten Phase, die Partikel (3) in einem Trägergasstrom (4) aufgenommen sind, wobei das Trägergas (4) von einem Mantelgasstrom (4) ringförmig umschlossen ist, wobei der Mantelgasstrom (5) mit einer ersten Mantelgasgeschwindigkeit (vm1) strömt, die insbesondere größer ist als eine erste Trägergasgeschwindigkeit (vt1), mit der der Trägergasstrom strömt.Method according to the preceding claim, characterized in that, in particular in a first phase, the particles (3) are received in a carrier gas flow (4), the carrier gas (4) being surrounded in a ring shape by a jacket gas flow (4), the jacket gas flow (5) flows at a first jacket gas velocity (vm1) which is in particular greater than a first carrier gas velocity (vt1) at which the carrier gas flow flows. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere in einer zweiten Phase, der Trägergasstrom (4) mit dem Mantelgasstrom (5) zu einem gemeinsamen Gasstrom (45) zusammengeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that, in particular in a second phase, the carrier gas flow (4) is combined with the jacket gas flow (5) to form a common gas flow (45). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere in einer dritten Phase, durch Erhitzen des Gasstromes (45) der Gasstrom (45) derart beschleunigt wird, dass eine Geschwindigkeitsdifferenz (vg3 - vp3) zwischen dem Gasstrom (45) und den Partikel (3) ausgebildet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that, in particular in a third phase, the gas flow (45) is accelerated by heating the gas flow (45) in such a way that a speed difference (vg3 - vp3) between the gas flow (45) and the Particles (3) is formed. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vor der Beschleunigung bereitgestellte Gasstrom, insbesondere der Trägergasstrom und/oder der Mantelgasstrom, auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur vorgeheizt wird, insbesondere vor der ersten Phase, vorgeheizt wird und/oder insbesondere auf eine Temperatur oberhalb von 50°C.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the gas flow provided before the acceleration, in particular the carrier gas flow and / or the jacket gas flow, is preheated to a temperature above the ambient temperature, in particular before the first phase, and / or in particular to a Temperature above 50 ° C. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Erzeugen einer Geschwindigkeitsdifferenz (vg3 - vp3) zwischen dem Gasstrom (45) und den Partikel (3) eine zentrierende Kraft (F) ausgebildet wird, insbesondere eine Saffmann-Kraft (F), welche die Partikel auf die Achse (M) zentriert.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a centering force (F) is formed by generating a speed difference (vg3 - vp3) between the gas flow (45) and the particles (3), in particular a Saffmann force (F), which centers the particles on the axis (M). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel beim Verlassen des Auslassendes (E2) eine Partikelgeschwindigkeit (vp3) aufweisen, die zumindest 5 m/s, insbesondere zumindest 50 m/s, insbesondere 100 m/s beträgt, und/oder dass die Partikel beim Verlassen des Auslassendes (E2) eine Partikelgeschwindigkeit (vp3) aufweisen, die maximal 300 m/s, insbesondere maximal 200 m/s beträgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the particles when leaving the outlet end (E2) have a particle speed (vp3) which is at least 5 m / s, in particular at least 50 m / s, in particular 100 m / s, and / or that on leaving the outlet end (E2) the particles have a particle velocity (vp3) which is a maximum of 300 m / s, in particular a maximum of 200 m / s. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (3) beim Verlassen des Auslassendes (E2) eine Temperatur aufweisen, die zumindest der Solidustemperatur der Partikel entspricht.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the particles (3) when they leave the outlet end (E2) have a temperature which corresponds at least to the solidus temperature of the particles. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einstellung der Fokussierung der Partikel (3) auf die Achse (M) durch gezielte Variation des Erhitzens des Gasstroms (45) erfolgt, insbesondere durch gezielte Veränderung einer Heizleistung.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the focusing of the particles (3) on the axis (M) is adjusted by deliberately varying the heating of the gas flow (45), in particular by deliberately changing a heating power. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom (45) aerosolfrei ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the gas flow (45) is aerosol-free. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (3) erste Partikel aus einem ersten Material und zweite Partikel aus einem zweiten Material umfassen, wobei das erste und das zweite Material unterschiedlich zueinander sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the particles (3) comprise first particles made of a first material and second particles made of a second material, the first and the second material being different from one another. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat und/oder die Substratoberfläche temperiert ist, insbesondere auf eine Temperatur erwärmt ist, die oberhalb der Umgebungstemperatur um das Substrat herum liegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate and / or the substrate surface is tempered, in particular is heated to a temperature which is above the ambient temperature around the substrate. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel das Auslassende passieren, anschließend zum Substrat fliegen, anschließend auf das Substrat auftreffen, und anschließend mit dem Substrat eine Verbindung eingehen, insbesondere wobei die Partikel beim Auftreffen auf das Substrat nicht unter deren Solidustemperatur abkühlen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the particles pass the outlet end, then fly to the substrate, then hit the substrate, and then enter into a connection with the substrate, in particular the particles not falling below their solidus temperature when they hit the substrate cooling down. Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine rohrförmige Außenwandung (11), wobei sich die Außenwandung entlang einer Hauptströmungsrichtung (R) erstreckt, die Vorrichtung weist auf: - ein Einlassende (E1) zur Bereitstellen einer Menge an Partikel (3) in einem Gasstrom (4, 45); - ein Auslassende (E2), insbesondere nach einem dritten Abschnitt (A3), zur Abgabe der Menge an Partikel (3) auf ein Substrat (2), insbesondere auf eine Substartoberfläche (2a); die Vorrichtung (1) umfasst, insbesondere in einem dritten Abschnitt (A3), eine Heizeinrichtung (13) eingerichtet zum gezieltes Erhitzen und Beschleunigung des Gasstroms (45) und Fokussieren der Partikel (3) auf eine Mittelachse (M).Device (1) for performing the method according to one of the preceding claims, comprising a tubular outer wall (11), the outer wall extending along a main flow direction (R), the device having: - an inlet end (E1) for providing a quantity of Particles (3) in a gas stream (4, 45); - An outlet end (E2), in particular after a third section (A3), for delivering the quantity of particles (3) onto a substrate (2), in particular onto a substrate surface (2a); the device (1) comprises, in particular in a third section (A3), a heating device (13) set up for targeted heating and acceleration of the gas flow (45) and focusing the particles (3) on a central axis (M). Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, umfassend ferner, insbesondere in einem ersten Abschnitt (A1), eine Zwischenwandung, die einen Kernraum (11) zur Aufnahme einen Trägergases (4) mit Partikel (3), von einem Mantelraum (5) abtrennt, wobei der Mantelraum (5) den Kernraum (4) ringförmig umgibt.Device according to the preceding claim, further comprising, in particular in a first section (A1), an intermediate wall which separates a core space (11) for receiving a carrier gas (4) with particles (3) from a shell space (5), wherein the Shell space (5) surrounds the core space (4) in a ring shape. Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, umfassend ferner, insbesondere in einem zweiten Abschnitt (A2), einen Verbindungsraum (22), in welchen der Kernraum (11) und der Mantelraum (5) in Hauptströmungsrichtung (R) münden.Device according to the preceding claim, further comprising, in particular in a second section (A2), a connecting space (22) into which the core space (11) and the jacket space (5) open in the main flow direction (R).
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