DE102017209927A1 - Method for connecting a first component to a second component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils (1) mit einem zweiten Bauteil (2), wobei das erste Bauteil (1) und das zweite Bauteil (2) aus unterschiedlichen Materialien bestehen, wobei die Materialen der Bauteile vorzugsweise unterschiedlichen Materialklassen angehören, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Fügezone (3) zwischen dem ersten Bauteil (1) und dem zweiten Bauteil (2) ein vermischtes Pulver aus einem ersten und einem zweiten Material eingebracht werden, wobei Partikel des ersten Materials des Pulvers mit einer Partikelgröße von kleiner 1 Mikrometer und Partikel des zweiten Materials des Pulvers mit einer Partikelgröße von kleiner 100nm zur Darstellung des Pulvers bereitgestellt und miteinander vermischt werden und dass das erste und das zweite Bauteil (1, 2) durch Sintern des Pulvers in der Fügezone (3) miteinander verbunden werden.
Description
Stand der TechnikState of the art
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Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbinden eines ersten und eines zweiten Bauteils wird eine einfache und sichere Verbindung von Bauteilen auch aus unterschiedlichen Materialien auf einfache Weise ermöglicht. Hierzu wird in eine Fügezone zwischen den beiden Bauteilen ein vermischtes Pulver aus zwei unterschiedlichen Materialien eingebracht. So weist beispielsweise eine Metall- oder Keramikkomponente dabei eine Partikelgröße von kleiner 100 Nanometern auf. Wird die eingebrachte Pulvermischung in der Fügezone hinreichend erwärmt, so können die beiden unterschiedlichen Bauteile auf einfache Weise miteinander verbunden werden. Denn durch eine Ausgestaltung der eingebrachten Partikel im Nanometerbereich wird ausgenützt, dass je kleiner ein entsprechender Nanopartikel ist, desto niedriger der Schmelzpunkt ist. Durch eine entsprechende Kombination von Nanopartikeln des ersten Materials und von Nanopartikeln eines anderen Materials können somit die Sinter- und Schmelztemperaturen der Materialien verändert und dadurch aufeinander abgestimmt werden. Somit lässt sich das entstandene Pulvergemisch aus unterschiedlichen Materialien bei einer definierten, verringerten Temperatur sintern. Hiermit ist eine Darstellung eines homogenen Materials in der Fügezone möglich, selbst dann, wenn die Sinter- und Schmelztemperaturen der beiden Materialien, die in die Fügezone eingebracht werden, weit auseinander liegen.With the method according to the invention for connecting a first and a second component, a simple and secure connection of components also made of different materials is made possible in a simple manner. For this purpose, a mixed powder of two different materials is introduced into a joining zone between the two components. Thus, for example, a metal or ceramic component has a particle size of less than 100 nanometers. If the introduced powder mixture sufficiently heated in the joining zone, so the two different components can be easily connected to each other. For an embodiment of the introduced particles in the nanometer range makes use of the fact that the smaller a corresponding nanoparticle is, the lower the melting point is. By means of an appropriate combination of nanoparticles of the first material and nanoparticles of another material, the sintering and melting temperatures of the materials can thus be changed and thereby matched to one another. Thus, the resulting powder mixture of different materials can be sintered at a defined, reduced temperature. Hereby a representation of a homogeneous material in the joining zone is possible, even if the sintering and melting temperatures of the two materials, which are introduced into the joining zone, are far apart.
Durch eine geeignete Wahl der Partikelgröße können somit die Schmelzpunkte unterschiedlicher Materialien aneinander angepasst werden. Werden die Partikelgrößen so gewählt, dass die Schmelzpunkte des ersten Materials und des zweiten Materials ähnlich sind, zum Beispiel in einem Temperaturbereich von weniger als 40 Kelvin voneinander abweichen, so können zum Beispiel Metalle und Keramiken, Metalle und Kunststoffe oder Keramiken und Kunststoffe sowie alle drei Materialklassen gleichzeitig bei derselben Temperatur gesintert werden. Insbesondere kann dabei erreicht werden, dass durch eine Ausführung der Metall- oder Keramikpartikel eine Sintertemperatur des Metall- oder Keramikpulvers gegenüber der Sintertemperatur eines massiven Materials stark abgesenkt wird. Hiermit wird erreicht, dass eine Sinterung einer Pulvermischung beispielsweise aus einem Kunststoffpulver und einem Metall- oder Keramikpulver ermöglicht wird, ohne dass es zu einer Zersetzung des beteiligten Kunststoffmaterials kommt.By a suitable choice of the particle size, the melting points of different materials can thus be adapted to each other. If the particle sizes are chosen such that the melting points of the first material and of the second material are similar, for example differing within a temperature range of less than 40 Kelvin, then metals and ceramics, metals and plastics or ceramics and plastics as well as all three Material classes are sintered simultaneously at the same temperature. In particular, it can be achieved that, by performing the metal or ceramic particles, a sintering temperature of the metal or ceramic powder is greatly reduced compared to the sintering temperature of a solid material. This ensures that a sintering of a powder mixture, for example of a plastic powder and a metal or ceramic powder is made possible, without causing a decomposition of the plastic material involved.
Unter einer Materialklasse soll in der vorliegenden Anmeldung ein Oberbegriff verschiedener Materialien verstanden werden. Insbesondere sind unterschiedliche Materialklassen im Verständnis der vorliegenden Erfindung Metalle, Kunststoffe oder Keramiken. Unter dem Begriff Metalle sollen hierbei sowohl Metalllegierungen verstanden werden als auch reine Metalle.A class of materials in the present application is to be understood as a generic term for various materials. In particular, different classes of materials in the understanding of the present invention metals, plastics or ceramics. The term metals is to be understood as meaning both metal alloys and pure metals.
So ist es vorteilhaft möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Bauteile aus unterschiedlichen Materialien zu verbinden, insbesondere wenn die Materialien unterschiedlichen Materialklassen angehören. Die Zusammensetzung des Pulvers kann dann vorteilhaft so gewählt werden, dass sowohl eine gute stoffschlüssige Verbindung mit dem Material des ersten Bauteils, als auch mit dem Material des zweiten Bauteils nach dem Sintern ermöglicht wird.Thus, it is advantageously possible to connect components of different materials with the method according to the invention, in particular if the materials belong to different material classes. The composition of the powder can then be advantageously chosen so that both a good cohesive connection with the material of the first component, as well as with the material of the second component is made possible after sintering.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further advantages emerge from the dependent claims.
Eine besonders gute stoffschlüssige Verbindung zwischen der Fügezone und den beiden Bauteilen wird dann erreicht, wenn das erste Bauteil das erste Material aufweist oder daraus besteht und/oder wenn das zweite Bauteil das zweite Material aufweist oder daraus besteht, da hierbei eine Verbindung zwischen der Fügezone und den beiden Bauteilen in der Regel erleichtert wird.A particularly good cohesive connection between the joining zone and the two components is achieved when the first component comprises or consists of the first material and / or if the second component comprises the second material or consists thereof, since in this case a connection between the joining zone and the two components is usually facilitated.
So ist es vorteilhaft zwei Bauteile miteinander zu verbinden, wobei ein Bauteil der Materialklasse Kunststoff und das andere Bauteil der Materialklasse Metall oder Keramik zugeordnet ist. In diesem Fall ist vorzugsweise in der Pulvermischung aus dem ersten und dem zweiten Material jeweils ein Material beider Materialklassen vorhanden. Hierdurch wird nach der Sinterung in der Fügezone eine stoffschlüssige Verbindung der Fügezone sowohl mit dem einen, als auch mit dem anderen Bauteil erleichtert.Thus, it is advantageous to connect two components together, wherein one component of the material class plastic and the other component of the material class metal or ceramic is assigned. In this case, a material of both material classes is preferably present in the powder mixture of the first and the second material. As a result, after the sintering in the joining zone, a cohesive connection of the joining zone with both the one and the other component is facilitated.
Aufgrund der besonders starken Absenkung einer Schmelztemperatur einerseits und der besseren Verteilung des Materials andererseits wird bei einer Partikelgröße des zweiten Materials von weniger als zehn Nanometern ein besonders gutes Verbindungsergebnis erreicht. Insbesondere kann bei einer derart kleinen Partikelausführung eine Sinterung schon in der Größenordnung einer Raumtemperatur oder bei einer geringen Erhöhung über die Raumtemperatur auf bis 50 Grad Celsius erreicht werden. Due to the particularly strong reduction of a melting temperature on the one hand and the better distribution of the material on the other hand, a particularly good connection result is achieved with a particle size of the second material of less than ten nanometers. In particular, with such a small particle design, sintering can already be achieved in the order of magnitude of a room temperature or at a slight increase above room temperature to 50 degrees Celsius.
Unter einer Partikelgröße soll im vorliegenden Fall ein Durchmesser eines Partikels verstanden werden. Hierbei kann ein Partikel auch eine durchaus unsymmetrische Form aufweisen.A particle size should be understood in the present case to mean a diameter of a particle. In this case, a particle can also have a thoroughly asymmetrical shape.
Um eine Oxidation der beteiligten Materialien zu verhindern, ist es vorteilhaft, ein Sintern unter einem Schutzgas oder im Vakuum durchzuführen, um Sauerstoff von der Fügezone während des Sintervorgangs fernzuhalten.In order to prevent oxidation of the materials involved, it is advantageous to carry out sintering under a protective gas or in a vacuum in order to keep oxygen away from the joining zone during the sintering process.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das erste Material des Pulvers ein Thermoplast ist, da diese Materialien bei entsprechenden Temperaturen fließfähig sind und eine gute Durchmischung in der Fügezone ermöglichen. Ebenso sind aber auch andere Kunststoffkategorien denkbar, beispielsweise Duroplasten, welche häufig eine verhältnismäßig hohe Zersetzungstemperatur aufweisen.Furthermore, it is advantageous that the first material of the powder is a thermoplastic, since these materials are flowable at appropriate temperatures and allow thorough mixing in the joining zone. Likewise, however, other types of plastic are conceivable, for example thermosets, which often have a relatively high decomposition temperature.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass als zweites Material des Pulvers Silber, Kupfer, Nickel oder eine Legierung hiervon verwendet wird. Diese Materialien sind leicht zu verarbeiten, verhältnismäßig unempfindlich und erreichen bei einer entsprechenden Pulverisierung verhältnismäßig niedrige Sintertemperaturen. Generell lässt sich der Ansatz aber auch auf zahlreiche andere Metalle und Metalllegierungen anwenden.Furthermore, it is advantageous that the second material of the powder used is silver, copper, nickel or an alloy thereof. These materials are easy to process, relatively insensitive, and achieve relatively low sintering temperatures with appropriate pulverization. In general, however, the approach can also be applied to numerous other metals and metal alloys.
Um eine gute stoffschlüssige Verbindung zu gewährleisten, ist es ferner vorteilhaft, dass keines der beiden Materialien einen Volumenanteil von weniger als 20 % annimmt.In order to ensure a good cohesive connection, it is also advantageous that neither of the two materials assumes a volume fraction of less than 20%.
Ferner ist es vorteilhaft, in die Mischung vor Einbringung in die Fügezone wenigstens ein Additiv zuzufügen, dass zum Schutz vor Oxidation bzw. zur Verringerung der Sintertemperatur dienen kann.Furthermore, it is advantageous to add at least one additive into the mixture before introduction into the joining zone, which can serve to protect against oxidation or for reducing the sintering temperature.
Um eine stoffschlüssige Verbindung zu vereinfachen, wird die Mischung mit oder nach Einbringen in die Fügezone vorteilhaft verdichtet, so dass ein besserer Stoffkontakt zu einer Oberfläche der beiden Bauteile ermöglicht wird.In order to simplify a cohesive connection, the mixture is advantageously compacted with or after introduction into the joining zone, so that a better material contact with a surface of the two components is made possible.
Figurenlistelist of figures
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Erfindung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the drawing and explained in more detail in the following invention.
Es zeigen:
-
1 ein Beispiel einer Verbindung eines ersten mit einem zweiten Bauteil, -
2 eine Verwendung einer erfindungsgemäß hergestellten Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil am Beispiel eines elektrischen Geräts.
-
1 an example of a connection of a first component with a second component, -
2 a use of a compound according to the invention between a first and a second component using the example of an electrical device.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden eines ersten mit einem zweiten Bauteil kann für unterschiedliche Anwendungsbereiche eingesetzt werden. Insbesondere sind Beispiele vorteilhaft, bei denen ein Kunststoffmaterial mit einem Metallmaterial oder einem Keramikmaterial verbunden wird. Das Kunststoffmaterial dient hierbei einerseits als elektrischer Isolator und/oder als Abdichtung. Das Metallmaterial dient dem Führen von Wärme und/oder von elektrischem Strom. So ist es vorteilhaft, für ein in Kunststoff gefasstes Steuergerät, eine Verbindung zwischen einem Metall-Kühlkörper und einem Kunststoffgehäuse mit dem erfindungsgemäßen Verfahren darzustellen. Ferner ist das Verfahren vorteilhaft zur Darstellung einer Steckerverbindung, bei der eine elektrische Leitung durch ein Metallmaterial ausgebildet ist, während ein das Metallmaterial umgebende Kunststoffmaterial einer Abdichtung dient, so dass in das Gehäuse, aus dem der Stecker herausführt, ein Fluid nicht eindringen kann.The inventive method for connecting a first with a second component can be used for different applications. In particular, examples are advantageous in which a plastic material is bonded to a metal material or a ceramic material. The plastic material serves on the one hand as an electrical insulator and / or as a seal. The metal material is used to carry heat and / or electricity. Thus, it is advantageous to represent a connection between a metal heat sink and a plastic housing with a process according to the invention for a control unit that is made of plastic. Furthermore, the method is advantageous for illustrating a plug connection in which an electrical line is formed by a metal material, while a plastic material surrounding the metal material serves as a seal, so that a fluid can not penetrate into the housing from which the plug leads out.
Das erste und das zweite Material, die als Pulver in die Fügezone eingebracht werden, werden bevorzugt in Abhängigkeit von dem Material des ersten und des zweiten Bauteils gewählt. In einer Ausführungsform sind die Materialien der Fügezone in dem ersten bzw. dem zweiten Bauteil jeweils enthalten.The first and second materials introduced into the joining zone as powders are preferably selected depending on the material of the first and second components. In one embodiment, the materials of the joining zone are respectively contained in the first and the second component.
Bei Metallen sind Metalle auszuwählen, bei der Nanopartikel in entsprechender Größe dargestellt werden können. Hierzu eignen sich die folgenden Metalle:
- Aluminium, Kupfer, Titan, Silber, Eisen bzw. Stähle.
Ferner sind auch Metalle der Klasse Zinn, Zink, Kobalt und Chrom möglich. Außerdem eignen sich die Refraktärmetalle Molybdän, Tantal oder Wolfram sowie die Edelmetalle Gold, Platin und Palladium.For metals, metals are to be selected in which nanoparticles can be displayed in appropriate size. For this purpose, the following metals are suitable:
- Aluminum, copper, titanium, silver, iron or steels.
Furthermore, metals of the class tin, zinc, cobalt and chromium are possible. In addition, the refractory metals molybdenum, tantalum or tungsten and the precious metals gold, platinum and palladium are suitable.
Bei Kunststoffen eignen sich vor allem Thermoplaste, hierbei sind typische Materialien Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polyamide (PA46, PA6, PA66), Polystyrol (PS), Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT), Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE)Thermoplastics are especially suitable for plastics, which are typical materials Polyetheretherketone (PEEK), Polyphenylene sulphide (PPS), Polyamides (PA46, PA6, PA66), Polystyrene (PS), Polyethylene terephthalate (PET), Polybutylene terephthalate (PBT), Polypropylene (PP) and Polyethylene (PE)
Auch Keramiken sind geeignet, hierbei muss jedoch eine recht kleine Partikelgröße gewählt werden, da die Sintertemperaturen im Regelfall recht hoch liegen. Grundsätzlich eigen sich Keramiken wie Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrit, Zirkonoxid und Yttriumoxid.Even ceramics are suitable, but here a fairly small particle size must be chosen, since the sintering temperatures are usually quite high. In principle, ceramics such as silicon carbide, aluminum oxide, silicon nitrite, zirconium oxide and yttrium oxide are suitable.
Bei den Kunststoffmaterialien ist im Regelfall die Sintertemperatur problemlos zu erreichen. Problematisch ist im Regelfall lediglich die Sintertemperatur des zweiten Materials. Insofern ist es auch nicht notwendigerweise erforderlich, dass die Kunststoffmaterialien entsprechend dem zweiten Material pulverisiert sind. Es ist ausreichend, dass die Kunststoffmaterialien eine derart kleine Partikelgröße aufweisen, dass eine ausreichende Durchmischung der unterschiedlichen Materialien in der Pulvermischung ermöglicht wird. Hierzu weisen die Kunststoffpartikel bevorzugt eine Größe von kleiner zehn Mikrometer auf. In einer anderen Ausführungsform ist es allerdings auch möglich, dass die Kunststoffmaterialien eine gleiche Partikelgröße wie das zweite Material aufweisen.As a rule, the sintering temperature of plastic materials can be easily achieved. As a rule, only the sintering temperature of the second material is problematic. As such, it is not necessarily required that the plastic materials be pulverized according to the second material. It is sufficient that the plastic materials have such a small particle size that a sufficient mixing of the different materials in the powder mixture is made possible. For this purpose, the plastic particles preferably have a size of less than 10 micrometers. In another embodiment, however, it is also possible that the plastic materials have the same particle size as the second material.
Um den Aufwand für eine Darstellung eines Pulvers begrenzt zu halten, wird vorzugsweise eine Mindestpartikelgröße von 2 Nanometern eingehalten. Kleinere Partikel sind durchaus zulässig, eine kleinere Korngröße als 2 Nanometer ist jedoch im Regelfall für eine sinnvolle Anwendung nicht erforderlich.In order to keep the effort for a representation of a powder limited, preferably a minimum particle size of 2 nanometers is maintained. Smaller particles are quite permissible, but a smaller particle size than 2 nanometers is usually not required for a sensible application.
Folgende Materialpaarungen sind insbesondere möglich:
- • Silbernanopulver mit einer Partikelgröße von 20 Nanometern gemischt mit einem PBT-Pulver. Hierbei ist eine Sinterung bei einer Temperatur von 250 Grad Celsius möglich.
- • Kupfernanopulver mit einer
Partikelgröße von 5 Nanometern zusammen mit einem PPS-Pulver. Hierbei ist eine Sinterung bei einer Temperatur von 300 Grad Celsius möglich. - • Nickelnanopulver mit einer Partikelgröße von 15 Nanometern und PEEK. Eine Sinterung ist hierbei bei einer Temperatur von 400 Grad Celsius möglich.
- • Silver nanopowder with a particle size of 20 nanometers mixed with a PBT powder. This sintering at a temperature of 250 degrees Celsius is possible.
- • Copper nanopowder with a particle size of 5 nanometers together with a PPS powder. This sintering at a temperature of 300 degrees Celsius is possible.
- Nickel nanopowder with a particle size of 15 nanometers and PEEK. Sintering is possible at a temperature of 400 degrees Celsius.
Je nach einem verwendeten Material und abhängig von der Sintertemperatur ist es in einer Ausführungsform möglich, die Sinterung unter Schutzgas oder im Vakuum durchzuführen, um einen Kontakt der Mischung mit Sauerstoff während des Sintervorgangs auszuschließen. Eine Verwendung von Schutzgas ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn als Material Eisen verwendet wird, da bei Eisen eine Selbstentzündung bei Kontakt mit Sauerstoff möglich ist.Depending on a material used and depending on the sintering temperature, it is possible in one embodiment to carry out the sintering under protective gas or in a vacuum in order to preclude contact of the mixture with oxygen during the sintering process. A use of inert gas is particularly advantageous if iron is used as the material, since in iron self-ignition when in contact with oxygen is possible.
Eine Sinterung kann in einem Ofen erfolgen. Ferner ist es auch möglich, die Fügezone mit einem Laserstrahl zu erwärmen. In einer anderen Ausführungsform ist auch eine induktive Erwärmung möglich, wenn das zweite Material ein Metallmaterial ist. In einer anderen Ausführungsform ist es auch möglich, eine Sinterung während eines Spritzguss-Prozesses durchzuführen.A sintering can be done in an oven. Furthermore, it is also possible to heat the joining zone with a laser beam. In another embodiment, inductive heating is also possible if the second material is a metal material. In another embodiment, it is also possible to perform a sintering during an injection molding process.
In der
In der
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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|---|---|---|---|---|
| DE102019134595A1 (en) * | 2019-12-16 | 2021-06-17 | Endress+Hauser SE+Co. KG | Joining of two components of a field device in process and automation technology |
Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| DE102012222685A1 (en) | 2012-12-11 | 2014-06-12 | Robert Bosch Gmbh | Component composite and its use |
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2017
- 2017-06-13 DE DE102017209927.5A patent/DE102017209927A1/en active Pending
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