DE19600861C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Generierung von Formteilen auf Substraten mit einem Metall-Sprühstrahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung von Formteilen auf Substraten mit einem Metall-Sprühstrahl, bei welchem Metall verflüssigt und anschließend die Metall­ schmelze auf das Substrat versprüht wird sowie eine Vor­ richtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens mit einer Metallschmelzeinrichtung mit Austrittsdüse.

Ein derartiges Verfahren, das auch als Sprühkompaktieren bezeichnet wird, dient bisher zur Erzeugung metallener Roh­ körper, welche anschließend durch Walzen oder Strangpressen weiterverarbeitet werden. Dabei wird ein überhitzter, flüs­ siger Metallstrahl mittels eines Inertgases in feine Parti­ kel zersprüht, die anschließend in halberstarrtem Zustand mit hoher Geschwindigkeit kontinuierlich zu einem Substrat aufgebaut werden. Derart hergestellte Werkstücke zeichnen sich durch eine sehr hohe Reinheit, feines gleichmäßiges Korn und eine hohe Dichte aus.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der EP 0 541 327 A2 bekannt. Das metallische Beschichtungsmate­ rial wird dabei aus einem Behälter mit verflüssigtem Metall einer Düse zugeführt. Der Metallschmelzenstrom aus dem Be­ hälter erfolgt im wesentlichen durch Schwerkraft und wird durch ein Druckpolster in dem Behälter unterstützt bzw. ge­ regelt. Der Metallschmelzenstrom gelangt in eine Ringdüse, die mit Inertgas beaufschlagt ist und aus dem Metallschmel­ zenstrom ein Gas-Metall-Gemisch bildet. Die Lenkung dieses Metall-Sprühstrahls auf das zu beschichtende Substrat er­ folgt durch eine bewegliche, gelenkige Anordnung der Ring­ düse.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß sich der Sprühstrahl bei derartigen Verfahren noch sehr diffus gestaltet, so daß extreme partielle Beaufschlagungen, wie sie zur Erzeugung von Formteilen auf Substraten notwendig sind, nicht möglich sind. Außerdem erfordert der gegenwärtige Stand der Technik einen stationären Zustand an der Auftreffstelle, der durch die Partikeltemperatur, die Packungsdichte und die Parti­ kelgeschwindigkeit vorgegeben ist. Eine optimale Regelung dieser Parameter ist schwierig. Wäre eine bessere Regelung dieser Parameter möglich, könnte das Sprühkompaktieren auch zur direkten Herstellung von Formteilen über eine einseiti­ ge Urform einsetzbar sein. Hierzu wäre es allerdings erfor­ derlich, den Sprühstrahl den Formgeometrien und der momen­ tanen Auftreffsituation kontinuierlich anpassen und regeln zu können.

Neben der Metallverflüssigung ist es auch bekannt (z. B. aus EP 0 554 552 B1), Metall in einem Vakuumbehälter zu ver­ dampfen. Dabei wird das Beschichtungsmaterial von einer selbst verzehrenden Anode bereitgestellt, deren Material von den Elektronen einer zweiten Anode verdampft wird. Die Ablagerung des verdampften Beschichtungsmaterials wird über die Polarität der verschiedenen Stromquellen gesteuert. Eine solche Verdampfung ist jedoch gegenüber der Verflüssi­ gung mit Nachteilen behaftet. Bei den Verdampfungsverfahren liegt die Teilchengröße der verdampften Werkstoffe nämlich im Molekularbereich. Damit ist der Materialaufbau innerhalb gegebener Zeiteinheit äußerst begrenzt. Um homogene Form­ teile größerer Materialdicke zu generieren, kommen solche Verfahren daher nicht in Betracht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren so zu verbessern, daß der erzeugte Metall-Sprühstrahl den Formgeometrien des auffangenden Substrates und der momenta­ nen Auftreffsituation auf das Substrat kontinuierlich ange­ paßt und geregelt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs be­ zeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Me­ tallsprühstrahl vor der Leitung auf das Substrat zunächst ionisiert wird.

Es hat sich herausgestellt, daß es möglich ist, die Parti­ kel des Sprühstrahls durch die Ionisierung elektrisch zu laden, was es ermöglicht, diese Partikel gezielt zu be­ schleunigen, zu fokussieren und abzulenken, so daß sowohl die auf dem Substrat zu erreichende Packungsdichte als auch die Auftreffgeschwindigkeit geregelt einstellbar ist. Wei­ terhin läßt sich die Querschnittsgeometrie des Sprüh­ strahls, beispielsweise von kreisförmig bis elliptisch und/oder von großflächig bis extrem fokussiert verändern. Dadurch wird es möglich, mittels des Sprühkompaktierens auch vornehmlich dünnwandige Formteile über eine einseitige Urform direkt herzustellen.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Metall-Sprühstrahl vor der Ionisierung mit Ultra­ schall beaufschlagt wird. Durch die Ultraschallbeaufschla­ gung des Sprühstrahls ist es möglich, diesen in feine Par­ tikel zu versprühen, wodurch die Ionisierung verbessert wird. Grundsätzlich kann die Versprühung aber auch auf an­ dere Weise erfolgen.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Sprühstrahl zur Ionisierung quer zum Sprühstrahlweg mit Elektronen beschossen wird. Ein geeignet erzeugter Elektro­ nenstrahl wird dabei so fokussiert, daß er den Sprühstrahl kreuzt, so daß die Metallpartikel im Sprühstrahl durch den Elektronenbeschuß eine Ladungsänderung nach Minus, wenn Elektronen angereichert werden, bzw. nach Plus erfahren, wenn Elektronen entfernt werden.

Zur Beeinflussung der Auftreffgeschwindigkeit des Sprüh­ strahls auf das zu beschichtende Substrat ist vorgesehen, daß der ionisierte Sprühstrahl beschleunigt wird, wobei die Beschleunigung beispielsweise mittels eines gegenpoligen Wehnelt-Zylinders geregelt erfolgen kann.

Zur gezielten Lenkung des Sprühstrahles auf das Substrat ist vorgesehen, daß der ionisierte Sprühstrahl fokussiert und/oder abgelenkt wird, was aufgrund der Ionisierung der Sprühpartikel ohne weitere möglich ist. Der Sprühstrahl kann beispielsweise zwischen einer Kegelform und einer Fächergeometrie variiert werden.

Es ist vorgesehen, daß die Ionisierung unter Vakuum er­ folgt, wobei vorzugsweise die Elektronenstrahlerzeugung beispielsweise in einer Vakuumumgebung von 10^-4 mbar statt­ findet, während die Ionisierung des Sprühstrahles in einem Strahlvakuum mit etwa 10^-3 mbar erfolgt.

Zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens sieht die Er­ findung auch eine Vorrichtung mit einer Metallschmelzein­ richtung mit Austrittsdüse vor, die durch eine im Sprüh­ strahlweg angeordnete Ionisierungseinrichtung gekennzeich­ net ist.

Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, daß zwischen der Me­ tallschmelzeinrichtung und der Ionisierungseinrichtung ein Prallelement mit Ultraschallschwinger angeordnet ist. Die Prallplatte, die beispielsweise konkav ausgebildet sein kann, ist dann vorzugsweise geneigt zur Richtung des aus der Austrittsdüse der Metallschmelzeinrichtung austretenden Sprühstrahls angeordnet, so daß der auf das Prallelement auftreffende Sprühstrahl von diesem in Richtung der Ioni­ sierungseinrichtung abgelenkt wird.

Weiterhin ist vorgesehen, daß eine an die erste Vakuumkam­ mer angrenzende zweite Vakuumkammer vorgesehen ist, in wel­ cher sich der Sprühstrahl und der Elektronenstrahl kreuzen. Wird beispielsweise in der ersten Vakuumkammer zwischen der Anode und der Kathode eine Spannung von 60 kV angelegt, hat sich herausgestellt, daß in der ersten Vakuumkammer eine Vakuumumgebung von ca. 10^-4 mbar günstig ist, während dann vorteilhaft in der zweiten Vakuumkammer ein Strahlvakuum von etwa 10^-3 mbar einzustellen ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß stromabwärts der zweiten Vakuumkammer bzw. an deren Aus­ tritt eine Beschleunigungs- und/oder Ablenkeinrichtung für den Sprühstrahl angeordnet ist. Die Beschleunigungseinrich­ tung kann beispielsweise von einem gegenpoligen Wehnelt-Zy­ linder gebildet sein, während die Ablenkeinrichtung eine Fokussierlinse und ein Ablenksystem aufweisen kann.

Ferner ist es zweckmäßig, daß im Ausgangsbereich der Ab­ lenkeinrichtung eine dritte Vakuumkammer vorgesehen ist, in welcher eine Substrataufnahme angeordnet ist. Diese Sub­ strataufnahme kann beispielsweise von einem fünf- bzw. sechsachsigen Manipulator gebildet sein, mit dem der Sprüh­ strahl CNC-gesteuert sowohl im Bezug auf dessen Fokus als auch dessen horizontale Lage gezielt aufgefangen werden kann. Der Sprühvorgang erfolgt dabei vorzugsweise in einem Arbeitskammervakuum von ca. 10^-2 mbar.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Figur eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Generierung von Form­ teilen auf Substraten mit einem Metallsprühstrahl weist zu­ nächst eine beispielsweise als Tiegel ausgebildete Metall­ schmelzeinrichtung 1 auf, die beispielsweise induktiv be­ heizbar ist. Es läßt sich somit eine überhitzte Metall­ schmelze 2 bereitstellen, die vorzugsweise durch ein Druck­ polster aus komprimiertem Inertgas 3 vor der Atmosphäre ge­ schützt ist. Am Boden des Tiegels 1 ist eine Austrittsdüse, vorzugsweise eine Strahldüse 4, angeordnet, die durch eine verstellbare Düsennadel 4a regulierbar bzw. verschließbar ist.

Durch das Druckpolster 3 im Tiegel tritt bei geöffneter Po­ sition der Düsennadel 4a ein Metallsprühstrahl 5 aus, in dessen Weg stromabwärts ein Prallelement in Form einer z. B. konkav ausgebildeten Prallplatte 6 angeordnet ist, welche mit einem Ultraschallschwinger 7 verbunden und somit schwingungserregt ist. Die Prallplatte 6 ist dabei derart geneigt zum Weg des Sprühstrahls 5 angeordnet, daß der Sprühstrahl von der Prallplatte 6 abgelenkt wird, im darge­ stellten Ausführungsbeispiel senkrecht nach unten. Durch die Schwingungserregung der Prallplatte 6 wird der Sprüh­ strahl 5 schwingungserregt, wodurch sich ein feinpartikeli­ ger Sprühstrahl 8 bildet, der von der Prallplatte 6 senk­ recht nach unten weitergeleitet wird.

Stromabwärts der Prallplatte 6 weist die Vorrichtung eine allgemein mit 9 bezeichnete Ionisierungseinrichtung auf. Diese Ionisierungseinrichtung umfaßt zur Elektronenerzeu­ gung zunächst quer zum Sprühstrahlweg ein Triodensystem mit einer Kathode, vorzugsweise in Form einer Bandkathode 10 und einer Anode 12, die innerhalb einer ersten Vakuumkammer 14 mit einer Vakuumumgebung von vorzugsweise 10^-4 mbar ange­ ordnet sind. Innerhalb des Triodensystems emittiert dabei die Bandkathode 10, die durch eine Steuerelektrode 11 gere­ gelt ist, negativ geladene Elektronen, die durch die Anode 12 (vorzugsweise in Form eines Wehnelt-Zylinders) zu einem Elektronenstrahl 13 gebündelt und beschleunigt werden. Zwi­ schen der Anode und der Kathode ist dabei vorzugsweise eine Spannung von 60 kV angelegt, was die vorgenannte Vakuumum­ gebung von 10^-4 mbar erforderlich macht.

Die erste Vakuumkammer 14 ist bei Bedarf über einen Vakuum­ schieber 15 von einer zweiten Vakuumkammer 16 mit einem Strahlvakuum von etwa 10^-3 mbar getrennt. Durch diese zweite Vakuumkammer 16 tritt der feinpartikelige Sprühstrahl 8 hindurch und kreuzt sich mit dem Elektronenstrahl 13, und zwar in einem mit 18 bezeichneten Kreuzungspunkt. Dazu wird der Elektronenstrahl 13 vorzugsweise mittels einer Fokus­ sierlinse 17 gebündelt. Durch diesen Elektronenbeschuß er­ fahren die Metallpartikel des Sprühstrahls 8 eine Ladungs­ änderung nach Minus, wenn Elektronen angereichert werden, bzw. nach Plus, wenn Elektronen entfernt werden. Die Me­ tallpartikel werden somit ionisiert. Überschüssige Elektro­ nen können von einem Auffänger 19 absorbiert werden.

Stromabwärts des Kreuzungspunktes 18 ist eine Beschleuni­ gungseinrichtung in Form eines Wehnelt-Zylinders 20 für den ionisierten Sprühstrahl 8 vorgesehen, mittels derer der Sprühstrahl geregelt beschleunigt werden kann. Stromabwärts des Wehnelt-Zylinders 20 geht die zweite Vakuumkammer 16 in eine dritte Vakuumkammer 22 bzw. eine Arbeitskammer über, welche mittels eines Vakuumschiebers 21 voneinander ge­ trennt werden können.

In diesem Übergangsbereich zwischen der zweiten Vakuumkam­ mer 16 und der dritten Vakuumkammer 22 ist eine Ablenkein­ richtung für den Sprühstrahl vorgesehen, welche vorzugswei­ se von einer Fokussierlinse 23 und einem Ablenksystem 24 gebildet. Diese Ablenkeinrichtung 23, 24 fokussiert und formt den Sprühstrahl 8 zu einem Arbeitsstrahl 25, der zu­ sätzlich Ablenkungen erfahren kann, die mit 26 bezeichnet sind. Der Arbeitsstrahl 25 kann beispielsweise zwischen einer Kegelform und einer Fächergeometrie variiert werden.

In der Arbeitskammer 22, in welcher eine Arbeitskammer-Va­ kuumumgebung von etwa 10^-2 bar eingestellt ist, befindet sich eine Werkstück- bzw. Substrataufnahme, die vorzugswei­ se von einem Manipulator 29 gebildet ist, der eine Urform 27 aufnimmt. Der mehrfach geregelte Arbeitsstrahl 25 trifft gezielt auf die Oberfläche der Urform 27 auf und generiert dort ein Werkstück 28. Der Arbeitsstrahl 25 kann mittels des fünf- bzw. sechsachsigen Manipulators 29 CNC-gesteuert sowohl in Bezug auf dessen Fokus als auch dessen horizonta­ le Lage gezielt aufgefangen werden. Das fertige Werkstück kann durch eine Arbeitskammertür 30 aus der Arbeitskammer 22 entnommen werden.

Die verschiedenen Vakuumumgebungen können durch geeignete Einrichtungen zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise durch Wälzkolbenpumpen oder dergl.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf das dargestellte Aus­ führungsbeispiel beschränkt. Weitere Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Grundgedanken zu verlassen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Generierung von Formteilen auf Substraten mit einem Metall-Sprühstrahl, bei welchem Metall verflüssigt und anschließend die Metallschmelze auf das Substrat ver­ sprüht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Metall-Sprühstrahl vor der Leitung auf das Substrat ionisiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metall-Sprühstrahl vor der Ionisierung mit Ultra­ schall beaufschlagt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sprühstrahl zur Ionisierung quer zum Sprühstrahlweg mit Elektronen beschossen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ionisierte Sprühstrahl beschleunigt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der ionisierte Sprühstrahl fokussiert und/oder abge­ lenkt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisierung unter Vakuum erfolgt.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Metall­ schmelzeinrichtung mit Austrittsdüse gekennzeichnet durch eine im Sprühstrahlweg (5) angeordnete Ionisierungseinrich­ tung (9).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Metallschmelzeinrichtung (1) und der Ioni­ sierungseinrichtung (9) ein Prallelement (6) mit Ultra­ schallschwinger (7) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine an die erste Vakuumkammer (14) angrenzende zweite Vakuumkammer (16) vorgesehen ist, in welcher sich der Sprühstrahl (8) und der Elektronenstrahl (13) kreuzen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangsbereich der zweiten Vakuumkammer (16) eine Beschleunigungs- (20) und/oder Ablenkeinrichtung (23, 24) für den Sprühstrahl (8) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts der Ablenkeinrichtung (24) eine dritte Vakuumkammer (22) vorgesehen ist, in welcher eine Substrat­ aufnahme (29) angeordnet ist.