DE10041338A1 - Verfahren zum Herstellen eines keramischen Vielschichtbauelements sowie Grünkörper für ein keramisches Vielschichtbauelement - Google Patents

Abstract

Es wird unter anderem ein Verfahren zum Herstellen von keramischen Vielschichtbauelementen beschrieben, bei dem ein aus mehreren Einzelschichten (11) bestehender Grünkörper (10) hergestellt wird, in den anschließend eine Anzahl von Löchern (30) eingebracht wird. Der Grünkörper (10) wird danach einem Entbinderungsschritt unterworfen, wobei die zu entbindernden Bestandteile nur den Weg bis zu den nächstgelegenen Löchern zurücklegen müssen, was den Prozeß erheblich vereinfacht. Anschließend wird der Grünkörper (10) gesintert. Der auf diese Weise hergestellte Keramikkörper wird schließlich in eine Anzahl von einzelnen Vielschichtbauelementen (20) vereinzelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Herstellen eines großvolumigen keramischen Vielschichtbauelements sowie ein Verfahren zum Herstellen von keramischen Vielschichtbauelementen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Entbindern eines Grünkörpers für ein oder mehrere keramische(s) Vielschichtbauelement(e). Schließlich betrifft die Erfindung noch einen Grünkörper für ein keramisches Vielschichtbauelement.

Monolithische keramische Vielschichtbauelemente gewinnen in der modernen Elektrotechnik immer mehr an Bedeutung. Eine Methode zur Herstellung solcher Bauelemente ist die Laminierung von mit Metallpasten bedruckten keramischen Grünfolien zu größeren Laminatblöcken und anschließendem Zusammenfügen von Elektroden und Keramikschichten zu monolithischen Körpern (Co-Firing). Das "Co-Firing" umfaßt beispielsweise einen Sinterschritt. Vor dem Sintern wird ein Stapel aus Keramikgrünfolien und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten hergestellt. Eine Herstellung dieses Stapels findet vorteilhaft im Nutzen (Multi up) statt. Dabei werden größere Keramikgrünfolien und Elektrodenschichten übereinander zu einem Nutzenstapel angeordnet. Aus diesem Nutzenstapel werden die einzelnen zu sinternden keramischen Vielschichtbauelemente abgetrennt. Dies erfolgt beispielsweise durch Schneiden, Stanzen, Sägen oder dergleichen. Anschließend werden die so vereinzelten Vielschichtbauelemente dem Sinterungsschritt zugeführt.

Häufig werden derart hergestellte keramische Vielschichtbauelemente als monolithische piezokeramische Vielschichtaktoren eingesetzt. Derartige piezokeramische Vielschichtaktoren werden beispielsweise wie vorstehend beschrieben hergestellt. Ein auf diese Weise hergestellter Grünkörper liefert beispielsweise etwa 100 Aktoren. Der Grünkörper wird dann in die einzelnen Vielschichtbauelemente (auch Stacks genannt) vereinzelt, beispielsweise mittels Sägen. Die Stacks werden nun einzeln der Entbinderung und der nachfolgenden Sinterung zugeführt.

Einen verfahrenstechnisch schwierigen Schritt in dieser Prozeßkette stellt dabei das Entbindern dar. Hierbei handelt es sich um einen Prozeßschritt, bei dem das temporär für die Formgebung benötigte Bindermaterial dem Bauteil vor dem Sintern wieder entzogen wird. Je nach Bindertyp kann das Entbindern durch thermischen Abbau, Lösungsmittel oder chemischen Abbau beziehungsweise daraus kombinierte Verfahren erfolgen. Weit verbreitet ist jedoch der thermische Abbau.

Nachteilig bei den bisher bekannten Herstellungsverfahren ist, daß die Grünkörper vor dem Entbindern zunächst in einzelne Vielschichtbauelemente vereinzelt werden müssen, was den dabei notwendigen Handling- und Prozeßaufwand stark erhöht. So besitzen die einzelnen Vielschichtbauelemente nach der Entbinderung eine sehr geringe Bruchfestigkeit. Gleichzeitig müssen für den Entbinderungs- und den sich anschließenden Sinterschritt jeweils unterschiedliche Horden- und Ofensysteme verwendet werden.

Wenn durch die bekannten Verfahren großvolumige keramische Vielschichtbauelemente hergestellt werden sollen, ist eine Verarbeitung der Grünkörper im Nutzen nicht mehr möglich, da der zur Entfernung der in den Grünfolien enthaltenen organischen Stoffe notwendige Entbinderungsschritt nicht mehr in wirtschaftlich vertretbaren Zeiträumen ausgeführt werden kann. Weiterhin kann das Bauelement durch die während der Entbinderung auftretenden Gasdrücke und Kapillarkräfte zerstört werden.

Aus der DE 196 15 694 C1 geht die Herstellung einer Keramik in Form eines Piezoaktors mit einem monolithischen Vielschichtaufbau hervor. Der Piezoaktor, der in einem Diesel-Einspritz-System eingesetzt werden kann, weist als keramisches Material ein Bleizirkonattitanat (PZT) auf. Im Verlauf des Verfahrens zur Herstellung des Piezoaktors werden keramische Grünfolien, die mit einem Elektrodenmaterial, beispielsweise einer Palladium-Silber-Legierung, bedruckt sind, übereinander zu einem Stapel angeordnet und zu einem monolithischen Verbund gesintert. Das Ergebnis ist eine Keramik, die aus übereinander angeordneten Keramikschichten besteht, wobei eine Keramikschicht beidseitig mit jeweils einer Elektrodenschicht in einem direkten, festen Kontakt steht.

Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von keramischen Vielschichtbauelementen, ein Verfahren zum Entbindern eines Grünkörpers für ein keramisches Vielschichtbauelement sowie einen Grünkörper für ein keramisches Vielschichtbauelement bereitzustellen, bei dem die oben genannten Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll erreicht werden, daß auf einfache und dennoch zuverlässige Weise eine Entbinderung, auch bei großvolumigen Grünkörpern, möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zum Herstellen eines großvolumigen keramischen Vielschichtbauelements gemäß Patentanspruch 1, das Verfahren zum Herstellen von keramischen Vielschichtbauelementen gemäß Patentanspruch 2, das Verfahren zum Entbindern eines Grünkörpers für ein oder mehrere keramische(s) Vielschichtbauelement(e) gemäß Patentanspruch 3, eine vorteilhafte Verwendung der Verfahren gemäß Patentanspruch 14 sowie den Grünkörper für ein keramisches Vielschichtbauelement gemäß Patentanspruch 15.

Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Vorteile und Merkmale, die im Zusammenhang mit den Verfahren beschrieben werden, gelten ebenso für den Grünkörper, und umgekehrt.

Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines großvolumigen keramischen Vielschichtbauelements bereitgestellt, bei dem ein aus mehreren Einzelschichten bestehender Grünkörper hergestellt wird, eine Anzahl von Löchern in den Grünkörper eingebracht wird, der Grünkörper anschließend entbindert wird und der Grünkörper nach dem Entbindern gesintert wird.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen von keramischen Vielschichtbauelementen bereitgestellt, bei dem ein aus mehreren Einzelschichten bestehender Grünkörper hergestellt wird, eine Anzahl von Löchern in den Grünkörper eingebracht wird, der Grünkörper anschließend entbindert wird, der Grünkörper nach dem Entbindern gesintert wird und der so hergestellte Keramikkörper anschließend in eine Anzahl von einzelnen Vielschichtbauelementen vereinzelt wird.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Entbindern eines Grünkörpers für ein oder mehrere keramische(s) Vielschichtbauelement(e) bereitgestellt, bei dem zunächst der aus mehreren Einzelschichten bestehende Grünkörper hergestellt wird und dieser anschließend einem Entbinderungsschritt unterzogen wird. Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Entbindern eine Anzahl von Löchern in den Grünkörper eingebracht wird.

Durch die erfindungsgemäßen Verfahren wird es auf einfache und dennoch zuverlässige Weise möglich, Grünkörper für keramische Vielschichtbauelemente zu entbindern, ohne daß die zum Stand der Technik beschriebenen Nachteile auftreten.

Ein Grundgedanke der erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, daß in den Grünkörper vor dem Entbinderungsschritt eine Anzahl von Löchern eingebracht wird. Die Anzahl und Größe der Löcher kann dabei je nach Bedarf und Anwendungsfall variieren, so daß die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl von Löchern beziehungsweise auf ein bestimmtes Anordnungsmuster der Löcher beschränkt ist.

Vorteilhaft weisen die Löcher einen geringen Durchmesser auf, beispielsweise einen Durchmesser von etwa 1,2 mm. Je nach Anwendungsfall kann der Durchmesser und/oder der Querschnitt der Löcher variieren.

Als Loch wird im Lichte der vorliegenden Erfindung jede im Verhältnis zu ihrer Umgebung vorliegende kleinere oder größere Vertiefung verstanden. Die Tiefe der Löcher kann je nach Bedarf variiert werden. Einige nicht ausschließliche Beispiele für das Einbringen von Löchern in den Grünkörper werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher beschrieben.

Nachdem die Löcher in den Grünkörper eingebracht wurden, kann der gesamte Grünkörper nunmehr dem Entbinderungsschritt zugeführt werden. Die während der Entbinderung entstehenden flüssigen und gasförmigen Produkte, beispielsweise Crack- Produkte, müssen nur den Weg bis zu den nächstgelegenen Löchern zurücklegen, was die zur vollständigen Austreibung der organischen Bestandteile notwendige Zeitdauer drastisch verkürzt.

Weiterhin wird das Handling eines gesamten Grünkörpers bis zur Sinterung im Vergleich zu den bisher bekannten Lösungen wesentlich vereinfacht. Wird beispielsweise ein keramisches Vielschichtbauelement hergestellt, bei dem das keramische Material ein Bleizirkonattitanat ist, kommt es im Verlauf der Sinterung durch die stark reduzierte Oberfläche des kompakten Grünkörpers zu einem deutlich geringeren PbO-Verlust, was die Prozeßführung stark vereinfacht.

Wenn die Prozeßführung zur Entbinderung und Sinterung ganzer Blöcke einmal optimiert wurde, so kann bei gleichbleibender Grundgeometrie des Grünblocks das Design der einzelnen Vielschichtbauelemente in weiten Grenzen variiert werden, ohne daß eine erneute Anpassung der Prozeßparameter nötig wird.

Die erfindungsgemäßen Verfahren weisen jedoch noch eine Reihe weiterer Vorteile auf. Durch die im Stand der Technik bekannten Lösungen war es bisher nur möglich, relativ kleine keramische Vielschichtbauelemente herzustellen. Der Grund hierfür lag in der hohen Bruchempfindlichkeit der entbinderten einzelnen Vielschichtbauelemente. Durch die erfindungsgemäßen Verfahren können nunmehr auch großvolumige keramische Vielschichtbauelemente wirtschaftlich hergestellt werden. So ist es beispielsweise möglich, auch solche Bauelemente zu fertigen, die gegenüber den heutigen Bauformen, beispielsweise mit Abmessungen von 6.8 . 6.8 . 30 mm³, ein größeres Aspektverhältnis zwischen Höhe und Querschnitt aufweisen.

Weiterhin wird durch die erfindungsgemäßen Verfahren verhindert, daß es bei der Sinterung zu Verlusten kommt. Im Vergleich zu den bisher bekannten Lösungen ist es mittels der erfindungsgemäßen Verfahren nunmehr möglich, den kompletten Grünkörper zu sintern, ohne daß dieser zuvor in einzelne Vielschichtbauelemente vereinzelt werden muß. Wenn in bekannter Weise beispielsweise ein keramisches Vielschichtbauelement auf Bleizirkonattitanat-Basis hergestellt werden sollte, kam es bei der Sinterung durch die hohe Oberfläche der Einzelbauelemente zu einem erheblich Pb- Verlust der PZT-Keramik durch abdampfendes PbO, dem durch entsprechende Materialanpassung und Prozeßführung entgegengewirkt werden mußte. Diese Notwendigkeit kann durch die erfindungsgemäßen Verfahren nunmehr entfallen.

Bei den erfindungsgemäß hergestellten Grünkörpern kann es sich beispielsweise um einen Stapel aus übereinander angeordneten keramischen Grünfolien handeln, wobei jeweils zwischen zwei Grünfolien eine Elektrodenschicht angeordnet ist. Eine Grünfolie kann ein beliebiges bleihaltiges keramisches Material aufweisen. Eine Grünfolie weist beispielsweise ein Bleizirkonattitanat auf. Das Bleizirkonattitanat kann einen Dotierstoff wie Nickel oder Niob enthalten. Vor dem Sintern wird der Grünkörper entbindert, wobei die Entbinderung und das Sintern beispielsweise in einem Sinterbehälter erfolgen kann.

Vorzugsweise können die Löcher in wenigstens eine der Seitenwände des Grünkörpers eingebracht werden. Dabei können die Löcher je nach Ausgestaltungsform des keramischen Vielschichtbauelements sowohl in Längsrichtung, als auch in Querrichtung, eingebracht werden. Die Längsrichtung des Vielschichtbauelements entspricht dabei der Höhe des Bauelements, die sich durch das übereinander Anordnen der einzelnen Schichten zum Gesamt-Grünkörper ergibt. Bei der Querrichtung handelt es sich um die senkrecht zur Längsrichtung verlaufende Richtung.

Je nach Ausführungsform können die Löcher in eine oder mehrere Seitenwände des Grünkörpers eingebracht werden.

Wie weiter oben bereits erwähnt wurde, können durch die erfindungsgemäßen Verfahren sowohl großvolumige Vielschichtbauelemente, als auch volumenmäßig kleinere Vielschichtbauelemente hergestellt werden. Im letztgenannten Fall bilden die einzelnen Vielschichtbauelemente, die erfindungsgemäß erst nach dem Sintervorgang aus dem entstehenden Keramikkörper vereinzelt werden, in ihrer Gesamtheit zunächst den Grünkörper. Vorteilhaft können die Löcher deshalb derart in den Grünkörper eingebracht werden, daß sie zumindest an einzelnen gemeinsamen Eckpunkten der einzelnen Vielschichtbauelemente ausgebildet werden. Dadurch befinden sich die Löcher nach dem Vereinzeln auf den jeweiligen Oberflächen der entstehenden einzelnen Vielschichtbauelemente, wo sie durch geeignete Bearbeitungsverfahren bearbeitet und gegebenenfalls entfernt werden können. Beispiele hierfür werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert. Die Löcher können an den gemeinsamen Eckpunkten, beispielsweise in Längsrichtung des Grünkörpers in diesen eingebracht werden. Optional sind bei größeren Querschnitten der schließlich entstehenden einzelnen Vielschichtbauelemente zusätzlich auch Löcher in den jeweiligen Seitenmitten denkbar.

Vorteilhaft können die Löcher derart in den Grünkörper eingebracht werden, daß sie sich durch diesen hindurch erstrecken. Das Einbringen derart durchgängiger Löcher von einer Seite des Grünkörpers aus ist bei einer Prozeßführung problemlos möglich. Werden die Löcher beispielsweise mittels eines wie weiter unten näher beschriebenen Bohrverfahrens in den Grünkörper eingebracht, kann das Einbringen einer durchgängigen Bohrung durch eine entsprechende Prozeßführung, beispielsweise ein mehrmaliges Herausheben des Bohrers zur Spanentfernung, bis zu einer Höhe von über 50 mm problemlos ermöglicht werden. Die Bohrlöcher weisen unter Verwendung von Bohrunterlagen keine Ausbrüche auf.

In weiterer Ausgestaltung können die Löcher in Form axialer Mittellöcher in die einzelnen, den Grünkörper bildenden, Vielschichtbauelemente eingebracht werden. Ein axiales Mittelloch erstreckt sich dabei vorteilhaft in Längsrichtung des Vielschichtbauelements. Auf diese Weise können die erfindungsgemäßen Verfahren besonders effektiv bei der Herstellung von keramischen Vielschichtbauelementen, beispielsweise von Piezoaktoren mit axialem Mittelloch eingesetzt werden, die unter anderem in Benzin- Einspritzsystemen eingesetzt werden. Bei derartigen Piezoaktoren mit axialem Mittelloch werden die benötigten Löcher, die beispielsweise einen Durchmesser von 3,5 mm aufweisen können, in der vorstehend beschriebenen Weise in den Grünkörper eingebracht. Auf das zusätzliche Einbringen von Löchern an gemeinsamen Eckpunkten der zu vereinzelnden einzelnen Vielschichtbauelemente kann in einem solchen Fall verzichtet werden, da durch den großen Durchmesser der axialen Mittellöcher eine sehr schnelle und vollständige Entbinderung ermöglicht wird.

Vorzugsweise können die Löcher mittels Bohrung in den Grünkörper eingebracht werden.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel werden in den Grünkörper an gemeinsamen Eckpunkten der später zu vereinzelnden einzelnen Vielschichtbauelemente Durchgangsbohrungen in Längsrichtung des Grünkörpers eingebracht. Diese Bohrungen haben beispielsweise einen geringen Durchmesser von etwa 1,2 mm. Als Bohrer können normale Spiralbohrer verwendet werden, eine Kühlung und Schmierung des Bohrers kann entfallen. Der erforderliche Druck auf den Bohrer zur Erzielung einer ausreichenden Vorschubgeschwindigkeit ist gering, so daß keine Beschädigungen, beispielsweise Delaminationsrisse oder dergleichen, auftreten. Das Bohren der Löcher kann beispielsweise per Hand erfolgen, wobei das Bohren eines Loches in einem solchen Fall etwa eine Minute betragen kann. Es ist jedoch auch möglich, das Einbringen der Löcher mittels eines x-y-z-Bohrtisches vollständig zu automatisieren.

Um das Austreiben der organischen Bestandteile während des Entbinderungsschrittes zu beschleunigen, kann der Grünkörper beim Entbindern auf eine materialdurchlässige Unterlage aufgelegt werden. Über eine solche Unterlage, die beispielsweise wabenförmig, mit Löchern versehen, porös oder dergleichen ausgebildet sein kann, wird ein Kamineffekt erzeugt, der zu den vorgenannten Resultaten führt.

Vorzugsweise kann der aus dem Grünkörper hergestellte Keramikkörper mittels eines Trennverfahrens in die einzelnen Vielschichtbauelemente vereinzelt werden. Hierbei kann auf ausgereifte Trennverfahren, wie beispielsweise Innenlochsägen, Trennschleifen oder dergleichen, zurückgegriffen werden.

Vorzugsweise kann/können die Oberfläche(n) des/der keramischen Vielschichtbauelements/Vielschichtbauelemente nach dem Sintern einem Bearbeitungsprozeß unterzogen werden. Durch einen derartigen Bearbeitungsprozeß können die vor dem Entbinderungsschritt in den Grünkörper eingebrachten Löcher eliminiert werden. Insbesondere dann, wenn der nach dem Sintern entstandene Keramikkörper in einzelne Vielschichtbauelemente vereinzelt wird, können durch entsprechende Bearbeitungsprozesse der Oberflächen die Löcher, die an gemeinsamen Eckpunkten zwischen einzelnen Vielschichtbauelementen eingebracht wurden, eliminiert werden.

Hilfreich bei der Eliminierung der Löcher ist auch die Sinterschwindung des keramischen Vielschichtbauelements, die den nach der Sinterung erhaltenen Lochdurchmesser um etwa 20 Prozent gegenüber dem Grünzustand reduziert.

Mit einem geeigneten Trennverfahren, beispielsweise dem Innenlochsäge- oder Trennschleifverfahren, können direkt bereits Oberflächen mit ausreichend hohem Isolationswiderstand erzielt werden. Ein Verschmieren von metallischem Innenelektrodenmaterial findet nicht statt. Weiterhin weisen die Lochinnenseiten nach der Sinterung kurzschlußfeste "As-Fired-Oberflächen" auf, was bedeutet, daß diese Oberflächen in einem Zustand verbleiben können, wie er nach dem Sintern vorliegt.

Je nach Bedarf können bei entsprechendem Design der keramischen Vielschichtbauelemente die Lochradien an den Oberflächen, beziehungsweise Kanten, der fertiggestellten Vielschichtbauelemente verbleiben. Eine solche Ausführungsform eines bevorzugten keramischen Vielschichtbauelements in Form eines piezoelektrischen Bauelements ist in der von der Anmelderin ebenfalls eingereichten DE 198 60 001.1 beschrieben, deren Offenbahrungsgehalt insoweit in die Beschreibung der vorliegenden Erfindung miteinbezogen wird. Die grundlegende Idee des in dieser Druckschrift beschriebenen piezoelektrischen Bauelements besteht darin, dieses mit einer möglichst großen piezoelektrisch aktiven Querschnittsfläche auszubilden. Über diese Querschnittsfläche findet eine Gitterverzerrung der Piezokeramik statt. Gleichzeitig soll aber ein elektrisches Überschlagen zwischen Elektrodenschichten unterschiedlicher Polarität vermieden werden. Dies gelingt gemäß der genannten Druckschrift mit Hilfe eines angegebenen Zwischenraums. Dieser Zwischenraum ist bevorzugt in einem piezoelektrisch aktiven Bereich des keramischen Vielschichtbauelements angeordnet. Der Zwischenraum vergrößert eine effektive Wegstrecke von Elektrodenschicht zu Elektrodenschicht unterschiedlicher Polarität. Dadurch verringert sich beispielsweise die Wahrscheinlichkeit dafür, daß durch eine Verschmutzung ein elektrischer Kurzschluß zwischen den Elektroden auftritt. Ein wie in der genannten Druckschrift bevorzugter Zwischenraum kann beispielsweise durch die auf den Oberflächen, beziehungsweise Kanten, der vereinzelten, fertiggestellten keramischen Vielschichtbauelemente realisiert werden.

Vorteilhaft kann der Grünkörper als Laminat aus einzelnen Einzelschichten gebildet werden.

Vorteilhaft kann der Grünkörper aus mindestens zwei Keramikschichten und mindestens einer zwischen zwei Keramikschichten angeordneten Elektrodenschicht gebildet werden.

Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Anzahl von Einzelschichten beziehungsweise Keramikschichten und Elektrodenschichten beschränkt, da sich die Anzahl der jeweils erforderlichen Schichten je nach Ausführungsform des keramischen Vielschichtbauelements ergibt.

Besonders vorteilhaft können die wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen piezokeramischer Vielschichtaktoren verwendet werden. Ein solches Bauelement besteht beispielsweise aus einer Piezokeramikschicht, die beidseitig mit einer metallischen Elektrodenschicht versehen ist. Wird an diesen Elektrodenschichten eine unterschiedliche elektrische Spannung angelegt, so reagiert die Piezokeramikschicht mit einer Gitterverzerrung. Als Folge davon expandiert und kontrahiert das Bauelement in einer Richtung, die durch die Anordnung der Piezokeramikschicht und der Elektrodenschichten bestimmt ist. Die Keramikschicht besteht beispielsweise aus Bleizirkonattitanat. Eine Elektrodenschicht weist beispielsweise eine Palladium-Silber- Legierung auf. Vor dem Sintern werden Grünfolien und die Elektrodenschichten zu einem keramischen Grünkörper in Form eines Stapels angeordnet. Dazu kann eine Grünfolie vor dem Stapeln mit der Legierung bedruckt werden. Eine Stirnfläche des Stapels besteht aus einer keramischen Grünfolie.

Ein derartiges piezoelektrisches Bauelement wird vorteilhaft zum Ansteuern eines Einspritzventils, insbesondere eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine, verwendet.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Grünkörper für ein keramisches Vielschichtbauelement bereitgestellt, wobei das Vielschichtbauelement eine Anzahl von übereinander gestapelten Einzelschichten aufweist. Erfindungsgemäß ist der Grünkörper dadurch gekennzeichnet, daß er eine Anzahl von Löchern aufweist. Auf diese Weise lassen sich die im Hinblick auf die erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile, Wirkungen und Effekte erzielen, so daß diesbezüglich auf die im Hinblick auf die erfindungsgemäßen Verfahren gemachten Ausführungen vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Vorteilhaft können die Löcher in wenigstens einer Seitenwand des Grünkörpers eingebracht sein.

Vorzugsweise kann der Grünkörper durch eine Anzahl von zu vereinzelnden Vielschichtbauelementen gebildet sein, wobei die Löcher zumindest an einzelnen gemeinsamen Eckpunkten der einzelnen Vielschichtbauelemente in den Grünkörper eingebracht sind.

In weiterer Ausgestaltung können sich die Löcher durch den Grünkörper hindurch erstrecken.

Vorteilhaft können die Löcher in Form axialer Mittellöcher in die einzelnen, den Grünkörper bildenden Vielschichtbauelemente eingebracht sein.

Der Grünkörper kann vorzugsweise aus einem Stapel von mindestens zwei Keramikschichten und mindestens einer zwischen zwei Keramikschichten angeordneten Elektrodenschicht ausgebildet sein.

Dabei kann die zumindest eine Keramikschicht vorteilhaft ein Bleizirkonattitanat, ein PMN-PT-Materiel, ein PZN-PT- Material, ein antiferroelektrisches Material oder dergleichen aufweisen. Die zumindest eine Elektrodenschicht kann vorzugsweise einen Stoff aufweisen, der aus der Gruppe Kupfer, Nickel, Palladium und/oder Silber, Platin, einem keramischen Elektrodenmaterial oder dergleichen ausgewählt ist.

In einer besonderen Ausgestaltung verfügt der Stapel über eine Keramikschicht, die ein Bleizirkonattitanat (PZT, PbZr_XTi_1-XO₃) aufweist. Eine Elektrodenschicht weist dabei insbesondere einen Stoff auf, der aus der Gruppe Palladium und/oder Silber ausgewählt ist. Von besonderem Vorteil ist eine Legierung aus den genannten Stoffen mit einem Verhältnis von Palladium zu Silber von 30 : 70.

Durch die vorliegende Erfindung wird es möglich, den bei der Fertigung von monolithischen keramischen Vielschichtbauelementen anfallenden Handlingaufwand deutlich zu reduzieren und die Prozeßsicherheit gleichzeitig wesentlich zu steigern.

Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a und 1b einen erfindungsgemäßen Grünkörper mit an gemeinsamen Eckpunkten einzelner Vielschichtbauelemente eingebrachten Löchern; und

Fig. 2a und 2b einen erfindungsgemäßen Grünkörper zur Herstellung von keramischen Vielschichtbauelementen mit axialem Mittelloch.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Grünkörper 10 für ein keramisches Vielschichtbauelement bestehen aus einer Anzahl von Einzelschichten 11, die mittels eines Laminierverfahrens zunächst zu dem Grünkörper 10 hergestellt wurden. Die Einzelschichten 11 bestehen aus einer Anzahl von Keramikschichten 12 sowie jeweils dazwischen liegenden Elektrodenschichten 13. Eine Piezokeramikschicht 12 besteht aus einem Bleizirkonattitanat. Das Material einer Elektrodenschicht 13 umfaßt eine Palladium-Silber-Legierung mit einem Verhältnis von Palladium zu Silber von 30 : 70.

Die in den Zeichnungen dargestellten Grünkörper 10 werden aus einer Anzahl von einzelnen Vielschichtbauelementen 20 gebildet, die nach der Fertigstellung des keramischen Körpers zu diesen jeweiligen einzelnen Vielschichtbauelementen vereinzelt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist eine Anzahl von Löchern 30 vorgesehen, die an gemeinsamen Eckpunkten 21 zwischen benachbarten Vielschichtbauelementen 20 in den Grünkörper 10 eingebracht sind.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind in den Grünkörper 10 ebenfalls eine Anzahl von Löchern 30 eingebracht, die nach der Vereinzelung der einzelnen Vielschichtbauelemente jeweils axiale Mittellöcher 31 bilden. Ein axiales Mittelloch streckt sich dabei jeweils in Längsrichtung der keramischen Vielschichtbauelemente 20.

Bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen liegen die einzelnen Löcher 30, 31 jeweils in Form durchgängiger Bohrungen vor. Diese Bohrungen werden von einer Seitenwand 14 des Grünkörpers 10 in diesen eingebracht.

Nachfolgend wird nun die Herstellung derartiger Grünkörper 10 sowie einzelner keramischer Vielschichtbauelemente 20 beschrieben.

In einem ersten Verfahrensschritt wird zunächst der keramische Grünkörper 10 hergestellt, indem mittels eines Laminierverfahrens ein Stapel aus übereinander angeordneten keramischen Grünfolien 12 und Elektrodenschichten 13 erzeugt wird. In diesen Grünkörper 12 wird anschließend eine Anzahl von Löchern 30, 31 eingebracht. Die erforderliche Anzahl der Löcher sowie deren Anordnungsmuster ergibt sich je nach Anwendungsfall. In den Fig. 1 und 2 sind jeweils zwei exemplarische Beispiele dargestellt.

Nach dem Einbringen der Löcher 30, 31 wird der Grünkörper 10 einem Entbinderungsprozeß unterzogen, bei dem dem Grünkörper 10 organisches Bindermaterial entzogen wird. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß der gesamte Grünkörper 10 der Entbinderung zugeführt werden kann. Die während der Entbinderung entstehenden flüssigen und gasförmigen Produkte müssen nur den Weg bis zu den nächstgelegenen Löchern 30, 31 zurücklegen, was die zur vollständigen Austreibung der organischen Bestandteile notwendige Zeitdauer drastisch verkürzt. Dadurch, daß der gesamte Grünkörper 10 entbindert wird, und nicht wie bisher die zuvor vereinzelten Vielschichtbauelemente 20, wird die Bruchgefahr ebenfalls erheblich reduziert.

Nach Beendigung des Entbinderungsschrittes wird der gesamte Grünkörper 10 einem nachfolgenden Sinterschritt zugeführt, wobei sich das Handling des gesamten Grünkörpers 10 bis zur Sinterung als wesentlich einfacher gestaltet, als dies bei den bisher bekannten Lösungen der Fall war. Da weiterhin der Grünkörper 10 in seiner Gesamtheit gesintert wird, kommt es im Verlauf der Sinterung durch die stark reduzierte Oberfläche (im Vergleich zur Oberfläche einer entsprechenden Anzahl einzelner Vielschichtbauelemente 20) des kompakten Grünkörpers 10 zu einem deutlich geringeren PbO-Verlust, was die Prozeßführung stark vereinfacht.

Nachdem auf diese Weise ein in Größe und Form dem Grünkörper 10 im wesentlichen entsprechender Keramikkörper geschaffen wurde, wird dieser in einem abschließenden Prozeßschritt in eine Anzahl von einzelnen Vielschichtbauelementen 20 vereinzelt. Die einzelnen Vielschichtbauelemente 20 können als Piezoaktoren eingesetzt werden, insbesondere zur Ansteuerung eines Einspritzventils, wie etwa eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine.

Falls dies gewünscht ist, können die Oberflächen der einzelnen Vielschichtbauelemente 20 nach der Vereinzelung mittels eines geeigneten Trennverfahrens noch einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden.

Claims (22)

1. Verfahren zum Herstellen eines großvolumigen keramischen Vielschichtbauelements, bei dem

• a) ein aus mehreren Einzelschichten (11) bestehender Grünkörper (10) hergestellt wird;
• b) eine Anzahl von Löchern (30; 31) in den Grünkörper (10) eingebracht wird;
• c) der Grünkörper (10) anschließend entbindert wird; und
• d) der Grünkörper (10) nach dem Entbindern gesintert wird.

2. Verfahren zum Herstellen von keramischen Vielschichtbauelementen, bei dem

• a) ein aus mehreren Einzelschichten (11) bestehender Grünkörper (10) hergestellt wird;
• b) eine Anzahl von Löchern (30; 31) in den Grünkörper (10) eingebracht wird;
• c) der Grünkörper (10) anschließend entbindert wird;
• d) der Grünkörper (10) nach dem Entbindern gesintert wird; und
• e) der so hergestellte Keramikkörper anschließend in eine Anzahl von einzelnen Vielschichtbauelementen (20) vereinzelt wird.

3. Verfahren zum Entbindern eines Grünkörpers (10) für ein oder mehrere keramische(s) Vielschichtbauelement(e), bei dem zunächst der aus mehreren Einzelschichten (11) bestehende Grünkörper (10) hergestellt wird, und dieser anschließend einem Entbinderungsschritt unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Entbindern eine Anzahl von Löchern (30; 31) in den Grünkörper (10) eingebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (30; 31) in wenigstens eine der Seitenwände (14) des Grünkörpers (10) eingebracht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Vielschichtbauelemente (20) vor dem Vereinzeln den Grünkörper (10) bilden und daß die Löcher (30; 31) zumindest an einzelnen gemeinsamen Eckpunkten (21) der einzelnen Vielschichtbauelemente (20) in den Grünkörper (10) eingebracht werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (30; 31) derart in den Grünkörper (10) eingebracht werden, daß sie sich durch diesen hindurch erstrecken.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 4 bis 6, soweit diese auf Anspruch 2 rückbezogen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (31) in Form axialer Mittellöcher in die einzelnen, den Grünkörper (10) bildenden, Vielschichtbauelemente (20) eingebracht werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (30; 31) mittels Bohrung in den Grünkörper (10) eingebracht werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Grünkörper (10) beim Entbindern auf eine materialdurchlässige Unterlage aufgelegt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 4 bis 9, soweit diese auf Anspruch 2 rückbezogen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Grünkörper (10) hergestellte Keramikkörper mittels eines Trennverfahrens in die einzelnen Vielschichtbauelemente (20) vereinzelt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche(n) des/der keramischen Vielschichtbauelements/Vielschichtbauelemente (20) nach dem Sintern einem Bearbeitungsprozeß unterzogen wird/werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Grünkörper (10) als Laminat von Einzelschichten (11) gebildet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Grünkörper (10) aus mindestens zwei Keramikschichten (12) und mindestens einer zwischen zwei Keramikschichten (12) angeordneten Elektrodenschicht (13) gebildet wird.

14. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zum Herstellen piezokeramischer Vielschichtaktoren.

15. Grünkörper für ein keramisches Vielschichtbauelement, mit einer Anzahl von übereinander gestapelten Einzelschichten (11), dadurch gekennzeichnet, daß der Grünkörper (10) eine Anzahl von Löchern (30; 31) aufweist.

16. Grünkörper nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (30; 31) in wenigstens eine Seitenwand (14) des Grünkörpers (10) eingebracht sind.

17. Grünkörper nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß dieser durch eine Anzahl von zu vereinzelnden Vielschichtbauelementen (20) gebildet ist und daß die Löcher (30; 31) zumindest an einzelnen gemeinsamen Eckpunkten (21) der einzelnen Vielschichtbauelemente (20) in den Grünkörper (10) eingebracht sind.

18. Grünkörper nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Löcher (30; 31) durch diesen hindurch erstrecken.

19. Grünkörper nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (31) in Form axialer Mittellöcher in die einzelnen, den Grünkörper (10) bildenden, Vielschichtbauelemente (20) eingebracht sind.

20. Grünkörper nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus einem Stapel von mindestens zwei Keramikschichten (12) und mindestens einer zwischen zwei Keramikschichten (12) angeordneten Elektrodenschicht (13) gebildet ist.

21. Grünkörper nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Keramikschicht (12) ein Bleizirkonattitanat, ein PMN-PT- Material, ein PZN-PT-Material oder ein antiferroelektrisches Material aufweist.

22. Grünkörper nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Elektrodenschicht (13) einen Stoff aufweist, der aus der Gruppe Kupfer, Nickel, Palladium und/oder Silber, Platin, einem keramischen Elektrodenmaterial ausgewählt ist.