DE102023107904A1 - Zündkerze, zündkerzenelektrode und verfahren zur herstellung derselben - Google Patents

Zündkerze, zündkerzenelektrode und verfahren zur herstellung derselben Download PDF

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Daniel Koenig
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Federal Mogul Ignition GmbH
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Abstract

Zündkerzenelektrode mit einer oder mehreren Elektrodenspitzen, die auf einer Elektrodenbasis oder mehreren Elektrodenbasen unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses, wie beispielsweise einer Pulverbettschmelztechnik, gebildet werden, sodass jede Elektrodenspitze eine Kante einer entsprechenden Elektrodenbasis überragt. Bei der Zündkerzenelektrode kann es sich um eine Mittelelektrode, eine Masseelektrode oder eine ringförmige Masseelektrode handeln, die in einer Reihe verschiedener Konfigurationen vorgesehen werden kann. Jede Elektrodenspitze schließt ein edelmetallbasiertes Material, wie eine iridium- oder platinbasisierte Legierung, und eine Vielzahl von Laserablagerungsschichten ein, und jede Elektrodenspitze kann mit einer schweißlosen Verbindung an einer Elektrodenbasis befestigt werden. Außerdem wird ein additiver Fertigungsprozess bereitgestellt.

Description

  • VERWANDTE ANMELDUNG
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 63/324,984 , eingereicht am 29. März 2022, deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Zündkerzen und andere Zündvorrichtungen und insbesondere auf Zündkerzenelektroden und andere Komponenten, die unter Verwendung von additiven Fertigungsprozessen gefertigt werden.
  • HINTERGRUND
  • Zündkerzen werden verwendet, um die Verbrennung in Verbrennungsmotoren einzuleiten. Üblicherweise entzünden Zündkerzen ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in einer Brennkammer, sodass ein Funke über eine Funkstrecke zwischen zwei oder mehr Elektroden erzeugt wird. Die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches mittels des Funkens löst eine Verbrennungsreaktion in der Brennkammer aus, die für den Arbeitstakts des Motors verantwortlich ist. Die hohen Temperaturen, die hohen elektrischen Spannungen, die schnelle Wiederholung von Verbrennungsreaktionen und das Vorhandensein korrosiver Materialien 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 sich im Laufe der Zeit negativ auf die Leistung der Zündkerze auswirken kann.
  • Um die Erosion und/oder Korrosion der Elektroden zu reduzieren, wurden verschiedene Arten von Edelmetallen und Legierungen verwendet, beispielsweise solche mit Platin und Iridium. Diese Materialien sind jedoch teuer, insbesondere Iridium. Folglich versuchen die Hersteller von Zündkerzen, die Menge der in einer Elektrode verwendeten Edelmetalle zu minimieren. Ein Ansatz besteht darin, Edelmetalle nur auf einer Elektrodenspitze oder auf einem zündenden 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 Edelmetallelektrodenspitze an einem Elektrodenkörper wurden verschiedene Verbindungstechniken, wie beispielsweise das Laserschweißen, eingesetzt. Wenn jedoch eine Edelmetallelektrodenspitze mit einem Elektrodenkörper, wie beispielsweise einem Körper aus einer Nickellegierung, lasergeschweißt wird, kann es aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Materialien (z. B. unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, unterschiedliche Schmelztemperaturen usw.) während des Betriebs der Zündkerze zu einer erheblichen Menge an thermischen und/oder anderen Spannungen an der Schweißverbindung kommen. Diese Spannungen wiederum können unerwünschterweise zu Rissen oder anderen Schäden am Elektrodenkörper, der Elektrodenspitze, der Verbindung zwischen den beiden Komponenten oder einer Kombination davon führen.
  • Weitere Faktoren, welche die Leistung einer Zündkerze beeinflussen können, sind die Parallelität der Zündflächen und die Toleranzen der Funkenstrecken. Der Fachmann weiß, dass es eine Herausforderung sein kann, die Edelmetallelektrodenspitzen so präzise an den Elektrodenkörpern zu befestigen, wie beispielsweise durch Laserschweißen, dass die gewünschte Parallelität zwischen den Zündflächen erreicht wird. Dies gilt insbesondere, wenn eine der Edelmetallelektrodenspitzen ein Ring ist, da ringförmige Elektrodenspitzen üblicherweise unterschiedliche Funkenstreckenabstände innerhalb des Ringspalts aufweisen. Es kann auch schwierig sein, die Toleranz einer Funkenstrecke mit herkömmlichen Verfahren zur Befestigung, wie dem Laserschweißen, auf ein gewünschtes Maß zu reduzieren.
  • Die Zündkerze, die Zündkerzenelektrode und/oder das hierin beschriebene Verfahren wurden entwickelt, um einen oder mehrere der vorstehend aufgeführten Nachteile und Herausforderungen anzugehen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Nach einem Beispiel wird eine Zündkerzenelektrode bereitgestellt, die Folgendes umfasst: eine Elektrodenbasis, die eine axiale Endfläche, eine Seitenfläche und eine Kante einschließt, die sich an einem Schnittpunkt der axialen Endfläche und der Seitenfläche befindet; und eine Elektrodenspitze, die auf der Elektrodenbasis ausgebildet ist und ein edelmetallbasiertes Material und eine Vielzahl von Laserablagerungsschichten einschließt, wobei die Elektrodenspitze mindestens einen Teil der Kante überragt.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Zündkerzenelektrode eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen, entweder einzeln oder in jeder technisch machbaren Kombination:
    • - das edelmetallbasierte Material schließt eine iridumbasierte Legierung, eine platinbasierte Legierung, eine rutheniumbasierte Legierung, eine goldbasierte Legierung oder eine palladiumbasierte Legierung ein;
    • - die Zündkerzenelektrode ist eine Mittelelektrode, die axiale Endfläche ist kreisförmig, die Seitenfläche ist zylindrisch, der Kante ist umlaufend und die Elektrodenspitze ist eine von einer Vielzahl von Elektrodenspitzen, die um die Umfangskante der Elektrodenbasis herum beabstandet sind;
    • - die Zündkerzenelektrode ist eine Masseelektrode, die axiale Endfläche ist polygonal, die Seitenfläche ist flach oder gekrümmt, die Kante ist gerade oder gekrümmt und die Elektrodenspitze die gerade oder gekrümmte Kante der Elektrodenbasis überragt;
    • - die Zündkerzenelektrode ist eine ringförmige Masseelektrode, die axiale Endfläche ist ringförmig, die Seitenfläche ist zylindrisch, die Kante ist umlaufend, und die Elektrodenspitze ist eine ringförmige Elektrodenspitze, welche die Umfangskante der Elektrodenbasis überragt;
    • - die Zündkerzenelektrode ist eine ringförmige Masseelektrode, die axiale Endfläche ist ringförmig, die Seitenfläche ist zylindrisch, die Kante ist umlaufend und die Elektrodenspitze ist eine kuppelförmige Elektrodenspitze, welche die Umfangskante der Elektrodenbasis überragt;
    • - die Zündkerzenelektrode ist eine Mittelelektrode, die axiale Endfläche ist kreisförmig, die Seitenfläche ist zylindrisch, die Kante ist umlaufend und die Elektrodenspitze ist eine ringförmige Elektrodenspitze, welche die Umfangskante der Elektrodenbasis überragt;
    • - die Zündkerzenelektrode ist eine Mittelelektrode, die axiale Endfläche ist kreisförmig, die Seitenfläche ist zylindrisch, die Kante ist umlaufend und die Elektrodenspitze ist eine feste scheibenförmige Elektrodenspitze, welche die Umfangskante der Elektrodenbasis überragt;
    • - die Elektrodenspitze schließt eine Zündfläche ein, die für eine radiale Funkenstrecke konfiguriert ist, wobei die Zündfläche die Kante vollständig überragt;
    • - die Elektrodenspitze überragt mindestens einen Teil der Kante um einen Überhangabstand X, der mindestens 15 % der Gesamtlänge Y der Elektrodenspitze beträgt;
    • - die Elektrodenspitze weist eine Gesamtlänge Y von 0,6 mm - 3,0 mm, eine Höhe Z von 0,3 mm - 4,0 mm und einen Überhangabstand X von 0,1 mm - 1,4 mm auf;
    • - die Elektrodenspitze weist eine dreidimensionale rechteckige Form mit einem konstanten rechteckigen Querschnitt entlang einer axialen Höhe der Elektrodenspitze auf;
    • - die Elektrodenspitze weist eine dreidimensionale dreieckige Form mit einem nicht konstanten rechteckigen Querschnitt entlang der axialen Höhe der Elektrodenspitze auf;
    • - die Elektrodenspitze weist eine dreidimensionale ringförmige Form mit einem konstanten ringförmigen Querschnitt entlang einer axialen Höhe der Elektrodenspitze auf;
    • - die Elektrodenspitze weist eine Vielzahl von zündenden Abschnitten in Form von dreidimensional gekrümmten Röhren auf;
    • - die Elektrodenspitze weist einen oder mehrere dreidimensionale Teilbögen auf;
    • - die Vielzahl von Laserablagerungsschichten auf der Elektrodenbasis werden durch einen additiven Fertigungsprozess gebildet, der eine Pulverbettschmelztechnik einsetzt, um edelmetallbasiertes Pulver mit einem Laser- oder Elektronenstrahl auf die Elektrodenbasis zu schmelzen oder zu sintern und dann zulässt, dass das geschmolzene oder gesinterte Pulver zu den Laserablagerungsschichten der Elektrodenspitze erstarrt, wobei die Vielzahl von Laserablagerungsschichten eine durchschnittliche Schichtdicke T aufweist, die zwischen 5 µm und einschließlich 60 µm liegt, und wobei eine Gesamtdicke der Vielzahl von Laserablagerungsschichten eine Elektrodenspitzenhöhe Z ist, die zwischen 0,05 mm und einschließlich 3,0 mm liegt;
    • - die Elektrodenspitze ist auf der Elektrodenbasis ausgebildet und so ausgerichtet, dass die Vielzahl der Laserablagerungsschichten senkrecht zu einer Mittelachse der Zündkerzenelektrode verläuft, und die Elektrodenspitze ist mit einer schweißlosen Verbindung an der Elektrodenbasis befestigt; und
    • - eine Zündkerze, umfassend: eine Hülle; einen Isolator, der mindestens teilweise innerhalb der Hülle angeordnet ist; eine Mittelelektrode, die mindestens teilweise innerhalb des Isolators angeordnet ist; und eine oder mehrere Masseelektrode(n), die entweder separate, an der Hülle befestigte Komponenten oder einheitliche Verlängerungen der Hülle sind, wobei die Mittelelektrode, die Masseelektrode(n) oder sowohl die Mittel- als auch die Masseelektrode(n) die Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1 ist.
  • Nach einem anderen Beispiel wird ein additiver Fertigungsprozess zum Fertigen einer Zündkerze bereitgestellt, der die folgenden Schritte umfasst: Befestigen der Zündkerze in einem additiven Fertigungswerkzeug, sodass ein Zündende, das eine Mittelelektrodenbasis und/oder eine Masseelektrodenbasis aufweist, freigelegt wird; Füllen eines leeren Hohlraums im Inneren der Zündkerze mit einem Füllmaterial, wobei das Füllmaterial einen provisorischen Boden bereitstellt; Bedecken des Zündendes und des provisorischen Bodens mit einer dünnen Pulverschicht, die ein edelmetallbasiertes Material einschließt; Richten eines Lasers oder eines Elektronenstrahls auf das Zündende, sodass dieser mindestens einen Teil der dünnen Pulverschicht schmilzt oder sintert; Zulassen, dass die geschmolzene oder gesinterte dünne Pulverschicht mindestens teilweise zu einer Laserablagerungsschicht erstarrt; und Wiederholen der Schritte Bedecken, Richten und Zulassen für eine Vielzahl von Zyklen, sodass eine oder mehrere Elektrodenspitze(n) mit einer Vielzahl von Laserablagerungsschichten gebildet wird/werden, wobei mindestens eine der Elektrodenspitze(n) eine Kante der Mittelelektrodenbasis oder der Masseelektrodenbasis überragt.
  • ZEICHNUNGEN
  • Bevorzugte Ausführungsformen werden nachstehend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und wobei:
    • 1 eine perspektivische Ansicht einer Zündkerze ist;
    • 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Zündendes der Zündkerze in 1 ist, wobei das Zündende Elektrodenspitzen aufweist, die mittels eines additiven Fertigungsprozesses auf Elektrodenbasen aufgebaut sind;
    • 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Zündendes von 2 ist;
    • 4-5 vergrößerte Perspektiv- bzw. Querschnittsansichten eines weiteren Beispiels eines Zündendes sind, das mit der Zündkerze von 1 verwendet werden kann, wobei die Elektrodenspitzen der Mittel- und Masseelektroden in diesem Beispiel andere Konfigurationen aufweisen als in 2 und 3 gezeigt;
    • 6-7 vergrößerte Perspektiv- bzw. Querschnittsansichten eines weiteren Beispiels eines Zündendes sind, das mit der Zündkerze von 1 verwendet werden kann, wobei die Elektrodenbasis und die Elektrodenspitze der Masseelektrode andere Konfigurationen aufweisen als in 2 und 3 gezeigt;
    • 8-9 vergrößerte Perspektiv- bzw. Querschnittsansichten eines weiteren Beispiels eines Zündendes sind, das mit der Zündkerze von 1 verwendet werden kann, wobei die Elektrodenspitze der Mittelelektrode eine andere Konfiguration aufweist als in 2 und 3 gezeigt;
    • 10-11 vergrößerte Perspektiv- bzw. Querschnittsansichten eines weiteren Beispiels eines Zündendes sind, das mit der Zündkerze von 1 verwendet werden kann, wobei die Elektrodenspitzen in diesem Beispiel andere Konfigurationen aufweisen als die in 2 und 3 gezeigten;
    • 12-13 vergrößerte Perspektiv- bzw. Querschnittsansichten eines weiteren Beispiels eines Zündendes sind, das mit der Zündkerze von 1 verwendet werden kann, wobei die Elektrodenspitzen der Mittel- und Masseelektroden in diesem Beispiel andere Konfigurationen aufweisen als in 2 und 3 gezeigt;
    • 14-15 vergrößerte Perspektiv- bzw. Querschnittsansichten eines anderen Beispiels eines Zündendes sind, das mit der Zündkerze von 1 verwendet werden kann, wobei die Elektrodenbasis und die Elektrodenspitze der Masseelektrode sowie die Elektrodenspitze der Mittelelektrode andere Konfigurationen aufweisen als in 2 und 3 gezeigt;
    • 16-17 vergrößerte Perspektiv- bzw. Querschnittsansichten eines weiteren Beispiels eines Zündendes sind, das mit der Zündkerze von 1 verwendet werden kann, wobei die Elektrodenbasis und die Elektrodenspitzen der Masseelektrode sowie die Elektrodenspitze der Mittelelektrode andere Konfigurationen aufweisen als in 2 und 3 gezeigt;
    • 18-20 vergrößerte Perspektiv-, End- und Seitenansichten eines weiteren Beispiels eines Zündendes sind, das mit der Zündkerze von 1 verwendet werden kann, wobei die Elektrodenbasis und die Elektrodenspitzen der Masseelektrode sowie die Elektrodenspitze der Mittelelektrode andere Konfigurationen aufweisen als in 2 und 3 gezeigt;
    • 21-22 vergrößerte Perspektiv- bzw. Endansichten eines weiteren Beispiels eines Zündendes sind, das mit der Zündkerze von 1 verwendet werden kann, wobei die Elektrodenbasis und die Elektrodenspitzen der Masseelektrode sowie die Elektrodenspitze der Mittelelektrode andere Konfigurationen aufweisen als in 2 und 3 gezeigt;
    • 23-24 vergrößerte Perspektiv- bzw. Querschnittsansichten eines weiteren Beispiels eines Zündendes sind, das mit der Zündkerze von 1 verwendet werden kann, wobei die Elektrodenbasis und die Elektrodenspitze der Masseelektrode sowie die Elektrodenspitze der Mittelelektrode andere Konfigurationen aufweisen als in 2 und 3 gezeigt;
    • 25 ein Flussdiagramm eines additiven Fertigungsprozesses ist, der mit den verschiedenen in 1-24 gezeigten Zündkerzenbeispielen verwendet werden kann, um eine oder mehrere edelmetallbasierte Elektrodenspitze(n) auf einer oder mehreren Elektrodenbasen zu bilden;
    • 26 einen Teil einer Fertigungsanlage zeigt, die mit dem additiven Fertigungsprozess von 25 verwendet werden kann; und
    • 27 eine Querschnittsansicht der Fertigungsanlage von 26 mit zwei darin montierten Beispielzündkerzen zeigt.
  • BESCHREIBUNG
  • Die hierin offenbarten Zündkerzen und Zündkerzenelektroden schließen eine oder mehrere Elektrodenspitzen ein, die auf einer Elektrodenbasis oder mehreren Elektrodenbasen unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses, wie beispielsweise einer Pulverbettschmelztechnik, gebildet werden, sodass jede Elektrodenspitze eine Kante einer entsprechenden Elektrodenbasis überragt. Die durch einen additiven Fertigungsprozess geformte(n) überhängende(n) Elektrodenspitze(n) kann/können die Spannungsanforderungen der Zündkerze, das Flammenwachstum, die Parallelität der Zündflächen, die Toleranzen der Funkenstrecke, die Erosionsraten der Edelmetalle, die Kosteneffizienz der Edelmetalle oder eine Kombination davon verbessern, um nur einige mögliche Vorteile zu nennen. Einige nicht einschränkende Beispiele für mögliche Pulverbettschmelztechniken, die eingesetzt werden können, schließen ein: selektives Laserschmelzen (SLM), selektives Lasersintern (SLS), direktes Metall-Lasersintern (DMLS) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM).
  • Die Elektrodenbasis/die Elektrodenbasen kann/können beispielsweise aus einem nickelbasierten Material gefertigt sein, während die Elektrodenspitze(n) aus einem edelmetallbasierten Material gefertigt ist (sind), wie beispielsweise aus Iridium, Platin, Palladium, Ruthenium, Rhodium usw. Das edelmetallbasierte Material wird ausgewählt, um die Widerstandsfähigkeit der Zündkerzenelektrode gegen Korrosion und/oder elektrische Erosion zu verbessern. Durch die Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses zum Aufbau der Elektrodenspitze(n) auf der Elektrodenbasis/den Elektrodenbasen kann/können Zündkerzenelektroden mit einer oder mehreren überhängenden oder freitragenden Elektrodenspitzen gebildet werden. Der Fachmann weiß, dass beim Verbinden einer edelmetallbasierten Elektrodenspitze mit einer nickelbasierten Elektrodenbasis, wie beispielsweise durch Laserschweißen, aufgrund verschiedener Faktoren (z. B. unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, unterschiedliche Schmelztemperaturen, unebene oder ungleichmäßige Schweißnähte usw.) typischerweise erhebliche thermische und/oder andere Spannungen auf die Schweißverbindung einwirken, wenn die Zündkerze in Betrieb ist. Diese Spannungen wiederum können unerwünschterweise zu Rissen oder anderen Schäden an der Elektrodenbasis/den Elektrodenbasen, der/den Elektrodenspitze(n), der Verbindung zwischen den beiden Komponenten oder einer Kombination davon führen. Die hierin beschriebenen Zündkerzen und Zündkerzenelektroden mit einer oder mehreren überhängenden Elektrodenspitzen, die durch additive Fertigung gefertigt werden, sind so konzipiert, dass sie solche Herausforderungen auf wirtschaftliche Weise lösen.
  • Die hierin offenbarten Zündkerzenelektroden können in einer Vielzahl von Zündkerzen und anderen Zündvorrichtungen verwendet werden, einschließlich Industriezündkerzen, Automobilzündkerzen, Flugzeugzündern, Glühkerzen, Vorkammerzündkerzen oder jeder anderen Vorrichtung, die zur Zündung eines Luft/Kraftstoff-Gemisches in einem Motor oder einer anderen Maschine verwendet wird. Dies schließt die beispielhaften industriellen Zündkerzen ein, die in den Zeichnungen gezeigt und im Folgenden beschrieben werden, ist aber keineswegs darauf beschränkt. Darüber hinaus ist zu beachten, dass die vorliegenden Zündkerzenelektroden als Mittel- und/oder Masseelektroden verwendet werden können. Andere Ausführungsformen und Anwendungen der Zündkerzenelektroden sind ebenfalls möglich. Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich alle hierin bereitgestellten Prozentangaben auf Gewichtsprozente (Gew.-%) und alle Verweise auf axiale, radiale und umlaufende Richtungen basieren auf der Mittelachse A der Zündkerze oder Zündkerzenelektrode.
  • Unter Bezugnahme auf 1-3 wird eine beispielhafte Zündkerze 10 gezeigt, die eine Mittelelektrode 12, einen Isolator 14, eine metallische Hülle 16 und mehrere Masseelektroden 18 einschließt. Die Mittelelektrode 12 ist eine längliche Komponente, die in einer axialen Bohrung des Isolators 14 angeordnet ist und ein Zündende 20 einschließt, das über ein freies Ende 22 des Isolators 14 herausragt. Wie nachstehend näher erläutert, kann das Zündende 20 eine Elektrodenbasis 30 aus einem nickelbasierten Material und eine Anzahl von Elektrodenspitzen 32 aus einem edelmetallbasierten Material einschließen, wobei die Elektrodenspitzen auf einer axialen Endfläche 34 der Elektrodenbasis unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses gebildet werden, sodass die Elektrodenspitzen eine Kante 36 der Elektrodenbasis überragen. Die Kante 36 kann eine Umfangskante sein, die sich an einem Schnittpunkt der kreisförmigen axialen Endfläche 34 und der zylindrischen Seitenfläche 38 der Mittelelektrode befindet. Der Isolator 14 ist innerhalb einer axialen Bohrung der metallischen Hülle 16 angeordnet und aus einem Material wie einem keramischen Material aufgebaut, das ausreicht, um die Mittelelektrode 12 elektrisch von der metallischen Hülle 16 zu isolieren. Das freie Ende 22 des Isolators 14 kann, wie dargestellt, leicht in ein freies Ende 24 der metallischen Hülle 16 eingezogen sein, oder es kann über die metallische Hülle 16 hinausragen. Die Masseelektroden 18 können so konstruiert sein, dass sie mit der Mittelelektrode 12 radiale Funkenstrecken G bilden, wie in den Zeichnungen dargestellt, und sich von dem freien Ende 24 der metallischen Hülle 16 aus erstrecken. In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist jede der Masseelektroden 18 eine separate oder diskrete Komponente, die an der Hülle 16 befestigt ist, wie beispielsweise durch Schweißen, und ein Zündende 26 mit einer Elektrodenbasis 40, die aus einem nickelbasierten Material (z. B. Inconel 600, 601 usw.) besteht, und eine Elektrodenspitze 42, die aus einem edelmetallbasierten Material gefertigt ist, einschließt. Diese Ausführungsform kann einen oder mehrere der folgenden potenziellen Vorteile aufweisen: die Masseelektroden können aus Legierungen wie Inconel gefertigt werden, die für das Zündende optimiert sind, größere Designfreiheit für die Masseelektroden, einfachere Integration von wärmeableitenden Kernen, potenzielle Verwendung alternativer Fertigungstechniken wie Metall-Spritzguss (MIM), additive Fertigung usw. In einer anderen Ausführungsform, wie der hier gezeigten, ist jede der Masseelektroden 18 eine einheitliche Verlängerung der Hülle 16 und besteht aus demselben Material wie die Hülle, wie beispielsweise einem nickelbasierten oder eisenbasierten Material (z. B. verschiedene Inconel-Legierungen, Stähle usw.). Eine solche Ausführungsform kann einen oder mehrere der folgenden potenziellen Vorteile aufweisen: sie ist in der Regel kostengünstiger in der Herstellung, es ist einfacher, die Maßausrichtung zwischen Masse- und Mittelelektrodenflächen zu gewährleisten, usw. In beiden Ausführungsformen, unabhängig davon, ob es sich bei den Masseelektroden um separate Komponenten der Hülle oder um einheitliche Erweiterungen der Hülle handelt, ist der Teil der Zündkerze, der die Masseelektrodenbasis einschließt, die „Masseelektrode“ (z. B. ist die Masseelektrodenbasis 40 der Teil der Zündkerze, auf dem eine oder mehrere Elektrodenspitze(n) 42 durch additive Fertigung gebildet werden, und die Masseelektrode 18 ist der Teil der Zündkerze, der die Masseelektrodenbasis 40 einschließt). Wie bei den Mittelelektroden wird jede der Masseelektrodenspitzen 42 auf einer axialen Endfläche 44 einer Masseelektrodenbasis 40 unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses geformt und ragt über eine Kante 46 hinaus, die sich an einer Schnittstelle zwischen der axialen Endfläche 44 und einer radialen oder seitlichen Fläche 48 der Masseelektrode befindet. So steht jede edelmetallbasierte Masseelektrodenspitze 42 einer Masseelektrode 18 einer entsprechenden edelmetallbasierten Mittelelektrodenspitze 32 der Mittelelektrode 12 gegenüber, sodass sich dazwischen eine radiale Funkenstrecke G bildet. Die Elektrodenspitzen 32, 42 können nach einer Reihe verschiedener Größen, Formen, Ausführungsformen usw. vorgesehen sein, wie nachstehend beschrieben, sodass sie Zündflächen für die Emission, den Empfang und den Austausch von Elektronen über die Funkenstrecke(n) G bereitstellen. Die Elektrodenspitzen 32, 42 können aus demselben edelmetallbasierten Material oder aus verschiedenen edelmetallbasierten Materialien gebildet sein.
  • In dem in 1-3 gezeigten Beispiel kann jede Elektrodenbasis 30, 40 eine Verlängerung des Hauptelektrodenkörpers 52, 62 sein und aus demselben Material bestehen. Obwohl nicht gezeigt, ist es möglich, dass einer oder beide der Hauptelektrodenkörper 52, 62 auch einen wärmeableitenden Kern einschließen, wie beispielsweise einen aus einem kupferbasierten Material, der die Wärme von dem Zündende der Zündkerze ableitet. Die Elektrodenbasis 30, 40 kann Teil des Elektrodenkörpers 52, 62 sein und den gleichen Durchmesser aufweisen, oder er kann maschinell bearbeitet, heruntergezogen oder anderweitig gefertigt werden, sodass er einen kleineren Durchmesser oder eine kleinere Abmessung als der benachbarte Elektrodenkörper aufweist und somit einen Sockel oder eine Fläche bereitstellt, auf der die entsprechenden Elektrodenspitzen 32, 42 aufgebaut werden können. Wie noch ausführlicher erläutert wird, kann ein additiver Fertigungsprozess verwendet werden, um die Elektrodenspitzen 32, 42 direkt auf den Elektrodenbasen 30 bzw. 40 zu bilden, indem ein Laser- oder Elektronenstrahl selektiv auf ein Bett aus edelmetallbasiertem Pulver gerichtet wird, das mit den axialen Enden der Elektrodenbasen in Kontakt gebracht wird. Dies führt dazu, dass das edelmetallbasierte Pulver sowie Teile der Elektrodenbasis miteinander verschmelzen oder vermischt werden und an den Zündenden 20, 26 erstarren. Der additive Fertigungsprozess wird dann wiederholt, sodass die edelmetallbasierten Elektrodenspitzen 32, 42 schichtweise auf den Elektrodenbasen 30, 40 aufgebaut werden, bis die gewünschte Höhe erreicht ist. Durch die Steuerung verschiedener Parameter, wie beispielsweise der Laserenergieverteilung, der Pulverschichtdicken und/oder der Laseraufprallmuster, ist der additive Fertigungsprozess in der Lage, edelmetallbasierte Elektrodenspitzen 32, 42 direkt auf den Elektrodenbasen 30, 40 aufzubauen, sodass jede der Spitzen eine entsprechende Kante 36, 46 der Elektrode überragt oder darüber hinausragt. Dies bewirkt, dass die Spitzen 32, 42 eine freitragende Konfiguration haben, etwas wie ein Vorsprung, was für den Betrieb der Zündkerze vorteilhaft sein kann. In einem anderen Beispiel kann ein additiver Fertigungsprozess verwendet werden, um Elektrodenspitzen 32, 42 auf Elektrodenbasen 30, 40 zu bilden, die Teil von Zwischenstücken sind (z. B. solche aus nickelbasierten Materialien, wie Legierungen mit Nickel und Edelmetall(en)). Die Zwischenstücke sind ihrerseits an den Elektrodenkörpern 52, 62 befestigt.
  • In 1-3 gibt es vier Mittelelektrodenspitzen 32 und vier Masseelektrodenspitzen 42 (eine Mittelelektrodenspitze 32 und eine gegenüberliegende Masseelektrodenspitze 42 bilden zusammen ein Elektrodenspitzenpaar), wobei die vier Elektrodenspitzenpaare in Umfangsrichtung um etwa 90° um die Mittelachse A voneinander beabstandet sind.
  • Jede Elektrodenspitze 32, 42 kann eine rechteckige Prismaform aufweisen (z. B. eine dreidimensionale rechteckige Form mit einem konstanten, rechteckigen Querschnitt entlang der axialen Höhe der Spitze (d. h. die Querschnittsgröße und -form ist konstant, egal wo der Querschnitt entlang der Mittelachse A genommen wird)). Da die Elektrodenspitzen 32 der Mittelelektrode 12 die gleiche Größe, Form und/oder Zusammensetzung haben können wie die Elektrodenspitzen 42 der Masseelektrode 18, gilt die folgende Beschreibung der Elektrodenspitzen 32 gleichermaßen für die Elektrodenspitzen 42 (d. h. eine separate, doppelte Beschreibung wurde weggelassen). Jede Elektrodenspitze 32 besteht aus einem edelmetallbasierten Material, wie beispielsweise einer iridium- oder platinbasierten Legierung, und ist Schicht für Schicht auf einer axialen Endfläche 34 der Elektrodenbasis 30 aufgebaut. Wie nachstehend erläutert wird, können additive Fertigungsprozesse, wie beispielsweise das Pulverbettschmelzen und/oder andere 3D-Drucktechniken, verwendet werden, um eine Reihe dünner Laserablagerungsschichten 56 übereinander aufzubauen; die in ihrer Summe eine Elektrodenspitze 32 bilden. Obwohl die Laserablagerungsschichten 56 in den Zeichnungen als unterschiedliche, geschichtete Schichten veranschaulicht sind, ist dies nicht notwendig oder erforderlich, da es sich lediglich um Veranschaulichungen handelt. Einige Laserablagerungsschichten sind nicht ohne weiteres sichtbar, obwohl sie in der Elektrodenspitze vorhanden sind, da sie durch einen additiven Fertigungsprozess entstanden sind; diese sind als Laserablagerungsschichten aufzufassen. Eine oder mehrere der Elektrodenspitzen 32 überragen eine Kante 36 der Elektrodenbasis 30 um einen Überhangabstand X, der vorzugsweise mindestens 15 % der Gesamtlänge Y der Spitze, oder noch bevorzugter mindestens 20 % der Gesamtlänge Y, oder noch bevorzugter mindestens 25 % der Gesamtlänge Y beträgt (am besten in 3 dargestellt). Diese überhängende Konfiguration bewirkt, dass eine Zündfläche 54, die Teil eines distalen Endabschnitts der Elektrodenspitze 32 ist und für eine radiale Funkenstrecke G konfiguriert ist, die Kante 36 vollständig überragt. Anders ausgedrückt, die Zündfläche 54 ist einer entsprechenden parallelen Zündfläche der Masseelektrodenspitze 42 über den radialen Spalt G hinweg zugewandt und befindet sich vollständig jenseits der Kante 36, anstatt bündig mit der Kante abzuschließen oder von dieser nach innen zurückgesetzt zu sein. Der überhängende oder freitragende Charakter der Elektrodenspitze 32 kann das Flammenwachstum und/oder die Spannungsanforderungen und damit die Leistung der Zündkerze verbessern. Nach einem nicht einschränkenden Beispiel, das sich besonders gut für industrielle Anwendungen eignet, weist jede der Elektrodenspitzen 32, 42 eine Gesamtlänge Y von 0,6 mm - 3,0 mm und vorzugsweise 1,2 mm - 1,8 mm (radiale Richtung), eine Höhe Z von 0,3 mm - 4,0 mm und vorzugsweise 0,6 mm - 2,6 mm (axiale Richtung) und einen Überhangabstand X von 0,1 mm - 1,4 mm und vorzugsweise 0,2 mm - 0,8 mm (radiale Richtung) auf. Die Elektrodenspitzen 32, 42 können aus demselben edelmetallbasierten Material oder aus verschiedenen edelmetallbasierten Materialien gefertigt sein. Außerdem können die Elektrodenspitzenpaare alle die gleiche Funkenstrecke aufweisen oder sie können unterschiedliche Funkenstrecken aufweisen (z. B. könnte ein erstes Elektrodenspitzenpaar eine erste Funkenstrecke von 0,2 mm aufweisen, ein zweites Elektrodenspitzenpaar könnte eine zweite Funkenstrecke von 0,25 mm aufweisen, ein drittes Elektrodenspitzenpaar könnte eine dritte Funkenstrecke von 0,3 mm aufweisen usw.). Andere Ausführungsformen sind ebenfalls möglich.
  • Wie vorstehend aufgeführt, sind die Zündkerze und die Zündkerzenelektrode der vorliegenden Anwendung nicht auf die in 1-3 gezeigte beispielhafte Konfiguration beschränkt, da sie in einer beliebigen Anzahl verschiedener Anwendungen eingesetzt werden können, einschließlich verschiedener Industriezündkerzen, Automobilzündkerzen, Flugzeugzünder, Glühkerzen, Vorkammerkerzen oder anderer Vorrichtungen. Einige nicht einschränkende Beispiele anderer möglicher Ausführungsformen sind in 4-24 veranschaulicht, wobei ähnliche Referenznummern, wie sie in 1-3 verwendet werden, ähnliche Merkmale bezeichnen. Sofern nicht anders angegeben, kann jedes Merkmal oder jede Komponente, die in Verbindung mit einem Beispiel beschrieben wird, auch in einem anderen Beispiel verwendet oder eingesetzt werden, auch wenn dies nicht ausdrücklich angegeben ist. Andere Beispiele, wie beispielsweise verschiedene Arten von Zündkerzen mit unterschiedlichen axialen, radialen und/oder halbkriechenden Funkenstrecken; Konfigurationen mit Vorkammer, ohne Vorkammer, mit Abschirmung oder ohne Abschirmung; mehrere Mittel- und/oder Masseelektroden; sowie Zündkerzen, die Benzin, Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Propan, Butan usw. verbrennen oder entzünden, sind durchaus möglich. Die Zündkerze, die Zündkerzenelektrode und das Verfahren der vorliegenden Anmeldung sind in keiner Art und Weise auf die hierin veranschaulichten und beschriebenen Beispiele beschränkt.
  • In 4-5 ist ein weiteres Beispiel einer Zündkerze 110 dargestellt, die eine Mittelelektrode 112, einen Isolator 114, eine metallische Hülle 116 und eine Anzahl von Masseelektroden 118 einschließt, mit der Ausnahme, dass die Mittel- und Masseelektroden 112, 118 edelmetallbasierte Elektrodenspitzen 132 bzw. 142 aufweisen, die im Allgemeinen die Form eines dreieckigen Prismas aufweisen (z. B. eine dreidimensionale Dreiecksform mit einem nicht konstanten, rechteckigen Querschnitt entlang der axialen Höhe der Spitze (d. h. die Querschnittsgröße und/oder -form ist nicht konstant oder ändert sich je nachdem, wo der Querschnitt entlang der Mittelachse A genommen wird)). Auch wenn die Spitze insgesamt dreieckig ist, ist die Grundfläche und der Querschnitt der Spitze rechteckig. Dieses Beispiel weist ebenfalls vier Elektrodenspitzenpaare auf (d. h. vier Mittelelektrodenspitzen 132 und vier gegenüberliegende Masseelektrodenspitzen 142), wobei die Elektrodenspitzenpaare in Umfangsrichtung um etwa 90° voneinander beabstandet oder getrennt sind. Aufgrund der Ähnlichkeit der Elektrodenspitzen 132 und 142 werden die Mittelelektrodenspitzen 132 im Folgenden beschrieben, wobei diese Beschreibung gleichermaßen für die Masseelektrodenspitzen 142 gilt. Jede der Elektrodenspitzen 132 kann eine Vielzahl von Laserablagerungsschichten 156 einschließen, bei denen es sich um dünne Schichten aus edelmetallbasiertem Material handelt, die durch einen additiven Fertigungsprozess gebildet und übereinander geschichtet oder gestapelt werden. Die Elektrodenspitzen 132 sind, wie ihre Gegenstücke in 1-3, so gestaltet, dass sie sich über eine Kante 136 hinaus erstrecken, die sich am Schnittpunkt der axialen Endfläche 134 und einer seitlichen Fläche 138 der Mittelelektrode befindet, um eine überhängende oder freitragende Konfiguration aufzuweisen. Gemäß diesem speziellen Beispiel weist jede der Elektrodenspitzen 132 eine dreieckige Prismaform auf, bei der ein oberer Teil der Spitze gekürzt oder abgeschnitten wurde, um eine flache Spitzenfläche 158 freizulegen. Die Zündfläche 154 der mittleren Elektrodenspitze 132 steht einer gegenüberliegenden Zündfläche der Masseelektrodenspitze 142 über eine radiale Funkenstrecke G gegenüber, sodass die beiden Zündflächen im Allgemeinen parallel zueinander sind. Ein weiterer Unterschied zu diesem Beispiel besteht darin, dass die seitliche Fläche 138 der Mittelelektrode 112 zu ihrem Zündende 120 hin leicht verjüngt sein kann; die sich verjüngende Fläche 138 bewirkt, dass die Elektrodenbasis 130 an ihrer axialen Endfläche 134 etwas schmaler oder kleiner im Durchmesser ist, wodurch der freitragende Charakter der Elektrodenspitze 132 noch stärker betont wird. Es kann auch andere Unterschiede geben.
  • In 6-7 ist ein weiteres Beispiel einer Zündkerze 210 dargestellt, die eine Mittelelektrode 212, einen Isolator 214, eine metallische Hülle 216 und eine Masseelektrode 218 einschließt. Zwei Unterschiede zwischen diesem Beispiel und den vorangegangenen Beispielen sind: die Konfiguration der Masseelektrode 218, die eine einzelne ringförmige Masseelektrode ist, und die Anzahl und Konfiguration der Mittel- und Masseelektrodenspitzen 232, 242. Die Mittelelektrode 212 kann eine Standardelektrodenbasis 230 und eine axiale Endfläche 234 aufweisen, die fünf Elektrodenspitzen 232 trägt, die in Umfangsrichtung um etwa 72° voneinander beabstandet sind, und die Masseelektrode 218 kann eine ringförmige Elektrodenbasis 240 aufweisen, welche die Mittelelektrode 212 in Umfangsrichtung umgibt. Die ringförmige Elektrodenbasis 240 ist der Teil der Masseelektrode 218, auf dem die Masseelektrodenspitze 242 aufgebaut ist, und wie in der Querschnittsansicht von 7 am besten zu sehen ist, kann sie selbst eine Art überhängender ringförmiger Vorsprung sein (d. h. die ringförmige Elektrodenbasis 240 kann die darunter liegende Masseelektrode 218 so überragen, dass sie sich radial in Richtung der Mittelelektrode 212 erstreckt, ebenso wie die Elektrodenspitze 242 die darunter liegende ringförmige Elektrodenbasis 240 überragen und sich radial in Richtung der Mittelelektrode 212 erstreckt kann). Diese doppelte oder gestapelte überhängende Konfiguration kann dazu beitragen, die Spannungsanforderungen der Zündkerze 210 zu verbessern. Die Masseelektrode 218 kann eine von der Hülle 216 getrennte Komponente sein, oder sie kann eine einheitliche Erweiterung der Hülle sein, wie vorstehend erläutert. Die Elektrodenspitzen 232 erstrecken sich über und überragen eine Umfangskante 236, die am Schnittpunkt der seitlichen und axialen Endflächen 238, 234 der Mittelelektrode 212 gebildet wird, wohingegen sich die Elektrodenspitze 242 über eine Umfangskante 246, die am Schnittpunkt der seitlichen und axialen Endflächen 248, 244 der Masseelektrode 218 liegt, erstreckt und diese überragt. Die mittleren Elektrodenspitzen 232 werden unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses aus einem edelmetallbasierten Material gefertigt und können, wie veranschaulicht, die Form eines rechteckigen Prismas aufweisen oder sie können stattdessen eine andere Form aufweisen. Die Masseelektrodenspitze 242 ist ein einzelnes oder einteiliges Stück, das als durchgehende Ringform konfiguriert ist (z. B. eine dreidimensionale Ringform mit einem konstanten, ringförmigen Querschnitt entlang der axialen Höhe der Spitze) und aus einem edelmetallbasierten Material besteht (könnte das gleiche oder ein anderes Material sein wie die mittlere Elektrodenspitze 232). Da sowohl die Mittel- als auch die Masseelektrodenspitzen 232, 242 unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses, wie beispielsweise einer Pulverbettschmelztechnik, gefertigt werden, kann jede Spitze eine Reihe von gestapelten Laserablagerungsschichten 256 einschließen (der Einfachheit halber sind nur die Schichten der Masseelektrodenspitze dargestellt, aber auch die Mittelelektrodenspitzen können solche Schichten einschließen). Auch hier ist es nicht erforderlich, dass die Laserablagerungsschichten 256 so deutlich und ausgeprägt sind wie in 7, die lediglich eine veranschaulichte Zeichnung ist. Die Zündflächen 254 der Mittelelektrodenspitzen 232 können entweder zylindrisch oder flach sein, wohingegen eine durchgehende Zündfläche 266 der Masseelektrodenspitze 242 zylindrisch ist. Wenn die Zündflächen 254, 266 beide zylindrisch sind, liegen sie parallel zueinander, sodass die radiale Funkenstrecke G gleichmäßig ist. Nach einem nicht einschränkenden Beispiel, das sich besonders gut für eine industrielle Anwendung eignet, weist jede der Elektrodenspitzen 232, 242 eine Gesamtlänge Y (oder radiale Dicke im Falle des Rings 242) von 0,6 mm - 3,0 mm und vorzugsweise 1,2 mm - 1,8 mm (radiale Richtung), eine Höhe Z von 0,3 mm - 4,0 mm und vorzugsweise 0,6 mm - 2,6 mm (axiale Richtung) und einen Überhangabstand X von 0,1 mm - 1,4 mm und vorzugsweise 0,2 mm - 0,8 mm (radiale Richtung) auf. Natürlich kann es auch andere Unterschiede geben.
  • 8-9 veranschaulichen ein weiteres mögliches Beispiel einer Zündkerze 310, bei der die Mittelelektrodenspitze 332 nun ein einzelnes ringförmiges Stück ist und die Masseelektrodenspitzen 342 nun vier diskrete Stücke sind, die in Umfangsrichtung um etwa 90° voneinander getrennt sind. Die Zündkerze 310 schließt eine Mittelelektrode 312 mit einer Elektrodenbasis 330 und einer axialen Endfläche 334, einen Isolator 314, eine metallische Hülle 316 und eine Anzahl von Masseelektroden 318 mit Elektrodenbasen 340 und axialen Endflächen 344 ein. Die Mittel- und Masseelektroden 312, 318 sind ähnlich wie in 1-3 beschrieben und werden daher hier nicht erneut beschrieben. Die Mittelelektrodenspitze 332 ist ein ringförmiges oder ringförmiges Teil, das unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses gefertigt wird, sodass es eine Reihe von dünnen Laserablagerungsschichten 356 umfasst, die aus einem oder mehreren edelmetallbasierten Materialien gebildet werden. Eine Zündfläche 354, die sich auf der radialen Außenseite der Masseelektrodenspitze 332 befindet, ist den gegenüberliegenden Zündflächen der Masseelektrodenspitzen 342 zugewandt, sodass die Zündflächen im Allgemeinen parallel verlaufen und sich über die radialen Funkenstrecken G hinweg zugewandt sind. Eine nicht zündende Fläche 360, die sich auf der radialen Innenseite der Masseelektrodenspitze 332, beabstandet von der radialen Funkenstrecke G, befindet, kann abgeschrägt, gewinkelt oder abgerundet sein. Die Mittelelektrodenspitze 332 ist ein einzelnes oder einheitliches Stück, das als durchgehende Ringform konfiguriert ist (z. B. eine dreidimensionale Ringform mit einem nicht konstanten, ringförmigen Querschnitt entlang der axialen Höhe der Spitze und einer Öffnung oder einem Loch 368 zur Mitte hin). Obwohl der Querschnitt in Richtung des unteren axialen Teils der Spitze 332 konstant sein kann, ändert sich vor dem Beginn der abgeschrägten, nicht zündenden Fläche 360 der Querschnitt in Richtung des oberen axialen Teils aufgrund der abgeschrägten Fläche in der Größe; somit ist der Gesamtquerschnitt nicht konstant. Eine solche Konfiguration kann die Menge an teurem edelmetallbasiertem Material reduzieren, ohne die Eigenschaften und die Leistung der Zündflächen zu beeinträchtigen, die parallel zueinander liegen. Die Masseelektrodenspitze 332 erstreckt sich über und überragt eine Kante 336, die sich am Schnittpunkt der seitlichen und axialen Endflächen 338, 334 der Mittelelektrode 312 befindet, wohingegen sich die Elektrodenspitzen 342 über die Kanten 346, die sich am Schnittpunkt der seitlichen und axialen Endflächen 348, 344 der Masseelektroden 318 befinden, hinaus erstrecken und diese überragen. Ein Merkmal des additiven Fertigungsprozesses ist, dass jede der Mittel- und Masseelektrodenspitzen 332, 342 eine Ansammlung von Laserablagerungsschichten 356 einschließt, die Schicht für Schicht übereinander aufgebaut oder gestapelt werden. Die Dimensionen Y, Z und X, die in Verbindung mit dem Beispiel von 6-7 bereitgestellt wurden, können auch auf dieses Beispiel angewendet werden.
  • Fortfahrend mit 10-11 ist dort ein weiteres Beispiel für eine Zündkerze 410 dargestellt, die eine Mittelelektrode 412, einen Isolator 414, eine metallische Hülle 416 und Masseelektroden 418 aufweist. Die Mittelelektrode 412 ist eine längliche Komponente mit einer Elektrodenspitze 432 in Form einer festen Scheibe, die so auf einer Elektrodenbasis 430 aufgebaut ist, dass sie eine axiale Endfläche 434 der Mittelelektrode vollständig bedeckt. Jede der Masseelektroden 418 ist ein einzelnes Stück, das sich von der Hülle 416 erstreckt und eine Elektrodenbasis 440 aufweist, die eine Masseelektrodenspitze 442 aus einem edelmetallbasierten Material trägt. Die vier Masseelektrodenspitzen 442 sind in Umfangsrichtung um etwa 90° um die Mittelachse A voneinander beabstandet oder getrennt. In diesem Beispiel ist jede der Elektrodenspitzen 442 auf einer axialen Endfläche 444 einer Masseelektrode 418 gebildet und weist im Allgemeinen die Form eines dreidimensionalen Polygons auf (z. B. ein Parallelepiped, das abgeschnitten oder verändert wurde, um flache und abgewinkelte Zündflächen 454 bzw. 464 auf einer inneren radialen Seite der Spitze, die einer radialen Funkenstrecke G zugewandt ist, und flache und abgewinkelte nicht zündende Flächen 458 bzw. 460 auf einer äußeren radialen Seite, die von der radialen Funkenstrecke G abgewandt ist, zu bilden). Es kann wünschenswert sein, dass beide Flächen 454, 464, die der radialen Funkenstrecke G zugewandt sind, eine Kante 446 der entsprechenden Masseelektrode 418 überragen. Ein Unterschied zwischen der radialen Funkenstrecke G dieses Beispiels und denen der vorherigen Beispiele besteht darin, dass sich die Flächen 454, 464 der Masseelektrodenspitze 442 nicht in parallel zugewandter Weise zu der Zündfläche 466 der Mittelelektrodenspitze 432 über die gesamte axiale Länge der radialen Funkenstrecke G erstrecken. Stattdessen können sich die beiden Zündflächen 454, 466 in einer parallele Weise, die mit der axialen Richtung ausgerichtet ist, nur über einen Teil der axialen Länge der radialen Funkenstrecke G erstrecken, und erstrecken sich Flächen 464, 466 in einer nicht parallelen oder divergierenden Weise über einen anderen Teil der axialen Länge der radialen Funkenstrecke G. Aufgrund der kleineren Funkenstrecke, die sich zwischen den Zündflächen 454, 466 befindet, ist zu erwarten, dass ein Großteil der Funkenbildung in diesem Bereich stattfindet. Die Elektrodenspitze 432 ist in einer nicht überhängenden Anordnung gezeigt, sodass die Zündfläche 466 bündig mit einer Umfangskante 436 abschließt, statt diese zu überragen, und könnte alternativ sogar von der Kante 436 zurückversetzt oder zurückgezogen oder so weit verlängert werden, dass sie die Kante 436 überragt. Jede Elektrodenspitze 432, 442 kann eine Reihe dünner Laserablagerungsschichten 456 einschließen, die während eines additiven Fertigungsprozesses gebildet werden, wie nachstehend ausführlicher beschrieben. Natürlich kann die Zündkerze 410 auch nach anderen Ausführungsformen bereitgestellt werden, wie beispielsweise, wenn die mittlere Elektrodenspitze 432 die Kante 436 überragt und/oder ringförmig ist, im Gegensatz zur Scheibenform.
  • 12 und 13 veranschaulichen ein weiteres Beispiel einer Zündkerze 510, die eine Mittelelektrode 512 mit einer Elektrodenbasis 530 und einer axialen Endfläche 534, einen Isolator 514, eine metallische Hülle 516 und Masseelektroden 518 mit einer Elektrodenbasis 540 und einer axialen Endfläche 544 einschließt. Die Mittelelektrode 512 schließt ferner eine Elektrodenspitze 532 ein, die aus einem edelmetallbasierten Material gefertigt ist und eine Art sternförmige Konfiguration mit einem mittleren Abschnitt 570 und einer Anzahl von Nockenabschnitten 572 aufweist. Nach diesem speziellen Beispiel weist der mittlere Abschnitt 570 im Allgemeinen die Form einer kreisförmigen Scheibe auf und die Nockenabschnitte 572 weisen die Form von Keilen oder Tortenstücken, die sich radial von dem mittleren Abschnitt erstrecken auf. Jeder der Nockenabschnitte 572 weist eine Zündfläche 554 an einer radialen Außenseite auf, die einer gegenüberliegenden Zündfläche 566 einer Masseelektrodenspitze 542 über eine radiale Funkenstrecke G gegenübersteht. Es ist möglich, dass beide Zündflächen 554, 566 komplementär gekrümmte Oberflächen sind (z. B. ist eine Oberfläche konvex gekrümmt, während die andere konkav gekrümmt ist, sodass eine gleichmäßige Funkenstrecke G über die gekrümmten Zündflächen aufrechterhalten wird), dass beide Zündflächen 554, 566 komplementäre flache Oberflächen sind (z. B. wie in 1-3 und 4-5 gezeigt, sodass eine gleichmäßige Funkenstrecke G über die flachen Zündfläche aufrechterhalten wird), oder dass eine der Zündflächen 554, 566 gekrümmt und eine flach ist (z. B. wie in 6-7, 8-9 und 10-11 gezeigt, sodass eine leicht ungleichmäßige Funkenstrecke G über die gekrümmten und flachen Zündflächen hergestellt wird). Die vorgenannten Beispiele stellen nur einige der Möglichkeiten dar. Die vier Masseelektrodenspitzen 542 können in Umfangsrichtung um etwa 90° voneinander beabstandet sein und mit Hilfe additiver Fertigungstechniken auf entsprechenden Elektrodenbasen 540 aufgebaut werden. Nach einem Beispiel haben die Elektrodenspitzen 542 die Form von abgeschnittenen Keilen oder Tortenstücken mit einer Zündfläche 566 auf einer inneren radialen Seite und einer nicht zündenden Fläche 560 auf einer äußeren radialen Seite, die von der Funkenstrecke G abgewandt ist. Die Elektrodenspitze 532 erstreckt sich über und überragt eine Kante 536 am Schnittpunkt der seitlichen und axialen Endflächen 538, 534 der Mittelelektrode 512, wohingegen die Elektrodenspitzen 542 mit einer Kante 546 am Schnittpunkt der seitlichen und axialen Endflächen 548, 544 der Masseelektrode 518 bündig sind oder sogar davon zurückgezogen sind. Wie bei den vorherigen Beispielen können die Elektrodenspitzen 532, 542 eine Reihe von dünnen Laserablagerungsschichten 556 einschließen, die übereinander gestapelt werden, um die gewünschten axialen Höhen der Spitzen zu erreichen. Die nicht zündende Fläche 560 auf der Rückseite der Elektrodenspitze 542 kann, wie gezeigt, verjüngt, abgerundet oder abgeschrägt sein, um die Menge an teurem edelmetallbasierten Material zu reduzieren sowie um das Flammenwachstum um das Zündende der Zündkerze zu verbessern. Da die Masseelektrodenspitzen 542 keil- oder tortenförmig sind, können sie an der Zündfläche 566 in einer Umfangsdimension schmaler sein als an der nicht zündenden Fläche 560. Dies ist in 12 veranschaulicht, wo die Umfangsbreite W1 an der radialen Innenseite kleiner ist als die Umfangsbreite W2 an der radialen Außenseite und sich von den meisten früheren Ausführungsformen unterscheidet, bei denen die Umfangsbreite der einzelnen Elektrodenspitzen im Allgemeinen einheitlich ist. Nach den veranschaulichten Beispielen weist die Elektrodenspitze 532 einen konstanten Querschnitt entlang der axialen Höhe der Spitze auf, und die Elektrodenspitze 542 hat aufgrund der schrägen Fläche 560 einen nicht konstanten Querschnitt entlang der axialen Höhe der Spitze.
  • Ein weiteres Beispiel für eine Zündkerze 610 ist in 14-15 dargestellt, wobei die Zündkerze eine Mittelelektrode 612 mit einer Elektrodenbasis 630, einen Isolator 614, eine metallische Hülle 616 und eine Masseelektrode 618 mit einer Elektrodenbasis 640 einschließt. Dieses Beispiel kombiniert bestimmte Funktionen aus früheren Beispielen und stellt auch neue Funktionen bereit. Beispielsweise kann die Masseelektrode 618 eine einzelne Komponente sein, im Gegensatz zu mehreren diskreten Masseelektrodenkomponenten, mit einer ringförmigen Elektrodenbasis 640 und einer axialen Endfläche 644, welche die Mittelelektrode 612 kontinuierlich und in Umfangsrichtung umgibt, ähnlich wie in 6-7 gezeigt. Eine Anzahl von Masseelektrodenspitzen 642 in Form von rechteckigen Prismen (d. h. dreidimensionalen Rechtecken) oder einer anderen Form kann auf der Masseelektrodenbasis 640 so gebildet werden, dass sie eine Mittelelektrodenspitze 632 in Umfangsrichtung umgeben. Die Mittelelektrodenspitze 632 ist in Form eines ringförmigen Sterns oder einer Sonne dargestellt, die auf einer axialen Endfläche 634 der Mittelelektrodenbasis 630 aufgebaut ist und einen ringförmigen mittleren Abschnitt 680 und eine Anzahl von zündenden Abschnitten 682 einschließt, die sich von dem ringförmigen mittleren Abschnitt aus erstrecken. Die zündenden Abschnitte 682 sind als spitze Spitzen dargestellt, die sich radial von dem ringförmigen mittleren Abschnitt 680 aus erstrecken, aber sie könnten stattdessen auch abgestumpfte oder abgerundete Spitzen sein. Eine Folge der spitzen zündenden Abschnitte 682 ist, dass eine Reihe von radialen Funkenstrecken G zwischen einer Zündfläche 654 auf der einen Seite (z. B. auf der Seite der Masseelektrode) und einer Zündstelle oder einem Zündpunkt 682 auf der anderen Seite (z. B. auf der Seite der Mittelelektrode) gebildet wird, im Gegensatz zu einer Funkenstrecke, die zwischen zwei Zündflächen entsteht. Die Masseelektrodenspitze 632 erstreckt sich über und überragt eine Kante 636 am Schnittpunkt der seitlichen und axialen Endflächen 638, 634 der Mittelelektrode 612, wohingegen sich die Elektrodenspitzen 642 über eine Kante 646, die am Schnittpunkt der seitlichen und axialen Endflächen 648, 644 der Masseelektrode 618 gebildet wird, hinaus erstrecken und diese überragen. Die Elektrodenspitzen 632, 642 werden unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozess aus einem oder mehreren edelmetallbasierten Materialien gefertigt und schließen daher eine Reihe von Laserablagerungsschichten 656 ein, die schichtweise übereinander aufgebaut sind. In diesem speziellen Beispiel ist die Mittelelektrodenspitze 632 kreisringförmig oder ringförmig, sodass die Mitte der Spitze einen hohlen Teil oder eine Öffnung 684 aufweist, wodurch die Menge an teurem edelmetallbasierten Material reduziert wird. Die Zündkerze 610 weist zwölf Masseelektrodenspitzen 642 auf (in den Schnittansichten sind nicht alle abgebildet), die in Umfangsrichtung um die Mittelachse A um etwa 30° voneinander getrennt oder beabstandet sind. Natürlich könnte stattdessen auch eine andere Anzahl oder Anordnung von Mittel- und/oder Masseelektrodenspitzen verwendet werden. Wenn die Zündkerze 610 in einer Anwendung mit asymmetrischer Gasströmung und/oder einer asymmetrischen Zündquelle verwendet wird, kann es wünschenswert sein, die Umfangsposition eines Gewindeanfangs der Hülle 616 auf den vorgesehenen Zylinderkopf auszurichten und/oder eine äußere Dichtungsstärke zu kontrollieren. Die Zündkerze 610 mit ihren scharfkantigen Zündpunkten 682, die den Spannungsbedarf der Kerze reduzieren, kann besonders gut für den Einsatz in Motoren geeignet sein, die niedrige Spannungen benötigen, wie beispielsweise solche, die Wasserstoffbrennstoff verbrennen.
  • Nun unter Bezugnahme auf 16-17 ist dort eine weitere mögliche Ausführungsform einer Zündkerze 710 gezeigt, die eine Mittelelektrode 712 mit einer Elektrodenbasis 730, einen Isolator 714, eine metallische Hülle 716 und eine Masseelektrode 718 mit einer Elektrodenbasis 740 einschließt. Die Mittelelektrode 712 ist als standardmäßige zylindrische Elektrodenkomponente dargestellt und die Masseelektrode 718 ist als einzelne oder einheitliche ringförmige Elektrodenkomponente dargestellt. Diese Elektroden könnten jedoch nach jeder der hierin offenbarten Ausführungsformen sowie nach anderen geeigneten, in der Technik bekannten Ausführungsformen bereitgestellt werden. Eine Mittelelektrodenspitze 732 ist auf einer axialen Endfläche 734 der Mittelelektrodenbasis 730 in Form eines Springbrunnens mit mehreren Tüllen aufgebaut und weist nach diesem Beispiel einen mittleren Abschnitt 780 und eine Anzahl von zündenden Abschnitten 782 auf, die sich von dort aus erstrecken. Der mittlere Abschnitt 780 kann eine zylindrische oder scheibenförmige Komponente mit einem Außendurchmesser sein, der dem der darunter liegenden Mittelelektrodenbasis 730 entspricht, sodass an der Verbindungsstelle der beiden Komponenten eine bündige oder nahezu bündige Schnittstelle entsteht. Jeder der zündenden Abschnitte 782 ist eine gekrümmte Verlängerung oder Röhre, die sich axial nach oben und weg von dem mittleren Abschnitt 780 und radial nach außen zu einer entsprechenden Masseelektrodenspitze erstreckt, sodass die zündenden Abschnitte 782 zusammen eine Art Burstmuster bilden. Aufgrund des additiven Fertigungsprozesses, bei dem diese Spitzen Schicht für Schicht gefertigt werden, wird ein erhebliches Maß an Gestaltungsfreiheit gewährt, das solche Formen ermöglicht. In diesem speziellen Beispiel verläuft jeder der zündenden Abschnitte 782 in einer gebogenen oder gekrümmten Art und Weise, die scharfkantige Übergänge entlang seiner Länge vermeidet und in einer flachen oder leicht gebogenen Zündfläche 754 endet. Die Mittelelektrodenspitze 732 und insbesondere die zündenden Abschnitte 782 überragen eine Kante 736, die sich am Schnittpunkt der seitlichen und axialen Endflächen 738 bzw. 734 der Mittelelektrode 712 befindet. In diesem Fall überragt die Mittelelektrodenspitze 732 die Kante 736, obwohl sie bündig mit der Mittelelektrodenbasis 730 abschließt, was sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen unterscheidet. Eine Reihe von einzelnen Masseelektrodenspitzen 742 sind auf der Masseelektrodenbasis 740 aufgebaut und erstrecken sich in Richtung ihrer Mittelelektroden-Gegenstücke, sodass eine Reihe von radialen Funkenstrecken G zwischen gegenüberliegenden Zündflächen gebildet wird. Jede der Masseelektrodenspitzen 742 kann in Form eines festen gebogenen Rohrs bereitgestellt werden, das dem der zündenden Abschnitte 782 ähnelt (z. B. können sie spiegelbildlich sein) und sich von der Masseelektrodenbasis 740 nach oben und weg wölbt. Jede Masseelektrodenspitze 742 überragt eine Kante 746, die an einem Schnittpunkt der seitlichen und axialen Endflächen 748, 744 der Masseelektrode gebildet wird, obwohl sie eine bündige oder nahezu bündige Schnittstelle mit der Masseelektrodenbasis 740 bildet. In diesem besonderen Beispiel gibt es sechs zündende Abschnitte 782 und sechs Masseelektrodenspitzen 742, die sechs Elektrodenspitzenpaare bilden, wobei jedes Elektrodenspitzenpaar etwa 60° von einem benachbarten Paar beabstandet ist. Die Elektrodenspitzen 732, 742 werden unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses aus einem oder mehreren edelmetallbasierten Materialien gefertigt und schließen daher eine Reihe von Laserablagerungsschichten 756 ein, die schichtweise übereinander aufgebaut sind. Wie bereits erwähnt, können die Elektrodenspitzen 732, 742 auch aus einem nicht edelmetallbasierten Material gefertigt werden, z. B. aus einem nickelbasierten Material.
  • 18-20 veranschaulichen eine weitere Ausführungsform einer Zündkerze 810, die eine Mittelelektrode 812 mit einer Elektrodenbasis 830, einen Isolator 814, eine metallische Hülle 816 und mehrere Masseelektroden 818 mit jeweils einer Elektrodenbasis 840 aufweist. Die Mittelelektrodenspitze 832 und die Masseelektrodenspitzen 842 weisen in diesem Beispiel die Form gekrümmter Verlängerungen oder Röhren auf, ähnlich wie bei der letzten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass diese Komponenten eine komplexere Korkenzieher-, Spiral- und/oder Helixform aufweisen können, bei der sie in drei Dimensionen gekrümmt sind, wohingegen die Elektrodenspitzen 732, 742 in zwei Dimensionen gekrümmt sein können, wenngleich dies nicht erforderlich ist. Die Mittelelektrodenspitze 832 ist auf einer axialen Endfläche 834 der Mittelelektrodenbasis 830 aufgebaut und schließt nach einer Möglichkeit einen mittleren Abschnitt 880 mit einer Anzahl von zündenden Abschnitten 882 ein, die sich von dort aus spiralförmig oder korkenzieherartig erstrecken, ähnlich wie Baumstämme, die aus einer gemeinsamen Basis herauswachsen. Der mittlere Abschnitt 880 kann einen Querschnitt in Form mehrerer runder, ineinander übergehender Nocken aufweisen, wie dargestellt, oder er kann einfach einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt haben. Es ist möglich, dass der mittlere Abschnitt 880 einen kleineren Außendurchmesser oder Umfang aufweist als die entsprechende Mittelelektrodenbasis 830, sodass die Mittelelektrodenspitze 832 etwas von einer Kante 836 der Mittelelektrodenspitze 812 zurückgesetzt ist, wodurch eine Schnittstelle entsteht, die nicht bündig ist. Die Kante 836 wird an der Grenze zwischen den seitlichen und axialen Endflächen 838 bzw. 834 gebildet. Die Mittelelektrodenspitze 832 mit ihren spiralförmigen, röhrenförmigen zündenden Abschnitten 882 kann sich axial nach oben und radial nach außen erstrecken, sodass die an den distalen Enden der zündenden Abschnitte 882 befindlichen Zündflächen 854 die Kante 836 überragen und einen Teil der radialen Funkenstrecke G bilden. Wie bei früheren Ausführungsformen sind die zündenden Abschnitte 832, 842 vorzugsweise fest und nicht hohl. Die Masseelektrodenspitzen 842 sind auf Masseelektrodenbasen 840 aufgebaut, die Teil von diskreten oder separaten Masseelektroden 818 sein können, obwohl diese Ausführungsform auch eine einzige ringförmige Masseelektrode aufweisen kann, wie in der vorherigen Ausführungsform gezeigt. Jede der Masseelektrodenspitzen 842 ist von einer Kante 846 der Masseelektrode zurückgesetzt oder vertieft und ragt über die Kante 846 hinaus. Die Zündkerze dieses Beispiels weist drei zündende Abschnitte 882 und drei Masseelektrodenspitzen 842 auf, die drei Elektrodenspitzenpaare bilden, wobei jedes Elektrodenspitzenpaar etwa 120° von einem benachbarten Paar beabstandet ist. Die Elektrodenspitzen 832, 842 werden unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses aus einem oder mehreren edelmetallbasierten Materialien gefertigt und schließen daher eine Reihe von Laserablagerungsschichten 856 ein, die schichtweise übereinander aufgebaut sind.
  • In 21-22 ist eine weitere Ausführungsform einer Zündkerze 910 dargestellt, die eine Mittelelektrode 912 mit einer Elektrodenbasis 930, einen Isolator 914, eine metallische Hülle 916 und eine ringförmige Masseelektrode 918 mit einer Elektrodenbasis 940 aufweist. Nach diesem Beispiel schließt die Mittelelektrode 912 mehrere Mittelelektrodenspitzen 932 ein, von denen jede auf der Elektrodenbasis 930 aufgebaut ist und sich halbbogenförmig erstreckt, sodass sie einen Teilbogen bildet, der eine Kante 936 der Mittelelektrode überragt. An einem distalen Ende jeder der Mittelelektrodenspitzen 932 befindet sich eine Zündfläche 954, die, wie dargestellt, gekrümmt oder flach sein kann und dazu beiträgt, eine radiale Funkenstrecke G zu erzeugen. Von der Masseelektrode 918 erstrecken sich mehrere Masseelektrodenspitzen 942, die jeweils in einer halbbogenförmigen Teilbogenform konfiguriert sein können, welche die entsprechende Mittelelektrodenspitze 932 ergänzt, so dass sie zusammen einen vollständigen Bogen mit der radialen Funkenstrecke G in der Mitte bilden. Jede Masseelektrodenspitze 942 überragt eine Kante 946 der Masseelektrode und schließt eine eigene gebogene oder flache Zündfläche ein. Die veranschaulichte Ausführungsform zeigt zwei Mittelelektrodenspitzen 932 und zwei Masseelektrodenspitzen 942 für insgesamt zwei Elektrodenspitzenpaare, die um etwa 180° voneinander getrennt sind, es könnten jedoch auch mehr oder weniger Elektrodenspitzenpaare vorgesehen werden. Eine mögliche Eigenschaft dieser Ausführungsform ist, dass die Geometrie der Elektrodenspitzenpaare eine optimierte Gasströmung lenken und fördern kann, ähnlich wie bei einem Flugzeugflügel. Die Elektrodenspitzen 932, 942 werden unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses aus einem oder mehreren edelmetallbasierten Materialien gefertigt und schließen eine Reihe von Laserablagerungsschichten 956 ein, die in einer schichtweisen Anordnung so übereinander aufgebaut sind, dass sie im Allgemeinen senkrecht zu einer Mittelachse der Kerze verlaufen.
  • Nun unter Bezugnahme auf 23-24 ist dort eine Ausführungsform einer Zündkerze 1010 dargestellt, die eine Mittelelektrode 1012 mit einer Elektrodenbasis 1030, einen Isolator 1014, eine metallischen Hülle 1016 und eine ringförmigen Masseelektrode 1018 mit einer Elektrodenbasis 1040 aufweist. Die Mittelelektrode 1012 schließt eine scheibenförmige mittlere Mittelelektrodenspitze 1032 ein, die einer Möglichkeit zufolge eine Reihe zündender Abschnitte oder Zündstellen 1038 aufweist, die axial von der Elektrodenspitze aufsteigen und auf eine kuppelförmige Masseelektrodenspitze 1042 zeigen. Die Zündstellen 1038 können konisch mit spitzen Enden sein, sie können säulenförmig mit flachen, abgestumpften Enden sein, sie können halbkugelförmig oder oval mit abgerundeten Enden sein, oder sie können nach einer anderen Konfiguration vorgesehen sein. Da die Mittelelektrodenspitze 1032 über einen additiven Fertigungsprozess oder einen 3D-Druckprozess auf die Mittelelektrodenbasis 1030 aufgebaut wird, gibt es zahlreiche mögliche Konfigurationen. In einem Beispiel sind die Zündstellen 1038 in Reihen und/oder Spalten angeordnet, sodass ein matrix- oder gitterartiges Muster solcher Stellen auf einer axialen Endfläche 1034 der Mittelelektrodenbasis 1030 gebildet wird und diese vollständig bedeckt. Obwohl nicht gezeigt, ist es möglich, dass die Mittelelektrodenspitze 1032 eine überhängende Konfiguration aufweist, sodass die Spitze mindestens teilweise eine Umfangskante 1036 der Mittelelektrode 1012 überragt. Die Masseelektrodenspitze 1042 ist hier als eine einzelne oder einheitliche kuppelförmige Komponente dargestellt, die in Umfangsrichtung mit der ringförmigen Masseelektrodenbasis 1040 verbunden ist und eine Reihe von Öffnungen oder Anschlüssen 1050 einschließt, durch die ein Luft/Brennstoff-Gemisch eintreten und verbrannte Gase und Verbrennungsflammen austreten können. Auf diese Art und Weise bildet die Masseelektrodenspitze 1042 eine Art Vorkammer 1052, die über die Anschlüsse 1050 mit einer Hauptbrennkammer in Verbindung steht. Die Masseelektrodenspitze 1042 überragt eine Umfangskante 1046 der Masseelektrode, sodass in erster Linie eine axiale Funkenstrecke G entsteht. Die Elektrodenspitzen 1032, 1042 können unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses aus einem oder mehreren edelmetallbasierten Materialien gefertigt werden und eine Reihe von Laserablagerungsschichten 1056 einschließen, die in einer schichtweisen Anordnung übereinander aufgebaut sind. Wie bei allen hierin offenbarten Ausführungsformen können sowohl die Mittelelektrodenspitzen als auch die Masseelektrodenspitzen Laserablagerungsschichten einschließen, die durch einem additiven Fertigungsprozess entstanden sind, auch wenn sie in den Zeichnungen nicht speziell dargestellt sind.
  • Die vorstehenden Beispiele stellen nur einige der möglichen Konfigurationen und Ausführungsformen der Zündkerze und der Zündkerzenelektrode der vorliegenden Anwendung dar. Es ist zum Beispiel möglich, eine Zündkerze und/oder eine Zündkerzenelektrode, einschließlich eines der in 1-24 gezeigten Beispiele, mit jeder machbaren Kombination der folgenden Merkmale bereitzustellen:
    • - eine Mittelelektrode mit einer oder mehreren Elektrodenspitzen, die eine Kante der Mittelelektrode überragt, und eine Masseelektrode mit einer oder mehreren Masseelektrodenspitzen, die eine Kante der Masseelektrode überragt (siehe z. B. 1-3, 4-5, 6-7, 8-9, 14-15, 16-17, 18-20, 21-22);
    • - eine Mittelelektrode mit Elektrodenspitze(n), die eine Kante der Mittelelektrode überragt/überragen, und eine Masseelektrode mit Elektrodenspitze(n), die mit einer Kante der Masseelektrode bündig ist/sind oder von ihr zurückgezogen ist/sind (siehe z. B. 12-13);
    • - eine Mittelelektrode mit Elektrodenspitze(n), die mit einer Kante der Mittelelektrode bündig ist/sind oder von ihr zurückgezogen ist/sind, und eine Masseelektrode mit Elektrodenspitze(n), die eine Kante der Masseelektrode überragt/überragen (siehe z. B. 10-11, 23-24);
    • - eine Mittelelektrode und/oder eine Masseelektrode mit vier oder mehr separaten Elektrodenspitzen (siehe z. B. 1-3, 4-5, 6-7, 14-15, 16-17);
    • - eine Mittelelektrode und/oder eine Masseelektrode mit einer einzelnen ringförmigen oder scheibenförmigen Elektrodenspitze (siehe z. B. 6-7, 8-9, 10-11, 14-15, 23-24);
    • - eine Mittelelektrode und/oder eine Masseelektrode mit einer oder mehreren Elektrodenspitzen, die eine flache oder ebene Zündfläche aufweisen (siehe z. B. 1-3, 4-5, 6-7, 8-9, 10-11, 14-15, 16-17, 18-20);
    • - eine Mittelelektrode und/oder eine Masseelektrode mit einer oder mehreren Elektrodenspitzen, die eine gekrümmte, zylindrische, konkave, konvexe oder anderweitig konturierte Zündfläche aufweisen (siehe z. B. 6-7, 8-9, 10-11, 12-13, 21-22, 23-24);
    • - eine Mittelelektrode und/oder eine Masseelektrode mit einer oder mehreren Elektrodenspitzen, die eine spitze oder scharfkantige funkende Zündfläche aufweist (siehe z. B. 14-15, 23-24);
    • - eine Mittelelektrode und/oder eine Masseelektrode mit einer oder mehreren Elektrodenspitzen, die eine abgeschrägte oder abgerundete, nicht zündende Fläche aufweisen (siehe z. B. 4-5, 8-9, 10-11, 12-13);
    • - eine Mittelelektrode und/oder eine Masseelektrode mit einer oder mehreren Elektrodenspitzen, die eine erste Zündfläche, die in einer axialen Richtung ausgerichtet ist, und eine zweite Zündfläche, die in Bezug auf die axiale Richtung abgewinkelt oder gekrümmt ist, aufweist (siehe z. B. 10-11);
    • - eine Mittelelektrode und/oder eine Masseelektrode mit einer oder mehreren Elektrodenspitzen, welche die Form eines dreidimensionalen Rechtecks, Dreiecks, Polygons, Keils, Rings, Sterns, Blocks, einer Niete, eines Zylinders, eines Stabs, einer Säule, eines Drahts, einer Kugel, eines Hügels, eines Kegels, eines flachen Pads, einer Scheibe, einer Platte, eines Rings, einer Hülse, eines Springbrunnens, einer gebogenen Röhre, eines Korkenziehers, einer spiralförmigen und/oder schraubenförmigen Röhre, eines Bogens, einer Kuppel, einer Matrix und/oder einer anderen Form aufweisen (z. B. siehe 1-3, 4-5, 6-7, 8-9, 10-11, 12-13, 14-15, 16-17, 18-20, 21-22, 23-24);
    • - eine Mittelelektrode mit einer oder mehreren Elektrodenspitzen, die eine Zündfläche aufweist, und eine Masseelektrode mit einer oder mehreren Elektrodenspitzen, die eine Zündfläche aufweist, wobei die Zündfläche der Mittelelektrode und der Masseelektrode parallel zueinander verlaufen oder komplementär über eine radiale Funkenstrecke gekrümmt sind, die gleichmäßig ist (siehe z. B. 1-3, 4-5, 12-13, 16-17, 18-20, 21-22);
    • - eine Mittelelektrode mit einer oder mehreren Elektrodenspitzen, die eine Zündfläche aufweist, und eine Masseelektrode mit einer oder mehreren Elektrodenspitzen, die eine Zündfläche aufweist, wobei die Zündflächen eines ersten Elektrodenspitzenpaares eine erste radiale Funkenstrecke einer ersten Dimension erzeugen, die Zündflächen eines zweiten Elektrodenspitzenpaares eine zweite radiale Funkenstrecke einer zweiten Dimension erzeugen, und so weiter;
    • - eine Mittelelektrode und/oder eine Masseelektrode mit einer oder mehreren Elektrodenspitzen, die einen konstanten Querschnitt entlang der axialen Höhe der Elektrodenspitze(n) aufweisen (siehe z. B. 1-3, 6-7, 8-9, 10-11, 12-13, 14-15);
    • - eine Mittelelektrode und/oder eine Masseelektrode mit einer oder mehreren Elektrodenspitzen, die einen nicht konstanten oder sich ändernden Querschnitt entlang der axialen Höhe der Elektrodenspitze(n) aufweisen (siehe z. B. 4-5, 8-9, 10-11, 12-13, 16-17, 18-20, 21-22, 23-24);
    • - eine Mittelelektrode mit einer oder mehreren Elektrodenspitzen und eine Masseelektrode mit einer oder mehreren Elektrodenspitzen, wobei die Mittelelektrodenspitze(n) und die Masseelektrodenspitze(n) alle aus demselben edelmetallbasierten Material gefertigt sind; und
    • - eine Mittelelektrode mit einer oder mehreren Elektrodenspitzen und eine Masseelektrode mit einer oder mehreren Elektrodenspitzen, wobei mindestens eine der Mittelelektrodenspitzen aus einem anderen edelmetallbasierten Material gefertigt ist als eine Masseelektrodenspitze.
  • Die folgende Beschreibung einer Elektrodenbasis kann für jede der hierin offenbarten Mittel- und/oder Masseelektrodenbasen 30, 40, 130, 140, 230, 240, 330, 340, 430, 440, 530, 540, 630, 640, 730, 740, 830, 840, 930, 940, 1030, 1040, 1530, 1540 gelten. Die Elektrodenbasis kann Teil einer Masseelektrode sein, die ein separates Teil oder eine Komponente ist, die an die Hülle geschweißt, additiv gefertigt oder anderweitig befestigt ist, oder die Elektrodenbasis kann Teil einer Masseelektrode sein, die eine einheitliche oder kontinuierliche Erweiterung der Hülle ist. In jedem Fall ist die Elektrodenbasis der Teil der Zündkerze, auf dem die Elektrodenspitze durch additive Fertigung geformt wird, und kann somit als Trägermaterial für die Elektrodenspitze dienen. Dasselbe gilt für die Mittelelektrode. Die Elektrodenbasis kann durch Ziehen, Extrudieren, Zerspanen, Gießen und/oder einen anderen konventionellen Prozess gefertigt werden und kann aus einem nickelbasierten Material (z. B. wenn sie ein von der Hülle getrenntes Stück ist) oder einem eisenbasierten Material (z. B. wenn sie ein integraler Bestandteil der Hülle ist) bestehen. Der Begriff „nickelbasiertes Material“, wie er hierin verwendet wird, bezeichnet ein Material, in dem Nickel der gewichtsmäßig größte Einzelbestandteil des Materials ist und das andere Bestandteile enthalten kann oder auch nicht (z. B. kann ein nickelbasiertes Material reines Nickel, Nickel mit einigen Verunreinigungen oder eine nickelbasierte Legierung sein). Einem Beispiel zufolge ist Elektrodenbasis aus einem nickelbasierten Material gefertigt, das einen relativ hohen Gewichtsprozentsatz an Nickel aufweist, wie beispielsweise ein nickelbasiertes Material, das 98 Gew.-% oder mehr Nickel umfasst. In einem anderen Beispiel ist die Elektrodenbasis aus einem nickelbasierten Material gefertigt, das einen geringen Gewichtsanteil an Nickel aufweist, wie einem nickelbasierten Material, das 50-90 Gew.-% Nickel umfasst (z. B. INCONEL™ 600 oder 601). Ein besonders geeignetes nickelbasiertes Material enthält etwa 70-80 Gew.-% Nickel, 10-20 Gew.-% Chrom, 5-10 Gew.-% Eisen sowie andere Elemente in kleineren Mengen. Der hierin verwendete Begriff „eisenbasiertes Material“ bezeichnet ein Material, in dem Eisen der gewichtsmäßig größte Einzelbestandteil ist und das andere Bestandteile enthalten kann oder auch nicht(z. B. kann ein eisenbasiertes Material eine geeignete Stahlsorte sein, wie etwa verschiedene Kohlenstoffstähle (z. B. 1.0503-C45, 1.0401-C15, Sorte 5140, usw.), rostfreie Stähle (z. B. 1.4571) usw.). Stattdessen können auch andere Materialien, einschließlich solcher, die nicht nickel- oder eisenbasiert sind, sowie andere Größen und Formen für die Elektrodenbasis verwendet werden.
  • Die folgende Beschreibung einer Elektrodenspitze kann für jede der hierin offenbarten Mittel- und/oder Masseelektrodenspitzen 32, 42, 132, 142, 232, 242, 332, 342, 432, 442, 532, 542, 632, 642, 732, 742, 832, 842, 932, 942, 1032, 1042, 1532, 1542 gelten. Die Elektrodenspitze ist der Teil oder Abschnitt der Elektrode, in der Regel der zündende Abschnitt, der durch additive Fertigung auf der Elektrodenbasis gebildet wird. So kann die Elektrodenspitze aus einem Bett aus edelmetallbasierten Pulver gefertigt werden, das in unmittelbare Nähe der Elektrodenbasis gebracht wird, sodass bei Bestrahlung mit einem Laser- oder Elektronenstrahl das edelstallbasierte Pulver und ein Teil des festen Materials der Elektrodenbasis geschmolzen werden und zu Laserablagerungsschichten 56, 156, 256, 356, 456, 556, 656, 756, 856, 956, 1056 erstarren. Dieser Prozess des Erzeugens einzelner Schichten wird wiederholt, sodass eine Reihe von Laserablagerungsschichten entsteht, die nacheinander aufgebaut oder aufeinander gestapelt werden, sodass die Schichten senkrecht zur Mittelachse A der Zündkerze verlaufen (wobei „senkrecht“ in diesem Zusammenhang keine perfekte Senkrechte erfordert, solange die Laserablagerungsschichten im Querschnitt betrachtet innerhalb einer tolerierbaren Fehlerspanne senkrecht zur Mittelachse A verlaufen). Einige Laserablagerungsschichten weisen möglicherweise nur Material von der Elektrodenbasis und der Elektrodenspitze auf; während andere Schichten möglicherweise nur Material von der Elektrodenspitze aufweisen. Wie in dem vergrößerten Ausschnitt in 2 veranschaulicht, weist jede Laserablagerungsschicht eine durchschnittliche Schichtdicke T auf, die zwischen 5 µm und 60 µm liegen kann, und die Gesamtheit oder Summe aller Schichtdicken ist die Elektrodenspitzenhöhe Z, die zwischen 0,05 und 3,0 mm, oder noch bevorzugter zwischen 0,1 und 2,0 mm liegen kann. Durch das Verbinden der Elektrodenspitze mit der Elektrodenbasis über die gesamte Grundfläche der Elektrodenspitze, nicht nur um den äußeren Umfang der Elektrodenspitze herum (was typischerweise bei Laserschweißungen der Fall ist), kann eine „ganzflächige Verbindung“ zwischen der Elektrodenspitze und der Elektrodenbasis hergestellt werden.
  • Die Elektrodenspitze kann aus einem edelmetallbasierten Material gefertigt sein, um eine verbesserte Korrosions- und/oder Erosionsbeständigkeit bereitzustellen. Der Begriff „edelmetallbasiertes Material“, wie hierin verwendet, bezeichnet ein Material, in dem ein Edelmetall der gewichtsmäßig größte Einzelbestandteil des Materials ist, selbst wenn das Edelmetall nicht mehr als 50 Gew.-% des Gesamtmaterials ausmacht, solange es der größte Einzelbestandteil ist, und es kann andere Bestandteile enthalten oder nicht (z. B. kann ein edelmetallbasiertes Material reines Edelmetall, Edelmetall mit einigen Verunreinigungen oder eine edelmetallbasierte Legierung sein). Edelmetallbasierte Materialien, die verwendet werden können, schließen iridium-, platin-, ruthenium-, palladium-, gold- und/oder rhodiumbasierte Materialien ein, um nur einige Möglichkeiten zu nennen. Nach einem Beispiel besteht die Elektrodenspitze aus einem iridium- oder platinbasierten Material, wobei das Material in Pulverform verarbeitet wurde, sodass es im additiven Fertigungsprozess verwendet werden kann. Wie bereits erwähnt, können bestimmte Edelmetalle, wie Iridium, sehr teuer sein. Daher ist es in der Regel wünschenswert, den Gehalt an solchen Materialien in der Elektrodenspitze zu reduzieren, solange dies die Leistung der Elektrodenspitze nicht unannehmbar beeinträchtigt. Edelmetallbasiertes Pulver mit nicht mehr als 60 Gew.-% Iridium (z. B. Pt-Ir40, Pt-Ir50, Ir-Pt40 usw.) und vorzugsweise mit nicht mehr als 50 Gew.-% Iridium (z. B. Pt-Ir40, Pt-Ir50 usw.) können für bestimmte Anwendungen geeignet sein, da solche Materialien ein wünschenswertes Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistung herstellen können. In einigen Ausführungsformen, wie beispielsweise den in 16-24 gezeigten, bei denen die Elektrodenspitzen große Komponenten sind, für deren Herstellung eine beträchtliche Menge an Material benötigt wird, ist es möglicherweise nicht wirtschaftlich, die gesamte Elektrodenspitzenstruktur aus einem edelmetallbasierten Material herzustellen. In einigen Fällen, abhängig von den aktuellen Edelmetallpreisen, ist es möglicherweise wirtschaftlich nicht sinnvoll, Elektrodenspitzenstrukturen, einschließlich der in 1-15 gezeigten, aus einem edelmetallbasierten Material herzustellen. In solchen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Elektrodenspitze ganz oder teilweise aus einem anderen Material herzustellen, das kein „edelmetallbasiertes Material“ ist, wie beispielsweise ein Material mit mindestens 5 Gew.-% eines Edelmetalls, einer Schmelztemperatur von mindestens 1700 °C und einer Dichte von mindestens 14,0 g/cm3. In einem Beispiel könnte ein nickelbasiertes Material oder ein anderes Material verwendet werden, um einen Abschnitt oder einen Teil der Elektrodenbasis zu bilden, und dann könnte ein edelmetallbasiertes Material (entweder durch additive Fertigung oder durch konventionelles Schweißen oder andere Techniken) nur am Zündende oder an der Zündfläche hinzugefügt werden. Dementsprechend ist es nicht erforderlich, dass ein edelmetallbasiertes Material verwendet wird, da jede hierin offenbarte Ausführungsform einer Elektrodenspitze ganz oder teilweise ein Material einschließen kann, das kein edelmetallbasiertes Material ist, einschließlich solcher mit mindestens 5 Gew.-% eines Edelmetalls, nickelbasierte Materialien usw. Andere nicht edelmetallbasierte Materialien sind natürlich auch möglich und können ebenfalls verwendet werden.
  • Unter Bezugnahme auf 25-27 wird eine Beschreibung eines additiven Fertigungsprozesses 100 (manchmal auch als 3D-Druckprozess bezeichnet) bereitgestellt, der zur Fertigung der hierin beschriebenen Zündkerze und/oder Zündkerzenelektrode verwendet werden kann. Nach diesem Beispiel verwendet der additive Fertigungsprozess 100 eine Pulverbettschmelztechnik, um eine oder mehrere Elektrodenspitzen auf einer Elektrodenbasis oder mehreren Elektrodenbasen zu bilden, wie unten beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden Elektrodenspitzen gleichzeitig auf den Mittel- und Masseelektroden unter Verwendung desselben edelmetallbasierten Pulvers gebildet. Es sollte jedoch anerkannt werden, dass auch die Verwendung von zwei oder mehr edelmetallbasierten Pulvern möglich ist (z. B. durch den Einsatz von Laserauftragsschweißen mit einer Pulverdüse oder durch das Bilden von Elektrodenspitzen auf den Mittel- und Masseelektroden während separater Ausbildungsschritte). Nicht einschränkende Beispiele für geeignete Pulverschmelztechniken schließen selektives Laserschmelzen (SLM), selektives Lasersintern (SLS), direktes Metalllasersintern (DMLS) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM) ein, um nur einige zu nennen. Der additive Fertigungsprozess 100 kann für jede der hierin beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele sowie für andere verwendet werden und ist nicht auf das folgende Beispiel beschränkt.
  • Ausgehend von Schritt S1 wird eine Zündkerze 1510 in einem additiven Fertigungswerkzeug 1600 so befestigt oder montiert, dass eine Mittelelektrodenbasis 1530 und/oder eine Masseelektrodenbasis 1540 freigelegt wird. Zum Zeitpunkt der Befestigung kann die Zündkerze 1510 eine komplette, zusammengebaute Zündkerze sein oder nur bestimmte Teile oder Komponenten davon, wie beispielsweise die Mittel- und/oder Masseelektroden. In dem veranschaulichten Beispiel sind mehrere Zündkerzen 1510 in einer Substratplatte 1610 des additiven Fertigungswerkzeugs 1600 montiert oder installiert (z. B. kann die Hülle der Zündkerze 1510 in entsprechende Gewinde der Substratplatte 1610 oder irgendeine andere Einspannvorrichtung geschraubt werden), sodass die Zündkerzen in einer im Allgemeinen vertikalen Ausrichtung gehalten werden. Die Substratplatte 1610, die auch als Bauplatte bezeichnet wird, ist als kreisförmige Platte mit drei kreisförmigen Aussparungen oder Öffnungen 1620 dargestellt, eine für jede der drei Zündkerzen 1510, aber andere Ausführungsformen mit einer anderen Anzahl und/oder Form der Ausschnitte sind sicherlich möglich (z. B. rechteckige oder quadratische Substratplatten). Die Substratplatte 1610 trägt die Zündkerzen 1510 so, dass die axialen Endflächen 1534 und 1544 der Mittel- und Masseelektrodenbasen 1530 bzw. 1540 nach oben gerichtet sind und frei liegen. Die axialen Endflächen 1534, 1544 können mit der Oberseite der Substratplatte 1610 bündig oder leicht zurückgesetzt sein, wie in 27 am besten veranschaulicht.
  • Als nächstes füllt der additive Fertigungsprozess alle leeren Hohlräume oder Zwischenräume innerhalb der Ausschnitte 1620 mit einem Füllmaterial 1630, Schritt S2. Das Füllmaterial 1630 dient lediglich dazu, die leeren Zwischenräume im Inneren der Zündkerze 1510 aufzufüllen, sodass ein provisorischer Boden oder eine Basis 1564 bereitgestellt wird, auf der die Elektrodenspitzen mindestens teilweise aufgebaut werden können. Schritt S2 kann Füllmaterial 1630 in das Becken oder die Senke 1640 geben und dann mit einem Wischerblatt 1650 über das Füllmaterial streichen, um die leeren Zwischenräume oder Hohlräume in der Zündkerze aufzufüllen. Die Höhe des Wischerblatts 1650 kann so eingestellt werden, dass es mit den freiliegenden Flächen des Beckens 1640, der Substratplatte 1610 und/oder der axialen Endfläche 1534, 1544 der Elektroden eben ist. Dies führt dazu, dass das Füllmaterial 1630 die leeren Zwischenräume im Inneren der Zündkerze 1510, wie beispielsweise die Zwischenräume zwischen der Hülle oder den Masseelektroden und der Mittelelektrode, auffüllt und einnimmt, sodass eine bündige Fläche 1564 auf der Oberseite der Substratplatte 1610 entsteht. In verschiedenen Beispielen kann der Schritt S2 manuell von einem Bediener ausgeführt werden oder der Schritt kann sogar durchgeführt werden, bevor die Zündkerzen 1510 in das additive Fertigungswerkzeug 1600 installiert werden. Ein Vorteil ist, dass die keramische Fläche des Isolators frei von metallischen Partikeln bleibt, die möglicherweise später entfernt werden müssen. Nach Schritt S2 können die Oberseiten der Substratplatte 1610, der Mittel- und Masseelektrodenbasen 1530, 1540 und des provisorischen Bodens 1564 bündig miteinander abschließen, sodass eine einzelne flache Fläche entsteht. In einem Beispiel ist das Füllmaterial 1630 das gleiche edelmetallbasierte Pulver, das später für die Herstellung der Elektrodenspitzen verwendet wird. In einem anderen Beispiel ist das Füllmaterial 1630 ein Salz (z. B. NaCl oder ein anderes Salz), das sich leicht gießen lässt, einen hohen Schmelzpunkt aufweist, den Isolator vor metallischen Partikeln schützt, eine glasartige Fläche am Boden 1564 bilden kann, die verhindert, dass edelmetallbasiertes Pulver in die inneren Zwischenräume hinabwandert, und aufgrund seiner Wasserlöslichkeit leicht von dem edelmetallbasierten Pulver getrennt werden kann, ohne Rückstände zu hinterlassen. Wenn ein Salz oder ein anderes nicht edelmetallbasiertes Füllmaterial verwendet wird, ist es vorzuziehen, dass das Füllmaterial 1630 eine größere durchschnittliche Korngröße (z. B. 40-65 µm) aufweist als das edelmetallbasierte Pulver (z. B. 5-30 µm), sodass die beiden Materialien leicht mit Filtern oder dergleichen getrennt werden können. In einem anderen Beispiel schließt das Füllmaterial ein keramisches Material (z. B. keramische Kugeln, wie etwa solche aus Aluminiumoxid) oder Glasperlen ein, die durch Sieben getrennt werden können.
  • Als nächstes werden die freiliegenden Flächen der Substratplatte 1610, der Mittel- und Masseelektrodenbasen 1530, 1540 und des provisorischen Bodens 1564 mit einer dünnen Pulverschicht 1680 aus edelmetallbasiertem Material bedeckt, Schritt S3. In einem Beispiel wird das edelmetallbasierte Pulver von einem Vorratszylinder 1660 bereitgestellt, der um eine bestimmten Betrag angehoben werden kann, um eine Menge an edelmetallbasierten Pulver bereitzustellen, die mit der gewünschten Dicke der zu erzeugenden Laserablagerungsschicht in Beziehung steht (z. B. wenn eine Edelmetallschicht von 0,15 mm gewünscht wird, kann der Vorratszylinder 1660 um einen Faktor oder 2x (0,3 mm) angehoben werden, um sicherzustellen, dass genügend Pulver bereitgestellt wird, um die Elektrodenbasen 1530, 1540 vollständig zu bedecken). Das Wischerblatt 1650 wird dann bündig und parallel über das Becken oder die Senke 1640 gestrichen, um eine dünne, gleichmäßige Pulverschicht 1680 auf der Substratplatte 1610 zu erzeugen (in 26 nicht dargestellt, um die darunter liegenden Zündkerzenkomponenten sichtbar zu machen), die gegenüber dem Rest des Beckens 1640 leicht versenkt oder zurückgesetzt sein kann (das Ausmaß, in dem die Substratplatte 1610 zurückgesetzt ist, entspricht der gewünschten Dicke der zu erzeugenden Laserablagerungsschicht). Überschüssiges edelmetallbasiertes Pulver wird in den Überlaufbehälter 1670 gekehrt, sodass das Pulver recycelt und wiederverwendet werden kann. In den Bereichen, in denen die dünne Pulverschicht 1680 aus edelmetallbasiertem Material über den provisorischen Boden 1564 aus Füllmaterial gelegt wird, kann eine Pulver-zu-Pulver-Grenzfläche 1684 entstehen. Die jeweiligen Pulvermaterialien und/oder ihre Korngrößen können so gewählt werden, dass an der Pulver-zu-Pulver-Grenzfläche 1684 nur eine minimale Materialdiffusion stattfindet, bei der Pulver aus einer Schicht über die Grenzfläche in die andere Schicht wandert. Jede geeignete Technik zur Minimierung einer solchen Materialdiffusion kann verwendet werden. Bei dem vorliegenden additiven Fertigungsprozess ist es möglich, beim Aufbau der verschiedenen Laserablagerungsschichten unterschiedliche edelmetallbasierte Materialien zu verwenden, um eine Gradientenzusammensetzung entlang der axialen Ausdehnung der Elektrodenspitze zu erzeugen. Wenn dies der Fall ist, würde Schritt S3 eine erste Mischung verwenden und nachfolgende Schritte würden eine oder mehrere zusätzliche Mischungen verwenden. In Schritt S3 kann jedes geeignete edelmetallbasierte Material verwendet werden, einschließlich der hierin beschriebenen iridium-, platin-, ruthenium-, palladium- gold- und/oder rhodiumbasierten Materialien. In einem Beispiel weist die edelmetallbasierte Pulverschicht 1680 eine Dicke von 5 µm bis einschließlich 60 µm auf. Es ist auch möglich, in Schritt S3 ein Material mit mindestens 5 Gew.-% eines Edelmetalls zu verwenden, im Gegensatz zur Verwendung eines edelmetallbasierten Materials. Dieser Materialänderung kann für bestimmte Ausführungsformen, wie die in 16-24 gezeigten, geeignet sein, die große Elektrodenspitzenstrukturen aufweisen, für deren Bau viel Material erforderlich ist, oder sie kann unter bestimmten Marktbedingungen geeignet sein, wie beispielsweise, wenn die Edelmetallpreise hoch sind.
  • In Schritt S4 wird ein Laser- oder Elektronenstrahl verwendet, um die dünne Pulverschicht in den Bereichen, in denen die Elektrodenspitzen gebildet werden sollen, zu schmelzen oder mindestens zu sintern, sodass sich eine Laserablagerungsschicht bildet. Alle Verweise auf „Laser“ sind so zu verstehen, dass sie im weitesten Sinne jede geeignete Licht- oder Energiequelle einschließen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Elektronenstrahlen und Laser. Das Gleiche gilt für „Laserablagerungsschichten“, was im weitesten Sinne Ablagerungsschichten einschließt, die durch jede geeignete Licht- oder Energiequelle erzeugt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf solche, die durch Elektronenstrahlen und Laser erzeugt werden. Ein Laser L kann über einer der Zündkerzen 1510 in Position gebracht und gezündet werden, sodass ein daraus resultierender Laserstrahl die dünne Pulverschicht 1680 schmilzt oder sintert, während der Laser die axialen Endflächen 1534, 1544 der Elektrodenbasen 1530 bzw. 1540 überquert oder sich darüber bewegt; Dies ist Teil des Pulverbettschmelzprozesses und kann nach jeder geeigneten Technik durchgeführt werden, wie beispielsweise durch die Verwendung digitaler Modelldaten aus einem 3D-Modell oder einer anderen elektronischen Datenquelle wie einer StereoLithographie-Datei (STL-Datei). Da die Elektrodenbasen 1530 und 1540 präsentiert oder freigelegt und dann mit einem edelmetallbasierten Pulver 1680 bedeckt wurden, kann das Verfahren 100 gleichzeitig Elektrodenspitzen auf sowohl der Mittel- als auch der Masseelektrode bilden. Das heißt, dass das Verfahren 100 in der Lage ist, sowohl für die Mittelelektrodenspitze als auch für die Masseelektrodenspitze gleichzeitig edelmetallbasierte Elektrodenspitzen aufzubauen oder 3D-zudrucken, was den Vorteil einer verbesserten Genauigkeit in Bezug auf die Parallelität der Zündflächen und die Toleranzen der Funkenstrecken haben kann. Wenn das Verfahren 100 beispielsweise die Zündkerze 10 in 1-3 herstellt, könnte Schritt S4 im selben Zyklus eine Laserablagerungsschicht 1686 für jede der vier Mittelelektrodenspitzen 32 und die vier Masseelektrodenspitzen 42 erzeugen, die Bereiche einschließt, in denen die Spitzen 32, 42 eine Kante einer darunter liegenden Elektrodenbasis überragen oder sich darüber hinaus erstrecken. Ohne den provisorischen Boden 1564 würde das edelmetallbasierte Pulver 1680 einfach in die leeren Hohlräume oder Zwischenräume im Inneren der Zündkerze fallen und das Verfahren 100 wäre nicht in der Lage, überhängende oder freitragende Elektrodenspitzen zu bilden. Im ersten Zeitschritt S4 wird eine erste Laserablagerungsschicht 1686 auf jeder Elektrodenbasis 1530, 1540 gebildet. Fachleute wissen, dass die erste Laserablagerungsschicht je nach dem Material der Elektrodenbasis, dem Material der Elektrodenspitze und/oder anderen Betriebsparametern möglicherweise keine vollständig verschmolzene Kombination aus den Materialien der Elektrodenspitze und der Elektrodenbasis aufweist. So kann es beispielsweise mehrere Zyklen und Laserablagerungsschichten (z. B. 1-10 Laserablagerungsschichten) erfordern, bevor genügend Energie auf die Elektrodenmaterialien übertragen wird, um ein ausreichendes Schweißbad zu bilden.
  • Schritt S5 bestimmt, ob die letzte oder abschließende Laserablagerungsschicht gebildet wurde. Der Zyklus oder die Abfolge der Schritte S3-S5 wird so lange wiederholt, bis das Verfahren bestimmt, dass keine weiteren Laserablagerungsschichten mehr nötig sind (d. h. die Elektrodenspitzen ihre gewünschte(n) Höhe(n) erreicht haben). Wenn in Schritt S5 bestimmt wird, dass weitere Laserablagerungsschichten nötig sind, springt das Verfahren zurück und wiederholt die Schritte S3 und S4, sodass eine neue Laserablagerungsschicht auf die vorherige(n) Schicht(en) aufgebaut werden kann. Das genaue Muster, dem der Laser in Schritt S4 eines jeden Zyklus folgt, kann sich ändern, wenn beispielsweise die Elektrodenspitze einen nicht konstanten Querschnitt aufweist. Außerdem sollte verstanden werden, dass bei einem ersten Durchlauf oder Zyklus durch die Schritte S3-S4 der Schritt S3 die Elektrodenbasen 1530, 1540 der Mittel- und Masseelektroden mit einer dünnen Pulverschicht 1680 bedeckt (d. h. das edelmetallbasierte Material des dünnen Pulverbettes kann in direktem Kontakt mit den axialen Enden 1534, 1544 der Mittel- und Masseelektroden stehen), und dass der Schritt S4 dann das dünne Pulverbett direkt in die Elektrodenbasen 1530, 1540 schmilzt oder sintert und dadurch erste Laserablagerungsschichten 1686 bildet. In späteren Durchläufen oder Zyklen der Schritte S3-S4, nachdem die erste Laserablagerungsschicht 1686 bereits gebildet wurde, kann Schritt S3 das dünne Pulverbett so auftragen, dass es eine oder mehrere zuvor erzeugte Laserablagerungsschichten bedeckt, anstatt die eigentlichen Oberflächen der Elektrodenbasen 1530, 1540 zu bedecken. In diesem Beispiel schmilzt oder sintert Schritt S4 das dünne Pulverbettmaterial in die zuvor erzeugte(n) Laserablagerungsschicht(en) sowie möglicherweise auch in die Elektrodenbasis selbst (je nachdem, wie dick die zuvor erzeugte(n) Laserablagerungsschicht(en) ist/sind und wie tief der Schmelz- oder Sinterschritt geht). In beiden Fällen (d. h. im ersten Durchlauf und in den nachfolgenden Durchläufen der Schritte S3-S4) bedeckt Schritt S3 ein Zündende der Zündkerze mit einem dünnen Pulverbett und Schritt S4 schmilzt oder sintert das dünne Pulverbett in das Zündende.
  • Da jede Laserablagerungsschicht zunächst durch Schmelzen oder Sintern von Pulver aus dem dünnen Pulverbett gebildet wird und dann das Erstarren des Materials zugelassen wird, ist es möglich, die Zusammensetzung der verschiedenen Laserablagerungsschichten anzupassen oder zu modifizieren, indem die Zusammensetzung des Pulverbettes im Laufe des Prozesses geändert wird. Dies ermöglicht, dass die vorliegende Elektrode einen maßgeschneiderten oder angepassten Zusammensetzungsgradienten über die Elektrodenspitze aufweist, der Differenzen in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten verteilt, im Gegensatz dazu, dass die gesamte Differenz dieser Koeffizienten an einer einzelnen Zwischenschichtgrenze auftritt. Beim zweiten oder späteren Durchlauf durch das Verfahren kann Schritt S3 beispielsweise das Zündende mit einer zweiten Mischung aus edelmetallbasiertem Material bedecken, die eine andere Zusammensetzung aufweist als die erste Mischung (z. B. kann die zweite Mischung einen größeren Anteil an edelmetallbasiertem Material aufweisen), obwohl dies nicht erforderlich ist. Es ist auch möglich, die Energie oder Leistung des Lasers sowie andere Betriebsparameter während der nachfolgenden Durchläufe anzupassen oder zu modulieren, um den Grad des Schmelzens der Elektrodenmaterialien zu steuern. Beispielsweise könnte in den nachfolgenden Durchläufen mehr Laserleistung eingesetzt werden, um tiefer liegende oder darunter liegende Schichten wieder aufzuschmelzen und so einen Teil des Elektrodenbasis- oder Trägermaterials auf die Schichten zu übertragen, die anschließend aufgebracht werden. In einem weiteren Beispiel ist es möglich, die dünne Schicht 1680 als pulverartige Schicht, als Aufschlämmung, als Flüssigkeit oder als jede andere geeignete Mischung bereitzustellen, die das gewünschte edelmetallbasierte Material enthält.
  • Sobald Schritt S5 bestimmt, dass keine weiteren Laserablagerungsschichten nötig sind (d. h. die Elektrodenspitzen vollständig durch additive Fertigung gebildet sind), kann die Zündkerze oder das Werkstück aus dem Werkzeug entfernt werden, das Füllmaterial kann von der Zündkerze oder dem Werkstück entfernt werden, und das Verfahren kann beendet werden. Das Füllmaterial kann dann recycelt oder für die Herstellung weiterer Zündkerzen wiederverwendet werden. Fachleute werden verstehen, dass der soeben beschriebene additive Fertigungsprozess zur gleichzeitigen Fertigung einer großen Anzahl von Elektroden verwendet werden kann (d. h. Chargenverarbeitung, wie in 26, wo drei Zündkerzen pro Substratplatte gleichzeitig bearbeitet werden und jede Zündkerze acht separate edelmetallbasierte Elektrodenspitzen einschließt), sowie für verschiedene Arten von Elektroden, die sich von den hier gezeigten unterscheiden. Ein Unterschied zwischen der nach dem vorstehend genannten Prozess gefertigten Zündkerzenelektrode besteht darin, dass eine überhängende Elektrodenspitze sicher an einer Elektrodenbasis befestigt ist, ohne dass eine umlaufende oder andere Art von Laserschweißung verwendet wird (d. h. die vorliegende Elektrode weist eine schweißlosen Verbindung zwischen der Elektrodenspitze und der Elektrodenbasis auf), was aus einer Reihe von Gründen, einschließlich der vorstehend beschriebenen, von Vorteil ist. Darüber hinaus können die Gleichmäßigkeit der Funkenstrecken, die Parallelität der Zündflächen, die Maßgenauigkeit der Elektrodenspitzen sowie weitere Merkmale verbessert werden. Dies unterscheidet sich von jenen Zündkerzenelektroden, bei denen eine Elektrodenspitze mit einer Elektrodenbasis verschweißt ist (z. B. laser- und/oder widerstandsgeschweißt), da solche Anordnungen üblicherweise eine ausgeprägte Schweißnaht oder Schweißstelle usw. aufweisen.
  • Die hierin beschriebenen Elektrodenspitzen sowie jede andere nach einem additiven Fertigungsprozess erstellte Komponente können auch mit oder ohne Stützstruktur gefertigt werden. Eine mögliche Stützstruktur, die verwendet werden kann, ist eine Baumstütze, welche die Struktur eines echten Baumes nachahmt, sodass sie die Komponente, die additiv gefertigt oder 3D-gedruckt wird, mit ihren Stämmen und Ästen stützt. Eine weitere mögliche Stützstruktur ist eine regelmäßige oder standardmäßige Stütze. Sobald die Komponente durch den additiven Fertigungsprozess geformt wurde, kann die Stützstruktur beibehalten oder entfernt werden. Darüber hinaus ist darauf hinzuweisen, dass in jeder der hierin offenbarten Ausführungsformen die Elektrodenspitzen oder jede andere nach einem additiven Fertigungsprozess gefertigte Elektrodenkomponente als gefüllte feste Komponente oder als hohle feste Komponente ausgebildet sein kann. Im Falle einer gefüllten Komponente ist es möglich, den Hohlraum in einem nachgeschalteten Prozess zu füllen (z. B. mit einem kupferbasierten Material). Es ist auch möglich, das Pulver so zu verschmelzen, dass ein Hohlvolumenkörper entsteht, aber das ungeschmolzene Pulver im Hohlvolumenkörper verbleibt. Es gibt auch andere Möglichkeiten und Ausführungsformen.
  • 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) bestimmte(n) Ausführungsform(en) beschränkt, sondern ist ausschließlich durch die nachstehenden Ansprüche definiert. Darüber hinaus beziehen sich die in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen Aussagen auf bestimmte Ausführungsformen und sind nicht als Einschränkungen des Schutzumfangs der Erfindung oder der Definition der in den Ansprüchen verwendeten Begriffe zu verstehen, es sei denn, ein Begriff oder Ausdruck ist oben ausdrücklich definiert. Verschiedene andere Ausführungsformen und verschiedene Änderungen und Modifikationen der offenbarten Ausführungsform(en) werden für den Fachmann offensichtlich werden. So könnten beispielsweise die genaue Größe, Form, Zusammensetzung usw. einer Laserablagerungsschicht von den veranschaulichten Beispielen abweichen und dennoch durch die vorliegende Anmeldung abgedeckt sein (z. B. könnten Mikroaufnahmen tatsächlicher Teile wesentlich anders aussehen als die abgebildeten Zeichnungen und dennoch abgedeckt sein). Alle solchen anderen Ausführungsformen, Änderungen und Modifikationen sollen in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen.
  • Wie in dieser Patentschrift und den Ansprüchen verwendet, sind die Begriffe „zum Beispiel“, „z. B.“, „beispielsweise“, „wie beispielsweise“ und „wie“ und die Verben „umfassend“, „aufweisend“, „einschließlich“ und ihre anderen Verbformen, wenn sie in Verbindung mit einer Auflistung einer oder mehrerer Komponenten oder anderer Gegenstände verwendet werden, jeweils als offen auszulegen, was bedeutet, dass die Auflistung nicht als andere, zusätzliche Komponenten oder Gegenstände ausschließend zu betrachten ist. Andere Begriffe sind in ihrer breitesten angemessenen Bedeutung auszulegen, es sei denn, sie werden in einem Zusammenhang verwendet, der eine andere Auslegung erfordert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 63324984 [0001]

Claims (20)

  1. Zündkerzenelektrode, umfassend: eine Elektrodenbasis, die eine axiale Endfläche, eine Seitenfläche und eine Kante einschließt, die sich an einer Schnittstelle der axialen Endfläche und der Seitenfläche befindet; und eine Elektrodenspitze, die auf der Elektrodenbasis ausgebildet ist und ein edelmetallbasiertes Material und eine Vielzahl von Laserablagerungsschichten einschließt, wobei die Elektrodenspitze mindestens einen Teil der Kante überragt.
  2. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei das edelmetallbasierte Material eine iridumbasierte Legierung, eine platinbasierte Legierung, eine rutheniumbasierte Legierung, eine goldbasierte Legierung oder eine palladiumbasierte Legierung einschließt.
  3. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Zündkerzenelektrode eine Mittelelektrode ist, die axiale Endfläche kreisförmig ist, die Seitenfläche zylindrisch ist, die Kante umlaufend ist und die Elektrodenspitze eine von einer Vielzahl von Elektrodenspitzen ist, die um die Umfangskante der Elektrodenbasis herum beabstandet sind.
  4. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Zündkerzenelektrode eine Masseelektrode ist, die axiale Endfläche polygonal ist, die Seitenfläche flach oder gekrümmt ist, die Kante gerade oder gekrümmt ist und die Elektrodenspitze die gerade oder gekrümmte Kante der Elektrodenbasis überragt.
  5. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Zündkerzenelektrode eine ringförmige Masseelektrode ist, die axiale Endfläche ringförmig ist, die Seitenfläche zylindrisch ist, die Kante umlaufend ist und die Elektrodenspitze eine ringförmige Elektrodenspitze ist, welche die Umfangskante der Elektrodenbasis überragt.
  6. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Zündkerzenelektrode eine ringförmige Masseelektrode ist, die axiale Endfläche ringförmig ist, die Seitenfläche zylindrisch ist, die Kante umlaufend ist und die Elektrodenspitze eine kuppelförmige Elektrodenspitze ist, welche die Umfangskante der Elektrodenbasis überragt.
  7. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Zündkerzenelektrode eine Mittelelektrode ist, die axiale Endfläche kreisförmig ist, die Seitenfläche zylindrisch ist, die Kante umlaufend ist und die Elektrodenspitze eine ringförmige Elektrodenspitze ist, welche die Umfangskante der Elektrodenbasis überragt.
  8. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Zündkerzenelektrode eine Mittelelektrode ist, die axiale Endfläche kreisförmig ist, die Seitenfläche zylindrisch ist, die Kante umlaufend ist und die Elektrodenspitze eine feste scheibenförmige Elektrodenspitze ist, welche die Umfangskante der Elektrodenbasis überragt.
  9. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenspitze eine Zündfläche einschließt, die für eine radiale Funkenstrecke konfiguriert ist, wobei die Zündfläche die Kante vollständig überragt.
  10. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenspitze mindestens einen Teil der Kante um einen Überhangabstand X überragt, der mindestens 15 % der Gesamtlänge Y der Elektrodenspitze beträgt.
  11. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenspitze eine Gesamtlänge Y von 0,6 mm - 3,0 mm, eine Höhe Z von 0,3 mm - 4,0 mm und einen Überhangabstand X von 0,1 mm - 1,4 mm aufweist.
  12. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenspitze eine dreidimensionale rechteckige Form mit einem konstanten rechteckigen Querschnitt entlang einer axialen Höhe der Elektrodenspitze aufweist.
  13. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenspitze eine dreidimensionale dreieckige Form mit einem nicht-konstanten rechteckigen Querschnitt entlang der axialen Höhe der Elektrodenspitze aufweist.
  14. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenspitze eine dreidimensionale ringförmige Form mit einem konstanten ringförmigen Querschnitt entlang einer axialen Höhe der Elektrodenspitze aufweist.
  15. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenspitze eine Vielzahl von zündenden Abschnitten in Form von dreidimensional gekrümmten Röhren aufweist.
  16. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenspitze einen oder mehrere dreidimensionale Teilbögen aufweist.
  17. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Laserablagerungsschichten auf der Elektrodenbasis durch einen additiven Fertigungsprozess gebildet wird, der eine Pulverbettschmelztechnik einsetzt, um edelmetallbasiertes Pulver mit einem Laser- oder Elektronenstrahl auf die Elektrodenbasis zu schmelzen oder zu sintern, und dann zulässt, dass das geschmolzene oder gesinterte Pulver zu den Laserablagerungsschichten der Elektrodenspitze erstarrt, wobei die Vielzahl von Laserablagerungsschichten eine durchschnittliche Schichtdicke T aufweist, die zwischen 5 µm und einschließlich 60 µm liegt, und eine Gesamtdicke der Vielzahl von Laserablagerungsschichten eine Elektrodenspitzenhöhe Z ist, die zwischen 0,05 mm und einschließlich 3,0 mm liegt.
  18. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenspitze auf der Elektrodenbasis ausgebildet und so ausgerichtet ist, dass die Vielzahl von Laserablagerungsschichten senkrecht zu einer Mittelachse der Zündkerzenelektrode verläuft, und die Elektrodenspitze mit einer schweißlosen Verbindung an der Elektrodenbasis befestigt ist.
  19. Zündkerze, umfassend: eine Hülle; einen Isolator, der mindestens teilweise innerhalb der Hülle angeordnet ist; eine Mittelelektrode, die mindestens teilweise innerhalb des Isolators angeordnet ist; und eine oder mehrere Masseelektroden, die entweder separate, an der Hülle befestigte Komponenten oder einheitliche Verlängerungen der Hülle sind, wobei die Mittelelektrode, die Masseelektrode(n) oder sowohl die Mittel- als auch die Masseelektrode(n) die Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1 ist.
  20. Additiver Fertigungsprozess zur Fertigung einer Zündkerze, der die folgenden Schritte umfasst: Befestigen der Zündkerze in einem additiven Fertigungswerkzeug, sodass ein Zündende, das eine Mittelelektrodenbasis und/oder eine Masseelektrodenbasis aufweist, freigelegt wird; Füllen eines leeren Hohlraums im Inneren der Zündkerze mit einem Füllmaterial, wobei das Füllmaterial einen provisorischen Boden bereitstellt; Bedecken des Zündendes und des provisorischen Bodens mit einer dünnen Pulverschicht, die ein edelmetallbasiertes Material einschließt; Richten eines Lasers oder eines Elektronenstrahls auf das Zündende, sodass dieser mindestens einen Teil der dünnen Pulverschicht schmilzt oder sintert; Zulassen, dass die geschmolzene oder gesinterte dünne Pulverschicht mindestens teilweise zu einer Laserablagerungsschicht erstarrt; und Wiederholen der Schritte Bedecken, Richten und Zulassen für eine Vielzahl von Zyklen, sodass eine oder mehrere Elektrodenspitzen mit einer Vielzahl von Laserablagerungsschichten gebildet werden, wobei mindestens eine der Elektrodenspitzen eine Kante der Mittelelektrodenbasis oder der Masseelektrodenbasis überragt.
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