DE212022000192U1

DE212022000192U1 - Zündkerzenelektrode

Info

Publication number: DE212022000192U1
Application number: DE212022000192.3U
Authority: DE
Original assignee: Federal Mogul Ignition GmbH
Current assignee: Federal Mogul Ignition GmbH
Priority date: 2021-05-04
Filing date: 2022-05-04
Publication date: 2024-02-20
Anticipated expiration: 2032-05-05
Also published as: CN221150545U; US20240063610A1; US20220360053A1; WO2022234492A1; US11870222B2

Abstract

Eine Zündkerzenelektrode (12, 18, 112, 112', 112", 118), die Folgendes aufweist:
eine Elektrodenbasis (30, 30', 30", 42", 130, 130', 142);
eine Elektrodenspitze (32, 32', 32", 40, 40', 40", 132, 132', 132", 140), die auf der Elektrodenbasis ausgebildet ist und ein Material auf Edelmetallbasis und eine Vielzahl von Laserabscheidungsschichten (50, 52, 54, 56, 58, 60) aufweist, wobei die Laserabscheidungsschichten übereinander gestapelt sind; und
eine Zwischenschicht (34, 34', 34", 44', 44", 134, 134', 134", 144), die sich zwischen der Elektrodenbasis und der Elektrodenspitze befindet, wobei die Zwischenschicht einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) aufweist, der zwischen dem der Elektrodenbasis und der Elektrodenspitze liegt.

Description

VERWANDTE ANWENDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Vorteile der US-Vorläufigen Anmeldung Nr. 63/183,762 , die am 4. Mai 2021 eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen wird.
GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Zündkerzen und andere Zündvorrichtungen und insbesondere auf Zündkerzenelektroden und andere Komponenten, die mit Hilfe additiver 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 mehreren Elektroden entsteht. Die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches durch den Funken löst eine Verbrennungsreaktion im 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 zu einer Erosion und/oder Korrosion der Elektroden beitragen, was die Leistung der Zündkerze im Laufe der Zeit negativ beeinflussen kann.
Um die 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. 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 am gesamten Elektrodenkörper selbst.
Für die Befestigung einer Edelmetall-Elektrodenspitze an einem Elektrodenkörper wurden verschiedene Verbindungstechniken, wie z. B. Widerstands- und Laserschweißen, eingesetzt. Wenn jedoch eine Edelmetall-Elektrodenspitze mit einem Elektrodenkörper, z. B. einem Körper aus einer Nickellegierung, verbunden wird, kann es während des Betriebs aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Materialien (z. B. unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, unterschiedliche Schmelztemperaturen usw.) zu erheblichen thermischen und/oder anderen Spannungen an der Verbindung kommen. Diese Spannungen wiederum können unerwünschterweise zu Rissen oder anderen Schäden am Elektrodenkörper, an der Elektrodenspitze, an der Verbindungsstelle zwischen den beiden Komponenten oder einer Kombination davon führen.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Zündkerzenelektrode bereitgestellt, die Folgendes aufweist: eine Elektrodenbasis bzw. ein Elektrodensockel oder -fuß; eine Elektrodenspitze, die auf der Elektrodenbasis ausgebildet ist und ein Material auf Edelmetallbasis und eine Vielzahl von Laserabscheidungsschichten aufweist, wobei die Laserabscheidungsschichten übereinander gestapelt sind; und eine Zwischenschicht, die sich zwischen der Elektrodenbasis und der Elektrodenspitze befindet, wobei die Zwischenschicht einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) aufweist, der zwischen dem der Elektrodenbasis und der Elektrodenspitze liegt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Zündkerzenelektrode eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen, entweder einzeln oder in einer beliebigen technisch machbaren Kombination:

- die Zündkerzenelektrode eine Mittelelektrode ist und ferner einen Elektrodenkörper aufweist, der Elektrodensockel ein integraler Bestandteil des Elektrodenkörpers ist, so dass keine harte Grenze zwischen dem Elektrodensockel und dem Elektrodenkörper besteht, die Zwischenschicht und die Elektrodenspitze auf dem Elektrodensockel durch additive Fertigung gebildet werden, so dass eine verschmolzene Grenze zwischen der Elektrodenspitze und dem Elektrodensockel besteht, und die Zündkerzenelektrode keine Schweißverbindung zwischen im Wesentlichen ungleichen Materialien aufweist;
- die Zündkerzenelektrode eine Mittelelektrode ist und ferner einen Elektrodenkörper aufweist, der Elektrodensockel ein vom Elektrodenkörper getrenntes Bauteil ist und mit dem Elektrodenkörper so verschweißt ist, dass eine harte Grenze zwischen dem Elektrodensockel und dem Elektrodenkörper besteht, die Zwischenschicht und die Elektrodenspitze auf dem Elektrodensockel durch additive Fertigung so geformt sind, dass eine verschmolzene Grenze zwischen der Elektrodenspitze und dem Elektrodensockel besteht, und die Zündkerzenelektrode keine Schweißverbindung zwischen im Wesentlichen ungleichen Materialien aufweist;
- die Zündkerzenelektrode eine Masseelektrode ist und ferner einen Elektrodenkörper aufweist, der Elektrodensockel ein integraler Bestandteil des Elektrodenkörpers ist, so dass keine harte Grenze zwischen dem Elektrodensockel und dem Elektrodenkörper besteht, die Zwischenschicht und die Elektrodenspitze auf dem Elektrodensockel durch additive Fertigung gebildet werden, so dass eine verschmolzene Grenze zwischen der Elektrodenspitze und dem Elektrodensockel besteht, und die Zündkerzenelektrode keine Schweißverbindung zwischen im Wesentlichen ungleichen Materialien aufweist;
- die Zündkerzenelektrode eine Masseelektrode ist und ferner einen Elektrodenkörper mit einem Loch aufweist, die Elektrodenbasis, die Elektrodenspitze und die Zwischenschicht Teil einer vorgefertigten Masseelektrodenspitzenbaugruppe sind, die in dem Loch angebracht ist, die Elektrodenbasis ein vom Elektrodenkörper getrenntes Bauteil ist und mit dem Elektrodenkörper so verschweißt ist, dass eine harte Grenze zwischen der Elektrodenbasis und dem Elektrodenkörper besteht, die Zwischenschicht und die Elektrodenspitze auf der Elektrodenbasis durch additive Fertigung gebildet werden, so dass eine verschmolzene Grenze zwischen der Elektrodenspitze und der Elektrodenbasis besteht, und die Zündkerzenelektrode keine Schweißverbindung zwischen im Wesentlichen ungleichen Materialien aufweist;
- das Material auf Edelmetallbasis ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:
- einem Material auf Iridiumbasis mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der zwischen 6×10^-6 m/mK und 7×10^-6 m/mK liegt, und einer Schmelztemperatur, die zwischen 2.400° C und 2.500° C liegt, oder
- einem Material auf Platinbasis mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der zwischen 8×10^-6 m/mK und 10×10^-6 m/mK liegt, und einer Schmelztemperatur, die zwischen 1.700° C und 1.800° C liegt;
- die mehreren Laserabscheidungsschichten eine durchschnittliche Schichtdicke Y zwischen 20 µm und 100 µm haben und die Elektrodenspitze eine Elektrodenspitzenhöhe X zwischen 0,1 mm und 1,0 mm hat;
- die Elektrodenspitze eine Vielzahl von Tälern und eine Vielzahl von Spitzen aufweist, die sich an einer oder mehreren verschmolzenen Grenzen zwischen Laserabscheidungsschichten befinden,
- eine durchschnittliche Zwischenschichtfläche der einen oder mehreren miteinander verschmolzenen Grenzflächen größer oder gleich 1,8 x eine Fläche der Elektrodenbasis ist, bevor die Elektrodenspitze gebildet wurde, wenn die Elektrodenbasis vollkommen flach war;
- die Zwischenschicht eine ganzflächige Verbindung zwischen der Elektrodenbasis und der Elektrodenspitze aufweist, wobei sich in der ganzflächigen Verbindung mindestens ein Teil des verfestigten Materials der Elektrodenbasis mit mindestens einem Teil des verfestigten Materials der Elektrodenspitze vermischt und/oder vermischt hat;
- die ganzflächige Verbindung deckt zumindest den größten Teil eines Bereichs oder einer Grundfläche ab, in dem die Elektrodenspitze mit der Elektrodenbasis verbunden ist;
- die gesamte Flächenverbindung ist ungleichmäßig dick, so dass sie in einem Abschnitt dicker ist als in einem anderen Abschnitt;
- die ganzflächige Verbindung hat eine linsenförmige Form und weist einen mittleren Abschnitt und einen radial außen liegenden Abschnitt auf, der mittlere Abschnitt ist in einer axialen Abmessung dicker als der radial außen liegende Abschnitt und befindet sich in Richtung einer Mitte der ganzflächigen Verbindung;
- die ganzflächige Verbindung hat eine ungleichmäßige Form und weist einen ersten Außenabschnitt und einen zweiten Außenabschnitt auf, der erste Außenabschnitt befindet sich auf einer ersten Seite der ganzflächigen Verbindung und ist in einer axialen Dimension dicker als der zweite Außenabschnitt, der sich auf einer zweiten Seite der ganzflächigen Verbindung befindet,
- die Elektrodenspitze mindestens ein erstes Segment und ein zweites Segment aufweist, das erste Segment in Richtung eines Zentrums der Elektrodenspitze angeordnet ist und eine erste Vielzahl von Laserabscheidungsschichten aufweist, das zweite Segment radial außerhalb des ersten Segments angeordnet ist und eine zweite Vielzahl von Laserabscheidungsschichten aufweist, das zweite Segment konzentrisch zu dem ersten Segment ist;
- das erste Segment, das sich zur Mitte der Elektrodenspitze hin befindet, ein erstes Material auf Edelmetallbasis enthält und das zweite Segment, das sich radial außerhalb des ersten Segments befindet, ein zweites Material auf Edelmetallbasis enthält, wobei sich das erste Material auf Edelmetallbasis von dem zweiten Material auf Edelmetallbasis unterscheidet;
- Die Zwischenschicht und die Elektrodenspitze werden durch additive Fertigung hergestellt, bei der ein Pulverbettschmelzverfahren verwendet wird, um Pulver auf Edelmetallbasis mit einem Laser- oder Elektronenstrahl auf die Elektrodenbasis zu schmelzen oder zu sintern und dann das geschmolzene oder gesinterte Pulver erstarren zu lassen;
- Zündkerze, die Folgendes aufweist: ein Gehäuse mit einer axialen Bohrung; einen Isolator, der zumindest teilweise in der axialen Bohrung des Gehäuses angeordnet ist und eine axiale Bohrung aufweist; eine Mittelelektrode, die zumindest teilweise in der axialen Bohrung des Isolators angeordnet ist; und eine Masseelektrode, die an dem Gehäuse befestigt ist; wobei zumindest eine von der Mittelelektrode oder der Masseelektrode die Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1 aufweist.

Gemäß einem anderen Aspekt, der zum Verständnis der Erfindung hilfreich ist, wird ein additives Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode bereitgestellt, das die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen einer Elektrodenbasis mit einer Endfläche; Bereitstellen von Pulver, das ein Material auf Edelmetallbasis enthält; Positionieren der Elektrodenbasis in einem Werkzeug und Bedecken der Endfläche mit dem Pulver; Richten eines Lasers auf die Endfläche der Elektrodenbasis, so dass er zumindest einen Teil des Pulvers, das die Elektrodenbasis bedeckt, schmilzt oder sintert, um mindestens eine Schicht einer Zwischenschicht zu bilden, wobei die Zwischenschicht auf der Elektrodenbasis gebildet wird; Bedecken der Zwischenschicht mit dem Pulver; und Richten eines Lasers auf die Zwischenschicht, so dass er mindestens einen Teil des Pulvers, das die Zwischenschicht bedeckt, schmilzt oder sintert, um mindestens eine Schicht einer Elektrodenspitze zu bilden, wobei die Elektrodenspitze auf der Zwischenschicht gebildet ist.
In Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen kann das additive Herstellungsverfahren den folgenden Schritt aufweisen:

- während mindestens eines der beiden Richtschritte ein Laser einen ersten Bereich mit einer Gesamtenergiemenge beaufschlagt, die größer ist als eine Gesamtenergiemenge, die einen zweiten Bereich beaufschlagt, so dass eine ganzflächige Verbindung zwischen der Elektrodenbasis und der Elektrodenspitze mit einem ersten Abschnitt entsteht, der dicker ist als ein zweiter Abschnitt.

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

1 ist eine Querschnittsansicht einer Zündkerze;
2 ist eine Querschnittsansicht des Zündendes der Zündkerze in 1, wobei das Zündende eine Elektrodenspitze aufweist, die mittels eines additiven Fertigungsverfahrens auf eine Elektrodenbasis aufgebaut ist;
3 und 4 sind Querschnittsansichten anderer Beispiele von Zündkerzenzündköpfen, bei denen die Zündköpfe Elektrodenspitzen aufweisen, die mittels additiver Fertigungsverfahren auf Elektrodensockeln aufgebaut sind;
5 ist eine vergrößerte schematische Ansicht eines Brennendes einer Mittelelektrode, wie die in 3 gezeigte, wobei die Mittelelektrode eine Elektrodenspitze aufweist, die über ein additives Herstellungsverfahren auf einer Elektrodenbasis aufgebaut ist und eine Reihe von Laserdepositionsschichten enthält;
6 ist eine vergrößerte schematische Ansicht der Mittelelektrode in 5, in der eine Laserdepositionsschicht von der Seite gezeigt wird, die durch ein additives Herstellungsverfahren gebildet wird;
7 ist eine vergrößerte schematische Ansicht der Mittelelektrode in 5, in der eine Laserdepositionsschicht von dem Ende aus gezeigt wird, das durch einen additiven Herstellungsprozess gebildet wird;
8 ist eine vergrößerte mikroskopische Aufnahme eines Brennendes einer Mittelelektrode, wie die in 3 gezeigte, wobei die Mittelelektrode eine Elektrodenspitze aufweist, die über ein additives Herstellungsverfahren auf einer Elektrodenbasis aufgebaut ist und eine Reihe von Laserdepositionsschichten enthält;
9 und 10 sind perspektivische Ansichten bzw. Querschnittsansichten von Ausrüstungsteilen und mehreren Mittelelektroden, wobei die Ausrüstung zum Aufbau von Elektrodenspitzen auf Elektrodensockeln mittels eines additiven Fertigungsverfahrens verwendet werden kann;
11 und 12 sind schematische Ansichten von Brennenden von Mittelelektroden, wie der in 3 gezeigten, bei denen ein additives Herstellungsverfahren verwendet wird, um eine Elektrodenspitze auf einer Elektrodenbasis aufzubauen;
13 ist eine schematische Ansicht eines Brennendes einer Masseelektrode, wie die in 3 gezeigte, bei der ein additives Herstellungsverfahren verwendet wird, um eine Elektrodenspitze auf einer Elektrodenbasis aufzubauen;
14A und 14B sind schematische Seiten- bzw. Endansichten eines Brennendes einer Mittelelektrode, wie die in 3 gezeigte, bei der ein additives Herstellungsverfahren verwendet wird, um eine Elektrodenspitze auf einer Elektrodenbasis mit konzentrischen Ringen aufzubauen; und
15 und 16 sind Seitenansichten von Brennenden bekannter geschliffener Elektroden, bei denen ein Schweißverfahren zum Aufschweißen einer Elektrodenspitze auf eine Elektrodenbasis verwendet wird.

BESCHREIBUNG
Die hier offengelegte Zündkerzenelektrode weist eine Elektrodenspitze auf, die auf einer Elektrodenbasis mit Hilfe eines additiven Herstellungsverfahrens, wie z. B. einer Pulverbettfusionstechnik, geformt wird. Einige nicht einschränkende Beispiele für mögliche Pulverbettschmelzverfahren sind: selektives Laserschmelzen (SLM), selektives Lasersintern (SLS), direktes Metall-Lasersintern (DMLS) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM).
Der Elektrodensockel kann beispielsweise aus einem Material auf Nickelbasis bestehen, während die Elektrodenspitze aus einem Material auf Edelmetallbasis hergestellt sein kann, wie z. B. Iridium, Platin, Palladium, Ruthenium usw. Das Material auf Edelmetallbasis wird ausgewählt, um die Beständigkeit der Zündkerzenelektrode gegen Korrosion und/oder elektrische Erosion zu verbessern.
Durch die Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens zum Aufbau der Elektrodenspitze auf dem Elektrodensockel kann eine Zündkerzenelektrode mit einer Zwischenschicht zwischen dem Elektrodensockel und der Spitze hergestellt werden. Fachleute wissen, dass beim Verbinden einer Elektrodenspitze auf Edelmetallbasis mit einer Elektrodenbasis auf Nickelbasis, z. B. durch Laserschweißen, während des Betriebs aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Materialien (z. B. unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, unterschiedliche Schmelztemperaturen usw.) typischerweise erhebliche thermische und/oder andere Spannungen an der Verbindung auftreten. Diese Spannungen wiederum können unerwünschterweise zu Rissen oder anderen Schäden an der Elektrodenbasis, der Elektrodenspitze, der Verbindung zwischen den beiden Komponenten oder einer Kombination davon führen. Darüber hinaus werden diese Herausforderungen in einem Verbrennungsmotor noch verschärft, wo eine Zündkerzenelektrode rauen Bedingungen und extremen Temperatur- und/oder Laständerungen ausgesetzt ist. Die hier beschriebene Zündkerzenelektrode mit ihrer Zwischenschicht, die die Elektrodenspitze mit der Elektrodenbasis verbindet und durch additive Fertigung hergestellt wird, soll diese Probleme lösen.
Die vorliegende Zündkerzenelektrode ist für den Einsatz in einer Vielzahl von Zündkerzen und anderen Zündvorrichtungen vorgesehen, darunter Zündkerzen für Kraftfahrzeuge, industrielle Zündkerzen, Zündvorrichtungen für die Luftfahrt, Glühkerzen oder jede andere Vorrichtung, die zur Zündung eines Luft/Kraftstoff-Gemisches in einem Motor verwendet wird. Dies schließt die in den Zeichnungen dargestellten und im Folgenden beschriebenen beispielhaften Zündkerzen für Kraftfahrzeuge ein, ist aber keineswegs darauf beschränkt. Ferner ist zu beachten, dass die vorliegende Zündkerzenelektrode als Mittel- und/oder 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 Mittel- oder Längsachse A der Zündkerze.
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 aufweist. Die Mittelelektrode 12 ist in einer axialen Bohrung des Isolators 14 angeordnet und weist ein Zündende 20 auf, das über ein freies Ende 22 des Isolators 14 hinausragt. Wie im Folgenden näher erläutert, kann das Abschussende 20 eine Elektrodenbasis 30 aus einem Material auf Nickelbasis und eine Elektrodenspitze 32 aus einem Material auf Edelmetallbasis aufweisen, wobei die Elektrodenspitze mit einem additiven Fertigungsverfahren auf der Elektrodenbasis ausgebildet wird, so dass dazwischen eine Zwischenschicht 34 entsteht. Der Isolator 14 ist in einer axialen Bohrung des Metallgehäuses 16 angeordnet und besteht aus einem Material, z. B. einem keramischen Material, das ausreicht, um die Mittelelektrode 12 von dem Metallgehäuse 16 elektrisch zu isolieren. Das freie Ende 22 des Isolators 14 kann über ein freies Ende 24 des Metallgehäuses 16 hinausragen, wie dargestellt, oder es kann in das Metallgehäuse 16 eingezogen sein. Die Masseelektrode 18 kann gemäß der in den Zeichnungen gezeigten konventionellen J-Spalt-Konfiguration oder gemäß einer anderen Anordnung aufgebaut sein und ist am freien Ende 24 des Metallgehäuses 16 befestigt. Gemäß dieser besonderen Ausführungsform weist die Masseelektrode 18 eine Seitenfläche 26 auf, die dem Abschussende 20 der Mittelelektrode gegenüberliegt und eine Elektrodenspitze 40 aufweist, die nach einem additiven Herstellungsverfahren geformt sein kann oder auch nicht. Die Elektrodenspitze 40 hat die Form eines flachen Pads und bildet mit der Elektrodenspitze 32 der Mittelelektrode eine Funkenstrecke G, so dass sie funkenbildende Oberflächen für die Emission, den Empfang und den Austausch von Elektronen über die Funkenstrecke G bilden. Die Elektrodenspitzen 32 und 40 können aus demselben Material auf Edelmetallbasis oder aus verschiedenen Materialien auf Edelmetallbasis gebildet werden.
In dem in den 1 und 2 gezeigten Beispiel ist die Elektrodenbasis 30 eine diametral verkleinerte Verlängerung des Hauptelektrodenkörpers 36 und besteht aus demselben Material auf Nickelbasis wie dieser. Der Elektrodensockel 30 wurde maschinell bearbeitet, abgezogen oder auf andere Weise hergestellt, so dass er einen kleineren Durchmesser als der benachbarte Elektrodenkörper 36 hat und somit einen Sockel oder eine Oberfläche bildet, auf der die Elektrodenspitze 32 aufgebaut werden kann. In einer anderen Ausführungsform ist die Elektrodenbasis 30 aus demselben Material auf Nickelbasis hergestellt wie der Hauptelektrodenkörper 36, aber sie ist nicht diametral reduziert, so dass sie einfach als das axiale oder distale Ende des Hauptelektrodenkörpers fungiert und im Allgemeinen dieselbe Form und Größe wie der Hauptelektrodenkörper aufweist. Es ist jedoch auch möglich, dass die Elektrodenbasis 30 ein separates Bauteil ist, das geschweißt, durch additive Fertigung geformt oder auf andere Weise am axialen oder distalen Ende des Hauptelektrodenkörpers 36 befestigt wird; in einem solchen Beispiel können die Elektrodenbasis 30 und der Hauptelektrodenkörper 36 aus denselben oder unterschiedlichen Materialien hergestellt werden.
Wie noch näher erläutert wird, kann die Elektrodenspitze 32 mit Hilfe eines additiven Fertigungsverfahrens auf der Elektrodenbasis 30 geformt werden, indem ein Laser- oder Elektronenstrahl selektiv auf ein Bett aus Edelmetallpulver gerichtet wird, das mit der Elektrodenbasis in Kontakt gebracht wird. Dadurch schmelzen das Edelmetallpulver und Teile des Nickelbasiswerkstoffs der Elektrodenbasis 30 zusammen und erstarren zu einer Elektrodenspitzenschicht. Der additive Herstellungsprozess wird dann wiederholt, so dass die Elektrodenspitze 32 schichtweise auf der Elektrodenbasis 30 aufgebaut wird. Die erste(n) Schicht(en), die sowohl edelmetallbasiertes Material als auch nickelbasiertes Material enthält/enthalten, kann/können die Zwischenschicht 34 bilden und einen erheblichen Einfluss auf die Haftfestigkeit der Elektrodenspitze 32 an der Elektrodenbasis 30 haben. Sobald eine ausreichende Anzahl von Elektrodenspitzenschichten gebildet worden ist, erreicht die Elektrodenspitze 32 ihre gewünschte axiale Höhe.
Wie bereits erwähnt, ist die vorliegende Zündkerzenelektrode nicht auf die in 1 und 2 gezeigte Beispielkonfiguration beschränkt, da sie in einer beliebigen Anzahl verschiedener Anwendungen eingesetzt werden kann, einschließlich Zündkerzen für Kraftfahrzeuge, Industriekerzen, Zündvorrichtungen für die Luftfahrt, Glühkerzen oder andere Geräte. 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 1 und 2 ähnliche Merkmale bezeichnen. Andere Ausführungsformen und Beispiele sind natürlich auch möglich.
In 3 ist die Elektrodenbasis 30' einfach das untere oder axiale Ende des Hauptelektrodenkörpers 36 und ist keine maschinell bearbeitete, heruntergezogene oder anderweitig diametral reduzierte Verlängerung des benachbarten Elektrodenkörpers. In diesem Beispiel wird die Elektrodenspitze 32' einfach auf das axiale Ende des Hauptelektrodenkörpers 36, der die Elektrodenbasis 30' ist, aufgebaut oder geformt und kann mit einem Bett aus edelmetallbasiertem Pulver und dem hier beschriebenen additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden. In den Zeichnungen ist die Elektrodenspitze 32' mit etwa dem gleichen Durchmesser wie die entsprechende Elektrodenbasis 30' dargestellt, was jedoch nicht notwendig ist, da die Elektrodenspitze 32' in Bezug auf den Hauptelektrodenkörper und/oder die Elektrodenbasis diametral reduziert sein kann. Der Verbindungs- oder Befestigungsbereich zwischen der Elektrodenbasis 30' und der Elektrodenspitze 32' ist die Zwischenschicht 34'. Eine Elektrodenspitze 40', die optional ist und vorzugsweise aus einem edelmetallbasierten Material besteht, kann durch additive Fertigung geformt oder auf die Seitenfläche 26 der geschliffenen Elektrode 18 aufgeschweißt werden, um eine Funkenstrecke G mit der Elektrodenspitze 32' zu definieren. Wird die Elektrodenspitze 40' in einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt, kann sich zwischen der Elektrodenspitze 40' und der Elektrodenbasis der Masseelektrode 18 (in diesem Fall ist die Elektrodenbasis die Seitenfläche 26 der Masseelektrode 18) eine Zwischenschicht 44' befinden. Die Elektrodenspitzen 32' und 40' können aus demselben edelmetallbasierten Material oder aus verschiedenen edelmetallbasierten Materialien gebildet werden, und die Zwischenschichten 34' und 44' können aus demselben Material oder aus verschiedenen Materialien gebildet werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Erörterung von Elektrodengrundkörpern, Elektrodenspitzen und/oder Zwischenschichten auch für die Bestandteile der Mittelelektrode (z. B. die Bestandteile 30, 30', 30", 32, 32', 32", 34, 34', 34") und/oder die Bestandteile der Masseelektrode (z. B. die Bestandteile 26, 40, 40', 40", 44', 44") gelten kann und nicht auf nur eine Elektrode beschränkt ist.
In 4 erstreckt sich die Elektrodenbasis 30" vom Hauptelektrodenkörper 36 aus und kann eine integrale Verlängerung des Elektrodenkörpers sein, oder sie kann ein separates Bauteil sein, das geschweißt, additiv hergestellt oder auf andere Weise am Ende des Elektrodenkörpers angebracht wurde, wie bereits erläutert. Wie bei einigen der vorangegangenen Ausführungsformen wird die Elektrodenspitze 32" auf der Elektrodenbasis 30" schichtweise mit einer dazwischen liegenden Zwischenschicht 34" gebildet oder aufgebaut. Die Elektrodenspitze 32" kann einen Außendurchmesser haben, der gleich, kleiner oder größer als der des entsprechenden Hauptelektrodenkörpers 36 ist. Was nun die Masseelektrode betrifft, so erstreckt sich ein Loch oder eine Bohrung 46" durch die Dicke der Masseelektrode 18, so dass eine vorgefertigte Masseelektrodenspitzenbaugruppe 48" darin angebracht werden kann. Gemäß dem in 4 dargestellten Beispiel weist die Masseelektrodenspitzenbaugruppe 48" eine Elektrodenbasis 42" aus einem Material auf Nickelbasis, eine Zwischenschicht 44" aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) zwischen dem der Elektrodenbasis und der Elektrodenspitze liegt (z. B. eine Platin-Nickel-Legierung), und eine Elektrodenspitze 40" aus einem Edelmetall (z. B. ein Material auf Iridium- oder Platinbasis) auf. Die Zusammensetzungen der Komponenten oder Schichten 42", 44" und/oder 40" können mit denen der entsprechenden Komponenten in den vorherigen Ausführungsformen identisch sein oder sich von ihnen unterscheiden. Zur Überwindung der durch unterschiedliche WAK bedingten Probleme bei der Befestigung können die Elektrodenspitze 40" und die Zwischenschicht 44" durch additive Fertigungstechniken auf der Elektrodenbasis 42" aufgebaut werden; dies führt zu einer verschmolzenen Grenze zwischen den Schichten im Gegensatz zu einer harten oder diskreten Grenze, die durch Schweißen erzeugt wird, was die Spannung an den Grenzen zwischen den Schichten verringert. Darüber hinaus ist der Unterschied zwischen dem WAK der Elektrodenspitze 40" und dem WAK der Zwischenschicht 44" geringer als der Unterschied zwischen den WAKs der Elektrodenspitze 40" und der Elektrodenbasis 42" oder der Masseelektrode 18. Der Elektrodensockel 42", der aus einem Nickelbasiswerkstoff wie Inconel 600 oder 601 hergestellt werden kann, wird dann bei 38 mit der Masseelektrode 18 verschweißt, die ebenfalls aus einem Nickelbasiswerkstoff besteht; auch dies reduziert die Spannungen an der Bauteilschnittstelle, da sowohl der Elektrodensockel 42" als auch die Masseelektrode 18 aus demselben oder einem ähnlichen Nickelbasiswerkstoff hergestellt sind. Auf diese Weise ist die Zündkerze in der Lage, eine Schweißverbindung zwischen zwei im Wesentlichen unähnlichen Materialien zu vermeiden (zwei „im Wesentlichen unähnliche Materialien“, wie hier verwendet, bedeutet zwei Materialien, bei denen ein WAK mehr als 25 % größer ist als der andere WAK). Die Grenzflächen zwischen den Schichten 40"/44" und 44"/42" (verschmolzene Grenzen) werden durch additive Fertigung hergestellt und sind daher keine „Schweißverbindungen“; und die Schweißverbindung 38 zwischen den Komponenten 42"/18 (harte Grenze) besteht zwischen ähnlichen Materialien, nicht zwischen im Wesentlichen unähnlichen Materialien. Daher enthält die Elektrodenspitzenbaugruppe 48" keine Schweißverbindung zwischen im Wesentlichen unähnlichen Materialien.
Die Elektrodenbasis 30, 30', 30", 42" ist der Abschnitt oder Teil der Elektrode, auf dem die Elektrodenspitze durch additive Fertigung geformt wird, und dient somit als Trägermaterial für die Elektrodenspitze. Wie bereits erwähnt, kann die Elektrodenbasis 30, 30', 30", 42" ein integraler Bestandteil oder eine Verlängerung eines Hauptelektrodenkörpers sein, oder sie kann ein separates Teil oder eine Komponente sein, die geschweißt, additiv hergestellt oder auf andere Weise am Hauptelektrodenkörper befestigt ist. Wenn die Elektrodenbasis ein integraler Bestandteil des Hauptelektrodenkörpers ist oder mit diesem verschweißt wurde, ist es wahrscheinlich, dass die Elektrodenbasis durch Ziehen, Strangpressen, maschinelle Bearbeitung und/oder ein anderes herkömmliches Verfahren hergestellt wurde. Wurde der Elektrodenfuß hingegen additiv auf dem Hauptelektrodenkörper 36 hergestellt, dann wurde der Elektrodenfuß aus einem lasergeschmolzenen oder gesinterten Pulverbett erzeugt, ähnlich wie die Elektrodenspitze auf dem Elektrodenfuß geformt wird. In jedem Fall ist es in der Regel vorzuziehen, dass die Elektrodenbasis 30, 30', 30", 42" aus einem Material auf Nickelbasis besteht. 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 besteht die Elektrodenbasis 30, 30', 30", 42" aus einem Material auf Nickelbasis mit einem relativ hohen Gewichtsprozentsatz an Nickel, wie z. B. einem Material auf Nickelbasis mit 98 Gew.-% oder mehr Nickel. In einem anderen Beispiel wird die Elektrodenbasis aus einem Material auf Nickelbasis mit einem geringeren Gewichtsprozentsatz an Nickel hergestellt, wie einem Material auf Nickelbasis mit 50-90 Gew.-% Nickel (z.B. INCONEL™ 600 oder 601). Ein besonders geeignetes Material auf Nickelbasis hat etwa 75-80 Gew.-% Nickel, 10-20 Gew.-% Chrom und 5-10 Gew.-% Eisen. Bei Materialien auf Nickelbasis kann die Elektrodenbasis 30, 30', 30", 42" einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 12×10^-6 m/mK und 15×10^-6 m/mK (z.B. 13,4×10^-6 m/mK bei 20°C-200°C) und eine Schmelztemperatur zwischen 1200° C und 1600° C (z.B. 1400° C) aufweisen. Der Durchmesser oder die Größe der Elektrodenbasis 30, 30', 30", 42" kann je nach Anwendung und Ausführungsform erheblich variieren (z. B. ist der Durchmesser der Elektrodenbasis 30, die Teil der Mittelelektrode ist, wahrscheinlich kleiner als der der Elektrodenbasis 42", die Teil der Masseelektrodenspitzenanordnung ist).
Gemäß dem in 2 gezeigten nicht begrenzten Beispiel, bei dem die Elektrodenbasis 30 eine verengte Verlängerung der Mittelelektrode 12 ist, kann die Elektrodenbasis einen Durchmesser zwischen 0,4 mm und 1,0 mm, und noch bevorzugter zwischen 0,5 mm und 0,9 mm, haben (dieselben Abmessungen könnten für die Basiselektrode 30" in 4 gelten). Im Beispiel von 3, in dem die Elektrodenbasis 30' das untere axiale Ende der Mittelelektrode 12 bildet, kann die Elektrodenbasis einen Durchmesser zwischen 1,4 mm und 3,2 mm, einschließlich, und noch bevorzugter zwischen 2,0 mm und 3,0 mm, einschließlich, haben In Bezug auf das Beispiel in 4, bei dem die Elektrodenbasis 42" Teil der geschliffenen Elektrodenspitzenbaugruppe 48" ist, kann die Elektrodenbasis einen Durchmesser zwischen 0,5 mm und 2,0 mm, einschließlich, und noch bevorzugter zwischen 0,7 mm und 1,5 mm, einschließlich, haben. Für die Elektrodenbasis 30, 30', 30", 42" können stattdessen auch andere Materialien, einschließlich solcher, die nicht auf Nickelbasis sind, sowie andere Größen und Formen verwendet werden. Es sollte beachtet werden, dass in einigen Fällen die Seitenfläche 26 und/oder die Masseelektrode 18 selbst die Elektrodenbasis bilden kann (z. B. in den Ausführungsformen von 2 und 3).
Der hier verwendete Begriff „Elektrodenbasis“ bezeichnet den Abschnitt oder Teil der Elektrode, auf dem die Elektrodenspitze durch additive Fertigung gebildet wird. Die Elektrodenbasis kann Ausführungsformen aufweisen, die: in Bezug auf einen Hauptelektrodenkörper diametral reduziert sind und solche, bei denen dies nicht der Fall ist; ein integraler Bestandteil oder eine Verlängerung eines Hauptelektrodenkörpers sind und solche, bei denen es sich um ein separates Bauteil handelt; sich an einem axialen Ende eines Hauptelektrodenkörpers befinden und solche, die sich auf einer Seitenfläche oder einem anderen Teil der Elektrode befinden; Teil einer Mittelelektrode oder einer Masseelektrode sind; einen thermischen oder wärmeleitenden Kern haben (z. B., einen Kern auf Kupferbasis) haben oder nicht; oder aus dem gleichen Material wie ein Hauptelektrodenkörper bestehen oder aus einem anderen Material hergestellt sind, um nur einige Möglichkeiten zu nennen. Nicht einschränkende Beispiele für mögliche Elektrodenkörper sind die Elektrodenkörper 30, 30', 30", 42", 26 und 18.
Die Elektrodenspitze 32, 32', 32", 40', 40" ist der Abschnitt oder Teil der Elektrode, in der Regel der funkenbildende Teil, der auf der Elektrodenbasis durch additive Fertigung gebildet wird. Die Elektrodenspitze 32, 32', 32", 40', 40" kann aus einem Bett aus Edelmetallpulver hergestellt werden, das in unmittelbare Nähe der Elektrodenbasis gebracht wird, so dass bei Bestrahlung mit einem Laser- oder Elektronenstrahl das Edelmetallpulver und ein Teil des festen Materials der Elektrodenbasis geschmolzen werden und dann zu einer ersten Laser-Deposition-Schicht bzw. Laserabscheidungsschicht 50 erstarren. Dadurch wird die Elektrodenspitze auf die Elektrodenbasis aufgebracht. Dieser Prozess der Erzeugung einzelner Schichten wird wiederholt, wodurch eine Reihe von Laserabscheidungsschichten 50-60 entsteht, die nacheinander aufgebaut oder aufeinander gestapelt werden, wie in den 5 und 6 dargestellt. Jede Laserabscheidungsschicht hat eine durchschnittliche Schichtdicke Y, die zwischen 20 und 100 µm liegen kann, und die Summe aller Schichtdicken ist die Elektrodenspitzenhöhe X, die zwischen 0,1 und 1,0 mm, oder noch bevorzugter zwischen 0,1 und 0,6 mm liegen kann. Die Elektrodenspitze 32, 32', 32", 40', 40" 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 verwendbaren Materialien auf Edelmetallbasis gehören beispielsweise Iridium-, Platin-, Ruthenium- und/oder Palladium-Materialien. Einem Beispiel zufolge wird die Elektrodenspitze 32, 32', 32", 40', 40" aus einem Material auf Iridium- oder Platinbasis hergestellt, wobei das Material in Pulverform verarbeitet wurde. In einem nicht einschränkenden Beispiel hat das Pulver auf Edelmetallbasis eine Partikelgrößenverteilung von etwa 5 bis einschließlich 30 µm. Bei Materialien auf Iridiumbasis kann die Elektrodenspitze einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 6×10^-6 m/mK und 7×10^-6 m/mK und eine Schmelztemperatur zwischen 2.400° C und 2.500° C haben; bei Materialien auf Platinbasis kann die Elektrodenspitze einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 8×10^-6 m/mK und 10×10^-6 m/mK und eine Schmelztemperatur zwischen 1.700° C und 1.800° C haben.
Der Durchmesser oder die Größe der Elektrodenspitze 32, 32', 32", 40" hängt von der jeweiligen Anwendung und Ausführung ab. In den nicht begrenzten Beispielen in den 2 und 4, in denen sich die Elektrodenspitze 32, 32" von der Elektrodenbasis 30, 30" aus erstreckt und im Allgemeinen die gleiche Größe hat, kann die Elektrodenspitze einen Durchmesser zwischen 0,4 mm und 1,0 mm, einschließlich, und noch bevorzugter zwischen 0,5 mm und 0,9 mm, einschließlich, haben. Im Beispiel von 3 hat die Elektrodenspitze 32' ungefähr die gleiche Größe wie die entsprechende Elektrodenbasis 30' und kann einen Durchmesser zwischen 1,4 mm und 3,2 mm, einschließlich, und noch bevorzugter zwischen 2,0 mm und 3,0 mm, einschließlich, haben, und die Elektrodenspitze 40' hat einen etwas kleineren Durchmesser als die Spitze 32'. In Bezug auf das Beispiel in 4, bei dem die Elektrodenspitze 40" Teil der geschliffenen Elektrodenspitzenbaugruppe 48" ist, hat die Elektrodenspitze 40" ungefähr die gleiche Größe wie die Elektrodenbasis 42" und kann daher einen Durchmesser zwischen 0,5 mm und 2,0 mm, einschließlich, und noch bevorzugter zwischen 0,7 mm und 1,5 mm, einschließlich, haben. Für die Elektrodenspitze 32, 32', 32", 40" können stattdessen auch andere Materialien, einschließlich solcher, die nicht auf Edelmetall basieren, sowie andere Größen und Formen verwendet werden.
Der Begriff „Elektrodenspitze“, wie er hier verwendet wird, bezeichnet den Abschnitt oder Teil der Elektrode, in der Regel den funkenbildenden Teil, der durch additive Fertigung auf der Elektrodenbasis gebildet wird. Die Elektrodenspitze kann Ausführungsformen aufweisen, die: in Bezug auf eine Elektrodenbasis diametral reduziert sind, sowie solche, die dies nicht sind; die Form von Nieten, Zylindern, Stäben, Säulen, Drähten, Kugeln, Hügeln, Kegeln, flachen Pads, Scheiben, Ringen, Hülsen usw. haben; sich an einem axialen Ende einer Elektrodenbasis befinden, sowie solche, die sich auf einer Seitenfläche oder einem anderen Teil der Elektrodenbasis befinden; Teil einer Mittelelektrode oder einer Masseelektrode sind; aus einem Material auf Edelmetallbasis hergestellt sind (z. B, (z. B. Materialien mit Iridium, Platin, Palladium, Ruthenium usw.) sowie solche, die aus einem anderen Material hergestellt sind, und zusätzliche spannungsentlastende Schichten oder Zwischenschichten zwischen der Elektrodenbasis und der Elektrodenspitze aufweisen, sowie solche, die dies nicht tun, um nur einige Möglichkeiten zu nennen. Nicht einschränkende Beispiele für mögliche Elektrodenspitzen sind die Elektrodenspitzen 32, 40, 32' 40', 32" und 40".
Die Zwischenschicht 34, 34', 34", 44" befindet sich physisch zwischen der Elektrodenbasis und der Elektrodenspitze und ist ein Übergangsabschnitt oder -teil der Elektrode, der einen WAK zwischen dem der Elektrodenbasis und der Elektrodenspitze aufweist. Die Zwischenschicht 34, 34', 34", 44" ist dazu bestimmt, die thermischen Spannungen, die zwischen diesen beiden Komponenten entstehen, wenn die Zündkerze in Betrieb ist, zu reduzieren, abzuschwächen, auszugleichen und/oder zu beseitigen und dadurch die Befestigung der Elektrodenspitze an der Elektrodenbasis zu verbessern. Wie bereits erwähnt, unterscheiden sich die thermischen Eigenschaften oder Merkmale des Elektrodensockels und der Elektrodenspitze, wie z. B. ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten, voneinander, manchmal sogar in erheblichem Maße. Wenn die Zündkerze in Betrieb ist, können die Temperaturen am Zündende extrem hohe Werte erreichen, was üblicherweise dazu führt, dass sich die verschiedenen Metalle unterschiedlich schnell ausdehnen und zusammenziehen und die Schweißnaht, die die Spitze mit dem Sockel verbindet, stark belastet wird. Die Zwischenlage 34, 34', 34", 44" mit ihren ein- oder mehrlagigen Schichten wird so hergestellt, dass thermisch induzierte Spannungen minimiert oder zumindest reduziert werden, wodurch die Haltbarkeit der Zündkerze verbessert und ihre Lebensdauer erhöht wird. Die vorliegende Elektrode kann diese Ziele zumindest teilweise durch die Verwendung mehrerer Merkmale erreichen: eine Zwischenschicht mit einem WAK, der zwischen dem einer entsprechenden Elektrodenbasis und -spitze liegt, und eine ganzflächige Verbindung zwischen der Elektrodenbasis und -spitze, die durch additive Fertigung (z. B. selektives Laserschmelzen (SLM), selektives Lasersintern (SLS), direktes Metall-Lasersintern (DMLS), Elektronenstrahlschmelzen (EBM) und/oder ein anderes geeignetes 3D-Druckverfahren) hergestellt wird, im Gegensatz zum einfachen Verschweißen der Elektrodenspitze mit der Basis. Einem Beispiel zufolge enthält die Zwischenschicht eine Platin-Nickel-Legierung, wie Pt-10Ni oder Pt-30Ni, und hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 10×10^-6 m/mK und 12×10^-6 m/mK (z. B. 10,9×10^-6 m/mK oder 11,5×10^-6 m/mK). Wenn eine Elektrodenspitze auf Iridiumbasis mit einem WAK von ca. 6,5×10^-6 m/mK direkt (d. h. ohne Zwischenschicht) an einer Elektrodenbasis auf Nickelbasis mit einem WAK von ca. 13,4×10^-6 m/mK angebracht wird, ergibt sich ein großes WAK-Delta bzw. ein großer Unterschied zwischen den benachbarten Schichten von ca. 6,9×10^-6 m/mK; dies ist beträchtlich und kann zu erheblichen thermischen Spannungen an der Verbindung führen. Durch die Einführung einer Zwischenschicht mit der oben erwähnten Pt-30Ni-Legierung zwischen der Elektrodenspitze und der Basis wird der WAK-Unterschied zwischen den Schichten verringert. So beträgt der WAK-Unterschied zwischen der Elektrodenbasis und der Zwischenschicht nur etwa 1,9×10^-6 m/mK (13,4-11,5=1,9), und der WAK-Unterschied zwischen der Zwischenschicht und der Elektrodenspitze beträgt etwa 5.0×10^-6 m/mK (11,5-6,5=5,0); somit beträgt die größte WAK-Differenz zwischen den Schichten, die ein möglicher Fehlerpunkt sein könnte, nur 5,0×10^-6 m/mK gegenüber 6,9×10^-6 m/mK ohne Zwischenschicht. In gewissem Sinne trägt die Zwischenschicht mit ihrem mittleren WAK-Wert dazu bei, den großen WAK-Unterschied zwischen der Elektrodenbasis und der Spitze zu verringern.
Die Zwischenschicht 34, 34', 34", 44', 44" kann mehrere Schichten aufweisen, die auch als Laserdepositionsschichten bezeichnet werden, die zusammen die Zwischenschicht bilden und dazu dienen, den WAK-Unterschied zwischen benachbarten Schichten weiter zu verringern. Die Zusammensetzung der Zwischenschicht 34, 34', 34", 44', 44" kann über die gesamte Zwischenschicht einheitlich sein, oder in anderen Beispielen variiert die Zusammensetzung der Zwischenschicht über die gesamte Zwischenschicht (z. B. variiert die Zusammensetzung über die verschiedenen Laserabscheidungsschichten, so dass die Gesamtzusammensetzung der Zwischenschicht nicht einheitlich ist). Bleibt man bei dem Beispiel im vorigen Absatz und fügt der Zwischenschicht 34, 34', 34", 44', 44" eine zusätzliche Laserabscheidungsschicht mit einer Pt-10Ni-Zusammensetzung hinzu, dann würden die verschiedenen WAK-Unterschiede zwischen den Schichten wie folgt aussehen: WAK-Differenz zwischen Elektrodenbasis und Pt-30Ni-Übergang (13,4-11,5=1,9×10^-6 m/mK), WAK-Differenz zwischen Pt-30Ni und Pt-10Ni-Übergang (11,5-10,9=0,6×10^-6 m/mK), und WAK-Differenz zwischen Pt-10Ni und Elektrodenspitze (10,9-6,5=4,4×10^-6 m/mK). In diesem Beispiel beträgt der größte WAK-Unterschied zwischen den Schichten nur 4,4×10^-6 m/mK, gegenüber 6,9×10^-6 m/mK ohne die Zwischenschicht. Die Zwischenschicht könnte durch zusätzliche Laserdepositionsschichten ergänzt werden, um den großen WAK-Unterschied zwischen der Elektrodenbasis und der Spitze weiter zu verringern. Der Durchmesser oder die Größe der Zwischenschicht 34, 34', 34", 44', 44" variiert je nach Anwendung und Ausführungsform und kann den gleichen Durchmesser wie die Elektrodenbasis und/oder die Elektrodenspitze haben.
Diese Merkmale werden in Verbindung mit den 5-8 näher erläutert, die ein nicht begrenztes Beispiel ähnlich der Mittelelektrode in 3 als Diskussionsgrundlage verwenden. Es wird darauf hingewiesen, dass die folgende Beschreibung auch für die anderen Elektrodenausführungen gilt (d. h. für die 1, 2, 4 und die Masseelektroden) und nicht auf das Beispiel von 3 beschränkt ist.
Die 5-7 zeigen vergrößerte Darstellungen des Zündendes 20 der Mittelelektrode 12, wobei die Elektrodenspitze 32' auf der Elektrodenbasis 30' mit der dazwischen liegenden Zwischenschicht 34' ausgebildet ist, die einen WAK zwischen dem der Elektrodenbasis und der Spitze aufweist. Es sei darauf hingewiesen, dass es sich bei diesen Zeichnungen nur um schematische Darstellungen handelt, da die verschiedenen Laserabscheidungsschichten 50-60 wahrscheinlich nicht vollkommen diskrete flache Schichten sind, wie mit gestrichelten Linien dargestellt. In 8 ist eine mikroskopische Aufnahme zu sehen, die die tatsächliche Querschnittsstruktur der Elektrode genauer wiedergibt, bei der die verschiedenen Laserabscheidungsschichten eher gezackt oder gezackt als flach sind und eher ineinander übergehen, als dass sie getrennt oder diskret sind. Um die erste Laserabscheidungsschicht 50 zu bilden, kann der Hauptelektrodenkörper 36 in eine Vorrichtung oder ein anderes Werkzeug 100 eingesetzt werden, das ihn in einer vertikalen Ausrichtung hält, wobei das Brennende 20 nach oben zeigt (siehe 9 und 10). Ein Bett aus Pulver 102, das ein Material auf Edelmetallbasis enthält, kann dann über die Elektrodenbasis 30' gelegt werden, so dass eine dünne Schicht aus Pulver auf Edelmetallbasis das axiale oder distale Ende der Elektrodenbasis bedeckt. Sobald das Pulverbett an Ort und Stelle ist, kann ein Laser L verwendet werden, um die dünne Pulverschicht, die sich über der Elektrodenbasis 30' befindet, zusammen mit einer bestimmten Menge der Elektrodenbasis selbst zu schmelzen oder zumindest zu sintern; dies ist der Pulverbettschmelzprozess. Wenn die Kombination aus dem geschmolzenen Pulver (Material auf Edelmetallbasis) und der Elektrodenbasis 30' (Material auf Nickelbasis) erstarrt, bildet sie die erste Laserabscheidungsschicht 50 (die Erzeugung solcher Schichten kann in einer Schutzgasatmosphäre erfolgen). Dieser Vorgang wird dann mehrmals wiederholt, um die nachfolgenden Laserabscheidungsschichten 52-60 zu bilden. Die ersten Schichten, die gebildet werden (z. B. die Laserabscheidungsschichten 50, 52 usw.), können Material sowohl von der Elektrodenbasis 30' als auch von der Elektrodenspitze 32' enthalten und sind so ausgelegt, dass sie einen WAK-Wert aufweisen, der zwischen dem der Elektrodenbasis 30' und der Elektrodenspitze 32' liegt; die Schichten 50, 52 können die Zwischenschicht 34' bilden. Die abschließende Laserabscheidungsschicht 60, die gebildet wird, kann als funkenbildende Oberfläche dienen. In einigen Beispielen besteht die Zwischenschicht 34' zu 50 % oder mehr aus Edelmetall (d. h. mindestens 50 % des gesamten Materials, sowohl des Materials auf Nickel- als auch auf Edelmetallbasis, aus dem die Zwischenschicht 34' besteht, sind Edelmetall). An einem Punkt können die Laserabscheidungsschichten nur Material aus dem Pulverbett enthalten (d. h. das Material auf Edelmetallbasis); diese Schichten bilden die Elektrodenspitze 32' und können zu 95 % oder mehr aus Edelmetall bestehen. Ein nicht einschränkendes Beispiel für eine mögliche Elektrodenstruktur aufweist: eine Elektrodenbasis aus einem Material auf Nickelbasis (z. B. Inconel 600), eine Zwischenschicht aus einem oder mehreren Materialien auf Platinbasis (z. B. Pt-10Ni oder Pt-30Ni) und eine Elektrodenspitze aus einem oder mehreren Materialien auf Edelmetallbasis (z. B. Materialien auf Platin- oder Iridiumbasis).
Da jede Laserabscheidungsschicht 50-60 zunächst durch Schmelzen oder Sintern von Pulver aus einem Pulverbett 102 gebildet wird und das Material dann erstarren kann, ist es möglich, die Zusammensetzung der verschiedenen Laserauftragsschichten durch Änderung der Zusammensetzung des Pulverbettes 102 einzustellen oder zu modifizieren. Dadurch kann die vorliegende Elektrode einen maßgeschneiderten oder individuellen Zusammensetzungsgradienten über die Zwischenschicht 34' und/oder die Elektrodenspitze 32' aufweisen. Um beispielsweise den WAK-Unterschied zwischen der Elektrodenbasis 30' und der Zwischenschicht 34' zu minimieren, kann die erste Laserabscheidungsschicht 50 aus einem Pulverbett hergestellt werden, das 50 % Material auf Nickelbasis und 50 % Material auf Edelmetallbasis enthält, während die nächste Laserabscheidungsschicht 52 aus einem Pulver hergestellt werden kann, das die gleiche Zusammensetzung oder eine mit mehr Material auf Edelmetallbasis aufweist. Mit zunehmender Entfernung von der Elektrodenbasis 30' kann der relative Prozentsatz des Materials auf Nickelbasis abnehmen und der relative Anteil des Materials auf Edelmetallbasis zunehmen. In der letzten Laserabscheidungsschicht 60 kann ein Pulverbett verwendet werden, das nur Material auf Edelmetallbasis enthält, da dieses Material für eine funkenbildende Oberfläche vorzuziehen ist. Dadurch entsteht ein maßgeschneiderter Zusammensetzungsgradient über die Zwischenschicht 34' und/oder die Elektrodenspitze 32', der die Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf mehrere Zwischenschichtgrenzen verteilt, anstatt dass, wie bereits erläutert, die gesamte Differenz dieser Koeffizienten an einer einzigen Zwischenschichtgrenze auftritt. Um einen solchen maßgeschneiderten Zusammensetzungsgradienten zu erreichen, mussten in der Vergangenheit in der Regel kleine Scheiben oder Schichten der Elektrodenspitze übereinander geschweißt werden, was sehr mühsam und kostspielig ist und den unerwünschten Effekt haben kann, dass zahlreiche Schweißverbindungen entstehen, die versagen können. Mit der vorliegenden Elektrode kann durch additive Fertigung ein maßgeschneiderter Zusammensetzungsgradient erreicht werden, indem selektiv Schichten übereinander aufgebaut werden, so dass sie alle zu einer integrierten Elektrodenbaugruppe mit einer Zusammensetzung verschmelzen, die in Bezug auf die relative Menge an Material auf Edelmetallbasis kontinuierlich zunimmt, wenn man sich von der Elektrodenbasis 30' zum Ende der Elektrodenspitze 32' bewegt. Wenn sich der Wechsel der Zusammensetzung des Pulverbettes 102 zwischen den Schichten als zu mühsam oder zeitaufwendig erweist, ist es möglich, dieselbe Pulverzusammensetzung für eine bestimmte Anzahl von Schichten zu verwenden (z. B. eine Mischung aus 50 % Nickelbasiswerkstoff und 50 % Edelmetallbasiswerkstoff für die ersten 5 Schichten) und dann die Pulverzusammensetzung für eine bestimmte Anzahl von Schichten zu ändern (z. B., 25 % Material auf Nickelbasis, 75 % Materialmischung auf Edelmetallbasis für die nächsten 5 Schichten), und vervollständigen Sie dann die Elektrodenspitze 32' mit einer endgültigen Pulverzusammensetzung für eine bestimmte Anzahl verbleibender Schichten (z. B. eine 100 %ige Materialmischung auf Edelmetallbasis für die letzten 5 Schichten). Dies ist natürlich nur ein Beispiel, da viele andere Ausführungsformen durchaus möglich sind. Es ist auch vorzuziehen, dass die Zwischenschicht 34' im überwiegenden Volumen des Gefüges ein feinkörniges Gefüge aufweist.
In 6 sind die ersten vier oder so Laserabscheidungsschichten der sich bildenden Zwischenschicht 34' dargestellt, wobei jede Schicht eine Reihe von Tälern 70 und Spitzen 72 aufweist. Aus Gründen der Einheitlichkeit ist die Mittelelektrode 12 in den 5 und 6 in der gleichen Ausrichtung wie in den 1-4 dargestellt. Bei der Herstellung würde die Mittelelektrode 12 jedoch wahrscheinlich umgedreht werden, so dass das Brennende 20 und die Elektrodenbasis 30' nach oben zeigen, so dass ein dünnes Pulverbett auf die axiale oder distale Endfläche der Mittelelektrode gelegt werden kann, wodurch diese bedeckt wird, wie in 10 dargestellt. Die Reihe der Täler 70 stellt die Bereiche dar, in denen ein Laser L durch das dünne Pulverbett hindurch auf das Ende der Elektrode gestoßen ist und eine Grube oder Vertiefung irgendeiner Art erzeugt hat. Die Reihe der Spitzen 72 stellt dagegen die Abschnitte der Elektrode dar, die nicht direkt vom Laser getroffen wurden, so dass ein Vorsprung oder eine Spitze an Ort und Stelle geblieben ist. Die Täler 70 und/oder Spitzen 72 können kegelförmig sein. Da die Oberfläche jeder Schicht nicht flach oder eben ist, wie bei herkömmlichen Elektroden, bei denen eine scheiben- oder plattenförmige Spitze einzeln auf die Elektrode aufgeschweißt wird, ist die Fläche zwischen den Schichten der einzelnen Laserabscheidungsschichten 50-60 größer. Anders ausgedrückt: Die Oberfläche einer Schicht, die zahlreiche Erhebungen und Vertiefungen aufweist, ist größer als die entsprechende Oberfläche derselben Schicht, wenn sie vollkommen eben wäre. Einem Beispiel zufolge ist die durchschnittliche Zwischenschichtoberfläche der Zwischenschicht 34' (d. h. die durchschnittliche Oberfläche jeder Laserabscheidungsschicht 50-52 in der Zwischenschicht) größer oder gleich dem 1,8-fachen der Oberfläche der Elektrodenbasis 30', bevor die Spitze geformt wurde, wenn die Elektrodenbasis vollkommen flach wäre.
Die 11-14(B) zeigen eine sogenannte „ganzflächige Verbindung“ zwischen der Elektrodenbasis und der Elektrodenspitze, die durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt werden kann, z. B. durch eines der hier erwähnten oder anderweitig bekannten additiven Fertigungs- oder 3D-Druckverfahren. Wie bereits erwähnt, besteht eine der größten Herausforderungen bei Zündkerzenelektroden, die eine Elektrodenspitze auf Edelmetallbasis haben, in der Befestigung oder Verbindung, die die Elektrodenspitze mit einer Elektrodenbasis verbindet. Zusätzlich zu den Herausforderungen, die sich aus den erheblichen WAK-Unterschieden zwischen den Schichten ergeben, besteht eine weitere Herausforderung bei herkömmlichen Zündkerzen in der Schwierigkeit, die Elektrodenspitze präzise und sicher mit dem Elektrodensockel zu verschweißen. Aufgrund ihrer geringen Größe und ihrer extrem hohen Schmelztemperaturen lassen sich Elektrodenspitzen auf Edelmetallbasis nur schwer an einen Elektrodensockel auf Nickelbasis schweißen. Die in den folgenden Abschnitten beschriebenen Ausführungsformen tragen dazu bei, einige dieser und anderer Herausforderungen zu bewältigen. Es sei darauf hingewiesen, dass alle zuvor beschriebenen Ausführungsformen, Merkmale, Materialien, Techniken usw. auch für die Ausführungsformen der folgenden Abschnitte gelten können.
In 11 ist eine Mittelelektrode 112 mit einer Elektrodenbasis 130, einer Zwischenschicht 134 und einer Elektrodenspitze 132 mit einer Reihe von Laserdepositionsschichten dargestellt, wobei die Zwischenschicht dazu beiträgt, eine ganzflächige Verbindung 136 zwischen der Elektrodenbasis und der Spitze herzustellen. Die Elektrodenspitze 132 wird, wie bereits beschrieben, Schicht für Schicht durch additive Fertigung und/oder 3D-Druck auf der Elektrodenbasis 130 aufgebaut oder errichtet, anstatt dass die Elektrodenspitze bereits ihre endgültige Form hat (z. B. eine Säule, eine Scheibe, ein Ring usw.), wenn sie mit der Elektrodenbasis verschweißt wird, wie es bei bekannten Schweißtechniken nach dem Stand der Technik der Fall ist. In der ganzflächigen Verbindung 136 hat sich zumindest ein Teil des erstarrten Materials der Elektrodenbasis 130 (z. B. ein festes Material auf Nickelbasis, das geschmolzen und wieder erstarrt ist) mit zumindest einem Teil des erstarrten Materials der Elektrodenspitze 132 (z. B. ein pulverförmiges Material auf Edelmetallbasis, das geschmolzen und erstarrt ist) vermischt und/oder durchsetzt. Da die Zwischenschicht 134 und die Elektrodenspitze 132 mit einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden, bei dem ein Laser L auf das Werkstück in axialer Richtung der Mittelelektrode 112 auftrifft, im Gegensatz zum Aufschweißen einer vorgeformten Elektrodenspitze auf die Basis mit einem Laser L' (Laserschweißen nach dem Stand der Technik), das in einer allgemein radialen Richtung erfolgt, kann eine ganzflächige Verbindung 136 gebildet werden. Die ganzflächige Verbindung 136 deckt den größten Teil, wenn nicht sogar die gesamte Fläche oder Grundfläche ab, auf der die Elektrodenspitze 132 mit der Elektrodenbasis 130 verbunden ist, und stellt eine effiziente thermische Verbindung zwischen den beiden Komponenten her. So kann die ganzflächige Verbindung 136 es beispielsweise ermöglichen, dass die an der Funkenfläche der Elektrodenspitze 132 erzeugte Wärme effizient über die Barriere oder Schnittstelle (verschmolzene Grenze) und in die Elektrodenbasis 130 übertragen wird, wo sie besser abgeleitet werden kann. Die ganzflächige Verbindung 136 kann auch eine gleichmäßigere thermische Ausdehnung und/oder Kontraktion aufweisen. Dies wiederum kann den Wärmewiderstand der Zwischenschicht 134 verbessern, so dass die Elektrodenspitze 132 besser mit der Elektrodenbasis 130 verbunden bleiben kann.
12 zeigt ein weiteres Beispiel einer Mittelelektrode 112' mit einer Elektrodenbasis 130', einer Zwischenschicht 134' und einer Elektrodenspitze 132' mit einer Reihe von Laserabscheidungsschichten, außer dass in diesem Beispiel die Zwischenschicht eine ganzflächige Verbindung 136' bildet, die in bestimmten Abschnitten individuell dicker ist. Da der beim additiven Fertigungsverfahren verwendete Laser L im Allgemeinen in axialer Richtung ausgerichtet ist, kann er so gesteuert werden, dass er bestimmte Bereiche der Zwischenschicht 134' aufschmilzt und wieder aufschmilzt, um eine kundenspezifische oder maßgeschneiderte ganzflächige Verbindung 136' zu schaffen. In der Zeichnung ist die Länge jeder Laserlinie repräsentativ für die Gesamtenergiemenge, die der Laser an dieser Stelle auf das Werkstück überträgt. Die Laserlinien L₁ stellen beispielsweise die Bereiche dar, in denen der Laser L mehr Energie auf das Werkstück übertragen hat, entweder durch mehrere Laserzyklen oder -durchgänge, eine längere Dauer pro Laserzyklus, mehr Energie pro Laserzyklus und/oder eine andere Kombination von Techniken. Die Laserlinien L₂ und L₃ stellen dagegen Bereiche dar, in denen der Laser L weniger Energie in das Werkstück eingebracht hat, beispielsweise durch einen einzigen Laserzyklus. Diese Auswirkung lässt sich an der relativen Dicke der ganzflächigen Verbindung 136' an verschiedenen Stellen ablesen; in einem mittleren Abschnitt 150' wurde die Zwischenschicht 134' mehrmals mit dem Laser L₁ aufgeschmolzen und wieder eingeschmolzen, so dass ein dickerer Abschnitt der ganzflächigen Verbindung 136' entsteht; zu einem radial außen liegenden Abschnitt 152' hin wurde die Zwischenschicht 134' möglicherweise nur einmal mit dem Laser L₃ aufgeschmolzen, was zu einem dünneren Abschnitt der ganzflächigen Verbindung 136' führt. Die dünneren und dickeren Abschnitte der ganzflächigen Verbindung 136' können zu einer ungleichmäßigen ganzflächigen Verbindung 136' führen (in diesem Fall ist ihre Querschnittsform eher linsenförmig), was wiederum eine ganze Reihe von thermischen und/oder anderen leistungsbezogenen Faktoren beeinflussen kann. Beispielsweise kann der dickere Mittelabschnitt 150' eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit oder Wärmeableitung in diesem Zielbereich bewirken.
13 zeigt ein anderes Beispiel, nur dass dieses Beispiel auf eine Masseelektrode 118 ausgerichtet ist, die eine Elektrodenbasis 142, eine Zwischenschicht 144 und eine Elektrodenspitze 140 mit einer Reihe von Laserdepositionsschichten aufweist, wobei die Zwischenschicht dazu beiträgt, eine ganzflächige Verbindung 146 zwischen der Elektrodenbasis und der Spitze zu bilden. Auch hier hat das additive Fertigungsverfahren eine Zwischenschicht 144 und/oder eine ganzflächige Verbindung 146 ermöglicht, die für eine bestimmte Anwendung maßgeschneidert ist. In dieser Ausführungsform wurde ein erster Außenbereich 162 geschaffen, indem eine beträchtliche Energiemenge des Lasers L in diesen Bereich geleitet wurde (dargestellt durch die Laserlinien L₄), so dass die Zwischenschicht 144 mehrmals schmilzt und wieder schmilzt, was zu einer dickeren ganzflächigen Verbindung 146 auf der rechten Seite der Baugruppe führt. Ein zweiter Außenbereich 164 wird mit dem Laser L hergestellt, wobei die in diesem Bereich abgegebene Energiemenge (dargestellt durch die Laserlinien L₅) geringer ist als die im ersten Außenbereich 162. Auch hier kann eine ungleichmäßige ganzflächige Verbindung 146 verwendet werden, um die Wärmeleitfähigkeit und/oder andere Eigenschaften in bestimmten Teilen der Elektrode absichtlich anzupassen oder zu verändern.
In 14(A)-(B) ist ein weiteres Beispiel einer Mittelelektrode 112" mit einer Elektrodenbasis 130", einer Zwischenschicht 134" und einer Elektrodenspitze 132" mit einer Reihe von Laserabscheidungsschichten dargestellt. In dieser Ausführungsform wird ein Laser L verwendet, um die Zwischenschicht 134" und die Elektrodenspitze 132" als eine Reihe konzentrischer Segmente 170"-178" aufzubauen. Nachdem die Zwischenschicht 134" gebildet wurde, könnte beispielsweise ein erster Laserzyklus oder -durchgang verwendet werden, um einen Teil der ersten Segmente 170" an einer zentralen Stelle zu bilden. Danach könnte mit einem zweiten Laserzyklus ein zweites Segment 172", dann ein drittes Segment 174" usw. hergestellt werden. Dieser Prozess kann schichtweise oder segmentweise durchgeführt werden. Bei der schichtweisen Herstellung wird eine erste dünne Schicht des ersten Segments 170", dann eine erste dünne Schicht des zweiten Segments 172", dann eine erste dünne Schicht des dritten Segments 174" usw. hergestellt; nachdem für alle Segmente eine erste dünne Schicht hergestellt wurde, wird für alle Segmente eine zweite dünne Schicht, dann eine dritte dünne Schicht usw. gebildet, bis die Elektrodenspitze 132" die gewünschte axiale Höhe erreicht hat. Das Verfahren baut segmentweise eine erste dünne Schicht des ersten Segments 170" auf, dann eine zweite dünne Schicht des ersten Segments, dann eine dritte dünne Schicht des ersten Segments und so weiter, bis das erste Segment 170" die gewünschte axiale Höhe erreicht hat; zu diesem Zeitpunkt baut das additive Fertigungsverfahren das zweite Segment 172" schichtweise auf, dann das dritte Segment 174" schichtweise und so weiter. Die resultierende Elektrodenspitze 132" kann eine Reihe von konzentrischen Kreisen oder anderen Formen 170"-178" aufweisen, die aufgrund des additiven Fertigungs- oder 3D-Druckverfahrens in gewisser Weise miteinander verschmolzen sind. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die verschiedenen konzentrischen Segmente 170"-178" aus unterschiedlichen Materialien (z. B. verschiedenen edelmetallbasierten Pulvern) hergestellt werden, so dass die resultierende Elektrodenspitze 132" eine uneinheitliche Zusammensetzung aufweist, die für eine bestimmte Anwendung maßgeschneidert ist. Wenn die Temperaturen typischerweise in der Mitte der Elektrodenspitze 132" am höchsten sind, könnte das erste Segment 170" beispielsweise einen höheren Anteil an Platin oder Iridium aufweisen als das vierte Segment 176" zum Rand hin, um die Mitte der Elektrodenspitze mit einer zusätzlichen Erosions- und/oder Korrosionsbeständigkeit zu versehen. Natürlich könnten stattdessen auch andere Methoden verwendet werden, um diese und andere Ausführungsformen herzustellen.
In den 15 und 16 sind mehrere bekannte Masseelektrodenbaugruppen dargestellt, bei denen eine vorgeformte Elektrodenspitze auf Edelmetallbasis mit einer Elektrodenbasis auf Nickelbasis (in diesem Fall eine Seitenfläche der Masseelektrode) verschweißt ist. Ausgehend von 15 weist eine Masseelektrodenbaugruppe 200 eine Elektrodenspitze 202 auf, die aus einem Material auf Edelmetallbasis besteht und über eine umlaufende Laserschweißung 206 an einer Seitenfläche einer Elektrodenbasis 204 befestigt ist. In diesem Fall wurde die Laserschweißnaht 206 durch einen Laser L' erzeugt, der genau auf die Schnittstelle zwischen der Elektrodenspitze 202 und der Seitenfläche des Elektrodenfußes 204 gerichtet war, j edoch drang der Laser L' nicht tief genug in das Werkstück ein, um eine Schweiß- oder Schmelzverbindung über die gesamte Schnittstelle zwischen den beiden Komponenten zu erzeugen. Ein nicht verschmolzener Bereich 208 verbleibt in der Mitte der Schnittstelle, so dass die Elektrodenspitze 202 und der Elektrodenfuß 204 an dieser Stelle nicht verschmolzen oder verbunden sind. Die Elektrodenspitze 202 ist also nicht ganzflächig mit dem Elektrodenfuß 204 verbunden.
Im Beispiel von 16 hat die geschliffene Elektrodenanordnung 200' auch eine vorgeformte Elektrodenspitze 202', die aus einem Material auf Edelmetallbasis besteht und an einer Seitenfläche einer Elektrodenbasis 204' befestigt ist. In diesem Fall kann die Genauigkeit des Lasers L' geringfügig abweichen, so dass der Laser L' nicht direkt auf das Werkstück an der Schnittstelle oder Grenze zwischen der Elektrodenbasis 204' und der Spitze 202' auftrifft, sondern etwas oberhalb dieser Schnittstelle auf das Werkstück. Obwohl die Laserschweißnaht 206' im Gegensatz zum vorherigen Beispiel tief genug in das Werkstück eindringt, trifft der Laser L' versehentlich leicht oberhalb der Grenzfläche auf das Werkstück. Die daraus resultierende Schweißnaht 206' kann zu anderen Legierungsformationen führen, als wenn der Laser genau an der Grenzfläche auftrifft, und bei starken thermischen Wechselbelastungen im Betrieb könnte dies dazu führen, dass sich die Elektrodenspitze ablöst. Je kleiner der Laserfokus oder der Laserpunkt ist, desto größer ist im Allgemeinen seine Energiedichte (dies kann dazu führen, dass der Laser L' tiefer in das Werkstück eindringt, um das in 15 dargestellte Problem zu überwinden). Je kleiner jedoch der Laserfokus ist, desto geringer ist der Spielraum für Abweichungen von der Grenzfläche (dies erhöht die Wahrscheinlichkeit des in 16 dargestellten Problems). Automatisierte optische Erkennungs- und Verfolgungswerkzeuge zur Steuerung des Lasers sind möglich, aber ihre Wirksamkeit kann durch schwankende Werkstückoberflächen (z. B. Reflexionen, wechselndes Umgebungslicht usw.) und andere Faktoren beeinträchtigt werden. Die vorangegangenen Beispiele stellen nur zwei Möglichkeiten dar, wie eine Elektrodenspitze 202, 202' unsachgemäß mit einer Elektrodenbasis 204, 204' verschweißt werden kann, so dass keine ganzflächige Verbindung entsteht; diese Beispiele sind nicht Teil der Elektrode der vorliegenden Anwendung.
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 der offengelegten Ausführungsform(en) werden für den Fachmann offensichtlich. Alle diese 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.“, „zum Beispiel“, „wie“ und „wie“ sowie die Verben „aufweisend“, „habend“, „einschließend“ und ihre anderen Verbformen, wenn sie in Verbindung mit einer Aufzählung von einem oder mehreren Bestandteilen 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 in ihrer weitesten, angemessenen Bedeutung auszulegen, es sei denn, sie werden in einem Kontext verwendet, der eine andere Auslegung erfordert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 63/183762 [0001]

Claims

Eine Zündkerzenelektrode (12, 18, 112, 112', 112", 118), die Folgendes aufweist: eine Elektrodenbasis (30, 30', 30", 42", 130, 130', 142); eine Elektrodenspitze (32, 32', 32", 40, 40', 40", 132, 132', 132", 140), die auf der Elektrodenbasis ausgebildet ist und ein Material auf Edelmetallbasis und eine Vielzahl von Laserabscheidungsschichten (50, 52, 54, 56, 58, 60) aufweist, wobei die Laserabscheidungsschichten übereinander gestapelt sind; und eine Zwischenschicht (34, 34', 34", 44', 44", 134, 134', 134", 144), die sich zwischen der Elektrodenbasis und der Elektrodenspitze befindet, wobei die Zwischenschicht einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) aufweist, der zwischen dem der Elektrodenbasis und der Elektrodenspitze liegt.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Zündkerzenelektrode eine Mittelelektrode (12, 112, 112', 112") ist und ferner einen Elektrodenkörper (36) aufweist, die Elektrodenbasis (30, 30', 30", 130, 130', 130") ein integraler Bestandteil des Elektrodenkörpers ist, so dass keine harte Grenze zwischen der Elektrodenbasis und dem Elektrodenkörper existiert, die Zwischenschicht (34, 34', 34", 134, 134', 134") und die Elektrodenspitze (32, 32', 32", 132, 132', 132") auf der Elektrodenbasis durch additive Fertigung gebildet sind, so dass eine verschmolzene Grenze zwischen der Elektrodenspitze und der Elektrodenbasis existiert, und die Zündkerzenelektrode keine Schweißverbindung zwischen im Wesentlichen ungleichen Materialien aufweist.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Zündkerzenelektrode eine Mittelelektrode (12) ist und ferner einen Elektrodenkörper (36) aufweist, die Elektrodenbasis (30, 30', 30") ein vom Elektrodenkörper getrenntes Bauteil ist und mit dem Elektrodenkörper so verschweißt ist, dass eine harte Grenze zwischen der Elektrodenbasis und dem Elektrodenkörper existiert, die Zwischenschicht (34, 34', 34") und die Elektrodenspitze (32, 32', 32") auf der Elektrodenbasis durch additive Fertigung gebildet werden, so dass eine verschmolzene Grenze zwischen der Elektrodenspitze und der Elektrodenbasis existiert, und die Zündkerzenelektrode keine Schweißverbindung zwischen im Wesentlichen ungleichen Materialien aufweist.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material auf Edelmetallbasis ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem Material auf Iridiumbasis mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der zwischen 6×10^-6 m/mK und 7×10^-6 m/mK liegt, und einer Schmelztemperatur, die zwischen 2.400° C und 2.500° C liegt, oder einem Material auf Platinbasis mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der zwischen 8×10^-6 m/mK und 10×10^-6 m/mK liegt, und einer Schmelztemperatur, die zwischen 1.700° C und 1.800° C liegt.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Laserabscheidungsschichten (50, 52, 54, 56, 58, 60) eine durchschnittliche Schichtdicke Y aufweisen, die zwischen 20 µm und 100 µm liegt und die Elektrodenspitze (32, 32', 32", 132, 132', 132") eine Elektrodenspitzenhöhe X aufweist, die zwischen 0,1 mm und 1,0 mm liegt.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenspitze (32, 32', 32", 40, 40', 40", 132, 132', 132", 140) eine Vielzahl von Tälern (70) und eine Vielzahl von Spitzen (72) aufweist, die sich an einer oder mehreren verschmolzenen Grenzen zwischen Laserabscheidungsschichten (50, 52, 54, 56, 58, 60) befinden.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 6, wobei eine durchschnittliche Zwischenschichtfläche der einen oder mehreren miteinander verschmolzenen Grenzflächen größer oder gleich dem 1,8-fachen einer Oberfläche der Elektrodenbasis (30, 30', 30", 42", 130, 130', 142) ist, bevor die Elektrodenspitze (32, 32', 32", 40, 40', 40", 132, 132', 132", 140) gebildet wurde, wenn die Elektrodenbasis vollkommen flach wäre.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenschicht (34, 34', 34", 44', 44", 134, 134', 134", 144) eine ganzflächige Verbindung (136, 136', 146) zwischen der Elektrodenbasis (30, 30', 30", 42", 130, 130', 142) und der Elektrodenspitze (32, 32', 32", 40, 40', 40", 132, 132', 132", 140) aufweist, wobei in der ganzflächigen Verbindung mindestens ein Teil des verfestigten Materials aus der Elektrodenbasis mit mindestens einem Teil des verfestigten Materials aus der Elektrodenspitze vermischt und/oder vermengt ist.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 8, wobei die gesamte Flächenverbindung (136, 136', 146) eine ungleichmäßige Dicke aufweist, so dass sie in einem Abschnitt (150', 162) dicker ist als in einem anderen Abschnitt (152', 164).
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 8 oder 9, wobei die ganzflächige Verbindung (136, 136', 146) eine linsenförmige Form aufweist und einen mittleren Abschnitt (150') und einen radial außen liegenden Abschnitt (152') aufweist, wobei der mittlere Abschnitt in einer axialen Abmessung dicker ist als der radial außen liegende Abschnitt und sich in Richtung einer Mitte der ganzflächigen Verbindung befindet.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 8 oder 9, wobei die ganzflächige Verbindung (136, 136', 146) eine ungleichmäßige Form aufweist und einen ersten Außenabschnitt (162) und einen zweiten Außenabschnitt (164) aufweist, wobei der erste Außenabschnitt auf einer ersten Seite der ganzflächigen Verbindung angeordnet ist und in einer axialen Abmessung dicker ist als der zweite Außenabschnitt, der auf einer zweiten Seite der ganzflächigen Verbindung angeordnet ist.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenspitze (32, 32', 32", 40, 40', 40", 132, 132', 132", 140) mindestens ein erstes Segment (170") und ein zweites Segment (172") aufweist, wobei das erste Segment in Richtung eines Zentrums der Elektrodenspitze angeordnet ist und eine erste Vielzahl von Laserabscheidungsschichten aufweist, wobei das zweite Segment radial außerhalb des ersten Segments angeordnet ist und eine zweite Mehrzahl von Laserabscheidungsschichten aufweist, wobei das zweite Segment konzentrisch zu dem ersten Segment ist.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenschicht (34, 34', 34", 44', 44", 134, 134', 134", 144) und die Elektrodenspitze (32, 32', 32", 40, 40', 40", 132, 132', 132", 140) werden durch additive Fertigung gebildet, bei der ein Pulverbettschmelzverfahren verwendet wird, um Pulver (102) auf Edelmetallbasis mit einem Laser- oder Elektronenstrahl (L) auf die Elektrodenbasis (30') zu schmelzen oder zu sintern und dann das geschmolzene oder gesinterte Pulver erstarren zu lassen.
Eine Zündkerze (10), die Folgendes aufweist: ein Gehäuse (16) mit einer axialen Bohrung; einen Isolator (14), der zumindest teilweise in der axialen Bohrung des Gehäuses angeordnet ist und eine axiale Bohrung aufweist; eine Mittelelektrode (12), die sich zumindest teilweise in der axialen Bohrung des Isolators befindet; und eine an der Schale befestigte Masseelektrode (18); wobei mindestens eine der Mittelelektrode oder der Masseelektrode die Zündkerzenelektrode (12, 18, 112, 112', 112", 118) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.