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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Brennhilfsmittel für Bauteile, insbesondere riegelförmige Bauteile, die einem Sinterprozess unterworfen sind, und ein Verfahren zum Sintern von solchen Bauteilen. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Sinterverfahren, die im Rahmen der Herstellung von piezoelektrischen Aktoren zum Einsatz kommen.
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Aus der
DE 100 62 672 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements, insbesondere eines piezoelektrischen Bauelements in Vielschichtbauweise aus einem Stapel von Keramikschichten und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten, bekannt. Hierbei wird zunächst ein Stapel von einem Binder enthaltenden keramischen Grünfolien und Elektrodenschichten durch Stapeln und anschließendes Laminieren der Grünfolien und Elektrodenschichten hergestellt. Dann wird der Stapel entbindert. Außerdem ist es bekannt, dass gewisse Zusätze die Bildung von Kationenleerstellen auf Blei-Plätzen der Kristallstruktur induzieren, dabei aber vor allem bei nicht hinreichendem Sauerstoffpartialdruck zugleich die Tendenz erhöhen, als Donatoren zu wirken, was zur Erniedrigung des Isolationswiderstandes und einem Anstieg der dielektrischen Verluste führen kann. Dadurch kann die Empfindlichkeit der Keramik gegenüber Reduktion erhöht werden. Zugleich stabilisieren diese die tetragonale Phase und die Kinetik der Ausrichtung der Domänen in Feldrichtung bei der Polung wird gefördert, das heißt, dass das für den Anwendungszweck angestrebte elektromechanische Eigenschaftsverhalten einer sogenannten weichen Piezokeramik durch derartige Zusätze günstig beeinflusst wird. Zur Förderung der Sinterverdichtung und um Verdampfungsverluste an Bleioxid aus der Keramik zu unterbinden, kann ein geringer Bleioxid-Überschuss bei der Einwaagezusammensetzung berücksichtigt werden.
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Beim Sintern der Bauteile, beispielsweise in einem Durchlaufofen, ist es denkbar, dass die Prozessluft von einer oder mehreren Seiten auf eine Charge mit solchen Bauteilen geleitet wird. Hierbei ergibt sich das Problem, dass an weiter innenliegenden Positionen der Charge andere Verhältnisse herrschen können als am Rand. Speziell kann dies zu Eigenschaftsstreuungen bei den einzelnen Bauteile führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Brennhilfsmittel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Verfahren zum Sintern von Bauteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 10 haben den Vorteil, dass das Sintern der Bauteile verbessert ist. Speziell können beim Sintern auftretende Eigenschaftsstreuungen verringert werden und somit kann gegebenenfalls ein Bauteilausschuss reduziert werden.
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Das Brennhilfsmittel dient zum Sintern von Bauteilen. Die Bauteile sind hierbei nicht Teil des Brennhilfsmittels. Insbesondere kann das Brennhilfsmittel merfach zum Sintern von Bauteilen zum Einsatz kommen. Vorteilheift ist hierbei ein möglicher modularer Aufbau, der den köstengunstigen Ersatz von einzelnen, gegebenenfalls unbrauchbaren, insbesondere beschädigten, Elementen des Brennhilfsmittels ermöglicht.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Brennhilfsmittels und des im Anspruch 10 angegebenen Verfahrens möglich.
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Die Bauteile können auf einem keramischen Material auf der Basis von Bleizirkonattitanat (PZT) ausgebildet sein. Dem Sinterprozess werden hierbei vorzugsweise riegelförmige Bauteile unterworfen. Solche Riegel können nach dem Sintern auf einzelne Bauteile aufgeteilt, das heißt vereinzelt, werden. Hierdurch können in einem riegelförmigen Bauteil beispielsweise mehrere Piezoaktoren enthalten und somit gemeinsam gesintert werden. Beim Zuführen der Gasströmung, insbesondere einer Prozessluft, an die zu sinternden riegelförmigen Bauteile kann durch das Schutzelement ein direktes Anströmen der zugeordneten Seite des Bauteils vermieden werden. Hierdurch kann das Sinterverfahren vergleichmäßigt werden. Beispielsweise kann beim Sintern eines riegelförmigen Bauteils eine Eigenschaftsstreuung zwischen den Riegelrandteilen und den in Richtung Riegelmitte folgenden Teilen verringert werden.
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Vorteilhaft ist es, dass ein Chargenträger vorgesehen ist und dass das Schutzelement an der Seite des Bauteils an einer vorgegebenen Randposition auf den Chargenträger stellbar ist. Hierdurch kann der Gasstrom zwar seitlich an dem Bauteil vorbeiströmen, trifft aber nicht direkt auf die der Strömung zugewandte Seite des Bauteils.
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Das Schutzelement ist in vorteilhafter Weise aus einem gesinterten Werkstoff gebildet. Hierdurch wird ein Ausgasen von Bestandteilen des Schutzelements vermieden. Allerdings kann das Schutzelement auch im ungesinterten, sogenannten brauen Zustand, zum Einsatz kommen und dann als gesintertes Schutzelement mehrfach verwendet werden. Das Schutzelement ist an die Höhe und Breite der Seite des Bauteils, an der das Schutzelement angeordnet wird, angepasst.
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Vorteilhaft ist es auch, dass ein weiteres Schutzelement für das Bauteil vorgesehen ist und dass das weitere Schutzelement an einer von der Seite des Bauteils, an der das eine Schutzelement angeordnet ist, abgewandten weiteren Seite anordenbar ist beziehungsweise angeordnet wird. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass das weitere Schutzelement an der weiteren Seite des Bauteils an einer vorgegebenen weiteren Randposition auf den Chargenträger stellbar ist. Hierdurch können die Bauteile bei aufeinander zu gerichteten Gasströmen mit Prozessluft, die beispielsweise in dem Durchlaufofen jeweils horizontal auf die durchlaufenden Brennhilfsmittel mit den davon aufgenommenen Bauteilen gerichtet sind, beidseitig geschützt werden. Wenn auf den Chargenträger mehrere riegelförmige Bauteile aufgestellt sind, dann werden vorzugsweise für jedes riegelförmige Bauteil beidseitig je ein Schutzelement auf den Chargenträger aufgebracht, so dass die beidseitig auf die Bauteile gerichteten, vorzugsweise horizontalen Gasströmungen entlang der Längsseiten der riegelförmigen Bauteile strömen, aber nicht auf die den Strömungen entgegen gerichteten Stirnseiten trifft.
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Bei der Durchführung des Verfahrens ist es auch möglich, dass die Prozessluft auf einer Seite durch Bohrungen strömt und anschließend auf die vor die Bauteile gestellten Schutzelemente trifft und außerdem zwischen den Schutzelementen, den Bauteilen und Ballastplatten hindurchströmt. Auf der anderen Seite strömt die Prozessluft beispielsweise über Gasauslassrohre, die vertikal in der Decke angebracht sind. Somit kann vermieden werden, dass die Riegelenden nennenswerten Strömungsgeschwindigkeiten ausgesetzt sind, während zur Riegelmitte hin das strömende Volumen immer geringer wird. Somit können Eigenschaftsgradienten verringert werden und somit Eigenschaftsstreuungen reduziert und die Gutausbringung verbessert werden.
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Vorteilhaft ist es auch, dass die Schutzelemente lösbar mit dem Chargenträger verbunden sind. Hierdurch kann beim Durchlauf einer Charge durch den Durchlaufofen das gesamte Brennhilfsmittel neu mit zu sinternden Bauelementen bestückt werden. Dies vereinfacht die Massenherstellung.
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Vorteilhaft ist es auch, dass zumindest eine Eingangsseite vorgesehen ist, von der aus eine Gasströmung in das Brennhilfsmittel und horizontal zwischen den aufgenommenen Bauteilen hindurch führbar ist und dass entgegen der Gasströmung vor jedem Bauteil ein Schutzelement angeordnet ist, das die entgegen der Strömung gerichtete Seite des jeweiligen Bauteils verdeckt. Hierbei können die Bauteile oben mit einer Abdeckplatte abgedeckt sein. Ferner sind Ballastplatten vorgesehen, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Ballastplatten ein riegelförmiges Bauteil angeordnet ist. Hierdurch wird ein gleichmäßiges, vorzugsweise horizontales, Durchströmen des Brennhilfsmittels mit den darin angeordneten Bauteilen ermöglicht. Hierdurch ergibt sich eine gleichmäßige Sinterung der Bauteile und somit eine geringe Eigenschaftsstreuung.
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Vorteilhaft ist es auch, dass eine entgegen der einen Gasströmung gerichtete weitere Gasströmung auf die Bauteile gerichtet wird und dass eine weitere Seite der Bauteile, die entgegen der weiteren Gasströmung gerichtet ist, jeweils von einem weiteren Schutzelement verdeckt wird. Hierdurch ist ein beidseitiges Anströmen der geschützten Bauteile, insbesondere riegelförmigen Bauteile, möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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 Brennhilfsmittel in einer schematischen, räumlichen Darstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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2 ein Brennhilfsmittel mit Bauteilen während einem Zusammenbau aus der in 1 mit II bezeichneten Blickrichtung entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt Brennhilfsmittel 1, 2 zur Durchführung eines Verfahrens zum Sintern von Bauteilen 61 bis 69. Die Ausgestaltung des Brennhilfsmittels 1 des Ausführungsbeispiels ist im Folgenden auch anhand der 2 beschrieben. 2 zeigt das Brennhilfsmittel 1 mit den Bauteilen 61 bis 69 während des Zusammenbaus aus der in 1 mit II bezeichneten Blickrichtung. Die Bauteile 61 bis 69 sind an dem Brennhilfsmittel 1 angeordnet, wie es in 2 gezeigt ist. An dem Brennhilfsmittel 2 sind in entsprechender Weise weitere Bauteile angeordnet. Das Brennhilfsmittel 1 weist äußere Ballastplatten 11, 12 und innere Ballastplatten 3 bis 10 auf, zwischen denen die Bauteile 61 bis 69 angeordnet sind. Die Bauteile 61 bis 69 und die Ballastplatten 3 bis 12 sind auf einen Chargenträger 13 des Brennhilfsmittels 1 gestellt. Zwischen jeweils zwei benachbarten Ballastplatten 3 bis 12 ist hierbei jeweils genau ein Bauteil 61 bis 69 gestellt. Beispielsweise ist zwischen den Ballastplatten 3, 12 im zusammengebauten Zustand des Brennhilfsmittels 1 das riegelförmige Bauteil 61 angeordnet. Der Chargenträger 13 weist hierbei Schlitze 70 bis 79 auf, in die entsprechend ausgestaltete Stege der Ballastplatten 3 bis 12 eingreifen, um die Ballastplatten an dem Chargenträger 13 zu fixieren und gegen Umfallen zu sichern. Die riegelförmigen Bauteile 61 bis 69 sind dann wiederrum durch die fixierten Ballastplatten 3 bis 12 am Umfallen gehindert, denn die riegelförmigen Bauteile 61 bis 69 können im ungünstigsten Fall höchstens soweit kippen, bis sie an der jeweils benachbarten Ballastplatte 3 bis 12 anstoßen. Somit kann das Umkippen eines der Bauteile 61 bis 69, falls es überhaupt möglich ist, auch nicht zu einem Umfallen eines weiteren der Bauteile 61 bis 69 führen, da die Bauteile 61 bis 69 voneinander getrennt sind und ein umfallendes Bauteil kein weiteres Bauteil anstoßen kann.
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Ferner weist auch das Brennhilfsmittel 2 einen Chargenträger 14 auf, auf die eine Ballastplatte 15, weitere Ballastplatten und zwischen den Ballastplatten weitere Bauteile gestellt sind. Die beiden Chargenträger 13, 14 der Brennhilfsmittel 1, 2 sind auf einen Träger 16 gestellt, der kontinuierlich befördert wird. Bei dem Träger 16 kann es sich um eine Schubplatte 16 handeln. In einem kontinuierlichen Ofen, insbesondere einem Durchlaufofen, kann beispielsweise aus den Richtungen 17, 18 Prozessgas zu den Bauteilen 3 bis 10 geführt werden.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind die Bauteile 3 bis 10 mit einer Abdeckplatte 19 des Brennhilfsmittels 1 von oben abgedeckt. Ferner weist auch das Brennhilfsmittel 2 eine Abdeckplatte 20 auf. Hierbei weisen die äußeren Ballastplatten 11, 12 Stege 85, 86 auf, die durch in der Abdeckplatte 19 ausgebildete Schlitze hindurchgreifen, so dass ein stabiler Aufbau gewährleistet ist.
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Wenn eine Gasströmung in der Richtung 17 strömt, dann wird diese entlang der Längsseiten der Bauteile 3 bis 10 durch die Brennhilfsmittel 1, 2 geführt. Außerdem weist das Brennhilfsmittel 1 Schutzelemente 21, 53 bis 60 auf, die in der Richtung 17 betrachtet vor den Bauteilen 61 bis 69 stehen. Die Bauteile 61 bis 69 sind als riegelförmige Bauteile 61 bis 69 ausgestaltet. Dadurch wird ein direktes Anströmen der Bauteile 61 bis 69 aus der Richtung 17 verhindert. Dadurch kann eine gleichmäßige Sinterung der Bauteile 61 bis 69 erzielt werden.
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Wie in 2 gezeigt, sind an dem Chargenträger 13 mehrere Schlitze 70 bis 79 vorgesehen. Das Bauteil 61 wird zwischen den Schlitzen 70, 71 beziehungsweise den an den Schlitzen 70, 71 fixierten Ballastplatten 3, 12 auf den Chargenträger 30 gestellt. Das Bauteil 61 ist hierbei als riegelförmiges Bauteil 61 ausgestaltet, wobei eine Längsseite 31 des Bauteils 61 dem Schlitz 70 beziehungsweise der Ballastplatte 12 und die andere Längsseite 32 des Bauteils 61 dem Schlitz 71 beziehungsweise der Ballastplatte 3 zugewandt ist. Ferner weist das Bauteil 61 Seiten 33, 34 auf, die auf Grund der riegelförmigen Ausgestaltung Stirnseiten 33, 34 des Bauteils 61 sind. Vor der Stirnseite 33 des Bauteils 61 ist das Schutzelement 21 des Brennhilfsmittels 1 angeordnet. Hierbei kann das Schutzelement 21 mit dem Chargenträger 13 verbunden sein. Ferner ist vor der Stirnseite 34 ein weiteres Schutzelement 35 angeordnet. Somit besteht auch ein Schutz, wenn aus der Richtung 18 erhöhte Anströmungen auftreten.
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An den Schlitzen 70 bis 79 sind im montierten Zustand die inneren Ballastplatten 3 bis 10 und die äußeren Ballastplatten 11, 12 fixiert. Außerdem liegt auf den Ballastplatten 3 bis 12 dann die Abdeckplatte 19 auf. Somit befinden sich die riegelförmigen Bauteile 61 bis 69 dann innerhalb des Brennhilfsmittels 1. Daher sind die Bauteile 61 bis 69 in der räumlichen Darstellung der 1 durch die Elemente des Brennhilfsmittels 1 zeichnerisch verdeckt und in der Zeichnung nicht sichtbar.
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Bei der Durchführung des Verfahrens zum Sintern der Bauteile 61 bis 69 strömt das Prozessgas deshalb entlang der Längsseiten 31, 32 des Bauteils 61, während die exponierten Stirnseiten 33, 34 durch die Schutzelemente 21, 35 vor einem direkten Anströmen geschützt sind. Entsprechendes gilt für die anderen Bauteile 62 bis 69.
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Der Chargenträger 13 weist Randstreifen 36, 37 auf. Das Schutzelement 21 ist auf einer Randposition 38 des Randstreifens 36 angeordnet. Ferner ist das Schutzelement 35 auf einer Randposition 39 des Randstreifens 37 angeordnet. Über dem Randstreifen 36 des Chargenträgers 13 gelangt das Prozessgas aus der Richtung 17 in das Brennhilfsmittel 1 zwischen die Bauteile 61 bis 69 und die Ballastplatten 3 bis 12. Für das Brennhilfsmittel 2 wird das Prozessgas aus der Richtung 18 zugeführt. Dann strömt das Prozessgas zwischen den beiden Brennhilfsmitteln 1, 2 ab. Durch Anordnung der Schutzelemente 21, 53 bis 60 in dem Randstreifen 36 auf entsprechenden Randpositionen 38 ist somit ein Schutz aller Bauteile 61 bis 69 gegenüber direkter Anströmung mit dem Prozessgas gewährleistet. Entsprechendes gilt für die auf dem Randstreifen 37 in entsprechenden Positionen 39 angeordneten Schutzelemente 35, 45 bis 52. Speziell ist es möglich, dass jedes der Bauteile 61 bis 69 beidseitig von jeweils einem Schutzelement 21, 35, 45 bis 60 geschützt ist, das vor der jeweiligen Stirnseite 33, 34 angeordnet ist.
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Die Schutzelemente 21, 35, 45 bis 60 können als gesinterte Opferteile ausgestaltet sein. Die Schutzelemente 21, 35, 45 bis 60 können auch mehrfach verwendet werden. Die Größe des Schutzelements 21 ist so gewählt, dass die gesamte Seite 33 des Bauteils 61 aus der Richtung 17 gesehen verdeckt ist. Insbesondere können die Höhe und Breite des Schutzelements 21 so gewählt sein, dass diese der Höhe und Breite der Stirnseite 33 des Bauteils 61 entsprechen. Die Höhe und/oder Breite des Schutzelements 21 können auch größer sein. Entsprechendes gilt für die anderen Schutzelemente 22, 35, 45 bis 60 beziehungsweise die Bauteile 62 bis 69.
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Somit kann eine Homogenisierung der Werkstoffeigenschaften der gesinterten Bauteile 61 bis 69 erreicht werden. Hiermit ist eine höhere Gutausbringungsquote möglich. Speziell kann das Verfahren bei kontinuierlich betriebenen Sinteröfen zum Einsatz kommen. Entsprechend können die Brennhilfsmittel 1, 2 in solch kontinuierlich betriebenen Sinteröfen eingesetzt werden, indem eine entsprechende Anzahl an Brennhilfsmitteln 1, 2 kontinuierlich mit Bauteilen bestückt wird und den Ofen durchläuft.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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