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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen
Werkstücken,
insbesondere piezoelektrischen Aktoren und eine Anlage zur Durchführung solch
eines Verfahrens.
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Bei
der Herstellung von piezoelektrischen Aktoren ist es denkbar, dass
eine Blocktechnik zum Einsatz kommt. Bei der Blocktechnik wird die
keramische Grünfolie
zunächst
mit Innenelektrodenmaterial bedruckt und anschließend zu
einem Block gestapelt und verpresst, das heißt laminiert. Nach diesem Prozessschritt
liegt ein monolithischer Block vor, bei dem sich die Grünfolien
nicht mehr voneinander unterscheiden. Bei der weiteren Prozessierung
wird der Block dann in einzelne grüne Aktoren getrennt. Diese einzelnen,
grünen
Aktoren werden dann entbindert und gesintert und im nachfolgen Fertigungsschritt durch
den Schleifprozess bearbeitet. Der Fertigungsschritt Schleifen realisiert
die Herstellung der sogenannten Isolationszonen des Aktors. Diese
Isolationszonen sind in der Aktorzeichnung klar spezifiziert. Die
Herstellbarkeit der Isolationszone wird primär durch den Sinterprozess beeinflusst,
der durch den thermischen Prozess die Endgeometrie nach dem Sintern
vorrangig determiniert. An bestimmten Stellen im Hubdrehherdofen
verursacht der Sinterprozess eine unzulässige Verkrümmung des Aktors, der eine
prozesssichere Herstellung der Isolationszone im nachfolgenden Schleifprozess
verhindert.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die erfindungemäße Anlage
mit den Merkmalen des Anspruchs 14 haben den Vorteil, dass eine verbesserte
Herstellung von piezoelektrischen Werkstoffen ermöglicht ist. Speziell
besteht der Vorteil, dass ein Ausschuss bei der Herstellung von
piezoelektrischen Werkstücken verringert
wird.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen
Verfahrens und der im Anspruch 14 angegebenen Anlage möglich.
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Durch
ein Sintern der piezoelektrischen Werkstücke in Teilblöcken, insbesondere
in Riegeln, und anschließendes
Vereinzeln der piezoelektrischen Werkstücke jedes Teilblocks, beispielsweise durch
ein Hartbearbeitungsverfahren wie Dicing, kann das Ausmaß einer
Verbiegung der hergestellten piezoelektrischen Werkstücke deutlich
reduziert werden. Hierbei ist es auch möglich, dass die durch einen
Dicing-Verfahrensschritt
getrennten einzelnen piezoelektrischen Werkstücke keine weitere Nachbearbeitung
erfordern, so dass ein Schleifprozess oder dergleichen zum Richten
der piezoelektrischen Werkstücke
entfallen kann.
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Vorteilhaft
ist es, dass zumindest ein Teilblock m × n (m mal n) unzerteilte piezoelektrische Werkstücke aufweist,
die in m-Reihen und n-Spalten des Teilblocks angeordnet sind, und
dass n nicht kleiner als 2 ist.
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Speziell
ist vorteilhaft, dass m gleich 1 ist und dass der Teilblock 1 × n unzerteilte
piezoelektrische Werkstücke
aufweist. Dadurch kann ein riegelförmiger Teilblock gebildet werden,
wobei die Breite des Riegels genau einem einzigen grünen piezoelektrischen
Werkstück
entspricht. Ferner ist es vorteilhaft, dass in diesem Fall der Block
M Spalten an piezoelektrischen Werkstücken aufweist und dass der
Block in Teilblöcke
aufgeteilt wird, die jeweils zumindest eine Reihe an piezoelektrischen
Werkstücken
aufweisen. Somit entspricht die Länge des Riegels der Länge des
ursprünglichen
Blocks, wodurch das Trennen des Blocks in Teilblöcke erleichtert ist. Diese
Riegel können
dann aufrecht stehend dem Sinterprozess zugeführt und anschließend mit
einem geeigneten Hartbearbeitungsverfahren, beispielsweise durch Dicing,
nach dem Sintern in die Einzelteile vereinzelt und weiter bearbeitet
werden. Speziell bei einer geringen Querschnittsfläche oder
einem ungünstigen Höhen- zu
Breitenverhältnis
(Aspekt-Verhältnis)
der Einzelteile besteht der Vorteil dieses Riegelsinterns darin,
dass eine verstärkte Verkrümmung der
Teile im Sinterprozess, wie sie beim aufrecht stehenden Sintern
von einzelnen grünen
piezoelektrischen Werkstücken
auftreten kann, durch das Sintern ganzer Riegel verringert ist.
Die mit einer verstärkten
Verkrümmung
einhergehenden Nachteile für
die nachfolgenden Prozesse sowie für die Produktqualität können somit
vermieden werden.
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Vorteilhaft
ist es auch, dass der Block m Spalten an piezoelektrischen Werkstücken aufweist und
dass der Block in Teilblöcke
aufgeteilt wird, die jeweils zumindest eine Reihe an piezoelektrischen Werkstücken aufweisen
und dass jeder Teilblock genau zwei Reihen an piezoelektrischen
Werkstücken aufweist.
Durch die längere
Riegelform mit einer Breite von zwei Einzelteilen und damit verbundenen
breiteren Aufstandsfläche
kann der positive Effekt auf die Verkrümmung in der Riegellängsrichtung
auch in der Riegelquerrichtung ausgenutzt werden. Speziell kann
eine Torsionsverbiegung oder eine andere Verbiegung verhindert werden.
Insbesondere kann eine bei einer großen Länge des Riegels auftretende
starke Sinterschrumpfung in Riegellängsrichtung, die durch Reibungseffekte
an der Sinterunterlage zu Verformungen, insbesondere im Bereich
der Riegelenden, führt,
in ihrer Wirkung auf eine Verbiegung des Riegels verringert werden.
Ferner besteht an den Enden des Riegels das Problem, dass an drei
Außenflächen ein
Kontakt mit der Ofenatmosphäre
besteht, während
im übrigen
Riegel nur zwei Außenflächen der
Ofenatmosphäre
ausgesetzt sind. Hierdurch bedingte Unterschiede im Sinterverhalten,
die sich in Unterschieden im Gefüge
und den Bauteileigenschaften auswirken können, können durch einen verbreiterten
Riegel mit zwei Reihen in ihrem Ausmaß verringert werden. Somit
können
die Gefüge-
und Bauteileigenschaften in vorteilhafter Weise homogenisiert werden.
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Vorteilhaft
ist es auch, dass zwischen den Reihen und/oder den Spalten der unzerteilten
piezoelektrischen Werkstücke
des Teilblocks Kanäle
vorgesehen sind. Speziell ist es vorteilhaft, dass die Kanäle als Durchgangsbohrungen
ausgestaltet sind und/oder dass die Kanäle zumindest näherungsweise
senkrecht zu einer Längsrichtung
der unzerteilten piezoelektrischen Werkstücke des Teilblocks ausgebildet
sind. Ferner ist es vorteilhaft, dass an zumindest einer Außenseite
des Teilblocks zwischen den Reihen und/oder den Spalten der unzerteilten
piezoelektrischen Werkstücke
Vertiefungen vorgesehen sind. Hierbei ist es speziell vorteilhaft,
dass die an der Außenseite
des Teilblocks vorgesehenen Vertiefungen in einer Längsrichtung
der unzerteilten piezoelektrischen Werkstücke des Teilblocks verlaufen.
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Der
beim Sintern auftretende Masseverlust stellt ein wichtiges Qualitätskriterium
für die
piezoelektrischen Werkstücke,
insbesondere die Aktoren, dar. Durch die Aufteilung der piezoelektrischen
Werkstücke
in Teilblöcke
ist es möglich,
dass sich die Materialhomogenität
innerhalb der Aktoren in Abhängigkeit
der Längs-
und Querrichtung des Teilblocks und in Abhängigkeit der Position des Aktors
im Teilblock verschlechtert. Beispielsweise weisen Aktoren am Rand
des Teilblocks beim Sintern eine höhere Bleioxid-Abdampfrate auf
als Aktoren, die sich in der Mitte des Teilblocks befinden. Hierdurch
ist es möglich, dass
der Teilblock im Randbereich auf Grund der höheren Abdampfrate von Bleioxid
nach dem Sinterprozess eine unvorteilhafte Verkrümmung aufweist, wodurch eine
Nachbearbeitung erforderlich ist und gegebenenfalls ein Ausschuss
auftritt. Ferner ist es gegebenenfalls erforderlich, dass Entbinder-
und Sinterprofile für
das Sintern des Teilblocks anzupassen sind, da durch die höhere Masse
des Teilblocks im Vergleich zu vereinzelten piezoelektrischen Werkstücken die
Entbinder- und Sinterraten
vorzugsweise erniedrigt sind. Hierdurch werden längere Prozesszeiten erforderlich.
Allerdings kann durch die Kanäle und/oder
Vertiefungen in vorteilhafter Weise ein Einfluss auf den Sinterprozess
genommen werden. Durch diese wirtschaftlichen und einfach zu realisierenden
Maßnahmen
ist es möglich,
beim Sintern in Teilblöcken
auftretende Nachteile zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
Gleichzeitig kann durch diese Maßnahmen die Robustheit der
hergestellten piezoelektrischen Werkstücke gesteigert werden.
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Vorteilhaft
ist es, dass das Entbindern und Sintern der Teilblöcke in einem
kombinierten thermischen Prozessschritt erfolgt. Hierdurch kann
eine Ausschussrate weiter verringert werden.
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In
vorteilhafter Weise werden die entbinderten und gesinterten Teilblöcke in vereinzelte
piezoelektrische Werkstücke
aufgeteilt. Hierbei ist es ferner Vorteilhaft, dass das Aufteilen
der entbinderten und gesinterten Teilblöcke in vereinzelte piezoelektrische Werkstücke durch
zumindest ein Dicing-Trennverfahren erfolgt.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der
beigefügten
Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen
versehen sind, näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 einen
als Riegel ausgestalteten Teilblock aus piezoelektrischen Werkstücken zur
Erläuterung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 den
in 1 dargestellten Teilblock aus der mit II bezeichneten
Blickrichtung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 eine
Folie zur Herstellung eines Blocks aus piezoelektrischen Werkstücken zur
Erläuterung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel;
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4 einen
Teilblock mit piezoelektrischen Werkstücken zur Erläuterung
eines Verfahrens entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel;
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5 einen
weiteren Teilblock zur Erläuterung
eines Verfahrens entsprechend einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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6 einen
schematisch dargestellten Prozessablauf zur Durchführung eines
Verfahrens entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt
einen Teilblock 1, der zusammen mit weiteren Teilblöcken zur
Herstellung von piezoelektrischen Werkstücken 2 dient, entsprechend
einem ersten Ausführungsbeispiel
eines Verfahrens zur Herstellung von piezoelektrischen Werkstücken 2.
In diesem Ausführungsbeispiel
weist der Teilblock 1 piezoelektrische Werkstücke 2A bis 2E auf.
Der Teilblock 1 ist hierbei als Riegel ausgestaltet. Der Teilblock 1 kann
m × n
unzerteilte piezoelektrische Werkstücke 2 aufweisen, die
in m-Reihen und n-Spalten des Teilblocks 1 angeordnet sind.
In diesem Ausführungsbeispiel
weist der Teilblock 1 eine Reihe und neun Spalten auf.
Das heißt,
der Teilblock 1 weist 1 × 9 = 9 unzerteilte piezoelektrische
Werkstücke 2 auf.
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Bei
der Herstellung der piezoelektrischen Werkstücke 2 erfolgt zunächst eine
Laminierung eines Blocks aus einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten
und einer Vielzahl von zwischen den piezoelektrischen Schichten
angeordneten Elektrodenschichten. Bei dem in der 1 dargestellten
ersten Ausführungsbeispiel
wird solch ein Block in den Teilblock 1 und in weitere
Teilblöcke
aufgeteilt, die dem Teilblock 1 entsprechen. Diese Aufteilung
erfolgt im Grünzustand
des Blocks. Der Teilblock 1 wird dann einem Entbinder-
und Sinterprozess unterworfen. Hierbei besteht der Vorteil, dass
die Streuung von Eigenschaften der piezoelektrischen Werkstücke 2 verringert
ist. Beispielsweise können
die Streuungen der Eigenschaften Hub- und Großsignal-Kapazität erheblich
reduziert werden, was insbesondere für den Einsatz der piezoelektrische
Werkstücke 2 als
Injektoren für
Brennstoffeinspritzventile von Vorteil ist. Die Aufteilung des entbinderten
und gesinterten Teilblocks 1 in die einzelnen piezoelektrischen
Werkstücke 2 erfolgt
mittels eines Trennverfahrens, beispielsweise mittels Dicing. Dies
ermöglicht
die Trennung des Teilblocks 1 in die piezoelektrischen
Werkstücke 2 im
harten, gesinterten Zustand.
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Bei
einer Anlage zur Durchführung
des Verfahrens zur Herstellung der piezoelektrischen Werkstücke 2 kann
in vorteilhafter Weise anstelle unterschiedlicher Batch-Entbinder- und Sinteröfen ein kombinierter
Entbinder- und Sinterdurchlaufofen mit anschließender Dicing-Trennstation
zur Durchführung
des Dicing-Trennverfahrens zum Einsatz kommen. Dadurch kann der
Personaleinsatz weiter verringert werden, da die Behandlung der
Blöcke
bis zum fertig geschliffenen piezoelektrischen Werkstück 2 vollautomatisiert
durchgeführt
werden kann.
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Der
Teilblock 1 weist eine Vielzahl von Kanälen 3 auf, die zwischen
den unzerteilten piezoelektrischen Werkstücken 2 vorgesehen
sind. Beispielsweise sind zwischen den Werkstücken 2A, 2B die
Kanäle 3A, 3B vorgesehen
und zwischen den Werkstücken 2G, 2H sind
die Kanäle 3C, 3D vorgesehen.
Die Kanäle
erstrecken sich dabei von einer Stirnseite 4 des Teilblocks 1 bis
zu einer Stirnseite 5 des Teilblocks 1, die der
Stirnseite 4 abgewandt ist, in einer Längsrichtung 6 der
piezoelektrischen Werkstücke 2. In
diesem Ausführungsbeispiel
sind die Kanäle 3 als Durchgangsbohrungen 3 ausgestaltet.
Die Kanäle 3 sind
dabei senkrecht zu der Längsrichtung 6 der
unzerteilten piezoelektrischen Werkstücke 2 des Teilblocks 1 ausgebildet.
Beim Sintern des Teilblocks 1 weisen die endständigen Werkstücke 2A, 2I drei
Außenflächen auf,
mit denen diese an die umgebende Atmosphäre angrenzen. Eine Abdampfrate
von prozessrelevanten Stoffen, insbesondere Bleioxid, während des
Sinterprozesses ist daher in Bezug auf die piezoelektrischen Werkstücke 2A, 2E erhöht. Die übrigen Werkstücke 2B bis 2H grenzen
nur an zwei Außenflächen an
die umgebende Ofenatmosphäre
an. Dadurch ist die Abdampfrate in Bezug auf die piezoelektrischen
Werkstücke 2B bis 2H verringert.
Allerdings wird durch die Kanäle 3 ein
Ausgleich geschaffen. Hierbei wird durch die Kanäle 3 die Abdampfung von
Bleioxid erhöht
und somit eine Homogenisierung der Abdampfrate über den Teilblock 1 erzielt.
Dadurch kann insbesondere ein Verkrümmung des Teilblocks 1 im
Randbereich, die bei einer ungleichmäßigen Abdampfung auftreten
kann, verhindert oder zumindest verringert werden. Dadurch kann
die Qualität
der gesinterten piezoelektrischen Werkstücke 2 verbessert werden
und eine Ausschussrate weiter verringert werden. Durch die Kanäle 3 wird
sozusagen die freie Oberfläche
erhöht.
Hierbei wird in vorteilhafter Weise auch eine Abdampfung zwischen den
ungeteilten Werkstücken 2A bis 2I erzielt.
Somit findet die Abdampfung von Bleioxid gleichmäßig in einer Längsrichtung 7 und
einer Querrichtung 8 des Teilblocks 1 statt. Dadurch
können
Verhältnisse
geschaffen werden, die einer Einzelsinterung bei voneinander getrennten
Werkstücken 2 entspricht. Durch
den einhergehenden homogenen Masseverlust erhöht sich die Qualität, wobei
gleichzeitig eine Verbiegung der Werkstücke 2 am Rand des
Teilblocks 1 verhindert ist. Durch den gestiegenen Gesamtmasseverlust
sinkt auch der Anteil einer problematischen Sekundärphase in
dem keramischen Material der Werkstücke 2. Beispielsweise
kann der Anteil der Werkstücke 2,
die einen Masseverlust von weniger als 0,85% aufweisen und somit
Ausschuss sind, verringert werden und die Gutausbringung gesteigert
werden. Ferner kann in vorteilhafter Weise ein bestehender Ablauf
für den
Entbinder- und Sinterprozess beibehalten werden, da dieser nicht
an die größere Masse
des Teilblocks 1 angepasst werden muss. Dadurch kann auch
die Prozessdauer beibehalten werden und somit relativ kurz vorgegeben sein.
Somit kann über
die Kanäle 3 in
vorteilhafter Weise erreicht werden, dass die Ofenatmosphäre auch
innerhalb des Teilblocks 1 eine Angriffsfläche auf
die Werkstücke 2 hat.
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Der
Verlauf der Kanäle 3 kann
auch in einer anderen Richtung als in der Querrichtung 8 erfolgen. Insbesondere
können
die Kanäle 3 auch
in der Längsrichtung 6 zwischen
den Werkstücken 2 verlaufen.
Dabei ist auch eine kombinierte Ausgestaltung von Kanälen 3 sowohl
in der Längsrichtung 6 als auch
in der Querrichtung 8 möglich.
Die Ausgestaltung der Kanäle 3 kann
beispielsweise durch Bohren oder Wasserstrahlschneiden erfolgen.
Dabei können die
Kanäle 3 in
den Teilblock 1 eingebracht werden. Möglich ist es auch, dass die
Kanäle 3 bereits
vor dem Zerteilen des ursprünglichen
Blocks in die Teilblöcke 1 ausgebildet
werden.
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2 zeigt
den in 1 dargestellten Teilblock 1 aus der mit II bezeichneten
Blickrichtung bei der Durchführung
eines Verfahrens entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel
sind an einer Außenseite 10 des
Teilblocks 1 zwischen den piezoelektrischen Werkstücken 2 Vertiefungen 11, 11' vorgesehen.
Dabei ist zwischen jeweils zwei benachbarten Werkstücken 2 eine
Vertiefung 11 beziehungsweise 11' vorgesehen, wobei zur Vereinfachung
der Darstellung nur die Vertiefungen 11, 11' gekennzeichnet
sind. Entsprechend sind an einer weiteren Außenseite 11 des Teilblocks 1 Vertiefungen 12, 12' vorgesehen.
Dabei ist zwischen jeweils zwei Werkstücken 2A bis 2I eine
Vertiefung 12, 12' vorgesehen,
wobei nur die Vertiefungen 12, 12' gekennzeichnet sind. Die Vertiefungen 11, 11', 12, 12' werden im Grünzustand
des Teilblocks 1 ausgebildet. Somit befinden sich beispielsweise
zwischen den Werkstücken 2G, 2H die
Vertiefungen 11', 12'. Dadurch ist
eine Verjüngung 13 in Form
eines Stegs 13 zwischen den piezoelektrischen Werkstücken 2G, 2H in
dem Teilblock 1 ausgebildet. Somit kann die Oberfläche des
Teilblocks 1 an den Außenseiten 10, 11 vergrößert werden,
so dass eine Abdampfrate in Bezug auf die Werkstücke 2 vergrößert und
homogenisiert ist. Hierdurch wird eine Verkrümmung oder Verbiegung des Teilblocks 1 im
gesinterten Zustand verhindert oder zumindest verringert. Dadurch
sind die wesentlichen Eigenschaften der Werkstücke 2 homogenisiert,
so dass eine Ausschussrate verringert ist.
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Als
Verfahren für
den Materialabtrag zur Ausgestaltung der Vertiefungen 11, 11', 12, 12' kann beispielsweise
Fräsen,
Schneiden oder Wasserstrahlschneiden zum Einsatz kommen.
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3 zeigt
eine Grünfolie 15,
die mit einer Vielzahl von Innenelektrodenschichten 16, 22 bedruckt
ist. Die Innenelektrodenschichten 22A bis 22I dienen
hierbei für
die piezoelektrischen Werkstücke 2A bis 2I.
Zum Herstellen eines Blocks wird eine Vielzahl solcher Grünfolien 15 aufeinander
geschichtet. Die Grünfolie 15 weist
einen Binder auf, der an definierten Stellen gezielt chemisch oder
thermisch geschwächt
wird. In diesem Ausführungsbeispiel
erfolgt eine Schwächung
an den unterbrochen dargestellten Linien 23, 23', wobei nur
die unterbrochen dargestellten Linien 23, 23' gekennzeichnet
sind. Die chemische oder thermische Schwächung erfolgt dabei so, dass
sich an diesen Stellen 23, 23' beim Entbindern der Binder zersetzt.
Im Bereich der unterbrochen dargestellten Linien 23, 23' besteht dann
eine hohe, offene Porosität.
Dies wirkt quasi als Kanal für
den Abtransport von Spaltprodukten, wenn die unmodifizierten Bereiche
der Folie 15 sich bei höheren
Temperaturen zersetzen. Möglich
ist auch das Aufdrucken einer geeigneten Substanz, die schon bei
niedrigen Entbindertemperaturen exotherm reagiert und den Binder
der Grünfolie 15 thermisch
lokal zersetzt. Die entbinderten Bereiche der Grünfolie 15 wirken dann wieder
als Kanäle
für den
Abtransport von Spaltprodukten, wenn sich der Rest der Grünfolie 15 bei
höheren
Temperaturen zersetzt. Ein besonders vorteilhafter Verfahrensschritt
zum Aufbringen von Substanzen zum Bilden derartiger Ausbrennkanäle kann in
einer Print- oder Jettechnologie erfolgen. Bei solch einer Print-
oder Jettechnologie können
die Substanzen, die ein Zersetzen bei niedrigen Temperaturen begünstigen,
auf die Grünfolie 15 aufgespritzt
werden. Die Print- oder Jettechnologie entspricht einer bei Tintenstrahldruckern
eingesetzten Technologie, mit der zum Bedrucken von Papier Tinte
auf Papier aufgespritzt wird.
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Somit
kann ein gegebenenfalls beim Sintern in Teilblöcken 1 reduzierter
und inhomogener Masseverlust verhindert oder zumindest verringert
werden und eine homogene Bleioxid-Abdampfrate erzielt werden. Hierdurch
reduziert sich die Verkrümmung der
Teilblöcke 1 nach
dem Sintern, da die freie Weglänge
zum Abdampfen von Bleioxid kein Gefälle zu den Enden des jeweiligen
Teilblocks 1 aufweist. Gleichzeitig kann durch die Auslegung
der jeweiligen Maßnahme
beziehungsweise der jeweiligen Maßnahmen sichergestellt werden,
dass der Vorteil beim Sintern in Teilblöcken 1, insbesondere
in riegelförmigen
Teilblöcken 1,
nämlich
die mechanische Abstützung
der Werkstücke 2 innerhalb
des Teilblocks 1, erhalten bleibt.
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4 zeigt
einen Teilblock 1, der aus einem Block 25 abgetrennt
wird, entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Hierbei werden von dem Block 25 mehrere dem Teilblock 1 entsprechende
Teilblöcke
abgetrennt. Ein Teilblock 1 weist in der Querrichtung 8 m
Reihen und in der Längsrichtung
n Spalten auf. In diesem Ausführungsbeispiel
weist der Teilblock 1 m = 6 Reihen und n = 8 Spalten auf.
Somit sind 6 × 8
= 48 Werkstücke 2 in dem
Teilblock 1 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Anzahl
m der Reihen in der Querrichtung 8 des Teilblocks 1 nicht
kleiner als 2, das heißt die
Anzahl m der Reihen ist größer oder
gleich 2. Ferner ist die Anzahl n der Spalten in der Längsrichtung 7 nicht
kleiner als 2, das heißt
die Anzahl n der Spalten ist größer oder
gleich 2. Somit ist die Querschnitts- und damit Aufstandsfläche der
Werkstücke 2 beim
Sintern sowohl in der Querrichtung 8 als auch in der Längsrichtung 7 auf
ein ganzzahliges Vielfaches eines einzelnen Werkstücks 2 erhöht. Dadurch ist
die Verkrümmungs-Neigung
beim Sintern verringert. Dies ist insbesondere bei piezoelektrischen Werkstücken 2 von
Vorteil, die eine geringe Aufstandsfläche beziehungsweise ein ungünstiges
Verhältnis
von Einzelteilhöhe
zu Einzelteilbreite aufweisen, von Vorteil. Ferner besteht gegenüber einem Teilblock 1 mit
einer Breite in der Querrichtung 8 von einem Werkstück 2 der
Vorteil, dass eine Verkrümmung
des Teilblocks 1, insbesondere eine Torsion, oder eine
Verformung durch große
Längsschwingungen
in Kombination mit Reibung an einer Unterlage sowie unterschiedliche
Bedingungen zwischen endständigen
und mittigen Einzelteilen verhindert oder zumindest verringert sind.
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Nach
dem Sintern des Teilblocks 1 erfolgt eine Zerteilung des
Teilblocks 1 durch geeignete Hartbearbeitungsschritte,
vorzugsweise durch Dicing. Das Zerteilen kann allerdings auch durch
ein Wasserstrahlschneidverfahren, Laserstrahlschneidverfahren, Bandschleifen,
Fräsen
oder ähnliche
Verfahren erfolgen.
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5 zeigt
den in 4 dargestellten Teilblock 1 entsprechend
einem fünften
Ausführungsbeispiel.
In diesem Ausführungsbeispiel
weist der Teilblock 1 in der Querrichtung 8 m = 2 Reihen
und in der Längsrichtung 7 n
= 2 Spalten auf. Der in der 4 dargestellte
Block 25 wird in diesem Fall auch in der Längsrichtung 7 unterteilt,
so dass sich Teilblöcke 1 von
2 × 2
unzerteilten piezoelektrischen Werkstücken 2 im Grünzustand
ergeben. Dieses Ausführungsbeispiel
ist ein Beispiel für
einen Teilblock 1, bei dem die Anzahl m der Reihen gleich
der Anzahl n der Spalten ist. Speziell bei dieser Ausgestaltung
mit 2 × 2
Werkstücken
ergibt sich außerdem
der Vorteil, dass die Abdampf rate für jedes Werkstück 2 gleich
groß ist. Allerdings
ist die gesamte Aufstandsfläche
des Teilblocks 1 deutlich größer als die eines einzelnen
piezoelektrischen Werkstücks 2.
Dadurch können
Verkrümmungen
der gesinterten piezoelektrischen Werkstücke 2 verhindert werden.
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6 zeigt
einen schematisch dargestellten Prozessablauf zur Durchführung eines
Verfahrens entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Hierbei ist der Prozessablauf mit Schritten 30 bis 40 dargestellt.
Das Verfahren wird hierbei ausgehend von dem Schritt 30 ausgeführt und
ist bis zu den Schritten 37, 38, 39 und 40 dargestellt.
Allerdings können
noch weitere, nicht dargestellte Schritte vorgesehen sein, die vor
dem Schritt 30, nach den Schritten 37 bis 40 und/oder
als Zwischenschritte ausgeführt
werden.
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Den
Schritten 30 bis 40 sind folgende Schlagworte
zugeordnet:
dem Schritt 30 ”Blockaufbau”;
dem
Schritt 31 ”Trennen
in Teilblöcke/Riegel”;
dem
Schritt 32 ”Entbindern
und Sintern/Durchlaufofen”;
den
Schritten 33 bis 36 jeweils ”Dicing-Trennverfahren” und
den
Schritte 37 bis 40 jeweils ”Schleifen und dergleichen”.
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Im
Schritt 30 wird ein Blockaufbau durch übereinander gelegte Folien
gebildet. Der Blockaufbau kann in beliebiger Größe erfolgen. Hierbei erfolgt ein
Laminieren eines Blocks 25 aus einer Vielzahl von piezoelektrischen
Schichten und einer Vielzahl von zwischen den piezoelektrischen
Schichten angeordneten Elektrodenschichten. Dadurch ist ein Block 25 gebildet,
wie er beispielsweise in der 4 oder der 5 dargestellt
ist.
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Im
darauf folgenden Schritt 31 wird der Block 25 in
Teilblöcke 1 aufgeteilt.
Ferner können
die Teilblöcke 1 noch
auf geeignete Weise bearbeitet werden.
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Im
Schritt 31 können
beispielsweise zwischen den Reihen und/oder den Spalten des Teilblocks 1 Kanäle 3 eingearbeitet
werden. Diese Kanäle 3 können hierbei
als Durchgangsbohrungen ausgestaltet werden. Ferner können die
Kanäle 3 zumindest
näherungsweise
senkrecht zu einer Längsrichtung 8 der
unzerteilten piezoelektrischen Werkstücke 2 des Teilblocks 1 ausgebildet
werden. Hierdurch kann beispielsweise der in der 1 dargestellte Teilblock 1 ausgebildet
werden.
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Zusätzlich oder
alternativ können
an zumindest einer Außenseite 10, 11 des
Teilblocks 1 zwischen den Reihen und/oder den Spalten der
unzerteilten piezoelektrischen Werkstücke 2 Vertiefungen 12, 13 ausgebildet
werden. Hierbei können
die an der Außenseite 10, 11 des
Teilblocks 1 vorgesehenen Vertiefungen 12, 13 in
einer Längsrichtung 6 der
unzerteilten piezoelektrischen Werkstücke 2 des Teilblocks 1 verlaufen.
Hierdurch kann beispielsweise der in der 2 dargestellte
Teilblock 1 ausgebildet werden.
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In
dem in 6 dargestellten Schritt 31 kann somit
ein Prozessschritt gegenüber
einer herkömmlichen
Fertigung geändert
werden. Beim Prozessschritt 31, in dem ein Trennen des
Blocks 25 in Teilblöcke 1 erfolgt,
entfällt
die Vereinzelung in piezoelektrische Werkstücke, die sich auf dieser Stufe
noch im grünen
Zustand befinden.
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Der
darauf folgende Schritt 32 ist ein thermischer Prozessschritt.
Zur Durchführung
dieses thermischen Prozessschritts 32 können einzelne Entbinder- und
Sinteröfen
durch einen kombinierten Entbinder-/Sinter-Durchlaufofen ersetzt
werden. Dadurch vereinfacht sich die Handhabung der Teilblöcke 1. Speziell
ist die Masse der Teilblöcke
nach einem isolierten Entbinderprozess spröde, wodurch die Gefahr von
Beschädigungen
dieser Masse besteht. Durch den kombinierten Prozessschritt 32,
in dem sowohl das Entbindern als auch das Sintern beim Durchlaufen
des Durchlaufofens erfolgt, wird eine solche Beschädigung verhindert,
da nach dem Sintern eine höhere
mechanische Festigkeit erreicht ist. Außerdem wird das Entbindern
und Sintern nicht an einzelnen Werkstücken, sondern an Teilblöcken 1 durchgeführt. Hierdurch
ist unter anderem die Handhabbarkeit verbessert.
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An
den thermischen Prozessschritt 32 schließt sich
dann für
den jeweiligen Teilblock 1 ein Dicing-Verfahren an, welches
es ermöglicht,
die Teilblöcke 1 im
gesinterten Zustand in piezoelektrische Werkstücke 2 (sogenannte
Stacks) zu trennen.
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Je
nach Ausgestaltung des Verfahrens können sich an den im Schritt 32 von
den Teilblöcken 1 durchlaufenen
kombinierten Durchlaufofen eine oder mehrere Dicing-Trennstationen anschließen. In
diesem Ausführungsbeispiel
erfolgt die Trennung der Teilblöcke
entsprechend den Schritten 33 bis 36 an vier parallel
benutzbaren Dicing-Trennstationen.
Beispielsweise kann der erste Teilblock 1 im Schritt 33 aufgeteilt
werden. Der nächste
Teilblock 1, der aus dem Durchlaufofen kommt und für den der
Schritt 32 beendet ist, kann im Schritt 34 dem
Dicing-Trennverfahren unterzogen werden. Die nächsten Teilblöcke können dann
in den Schritten 35 und 36 aufgeteilt werden.
Der folgende fünfte
Teilblock kann wiederum im Schritt 33 bearbeitet werden.
Dadurch ist eine Anpassung der einzelnen Bearbeitungsstufen aneinander
möglich.
Insbesondere kann ein Auslastungsgrad der einzelnen Bearbeitungsstufen
optimiert werden.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
ist für
jeden der Schritt 33 bis 36 jeweils ein nachfolgender
Schritt 37 bis 40 vorgesehen. In den Schritten 37 bis 40 erfolgt
jeweils ein Schleifen und gegebenenfalls eine weitere Bearbeitung
der in den Schritten 33 bis 36 durch Aufteilen
der Teilblöcke 1 gebildeten
und vereinzelten piezoelektrischen Werkstücke 2.
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Die
so gestaltete Prozesskette mit den Schritten 30 bis 40 ermöglicht eine
prozessfähige Herstellung
von Keramiken mit piezoelektrischen Eigenschaften, das heißt piezoelektrische
Werkstücke 2.
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Somit
ist an Hand der Schritte 30 bis 40 eine vorteilhafte
Prozesskette beschrieben. Durch diese können verfahrensbedingte Nachteile
einer Verkrümmung
der Werkstücke 2 beseitig
werden. Damit verbunden kann die für die Funktion des Aktors entscheidende
Herstellbarkeit der Isolationszone verbessert werden. Hierdurch
ist eine Ausschussrate bei der Herstellung verringert
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
