DE102023100569A1

DE102023100569A1 - Zündkerzenelektrode und verfahren zur herstellung derselben

Info

Publication number: DE102023100569A1
Application number: DE102023100569.3A
Authority: DE
Inventors: Daniel König
Original assignee: Federal Mogul Ignition GmbH
Current assignee: Federal Mogul Ignition GmbH
Priority date: 2022-01-14
Filing date: 2023-01-12
Publication date: 2023-07-20
Also published as: CN116454736A; US20230231365A1; US11621544B1; US11777281B2

Abstract

Zündkerzenelektrode mit einer Elektrodenspitze, die an einer Elektrodenbasis unter Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens, wie z.B. einer Pulverbettschmelztechnik, ausgebildet ist. Die Zündkerzenelektrode umfasst eine Elektrodenbasis, die zumindest teilweise einen wärmeableitenden Kern umgibt, eine Elektrodenspitze, die auf der Elektrodenbasis ausgebildet ist und ein Material auf Edelmetallbasis umfasst, und eine thermische Kopplungszone, die die Elektrodenspitze direkt mit dem wärmeableitenden Kern thermisch koppelt. In einigen Beispielen wird die Elektrodenspitze an einer Elektrodenbasis gebildet, die geschnitten oder abgetrennt wurde, um einen Teil des wärmeableitenden Kerns freizulegen, so dass die Elektrodenspitze direkt an dem wärmeableitenden Kern unter Verwendung additiver Fertigung gebildet wird.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Zündkerzen und andere Zündvorrichtungen und insbesondere auf Zündkerzenelektroden und andere Bauteile, die mit Hilfe von additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden.
HINTERGRUND
Zündkerzen werden verwendet, um die Verbrennung in Verbrennungsmotoren einzuleiten. Normalerweise zünden Zündkerzen ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in einem Brennraum, so dass ein Funke über eine Funkenstrecke zwischen zwei oder mehr Elektroden entsteht. Die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches durch den Funken löst eine Verbrennungsreaktion in dem Brennraum aus, die für den Arbeitstakt des Motors verantwortlich ist. Die hohen Temperaturen, die hohen elektrischen Spannungen, die schnelle Wiederholung der Verbrennungsreaktionen und das Vorhandensein von korrosiven Stoffen in den Verbrennungsgasen können eine raue Umgebung schaffen, in der die Zündkerze funktionieren muss. Die raue Umgebung kann zur Erosion und/oder Korrosion der Elektroden beitragen, was sich mit der Zeit negativ auf die Leistung der Zündkerze auswirken kann.
Um Erosion und/oder Korrosion der Elektroden zu verringern, wurden verschiedene Arten von Edelmetallen und Legierungen verwendet, z.B. solche mit Platin und Iridium. Diese Materialien sind jedoch teuer, insbesondere Iridium. Daher versuchen die Hersteller von Zündkerzen, die Menge der in einer Elektrode verwendeten Edelmetalle zu minimieren. Ein Ansatz besteht darin, Edelmetalle nur an einer Elektrodenspitze oder an einem funkenbildenden Abschnitt der Elektroden zu verwenden, d.h. an der Stelle, an der ein Funke über die Funkenstrecke springt, und nicht an dem gesamten Elektrodenkörper selbst.
Für die Befestigung einer Edelmetall-Elektrodenspitze an einem Elektrodenkörper sind verschiedene Füge- bzw. Verbindungstechniken, wie z.B. das Laser-Umfangsschweißen, verwendet worden. Wenn jedoch eine Edelmetall-Elektrodenspitze mit einem Elektrodenkörper, z.B. einem Körper aus einer Nickellegierung, durch Laser-Umfangsschweißen verbunden wird, kann es aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Werkstoffe (z.B. unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, unterschiedliche Schmelztemperaturen usw.) während des Betriebs der Zündkerze zu erheblichen thermischen und/oder anderen Spannungen an der Schweißverbindung kommen. Bei Laser- Umfangsschweißverfahren, bei denen das Werkstück rotiert und der Laser in einer im Allgemeinen radialen Ausrichtung fixiert bleibt, können Faktoren wie die Konzentrizität und der ungleichmäßige Verschleiß des Werkstückhalters zu einer ungleichmäßigen Umfangsschweißung führen (z.B. kann die Geometrie und/oder die Legierungszusammensetzung der Schweißnaht um den Umfang des Werkstücks herum variieren), was die oben genannten Spannungen noch verstärken kann. Diese Spannungen können wiederum unerwünschterweise zu Rissen oder anderen Schäden an dem Elektrodenkörper, an der Elektrodenspitze, an der Verbindungsstelle zwischen den beiden Komponenten oder einer Kombination davon führen.
Eine weitere Herausforderung stellt die Kühlung der Edelmetall-Elektrodenspitze dar. Wenn die Edelmetall-Elektrodenspitze nicht ausreichend gekühlt wird und sich eine beträchtliche Wärmemenge ansammelt, können die oben erwähnten Spannungen noch größer werden. Dies gilt insbesondere für Anwendungen wie Start-Stopp-Motoren, bei denen es zu häufigen Lastwechseln in Verbindung mit hohen Verbrennungstemperaturen in dem Motor kommt. Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems besteht darin, den wärmeleitenden Kern näher an die Edelmetall-Elektrodenspitze heranzuführen und die Elektrodenspitze mit einer Umfangs-Laserschweißnaht an dem Elektrodenkörper zu befestigen, was jedoch eigene Probleme mit sich bringt. Eines davon ist die Veränderung des Funkenübergang- oder Funkenbildungsortes der Elektrode. Vorzugsweise befindet sich der Funkenübergangsort an der Elektrodenspitze aus Edelmetall, da das Edelmetall in der Regel den höchsten Widerstand gegen Erosion und/oder Korrosion bietet. Wenn jedoch eine Elektrodenspitze an eine Elektrodenbasis mit einem wärmeleitenden Kern in der Nähe der Elektrodenspitze umfangs-lasergeschweißt wird, kann der Schweißvorgang das wärmeleitende Kernmaterial im Bereich der Schweißnaht an die Außenseite der Elektrodenbasis ziehen oder anziehen. Dies wiederum kann zu einer unerwünschten Veränderung oder Verlagerung des Funkenübergangsortes von der Oberfläche der Edelmetall-Elektrodenspitze, wo er sein sollte, hin zu der Schweißnahtoberfläche führen, die in Bezug auf Erosion und/oder Korrosion weniger robust ist. Diese Verschiebung des Funkenübergangsortes kann sich negativ auf die Lebensdauer der Zündkerze auswirken.
Die hier beschriebene Zündkerzenelektrode ist so konzipiert, dass sie einen oder mehrere der oben genannten Nachteile und Herausforderungen angeht.
ÜBERBLICK
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Zündkerzenelektrode bereitgestellt, die Folgendes umfasst: eine Elektrodenbasis; einen wärmeableitenden Kern, der zumindest teilweise von der Elektrodenbasis umgeben ist; eine Elektrodenspitze, die an der Elektrodenbasis ausgebildet ist und eine Vielzahl von Laserabscheidungsschichten umfasst; und eine thermische Kopplungszone, die sich zumindest teilweise zwischen der Elektrodenspitze und dem wärmeableitenden Kern befindet, wobei die thermische Kopplungszone die Elektrodenspitze direkt mit dem wärmeableitenden Kern thermisch koppelt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Zündkerzenelektrode eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen, entweder einzeln oder in jeder technisch machbaren Kombination:

- wobei sich der wärmeableitende Kern entlang einer Mittelachse der Zündkerzenelektrode erstreckt und an einem axialen Ende endet, das ein axiales Ende der Elektrodenbasis nicht erreicht, wobei ein axialer Abstand Z zwischen dem axialen Ende des wärmeableitenden Kerns und dem axialen Ende der Elektrodenbasis kleiner oder gleich 1,3 mm beträgt;
- wobei der wärmeableitende Kern sich entlang einer Mittelachse der Zündkerzenelektrode erstreckt und an einem axialen Ende endet, das ein axiales Ende der Elektrodenbasis erreicht, wobei ein axialer Abstand Z zwischen dem axialen Ende des wärmeableitenden Kerns und dem axialen Ende der Elektrodenbasis ungefähr 0,0 mm beträgt;
- wobei der wärmeableitende Kern sich entlang einer Mittelachse der Zündkerzenelektrode erstreckt und an einem imaginären axialen Ende endet, das sich über ein axiales Ende der Elektrodenbasis hinaus erstrecken würde, wenn das imaginäre axiale Ende nicht abgeschnitten worden wäre („had not been truncated“), wobei ein axialer Abstand Z zwischen dem imaginären axialen Ende des wärmeableitenden Kerns und dem axialen Ende der Elektrodenbasis weniger als 0,0 mm beträgt;

- die Zündkerzenelektrode ist eine Mittelelektrode und die Elektrodenspitze ist ein zylindrisches Bauteil, das an einem axialen Ende der Elektrodenbasis ausgebildet ist, wobei die Elektrodenspitze so ausgerichtet ist, dass die Vielzahl von Laserabscheidungsschichten senkrecht zu einer Mittelachse der Zündkerzenelektrode verlaufen, und die Elektrodenspitze ist an der Elektrodenbasis mit einer schweißfreien Verbindung befestigt;
- die Zündkerzenelektrode ist eine Masseelektrode und die Elektrodenspitze ist ein flaches Bauteil, das an einer Seitenfläche der Elektrodenbasis ausgebildet ist, wobei die Elektrodenspitze so ausgerichtet ist, dass die Vielzahl von Laserabscheidungsschichten in einem Bereich der Elektrodenspitze parallel zu einer Mittelachse der Masseelektrode verlaufen, und die Elektrodenspitze ist an der Elektrodenbasis mit einer schweißfreien Verbindung befestigt;
- die Vielzahl von Laserabscheidungsschichten an der Elektrodenbasis sind durch ein additives Herstellungsverfahren gebildet, das ein Pulverbettschmelzverfahren verwendet, um Pulver auf Edelmetallbasis mit einem Laser- oder Elektronenstrahl an die Elektrodenbasis zu schmelzen oder zu sintern und dann das geschmolzene oder gesinterte Pulver zu den Laserabscheidungsschichten der Elektrodenspitze erstarren zu lassen, wobei die Vielzahl von Laserabscheidungsschichten eine durchschnittliche Schichtdicke T aufweisen, die zwischen 5 µm und 60 µm, jeweils einschließlich, liegt, und wobei eine Gesamtdicke der Vielzahl von Laserabscheidungsschichten eine Elektrodenspitzenhöhe H ist, die zwischen 0,05 mm und 3,0 mm, jeweils einschließlich, liegt;
- die Elektrodenspitze enthält ein Material auf Edelmetallbasis, das mindestens ein Edelmetall enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Iridium, Platin, Ruthenium, Palladium oder Rhodium;
- das Material auf Edelmetallbasis ist entweder ein Material auf Platinbasis, ein Material auf Rutheniumbasis oder ein Material auf Iridiumbasis, das nicht mehr als 60 Gew.-% Iridium enthält;
- die Elektrodenbasis enthält ein Material auf Nickelbasis, der wärmeableitende Kern enthält ein Material auf Kupferbasis, und die thermische Kopplungszone enthält Nickel aus dem Material auf Nickelbasis, Kupfer aus dem Material auf Kupferbasis und Edelmetall aus dem Material auf Edelmetallbasis,
- die thermische Kopplungszone schafft eine Wärmeleitung von der Elektrodenspitze zu dem wärmeableitenden Kern, der sich im Inneren der Zündkerzenelektrode befindet, so dass die thermische Kopplungszone nicht an einer Außenfläche der Zündkerzenelektrode freiliegt;
- die thermische Kopplungszone hat an einem Ort zwischen der Elektrodenspitze und dem wärmeableitenden Kern eine höhere durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit als die Elektrodenbasis;
- die thermische Kopplungszone beinhaltet eine thermische Kopplungszonenlegierung mit Kupfer aus dem wärmeableitenden Kern, Nickel aus der Elektrodenbasis und mindestens einem der Elemente Iridium, Ruthenium oder Platin aus der Elektrodenspitze;
- die thermische Kopplungszone umfasst einen ersten Abschnitt, der sich neben dem wärmeableitenden Kern befindet, und einen zweiten Abschnitt, der sich neben der Elektrodenspitze befindet, wobei der erste Abschnitt eine thermische Kopplungszonenlegierung mit 2 - 45 Gew.-% eines Edelmetalls aus der Elektrodenspitze umfasst und wobei der zweite Abschnitt eine thermische Kopplungszonenlegierung mit 2 - 45 Gew.-% Kupfer aus dem wärmeableitenden Kern umfasst;
- ein Anteil des Edelmetalls in der der thermischen Kopplungszonenlegierung nimmt entlang einer Mittelachse von dem zweiten Abschnitt zu dem ersten Abschnitt ab, und ein Anteil des Kupfers in der der thermischen Kopplungszonenlegierung nimmt entlang der Mittelachse von dem ersten Abschnitt zu dem zweiten Abschnitt ab, um eine Zusammensetzungsgradientenstruktur zu schaffen;
- die thermische Kopplungszone umfasst einen ersten Abschnitt, der sich neben bzw. in der Nähe des wärmeableitenden Kerns befindet, und einen zweiten Abschnitt, der sich neben bzw. in der Nähe der Elektrodenspitze befindet, wobei der erste Abschnitt eine bauchige Form hat und ein axiales Ende des wärmeableitenden Kerns absorbiert, wobei der zweite Abschnitt eine breite und flache Form hat und einen Bereich unterhalb der Elektrodenspitze ausfüllt; und
- die Elektrodenspitze ist an einem abgetrennten Ende eines Elektrodenkörpers aufgebaut, das eine freiliegende Oberfläche des wärmeableitenden Kerns aufweist, so dass ein abgeschnittenes axiales Ende des wärmeableitenden Kerns in die thermische Kopplungszone aufgenommen wird.

Gemäß einer anderen Ausführungsform wird eine Zündkerzenelektrode bereitgestellt, die Folgendes beinhaltet: eine Elektrodenbasis, die ein Material auf Nickelbasis enthält; einen wärmeableitenden Kern, der ein Material auf Kupferbasis enthält, wobei der wärmeableitende Kern zumindest teilweise von der Elektrodenbasis umgeben ist; eine Elektrodenspitze, die ein Material auf Edelmetallbasis enthält, wobei die Elektrodenspitze an der Elektrodenbasis mit einem additiven Herstellungsverfahren gebildet ist und eine Vielzahl von Laserabscheidungsschichten enthält, die senkrecht zu einer Mittelachse der Zündkerzenelektrode verlaufen; und eine thermische Kopplungszone, die zumindest teilweise zwischen der Elektrodenspitze und dem wärmeableitenden Kern angeordnet ist, wobei die thermische Kopplungszone eine thermische Leitung von der Elektrodenspitze zu dem wärmeableitenden Kern schafft, der sich im Inneren der Zündkerzenelektrode befindet, so dass die thermische Kopplungszone nicht an einer Außenfläche der Zündkerzenelektrode freiliegt, und wobei die thermische Kopplungszone Nickel aus dem Material auf Nickelbasis, Kupfer aus dem Material auf Kupferbasis und Edelmetall aus dem Material auf Edelmetallbasis enthält, wobei die thermische Kopplungszone die Elektrodenspitze direkt thermisch mit dem wärmeableitenden Kern koppelt..
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein additives Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst:

Bereitstellen eines Elektrodenkörpers, der eine Elektrodenbasis und einen wärmeableitenden Kern umfasst, der zumindest teilweise von der Elektrodenbasis umgeben ist; Bedecken eines Zündendes bzw. Brennendes des Elektrodenkörpers mit einer dünnen Pulverbettschicht, die ein Material auf Edelmetallbasis umfasst; Ausrichten eines Laser- oder Elektronenstrahls auf das Zündende des Elektrodenkörpers, so dass er zumindest einen Teil der dünnen Pulverbettschicht schmilzt oder sintert; Wiederholen des Bedeckungs- und des Ausrichtungsschrittes für eine Vielzahl von Zyklen, so dass eine Elektrodenspitze mit einer Vielzahl von Laserabscheidungsschichten an der Elektrodenbasis gebildet wird und so dass eine thermische Kopplungszone zumindest teilweise zwischen der Elektrodenspitze und dem wärmeableitenden Kern gebildet wird, wobei die thermische Kopplungszone die Elektrodenspitze direkt mit dem wärmeableitenden Kern thermisch koppelt.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das additive Herstellungsverfahren eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen, entweder einzeln oder in einer beliebigen technisch machbaren Kombination:

- der Schritt des Bereitstellens umfasst ferner das Bereitstellen des Elektrodenkörpers, wobei die Elektrodenbasis durch den wärmeableitenden Kern hindurch getrennt oder geschnitten wird, so dass ein Teil des wärmeableitenden Kerns an einem axialen Ende freigelegt wird;
- der Schritt des Ausrichtens umfasst ferner das Ausrichten des Laser- oder Elektronenstrahls auf das Zündende des Elektrodenkörpers und das Ansteuern des Laser- oder Elektronenstrahls gemäß einem ungleichmäßigen Energieprofil, das mehr Energie auf ein Zentrum des Zündendes und weniger Energie auf einen radial äußeren Abschnitt des Zündendes konzentriert;
- das ungleichmäßige Energieprofil treibt den Laser- oder Elektronenstrahl mit einem höheren Energieniveau an, wenn er die dünne Pulverbettschicht in einer kreisförmigen Zone schmilzt oder sintert, die sich in Richtung des Zentrums des Zündendes befindet, und das ungleichmäßige Energieprofil treibt den Laser- oder Elektronenstrahl mit einem niedrigeren Energieniveau an, wenn er die dünne Pulverbettschicht in einer ringförmigen Zone schmilzt oder sintert, die konzentrisch zu der kreisförmigen Zone ist und sich in Richtung des radial äußeren Abschnitts des Zündendes befindet; und

- das ungleichmäßige Energieprofil trägt dazu bei, eine anwendungsangepasste bzw. maßgeschneiderte thermische Kopplungszone zu schaffen, die einen ersten Abschnitt umfasst, der sich tiefer in dem Elektrodenkörper befindet und hin zu der Mitte des Elektrodenkörpers konzentriert ist, und einen zweiten Abschnitt umfasst, der sich näher an der Elektrodenspitze befindet und sich weiter ausbreitet, so dass er sich größtenteils unterhalb der Elektrodenspitze befindet.

Figurenliste
Bevorzugte Ausführungsformen werden im Folgenden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente bezeichnen, und wobei:

1 eine Seitenansicht einer Zündkerze ist;
2 eine Querschnittsansicht eines Zündendes der Zündkerze in 1 ist, wobei das Zündende eine Elektrodenspitze aufweist, die über ein additives Herstellungsverfahren auf einer Elektrodenbasis aufgebaut ist, so dass sie direkt thermisch mit einem wärmeableitenden Kern gekoppelt ist;
3-4 Querschnittsansichten anderer Beispiele von Zündkerzenzündköpfen sind, bei denen die Zündenden Elektrodenspitzen aufweisen, die durch additive Fertigungsverfahren so auf Elektrodenbasen aufgebaut sind, dass sie direkt mit wärmeableitenden Kernen thermisch gekoppelt sind;
5-7 Querschnittsansichten von Elektroden sind, die mit den verschiedenen in den 1-4 gezeigten Zündkerzenbeispielen verwendet werden können, wobei jede der Elektroden eine auf Edelmetall basierende Elektrodenspitze aufweist, die durch additive Fertigung gebildet wird und direkt thermisch mit einem wärmeableitenden Kern gekoppelt ist;
8 ein Flussdiagramm eines additiven Herstellungsprozesses ist, der mit den verschiedenen in den 1-4 dargestellten Zündkerzenbeispielen oder den in den 5-7 dargestellten Elektrodenbeispielen verwendet werden kann, um eine Elektrodenspitze auf Edelmetallbasis zu bilden, die direkt thermisch mit einem wärmeableitenden Kern gekoppelt ist; und
9-12(B) Querschnitts- und Endansichten von Elektroden in verschiedenen Fertigungsstadien sind, die mit dem additiven Fertigungsverfahren von 8 übereinstimmen.

BESCHREIBUNG
Die hier offengelegte Zündkerzenelektrode umfasst eine Elektrodenspitze, die auf einer Elektrodenbasis mit Hilfe eines additiven Herstellungsverfahrens, z.B. einer Pulverbettschmelztechnik, geformt wird, so dass die Elektrodenspitze direkt thermisch mit einem wärmeableitenden Kern verbunden ist. Einige nicht einschränkende Beispiele für mögliche Pulverbettschmelzverfahren, die verwendet werden können, sind: selektives Laserschmelzen (SLM), selektives Lasersintern (SLS), direktes Metall-Lasersintern (DMLS) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM).
Die Elektrodenbasis kann beispielsweise aus einem Material bzw. Werkstoff auf Nickelbasis hergestellt sein und einen wärmeableitenden Kern aus einem Werkstoff auf Kupferbasis umgeben, während die Elektrodenspitze aus einem Werkstoff auf Edelmetallbasis hergestellt ist, z.B. aus Iridium, Platin, Palladium, Ruthenium, Rhodium usw. Das Material auf Edelmetallbasis wird so gewählt, dass die Widerstandsfähigkeit der Zündkerzenelektrode gegenüber Korrosion und/oder elektrischer Erosion verbessert wird. Durch die Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens zum direkten Aufbau der Elektrodenspitze an der Elektrodenbasis kann eine Zündkerzenelektrode mit wünschenswerten Kühleigenschaften gebildet werden, bei der die Elektrodenspitze direkt mit dem wärmeableitenden Kern thermisch gekoppelt ist. Fachleute erkennen, dass beim Verbinden einer Elektrodenspitze auf Edelmetallbasis mit einer Elektrodenbasis auf Nickelbasis, z.B. durch Umfangs-Laserschweißen, während des Betriebs der Zündkerze aufgrund verschiedener Faktoren (z.B. unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, unterschiedliche Schmelztemperaturen, ungleichmäßige oder nicht gleichförmige Umfangsschweißnähte usw.) typischerweise erhebliche thermische und/oder andere Spannungen an der Schweißverbindung auftreten. Diese Spannungen können wiederum unerwünschterweise zu Rissen oder anderen Schäden an der Elektrodenbasis, an der Elektrodenspitze, an der Verbindungsstelle zwischen den beiden Bauteilen oder einer Kombination davon führen. Wird eine Elektrodenspitze auf Edelmetallbasis durch eine Umfangs-Laserschweißung an einer Elektrodenbasis befestigt, besteht außerdem die Möglichkeit, dass der Laserschweißprozess das kupferbasierte Material des wärmeableitenden Kerns an die Umfangsseiten der Elektrode zieht oder anzieht. Dies kann das unerwünschte Ergebnis haben, dass ein Funkenübergangsort bzw. eine Funkenüberschlagstelle („sparkover location“) an der Umfangsseite der Elektrode entsteht, weg von der beabsichtigten Funkenbildungsfläche, was wiederum die Lebensdauer der Zündkerze verringert. Diese und andere Probleme werden in Verbrennungsmotoren, wie z.B. Start-Stopp-Motoren, wo eine Zündkerzenelektrode rauen Bedingungen und extremen Temperatur- und/oder Laständerungen ausgesetzt ist, noch verschärft. Die hier beschriebene Zündkerzenelektrode mit einer Elektrodenspitze, die durch additive Fertigung so geformt wird, so dass sie direkt mit einem wärmeableitenden Kern thermisch gekoppelt ist, wurde entwickelt, um solche Herausforderungen auf wirtschaftliche Weise zu bewältigen.
Die hier offengelegte Zündkerzenelektrode kann in einer Vielzahl von Zündkerzen und anderen Zündvorrichtungen verwendet werden, einschließlich Industriezündkerzen, Automobilzündkerzen, Flugzeugzündern, Glühkerzen, Vorkammerkerzen oder jeder anderen Vorrichtung, die zur Zündung eines Luft/Kraftstoff-Gemisches in einem Motor oder einer anderen Maschine verwendet wird. Dies schließt die beispielhaften industriellen Zündkerzen ein, die in den Zeichnungen gezeigt und im Folgenden beschrieben werden, ist aber keinesfalls darauf beschränkt. Ferner ist zu beachten, dass die vorliegende Zündkerzenelektrode als Mittel- und/oder als Masseelektrode verwendet werden kann. Andere Ausführungsformen und Anwendungen der Zündkerzenelektrode sind ebenfalls möglich. Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich alle Prozentangaben auf Gewichtsprozente (Gew.-%), und alle Hinweise auf axiale, radiale und Umfangsrichtungen beziehen sich auf die Mittelachse A der Zündkerze oder Zündkerzenelektrode.
In den 1 und 2 ist eine beispielhafte Zündkerze 10 dargestellt, die eine Mittelelektrode 12, einen Isolator 14, ein Metallgehäuse 16 und eine Masseelektrode 18 umfasst. Die Mittelelektrode 12 ist in einer axialen Bohrung des Isolators 14 angeordnet und umfasst ein Zündende 20, das über ein freies Ende 22 des Isolators 14 hinausragt. Wie nachstehend näher erläutert, kann das Zündende 20 eine Elektrodenbasis 30 aus einem Material auf Nickelbasis, einen wärmeableitenden Kern 32, der von der Elektrodenbasis umgeben ist und aus einem Material auf Kupferbasis hergestellt ist, und eine Elektrodenspitze 34 aus einem Material auf Edelmetallbasis umfassen, wobei die Elektrodenspitze auf der Elektrodenbasis unter Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens gebildet wird, so dass die Elektrodenspitze direkt thermisch mit dem wärmeableitenden Kern gekoppelt ist. Der Isolator 14 ist in einer axialen Bohrung des Metallgehäuses 16 angeordnet und ist aufgebaut aus einem Material, z.B. einem Keramikmaterial, das ausreicht, um die Mittelelektrode 12 von dem Metallgehäuse 16 elektrisch zu isolieren. Das freie Ende 22 des Isolators 14 kann, wie dargestellt, in ein freies Ende 24 des Metallgehäuses 16 eingezogen sein, oder kann über das Metallgehäuse 16 hinausragen. Die Masseelektrode 18 kann gemäß der in einigen Zeichnungen gezeigten konventionellen J-Spalt-Konfiguration oder gemäß einer anderen Anordnung aufgebaut sein und ist an dem freien Ende 24 des Metallgehäuses 16 befestigt. Gemäß dieser besonderen Ausführungsform umfasst die Masseelektrode 18 eine Seitenfläche 26, die dem Zündende 20 der Mittelelektrode gegenüberliegt, und hat eine Elektrodenspitze oder ein Elektrodenstück 40, das nach dem hier beschriebenen additiven Fertigungsverfahren geformt werden kann oder auch nicht, sowie einen eigenen wärmeableitenden Kern 42. Die Elektrodenspitze 40 hat die Form eines flachen Pads und definiert eine Funkenstrecke G mit der Elektrodenspitze 34 der Mittelelektrode, so dass sie funkenbildende Oberflächen für die Emission, den Empfang und den Austausch von Elektronen über die Funkenstrecke G bereitstellen. Die Elektrodenspitzen 34 und 40 können aus demselben Material auf Edelmetallbasis oder aus verschiedenen Materialien auf Edelmetallbasis gebildet werden.
In dem in 1 und 2 gezeigten Beispiel ist die Elektrodenbasis 30 eine Verlängerung des Hauptelektrodenkörpers 36 und ist hergestellt aus demselben Material auf Nickelbasis wie dieser. Die Elektrodenbasis 30 ist Teil des Elektrodenkörpers 36 und kann den gleichen Durchmesser haben (wie dargestellt) oder sie kann maschinell bearbeitet, abgezogen („drawn down“) oder auf andere Weise hergestellt werden, so dass sie einen kleineren Durchmesser als der des angrenzenden Elektrodenkörpers 36 hat und somit eine Basis oder eine Oberfläche bietet, auf der die Elektrodenspitze 34 aufgebaut werden kann. Wie noch näher erläutert wird, kann die Elektrodenspitze 34 mit Hilfe eines additiven Fertigungsverfahrens direkt auf der Elektrodenbasis 30 hergestellt werden, indem ein Laser- oder Elektronenstrahl selektiv auf ein Bett aus Edelmetallpulver gerichtet wird, das mit einem axialen Ende der Elektrodenbasis in Kontakt gebracht wird. Dies führt dazu, dass das Pulver auf Edelmetallbasis sowie Teile der Elektrodenbasis 30 und/oder des wärmeableitenden Kerns 32 schmelzen oder sich miteinander vermischen und am Zündende 20 erstarren. Der additive Herstellungsprozess wird dann wiederholt, so dass die edelmetallbasierte Elektrodenspitze 34 schichtweise auf der Elektrodenbasis 30 aufgebaut wird, bis sie ihre gewünschte Höhe erreicht. Durch die Steuerung verschiedener Parameter, wie z.B. der Laserenergieverteilung und des axialen Abstands zwischen einem axialen Ende des wärmeableitenden Kerns und einem axialen Ende der Elektrodenbasis, kann das additive Herstellungsverfahren eine direkte thermische Kopplung oder Verbindung zwischen der Elektrodenspitze und dem wärmeableitenden Kern herstellen, die sich erheblich auf das Wärmemanagement der Elektrode auswirken kann.
Wie oben erwähnt, ist die vorliegende Zündkerzenelektrode nicht auf die in 1 und 2 gezeigte beispielhafte Konfiguration beschränkt, da sie in einer beliebigen Anzahl verschiedener Anwendungen eingesetzt werden kann, einschließlich verschiedener Industriezündkerzen, Automobilzündkerzen, Flugzeugzündeinrichtungen bzw. -zündern, Glühkerzen, Vorkammerkerzen oder anderer Bauteile. Die vorliegende Zündkerzenelektrode ist auch nicht auf Mittelelektroden beschränkt, da es sich um eine Masse- oder Erdungselektrode irgendeiner Art handeln kann. Einige nicht einschränkende Beispiele anderer möglicher Anwendungen, bei denen die vorliegende Zündkerzenelektrode verwendet werden könnte, sind in den 3 und 4 dargestellt, wobei ähnliche Bezugsziffern wie in den 1 und 2 ähnliche Merkmale bezeichnen. Zahlreiche weitere Ausführungsformen und Beispiele, wie z.B. verschiedene Arten von Zündkerzen mit unterschiedlichen axialen, radialen und/oder halbkriechenden Funkenstrecken; Vorkammer-, Nicht-Vorkammer-, abgeschirmte und/oder nicht abgeschirmte Konfigurationen; Multi-Mittel- und/oder Masseelektroden; sowie Zündkerzen, die Benzin, Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Propan, Butan usw. verbrennen oder zünden, sind sicherlich möglich. Die Zündkerzenelektrode und das Verfahren der vorliegenden Anmeldung sind in keiner Weise auf die hier dargestellten und beschriebenen Beispiele beschränkt.
In 3 hat die Zündkerze eine Masseelektrode 18' mit einer brückenartigen Konstruktion im Gegensatz zu einer J-Spalt-Konstruktion, die am freien Ende 24' des Metallgehäuses 16' an einer Mehrzahl von Stellen befestigt ist. Die Mittelelektrode 12' ist zumindest teilweise von einem Isolator 14' umgeben und weist zu ihrem Zündende 20' hin eine Elektrodenbasis 30' auf, die den gleichen Durchmesser wie ein benachbarter Elektrodenkörper 36' hat (dies ist nicht erforderlich, da die Elektrodenbasis 30' einen anderen Durchmesser haben könnte, sie könnte sich verjüngen, sie könnte abgestuft sein, usw., um mehrere Möglichkeiten zu nennen). Wie im vorangegangenen Beispiel wird eine Elektrodenspitze 34' auf der Elektrodenbasis 30' mit einem additiven Fertigungsverfahren und einem Bett aus edelmetallbasiertem Pulver aufgebaut oder geformt. Durch dieses Verfahren wird eine thermische Kopplungszone 38' gebildet, die sich zumindest teilweise zwischen einem wärmeableitenden Kern 32' und der Elektrodenspitze 34' befinden kann und die beiden Komponenten substantieller thermisch miteinander verbindet oder verknüpft, als dies der Fall wäre, wenn die Elektrodenspitze einfach mit einem Laser in Umfangsrichtung an die Elektrodenbasis geschweißt würde. Die Zeichnungen zeigen, dass das Ende des wärmeableitenden Kerns 32' stärker abgerundet oder abgestumpft ist und die thermische Kopplungszone 38' flacher ist als ihre Gegenstücke in 2. Größe, Form, Lage, Ausrichtung und/oder Zusammensetzung des wärmeableitenden Kerns, der thermischen Kopplungszone und/oder der Elektrodenspitze können je nach der spezifischen Anwendung, in der sie verwendet werden, variieren, und diese Komponenten sind nicht auf die hier dargestellten Beispiele beschränkt. Eine Elektrodenspitze oder ein Elektrodenstück 40', die bzw. das optional ist und vorzugsweise aus einem Material auf Edelmetallbasis hergestellt ist, kann mit dem vorliegenden additiven Herstellungsverfahren geformt oder kann auf eine Seitenfläche 26' der Brückenmasseelektrode 18' geschweißt werden, um eine Funkenstrecke G mit der Elektrodenspitze 34' zu definieren. Die Elektrodenspitzen 34' und 40' können aus demselben Material auf Edelmetallbasis oder aus verschiedenen Materialien auf Edelmetallbasis hergestellt werden. Andere Ausführungsformen sind ebenfalls möglich.
In 4 ist die Zündkerze eine Vorkammerkerze mit einer Mittelelektrode 12", einem Isolator 14", einem Metallgehäuse 16" und einer Masseelektrode 18". Die Mittelelektrode 12" umfasst eine Elektrodenbasis 30" mit einer darauf ausgebildeten Elektrodenspitze 34" auf Edelmetallbasis, einen wärmeableitenden Kern 32" und einen Elektrodenkörper 36", und die Mittelelektrode erstreckt sich in einen Vorkammerraum oder ein Vorkammervolumen 46". Eine radiale Funkenstrecke G wird zwischen einer äußeren Umfangsfläche der mittleren Elektrodenspitze 34" und einer inneren Umfangsfläche eines ringförmigen Elektrodenstücks 40" gebildet, das durch mehrere Masseelektroden oder Masseelektrodenhalter 18" gehalten wird. Das hier beschriebene additive Herstellungsverfahren kann verwendet werden, um die auf Edelmetall basierende Elektrodenspitze 34" am axialen Ende der Elektrodenbasis 30" schichtweise zu formen, so dass die Elektrodenspitze 34" über eine thermische Kopplungszone 38" direkt mit dem wärmeableitenden Kern 32" thermisch gekoppelt wird. In diesem Beispiel ist das ringförmige Elektrodenstück 40" aus einem edelmetallbasierten Material hergestellt und wird durch Schweißen oder das vorliegende additive Herstellungsverfahren an den Masseelektroden 18" befestigt. Die Elektrodenspitzen und -stücke 34" und 40" können aus demselben edelmetallbasierten Material oder aus unterschiedlichen edelmetallbasierten Materialien hergestellt werden.
In den 5 bis 7 sind mehrere vergrößerte schematische Darstellungen von Mittelelektroden-Zündenden zu sehen, wie sie mit den Kerzen in den bis verwendet werden könnten. In jedem Fall hat eine Mittelelektrode 12, 12', 12" ein Zündende 20, 20', 20", das eine Elektrodenbasis 30, 30', 30", einen wärmeableitenden Kern 32, 32', 32", eine Elektrodenspitze 34, 34', 34" und eine thermische Kopplungszone 38, 38', 38" umfasst, die als Wärmeleitung zwischen der Elektrodenspitze und dem wärmeableitenden Kern wirkt, so dass die beiden Komponenten direkt thermisch miteinander gekoppelt sind. Durch die Erhöhung des thermischen Austauschs zwischen der Elektrodenspitze 34, 34', 34" und dem wärmeableitenden Kern 32, 32, 32" kann die Elektrodenspitze während des Betriebs effektiver abkühlen, was wiederum die Verwendung einer breiteren Palette von Materialien auf Edelmetallbasis in der Elektrodenspitze ermöglicht, einschließlich Materialien, die kostengünstiger sind. Zur Erläuterung: die elektrische Erosionsrate und damit die effektive Lebensdauer einer Elektrodenspitze wird von Vielzahl von Faktoren beeinflusst, unter anderem vom Schmelzpunkt des Materials auf Edelmetallbasis. Iridium mit einem Schmelzpunkt von ca. 2450 °C ist widerstandsfähiger gegen elektrische Erosion als Platin mit einem Schmelzpunkt von ca. 1750 °C. Elektrodenspitzen aus Iridium weisen in der Regel eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen elektrische Erosion auf als solche aus Platin und sind daher manchmal begehrter. Iridium kann jedoch teurer sein, in manchen Fällen sogar wesentlich teurer als Platin, so dass es wünschenswert sein kann, die Menge an Iridium und/oder anderen teuren Materialien bei der Herstellung der Elektrodenspitze zu minimieren. Die vorliegende Zündkerzenelektrode erreicht dies durch den Einsatz additiver Fertigungstechniken zur Bildung einer Elektrodenspitze 34, 34', 34" auf einer Elektrodenbasis 30, 30', 30", so dass die Elektrodenspitze über eine thermische Kopplungszone 38, 38', 38" direkt mit einem wärmeableitenden Kern 32, 32', 32" thermisch gekoppelt ist, wodurch die Elektrodenspitze kühler bleibt und die Verwendung einer breiteren Palette von Materialien auf Edelmetallbasis ermöglicht wird, einschließlich weniger teurer Materialien mit niedrigeren Schmelzpunkten. Die folgenden Beschreibungen der Elektrodenbasis, der Elektrodenspitze, des wärmeableitenden Kerns und der thermischen Kopplungszone sind nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten Mittelelektroden beschränkt und gelten auch für andere Ausführungsformen von Mittelelektroden und/oder Masseelektroden. Beispielsweise könnte eine Masseelektrode mit einer Elektrodenbasis aus einem Material auf Nickelbasis, einer Elektrodenspitze aus einem Material auf Edelmetallbasis und einem wärmeableitenden Kern (ob es sich um einen Kern aus einem einzigen Material oder einen Kern aus Vielzahl von Materialien handelt) aus einem oder einer Vielzahl von wärmeleitenden Materialien gemäß der vorliegenden Anwendung bereitgestellt werden. In einer solchen Anordnung kann die Elektrodenspitze unter Verwendung der vorliegenden additiven Fertigungstechniken an einer Seitenfläche oder einer axialen Endfläche der Elektrodenbasis gebildet werden, so dass die Elektrodenspitze, wie erläutert, direkt mit dem wärmeableitenden Kern thermisch gekoppelt ist. Diese und andere Ausführungsformen der Mittel- und/oder Masseelektrode fallen selbstverständlich in den Anwendungsbereich der vorliegenden Anmeldung.
Die Elektrodenbasis 30, 30', 30" ist typischerweise der Abschnitt oder die Sektion der Elektrode, auf dem die Elektrodenspitze durch additive Fertigung geformt wird, und kann somit als Trägermaterial für die Elektrodenspitze dienen. Wie bereits erwähnt, kann die Elektrodenbasis 30, 30', 30" eine integrale Verlängerung eines Elektrodenkörpers 36, 36', 36" sein oder ein separates Teil oder eine Komponente, die geschweißt, additiv hergestellt oder anderweitig an dem Elektrodenkörper befestigt ist. Die Elektrodenbasis 30, 30', 30" kann durch Ziehen, Strangpressen, maschinelle Bearbeitung und/oder ein anderes herkömmliches Verfahren hergestellt werden und kann aus einem Material auf Nickelbasis hergestellt sein. Der Begriff „Material auf Nickelbasis“, wie er hier verwendet wird, bedeutet ein Material, in dem Nickel der gewichtsmäßig größte Einzelbestandteil des Materials ist, und es kann andere Bestandteile enthalten oder nicht (z.B. kann ein Material auf Nickelbasis reines Nickel, Nickel mit einigen Verunreinigungen oder eine Legierung auf Nickelbasis sein). Einem Beispiel zufolge ist die Elektrodenbasis 30, 30', 30" aus einem Material auf Nickelbasis mit einem relativ hohen Gewichtsprozentsatz an Nickel hergestellt, wie z.B. einem Material auf Nickelbasis mit 98 Gew.% oder mehr Nickel. In einem anderen Beispiel wird die Elektrodenbasis 30, 30', 30" aus einem Material auf Nickelbasis hergestellt, das einen geringeren Gewichtsprozentsatz an Nickel aufweist, wie ein Material auf Nickelbasis mit 50-90 Gew.-% Nickel (z.B. INCONEL™ 600 oder 601). Ein besonders geeignetes Material auf Nickelbasis hat etwa 70-80 Gew.-% Nickel, 10-20 Gew.-% Chrom, 5-10 Gew.-% Eisen sowie andere Elemente in geringeren Mengen. Bei Materialien auf Nickelbasis kann die Elektrodenbasis 30, 30', 30" einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 10×10^-6 m/mK und 15×10^-6 m/mK (gemessen bei 100°C), eine Schmelztemperatur zwischen 1200° C und 1600° C und eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 10 W/m·K und 20 W/m·K (gemessen bei 100°C) aufweisen. Der Durchmesser oder die Größe der Elektrodenbasis 30, 30', 30" kann je nach Anwendung und Ausführungsform erheblich variieren (z.B. ist die Größe der Elektrodenbasis 30, die Teil der Mittelelektrode ist, wahrscheinlich kleiner als die einer Elektrodenbasis für die Elektrodenspitze 40, die Teil der Masseelektrode ist; auch ist die Größe einer Elektrodenbasis für eine Industriekerze wahrscheinlich größer als die einer Kerze für ein Automobil). Gemäß den in den 2-4 gezeigten, nicht einschränkenden Beispielen, bei denen es sich um Industriekerzen handelt, kann die Elektrodenbasis einen Durchmesser zwischen 1,4 mm und 4,2 mm, jeweils einschließlich, und noch bevorzugter zwischen 1,8 mm und 3,8 mm, jeweils einschließlich, haben. Bei Kfz-Kerzen und anderen Kerzen können diese Abmessungen kleiner sein, und die Elektrodenbasis kann einen Durchmesser zwischen 0,7 mm und 3,0 mm, jeweils einschließlich, und noch bevorzugter zwischen 1,0 mm und 2,5 mm, jeweils einschließlich, haben. Für die Elektrodenbasis 30, 30', 30" können stattdessen auch andere Materialien, einschließlich solcher, die nicht auf Nickel basieren, sowie andere Größen und Formen verwendet werden (z.B. muss die Elektrodenbasis keinen kreisförmigen Querschnitt mit einem „Durchmesser“ aufweisen, sondern kann stattdessen einen ovalen, quadratischen, rechteckigen oder anderen Querschnitt mit einer „Abmessung“ aufweisen).
Der wärmeableitende Kern 32, 32', 32" ist ein Abschnitt oder eine Sektion der Elektrode, in der Regel ein länglicher Teil, der sich entlang einer Mittelachse erstreckt, der zumindest teilweise von der Elektrodenbasis umschlossen oder umgeben ist und so konstruiert ist, dass er Wärme oder thermische Energie vom Zündende wegleitet. Die genaue Größe, Form und Lage des wärmeableitenden Kerns 32, 32', 32" kann je nach Anwendung variieren, typischerweise handelt es sich jedoch um einen länglichen Innenteil, der sich entlang der Mittelachse der Elektrode erstreckt und in Umfangsrichtung von dem Nickelbasismaterial der Elektrodenbasis umgeben ist, so dass er an den Seiten der Elektrode nicht freiliegt. In dem in 5 dargestellten Beispiel hat der wärmeableitende Kern 32 längliche Seiten 50, 52, die sich in Längsrichtung des Kerns erstrecken, sich verjüngende Seiten 54, 56, die zu einem Ende des Kerns hin konvergieren, und ein axiales Ende 58, an dem der Kern endet. Der wärmeableitende Kern 32 ist aus einem oder einer Vielzahl von wärmeleitenden Materialien hergestellt, wie z.B. Materialien auf Kupfer- oder Silberbasis, mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als die der umgebenden Elektrodenbasis 30. Das wärmeleitende Material kann eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 70 W/m·K (gemessen bei 100°C) und noch bevorzugter eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 200 W/m K (gemessen bei 100°C) aufweisen. Der hier verwendete Begriff „Material auf Kupferbasis“ bezeichnet ein Material, bei dem Kupfer der gewichtsmäßig größte Einzelbestandteil des Materials ist und das andere Bestandteile enthalten kann oder nicht (z.B. kann ein Material auf Kupferbasis reines Kupfer, Kupfer mit einigen Verunreinigungen oder eine Legierung auf Kupferbasis sein). Einem Beispiel zufolge ist der wärmeableitende Kern 32, 32', 32" aus einem wärmeleitenden Material hergestellt, das ein Material auf Kupferbasis mit einem relativ hohen Gewichtsprozentsatz an Kupfer ist, wie z.B. ein Material auf Kupferbasis mit 90 Gew.-% oder mehr Kupfer. Bei Materialien auf Kupferbasis kann der wärmeableitende Kern 32, 32', 32" einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 14×10^-6 m/mK und 19×10^-6 m/mK (gemessen bei 100°C), eine Schmelztemperatur zwischen 950° C und 1.200° C und eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 275 W/m·K (gemessen bei 100°C) aufweisen.
Die länglichen Seiten 50, 52 sind im Allgemeinen parallel zueinander und zur Mittelachse A und helfen, die äußere Begrenzung des wärmeableitenden Kerns 32 zu bilden. Wie oben erwähnt, ist es typischerweise unerwünscht, dass das wärmeableitende Kernmaterial, das viel weniger korrosions- und/oder erosionsbeständig ist als das edelmetallbasierte Material und das eine hohe Leitfähigkeit aufweist, an der Außenfläche der Elektrode freiliegt, wo es zu einem unbeabsichtigten Funkenübergangsort bzw. Funkenüberschlagsstelle werden kann. Daher ist es vorteilhaft, dass der wärmeableitende Kern 32 im Bereich der länglichen Seiten 50, 52 mit einer Umhüllung oder einem Gehäuse der Elektrodenbasis 30 bedeckt ist, das auf jeder Seite eine radiale Dicke X größer gleich 0,2 mm aufweist.
Der wärmeableitende Kern 32 endet in der Regel nicht in einer perfekt rechtwinklig abgestuften bzw. quadratischen („squared off“) Form, sondern verjüngt sich allmählich zum axialen Ende 58 hin. Dies kann konstruktionsbedingt oder durch das Herstellungsverfahren bedingt sein, z.B. wenn der wärmeableitende Kern zunächst in eine Elektrodenbasisschale eingesetzt und dann mit der Elektrodenbasis ko-extrudiert oder ko-gezogen wird. In einigen Beispielen sind die sich verjüngenden Seiten 54, 56 im Allgemeinen gerade, abgewinkelte Segmente, die allmählich zueinander konvergieren (z.B. wie in 2 gezeigt), aber es ist auch möglich, dass die sich verjüngenden Seiten abgerundet (z.B. wie in 3 gezeigt) oder sogar noch abgestufter sind (z.B. wie in 4 gezeigt). Die radiale Dicke Y des Elektrodenbasismaterials 30 im Bereich der sich verjüngenden Seiten 54, 56 (gemessen etwa auf halbem Weg zwischen dem axialen Anfang und dem axialen Ende einer sich verjüngenden Seite) ist vorzugsweise, wenn auch nicht zwingend, größer als oder gleich 0,3 mm, aber ein solches Maß hängt stark von der Form des wärmeableitenden Kerns 32 in diesem Bereich ab.
Das axiale Ende 58 des Kerns kann eine beliebige Anzahl verschiedener Formen und Konfigurationen haben, einschließlich gespitzt, abgerundet, abgestumpft, abgestuft („squared off“), usw. Die Lage des axialen Endes 58 bestimmt einen axialen Abstand Z, d.h. die axiale Distanz zwischen dem axialen Ende 58 des Kerns und dem axialen Ende 60 der Elektrodenbasis, wobei die Elektrodenspitze 34 nicht mitgerechnet wird. Der axiale Abstand Z kann einen erheblichen Einfluss auf die thermische Kopplung zwischen der Elektrodenspitze 34 und dem wärmeableitenden Kern 32 haben und sich sowohl auf den Betrieb der Zündkerze als auch auf ihre Herstellung auswirken. In einem nicht einschränkenden Beispiel ist der axiale Abstand Z kleiner oder gleich 1,3 mm, noch bevorzugter ist er kleiner oder gleich 1,05 mm, noch bevorzugter ist er kleiner oder gleich 0,8 mm, und noch bevorzugter ist er kleiner oder gleich 0,55 mm. In einigen Beispielen ist es sogar möglich, dass sich das axiale Ende 58 des wärmeableitenden Kerns 32 an der gleichen axialen Position befindet wie das axiale Ende 60 der Elektrodenbasis 30 (siehe z.B. 6), so dass der axiale Abstand Z im Wesentlichen 0 mm beträgt, oder dass das axiale Ende 58 des wärmeableitenden Kerns abgeschnitten ist (siehe z.B. 7), so dass der axiale Abstand Z ein negatives Maß ist. Versuche haben jedoch gezeigt, dass eine einfache Verkleinerung und/oder Vergrößerung des axialen Abstandes Z, wenn sie nicht durch andere Vorkehrungen ausgeglichen wird, eigene Probleme mit sich bringen kann. Wenn beispielsweise der axiale Abstand Z bei einigen herkömmlichen Kerzen zu klein ist, kann es schwierig sein, zuverlässige umlaufende Laserschweißnähte zu erzeugen, da die unmittelbare Nähe eines wärmeableitenden Kerns dazu führt, dass er erhebliche Wärmemengen aus dem Schweißbereich abzieht, was wiederum die Qualität der Schweißnaht beeinträchtigen kann. Ist dagegen der axiale Abstand Z bei bestimmten herkömmlichen Zündkerzen zu groß, so ist die thermische Kopplung zwischen Elektrodenspitze und wärmeableitendem Kern unzureichend, da das dazwischen liegende Material auf Nickelbasis mit seiner geringeren Wärmeleitfähigkeit als eine Art thermische Barriere zwischen den Komponenten wirken kann. Die vorliegende Zündkerzenelektrode überwindet diese und andere Herausforderungen, indem sie ein additives Herstellungsverfahren verwendet, um die Elektrodenspitze 34 auf der Elektrodenbasis 30 so zu formen, dass sie über die thermische Kopplungszone 38 direkt thermisch miteinander gekoppelt sind.
Obwohl der wärmeableitende Kern 32, 32', 32" in den Zeichnungen als Kern aus einem einzigen Material dargestellt ist (d.h. ein Kern, der aus einem einzigen wärmeleitenden Material gebildet ist, das mehrere Bestandteile enthalten kann oder auch nicht), ist es auch möglich, dass es sich um einen Kern aus einer Vielzahl von Materialien handelt. Einem ersten Beispiel für einen Kern aus einer Vielzahl von Materialien zufolge erstreckt sich eine innere wärmeableitende Kernkomponente (z.B. aus einem Material auf Nickelbasis) entlang eines Abschnitts der Elektrode, und eine äußere wärmeableitende Kernkomponente (z.B. aus einem Material auf Kupferbasis) erstreckt sich entlang desselben Abschnitts der Elektrode, so dass sie die innere wärmeableitende Kernkomponente zumindest teilweise umgibt und konzentrisch zu ihr ist. Bei dieser konzentrischen oder schichtweisen Anordnung ist es möglich, dass die innere wärmeableitende Kernkomponente über das Ende der äußeren wärmeableitenden Kernkomponente hinausragt oder darüber hinausgeht. Bei einem zweiten Beispiel eines Kerns aus einer Vielzahl von Materialien erstreckt sich eine vordere wärmeableitende Kernkomponente entlang eines Abschnitts der Elektrode, der näher an einem Zündende liegt, und eine hintere wärmeableitende Kernkomponente erstreckt sich entlang eines Abschnitts der Elektrode, der weiter von dem Zündende entfernt ist. Bei dieser auf Stoß ausgebildeten oder seriellen Anordnung kann eine der wärmeableitenden Kernkomponenten länger sein als die andere. Die ersten und/oder zweiten Beispiele für Mehrwerkstoffkerne können mit einer Mittelelektrode und/oder einer Masseelektrode verwendet werden. Bei Verwendung eines Multimaterialkerns wird der axiale Abstand Z vom axialen Ende der am nächsten gelegenen wärmeableitenden Kernkomponente (d.h. der kürzeste axiale Abstand Z) zu der Elektrodenspitze gemessen. Natürlich sind zahlreiche andere wärmeableitende Kernanordnungen und -konfigurationen möglich und liegen sicherlich im Rahmen der vorliegenden Anwendung.
Die Elektrodenspitze 34, 34', 34" ist der Abschnitt oder die Sektion der Elektrode, in der Regel der funkenbildende Abschnitt, der typischerweise an der Elektrodenbasis durch additive Fertigung gebildet wird. Die Elektrodenspitze 34, 34', 34" kann aus einem Bett aus Pulver auf Edelmetallbasis hergestellt werden, das in unmittelbare Nähe der Elektrodenbasis gebracht wird, so dass bei Bestrahlung mit einem Laser- oder Elektronenstrahl das Pulver auf Edelmetallbasis und ein Teil des festen Materials der Elektrodenbasis 30 und/oder des wärmeableitenden Kerns 32 geschmolzen werden und zu Laserdepositionsschichten erstarren. Dieser Prozess der Erzeugung einzelner Schichten wird wiederholt, so dass eine Reihe von Laserabscheidungsschichten 70 entsteht, die nacheinander aufgebaut oder aufeinander geschichtet werden, so dass die Schichten senkrecht zu der Mittelachse A der Elektrode stehen (wobei „senkrecht“ in diesem Zusammenhang keine perfekte Rechtwinkligkeit erfordert, solange die Schichten 70 im Querschnitt gesehen innerhalb einer tolerierbaren Fehlerspanne senkrecht zur Mittelachse A stehen). Einige der Laserabscheidungsschichten 70 können Materialien aus dem wärmeableitenden Kern 32, der Elektrodenbasis 30 und der Elektrodenspitze 34 enthalten; einige Schichten 70 können nur Material aus der Elektrodenbasis 30 und der Elektrodenspitze 34 enthalten; während andere Schichten 70 nur Material aus der Elektrodenspitze 34 enthalten können. Jede Laserabscheidungsschicht hat eine durchschnittliche Schichtdicke T, die zwischen 5 µm und 60 µm liegen kann, und die Gesamtheit oder Summe aller Schichtdicken ist die Elektrodenspitzenhöhe H, die zwischen 0,05 und 3,0 mm oder noch bevorzugter zwischen 0,1 und 1,5 mm liegen kann. Die Elektrodenspitzen 34, 34', 34" können in folgenden Ausführungsformen hergestellt werden: sie sind diametral in Bezug zu einer Elektrodenbasis reduziert oder auch nicht; sie haben die Form von Nieten, Zylindern, Stäben, Säulen, Drähten, Kugeln, Hügeln, Kegeln, flachen Pads, Scheiben, Platten, Ringen, Hülsen, usw.; sie sind im Querschnitt kreisförmig, oval, quadratisch, rechteckig und/oder anders geformt; sie befinden sich an einem axialen Ende einer Elektrodenbasis, ebenso wie diejenigen, die sich an einer Seitenfläche oder einem anderen Teil der Elektrodenbasis befinden; und sie sind Teil einer Mittelelektrode oder einer Masseelektrode, um nur einige Möglichkeiten zu nennen.
Die Elektrodenspitze 34, 34', 34" kann aus einem Material auf Edelmetallbasis hergestellt sein, um eine verbesserte Korrosions- und/oder Erosionsbeständigkeit zu gewährleisten. Der Begriff „Material auf Edelmetallbasis“, wie er hier verwendet wird, bezeichnet ein Material, in dem ein Edelmetall der gewichtsmäßig größte Einzelbestandteil des Materials ist, und es kann andere Bestandteile enthalten oder auch nicht (z.B. kann ein Material auf Edelmetallbasis reines Edelmetall, Edelmetall mit einigen Verunreinigungen oder eine Legierung auf Edelmetallbasis sein). Zu den Materialien auf Edelmetallbasis, die verwendet werden können, gehören Materialien auf Iridium-, Platin-, Ruthenium-, Palladium- und/oder Rhodiumbasis, um nur einige Beispiele zu nennen. Einem Beispiel zufolge ist die Elektrodenspitze 34, 34', 34" aus einem Material auf Iridium-, Platin- oder Rutheniumbasis hergestellt, wobei das Material in Pulverform verarbeitet wurde, so dass es in dem additiven Fertigungsprozess verwendet werden kann. Bei Materialien auf Iridiumbasis kann die Elektrodenspitze einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 6×10^-6 m/mK und 7×10^-6 m/mK (gemessen bei 100°C), eine Schmelztemperatur zwischen 2.300° C und 2.500° C und eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 120 W/m·K und 180 W/m K (gemessen bei 100°C) aufweisen; bei Materialien auf Platinbasis kann die Elektrodenspitze einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 8×10^-6 m/mK und 10×10^-6 m/mK (gemessen bei 100°C), eine Schmelztemperatur zwischen 1.650° C und 1.850° C und eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 50 W/m K und 90 W/m·K (gemessen bei 100°C) aufweisen. Wie bereits erwähnt, können bestimmte Edelmetalle wie Iridium sehr teuer sein, so dass es in der Regel wünschenswert ist, den Gehalt an solchen Materialien in der Elektrodenspitze zu verringern, solange dies die Leistung der Elektrodenspitze nicht unannehmbar beeinträchtigt. Pulver auf Edelmetallbasis mit nicht mehr als 60 Gew.-% Iridium (z.B. Pt-Ir40, Pt-Ir50, Ir-Pt40, Ru-Rh5 usw.) und vorzugsweise mit nicht mehr als 50 Gew.-% Iridium (z.B. Pt-Ir40, Pt-Ir50, Ru-Rh5 usw.), können zur Herstellung der Elektrodenspitze 34, 34', 34" verwendet werden, wenn die Spitze direkt mit dem wärmeableitenden Kern 32, 32', 32" thermisch gekoppelt ist, da solche Materialien ein wünschenswertes Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistung herstellen können. Es können jedoch auch andere Pulver auf Edelmetallbasis verwendet werden, z.B. solche mit bis zu etwa 98 Gew.-% Iridium (z.B. Ir-Rh2,5, Ir-Rh5, Ir-Rh10, Ir-Pt5, Ir-Pt5-Rh5 usw.), insbesondere wenn die Preise für solche Materialien in Zukunft sinken. Der Durchmesser oder die Größe der Elektrodenspitze 34, 34', 34" hängt von der jeweiligen Anwendung und Ausführung ab. In den nicht einschränkenden Beispielen in den 2 bis 4, bei denen es sich um Industriekerzen handelt, kann jede der Elektrodenspitzen einen Durchmesser zwischen 1,0 mm und 4,2 mm, jeweils einschließlich, und noch bevorzugter zwischen 1,2 mm und 3,0 mm, jeweils einschließlich, haben. Bei Kerzen für Kraftfahrzeuge und anderen Kerzen werden diese Abmessungen wahrscheinlich kleiner sein, und die Elektrodenspitze kann einen Durchmesser zwischen 0,4 mm und 3,0 mm, jeweils einschließlich, und noch bevorzugter zwischen 0,6 mm und 2,0 mm, jeweils einschließlich, haben. Die Elektrodenspitze muss nicht unbedingt einen kreisförmigen Querschnitt mit einem „Durchmesser“ aufweisen, sondern kann auch einen ovalen, quadratischen, rechteckigen oder anderen Querschnitt mit einer „Abmessung“ aufweisen.
Die thermische Kopplungszone 38, 38', 38" befindet sich zumindest teilweise zwischen dem wärmeableitenden Kern und der Elektrodenspitze und enthält Material aus dem wärmeableitenden Kern, der Elektrodenbasis und/oder der Elektrodenspitze. Die thermische Kopplungszone 38, 38', 38" ist so ausgelegt, dass sie als Wärmeleitung oder -kanal fungiert, so dass Wärme, die sich während des Betriebs der Zündkerze aufbaut, effektiv von der Elektrodenspitze 34, 34', 34" zu dem wärmeableitenden Kern 32, 32', 32" befördert oder übertragen werden kann, von wo aus sie weiter in den Isolator 14, das Gehäuse 16 und schließlich den Zylinderkopf des Motors abgeleitet werden kann. Wie oben erläutert, ist eine verstärkte Kühlung der Elektrodenspitze 34, 34', 34" aus einer Reihe von Gründen wünschenswert: Sie reduziert die thermischen Spannungen, die an der Verbindungsstelle zwischen Elektrodenspitze und Elektrodenbasis entstehen; sie verringert die Erosions- und/oder Korrosionsrate der Elektrodenspitze; und sie ermöglicht die Verwendung einer größeren Vielfalt von Materialien auf Edelmetallbasis, einschließlich weniger teurer Materialien mit niedrigeren Schmelzpunkten, sowie weniger Edelmetallmaterial, um nur einige zu nennen. Die thermische Kopplungszone 38, 38', 38" befindet sich im Inneren der Elektrode, so dass sie sich auf die Mitte der Elektrode konzentriert, und sie kann Material aus dem wärmeableitenden Kern 32, 32', 32", der Elektrodenbasis 30, 30', 30" und/oder der Elektrodenspitze 34, 34', 34" enthalten (wenn sie alle in der thermischen Kopplungszone vorhanden sind, bilden diese Materialien zusammen eine thermische Kopplungszonenlegierung). Dadurch, dass sich die thermische Kopplungszone 38, 38', 38" in der Mitte der Elektrode befindet, wird verhindert, dass sie nach außen hin freiliegt und zu einer unerwünschten Funkenüberschlagsstelle bzw. Funkenübergangsort wird. Darüber hinaus hat die thermische Kopplungszonenlegierung eine höhere durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit als die der Elektrodenbasis 30, 30', 30" selbst, die manchmal wie eine thermische Barriere oder ein Hindernis in Kerzen wirken kann, bei denen eine beträchtliche Menge an Material der Elektrodenbasis zwischen der Spitze und dem Kern angeordnet ist. Die Kombination aus der thermischen Kopplungszonenlegierung (z.B. Ni-Ir-Cu, Ni-Pt-Cu, Ni-Ir-Pt-Cu usw.), der geringen Entfernung zwischen der Elektrodenspitze und dem wärmeableitenden Kern (z.B. weniger als 2,0 mm) und der konzentrierten Form der thermischen Kopplungszone (z.B. die konzentrierte Form der thermischen Kopplungszone (z.B. eine etwas längliche Form entlang der Mittelachse A der Elektrode) trägt dazu bei, eine direkte thermische Kopplung oder Verbindung zwischen der Elektrodenspitze und dem wärmeableitenden Kern herzustellen, ohne unerwünschterweise einen unerwünschten Funkenüberschlagspunkt bzw. Funkenübergangspunkt an der Seite der Elektrode zu erzeugen. Die thermische Kopplungszone 38, 38', 38" trägt auch dazu bei, Spannungen an der Verbindungsstelle zwischen der Elektrodenspitze und der Basis zu verringern, die beispielsweise durch unterschiedliche Wärmeausdehnungsraten verursacht werden. In den folgenden Abschnitten werden verschiedene Beispiele für thermische Kopplungszonen beschrieben und in Verbindung mit den 5-7 gezeigt. Es sei darauf hingewiesen, dass es sich bei diesen Zeichnungen nur um schematische Darstellungen handelt, da die wärmeableitenden Kerne, die thermischen Kopplungszonen, die Elektrodenbasen, die Elektrodenspitzen usw. anders aussehen können als in den Abbildungen.
In 5 ist ein Beispiel für eine thermische Kopplungszone 38 dargestellt, die mit der Zündkerze von 2 verwendet werden kann. Da das axiale Ende 58 des wärmeableitenden Kerns 32 nicht bis zum axialen Ende 60 der Elektrodenbasis 30 reicht, hat die Elektrode 12 einen axialen Abstand Z, der etwa 0,5 mm beträgt. Die Verteilung oder Konzentration der Materialien in der thermischen Kopplungszone 38 kann entlang der Mittelachse A variieren, aber Elemente des wärmeableitenden Kerns 32, der Elektrodenbasis 30 und der Elektrodenspitze 34 sind alle in der thermischen Kopplungszone 38 vorhanden. Vorläufige Tests deuten darauf hin, dass in einem ersten Abschnitt 80 der thermischen Kopplungszone 38, der an den wärmeableitenden Kern 32 angrenzt und am weitesten von der Elektrodenspitze 34 entfernt ist, die thermische Kopplungszone eine thermische Kopplungszonenlegierung enthalten kann, die ungefähr 2 - 45 Gew.-% eines Edelmetalls (z.B. Ir, Pt, Pd, Ru, Rh usw.), 2 - 50 Gew.-% Kupfer, 20 - 75 Gew.-% Nickel und als Rest andere Elemente aus den Elektrodenkomponenten enthält. In einem zweiten Abschnitt 82 der thermischen Kopplungszone, der an die Elektrodenspitze 34 angrenzt und am weitesten von dem wärmeableitenden Kern 32 entfernt ist, kann die thermische Kopplungszone eine thermische Kopplungszonenlegierung mit ungefähr: 10-65 Gew.-% eines Edelmetalls (z.B. Ir, Pt, Pd, Ru, Rh, usw.), 2-45 Gew.-% Kupfer, 10-65 Gew.-% Nickel und der Rest andere Elemente aus den Elektrodenkomponenten enthalten. Auch wenn die genaue Zusammensetzung der thermischen Kopplungszone 38 von den oben genannten Beispielen abweichen kann, ist es vorzuziehen, dass eine thermische Kopplungszonenlegierung wärmeleitendes Material aus dem wärmeableitenden Kern 32, Nickel aus der Elektrodenbasis 30 und Edelmetall aus der Elektrodenspitze 34 enthält und dass die thermische Kopplungszone gemäß einer Gradientenstruktur konfiguriert ist, so dass der erste Abschnitt 80 eine größere Menge an Kupfer als der zweite Abschnitt 82 aufweist und dass der zweite Abschnitt 82 eine größere Menge an Edelmetall als der erste Abschnitt 80 aufweist.
6 zeigt ein weiteres mögliches Beispiel für eine thermische Kopplungszone 38', die mit der Zündkerze von 3 verwendet werden kann. In diesem Beispiel erreicht das axiale Ende 58' des wärmeableitenden Kerns 32' das axiale Ende 60' der Elektrodenbasis 30', so dass die Elektrode 12' einen axialen Abstand Z von etwa 0,0 mm aufweist. Wie dargestellt, wurde der Elektrodenkörper 36' so geschnitten oder abgetrennt, dass das axiale Ende 58' des wärmeableitenden Kerns 32' am oder fast am axialen Ende 60' der Elektrodenbasis 30' liegt (daher der axiale Abstand Z von ca. 0,0 mm). Wenn der additive Fertigungsprozess mit dem Aufbau der ersten Schichten der Elektrodenspitze 34' beginnt, wird ein Laser- oder Elektronenstrahl in axialer Richtung so gerichtet, dass er eine dünne Schicht aus edelmetallbasiertem Pulver schmilzt, die das axiale Ende 60' bedeckt, und auch einen Teil der darunter liegenden Elektrodenbasis 30' und des wärmeableitenden Kerns 32' schmilzt. Aufgrund des präzisen Charakters additiver Fertigungsverfahren, wie z.B. solche, die Pulverbettschmelzverfahren verwenden, kann eine unverhältnismäßig große Energiemenge auf die Mitte der Elektrode konzentriert oder gelenkt werden, was wiederum dazu führen kann, dass in diesem Bereich eine tiefere thermische Kopplungszone 38' entsteht. Dieser Prozess kann sich Schicht für Schicht mit seiner Energiekonzentration zur Mitte oder zum Zentrum des axialen Endes 60' hin fortsetzen, so dass die thermische Kopplungszone 38' zur Mitte der Elektrode hin tiefer wird. Es ist möglich, wenn auch nicht erforderlich, dass die thermische Kopplungszone 38' zur Mitte hin eine etwas kugelförmige oder bauchige Form annimmt; dies ist in 6 dargestellt, wo das axiale Ende 58' des wärmeableitenden Kerns 32' zumindest teilweise in den bauchigen ersten Abschnitt 80' der thermischen Kopplungszone 38' absorbiert wurde. Ein zweiter Abschnitt 82' der thermischen Kopplungszone 38' kann breiter und flacher geformt sein, so dass er einen Großteil des Bereichs unterhalb der Elektrodenspitze 34' ausfüllt, aber nicht so tief in die Elektrode hineinreicht wie der erste Abschnitt 80'. Die thermische Kopplungszone 38' kann eine ähnliche Zusammensetzung und/oder Gradientenstruktur aufweisen, wie sie oben im Zusammenhang mit dem vorherigen Beispiel beschrieben wurde.
In 7 ist ein weiteres Beispiel für eine thermische Kopplungszone 38" dargestellt, die mit der Zündkerze in 4 verwendet werden kann. In diesem Beispiel wurde der Elektrodenkörper 36" vor dem Hinzufügen der Elektrodenspitze 34" an einer Stelle durchtrennt, die den wärmeableitenden Kern 32" durchschneidet (d.h. das axiale Ende des wärmeableitenden Kerns wurde abgeschnitten, um eine Oberfläche des Kerns freizulegen). Somit ist der axiale Abstand Z zwischen einem imaginären axialen Ende 58" (wo es sich befunden hätte, wenn er nicht abgeschnitten worden wäre, wie in den gestrichelten Linien angedeutet) und einem axialen Ende 60" der Elektrodenbasis 30" ein negatives Maß, z.B. zwischen 0,0 mm und -0,5 mm. Aufgrund der engen axialen Nähe zwischen dem Hauptteil des wärmeableitenden Kerns 32" und der Elektrodenspitze 34" weist dieses Beispiel wahrscheinlich eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass die Elektrodenspitze während des Betriebs effektiv abgekühlt werden kann. Wie bereits erwähnt, muss besonders darauf geachtet werden, dass das kupferbasierte Material des wärmeableitenden Kerns 32" nicht an eine äußere Seitenfläche der Elektrode gezogen wird, da dies eine unerwünschte Funkenbildungstelle an diesem Ort verursachen könnte. In einem ersten Abschnitt 80" der thermischen Kopplungszone ist ein abgeschnittenes axiales Ende 84" des wärmeableitenden Kerns 32" in die thermische Kopplungszone aufgenommen worden. Teile des abgeschnittenen axialen Endes 84" können auch absorbiert und mit anderen Materialien vermischt werden, und zwar in einem zweiten Abschnitt 82". In diesem Beispiel wird die Elektrodenspitze 34" auf dem abgetrennten Ende des Elektrodenkörpers 36" aufgebaut, so dass Pulver auf Edelmetallbasis direkt in freiliegende Teile der Elektrodenbasis 30" und freiliegende Teile des wärmeableitenden Kerns 32" eingeschmolzen wird. Dies ist mit dem hier beschriebenen additiven Fertigungsverfahren möglich, das eine schweißfreie Verbindung zwischen der Elektrodenspitze 34" und dem Elektrodenkörper 36" herstellt, aber keine umlaufende Laserschweißnaht bildet.
8 zeigt ein Flussdiagramm mit den Schritten eines additiven Fertigungsverfahrens 100 (manchmal auch als 3D-Druckverfahren bezeichnet), das zur Herstellung der hier beschriebenen Zündkerzenelektrode verwendet werden kann. In diesem Beispiel verwendet der additive Fertigungsprozess 100 ein Pulverbettschmelzverfahren, um die Elektrodenspitze 134 auf der Elektrodenbasis 130 zu formen, wie in den progressiven Schritten in den dargestellt. Es sollte jedoch gewürdigt werden, dass das additive Herstellungsverfahren 100 mit jeder der hierin gelehrten Elektroden sowie mit anderen verwendet werden kann und sicherlich nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt ist.
Beginnend mit Schritt 102 wird ein Elektrodenkörper 136 mit einem wärmeableitenden Kern 132 versehen, der zumindest teilweise von einer Elektrodenbasis 130 umgeben oder darin eingekapselt ist. Wie im Zusammenhang mit den 5-7 erläutert, kann ein Elektrodenkörper mit einer Anzahl von verschiedenen Konfigurationen versehen sein, einschließlich: solcher, bei denen der wärmeableitende Kern in die Elektrodenbasis hinein zurückgezogen ist, so dass er ein axiales Ende der Elektrodenbasis nicht erreicht (z.B. siehe 5); solcher, bei denen der wärmeableitende Kern am oder nahe dem axialen Ende der Elektrodenbasis endet (z.B. siehe 6); oder solche, bei denen der Elektrodenkörper durch die Elektrodenbasis und den wärmeableitenden Kern hindurch abgetrennt oder geschnitten wurde, so dass ein imaginäres axiales Ende des Kerns über das axiale Ende der Elektrodenbasis hinausragt und einen Teil des Kerns freigelegt lässt (siehe z.B. 7), um nur einige Möglichkeiten zu nennen. Diese letzte Möglichkeit wird in 9 weiter veranschaulicht, wo ein abgeschnittenes axiales Ende 154 des wärmeableitenden Kerns 132 freiliegt und im Allgemeinen mit einem axialen Ende 160 der Elektrodenbasis 130 bündig ist. Es ist zu beachten, dass jede geeignete Methode zum Schneiden, Abtrennen oder Endausbilden des Elektrodenkörpers verwendet werden kann, einschließlich mechanisches Schneiden oder Scheren, Abrasivschneiden, Wasserstrahl- oder Laserschneiden oder eine andere geeignete Methode zum Entfernen des Endes des Elektrodenkörpers.
Anschließend wird der Elektrodenkörper 136 in einem Werkzeug oder einer Vorrichtung so befestigt, dass die Elektrodenbasis 130 und/oder der wärmeableitende Kern 132 an einem Zündende 120 freiliegen, Schritt 104. Vorzugsweise wird der Elektrodenkörper 136 vertikal in dem Werkzeug befestigt oder montiert, so dass das Zündende 120 nach oben zeigt. Zu diesem Zweck kann eine beliebige Anzahl verschiedener Werkzeuge und Befestigungsanordnungen verwendet werden, einschließlich solcher mit horizontalen Aufbauplatten, die bündig oder nahezu bündig mit dem axialen Ende 160 sind und zur Aufnahme eines dünnen Pulverbettes ausgelegt sind.
Nach der Befestigung im Werkzeug wird das Zündende 120 mit der freiliegenden Elektrodenbasis und/oder den wärmeableitenden Kernabschnitten mit einer dünnen Pulverbettschicht 128 bedeckt, die ein erstes Gemisch aus einem Material auf Edelmetallbasis enthält, Schritt 106. Die erste Mischung kann Material auf Edelmetallbasis mit nicht mehr als 60 Gew.-% Iridium (z.B. Pt-Ir40, Pt-Ir50, Ir-Pt40, Ru-Rh5 usw.) und vorzugsweise mit nicht mehr als 50 Gew.-% Iridium (z.B. Pt-Ir40, Pt-Ir50, Ru-Rh5 usw.) enthalten, obwohl dies nicht erforderlich ist. In einem Beispiel hat die Pulverbettschicht 128 eine Dicke von 5 µm bis 60 µm, jeweils einschließlich, und vorzugsweise eine Dicke von 10 µm bis 20 µm, jeweils einschließlich.
Als Nächstes wird ein Laser- oder Elektronenstrahl verwendet, um die dünne Pulverbettschicht 128, die das Zündende 120 bedeckt, zu schmelzen oder zumindest zu sintern (Schritt 108). Alle Verweise hier auf „Laser“ sind so zu verstehen, dass sie im weitesten Sinne jede geeignete Licht- oder Energiequelle umfassen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Elektronenstrahlen und Laser; dasselbe gilt für „Laserabscheidungsschichten“, die im weitesten Sinne Abscheidungs- bzw. Auftragsschichten umfassen, die durch jede geeignete Licht- oder Energiequelle erzeugt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf solche, die durch Elektronenstrahlen und Laser erzeugt werden. Wie in 10A dargestellt, ist ein Laser L im Allgemeinen mit der Mittelachse A der Elektrode ausgerichtet und auf das Zündende 120 gerichtet (das in diesem Beispiel den freiliegenden Teil 160 der Elektrodenbasis 130 und den freiliegenden Teil 154 des wärmeableitenden Kerns 132 umfasst), so dass er eine dünne Pulverbettschicht 128 schmilzt oder sintert, während der Laser die axiale Endfläche des Zündendes überquert oder sich darüber bewegt; dies ist Teil des Pulverbettschmelzverfahrens. Dadurch wird eine erste Laserabscheidungsschicht 162 gebildet und es beginnen sich verschiedene Abschnitte einer thermischen Kopplungszone 138 zu bilden, die nach Abschluss des additiven Fertigungsprozesses eine direkte thermische Verbindung zwischen einer Elektrodenspitze 134 und einem wärmeableitenden Kern 132 herstellen wird.
Einem Beispiel zufolge verwendet Schritt 108 beim Schmelzen der dünnen Pulverbettschicht kein konstantes oder einheitliches Energieniveau für den Laser, sondern steuert das Energieniveau selektiv nach einem ungleichmäßigen Energieprofil, so dass mehr Energie auf die Mitte des Zündendes 120 konzentriert wird. 10B ist eine End- oder Draufsicht auf das Zündende 120, wobei die verschiedenen kreisförmigen oder ringförmigen Zonen unterschiedliche Laserenergieniveaus des ungleichmäßigen Energieprofils darstellen. So ist beispielsweise die Zone 140 eine kreisförmige Zone, die die Mittelachse A umschließt und sich in der Mitte des Zündendes befindet. In Zone 140 hat die Laserenergie das höchste Niveau, die während des ungleichmäßigen Energieprofils verwendet wird, und kann zwischen 90 % und 100 % eines maximalen oder vorbestimmten Energieniveaus betragen. Zone 142 ist eine ringförmige Zone, die Zone 140 konzentrisch umgibt und in diesem Beispiel ein Laserenergieniveau anwendet, das etwas niedriger ist als das in Zone 140, beispielsweise zwischen 75 % und 90 % des maximalen oder vorbestimmten Energieniveaus. Die Zone 144 ist ebenfalls eine ringförmige Zone und umgibt die Zonen 140, 142 konzentrisch, so dass sie sich in Richtung eines radial äußeren Abschnitts des Zündendes 120 befindet. Für die Zone 144 kann ein Laserenergieniveau von weniger als 75 % des maximalen oder vorbestimmten Energieniveaus verwendet werden; das niedrigere Energieniveau verringert die Gefahr, dass zu viel kupfer- und/oder nickelbasiertes Material hin zu den Seiten der Elektrode gezogen wird. Indem mehr Laserenergie auf die Mitte des Zündendes 120 konzentriert wird, kann das ungleichmäßige Energieprofil außerdem mehr Material in der Mitte des Elektrodenkörpers schmelzen, einschließlich Material auf Kupferbasis aus dem wärmeableitenden Kern 132, Material auf Nickelbasis aus der Elektrodenbasis 130 und Material auf Edelmetallbasis aus der dünnen Pulverschicht 128. Dieses tiefere Eindringen in die Mitte des Elektrodenkörpers trägt dazu bei, die Form der thermischen Kopplungszone 138 zu bilden, ohne dass Materialien auf Kupferbasis an die Seiten der Elektrode gezogen werden, wo sie zu unerwünschten Funkenbildungsorten werden könnten, wie es bei Umfangs-Laserschweißungen der Fall sein kann.
Bei dem Verfahren kann die Laserenergieverteilung bei jedem Durchgang oder bei so vielen Durchgängen variiert werden, um die Größe, Form und/oder Zusammensetzung der thermischen Kopplungszone 138 zu steuern oder zumindest zu beeinflussen. In den 11A-11B sind jeweils eine Schnittansicht des Elektrodenkörpers 136 und eine Draufsicht auf das Zündende 120 mit verschiedenen kreisförmigen oder ringförmigen Zonen dargestellt, die unterschiedliche Laserenergieniveaus repräsentieren. Auch hier kann das ungleichmäßige Energieprofil die Laserenergie in Richtung des Zentrums des Zündendes 120 konzentrieren, so dass die thermische Kopplungszone 138 jedes Mal, wenn eine neue Laserabscheidungsschicht 164 hinzugefügt wird, tiefer und tiefer in den wärmeableitenden Kern 132 reicht. Das ungleichmäßige Energieprofil kann beispielsweise eine Zone 150 umfassen, die eine kreisförmige Zone ist, die die Mittelachse A in der Mitte des Zündendes 120 umfasst, und die ein Laserenergieniveau zwischen 80 % und 90 % eines maximalen oder vorbestimmten Niveaus aufweisen kann. Eine Zone 152, bei der es sich um eine konzentrische, ringförmige Zone handelt, die den Rest des axialen Endes 160 umfasst, kann ein Laserenergieniveau von ungefähr 80 % eines maximalen oder vorbestimmten Niveaus aufweisen. Während der zyklischen Wiederholung der Schritte 106-108 baut das Verfahren nicht nur die Elektrodenspitze 134 mit einer Anzahl von gestapelten Laserabscheidungsschichten auf, sondern kann auch die Laserenergie über das Zündende 120 entsprechend dem ungleichmäßigen Energieprofil variieren oder modulieren, um eine kunden- bzw. anwendungsspezifische thermische Kopplungszone 138 mit einem ersten und einem zweiten Abschnitt 180, 182 zu schaffen. Der erste Abschnitt 180 befindet sich tiefer im Elektrodenkörper 136 (d.h. weiter entfernt vom axialen Ende 160) und ist stärker auf die Mitte des Elektrodenkörpers konzentriert, während der zweite Abschnitt 182 näher am Zündende 120 liegt und sich stärker ausbreitet, so dass er sich größtenteils unterhalb der Elektrodenspitze 134 befindet. Der erste Abschnitt 180 trägt dazu bei, den Hauptwärmekanal oder die Hauptwärmeleitung zwischen der Elektrodenspitze 134 und dem wärmeableitenden Kern 132 zu bilden. Die Darstellungen des ersten und des zweiten Abschnitts 180, 182 dienen nur der Veranschaulichung, und die tatsächlichen Abschnitte können andere Formen und Größen haben als die gezeigten.
Bei einem letzten Durchgang bildet das Verfahren eine abschließende Laserabscheidungsschicht 166, die zumindest einen Teil einer funkenbildenden Oberfläche der Elektrodenspitze 134 bildet. Bei der Bildung der abschließenden Laserabscheidungsschicht(en) 166 kann das Verfahren ein gleichmäßiges Energieprofil oder eine gleichmäßige Energieverteilung anstelle eines ungleichmäßigen Energieprofils verwenden, um eine funkenbildende Oberfläche zu glätten oder gleichförmiger bereit zu stellen, wie in den dargestellt. In diesem Beispiel kann eine einzige kreisförmige Zone 156 über das gesamte Zündende 120 verwendet werden, so dass die abschließende(n) Laserabscheidungsschicht(en) 166 bei einem konstanten Laserenergieniveau gebildet wird/werden (z.B. bei einem Niveau von etwa 80 % eines maximalen Energieniveaus). Durch die Verwendung eines konstanten Laserenergieniveaus für den letzten Zyklus oder mehrere Zyklen des Verfahrens kann eine Elektrodenspitze 134 mit einer flacheren funkenbildenden Oberfläche 168 gebildet werden. Natürlich ist die vorangegangene Beschreibung nur ein Beispiel für ein additives Fertigungsverfahren, das verwendet werden kann, da andere derartige Verfahren durchaus möglich sind. Spezifische Parameter, wie Größe, Form, Anzahl und Energieniveau der verschiedenen Laserenergiezonen, können von den hier dargestellten nicht einschränkenden Beispielen abweichen.
Der Zyklus oder die Abfolge der Schritte 106-108 wird so lange wiederholt, bis das Verfahren feststellt, dass keine weiteren Laserabscheidungsschichten mehr benötigt werden (d.h. die Elektrodenspitze 134 hat die gewünschte Höhe erreicht). Wenn in Schritt 110 festgestellt wird, dass weitere Laserabscheidungsschichten benötigt werden, kehrt das Verfahren in einer Schleife zurück und wiederholt die Schritte 106 und 108, so dass eine neue Laserabscheidungsschicht auf der/den vorherigen Schicht(en) aufgebaut werden kann. Es sollte verstanden werden, dass bei einem ersten Durchlauf oder Zyklus durch die Schritte 106-108 der Schritt 106 das axiale Ende 160 und das abgeschnittene axiale Ende 154 mit einem dünnen Pulverbett 128 bedecken kann (d.h. das auf Edelmetall basierende Material des dünnen Pulverbettes kann in direktem Kontakt mit dem auf Nickel basierenden Material des axialen Endes 160 und dem auf Kupfer basierenden Material des abgeschnittenen axialen Endes 154 stehen) und der Schritt 108 das dünne Pulverbett direkt in die Enden 160 und/oder 154 schmelzen oder sintern kann. In nachfolgenden Durchläufen oder Zyklen durch die Schritte 106-108, nachdem die anfängliche Laserabscheidungsschicht 162 bereits gebildet wurde, kann Schritt 106 das dünne Pulverbett 128 so auftragen, dass es eine oder mehrere zuvor erzeugte Laserabscheidungsschicht(en) 162 bedeckt, im Gegensatz zum Bedecken der tatsächlichen Oberflächen der Enden 160 und/oder 154. In diesem Beispiel schmilzt oder sintert der Schritt 108 das dünne Pulverbettmaterial in die zuvor erzeugte(n) Laserabscheidungsschicht(en) und möglicherweise auch in die Elektrode selbst (je nachdem, wie dick die zuvor erzeugte(n) Laserabscheidungsschicht(en) sind und wie tief der Schmelz- oder Sinterschritt geht). In beiden Fällen (d.h. im ersten Durchgang und in den nachfolgenden Durchgängen der Schritte 106-108) bedeckt Schritt 106 das Zündende 120 mit einem dünnen Pulverbett und schmilzt oder sintert der Schritt 108 das dünne Pulverbett in das Zündende 120.
Da jede Laserabscheidungsschicht zunächst durch Schmelzen oder Sintern von Pulver aus dem dünnen Pulverbett gebildet wird und das Material dann erstarren kann, ist es möglich, die Zusammensetzung der verschiedenen Laserabscheidungsschichten anzupassen oder zu modifizieren, indem die Zusammensetzung des Pulverbettes während des Prozesses geändert wird. Auf diese Weise kann die vorliegende Elektrode einen maßgeschneiderten oder anwendungsspezifischen Zusammensetzungsgradienten über die thermische Kopplungszone 138 und/oder die Elektrodenspitze 134 aufweisen, der die Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten verteilt, anstatt dass die gesamte Differenz dieser Koeffizienten an einer einzigen Zwischenschichtgrenze auftritt. Beispielsweise kann der Schritt 106 beim zweiten oder einem späteren Durchlauf des Verfahrens das Zündende 120 mit einer zweiten Mischung aus edelmetallbasiertem Material bedecken, die eine andere Zusammensetzung als die erste Mischung aufweist (z.B. kann die zweite Mischung einen größeren Anteil an edelmetallbasiertem Material haben), obwohl dies nicht erforderlich ist.
Sobald in Schritt 110 festgestellt wird, dass keine weiteren Laserabscheidungsschichten benötigt werden (d.h. die Elektrodenspitze 134 ist vollständig durch additive Fertigung geformt), geht das Verfahren zu Schritt 112 über, in dem die Zündkerzenelektrode oder das Werkstück aus dem Werkzeug entfernt wird. Fachleute werden verstehen, dass das soeben beschriebene additive Fertigungsverfahren zur gleichzeitigen Herstellung einer großen Anzahl von Elektroden (d.h. Stapelverarbeitung) sowie zur Herstellung verschiedener Arten von Elektroden, die sich von den hier gezeigten unterscheiden, verwendet werden kann. Ein Unterschied zwischen der nach dem vorgenannten Verfahren hergestellten Zündkerzenelektrode besteht darin, dass die Elektrodenspitze sicher an der Elektrodenbasis befestigt ist, ohne dass eine umlaufende Laserschweißnaht verwendet wird (d.h. die vorliegende Elektrode hat eine schweißfreie Verbindung zwischen der Elektrodenspitze und der Basis), was aus einer Reihe von Gründen vorteilhaft ist, darunter die oben beschriebenen.
Es versteht sich, dass das Vorstehende eine Beschreibung einer oder mehrerer bevorzugter beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung ist. Die Erfindung ist nicht auf die hierin offenbarte(n) besondere(n) Ausführungsform(en) beschränkt, sondern wird ausschließlich durch die nachfolgenden Ansprüche definiert. Darüber hinaus beziehen sich die in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen Aussagen auf bestimmte Ausführungsformen und sind nicht als Einschränkungen des Umfangs der Erfindung oder der Definition der in den Ansprüchen verwendeten Begriffe zu verstehen, es sei denn, ein Begriff oder eine Formulierung ist oben ausdrücklich definiert. Verschiedene andere Ausführungsformen und verschiedene Änderungen und Modifikationen an der (den) offengelegten Ausführungsform(en) werden für den Fachmann offensichtlich. So können beispielsweise die genaue Größe, Form, Zusammensetzung usw. einer abgedeckten thermischen Kopplungszone von den offengelegten Beispielen abweichen und dennoch durch die vorliegende Anmeldung abgedeckt sein (z.B. können sich mikroskopische Darstellungen tatsächlicher Teile erheblich von den abgebildeten Zeichnungen unterscheiden und dennoch abgedeckt sein). Alle derartigen anderen Ausführungsformen, Änderungen und Modifikationen sollen in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen.
Wie in dieser Beschreibung und den Ansprüchen verwendet, sind die Begriffe „zum Beispiel“, „z.B.“, „beispielsweise“, „wie“ und „so wie" sowie die Verben „umfassen“, „haben“, „einschließen“ und ihre anderen Verbformen, wenn sie in Verbindung mit einer Aufzählung von einem oder mehreren Bestandteil(en) oder anderen Gegenständen verwendet werden, jeweils als offen zu verstehen, was bedeutet, dass die Aufzählung nicht als Ausschluss anderer, zusätzlicher Bestandteile oder Gegenstände zu betrachten ist. Andere Begriffe sind so weit wie möglich auszulegen, es sei denn, sie werden in einem Kontext verwendet, der eine andere Auslegung erfordert.

Claims

Zündkerzenelektrode mit: einer Elektrodenbasis; einem wärmeableitenden Kern, der zumindest teilweise von der Elektrodenbasis umgeben ist; einer Elektrodenspitze, die an der Elektrodenbasis gebildet ist und eine Vielzahl von Laserabscheidungsschichten enthält; und einer thermischen Kopplungszone, die sich zumindest teilweise zwischen der Elektrodenspitze und dem wärmeableitenden Kern befindet, wobei die thermische Kopplungszone die Elektrodenspitze direkt mit dem wärmeableitenden Kern thermisch koppelt.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei sich der wärmeableitende Kern entlang einer Mittelachse der Zündkerzenelektrode erstreckt und an einem axialen Ende endet, das ein axiales Ende der Elektrodenbasis nicht erreicht, wobei ein axialer Abstand Z zwischen dem axialen Ende des wärmeableitenden Kerns und dem axialen Ende der Elektrodenbasis kleiner oder gleich 1,3 mm ist.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei sich der wärmeableitende Kern entlang einer Mittelachse der Zündkerzenelektrode erstreckt und an einem axialen Ende endet, das ein axiales Ende der Elektrodenbasis erreicht, wobei ein axialer Abstand Z zwischen dem axialen Ende des wärmeableitenden Kerns und dem axialen Ende der Elektrodenbasis ungefähr 0,0 mm beträgt.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei sich der wärmeableitende Kern entlang einer Mittelachse der Zündkerzenelektrode erstreckt und an einem imaginären axialen Ende endet, das sich über ein axiales Ende der Elektrodenbasis hinaus erstrecken würde, wenn das imaginäre axiale Ende nicht abgeschnitten worden wäre, wobei ein axialer Abstand Z zwischen dem imaginären axialen Ende des wärmeableitenden Kerns und dem axialen Ende der Elektrodenbasis weniger als 0,0 mm beträgt.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zündkerzenelektrode eine Mittelelektrode ist und die Elektrodenspitze ein zylindrisches Bauteil ist, das an einem axialen Ende der Elektrodenbasis ausgebildet ist, wobei die Elektrodenspitze so ausgerichtet ist, dass die Vielzahl von Laserabscheidungsschichten senkrecht zu einer Mittelachse der Zündkerzenelektrode verlaufen, und wobei die Elektrodenspitze an der Elektrodenbasis mit einer schweißfreien Verbindung befestigt ist.
Zündkerzenelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zündkerzenelektrode eine Masseelektrode ist und die Elektrodenspitze ein flaches Bauteil ist, das an einer Seitenfläche der Elektrodenbasis ausgebildet ist, wobei die Elektrodenspitze so ausgerichtet ist, dass die Vielzahl von Laserabscheidungsschichten in einem Bereich der Elektrodenspitze parallel zu einer Mittelachse der Masseelektrode verlaufen, und wobei die Elektrodenspitze an der Elektrodenbasis mit einer schweißfreien Verbindung befestigt ist.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von Laserabscheidungsschichten an der Elektrodenbasis durch einen additiven Herstellungsprozess gebildet sind, der ein Pulverbettschmelzverfahren verwendet, um Pulver auf Edelmetallbasis mit einem Laser- oder Elektronenstrahl auf ein Brenn- bzw. Zündende zu schmelzen oder zu sintern, und dann das geschmolzene oder gesinterte Pulver erstarren zu lassen, um die Laserabscheidungsschichten der Elektrodenspitze zu bilden, wobei die Vielzahl von Laserabscheidungsschichten eine durchschnittliche Schichtdicke T aufweisen, die zwischen 5 µm und 60 µm, jeweils einschließlich, liegt, und wobei eine Gesamtdicke der Vielzahl von Laserabscheidungsschichten eine Elektrodenspitzenhöhe H ist, die zwischen 0,05 mm und 3,0 mm, jeweils einschließlich, beträgt.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenspitze ein Material auf Edelmetallbasis enthält, das mindestens ein Edelmetall aufweist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Iridium, Platin, Ruthenium, Palladium oder Rhodium, wobei das Material auf Edelmetallbasis optional entweder ein Material auf Platinbasis, ein Material auf Rutheniumbasis oder ein Material auf Iridiumbasis ist, das nicht mehr als 60 Gew.-% Iridium enthält, und wobei es bevorzugt ist, wenn die Elektrodenbasis ein Material auf Nickelbasis enthält, wenn der wärmeableitende Kern ein Material auf Kupferbasis enthält und die thermische Kopplungszone Nickel aus dem Material auf Nickelbasis, Kupfer aus dem Material auf Kupferbasis und Edelmetall aus dem Material auf Edelmetallbasis enthält.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermische Kopplungszone eine Wärmeleitung von der Elektrodenspitze zu dem wärmeableitenden Kern erschafft, der sich in einem Inneren der Zündkerzenelektrode befindet, so dass die thermische Kopplungszone nicht an einer Außenfläche der Zündkerzenelektrode freiliegt.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermische Kopplungszone an der Stelle zwischen der Elektrodenspitze und dem wärmeableitenden Kern eine höhere durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit aufweist als die Elektrodenbasis.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermische Kopplungszone eine thermische Kopplungszonenlegierung mit Kupfer aus dem wärmeableitenden Kern, Nickel aus der Elektrodenbasis und mindestens einem der Elemente Iridium, Ruthenium oder Platin aus der Elektrodenspitze enthält.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermische Kopplungszone einen ersten Abschnitt, der sich neben dem wärmeableitenden Kern befindet, und einen zweiten Abschnitt aufweist, der sich neben der Elektrodenspitze befindet, wobei der erste Abschnitt eine thermische Kopplungszonenlegierung mit 2 - 45 Gew.-% eines Edelmetalls aus der Elektrodenspitze umfasst und der zweite Abschnitt eine thermische Kopplungszonenlegierung mit 2 - 45 Gew.-% Kupfer aus dem wärmeableitenden Kern enthält, wobei optional ein Anteil des Edelmetalls in der thermischen Kopplungszonenlegierung entlang einer Mittelachse ausgehend von dem zweiten Abschnitt hin zu dem ersten Abschnitt abnimmt und ein Anteil des Kupfers in der thermischen Kopplungszonenlegierung entlang der Mittelachse ausgehend von dem ersten Abschnitt hin zu dem zweiten Abschnitt abnimmt, um eine Zusammensetzungsgradientenstruktur zu erzeugen.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermische Kopplungszone einen ersten Abschnitt, der sich neben dem wärmeableitenden Kern befindet, und einen zweiten Abschnitt aufweist, der sich neben der Elektrodenspitze befindet, wobei der erste Abschnitt eine bauchige Form hat und ein axiales Ende des wärmeableitenden Kerns absorbiert bzw. aufnimmt, wobei der zweite Abschnitt eine breite und flache Form hat und einen Bereich unterhalb der Elektrodenspitze ausfüllt.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenspitze auf einem abgetrennten Ende eines Elektrodenkörpers aufgebaut ist, das eine freiliegende Oberfläche des wärmeableitenden Kerns aufweist, so dass ein abgeschnittenes axiales Ende des wärmeableitenden Kerns in der thermischen Kopplungszone absorbiert bzw. aufgenommen ist.
Additives Fertigungsverfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellung eines Elektrodenkörpers, der eine Elektrodenbasis und einen wärmeableitenden Kern umfasst, der zumindest teilweise von der Elektrodenbasis umgeben ist; Bedecken eines Zündendes mit einer dünnen Pulverbettschicht, die ein Material auf Edelmetallbasis enthält; Ausrichten eines Laser- oder eines Elektronenstrahls auf das Zündende, so dass er zumindest einen Teil der dünnen Pulverschicht schmilzt oder sintert; Wiederholen des Bedeckungs- und des Ausrichtungsschrittes für eine Vielzahl von Zyklen, so dass eine Elektrodenspitze mit einer Vielzahl von Laserabscheidungsschichten an der Elektrodenbasis gebildet wird und so dass eine thermische Kopplungszone zumindest teilweise zwischen der Elektrodenspitze und dem wärmeableitenden Kern gebildet wird, wobei die thermische Kopplungszone die Elektrodenspitze direkt thermisch mit dem wärmeableitenden Kern koppelt.
Additives Herstellungsverfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Bereitstellens ferner das Bereitstellen des Elektrodenkörpers umfasst, wobei die Elektrodenbasis durch den wärmeableitenden Kern hin durchgetrennt oder geschnitten wird, so dass ein Teil des wärmeableitenden Kerns an einem axialen Ende freigelegt wird.
Additives Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei der Schritt des Ausrichtens ferner das Ausrichten des Laser- oder Elektronenstrahls auf das Zündende und das Ansteuern des Laser- oder Elektronenstrahls gemäß einem ungleichmäßigen Energieprofil umfasst, das mehr Energie auf ein Zentrum des Zündendes und weniger Energie auf eine radial äußere Sektion des Zündendes konzentriert.