Trägermaterial zur Herstellung von Werkstücken
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks mit mindestens einer Kavität, Ausnehmung, Aussparung, einem Hohlraum, einer Hinterschneidung oder einem sonstigen nicht ausgefüllten Anteil, und ein dazu geeignetes Trägermaterial .
Werkstücke mit nicht ausgefüllten Anteilen, wie Kavitäten, Aussparungen, Ausnehmungen, Hinterschneidungen, Hohlräumen usw., können mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Nicht ausgefüllte Anteile wie beispielsweise Kavitäten, Aussparungen, Ausnehmungen, Hinterschneidungen, Hohlräume usw. werden der Einfachheit halber im folgenden generell als „Freiraum" bezeichnet, wobei dieser Ausdruck auch Räume umfasst, die nicht allseitig von einer Wand umgeben sind, wie Hinterschneidungen.
Bei einem zur Herstellung komplexer Formen geeigneten Verfahren werden nacheinander Schichten, die den Körper aufbauen, aufgespritzt. An den Stellen, an denen im fertigen Körper ein Freiraum entstehen soll, wird ein Material verwendet, das nach Fertigstellung des Körpers herausgenommen werden kann. Damit ein Material für derartige Verfahren eingesetzt werden kann, muss es nach Fertigstellung des Körpers zur Bildung des Freiraums entfernbar sein, wobei die Entfernung einfach und kostengünstig erfolgen muss.
In der Regel handelt es sich um lösliches Material, das nach Abschluss der Formgebung herausgelöst werden kann. Die Verwendung von wasserhaltigen Medien, die leicht verfügbar sind und leicht zu entsorgen sind, ist daher erwünscht.
Das als „Platzhalter" verwendete herauslösbare Material wird auch als „verlorener Kern" oder „verlorene Form" bezeichnet.
Ein für verlorene Kerne verwendbares Material muss diverse Anforderungen erfüllen, es muss unter anderem mechanische und thermische Belastungen aushalten. Diese Anforderungen werden von den für verlorene Kerne wünschenswerten wasserlöslichen Salzen nicht erfüllt. Obwohl Salze ein interessantes Material sind im Hinblick auf ihre Löslichkeit und Verfügbarkeit, ist ihr Einsatz aufgrund ihrer Sprödigkeit bei Verfahren, die mechanisch beanspruchen, wie thermisches Spritzen, Kaltgasspritzen, oder Kompaktieren nicht möglich. Die Salze können aufgrund ihrer Sprödigkeit der mechanischen Belastung, die bei derartigen Verfahren entsteht, nicht widerstehen.
Für diesen Fall muss daher ein anderes Material gefunden werden, das einerseits mechanische Belastungen bei der Herstellung des Werkstücks ohne Beschädigung aushält, andererseits aber nach Fertigstellung entfernbar ist, ohne das Werkstück zu zerstören.
In DE 19 716 524 wird vorgeschlagen, zur Herstellung von Körpern mit wenigstens einem Hohlraum einen wasserlöslichen Kern aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung bereitzustellen. Gegenstand dieser Anmeldung ist es, solche Magnesium- oder Aluminiumlegierungen zu verwenden, deren Oxidgehalt so eingestellt wird, dass einerseits die mechanische Festigkeit ausreichend hoch ist und andererseits die Löslichkeit ausreicht, um anschließend den Kern herauslösen zu können. Zur Erfüllung dieser Aufgabe war es notwendig, Legierungen zu verwenden und diesen einen hohen Anteil an Oxiden zuzusetzen.
Nach Fertigstellung des Formkörpers soll diese Legierung dann mit Wasser oder einer sauren oder basischen Lösung herausgelöst werden. Es wurde gefunden, dass dieses bekannte Material nicht für alle Formgebungsverfahren geeignet ist.
Es war nun Aufgabe der Erfindung, ein Trägermaterial bereitzustellen, das in nahezu jede beliebige Form gebracht werden kann, für nahezu jedes Formverfahren zur Bildung verlorener Kerne einsetzbar ist, nach Fertigstellung der Form mit vertretbarem Aufwand und im Wesentlichen ohne Schädigung des Formkörpers entfernbar ist und dessen Entfernung die Umwelt möglichst wenig belastet. Das Material soll auch entfernbar sein, wenn es sich um sehr komplexe oder sehr filigrane Formen, z.B. enge Kanäle handelt.
Darüberhinaus war es Aufgabe der Erfindung ein Material bereitzustellen, das auch mit thermischen Spritzverfahren, insbesondere kinetischem Spritzen oder Kaltgasspritzen, verarbeitbar ist, das somit mechanisch ausreichend belastbar ist und leicht verfügbar ist.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Trägermaterial, das als Platzhalter beim Aufbau von Werkstücken mit mindestens einem Freiraum verwendet werden kann, das aus einem
korrodierbaren Material besteht, wobei das korrodierbare Material eine Mischung oder Legierung aus Magnesium und mindestens eine weitere Metallkomponenteist, deren Normalpotenzialpotenzial unter Reaktionsbedingungen größer als das von Magnesium ist, wobei das Material mit einem mechanisch belastenden Verfahren kompaktiert worden ist.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass ein korrodierbares Material, das Magnesium und ein weitere Metallkomponente mit einem bei Reaktionsbedingungen höheren Normalpotenzialpotenzial enthält, bei Kontakt mit Wasser oder einem wässrigen Medium seine Struktur sehr schnell verliert, wobei das Magnesium sich auflöst und weitere vorhandene Metalle ggf- zumindest teilweise in Partikelform übrig bleiben. Das erfindungsgemäße Material hat eine Struktur, die eine Kombination interessanter Eigenschaften in sich vereint. Einerseits bietet das Material ausreichende Festigkeit, um in verschiedensten Verfahren als Platzhalter dienen zu können, der auch eine mechanische und thermische Beanspruchung aushält, die z.B. im Rahmen der Formgebung und/oder Bearbeitung erfolgt. Andererseits zersetzt sich bei Kontakt mit einer korrodierenden Flüssigkeit das Material sehr schnell .
In der vorliegenden Beschreibung wird dabei unter „Korrosion" jede elektrochemische Reaktion von Magnesium mit einem flüssigen Medium in Gegenwart einer weiteren Metallkomponente mit einem höheren Normalpotenzial verstanden, die zu einer weitgehenden oder vollständigen Auflösung des Magnesiums unter Gasbildung führt. Als korrodierendes Medium wird eine ionenhaltige Flüssigkeit bezeichnet, die Magnesium aufgrund einer elektrochemischen Reaktion in Gegenwart einer weiteren Metallkomponente mit einem höheren Normalpotenzial löst.
Der Ausdruck „höheres Normalpotenzial" bezieht sich dabei immer auf das Normalpotenzial einer Metallkomponente im
Vergleich zu Magnesium unter den Reaktionsbedingungen (in
Bezug auf Temperatur, Druck, Art und Menge der Ionen in der
Lösung etc.) und nicht auf die Stellung in der Spannungsreihe .
Die korrodierende Reaktion von Magnesium und dem korrodierenden Medium verläuft in Gegenwart einer weiteren Metallkomponente. Der Ausdruck „Metallkomponente" bezeichnet insbesondere Metalle oder Metalllegierungen, die die Korrosionsreaktion von Magnesium begünstigen.
Die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Materials entstehen einerseits durch die metallischen und mechanischen Eigenschaften des Magnesiums und weiterer Metallkomponenten und andererseits durch die Korrosionsfähigkeit des Magnesiums unter bestimmten Bedingungen.
Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass durch eine mechanisch belastende Verarbeitung des erfindungsgemäßen magnesiumhaltigen Materials, die z.B. bei der Formung des Platzhalters auftritt, z.B. eine Kompaktierung, die das Magnesiummetall schützende Magnesiumoxid- bzw. -hydroxidschicht so gestört wird, dass anschließend bei Kontakt mit einer korrodierenden Flüssigkeit die Magnesiumpartikel bzw. die Magnesiumstruktur sehr leicht angegriffen werden, was zu schneller Korrosion führt. Andererseits wird durch die kompaktierende Verarbeitung die weitere, edlere Komponente in so engen Kontakt mit dem Magnesium oder der Magnesiumlegierung gebracht, dass die korrodierende Reaktion sehr schnell erfolgen kann.
Es wurde gefunden, dass bei einem Metallpulver, das Magnesium und eine weitere Metallkomponente, die bei den Reaktionsbedingungen ein höheres Normalpotenzial als Magnesium besitzt oder in anderen Worten edler als Magnesium
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ist, bei Kontakt mit einem korrodierenden Medium, in der Regel Wasser oder ein wässriges Medium, in der gewünschten Geschwindigkeit Auflösung eintritt. Besonders ausgeprägt ist diese Reaktion, wenn als korrodierendes Medium eine stark ionenhaltige Lösung verwendet wird. Diese an sich bekannte Korrodierbarkeit wird erfindungsgemäß dazu ausgenutzt, um ein Trägermaterial nach Fertigstellung eines Werkstücks in einfacher Weise und relativ umweltschonend zu entfernen.
Dazu wird das Trägermaterial nach Fertigstellung des Werkstücks zur Entfernung des Platzhalters mit einem korrodierenden Medium in Kontakt gebracht, wobei sich Magnesium löst und das nicht gelöste Trägermaterial zusammen mit dem magnesiumhaltigen Medium anschließend aus der gebildeten Form herausgespült wird.
Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass durch die Kompaktierung der Metallpulver ein Material entsteht, dessen Partikel ausreichend Kontakt haben, um eine elektrochemische Reaktion zu begünstigen. Gleichzeitig wird möglicherweise durch Belastung bzw. Verformung die die Teilchen umhüllende Schutzschicht soweit aufgebrochen, dass die Reaktion stattfinden kann und nicht gehemmt wird. Jedenfalls wurde festgestellt, dass dann, wenn die Metallpulver in kompaktierter Form vorliegen, mit einem korrodierenden Medium, in der Regel Wasser oder ein wässriges Medium, die Auflösung in der gewünschten Geschwindigkeit erreicht wird. Insbesondere kann mit dem erfindungsgemäßen Trägermaterial die Geschwindigkeit der Auflösungsreaktion gezielt eingestellt werden. Wenn demgegenüber Pulvermischungen mit hoher Porosität eingesetzt werden, die sich bei Zusatz von Wasser vollsaugen, kann ein unkontrollierbarer Reaktionsverlauf die Folge sein.
Bevorzugt wird daher erfindungsgemäß ein Material verwendet, dessen Porosität nicht höher als 20 Vol.-%, bevorzugt nicht
höher als 5 Vol.-% ist. In einer besonders geeigneten Ausführungsform ist die Porosität kleiner als 1 %.
Wird ein erfindungsgemäßes Material, d.h. eine Magnesium enthaltende Mischung oder Legierung, das zuvor kompaktiert worden ist, mit einem korrodierenden Medium, bevorzugt einem leitfähigen wässrigen Medium in Kontakt gebracht, so löst sich das Magnesium zumindest weitestgehend auf. Erfindungsgemäß wird diese Wirkung ausgenutzt, um ein Trägermaterial nach Fertigstellung eines Werkstücks zu entfernen, indem die Mischung mit einem korrodierenden Medium in Kontakt gebracht wird und Trägermaterial und Medium, das das Magnesium gelöst enthält, anschließend aus der gebildeten Form herausgespült werden.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass auf diese Weise mechanisch hochbelastbares Material in Form von Metallpulver als Trägermaterial eingesetzt werden kann und nach Fertigstellung leicht entfernbar ist. Dieses Material ist vielfältig einsetzbar, insbesondere als verlorener Kern für die unterschiedlichsten Verfahren. Besonders gut geeignet ist das erfindungsgemäße Trägermaterial für die Herstellung von Werkstücken mit Kavitäten, Aussparungen, Ausnehmungen, Hinterschneidungen und Hohlräumen, insbesondere zur Herstellung von Hohlkörpern oder Werkstücken mit Hinterschneidungen unter Anwendung von thermischen Spritzverfahren.
Die Geschwindigkeit der Auflösung des Magnesiums ist abhängig von verschiedenen Faktoren, sodass es mit Routinemaßnahmen möglich ist, das jeweils optimale Material bzw. die optimalen Bedingungen herauszufinden und einzusetzen. Zu den Faktoren, die die Auflösung beeinflussen, gehören die Temperatur, die Kombination der Metalle, Art und Menge der in dem zur Auflösung verwendeten Medium enthaltenen Ionen,
Flächenverhältnisse und mechanische Beanspruchung der Oberflächen sowie die WasserstoffÜberspannung.
Die Temperatur ist ein wichtiger Parameter, da die Reaktion umso schneller verläuft, je höher die Temperatur ist. Die elektrochemische Reaktion der Metalle mit Wasser ist exotherm. Die Geschwindigkeit der Auflösung kann daher, falls notwendig oder erwünscht, eingestellt werden, indem die Temperatur der Reaktion kontrolliert wird. So kann die Reaktion durch Zuführung von Wärme und/oder ggf. durch Ableitung von Wärme angepasst werden. Zuführung und Abführung von Wärme erfolgen im einfachsten Fall durch Verwendung von entsprechend temperiertem Medium als Lösungsmittel.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Kombination der in dem Trägermaterial angewendeten Metalle. Erfindungsgemäß wird eine Magnesiumlegierung oder eine Mischung von Magnesium mit mindestens einer weiteren Metallkomponente eingesetzt. Je nach zugefügten Metallen ist die Magnesium korrodierende Reaktion stärker oder weniger stark. Durch Auswahl des oder der weiteren Metalle kann daher die Schnelligkeit der Auflösung beeinflusst werden.
Es hat sich herausgestellt, dass Magnesium bereits alleine unter bestimmten Bedingungen, unter anderem wenn es ionenhaltiger Lösung ausgesetzt wird, zu Korrosion neigt. Die Korrosivität kann jedoch noch erhöht werden, wenn mindestens ein weitere Metallkomponente, die in Bezug auf Magnesium edler ist, d.h. ein höheres Standardpotenzial bzw. Normalpotenzial als Magnesium hat, zulegiert oder zugemischt wird. Jedes Metall, das unter den Bedingungen der durch Zugabe des korrodierenden Mediums erfolgenden Korrosionsreaktion ein höheres Normalpotenzial als Magnesium hat, ist daher für das erfindungsgemäße Trägermaterial geeignet. Einen besonders hohen Einfluss auf die Korrosivität haben Metalle mit niedriger Wasserstoffüberspannung und
insbesondere die Metalle Eisen, Nickel und Kupfer, die daher in dem erfindungsgemäßen Trägermaterial bevorzugt einzeln oder in Kombination mit dem Magnesium gemischt bzw. legiert vorliegen. Besonders bevorzugt wird eine Kombination aus Magnesium und Eisen verwendet.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist die mechanische Beanspruchung des Trägermaterials. Das erfindungsgemäße Trägermaterial wird aus Magnesium und mindestens einer weiteren Metallkomponente durch Kompaktierung hergestellt. Es wurde gefunden, dass dann, wenn vor oder bei der Formung das Material und damit die einzelnen Partikel stark beansprucht werden, die Korrosion sehr schnell voranschreitet. Dies dürfte, ohne an eine Theorie gebunden zu sein, darauf zurückzuführen sein, dass durch die Beanspruchung gegebenenfalls vorhandene das Magnesium schützende Hydroxidoder Oxidschichten gestört oder zerstört werden, sodass der korrodierende Angriff danach schneller und heftiger erfolgen kann.
Als besonders geeignet hat sich eine Verarbeitung der Mischung bzw. Legierung aus mindestens zwei Metallen oder aus Magnesium und einer Metallkomponente, bevorzugt in Form ihrer Pulver, durch thermisches Spritzen erwiesen. Bei einer Verarbeitung mit thermischen Spritzen werden die einzelnen Partikel kompaktiert und daher in sehr engen Kontakt gebracht. Dieser Verfahrensschritt ist daher besonders geeignet, wenn eine Kombination aus mindestens zwei Metallpulvern, von denen eines Magnesium ist, eingesetzt wird. Darüberhinaus reduziert diese Behandlung die Porosität.
Ein weiterer Faktor, der die Korrosionsreaktion beschleunigen kann, ist der Anteil an Ionen und die Aktivität der Ionen, die in dem korrodierenden, bevorzugt wässrigen Medium, das zur Auflösung verwendet wird, enthalten sind. Es wurde gefunden, dass die Korrosion und damit Auflösung des
Magnesiums umso schneller erfolgt, je mehr aktive Anionen zur Verfügung stehen. Besonders reaktiv in diesem Zusammenhang sind unter anderem Chlorid-, Nitrat- und Sulfationen. Diese Ionen führen zur Bildung leicht löslicher Magnesiumsalze, die die Auflösung beschleunigen.
Weiteren Einfluss auf die Korrosionsreaktion hat die Leitfähigkeit der wässrigen Lösung, die wiederum durch den Anteil an Ionen beeinflussbar ist. Ein wässriges Medium mit hoher Leitfähigkeit bzw. einem hohen Anteil an Ionen führt zu einer schnellen Auflösung. Bevorzugt werden daher stark ionenhaltige wässrige Medien zur Auflösung verwendet. Am meisten bevorzugt wird aufgrund ihrer Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit eine kochsalzhaltige Lösung verwendet. Meerwasser ist beispielsweise ein sehr gut geeignetes Medium. Aus wirtschaftlichen und Umweltgründen ist auch ionenhaltiges Abwasser aus anderen Prozessen sehr vorteilhaft, das auf diese Weise sehr gut verwertet werden kann.
Ein weiterer Faktor, der Einfluss auf die Korrosionsreaktion hat, ist das Flächenverhältnis von anodisch wirkenden Partikeln zu kathodisch wirkenden Partikeln und der Abstand zwischen anodisch und kathodisch wirkenden Partikeln. Der geringe Abstand zwischen Anode und Kathode kann durch die kompaktierende Verarbeitung hergestellt werden, die die Struktur des erfindungsgemäßen Trägermaterials erzeugt. Einfluss auf diesen Faktor hat auch der Anteil der einzelnen Komponenten.
Auch die WasserstoffÜberspannung hat Einfluss auf die Korrosion. Es wurde gefunden, dass in Kombination mit Magnesium Metalle mit niedriger Wasserstoffüberspannung effektive Kathoden darstellen und daher die Reaktion begünstigen. Zu Metallen mit niedriger Wasserstoffüberspannung gehören Nickel, Kupfer und Eisen, die daher bevorzugt sind.
Ein weiterer Faktor, der die Auflösungsgeschwindigkeit und den Ablauf der Reaktion beeinflusst, ist die Bewegung des Mediums. Wenn das Medium nach Beginn der Reaktion bewegt wird, wird die Bildung einer geschlossenen Deckschicht aus Magnesiumhydroxid über den Magnesiumpartikeln behindert, sodass die Korrosion wiederum weiter gefördert wird.
Erfindungsgemäß wird es daher möglich, durch Einstellung der oben genannten Faktoren den Verlauf der das Magnesium auflösenden Reaktion gezielt einzustellen. Damit kann die Geschwindigkeit dem Verfahren angepasst werden, wobei einer der oben genannten Faktoren oder mehrere eingestellt werden können .
Zur Erläuterung der Herstellung eines Werkstücks mit dem erfindungsgemäßen Trägermaterial wird auf das Spritzverfahren Bezug genommen, ohne die Erfindung hierauf einzuschränken. Aufgrund seiner ausgezeichneten mechanischen und chemischen Eigenschaften ist das erfindungsgemäße Trägermaterial für formgebende Verfahren beliebiger Art anwendbar. Das erfindungsgemäße Material zeichnet sich insbesondere durch seine Formbarkeit, Zerspanbarkeit , konturengetreue Schichtbildung, Abbildungseigenschaften und Verträglichkeit mit anderen Materialien aus. Es kann vorteilhaft besonders dann eingesetzt werden, wenn Formen durch Schichtenaufbau gebildet werden, die dann mechanisch nachbearbeitet werden zur Bildung einfacher und komplexer, auch filigraner Körper, die als Platzhalter für jede Art von Freiraum, incl. Hinterschneidungen in Materialien beliebiger Art dienen. Komplexe oder filigrane Formen können durch mechanische Bearbeitung, in der Regel spanende Bearbeitung, aus dem Material gebildet werden. Die aus dem erfindungsgemäßen Trägermaterial gebildeten Schichten folgen dem Untergrund, auf den sie aufgetragen werden, konturentreu und bleiben dort haften. Das erfindungsgemäße Material kann daher vielfältig eingesetzt werden.
Wenn Werkstücke mit einem Freiraum durch Spritzen hergestellt werden, wird der Körper schichtweise aufgebaut und in den Bereichen, die später den Freiraum oder die Hinterschneidung bilden sollen, das erfindungsgemäße Material aufgetragen, das nach Fertigstellung des Werkstücks herausspülbar ist. Die das Trägermaterial bildende Mischung bzw. Legierung wird so verarbeitet, dass aus den Metallpulvern oder der Legierung ein kompaktiertes Material entsteht, das auch in gesinterter Form vorliegen kann. Wichtig ist, dass die Metallpartikel der mindestens zwei Metalle in innigem Kontakt miteinander sind.
Selbst wenn es sich um „echte" Legierungen handelt, ist die Kompaktierung wichtig. Als Legierungen werden Materialien bezeichnet, die aus mindestens zwei Komponenten aufgebaut sind und mindestens ein Metall enthalten, wobei der zweite Legierungsbestandteil in dem Metall entweder gelöst und darin homogen verteilt ist, oder aber nur begrenzt gelöst ist, sodass eine legierungsreichere zweite Phase entsteht. In jedem Fall handelt es sich, wenn der zweite oder weitere Legierungsbestandteil auch metallisch ist, um intermetallische Verbindungen, d.h. Atome des einen Metalls sind in die Matrix des anderen Metalls eingebaut. Die makroskopischen Eigenschaften der Legierung unterscheiden sich von denen der einzelnen Metallpulver. Erfindungsgemäß wesentlich ist, dass ein kompaktiertes Material eingesetzt wird, da dieses die Reaktivität und den engen Kontakt liefert, die für die Korrosionsreaktion notwendig sind.
Das erfindungsgemäße Trägermaterial enthält Magnesiumpulver und mindestens ein weiteres Pulver aus verglichen mit Magnesium edlerem Metall oder Metallverbindung; bevorzugt besteht es im Wesentlichen nur aus Magnesium und Metall oder Metallpulver. Aufgrund der Potenzialdifferenz dieser beiden Komponenten kommt es bei Zugabe eines korrodierenden Mediums, insbesondere von Wasser oder einem wässrigen Medium zu einer
Redoxreaktion, die dazu führt, dass sich das Magnesium als unedleres Metall auflöst.
Es kann zusätzlich zu den Metallen eine weitere Komponente enthalten sein, die weitere gewünschte Eigenschaften beiträgt. Diese Komponente kann ausgewählt werden aus den unterschiedlichsten Materialien, mit dem Vorbehalt, dass sie weder den Aufbau der Struktur noch die elektrochemische Zersetzung derselben stört. So kann zum Beispiel ein weiteres bezüglich der elektrochemischen Reaktion inertes Material zugefügt werden, das Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften hat, z.B. kann ein härteres Material als dritte Komponente zugesetzt werden, um die Haftung beim kinetischen Kompaktieren zu verbessern. Weiterhin ist es auch möglich als weitere Komponente ein die elektrochemische Reaktion katalysierendes Material zuzufügen, um Start und/oder Verlauf der Reaktion zu beeinflussen. Es kann sich um die Pulver bei der Lagerung phlegmatisierende Stoffe handeln, wie z.B. Kalk, mit dem Vorbehalt, dass sie die elektrochemische Reaktion nicht in schädlicher Weise beeinflussen. Falls eine weitere Komponente für das erfindungsgemäße Trägermaterial verwendet wird, sollte ihr Anteil 25 Volumenprozent nicht übersteigen. Die jeweils am besten geeignete Menge kann vom Fachmann durch Routineversuche festgestellt werden. Der Anteil darf nicht so hoch sein, dass er die Ausbildung der Struktur und den Verlauf der Reaktion stört. Andererseits muss die Menge ausreichend sein, um den gewünschten Effekt zu erzielen.
Die Metallpulver, die das erfindungsgemäße Material aufbauen, sind bezüglich der Korngröße und Kornform variabel. Die Form der Partikel ist unkritisch, es kommen sowohl kugelförmige als auch Flake-artige oder sonstige Formen in Betracht. Die Partikelgröße ist unkritisch, mit dem Vorbehalt, dass die Partikel nicht größer als der auszufüllende Freiraum sein dürfen. Beim thermischen Spritzen können Partikel mit einer
Große bis zu ca. 0,5 mm verarbeitet werden. Bevorzugt werden Partikel mit bis zu 0,25 mm verwendet.
Auch über die Partikelgroße der Pulver kann das Auflosungsverhalten beeinflusst werden, sodass für jede Anwendung das optimal geeignete Material mit Routineversuchen gewählt werden kann. Weiterhin können Kompaktierungsverhalten und Struktur durch Auswahl der Partikelgroßen der beiden Pulver und deren Verhältnis beeinflusst werden. Die Partikelgroße kann daher gezielt für ein Pulver oder beide so ausgewählt werden, dass die gewünschten Eigenschaften bezüglich Struktur und Auflosung entstehen.
Wenn das Werkstuck fertig aufgebaut ist, wird ein korrodierendes Medium zugefugt. Das korrodierende Medium kann jede Flüssigkeit sein, die die Korrosionsreaktion unterstutzt. In der Regel ist es ionenhaltiges Wasser oder eine wassrige Losung, die die Redoxreaktion in Gang setzt oder fordert, durch die das Magnesium oxidiert wird, Hydroxidionen und gleichzeitig Wasserstoff entstehen. Dadurch lost sich ein Teil des Tragermaterials auf, die Struktur wird zerstört und die nicht gelosten Partikel werden freigesetzt. Diese Partikel werden dann zusammen mit der Losung, die das Magnesium gelost enthalt, herausgespult. Durch die Gasentwicklung entsteht genug Bewegung, um die Reaktion in Gang zu halten, sogar wenn es sich um enge Kanäle oder filigrane Kavitaten handelt.
Bei der erfindungsgemaßen elektrochemischen Reaktion kann sich der pH-Wert in den sauren oder basischen Bereich verschieben, je nach eingesetztem Material und Medium. Wenn daher zur Herstellung des Werkstucks ein bei sauren oder basischen pH-Werten korrosionsanfälliges Material eingesetzt wird, kann dieses geschützt werden, indem Tragermaterial und/oder korrodierendes Medium entsprechend so ausgewählt werden, dass die Korrosion des Werkstuckmaterials vermieden
wird. So ist z.B. die Entstehung einer basischen Lösung dann vorteilhaft, wenn das den Formkörper bildende Material Stahl ist, da die basische Lösung hier gleichsam als Rostschutz wirkt. Für andere Werkstoffe kann ein leicht saurer pH-Wert, der durch das eingesetzte Medium erzielt werden kann, vorteilhafter sein.
Erfindungsgemäß wird somit ein Trägermaterial bereitgestellt, das sich nicht vollständig auflöst, sondern dessen Struktur bei Kontakt mit Wasser zerstört wird, da nur ein Teil gelöst wird, der allerdings ausreicht, um das gesamte Material herauszuspülen. Hierzu sind mindestens Magnesium und eine weitere Metallkomponente notwendig, die bevorzugt in möglichst reiner Form verwendet werden. Unter rein wird dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, dass die Pulver höchstens kleine Anteile an Verunreinigungen störender Elemente enthalten.
Es wurde gefunden, dass die besten Ergebnisse dann erzielt werden können, wenn die zwei oder mehr Komponenten in der nach dem Auftragen in kompaktierter Struktur vorliegen. Eine derartige Struktur entsteht bevorzugt durch thermisches Spritzen, Kaltgasspritzen und/oder kinetisches Spritzen. Hier wird eine Struktur erreicht, bei der die Partikel eine verdichtete Matrix bilden. Bevorzugt hat das durch ein derartiges Verfahren aufgetragene Material eine Porosität unter 20%, besonders bevorzugt unter 5% und noch bevorzugter unter 1 %. Wenn die Porosität des Materials und dadurch der Anteil an offenen Poren zu hoch wird, könnte sich das Trägermaterial mit dem wässrigen Medium vollsaugen und, je nach Reaktionsbedingungen und Reaktionspartnern so schnell lösen, dass eine unkontrollierbare Reaktion mit hohem Gasdruck entstünde, was unerwünscht ist. Außerdem kann aufgrund einer Volumenzunahme durch Hydroxidbildung der Abtransport der nicht gelösten Partikel gestört sein.
Idealerweise ist die aus den Metallen gebildete Matrix so dicht, dass die Oberflächen der Teilchen ausreichend Kontakt haben, um die elektrochemische Reaktion bei Zusatz von Wasser zu fördern.
Die Metallpulver werden in solchen Anteilen eingesetzt, dass die elektrochemische Reaktion im gewünschten Umfang abläuft. Bei Zugabe von korrodierendem Medium löst sich das Magnesium zumindest teilweise auf, während das oder die weiteren Komponenten als Pulver zurückbleiben. Daher muss das Magnesium in einem solchen Anteil vorhanden sein, dass durch sein Herauslösen die vorher durch Kompaktieren gebildete Struktur soweit aufgelöst oder zerstört wird, dass das entstehende Material, d.h. im Wesentlichen Metallpartikel, herausspülbar ist.
Ist der Anteil an weiteren Metallen zu hoch, ist es schwierig, das Trägermaterial zu entfernen. Andererseits sollte der Anteil des/der edleren Metalle auch nicht zu gering sein, damit die elektrochemische Reaktion ausreichend schnell ablaufen kann. Geeigneterweise liegt das Volumenverhältnis von Magnesium zu den weiteren Komponenten zwischen 250:1 und 1:10. Bevorzugt werden die Metallpulver in einem Volumenverhältnis von Magnesium zu edlerem Metall von 5:1 bis 1:10, bevorzugt 3:1 bis 1:3 kombiniert. Besonders bevorzugt werden Magnesiumpulver und „edlere" Komponente in etwa gleichen Volumenanteilen kombiniert.
Bei Kontakt mit dem korrodierenden Medium zerfällt durch Auflösung des Magnesiums die Struktur, was dazu führt, dass das Trägermaterial ausgespült werden kann. Hierzu kann, wie oben ausgeführt, jede Magnesium korrodierende Flüssigkeit verwendet werden. Das korrodierende, bevorzugt wässrige Medium ist nicht kritisch und jedes Medium, das überwiegend aus Wasser besteht ist hier geeignet. Es ist darauf zu achten, dass keine die elektrochemische Reaktion negativ
beeinflussende Inhaltsstoffe in dem Wasser enthalten sind. Bevorzugt wird ein wässriges Medium eingesetzt, das die elektrochemische Reaktion fördert, insbesondere eine ionenhaltige Lösung. Geeignet sind saure, neutrale und basische ionenhaltige Lösungen, z.B. Salzlösungen. Es können auch verdünnte Säuren oder Basen eingesetzt werden. Geeignet sind auch als Abwasser anfallende, ionenhaltige Medien. Diese sind aus Gründen der Umweltschonung und aus Kostengründen vorteilhaft. Es kann daher sowohl Leitungswasser als auch Abwasser aus anderen Prozessen, das bevorzugt salzhaltig ist, eingesetzt werden, solange es die Redoxreaktion nicht beeinträchtigt .
Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks mit wenigstens einem Freiraum, d.h. unter anderem einer Hinterschneidung, einer Kavität, einer Aussparung oder Ausnehmung, bei dem der den Freiraum bildende Raum mit einem Trägermaterial gefüllt wird, das nach Fertigstellung herausgespült wird, wobei das Trägermaterial ein Material ist, wie in Anspruch 1 definiert.
Es hat sich herausgestellt, dass das erfindungsgemäße Trägermaterial sehr gut geeignet ist, um einen verlorenen Kern für ein Formverfahren zu bilden, bei dem Werkstücke mit Hohlräumen oder Hinterschneidungen gebildet werden. Das erfindungsgemäße Trägermaterial zeichnet sich durch seine mechanische Belastbarkeit aus, sodass es überall dort eingesetzt werden kann, wo ein mechanisch belastbares Material notwendig ist. Darüberhinaus lässt es sich mit formgebenden Verfahren bearbeiten, insbesondere kann es mit spanenden Verfahren zu komplexen Formen geformt werden.
Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Trägermaterial für die Verarbeitung mit thermischem Spritzen, kinetischem Kompaktieren oder Kaltgasspritzen.
Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Material verwendet für ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken, bei dem ein schichtweiser Aufbau durch thermisches Spritzen erfolgt, wobei die Schichten gegebenenfalls dann noch spanend nachbearbeitet werden.
Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks bereitgestellt, bei dem durch thermisches Spritzen, kinetisches Kompaktieren oder Kaltgasspritzen eine Struktur aufgebaut wird, wobei die Bereiche, die im fertigen Körper einen Freiraum bilden sollen, mit dem erfindungsgemäßen Trägermaterial gebildet werden, wobei das Trägermaterial nach Fertigstellung des Werkstücks durch Kontakt mit einem korrodierenden Medium entfernt wird.
Das erfindungsgemäße Trägermaterial kann auch für andere Verfahren, bei denen ein Platzhalter benötigt wird, eingesetzt werden, ist aber besonders vorteilhaft für Verfahren, bei denen thermisches Spritzen eingesetzt wird. Bevorzugt erfolgt das thermische Spritzen durch kinetisches Spritzen.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass das erfindungsgemäße Trägermaterial sehr gut geeignet ist, um verlorene Kerne zu bilden. Es kann zu vielfältigen Formen verarbeitet werden. Nach Fertigstellung des Werkstücks wird durch Kontakt mit einem korrodierenden Medium die bei der Aufbringung des Materials entstandene Matrix durch eine elektrochemische Reaktion zerstört und durch die Bewegung aufgrund der Gasbildung während der elektrochemischen Reaktion entsteht genug Wasseraustausch, um die elektrochemische Reaktion in geeigneter Weise voranzutreiben. Das bei Zerstörung der Matrix zurückbleibende Metallpulver kann dann leicht zusammen mit der entstehenden Lösung ausgespült werden und ggf. wiederverwendet werden.
Die elektrochemische Reaktion und damit die Auflösung des Magnesiums und die Zerstörung der Struktur können in einer bevorzugten Ausführungsform gefördert werden, indem bei und nach Zugabe des wässrigen Mediums für eine Bewegung des Mediums gesorgt wird. Dies kann z.B. durch Spülen, durch Bewegen des Werkstücks oder durch Ultraschallbehandlung geschehen .
Erfindungsgemäß wird daher ein Trägermaterial bereitgestellt, das aufgrund seiner mechanischen Belastbarkeit sowie Duktilität und seiner elektrochemischen Reaktionsfähigkeit eine ideale Kombination von Eigenschaften liefert. Weiterhin wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem auch sehr komplizierte Formen hergestellt werden können, da es möglich ist, die Werkstücke schichtweise durch Spritzverfahren aufzubauen und anschließend selbst komplizierte Aussparungen, Kavitäten, Ausnehmungen, Hohlräume, Hinterschneidungen oder sonstige nicht ausgefüllte Anteile durch Herausspülen des Trägermaterials zu bilden.
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass das oben beschriebene erfindungsgemäße Material sich sehr gut eignet für jede Form von Platzhalter. Aufgrund der vorteilhaften mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften kann das erfindungsgemäße Trägermaterial immer dann eingesetzt werden, wenn es notwendig ist, über einen bestimmten Zeitraum einen Platz freizuhalten und anschließend das Platzhaltermaterial zu entfernen. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Trägermaterial geeignet, wenn der Platzhalter in seiner Funktion mechanisch beansprucht wird, z.B. Belastungen ausgesetzt ist. Außer für die oben erwähnte Verwendung zur Herstellung von Werkstücken mit Hohlräumen und Kavitäten kann das erfindungsgemäße Trägermaterial daher auch als Distanzstück, Abstandshalter, Platzhalter und verlorener Kern in jeglicher Form eingesetzt werden.
Besonders bevorzugt wird hierfür eine Kombination aus Magnesium und mindestens einem der Metalle Eisen, Nickel oder Kupfer verwendet. Gerade diese Kombinationen weisen eine optimale Verbindung von mechanischer Belastungsfähigkeit und Korrosivität auf. Die Kombination aus Magnesium und Eisen ist besonders bevorzugt, da beim Lösen des Trägermaterials eine wässrige Suspension entsteht, die nur Magnesium bzw. dessen, durch Korrosion entstandene Abbauprodukte, und Eisen als Metalle enthält. Diese Kombination ist umweltfreundlich und kann in einfacher Weise entweder als Abwasser entsorgt werden, ohne die Umwelt zu belasten oder aber recycelt werden. Werden andere Metalle zusätzlich zu Eisen oder statt Eisen eingesetzt, so kann es notwendig sein, die entstehende Lösung vor Entsorgung aufzubereiten.
Die mechanischen Eigenschaften und die Umweltfreundlichkeit des nach Auflösen entstehenden Produktes tragen dazu bei, dass das erfindungsgemäße Trägermaterial besonders vorteilhaft ist.
Wie oben bereits ausgeführt, wird das erfindungsgemäße Trägermaterial, das aus Magnesium und mindestens einer weiteren Metallkomponente besteht, die ausgewählt ist aus Eisen, Nickel und Kupfer, durch ein mechanisch belastendes Verfahren kompaktiert. Dieselben Verfahren, wie oben ausgeführt und dieselben Verhältnisse der Komponenten wie oben ausgeführt sind auch für die Verwendung des Trägermaterials allgemein als Platzhalter geeignet. Auch die Herauslösung des Platzhalters erfolgt auf dieselbe Art und Weise, wie oben ausgeführt, nämlich mit einer Ionen enthaltenden wässrigen Lösung, insbesondere einem wässrigen Medium, das aktive Anionen enthält. Als geeignet in diesem Zusammenhang können wässrige Medien mit Chlorid-, Nitrat- und/oder Sulfationen erwähnt werden. Aufgrund seiner guten Verfügbarkeit ist beispielsweise Meerwasser ein sehr gut geeignetes Medium.