DE102007004552A1 - Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktormoduls mit einem Schutzschichtsystem - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktormoduls mit einem Schutzschichtsystem Download PDF

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Guenter Aumueller
Florian Dirscherl
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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktormoduls (3), bestehend aus einem Aktorfuß (5) und einem Aktorkopf (4) und dazwischen eingefassten Piezoelementen (6) als Piezoaktor (20), mit einem Schutzschichtsystem (23) aus einem den Piezoaktor (20) umgebenden Isolationsmedium (21) und mindestens einer darüberliegenden Ummantelung (22) beschrieben, welches die Verfahrensschritte - Einbringen und Positionieren eines Piezoaktormoduls (3) in eine mindestens von Aktorkopf (4) bis Aktorfuß (5) reichende, gegenüber dem Piezoaktor (20) radial beabstandete Vergussform (26), sodass zwischen Vergussform (26) und Piezoaktor (20) ein Ringraum (28) verbleibt, - Verschließen bzw. Abdichten dre Vergussform (26) im Bereich des Aktorkopfes (4) und/oder im Bereich des Aktorfußes (5) und Einbringen eines flüssigen, aushärtbaren Isolationsmediums (21) in den Ringraum (28), - Vorvernetzen und/oder zumindest teilweise Aushärten des Isolationsmediums (21) in der Vergussform (26), - Entnahme des von dem Isolationsmedium (21) umgebenen Piezoaktormoduls (3) aus der Vergussform (26) und - Ummanteln mindestens des von dem Isolationsmedium (21) umgebenen Piezoaktors (20) mit einer geeigneten Ummantelung (22) umfasst.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktormoduls bestehend aus einem Aktorfuß und einem Aktorkopf und dazwischen eingefassten Piezoelementen als Piezoaktor, mit einem den Piezoaktor umgebenden Schutzschichtsystem nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Es ist an sich bekannt, dass zum Aufbau des zuvor erwähnten Piezoaktors Piezoelemente so eingesetzt werden, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts eine Steuerung des Nadelhubes eines Ventils oder dergleichen vorgenommen werden kann. Die Piezoelemente sind aus Piezolagen aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur so aufgebaut, dass bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung an Innenelektroden, die die Piezolagen jeweils einschließen, eine mechanische Reaktion der Piezoelemente erfolgt.
  • In Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung stellt die mechanische Reaktion einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung dar. Derartige Piezoaktoren eignen sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen Hubbewegungen unter hohen Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen ablaufen.
  • Beispielsweise ist ein solcher Piezoaktor als Bestandteil eines Piezoinjektors aus der DE 10026005 A1 bekannt, der zur Ansteuerung der Düsennadel bei Injektoren zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors verwendet werden kann. Bei diesem Piezoaktor ist ein Stapel mehrerer elektrisch und mechanisch miteinander gekoppelter Piezoelemente vorhanden, der über einen Aktorfuß und einen Aktorkopf unter Vorspannung zwischen zwei Anschlägen gehalten ist. Aufgrund der angelegten elektrischen Spannung führen die Piezoelemente dann die erwähnten jeweils kleinen Hubbewegungen in Richtung des Potenzialgefälles aus, die sich zum Gesamthub des Piezoaktors addieren. Dieser Gesamthub ist über die Höhe der angelegten Spannung veränderbar und kann auf ein mechanisches Stellglied übertragen werden.
  • Solche bekannte Anordnungen werden häufig als Aktormodule zur Einbringung von Kraftstoff in direkt einspritzende Dieselmotoren als sogenannte Common Rail Systeme eingesetzt. Bei diesen als Common Rail Injektoren bekannten Systemen kann dabei der Einspritzdruck auf einfache Weise an die Last und Drehzahl des Verbrennungsmotors angepasst werden.
  • Diese Common Rail Injektoren können dabei so aufgebaut werden, dass eine indirekt vom Piezoaktor gesteuerte Düsennadel vorhanden ist, wobei der Piezoaktor direkt oder indirekt vom Druck des Kraftstoffs umgeben ist und zwischen der Düsennadel und dem Piezoaktor lediglich ein hydraulischer Kopplungsraum vorgesehen ist.
  • Insbesondere bei solchen Einspritzsystemen ist es wichtig, dass der relativ empfindliche Piezoaktor im Inneren eines Haltekörpers medienbeständig aufgebaut ist. Der Piezoaktor muss dabei gegenüber den verschiedenen Kraftstoffen als auch gegenüber wechselnden Drücken und Temperaturen resistent sein. Weiterhin ist bei der Montage und beim Transport ein sicheres Handling erforderlich und zusätzlich ist auch noch ein Schutz vor mechanischem Stoß oder Druck insbesondere hinsichtlich der elektrischen Isolierung notwendig.
  • Um eine elektrische und mechanische Isolierung des Piezoaktors zu erreichen, wird oft ein Schutzschichtsystem vorgeschlagen, welches mehrere teilweise in mehrstufigen Prozessen einzeln aufgebrachte Schichten umfasst.
  • Aus der DE 10230032 A1 ist zur Vermeidung der zuvor beschriebenen Nachteile eine Anordnung mit einem Piezoaktor in umströmenden Medien bekannt, bei der die Keramikschichten der Piezoelemente von einem Schutzschichtsystem umgeben sind, welches eine seitlich und am oberen und unteren Ende gegenüber dem umströmenden Medium verschlossenen Ummantelung sowie einer den Zwischenraum zwischen Ummantelung und Piezoelementen einnehmenden, flüssigen oder gelartigen Isolationsmasse umfasst. Ein Nachteil ist der sofortige Verlust der Schutzfunktion bei einem Riss der Ummantelung.
  • Zur Vermeidung der zuvor genannten Nachteile ist ebenso bekannt, zur Herstellung eines Schutzschichtsystems den Piezoaktor mit einer in einem ersten Prozess aufgebrachten, vorzugsweise elastischen Isolationsmasse als erste Schutzschicht, der sogenannten Base-Coat, zu umhüllen und anschließend in einem weiteren Prozess eine Ummantelung als zweite Schutzschicht um die Isolationsmasse herum anzuordnen. Die zweite Schutzschicht dient dabei vor allem als elektrische Isolationsschicht gegenüber in nachfolgenden Fertigungsschritten um das Piezoaktormodul bzw. um den Piezoaktor herum angeordneten weiteren Schutzschichten, der sogenannten Top-Coat. Als Base-Coat wird eine Isolationsmasse in Form eines auch als E/P bekannten, Zwei-Komponenten Ethylen-Propylen-Copolymers unter Rotation des Piezoaktormoduls bzw. des Piezoaktors aufgeträufelt und anschließend durch Erwärmung mittels Infrarotstrahler vorvernetzt. Das Vorvernetzen erhöht die Viskosität des E/P und verhindert ein Abtropfen bzw. Verlaufen der noch nicht vollständig ausgehärteten ersten Schutzschicht. Zur Erhöhung der Schichtdicke wird dieser Vorgang wiederholt und das E/P anschließend in einem Ofen ausgehärtet. Anschließend wird die Base-Coat mit der die Funktion einer elektrischen Isolation zur Top-Coat übernehmenden, die zweite Schutzschicht bildenden Ummantelung versehen, bevor in weiteren Fertigungsschritten zusätzliche Schutzschichten, beispielsweise Metallfolien, Zwischenlagen und dergleichen, angeordnet werden.
  • Nachteile ergeben sich hier zum einen durch die Verschmutzung der zur Herstellung verwendeten Werkzeuge durch abtropfendes E/P vor dem Vorvernetzen, durch die inhomogene E/P Schichtdicke und E/P Oberfläche, sowie durch die hohe Restklebrigkeit des ausgehärteten E/P beim Umgang und bei der Lagerung. Zum anderen wirkt sich die inhomogene E/P Schichtdicke, vor allem die geringe Kantendeckung, also die Schichtdicke an den Kanten des Piezoaktors nachteilig auf Funktion und Lebensdauer des Piezoaktormoduls aus. Die beschriebenen Inhomogenitäten beruhen vor allem auf dem Auftragungskonzept, der dreidimensionalen Geometrie des zu beschichtenden Bereichs und den E/P Materialeigenschaften. Aufgrund der rheologischen Eigenschaften lässt sich das E/P nicht ausreichend stabil auf den Piezoaktor auftragen. Die geringe Standfestigkeit des E/P führt zum Verfließen an den senkrecht stehenden Flächen. Zudem wird die Schichtdicke an den Kanten aufgrund der Oberflächenspannung des E/P verringert. Durch die Rotation während des Aufträufelns und dem Vorvernetzen werden diese Effekte nur verringert, aber nicht aufgehoben. Eine Thixotropierung des E/P verbessert das beschriebene Verhalten. Im Gegenzug kann jedoch im sogenannten Siebbereich enthaltene Luft nicht mehr entweichen und wird eingeschlossen, was zu einer Schädigung der E/P Schutzschicht im Betrieb führt.
  • Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorgehensweise ist, dass das mit Base-Coat und Ummantelung versehene Piezoaktormodul für nachfolgende Fertigungsschritte zur Herstellung der Top-Coat, wie etwa das Umwickeln mit einer Metallfolie, eine nicht ex akt vorhersehbare Geometrie aufweist, was zu Qualitätseinbußen, beispielsweise durch Folienknittern und/oder Lufteinschlüsse während des Umwickelns, höheren Kosten durch Bereitstellung nicht exakt vorhersehbarer Mengen von für nachfolgende Wickelprozesse benötigtem Rollenmaterial und dergleichen führt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung geht von einem eingangs beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktormoduls mit einem Schutzschichtsystem aus. Das Piezoaktormodul besteht aus einem Aktorfuß und einem Aktorkopf und dazwischen eingefassten Piezoelementen als Piezoaktor. Das Schutzschichtsystem besteht aus einem den Piezoaktor umgebenden Isolationsmedium als erste Schutzschicht und mindestens einer darüberliegenden Ummantelung als zweite Schutzschicht. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Schutzschichtsystems umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
    • – Einbringen und Positionieren eines Piezoaktormoduls vorzugsweise mit dem Aktorkopf voran in eine mindestens von Aktorkopf bis Aktorfuß reichende, gegenüber dem zwischen Aktorkopf und Aktorfuß angeordneten Piezoaktor radial beabstandete, die Geometrie der durch das Isolationsmedium gebildeten ersten Schicht des Schutzschichtsystems vorgebenden Vergussform, sodass zwischen Vergussform und Piezoaktor ein Ringraum verbleibt.
    • – Verschließen bzw. Abdichten der Vergussform im Bereich des Aktorkopfes und/oder im Bereich des Aktorfußes.
    • – Einbringen eines zunächst flüssigen, durch eine chemische Reaktion vorzugsweise dauerelastisch aushärtbaren Isolationsmediums in den Ringraum.
    • – Vorvernetzen und/oder zumindest teilweise Aushärten des Isolationsmediums in der Vergussform.
    • – Entnahme des von dem Isolationsmedium umgebenen Piezoaktormoduls aus der Vergussform.
    • – Ummanteln mindestens des von dem Isolationsmedium umgebenen Piezoaktors mit einer geeigneten Ummantelung.
  • Durch eine Verwendung einer die Geometrie der durch das Isolationsmedium gebildeten ersten Schicht des Schutzschichtsystems vorgebenden Vergussform werden folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik erzielt:
    • – Über den gesamten Umfang des Piezoaktors wird eine homogene Schichtdicke erzielt.
    • – Die Kantendeckung wird erhöht und damit verbessert.
    • – Die erzielbare Schichtdicke des Isolationsmediums wird nicht durch dessen rheologische Eigenschaften begrenzt.
    • – Das nach dem Stand der Technik für dickere Schichten erforderliche Mehrfachauftragen des Isolationsmediums und der dadurch verursachte mehrschichtig inhomogene Aufbau innerhalb des Isolationsmediums entfällt.
    • – Es können weitaus mehr für das Isolationsmedium in Frage kommende Materialien verwendet werden, als bisher.
    • – Die Anzahl der zur Herstellung eines Piezoaktormoduls erforderlichen Prozessschritte wird verringert.
    • – Das Piezoaktormodul stellt für nachfolgende Fertigungsschritte, in denen beispielsweise die Lagen der Top-Coat aufgebracht werden, etwa für das Umwickeln mit einer Metallfolie, eine geometrisch definierte und homogene Ausgangsbasis dar. Qualitätsprobleme, welche sich beim Stand der Technik häufig durch Folienknittern und/oder Lufteinschlüsse während des Umwickelns mit einer vorbeschichteten Metallfolie ergeben, werden deutlich verringert.
  • Eine besonders bevorzugte vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Vergussform als verlorene Form ausgeführt wird, wobei die Vergussform gleichzeitig mindestens eine den von dem Isolationsmedium umgebenen Piezoaktor umhüllende Ummantelung bildet, sodass mit dem Vorvernetzen und/oder zumindest teilweise Aushärten des Isolationsmediums in der Vergussform das Piezoaktormodul zur Weiterbearbeitung in nachfolgenden Fertigungsschritten fertig gestellt ist und die zuvor genannten Verfahrensschritte
    • – Entnahme des von dem Isolationsmedium umgebenen Piezoaktormoduls aus der Vergussform, sowie
    • – Ummanteln mindestens des von dem Isolationsmedium umgebenen Piezoaktors mit einer geeigneten Ummantelung
    entfallen. Eine Verwendung einer verlorenen Form ist insbesondere in Verbindung mit E/P als Isolationsmedium vorteilhaft, da sich E/P wegen seiner Materialeigenschaften, beispielsweise wegen seiner hohen Restklebrigkeit in Verbindung mit einer nur geringen Kohäsion, nur schlecht von der Vergussform ablösen lässt. Die Vergussform übernimmt hierbei am fertigen Piezoaktormodul vorzugsweise die elektrische Isolationsfunktion zur Top-Coat der über dem Isolationsmedium liegenden Ummantelung, wel che nach dem Stand der Technik üblicherweise als Polyphenylensulfid(PPS)-Folie ausgeführt ist. Die Vergussform kann hierzu selbst beispielsweise aus PPS hergestellt sein. Durch Integration der Funktion der PPS Folie in die verlorene Form entfallen die nachfolgenden Fertigungsschritte zu deren Montage. Darüber hinaus wird der Umgang mit dem Piezoaktormodul beispielsweise bei nachfolgenden Fertigungsschritten verbessert, da insbesondere bei einer Verwendung von E/P als Isolationsmasse die verlorene Form die auch nach der Aushärtung noch stark klebrige E/P Schicht abdeckt. Hierdurch wird die Verschmutzungsneigung des Piezoaktormoduls verringert, sowie die Handhabung und Lagerung vereinfacht.
  • Zur besseren Formhaltigkeit ist die verlorene Form mindestens während des Einbringens sowie Vorvernetzens und/oder zumindest teilweise Aushärtens des Isolationsmediums vorzugsweise in einer die verlorene Form zumindest radial stützenden Positioniervorrichtung angeordnet.
  • Für die verlorene Form ist vorzugsweise ein Formschlauch vorgesehen.
  • Um einerseits eine homogene Schichtdicke über den gesamten Aktorumfang zu gewährleisten und andererseits Blasen bzw. Lufteinschlüsse im Siebbereich zu minimieren wird vorzugsweise ein niedrigviskoses Ethylen-Propylen-Copolymer als Isolationsmedium verwendet.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Ethylen-Propylen-Copolymer einkomponentig. Das Aufbringen des Isolationsmediums durch Verguss erlaubt die Verwendung eines einkomponentigen E/Ps, zu dessen wesentlichen Vorteilen gegenüber zweikomponentigen Materialien im Fertigungsprozess eine Elimination kritischer Prozessgrößen, wie etwa Mischgrad, Mischgüte, Topfzeit und dergleichen zählen. Dank des Vergießens des einkomponentigen E/Ps sind keine Materialmodifikationen nötig. Darüber hinaus wird durch eine Verwendung eines einkomponentigen und gegenüber den bislang verwendeten zweikomponentigen E/Ps fließfähigeren E/P die Blasenfreiheit im gesamten Isolationsmedium – vor allem auch im Siebbereich – gegenüber dem Stand der Technik verbessert.
  • Das Einbringen der Isolationsmasse in den Ringraum erfolgt gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung über mindestens jeweils einen im Aktorkopf und/oder Aktorfuß angeordneten Zu- und/oder Abgang, wobei der Zugang zum Einbringen der Isolationsmasse und der Abgang zumindest zum Entweichen von durch die Isolationsmasse während des Einbringens verdrängter Luft dient. Über den Abgang kann beim Abschluss des Einbringens der Isolationsmasse diese auch entweichen, sodass der Ringraum überfüllt werden kann, um sicherzustellen, dass sich keine einen homogenen Schichtaufbau behindernde Luft mehr im Ringraum befindet.
  • Das Einbringen der Isolationsmasse in den Ringraum kann alternativ auch durch Anstechen der verlorenen Form mit mindestens einer Infusionsnadel erfolgen, welche mindestens jeweils einen Zu- und/oder Abgang bildet. Auch hier dient der vorzugsweise von einer ersten Infusionsnadel gebildete Zugang zum Einbringen der Isolationsmasse und der vorzugsweise von einer zweiten Infusionsnadel gebildete Abgang zumindest zum Entweichen von durch die Isolationsmasse während des Einbringens verdrängten Luft. Grundsätzlich ist auch denkbar, eine Infusionsnadel zu verwenden, welche zwei getrennte Kanäle aufweist, einen für den Zu- und einen für den Abgang.
  • Das Einbringen der Isolationsmasse in den Ringraum kann darüber hinaus durch Anlegen eines Unterdrucks im Ringraum unterstützt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Piezoaktormoduls wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Schnitt durch Teile eines Piezoinjektors mit einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachten Schutzschichtsystem,
  • 2 einen Querschnitt durch ein Piezoaktormodul im Bereich der Schutzummantelung, wobei 2a ein Piezoaktormodul mit einem nach dem Stand der Technik aufgebrachten Isolationsmedium als erste Lage eines Schutzschichtsystems und 2b ein Piezoaktormodul mit einem erfindungsgemäß aufgebrachten Schutzschichtsystem zeigt, sowie
  • 3 eine schematische Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Ausführungsform der Erfindung
  • Ein in 1 dargestellter Piezoinjektor 1 umfasst im Wesentlichen einen Haltekörper 2 und einen in dem Haltekörper 2 angeordnetes Piezoaktormodul 3, das unter anderem einen Aktorkopf 4 und einen Aktorfuß 5 aufweist. Es sind dabei zwischen dem Aktorkopf 4 und dem Aktorfuß 5 mehrere übereinandergestapelte Piezoelemente 6 zur Bildung des eigentlichen Piezoaktors 20 vorhanden, die jeweils aus Piezolagen aus Piezokeramik und diese einschließende Innenelektroden 7 und 8 bestehen.
  • Die Innenelektroden 7 und 8 der Piezoelemente 6 sind mit Außenelektroden 10 und 11 und dann über ein Steckerteil 9 elektrisch kontaktiert. Das Piezoaktormodul 3 ist über einen Koppler 12 mit einer Düsennadel 13 verbunden. Durch Anlegen einer Spannung an die Piezoelemente 6 über die Innenelektroden 7 und 8 und die daraus folgende mechanische Reaktion wird, wie in der Beschreibungseinleitung erläutert, eine Düsenöffnung 14 freigegeben. Das Piezoaktormodul 3 wird bei der dargestellten Anwendung nach der 1 als Piezoinjektor 1 in einem Raum 15 von dem mit dem Piezoinjektor 1 zu dosierenden Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor umströmt.
  • Der Piezoaktor 20 ist durch eine mehrlagige Schutzummantelung 24 vor dem Kraftstoff im Raum 15 geschützt. Die mehrlagige Schutzummantelung 24 besteht aus einem Schutzschichtsystem 23 mit einem als Verguss aufgebrachten Isolationsmedium 21 als sogenannte Base-Coat sowie eine darüber angeordnete Ummantelung 22 als elektrische Isolationsschicht (2b), und mehreren, in nachfolgenden Fertigungsschritten um die Ummantelung 22 herum angeordneten, nicht dargestellten Lagen aus unterschiedlichen Materialien mit jeweils eigenen Funktionen als sogenannte Top-Coat.
  • In 2b ist das den Piezoaktor 20 umhüllende Schutzschichtsystem 23 aus der die Base-Coat bildenden, vergossenen Isolationsmasse 21 und darüber liegender Ummantelung 22, welche als elektrische Isolation gegenüber der Top-Coat dient, detailliert dargestellt. Die Ummantelung 22 wird von einer beim Vergießen als verlorene Form ausgebildeten Vergussform gebildet. Der Piezoaktor 20 ist von der homogenen Isolationsmasse 21 umgeben, welche wiederum von der Ummantelung 22 umhüllt ist.
  • Ein wesentlicher Unterschied zu einem in 2a dargestellten, durch Aufträufeln einer Isolationsmasse 31 auf einen Piezoaktor 30 hergestellten Schutzschichtsystem 33 liegt beispielsweise darin, dass bei dem erfindungsgemäßen Schutzschichtsystem 23 durch Vergießen des Isolationsmediums 21 im Bereich der Aktorkanten 25 eine größere Schichtdicke des erhalten wird, als an den Aktorkanten 35 des Piezoaktors 30. Ein weiterer Unterschied liegt bei einer höheren Qualität der Isolationsmasse 21 im durch die Außenelektroden 10, 11 gebildeten Siebbereich, in dem es bei dem nach dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellten Schutzummantelung 33 häufig zu einer Blasenbildung durch Lufteinschlüsse kommt. Die höhere Qualität der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schutzummantelung 23 wird unter anderem durch eine Vermeidung von Lufteinschlüssen im Siebbereich durch Vergießen mittels eines niederviskosen, einkomponentigen E/Ps als Isolationsmedium 21 erreicht. Ein zusätzlicher Unterschied ist die Homogenität des in der Ummantelung 22 vergossenen Isolationsmediums 21 gegenüber dem in einzelnen Aufträufelungsvorgängen schrittweise aufgebauten inhomogenen Isolationsmedium 31.
  • Diese Unterschiede machen sich nicht nur mittelbar in einer höheren Lebensdauer eines mit einem Schutzschichtsystem 23 versehenen Piezoaktormoduls 3 bemerkbar, sondern auch unmittelbar in den darauffolgenden Fertigungsschritten. Ein mit einem Schutzschichtsystem 23 versehenes Piezoaktormodul 3 stellt für nachfolgende Fertigungsschritte, in denen etwa die Lagen für die Top-Coat aufgebracht werden, wie etwa für das Umwickeln mit einer Metallfolie, eine geometrisch definierte und homogene Ausgangsbasis dar. Qualitätsprobleme, welche sich beim Stand der Technik häufig durch Folienknittern und/oder Lufteinschlüsse während des Umwickelns mit einer vorbeschichteten Metallfolie ergeben, werden hierdurch deutlich verringert.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktormoduls 3 mit einem Schutzschichtsystem 23 unter Verwendung einer als verlorene Form ausgeführten Vergussform 26, die als Ummantelung 22 über dem das Base-Coat bildenden Isolationsmedium 21 verbleibt, um eine elektrische Isolationsschicht zwischen Base- und in nachfolgenden Fertigungsschritten aufgebrachter Top-Coat zu bilden, ist in seinen Verfahrensschritten in 3 dargestellt.
  • In einem in 3a dargestellten ersten Verfahrensschritt wird ein aus Aktorkopf 4, Aktorfuß 5 und zwischen Aktorkopf 4 und Aktorfuß 5 angeordnetem Piezoaktor 20 bestehendes Piezoaktormodul 3 mit dem Aktorkopf 4 voran in eine von Aktorkopf 4 bis Aktorfuß 5 reichende, gegenüber dem Piezoaktor 20 radial beabstandete, die Geometrie der durch das Isolationsmedium 21 gebildeten ersten Schicht des Schutzschichtsystems 23 vorgebende Vergussform 26 eingebracht und so positioniert, dass zwischen Vergussform 26 und Piezoaktor 20 ein Ringraum 28 verbleibt. Die Vergussform 26 und das Piezoaktormodul 3 werden dabei mittels einer Positioniervorrichtung 27 relativ zueinander ausgerichtet, um einen gleichmäßigen, den Ringraum 28 bildenden Spalt zwischen Piezoaktor 20 und Vergussform 26 sicherzustellen. Über den Innendurchmesser der Vergussform 26 wird die Schichtdicke des als Isolationsmedium 21 verwendeten E/P definiert.
  • In einem in 3b dargestellten zweiten Verfahrensschritt wird die Vergussform 26 gegenüber dem Aktorkopf 4 und dem Aktorfuß 5 abgedichtet bzw. verschlossen. Die Abdichtung des Spalts zwischen Aktorkopf 4 bzw. Aktorfuß 5 und Vergussform 26 kann durch die Positioniervorrichtung oder bei geeigneter konstruktiver Auslegung durch einen Presssitz der Vergussform 26 verwirklicht werden.
  • In einem in 3c dargestellten dritten Verfahrensschritt wird ein zunächst flüssiges, durch eine chemische Reaktion dauerelastisch aushärtendes niederviskoses und einkomponentiges E/P als Isolationsmedium in den Ringraum 28 eingebracht, um den Ringraum 28 mit dem E/P zu füllen. Das E/P ist Teil der zum Betrieb des Piezoaktors nötigen kraftstoffresistenten Schutzummantelung 23. Um eine vollständige, blasenfreie Füllung sicherzustellen, ist ein Überfüllen des Ringraums 28 notwendig. Zur Zufuhr des flüssigen E/Ps benötigte Zugänge, sowie zum Entweichen der durch das E/P verdrängten Luft aus dem Ringraum 28 benötigte Abgänge können entweder in den metallischen Anbauteilen von Aktorkopf 4 und/oder Aktorfuß 5 des Piezoaktormoduls 3 oder in die Vergussform 26 integriert sein. Ebenso ist denkbar, die als verlorene Form ausgeführte Vergussform 26 mit Infusionsnadeln anzustechen und auf diesem Weg den Ringraum 28 mit E/P zu befüllen bzw. zu entlüften. Um den Befüllvorgang zu unterstützen, kann der Vorgang durch Anlegen von Unterdruck unterstützt werden.
  • In einem in 3d dargestellten vierten Verfahrensschritt findet ein Vorvernetzen und/oder zumindest teilweises Aushärten des als Isolationsmedium 21 verwendeten E/Ps in der Vergussform 26 statt. Während des Vergießens und Vorvernetzens stützt die Positioniervorrichtung 27 die als verlorene Form ausgeführte Vergussform 26 in radialer Richtung. Um die durch die Geometrie der Vergussform 26 eingestellte Schichtdicke der Isolationsmasse 21 zu fixieren, eine ausreichende Handhabungsfestigkeit einzustellen und je nach Dichtkonzept ein Auslaufen von E/P zu vermeiden, muss das E/P noch in der Positioniervorrichtung 27 vorvernetzt werden. Diese erfolgt mittels Infrarotstrahlern 29 oder mit kontaktwärme bzw. Heißluft.
  • In einem in 3e dargestellten fünften Verfahrensschritt wird das mit der Isolationsmasse 21 und der durch die Vergussform 26 gebildeten Ummantelung 22 versehene Piezoaktormodul 3 aus der Positioniervorrichtung 27 entnommen und das E/P vollends ausgehärtet. Das Aushärten kann wiederum durch Infrarotstrahler 29 oder im Ofen mit kontaktwärme oder Heißluft unterstützt werden.
  • Wichtig ist hervorzuheben, dass die als verlorene Form ausgeführte, zum Vergießen des E/P benötigte Vergussform, zusätzlich die Funktion der elektrischen Isolation zwischen Piezoaktor 20 und Top-Coat übernimmt. Diese Funktion übernimmt beim Stand der Technik eine um das Isolationsmedium gewickelte Folie aus PPS.
  • 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
    • - DE 10026005 A1 [0004]
    • - DE 10230032 A1 [0009]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktormoduls (3), bestehend aus einem Aktorfuß (5) und einem Aktorkopf (4) und dazwischen eingefassten Piezoelementen (6) als Piezoaktor (20), mit einem Schutzschichtsystem (23) aus einem den Piezoaktor (20) umgebenden Isolationsmedium (21) und mindestens einer darüberliegenden Ummantelung (22), gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: – Einbringen und Positionieren eines Piezoaktormoduls (3) in eine mindestens von Aktorkopf (4) bis Aktorfuß (5) reichende, gegenüber dem Piezoaktor (20) radial beabstandete Vergussform (26), sodass zwischen Vergussform (26) und Piezoaktor (20) ein Ringraum (28) verbleibt, – Verschließen bzw. Abdichten der Vergussform (26) im Bereich des Aktorkopfes (4) und/oder im Bereich des Aktorfußes (5), – Einbringen eines flüssigen, aushärtbaren Isolationsmediums (21) in den Ringraum (28), – Vorvernetzen und/oder zumindest teilweise Aushärten des Isolationsmediums (21) in der Vergussform (26), – Entnahme des von dem Isolationsmedium (21) umgebenen Piezoaktormoduls (3) aus der Vergussform (26) und – Ummanteln mindestens des von dem Isolationsmedium (21) umgebenen Piezoaktors (20) mit einer geeigneten Ummantelung (22).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussform (26) als verlorene Form ausgeführt wird, wobei die Vergussform (26) gleichzeitig mindestens eine den von dem Isolationsmedium (21) umgebenen Piezoaktor (20) umhüllende Ummantelung (22) bildet.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verlorene Form (22; 26) aus Polyphenylensulfid (PPS) besteht.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verlorene Form (22; 26) mindestens während des Einbringens sowie Vorvernetzens und/oder zumindest teilweise Aushärtens des Isolationsmediums (21) in einer Positioniervorrichtung (27) angeordnet ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als verlorene Form (22; 26) ein Formschlauch vorgesehen ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmedium (21) ein niedrigviskoses Ethylen-Propylen-Copolymer umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ethylen-Propylen-Copolymer einkomponentig ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Isolationsmasse (21) in den Ringraum (28) über mindestens jeweils einen im Aktorkopf (4) und/oder Aktorfuß (5) angeordneten Zu- und Abgang erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Isolationsmasse (21) in den Ringraum (28) durch Anstechen der verlorenen Form (22; 26) mit mindestens einer Infusionsnadel erfolgt, welche mindestens jeweils einen Zu- und/oder Abgang bildet.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Isolationsmasse (21) in den Ringraum (28) durch Anlegen eines Unterdrucks unterstützt wird.
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