DE1936592A1

DE1936592A1 - Verfahren zur Herstellung eines Koerpers aus schweissbarem Material

Info

Publication number: DE1936592A1
Application number: DE19691936592
Authority: DE
Inventors: Parker John C
Original assignee: PARKER JOHN C
Current assignee: PARKER JOHN C
Priority date: 1968-07-19
Filing date: 1969-07-18
Publication date: 1970-01-22
Also published as: GB1243706A; US3567903A; FR2013286A1

Description

Fr 1?34

John C. Parker, Michigan /U.S.A.

Verfahren zur Herstellung eines Körpers aus schweißbarem Material

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung von Partikeln zu einer integrierten Masse von beeinflußbarer Form.

Es ist bekannt, Metallpartikel verschiedener Zusam- : mensetzungen, Größen und Formen zu einer integrierten Masse von gewünschter Form durch mechanisches Verdichten.der Partikel, mit oder ohne Zusätzen, wie zum Beispiel Schmierflüssigkeit zur Steigerung der Verdichtung oder Bindemittel zur Erhaltung der Form, zu einem. Roh-preis 1 In^ au sintern. Der Roh-preii ling wird dann auf Tempera türen erhitzt, die allgemein in einem Bereich von *2/3 bis 4/5 des absoluten Schmelzpunktes des Metalles liegen, so daß die Partikel zu einer integrierten Masse verbunden werden.

Diese Sinterprbzesse können ohne eine Flüssigkeitsphase ausgeführt werden, insbesondere dann* wenn alle Partikel aus Materialien mit gleichen Schmelztemperaturen ■ sind; oder sie können mit vorhandener Flüssigkeitsphase durchgeführt werden, wenn beispielsweise ein Material ei- · ner Partikelmi'schung im Verhältnis zu den anderen Materialien ei-ri©'niedrige Schmelztemperatur besitzt. Es wur-

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BAD ORiGiNAI.

den verschiedene Verfahren zur Erhitzung des Rohfprefilings angewandt, einschließlieh der Widerstandserwärmung, wobei Gleich- oder Wechselstrom durch den Preßling geleitet wird^ damit seine Temperatur bis zum Sinterbereich ansteigt.

Der Erfindung liegt die .Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Verbindung von Partikeln, mit anderen Körpern zu verbessern, insbesondere die Arbeitsverfahren und die Vorrichtung zu vereinfachen, die zur Verbindung der Partikel benötigt werden.

Eine andere Aufgabe ist es, die Qualität der Produkte zu verbessern, die aus den miteinander verbundenen Partikelkörpern gebildet werden,

Schließlich ist es Aufgabe der Erfindinig,. eine große Gruppe von in feinverteilter Form befindlichen Materialien zu verbinden, ohne diese Materialien Sintertemperaturen auszusetzen.

Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß zunächst Partikel schweißbaren Materials angehäuft werden, daß dann auf einen Bereich dieser angehäuften Partikel eine Druckkraft ausgeübt wird und daß dieser zusammengedrückten Partikelmasse ein elektrischer Energieimpuls kurzer Seitdauer zugeführt wird. Energie impulse kurzer Dauer (es werden entweder einzelne Impulse oder wenige aufeinanderfolgende Impulse kurz zugeführt, beispielsweise ein einzelner Impuls von einer Millisekunde Dauer) werden benutzt, um die Partikel miteinander oder mit Folien, Membranen oder Fäden aus schweißbarem Material zu verbinden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus .der 909884/1334

folgenden Beschreibung einiger in der Zeichnung yeranschaulichter Ausführungsbeispiele hervor,. Es'zeigen

Fig.1 _ein Fließbild des erfindungsgemäßen Verfahrens; '

Fig.2 eine schemetische Darstellung einer Vorrich-

"'. tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen : Verfahrens· ...

. J¹Ig. Ja und 3b Kurven von typischen Einzeln und Dop- --" pelimpulsprogrammen -mit Druck und elektrischem· Steuersignal sowie angewandten. Druckimpulsen in Abhängigkeit von der Zeit;_x

Pig. 4- bis 6 Mikrophotographien'von Querschnitten

von typischen integrierten Körpern, die'nach . ■' ■ " dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind»

Wie in Figur 1 veranschaulicht, betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verbindung fein verteilter Partikel schweißbaren Materials zu einem-einstückigen Körper, dessen Dichte von den Drücken abhängt, die während der Verbindung angewandt werden. Der Prozeß benutzt die .gleichzeitige¹ Anwendung von einem oder mehreren elektrischen Impulsen ,hoher Energie synchron.mit Druckimpulsen bei einem aus fein verteilten Partikeln bestehenden'Körper "11, der zwischen zwei öder_mehr. Druckstempeln 12 und 13 gehalten wird, durch die Druck ausgeübt und - wie in diesem Beispiel - elektrische Energie zugeführt wird. Die durch Reduktion von' Oxyden, Elektrolyse, Atomisierung oder mechanischef'Pulverisierung hergestellten Partikel können einen weiten Großenbereich'ab 0,5 Mikron Durchmesser aufweisen und von gleichförmiger Große sein, sie können gemischte* Größe aufweisen oder nach ihrer Große geschichtet sein.

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6AD OBiGlNAL

-V- ν' .

Die Veränderungen in den Parametern bestimmen in einem gewissen Bereich die physikalischen "Eigenschaften, .insbesondere die Dichte des endgültigen einstückigen Körpers. Kristallpartikel von eckiger oder Flockenform können ebenfalls miteinander verbunden oder mit pulverförmiger!-.-., Partikeln vermischt und verbunden werden. Auch Blätter, Stäbe, Fasern und Fäden können mit pulver- oder kristallförmigen Partikeln verbunden werden, und zwar sowohl inner halb der aus den Partikeln entwickelten Grundmasse (Matrix Gefüge) als auch als Schicht auf dieser Grundmasse. Die An ordnung in Figur 2*enthält eine obere und untere äußere Schicht 14". und 15, die auf die äußeren- Flächen der Partikelmasse aufgebracht werden. . -

Wie beim Schweißen können Metallmischungen durch dieses Verfahren verbunden werden und nicht-metallische, schweißbare Materialien können miteinander und mit Metallen verbunden v/erden. Werden Fasern oder Drähte in der Grundmasse eingeschlossen,'so können diese vorgespannt und so geordnet werden, daß sie eine optimale Festigkeit' für das endgültige Produkt entwickeln. Eine Partikelmasse kann auf einem Druckstempel angehäuft werden, woToei keine andere äußere Kraft ausgeübt wird außer den Vektorkräften innerhalb" der Partikel Ordnung des Materials oder den durch die Form des Stempels entwickelten Kräften. Es wird jedoch ein Arbeitsverfahren bevorzugt, bei dem ein . seitlicher Zwang von einem Formteil .oder einem Hohlraum wie dem Spaltring 16 vorgesehen wird, in die wenigstens ein Elektrodensterrp^l für eine Relativbewegung entlang der Druckachse dicht hineinpaßt. Ein Führungskörper 17 hält den Ring 16 in seiner Lage und nimmt den Stempel 13 bei der hin- und hergehenden Bewegung auf.

Die Druckstempel 12 und 13 in Figur 2 sind auch die ' 9 0 9 8 8 A / 1 3 3 A

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Elektroden,die die elektrischen Impulse an die Partikel— masse 11 weiterleiten. Ein elektrischer Nebenschluß zur Masse 11 für die Impulse wird durch Isolieren des Ringes 16 vermieden, etwa dadurch, daß er aus einem Isolationsmaterial, wie Teflon hergestellt wird. .._ . -

Der einen Zwang ausübende lTorETte.il oder Hohlraumwird vorteilhaft entlüftet, wodurch ein sich beim yerbindungsvorgang bildendes Gas- entweichen kann. Solche Gase können seitlich durch den nicht dargestellten Spalt des Ringes 16 abgezogen werden, wobei nur ein geringer oder überhaupt kein Partikel st roiii. in den. Ventilator gelangt»

Der obere Druckster.pei 12 ist in der dargestellten Ausführungsform fest angeordnet. Der untere Druckstempel ist durch einen nicht gezeigten Kalben und Zylinder entlang einem Weg zum oberen Stempel hin bewegbar, wobei der KoI--ben und der Zylinder eine Verriegelungseinrichtung aufweisen, um das anfänglich zusammengedrückte Werkstück fest "-zuhalten.. Der Kraftmechanismus 18 schließt ebenfalls einen auf den unteren Stempel wirkenden Druckumformer ein, der sich der Anfangskraft überlagert. Diese zweite angewandte Kraft kann derart sein, daß der Partikellccrper zusammengedrückt wird, wodurch er vor der Anwendung von pulsierender elektromagnetischer Energie verbunden wird. Diese zweite Kraft kann ferner in einer Einrichtung der Art erzeugt werden, wie sie in der US-PS 3.059.094 beschrieben ist. Wenn die elektrische Energie die Druckstempel 12 und 13 impulsweise durchsetzt hat, wird ein Druckimpuls durch-den Druckumformer des Kraftmechanismus 18 der genannten US-PS ausgeübt. . ",.■■-"■

In der Praxis wurden pneumatisch entwickelte Drücke von etwa 210 kg/cm angewandt. Der Druek muß jedoch, nicht

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in diesem Bereich liegen, sondern ist in einea weiten Bereich veränderbar. Die darauf vom Bruckumfarmer überlager-

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ten Drücke können einen Scheitelwert von etwa 1.4-00 kg/cm besitzen, wobei er eine Wellenform enthält, wie sie bei A in den Kurven der Figur 3 veranschaulicht ist. Der wirklich auf den Körper ausgeübte, verdichtende Druck wird jedoch — wie angenommen wird - erheblich niedriger sein als ·■ die Summe dieser Drücke, da der elektrische Energieimpuls in den Elektrodensteapeln 12 und 13 zwischen"diesen eine abstoßende Kraft von. unbestimmtem tyert. entwickelt. Die Partikel können sich selbst unter dem Einfluß der elektrischen, magnetischen und/oder elektromagnetischen Felder in der Partikelmasse umlenken, wodurch sie sich dichter aneinanderlegen und sich schließlich zu einer einheitlichen Masse verbinden. Es können thermische und chemische Veränderungen auftreten, wie zum Beispiel durch den Bruch der Oberflächenschicht auf den Partikeln;; die Produkte eir.es solchen Bruches können: rlabei ausgestoßen werden. Es wird daher angenommen, daß die maximal err, auf die Partikel ausgeübten Drücke wesentlich kleiner sind als die durch den Druckumformer erzeugten Scheitelwerte, da in den: Verfahren ein Übergewicht des Druckes, wie er sieh gegenüber einer relativ unnachgiebigen Heßeinrichtung entwickelt, hat ,: angewandt wird, um die abstoßende Kraft zu überwinden und das Schrumpfen der bearbeiteten Masse zu -^: berücksichtigen. · '--. \:

Figur 3 veranschaulicht die Wellenform.' einer verwendeten elektrischen. Steuerspannung. Sie wurde in der Sekundärwicklung 19 eines Schweißtransformators 21 und mit einer Primärwicklung 22 entwickelt·. Letztere ist durch einen elektronischen: Schalter 24 mit einer Spannungsquelle 23 verbunden, wobei der Schalter 24· in zeitlicher Relation zum Druck vom. Druckumformer des Kraftmechanismus 18 durch ein Prozeß—Steuergerät 25 gesteuert y/ird. Ausge-

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zeichnete Verbindungen wurden mit Einzelimpulsen von etwa 2.000 Joule/on? des zu verbindenden Materials hergestellt, die in Intervallen von 1.000 Hikrosekunden angewandt wurden. -.

' Aus Figur 3 ist zu ersehen," daß das Eingangs-Stufen-Signal., das vom Leistungsschalter (Kraft^chalter oder -ventil) 26 zum Impuls-Umformer des Kraftmechanismus 18 zugeführt wird,- etwa 90° gegenüber dem Verbindungs-Impuls voreilt, der vom. elektronischen Schalte':- 24 dem.Verbin— dungs- bzw. Schweißtransformator 21 zugeführt wird un&. für etwa 120° oder etwa 5,5 Millisekunden bestehen bleibt. Hierdurch ergibt sich eir.e Druckwellenform, deren Scheitelpun-kt bei et..a 155° nach der Einleitung des Brucksignals lieft; das Frazeß-Steuergerät 25 regelt die Zeit des Verbindungs-Leistungsschalters, so daß die Kraft als eine Stufenfunktion etwa 90° oder 4,1 Killisekuncen nach Einleitung der- Druckkraft Aveitergeleitet wird. Diese Kraft wird etwa-1.000 Mikrosekunden aufrechterhalten.

. Es wurde die Theorie aufgestellt, daß bei dem Verbindungs-Mechanismus elektrostatische oder elektromagnetische Kräfte eine Rolle spielen, die auf die bzw. längs der Partikelzwischenflächen in ausreichender Größenordnung wirken, so daß sie eine Diffusion der itome bewirken, wodurch atomare Verbindungen auf den bzw. längs der Zwischenflächen als eine Feststoffbindung hergestellt werden. Der Energieimpuls ist also von einer derart kurzen Dauer, daß ein unerwünschtes Schmelzen der zusammengesetzter. Struk- ' tür vermieden wird und kein bedeutender Temperaturanstieg in der integrierten Masse beobachtet wird. Es wird vorgeschlagen, die angewandte Energie auf den Partikeloberflächen zu konzentrieren, da die innere Struktur der Partikel einen niedrigen elektrischen V,^riderstand, verglichen mit dem Widerstand an den bzw. längs der Zwitchenflächen auf-.

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weist.

Die Energie kann - wie in Figur 3 dargestellt - die Form ,eines-einzelnen Impulses oder einer Mehrzahl von Impulse aufweisen, die eine einzige Polarität oder eine abwechselnde Polarität besitzen können. Wenn ferner die Druckimpulse so dicht sind, daß das induzierte magnetische Feld zwischen den Impulsen nicht verschwindet, kann sich ein Aufbauen von Kräften ergeben, wenn eine Mehrfach-Impulsgabe erfolgt. Es kann daher ein gewisser Zeitabstand zwischen den verschiedenen Impulsen vorgesehen werden, damit gleichmäßige Druckbeanspruchungen gewährleistet werden.

Die Form an der Elektrode bestimmt die Energieverteilung in dem Körper der zu verbindenden Partikel. Ist daher Energie auf eine kr'ei-srunde Scheibe zuzuführen, deren Umfängst)er-eich dicker ist als deren Mitte, so wird'die Elektrodenstruktur ira Um; angsbereich massiver sein als im mittleren Bereich. In einem solchen Fall ist die Elektrode konkav, damit sie mit der endgültigen Form des 'zu verbindenden Teiles über eins tiiimt; die verdünnte Zone ist mit einem nicht-leitenden Ka te rial, hinterlegt,: das die erf orderliche Auflage für die Anwendung von. .Druckkräften ergibt, während sie die Stromdichte in dem Bereich verringert. Änderungen im, spezifischen ''/iderstand der angesammelten" Partikel, infolge von Veränderungen in. der Körperform- oder . der Partikel eines Bereiches, des Körpers, können bei der Verbindung dadurch berücksichtigt werden, daß an der Berührungsfläche zwischen Elektrode und Partikelmasse Stromdicircen angewandt werder, die in umgekehrtem Verhältnis · zum spezifischen Widerstand der darunterliegenden .Materialmasse stehen. In einem. Drucksteir/p.el kann eine Reihe von Riffeln angewendet werden, um größere Druckkräfte in dem mit den Riffeln zusammentreffenden Partikelkörper her-

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vorzurufen, wodurch die Zone des größten-Druckes mit der größten Dichte verbunden wird, während die Zone des kleinsten Druckes dazu neigt, poröse innere Passagen und Kanäle zu bilden. *

Ein verbundener Körper mit den Charakteristiken eines thermisch gesinterten Körpers aus reinem Eisen, wurde-aus reinem elektrolytischen Eisenpulver hergestellt. Das Pulver wurde in einem gespaltenen Teflonring 16 angeordnet und zwischen parallelen, planaren Oberflächen von einheitlichen Elektroden-Stempeln aus elektrölytisehem Kupfer zusammengedrückt. Die pneumatische Hebevorrichtung vom-Kraftmechanismus 18 wurde betätigt, so daß der untere Elektrodenstempel angehoben wurde und etwa 210 kg/cm 'auf den Pulverkörper wirken. Verbindung wurde zu der in Figur 4 dargestellten Form durch die Anwendung von etwa 2.000 Jaule/cm in einem Einzelimpuls von 1.000 Mikrosekunden vervollständigt; der Druckschalter wurde 4,2 Millisekunden vor der Anwendung von elektrischer Energie an- und etwa 0,5 Millisekunden vor Beendigung dieser Ener gieanwendung ausgeschaltet,,

Die Mikrophotographie der Figur 4 zeigt ein poliertes Musterstück in vierhundertfacher Vergrößerung. Man kann erkennen-, daß gleichmäßig über dem Körper verteilt ^ Verbindungen hergestellt sind, während die Pulverpartikel ihre Identität beibehalten. Die Musterstücke, vcn denen die Mikrophotographie gemacht wurde, waren Pellets von -. 6,35 mm Durchmesser und ungefähr T,6. mm Dicke.

Figur 5 ist eine Mikrophotographie eines Musterstük-. kes von elektrölytischem Eisenpulver, das mit einer Folie 2? aus Stahl verbunden ist. Ss zeigt die Yr rb in au:. ^: svi-. sahen der Folie und der integrierten.Kasse des re stunde-~ nen Pulvers 23 als eine einheitliche" itruktur, I -5k;': -anen oder Folien» beispielsweise aus 5itaR :-c---r Stahl in La-'-■ -■-;· ■■' --., S09S84/13 34 ■ ■' V

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minatform oder als äußere Haut, können in den nach, diesem Verfahren herstellbaren Körper geformt werden.

Figur 6 ist eine Mikrophotographie eines Musterstiikkes aus elektrolytischem Bisenpulver, in das G-lasfasern eingebettet sind. Durch eine zwischen der Grundmasse 3.1 des verbundenen Pulvers und den Pasern hergestellte feste mechanische Verbindung wirken die Fasern als Verstärkung. Titanpulver kann durch das erfindungsgemäße Verfahren in einer Masse mit Borfäden als Verstärkung verbunden werden; es wird eine Verbindung zwischen der Grundmasse und den Fäden erzielt.

Ändere Ausführungsarten des Produktes dieses Verfahrens sind eine Grundmasse vor. verbundenen, schweißbaren Partikeln, in die ein Geflecht oder Gewebe, aus Draht oder Glas eingebettet ist; oder feste Gebilde, wie zum Beispiel ummantelte Stangen, Griffe, Stützen und Einsatzstükke; oder metallisierte Keramik- oder Oxydpartikel. Außerdem können Kombinationen von Häuten und inneren Schäden mit den verbundenen Partikeln der Grundmasse hergestellt werden.

Veränderungen des Verfahrens' zur Bildung von Körpern aus Partikelmassen, die einen korrelierten Druck und elektrische Impulse von hoher Energie und kurzer Dauer . ■ benutzen, umfassen die Anwendung des Verfahrens in speziellen Umgebungen, wie zum Beispiel· in einem Vakuum oder in einer inerter.,. reduzierenden, aufkellender: oder entkph-1enden Atmosphäre, -

V"o erweiterte"'Ecrpsrf driver;-"herzustellen sind., kann ier Prozeß cei Zuiiahne des Katerials in ein-ic gleiehnäs»- si_:-ei; *.*or.j*axg dur-?hgeführt sr~rc.~,.^ osi ,er/, die "erfcirjduKg

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zu vorher verbundenen Körperteilen während der Verbindung der Partikel ausgeführt wird.

Die erläuterten Beispiele des Verfahrens haben nicht die Veränderunger: veranschaulicht, die für unregelmäßig geformte Produkte irr. Detail notwendig" sind. Es versteht sich, daß eine Vielzanl von Druckstempei angewendet werden kann, um die Verdichtung zu verändern, cie auf die verschiedenen Teile des verbund er.en }". ".*;. ers ausgeübt wird, ■und daß diese Drücke entlang .Achsen gericht c?t sein können, die-parallel od-er winklig zueinander lieger.. Weiterhin können einer oder mehrere der Drucksterr.pel vor. der angewandten elektrischen Energie isoliert sein oder die Elektroden zur Anwendung der Energie können getrennt von allen Stempeln angeordnet sein, so daß die Strombahnen nicht parallel zu der Achse zu liegen brauchern, entlang der der Druck aufgewandt wird. -Ms wurde eine Kombination veranschaulicht, bei der dem pneumatischen Druck ein von einem Druckumformer erzeugter Druck folgte. Ebenso können andere Druckquellen verwendet werden, wenn ihre Druekimpulse mit den elektrischen Impulsen während der Verbindung synchronisiert wer-., den können, beispielsweise können hydraulische Erreger oder Explosionsvorriohtungen als Kraftmechanismus 18 ver-' wendet werden.

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Claims

Patentansprüche

1.) Verfahren zur Herstellung eines Körpers aus schweißbarem Material, dadurch g e k e η η z e i c h η e t , daß zunächst Partikel schweißbaren Materials angehäuft werden, daß dann auf einen Bereich dieser angehäuften Partikel eine Druckkraft ausgeübt wird und daß dieser zusammengedrückten Partikelmasse ein elektrischer Energieimpuls kurzer Zeitdauer zugeführt wird.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß zur Formgebung des Körpers die angehäuften Partikel während der· Ausübung von Druckkraft und Anwendung der elektrischen Energie in einer, vorgegebenen Form gehalten werden.

3.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer des Impulses in der Größenord'nung von einer Millisekunde liegt.

4.) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Impuls in der Größenordnung von 1.830 Joule/ em des Körpervolumens liegt. . ■

5.) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energie . als Einzelimpuls züge- '. führt wird. ■■

6.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkraft ihren Scheitelwert innerhalb einer Millisekunde nach dem Scheitelwert des elektrischen Energieimpulses erreicht.

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7.) Verfahren nach Anspruch 1_r dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame Elektrode zur Ausübung äer Druckkraft und der elektrischen Energie auf die angehäuften Partikel vorgesehen ist.

8.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine schweißbare Matsrialbahn in Berührung mit den angehäuften Partikeln gehalten wird, wodurch die Materialbahn mit der vereinigten Partikelmasse verbunden wird. ■ - ·

9.) Verfahren nach Anspruc-h 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Körpers aus angehäuften Partikeln eine Fadenstruktur vorgesehen wird und dadurch in diese verbundene Partikelmasse eingebettet wird.

10.) Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichne~t, daß die Fadenstruktur aus ein ein mit dem Material der Partikel verschweißbaren Material besteht und dadurch in eine Grundmasse der vereinigten Partikel eingebunden wird.

11.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Stromdichte der elektrischen Energie, die längs der Oberflächenzone der angehäuften Partikel als Funktion des spezifischen Widerstandes der angehäuften Partikel verteilt ist, in Übereinstimmung mit diesen Oberflächenzonen steuert.

12.) Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß d ie genannte Funktion in einem umgekehrten Verhältnis besteht.

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13.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine νorbestimmte Oberflächenzone der der Druckkraft ausgesetzten angehäuften Partikel eine größere Druckkraft ausgeübt wird als auf andere der Druckkraft ausgesetzte Zonen, wodurch die verbundene Masse in Übereinstimmung mit dtr. vorbestimmten Oberflächenzone entlang der Druckkraftach.se eine größere Lichte besitzt als die verbundene Masse in Übereinstimmung rni-t den anderen Zonen entlang der Druckkraftachse.

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