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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Vereinzeln von keramischen Grünkörpern, insbesondere Grünkörper von Piezostacks,
aus einem keramischen Grünblock.
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Piezostacks
werden im Nutzen gefertigt. Das bedeutet, dass zunächst eine
Vielzahl von grünen bzw.
ungesinterten Keramikfolien aufeinander gestapelt und anschließend verpresst
werden. Dieser Stapel aus grünen
Keramikfolien, den man als Grünblock
bezeichnet, wird anschließend
in eine Vielzahl von individuellen Bauelementen vereinzelt.
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Eine
gängige
Technik zum Vereinzeln der individuellen Bauelemente oder keramischen
Grünkörper aus
dem Grünblock
ist das Trennen mit Diamant besetzten oder gezahnten Sägeblättern. Eine
weitere Alternative zum Trennen ist das Wasserstrahlschneiden. Beide
Verfahren sind für
keramische Grünkörper, insbesondere
Piezostacks, mit einer Länge
von 30 bis 45 mm in der Fertigung erprobt. Bei der Herstellung längerer keramischer
Grünkörper ist
man mit verschiedenen Nachteilen konfrontiert. Zunächst erhöht sich
bei der Herstellung der Ausschuss durch einen Schnittkantenverzug
beim Vereinzeln der Grünkörper. Ein
weiterer Nachteil besteht in den langen Prozesszeiten, mit denen
beim Vereinzeln durch die oben beschriebenen Trennverfahren zu rechnen
ist. Des Weiteren ist zu berücksichtigen,
dass mit dem oben genannten Trennverfahren lediglich ein Vereinzeln
mit geradlinig verlaufenden Schnitten möglich ist.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen im Vergleich zum
Stand der Technik keramische Grünkörper aus
einem Grünblock
mit weniger Aufwand vereinzelt werden können.
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Die
obige Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Vereinzeln von keramischen
Grünkörpern gemäß Anspruch
1 und durch eine entsprechende Vorrichtung gemäß Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung gehen aus der Beschreibung,
den Zeichnungen und den anhängenden
Ansprüche
hervor.
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Das
Verfahren zum Vereinzeln von keramischen Grünkörpern, insbesondere Grünkörper von Piezostacks,
aus einem keramischen Grünblock weist
die folgenden Schritte auf: Aufsetzen eines Ultraschallwerkzeugs
mit einer Bearbeitungsfläche
auf den Grünblock,
dessen Bearbeitungsfläche
eine Mehrzahl von Öffnungen
aufweist, deren Umfangsform jeweils eine Querschnittskontur des
zu vereinzelnden Grünkörpers definiert,
Erzeugen von Schwingungen im Ultraschallwerkzeug durch Zufuhr mechanischer
Schwingungsenergie, vorzugsweise mit Hilfe eines Ultraschallschwingkopfes,
und Bewegen des schwingenden Ultraschallwerkzeugs durch den Grünblock,
so dass über
die Mehrzahl von Öffnungen
Grünkörper aus
dem Grünblock
vereinzelt werden.
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Das
vorliegende Verfahren beschreibt das Herauslösen von keramischen Grünkörpern aus
einem Grünblock.
Im Speziellen wird eine Vielzahl von Grünkörpern gleichzeitig aus einem
Grünblock
vereinzelt. Zu diesem Zweck wird mit Hilfe mechanischer Schwingungen,
insbesondere mit Hilfe von Ultraschallschwingungen, ein Ultraschallwerkzeug durch
den keramischen Grünblock
getrieben. Das Ultraschallwerkzeug gibt ähnlich einer Schablone die Bereiche
des Grünblocks
vor, die nicht entfernt bzw. zerstört werden sollen. Aus diesem
Grund weist die Bearbeitungsfläche
des Ultraschallwerkzeugs eine Mehrzahl von Öffnungen auf, innerhalb derer
sich die vereinzelten Grünkörper befinden,
wenn das Ultraschallwerkzeug durch den Grünblock bewegt wird.
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Das
oben genannte Verfahren weist bevorzugt die folgenden weiteren Schritte
auf: Einbringen eines Schleifmittels zwi schen die Bearbeitungsfläche des
Ultraschallwerkzeugs und den Grünblock,
so dass ein Materialabtrag vom Grünblock unterstützt wird.
Es ist zudem bevorzugt, den keramischen Grünblock aus einer spröden Harzmischung
herzustellen. Diese spröde
Harzmischung ist beispielsweise anfällig gegenüber der Wirkung eines elektrischen Feldes
und sie ist angreifbar durch chemische Hilfsstoffe. Aus diesem Grund
weist eine weitere Ausführungsform
des vorliegenden Verfahrens folgenden Schritt auf: Anlegen eines
elektrischen Feldes und/oder Hinzufügen chemischer Hilfsstoffe
zwischen die Bearbeitungsfläche
und die Oberfläche des
Grünblocks,
so dass das Vereinzeln der Grünkörper durch
elektrisches, chemisches und/oder elektrochemisches Zersetzen der
spröden
Harzmischung unterstützt
wird. Neben der mechanischen Bearbeitung des keramischen Grünblocks
werden auf diese Weise noch weitere Belastungen gezielt auf die Oberfläche des
Grünblocks
aufgebracht, um dadurch die Vereinzelung der keramischen Grünkörper zu
beschleunigen. Somit beschränkt
sich das Vereinzeln nicht nur auf ein Ultraschallabtragen des Materials des
keramischen Grünblocks,
sondern es wird zusätzlich
das Bindungsmaterial des keramischen Grünblocks angegriffen, das das
keramische Grundmaterial des Grünblocks
zusammenhält.
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Zum
Vereinzeln der keramischen Grünkörper aus
dem keramischen Grünblock
wird eine Vorrichtung genutzt, die die folgenden Merkmale aufweist:
ein Ultraschallwerkzeug mit einer Bearbeitungsfläche, die eine Mehrzahl von Öffnungen
aufweist, deren Umfangsform jeweils eine Querschnittskontur von
zu vereinzelnden Grünkörpern definiert, einen
Ultraschallschwingkopf, der das Ultraschallwerkzeug in Schwingung
versetzt, und eine Zustelleinheit, die das Ultraschallwerkzeug in
Richtung des Grünkörpers zustellt.
Ergänzend
dazu ist es ebenfalls bevorzugt, das die oben genannte Vorrichtung eine
Zufuhrvorrichtung für
Schleifmittel umfasst, mit der Schleifmittel in einen Spalt zwischen
Bearbeitungsfläche
des Ultraschallwerkzeugs und Oberfläche des Grünkörpers zuführbar ist. In weiterer Ausgestaltung
ist eine Spannungsquelle vorgesehen, mit der ein elektrisches Feld
zwischen der Bearbeitungsfläche
des Ultraschallwerkzeugs und der Oberfläche des Grünblocks generierbar ist. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung eine Zufuhrvorrichtung für chemische Hilfsstoffe, mit
der mindestens ein chemischer Hilfsstoff in den Spalt zwischen Bearbeitungsfläche des
Ultraschallwerkzeugs und der Oberfläche des Grünblocks zuführbar ist.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende
Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ultraschallwerkzeugs mit Grünblock,
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2 eine
Ansicht einer Ausführungsform einer
Bearbeitungsfläche
des Ultraschallwerkzeugs,
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3 eine
Ansicht einer weiteren Ausführungsform
einer Bearbeitungsfläche
eines Ultraschallwerkzeugs und
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4 ein
Flussdiagramm zur Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens zum
Vereinzeln von keramischen Grünkörpern.
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1 zeigt
eine vereinfachte schematische Darstellung einer Vorrichtung zum
Vereinzeln keramischer Grünkörper aus
einem keramischen Grünblock 10.
Vorzugsweise dient die Vorrichtung dem Vereinzeln von piezokeramischen
Grünkörpern späterer Vielschichtaktoren.
Es ist ebenfalls denkbar, Grünblöcke 10 anderer
keramischer Zusammensetzung zu vereinzeln.
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Die
Vorrichtung zum Vereinzeln von piezokeramischen Grünkörpern umfasst
ein Ultraschallwerkzeug 20, das an einer Oberfläche 15 des
Grünblocks 10 angreift.
Das Ultraschallwerkzeug 20 weist eine Bearbeitungsfläche 30 mit
einer Mehrzahl von Öffnungen 40 auf.
Die Bearbeitungsfläche 30 ist
schematisch in verschiedenen Ausführungsformen in den 2 und 3 dargestellt.
Die Umfangsform der Öffnungen 40 gibt
jeweils die Querschnittsform des über diese Öffnung 40 vereinzelten
keramischen Grünkörpers vor.
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Während des
Vereinzelns der Grünkörper aus
dem Grünblock 10 bewegt
sich das Ultraschallwerkzeug 20 und somit die Bearbeitungsfläche 30 zumindest
teilweise durch den Grünblock 10.
Daher wirkt das Ultraschallwerkzeug 20 ähnlich einer Schablone, so
dass die Bereiche des Grünblocks 10 innerhalb
einer Öffnung 40 bestehen
bleiben. Die Bereiche zwischen den Öffnungen 40 werden
im Gegensatz dazu durch das Ultraschallwerkzeug 20 abgetragen.
Auf diese Weise sind Grünkörper in
all den Formen herstellbar, die durch die Öffnungen 40 vorgegeben
werden können.
Somit sind Grünkörper mit
runder, eckiger, ovaler oder anderer beliebiger Form herstellbar,
die man beispielsweise nicht mit Sägeblättern oder einem Wasserstrahlschneiden
erzeugen könnte.
In diesem Zusammenhang besteht ebenfalls die Möglichkeit, während des
Ausformens der keramischen Grünkörper aus
dem Grünblock 10 das
Ultraschallwerkzeug 20 zu wechseln. Auf diese Weise könnte eine
Strukturierung in der Längsrichtung
der keramischen Grünkörper erfolgen.
Zudem ist es beispielsweise bevorzugt, Stirnflächenphasen in die ausgeformten
bzw. vereinzelten keramischen Grünkörper einzuarbeiten.
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Das
Ultraschallwerkzeug besteht gemäß einer
Ausführungsform
aus einem zähen
Material, wie beispielsweise Metall. Zudem sind auch andere widerstandsfähige Werkstoffe
zum Bereitstellen des Ultraschallwerkzeugs 20 denkbar,
sofern sie widerstandfähig
und somit eine ausreichend hohe Lebensdauer beim Vereinzeln der
keramischen Grünkörper aus
dem Grünblock 10 zeigen.
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Das
Ultraschallwerkzeug 20 ist mit einem Ultraschallschwingkopf
(nicht gezeigt) verbunden. Dieser Ultraschallschwingkopf führt mechanische Schwingungsenergie
dem Ultraschallwerkzeug 20 zu, so dass es in Schwingungen
versetzt wird. Ein bevorzugter Frequenzbereich sind beispielsweise
20 bis 40 kHz, die je nach zu bearbeitendem Material und/oder abzufahrender
Ver fahrensroutine durch eine Steuereinheit (nicht gezeigt) vorgegeben
werden.
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Des
Weiteren ist das Ultraschallwerkzeug 20 mit einer Zustelleinheit
(nicht gezeigt) verbunden. Diese Zustelleinheit bewegt das Ultraschallwerkzeug 20 in
Richtung des Grünblocks 10,
wie durch den Pfeil 60 in 1 angedeutet
ist. Zudem ist die Zustelleinheit dazu geeignet, das Ultraschallwerkzeug 20 mit
einer vorgegebenen Kraft auf die Oberfläche 15 des Grünblocks 10 zu
drücken.
Die Zustelleinheit realisiert ebenfalls eine Bewegung des Ultraschallwerkzeugs 20 entgegen
der Richtung des Pfeils 60, um beispielsweise das Ultraschallwerkzeug 20 aus einem
im Grünblock 10 versenkten
Zustand zurückzubewegen.
Dies eröffnet
die Möglichkeit,
nach dieser Rückwärtsbewegung
das Ultraschallwerkzeug 20 auszutauschen, um beispielsweise
das Vereinzeln der keramischen Grünkörper mit einer neuen Querschnittsform
der Öffnungen 40 fortzusetzen.
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Zum
Vereinzeln der keramischen Grünkörper aus
dem keramischen Grünblock 10 wird,
wie oben beschrieben, zunächst
das Ultraschallwerkzeug 20 mit der Bearbeitungsfläche 30 auf
den Grünblock 10 aufgesetzt
(Schritt B). Nachfolgend werden im Ultraschallwerkzeug 20 mit
Hilfe des Schwingkopfes Schwingungen erzeugt (Schritt C). Um einen
bestimmten Materialabtrag durch das schwingende Ultraschallwerkzeug 20 zu
erzielen, wird das bereits oben genannte Schleifmittel zwischen
die Bearbeitungsfläche 30 des
Ultraschallwerkzeugs 20 und den Grünblock 10 gebracht
(Schritt D), so dass ein Materialabtrag vom Grünblock 10 unterstützt wird.
Das Schleifmittel besteht beispielsweise aus einer Trägerflüssigkeit
oder einem darin verteilten körnigen
festen Anteil. Der feste Anteil ist vorzugsweise härter als das
Material des zu bearbeitenden Grünblocks 10. Gemäß einer
Ausführungsform
dringt der feste Anteil des Schleifmittels in die Bearbeitungsfläche 30 ein, um
diese zu verstärken.
Danach findet ein „Abschleifen" des Grünblocks 10 außerhalb
der Öffnungen 40 statt,
in dem das Ultraschallwerkzeug 20 Stück für Stück in den Grünblock 10 abgesenkt
wird.
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Um
das Vereinzeln der Grünkörper aus
dem Grünblock 10 weiter
zu unterstützen,
wird vorzugsweise ein chemischer Hilfsstoff dem Spalt zwischen der
Bearbeitungsfläche 30 des
Ultraschallwerkzeugs 20 und der Oberfläche 15 des Grünblocks 10 zugeführt. Da
der Grünblock 10 aus
keramischem Material und einer Matrix, beispielsweise einem Binder
mit Kunststoffanteil oder eine Harzmischung, besteht, wird mit Hilfe
des chemischen Hilfsstoffs diese Matrix angegriffen. Dieser chemische
Angriff unterstützt
den Materialabtrag vom Grünkörper 10 durch
das Ultraschallwerkzeug 20, der sonst allein durch die
mechanischen Schwingungen des Ultraschallwerkzeugs 20 erfolgen
müsste.
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Es
ist des Weiteren bevorzugt, ein elektrisches Feld im Spalt zwischen
Bearbeitungsoberfläche 30 des
Ultraschallwerkzeugs 20 und der Oberfläche 15 des Grünblocks 10 zu
erzeugen. Besteht die oben genannte Matrix beispielsweise aus einer
Harzmischung und ist diese durch ein elektrisches Feld angreifbar,
unterstützt
dieses elektrische Feld im Spalt zwischen Bearbeitungsoberfläche 30 und Oberfläche 15 ebenfalls
das Vereinzeln von Grünkörpern. Somit
weist die Vorrichtung zum Vereinzeln von keramischen Grünkörpern eine
Zufuhrvorrichtung für chemische
Hilfsstoffe, eine Zufuhrvorrichtung für Schleifmittel sowie eine
elektrische Spannungsquelle und entsprechende Elektroden zum Versorgen
des Spalts mit einem elektrischen Feld auf. Um in diesem Zusammenhang
das elektrische Feld im Spalt zwischen Bearbeitungsoberfläche 30 und
Oberfläche 15 zu
erzielen, besteht das Ultraschallwerkzeug 20 aus Metall
und ist mit einem Pol der elektrischen Spannungsquelle verbunden.
Der Grünblock 10 ist
auf einer Elektrode (nicht gezeigt) angeordnet, um entgegengesetzt
zum Ultraschallwerkzeug 20 elektrisch polarisiert zu werden.
Es ist somit möglich,
die keramischen Grünkörper allein
durch den Eintrag von mechanischer Schwingungsenergie zu vereinzeln.
Des Weiteren ist es möglich,
dieses Vereinzeln durch mechanische Schwingungsenergie mit einem
chemischen und/oder elektrischen und/oder elektrochemischen Angriff
zu kombinieren.
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Das
bereits oben beschriebene Verfahren zum Vereinzeln von keramischen
Grünkörpern aus einem
Grünblock
lässt sich
nochmals anhand des Flussdiagramms der 4 zusammenfassen.
Nachdem zunächst
im Schritt A ein Grünblock 10 aus
einer spröden
Harzmischung oder mit Hilfe einer Matrix auf Kunststoffbasis hergestellt
worden ist, wird das Ultraschallwerkzeug 20 im Schritt
B auf den Grünblock 10 aufgesetzt.
Im Schritt C werden Schwingungen im Ultraschallwerkzeug 20 durch
die Zufuhr mechanischer Schwingungsenergie erzeugt. Gleichzeitig
wird das Ultraschallwerkzeug 20 mit seiner Bearbeitungsfläche 30 gegen
die Oberfläche 15 des
Grünkörpers mit einer
vorgegebenen Kraft gedrückt.
Um die Material abtragende Wirkung der Schwingungen des Ultraschallwerkzeugs
zu unterstützen,
sind alternativ die Schritte D, E, F allein oder in Kombination
anwendbar. Schritt D betrifft das Einbringen eines Schleifmittels
zwischen die Bearbeitungsfläche 30 des
Ultraschallwerkzeugs 20 und den Grünblock 10, Schritt
F beinhaltet das Hinzufügen
mindestens eines chemischen Hilfsstoffs in den Spalt zwischen Bearbeitungsfläche 30 und
Oberfläche 15 des
Grünblocks 10,
während
Schritt E das Erzeugen eines elektrischen Feldes im Spalt zwischen
Bearbeitungsfläche 30 und
Oberfläche 15 des
Grünblocks 10 beinhaltet. Gemäß Schritt
G wird das schwingende Ultraschallwerkzeug 20 mit Hilfe
der bereits oben beschriebenen Zustelleinheit durch den Grünblock 10 bewegt, so
dass über
die Mehrzahl der Öffnungen 40 Grünkörper aus
dem Grünblock 10 vereinzelt
werden.