DE4222500A1

DE4222500A1 - Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Metall und/oder von Bauteilen mit dichtereduzierter Metallbeschichtung im Vakuum, insbesondere im Weltall

Info

Publication number: DE4222500A1
Application number: DE19924222500
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr Selic
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-07-09
Filing date: 1992-07-09
Publication date: 1994-01-13

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Metall und/oder von Bauteilen mit dichte reduzierter Metallbeschichtung im Vakuum, insbesondere im Weltall.

Bezüglich der Errichtung von Weltraumstationen kann es, was die zur Konstruktion benötigten (Gerüst-)Bauteile derartiger Stationen angeht, von Vorteil sein, diese Bauteile nicht auf der Erde sondern im Weltraum zu fer tigen. Dies kann vor allem deshalb gelten, da das er forderliche Transportvolumen für den Transport der Kon struktions-Bauteile reduziert wird, wenn lediglich das Material, z. B. Aluminium, in den Weltraum transportiert wird und dort zu Profilen o. dgl. weiterverarbeitet wird. Die Fertigung im Weltraum bringt aber auch in Bezug auf die mengenmäßigen Materialtransportkosten Vorteile, da sich im Vakuum Bauteile aus dichtereduziertem Material mit einer den Belastungen im Weltraum standhaltenden Festigkeit fertigen lassen, was unter erdatmosphärischen Bedingungen nicht ohne weiteres möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem sich unter Ausnutzung von Vakuum- oder Weltraumbedingungen Bauteile insbesondere zur Konstruktion von Weltraum stationen kostengünstig fertigen lassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Metall und/ oder von Bauteilen mit dichtereduzierter Metallbeschich tung im Vakuum, insbesondere im Weltall, vorgeschlagen, bei dem

- das Metall in einen gasdicht verschlossenen druck festen Ofen mit mindestens einer steuerbaren Aus laßöffnung verbracht wird,
- das Metall in dem Ofen bis zur zumindest partiellen Verdampfung erhitzt wird,
- die mindestens eine Auslaßöffnung geöffnet wird und das flüssige Metall und/oder der Metalldampf in folge des Dampfdrucks im Ofen aus diesem in ein Vakuum außerhalb des Ofens tritt und
- das austretende flüssige Metall und/oder der Metalldampf im Vakuum bis zur Erstarrung des Metalls abkühlt.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Metall, aus dem das Bauteil gefertigt werden soll, in einen druckfesten Ofen verbracht, dessen Beschickungsöffnung gasdicht verschlossen wird. Anschließend wird das Metall in dem Ofen bis zur Verdampfung erhitzt. Vorzugsweise ist dem Ofen vor der Aufheizung ein inertes Gas (z. B. Helium oder Stickstoff) zugeführt worden. Das interne (Schutz-)Gas verleiht dem Innenraum des Ofens einen be stimmten Vordruck, bevor die Erhitzung beginnt. Die Erhitzung erfolgt vorzugsweise mit einer Induktions heizung, die um einen das Metall aufnehmenden Schmelz tiegel herum angeordnet ist. Der Schmelztiegel besteht zweckmäßigerweise aus einem elektrisch nicht leitenden Material, z. B. einem Keramik-Material. Unabhängig von der elektrischen Beschaffenheit des Materials des Ofens sollte seine Schmelztemperatur weit höher liegen als diejenige des Metalls, das in dem Ofen bis zur (zumin dest teilweisen) Verdampfung erhitzt wird. Neben seiner Beschickungsöffnung weist der Ofen auch mindestens eine steuerbare Auslaßöffnung auf. Bei Öffnung dieser min destens einen Auslaßöffnung gelangt das flüssige und/ oder gasförmige Metall aus dem Ofen heraus in das den Ofen umgebende Vakuum. Dabei wird das Metall bis zu seiner Erstarrung abgekühlt.

Zum Betreiben des erfindungsgeinäßen Prozesses ist ledig lich eine Heizquelle erforderlich. Das Ausströmen des Metalls aus dem Ofen erfolgt durch den Verdampfungsdruck innerhalb des Ofens sozusagen von selbst. Der Innendruck des Ofens bei zumindest teilweise verdampften Metall kann durch die Vorbeschickung des Ofens mit inertem Gas wesentlich erhöht werden, da in einem solchen Fall die Druckerhöhung ausgehend von dem Druck des inerten Gases die Druckerhöhung erfolgt.

Die Energie zur Erhitzung des Metall kann durch die Sonnenenergie gewonnen werden. Die thermische Isolation des Ofens erfolgt vorteilhafterweise durch einen Innen verspiegelung. Da im Vakuum ein Wärmeverlust ausschließ lich durch Wärmestrahlung, also nicht durch Wärmekonvek tion erfolgt, sind die Wärmeverluste bei dem erfindungs gemäßen Verfahren relativ gering.

Auch zum Abkühlen des aus der mindestens einen Auslaß öffnung austretenden flüssigen oder dampfförmigen Metalls bedarf es keinerlei auf zubringender Energie. Die Abkühlung erfolgt vorzugsweise entweder infolge der Expansion des Metalls beim Austritt aus dem Ofen, in dem das Metall dem Dampfdruck ausgesetzt ist, ins Vakuum und/oder durch Wärmeabstrahlung. Kühlvorrichtungen sind also nicht erforderlich. Das reduziert den apparativen Aufbau bei der Realisierung des erfindungsgemäßen Ver fahrens.

Vorteilhafterweise wird das austretende flüssige und/ oder gasförmige Metall verdüst und schlägt sich auf einem Trägerkörper nieder. Die mindestens eine Auslaß öffnung ist hierbei als Düse ausgebildet, über die das Metall versprüht wird. Normalerweise handelt es sich bei dem austretenden Metall um einen Zweiphasen-Material strom, der gasförmige und flüssige Anteile aufweist. Das sich niederschlagende Metall scheidet sich als Metallbe schichtung auf dem Trägerkörper ab, die porös ist. Das sich niederschlagende Metall bildet Cluster. Diese Clusterbildung führt zu einer porösen Metallbeschich tung, deren Dichte gegenüber einer "soliden" Metallbe schichtung reduziert ist. Die Dichte und die Festigkeit lassen sich vorteilhafterweise durch Variation des Ab standes des Trägerkörpers von der mindestens einen Aus laßöffnung und durch entsprechende Wahl der in dem Ofen herrschenden Temperatur einstellen. Bei dem Trägerkörper handelt es sich um ein leichtgewichtiges Material, das keine Eigenformstabilität aufweisen muß. Als Trägerkör permaterial eignet sich beispielsweise Folienmaterial. Soll beispielsweise auf die oben beschriebene Art und Weise ein dichtreduziertes Metallrohr hergestellt wer den, kann als Trägerkörper eine zu einem Rohr geformte Folie eingesetzt werden. Dieses Trägerrohr wird der min destens einen Auslaßöffnung gegenüberliegend angeordnet oder an dieser vorbeigeführt und somit dem Metall-Sprüh nebel ausgesetzt. Das Metall schlägt sich an der Außen fläche des Trägerrohres nieder. Auf dem Trägerrohr ent steht so eine poröse Metallschicht ausreichender Dichte und Festigkeit. Das derart gefertigte Rohr mit poröser Metall-Außenbeschichtung kann als Konstruktionselement für beispielsweise Weltraumstationen eingesetzt werden. Der Materialbedarf für das poröse Rohr bzw. Profil ist wesentlich geringer als in dem Fall, in dem das Rohr eine durchgehende Metallbeschichtung aufweist. Auf diese Weise können der Materialbedarf für die Konstruktions elemente reduziert und damit Materialtransportkosten eingespart werden. Bei dem hier beschriebenen Verfahren zur Metallbeschichtung von Trägerkörpern wird die Expan sion des Zweiphasen-Gemisches aus Metalldampf und Metallschmelze ins Vakuum bzw. in den Weltraum und die damit verbundene Abkühlung des Metalls ausgenutzt. Die Dicke der porösen Metallbeschichtung kann durch die Ver weildauer des Trägerkörpers, für die er dem Metall- Sprühnebel ausgesetzt ist, eingestellt werden. Vorzugs weise ist der Ofen mit einer Vielzahl von ventilartigen Auslaßöffnungen versehen, die den zu beschichtenden Oberflächen des Trägerkörpers gegenüberliegend angeord net und gleichmäßig verteilt sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich aber auch ein Strangpressen von Profilen im Vakuum bzw. im Weltall realisieren. Der Dampfdruck im Innern des Ofens sorgt für die erforderliche Kraft zum Herausdrücken des Metalls aus der mindestens einen Austrittsöffnung. Zu sätzliche Druckquellen(stempel-Pressen-Einheiten) sind nicht erforderlich. Auch Kühlvorrichtungen können ent fallen, da die Abkühlung durch Wärmeabstrahlung aus reichend ist.

Vorzugsweise wird die bei der Abkühlung des Metalls und/ oder des Metalldampfes freiwerdende Energie rückgewon nen. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, daß der metallbeschichtete Trägerkörper oder - im Falle des Strangpressens - das Profil nach der Herstellung in eine Kammer o. dgl. verbracht wird, die eine wärmestrahlungs absorbierende Innenbeschichtung und kühlmitteldurchflos sene Wandungen aufweist. Eine andere Möglichkeit der Energierückgewinnung besteht darin, die Kammer auf ihren der Wärmestrahlung ausgesetzten Flächen mit fotoelek trischen Elementen zu versehen, die Wärmerückgewinnung also unter Ausnutzung fotovoltaischer Effekte zu reali sieren. Die rückgewonnene Energie wird vorzugsweise dem Prozeß wieder zurückgeführt und beispielsweise zum Er hitzen des Metalls im Ofen verwendet. Die Rückgewinnung der Abkühlungsenergie hat insbesondere Vorteile bei dem Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens im Weltraum.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine relativ kostengünstige Herstellung von leichtgewichtigen Bau teilen, die den Beanspruchungen für die Konstruktion von Weltraumstationen genügt.

Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungs beispiel der Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung ist im Schnitt eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.

In der Zeichnung sind die wesentlichen Teile einer Vor richtung 10 dargestellt, mit der sich Bauteile mit dichtereduzierter Metallbeschichtung im Weltraum her stellen lassen. Die Vorrichtung 10 weist einen kugel förmigen Ofen 12 auf, dessen Wandung aus einem druck festen (elektrisch nicht leitenden) Material besteht. Bei dem Ofen 12 handelt es sich um einen gasdichten Druckbehälter mit einer verschließbaren Beschickungsöff nung 14. Der kugelförmige Ofen 12 wird von einem im Querschnitt runden Durchlaßkanal 16 diametral durch zogen. Die Wandung des Ofens 12 ist mit zwei einander diametral gegenüberliegenden Öffnungen 18 versehen, die mit dem Durchlaßkanal 16 fluchten. Der Durchlaßkanal 16 ist an seinen stirnseitigen Enden innen mit der Wandung des Ofens 12 gasdicht verbunden. In der Wandung 20 des Durchlaßkanals 16 sind eine Vielzahl von gleichmäßig verteilten Auslaßöffnungen 22 in Form einzelner steuer barer Ventile angeordnet. Bei geöffneten Auslaßöffnungen 22, ist der Innenraum 24 des Ofens 12 mit dem Durchlaß kanal 16 verbunden. In dem Ofen 12 ist ein Tiegel 25 angeordnet, der zu schmelzendes bzw. zu verdampfendes Material aufnimmt. Der Tiegel 25 ist von einer Induk tionsheizung 26 umgeben. Der Tiegel besteht aus elek trisch nicht leitendem Material, beispielsweise aus einem keramischen Material.

An dem Ofen 12 ist eine kugelförmige Kammer 28 ange flanscht. In der Wandung der Kammer 28 sind zwei einan der diametral gegenüberliegende Öffnungen 30 ausgebil det. Eine der beiden Öffnungen 30 fluchtet dabei mit einer der beiden Öffnungen 18 des Ofens 12. Die Kammer 28 weist eine wärmestrahlungsabsorbierende Innenbe schichtung 32 auf und ihre Wandung ist mit einer Kühl mittelleitung 34 versehen. In der Kammer 28 sind bei 36 angedeutete Führungen vorgesehen, deren Bedeutung noch erläutert werden wird.

Der Vorrichtung 10 wird ein Trägerkörper 38 in Form eines dünnwandigen Rohres aus geeignetem Material zuge führt. Der Trägerkörper 38 wird in Richtung des Pfeils 40 durch die der Kammer 28 abgewandte Öffnung 18 des Ofens 12 in den Durchlaßkanal 16 eingeführt. Bei 42 an gedeutete Führungen dienen der Zuführung des Trägerkör pers 38. Innerhalb des Durchlaßkanals 16 erfolgt eine Beschichtung des Trägerkörpers 38 mit über die Ventil- Auslaßöffnungen 22 austretendem Material.

Das Beschichtungsmaterial 45, bei dem es sich um ein Metall handelt, wird in festem Aggregatzustand über die Beschickungsöffnung 14 in den Tiegel 25 des Ofens 12 verbracht. Mit Hilfe der Induktionsheizung 26 wird das Metall 45 bis zur Verdampfung erhitzt, wobei es bis zu diesem Zeitpunkt in dem Schmelztiegel 25 gehalten bleibt. Aufgrund der Schwerelosigkeit bildet sich inner halb des Ofens 12 ein statistisch gleichmäßig verteiltes Zweiphasen-Gemisch mit flüssigen und gasförmigen Be standteilen. Sobald das Metall 45 bis zur Verdampfung erhitzt worden ist und sich ein ausreichend hoher Dampf druck innerhalb des Ofens 12 gebildet hat, öffnen sich die Ventil-Auslaßöffnungen 22 bzw. werden die Ventil- Auslaßöffnungen 22 geöffnet, so daß das Zweiphasen- Gemisch unter Verdüsung in den Durchlaßkanal 16 ein tritt. Innerhalb des Durchlaßkanals 16 trifft es auf die Außenfläche des Trägerkörpers 38, wo es sich nieder schlägt. In dem Durchlaßkanal 16 erfolgt infolge der Expansion des Zweiphasen-Metalls ins Vakuum (die Vor richtung 10 befindet sich im Weltraum) eine Abkühlung des Metalls. Die Abkühlung des Metalls führt zusammen mit seiner Abscheidung zu einer porösen Metallbeschich tung 44 auf dem Trägerkörper 38. Infolge von Cluster bildung des abkühlenden Metalls bildet sich auf der Außenfläche des Trägerkörpers 38 eine Metallbeschich tung, die aufgrund ihrer Porosität eine geringere Dichte aufweist als die Dichte des verwendeten Metalls. Durch weiteres Vorschieben des Trägerkörpers 38 in den Durch laßkanal 16 wird der gesamte Trägerkörper 38 mit einer porösen Metallbeschichtung 44 versehen. Die Ventil-Aus laßöffnungen 22 sind dabei derart gesteuert, daß mit zunehmender Einführung des Trägerkörpers 38 in den Durchlaßkanal 16 stets diejenigen Ventil-Auslaßöffnungen 22 geöffnet sind, denen gegenüber der Trägerkörper 38 oder ein Teil von diesem liegt. Der Abstand zwischen den Ventil-Auslaßöffnungen 22 und der Oberfläche des Träger körpers 38 bestimmt zusammen mit der Temperatur aus den Auslaßöffnungen 22 austretenden Zweiphasen-Gemisches die Dichte und Festigkeit der Metallbeschichtung 44. Der Abstand ist ausschlaggebend dafür, wie stark das Zwei phasen-Gemisch bereits abgekühlt ist, wenn es auf den Trägerkörper 38 auftrifft.

Die Vorrichtung 10 kann auch derart ausgestaltet sein, daß der Trägerkörper 38 zunächst vollständig in den Durchlaßkanal 16 eingeführt werden muß, bevor die Be sprühung mit dem Metall-Zweiphasen-Gemisch beginnt. Ferner kann eine Konstruktion vorgesehen sein, die es erlaubt, den Abstand der Ventil-Auslaßöffnungen 22 zum zu beschichteten Trägerkörper 38 zu verändern. Durch Regelung der Temperatur zusammen mit der Einstellung des Abstandes zwischen Ventil-Auslaßöffnungen 22 und Träger körper 38 läßt sich also die Dichte und Festigkeit der porösen Metallbeschichtung des Trägerkörpers 38 einstel len. Über die Geschwindigkeit, mit der der Trägerkörper 38 in Richtung des Pfeils 40 vorbewegt wird, läßt sich die Verweildauer des Trägerkörpers 38 in dem Durchlaß kanal 16 einstellen; auf diese Weise ist es möglich, die Dicke der Metallbeschichtung zu beeinflussen.

Nachdem die Metallbeschichtung des Trägerkörpers 38 er folgt ist, wird dieser über die Öffnungen 18, 30 in die Kammer 28 eingebracht. In dieser Kammer 28 erfolgt die Abkühlung der Metallbeschichtung 44 auf dem Trägerkörper 38. Wegen der Weltraumbedingungen (Vakuum in der Kammer 28) erfolgt die Abkühlung in der Kammer 28 ausschließ lich durch Wärmeabstrahlung. Die abgestrahlte Wärme wird von der Innenbeschichtung 32 absorbiert, wodurch sich die Wandung der Kammer 28 aufheizt. Diese bei der Abküh lung freiwerdende Energie wird über ein Medium, das die Kühlmittelleitung 34 durchströmt, abgeführt und kann, gegebenenfalls nach Umwandlung, dem Prozeß wieder zuge führt werden.

Die Vorrichtung 10 kann mit Solarenergie versorgt wer den. Anhand des Beispiels der Erhitzung von Aluminium bis zur Schmelze soll dies nachfolgend erläutert werden. Die Schmelzenergie für 1000 kg Aluminium beträgt ca. 6 10⁵ KJ. Aufgrund der im Weltraum herrschenden Sonnen strahlung ergibt sich eine Leistung von 1,3 KW/m². Unter der Vorgabe, daß das Aluminium innerhalb einer Stunde geschmolzen werden soll, ergibt sich eine Fläche von 128 m² an Solarpanels. Die obigen Überlegungen schließen Verluste und Wirkungsgrade nicht mit ein. Sie sind lediglich dazu gedacht, zu belegen, daß sich die Vor richtung 10 grundsätzlich mit Solarenergie speisen läßt. Die Wärmeverluste innerhalb der Vorrichtung 10 können beispielsweise dadurch reduziert werden, daß der Ofen 12 innenverspiegelt wird. Durch die Zurückführung des weit aus größten Teils der Energie durch Rückgewinnung der beim Abkühlen freiwerdenden Energie in der Kammer 28 verbessert sich die Energiebilanz für den Betrieb der Vorrichtung 10. Eine weitere Maßnahme zur Reduzierung von Energieverlusten besteht darin, den Ofen 12 ther misch zu isolieren, was beispielsweise durch eine Ver spiegelung der Innenseite des Ofens 12 erfolgen kann.

Der Einsatz der Vorrichtung 10 ist Weltraum erlaubt darüber hinaus die Beschichtung von Trägerkörpern bzw. die Herstellung beliebiger Legierungen. Wegen der Schwerelosigkeit vermischt sich das aus den Auslaß öffnungen austretende Gemisch ideal homogen nach der Braunschen Molekularbewegung.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Metall und/oder von Bauteilen mit dichtereduzierter Metallbeschichtung im Vakuum, insbesondere im Welt all, vorgeschlagen, bei dem

- das Metall in einen gasdicht verschlossenen druckfesten Ofen (12) mit mindestens einer steuerbaren Auslaßöffnung (22) verbracht wird,
- das Metall in dem Ofen (12) bis zur zumindest partiellen Verdampfung erhitzt wird,
- die mindestens eine Auslaßöffnung (22) geöffnet wird und das flüssige Metall und/oder der Metalldampf infolge des Dampfdrucks im Ofen (12) aus diesem in ein Vakuum außerhalb des Ofens (12) tritt und
- das austretende flüssige Metall und/oder der Metalldampf im Vakuum bis zur Erstarrung des Metalls abkühlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Metall und/oder der Metalldampf durch Expansion ins Vakuum beim Austritt aus der mindestens einen Austrittsöffnung (22) abgekühlt und versprüht wird und als poröse Metallbeschich tung (44) auf einen Trägerkörper (38) niederge schlagen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Trägerkörpers (38) von der min destens einen Auslaßöffnung (22) und die Er hitzungstemperatur im Ofen (12) zur Variation der Dichte und Festigkeit der porösen Metallbeschich tung (44) verändert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Metall bei Aus tritt aus der mindestens einen Austrittsöffnung (22) durch Wärmeabstrahlung bis zur Erstarrung ab gekühlt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Abkühlung des flüs sigen Metalls und/oder des Metalldampfes freiwer dende Energie rückgewonnen und dem Prozeß wieder zugeführt wird, vorzugsweise zum Erhitzen des Ofens (12) verwendet wird.