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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokal definierten Ausbildung von Funktionsschichten auf der Oberfläche einer Innenwand eines hohlzylindrischen Substrates.
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Für Sensoranwendungen oder Elektronik-Anwendungen für raue Umgebungsbedingungen besteht stetig zunehmender Bedarf nach geometrisch dreidimensional geformten keramischen Bauelementen, die mit strukturierten funktionalen Schichten versehen sind. Das können im einfachsten Fall elektrische Leiterbahnen aber auch sensoraktive Schichten sein. Derzeit stehen für ebene Substrate entsprechend der Zielapplikation angepasste Technologien zur Verfügung. In den letzten 10 Jahren wurden darüber hinaus Techniken weiterentwickelt, die es gestatten, unter Verwendung von Digitaldrucktechniken dreidimensional geformte Oberflächen zu beschichten. Hierbei sind insbesondere die Außenwand von keramischen Rohren sowie im eingeschränkten Umfang auch Freiformoberflächen zu nennen.
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Ein Verfahren zur strukturierten Abscheidung von Schichten auf der Innenwand von gebrannten keramischen Rohren ist bisher technisch nicht bekannt oder Gerätetechnisch verfügbar.
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Das flächige Beschichten der Innenwandungen von Rohren ist als Stand der Technik einzuschätzen und wird industriell großtechnisch eingesetzt. Typische Rohrdurchmesser liegen im Bereich von 100 mm oder größer. Beschichtungsverfahren sind z.B. das Lackieren mit Spritzlanzen sowie Beschichtungen unter Verwendung von Schleuderrädern.
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Für die angestrebten Anwendungen ist es aber erforderlich, dass die Schichten in strukturierter Form vorliegen und eine Schichtausbildung an einer konvex gekrümmten Innenwand eines Rohres lokal definiert erfolgen sollte. Insofern wären die flächigen Schichten in Folgeprozessschritten zu strukturieren, was natürlich mit erheblichem Aufwand verbunden ist.
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Eine Möglichkeit zur Einbringung von strukturierten Schichten für Sensoranwendungen ist unter Nutzung der LTCC-Technologie gegeben. Die Schichten werden hierbei auf ungesinterte Keramikfolien aufgedruckt, diese danach aufgerollt und gemeinsam eingebrannt. Typische Rohrdurchmesser liegen im Bereich 5 mm bis 15 mm.
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Dabei ist es nachteilig, dass Stöße, die zu Inhomogenitäten im Stoßbereich eines so gerollten und durch Sintern im Stoßbereich verbundenen röhrförmigen Elements führen, nicht vermieden werden können. Außerdem kommt es zu mechanischen Spannungen im aufgetragenen Schichtwerkstoff beim Rollen, was wiederum zu Inhomogenitäten der Schichtdicke so aufgebrachter und dann gerollter Schichten bis hin zu einer Rissbildung führen kann.
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Inhomogenitäten oder Risse in funktionellen Schichten, wie z.B. elektrischen Leiterbahnen oder sensitiven Schichten können aber zu Fehlern beim Einsatz führen, da insbesondere elektrische oder andere sensitive Eigenschaften lokal differenziert und unkalkulierbar beeinflusst werden können. So können umfangreiche Eich- und Kalibriervorgänge vor einem Einsatz eines so hergestellten rohrförmigen Elements, an dessen Innenwand lokal definiert funktionelle Schichten ausgebildet sind, erforderlich sein, wenn es nicht so gar zu einem hohen Ausschussanteil bei der Herstellung in dieser Form kommt.
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So ist aus
DE 10147 601A1 eine Beschichtungsvorrichtung bekannt, bei der ein Rotationssieb zur Beschichtung eines flachen Substrates eingesetzt wird.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine reproduzierbare lokal definierte Ausbildung von Funktionsschichten an Innenwänden von rohrförmigen Elementen anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur lokal definierten Ausbildung von Funktionsschichten auf der Oberfläche einer Innenwand einer gekrümmten Oberfläche eines Substrates, insbesondere eines hohlzylindrischen Substrates wird ein hohlzylindrisches Drucksieb, in dem Durchbrechungen lokal definiert für die Ausbildung mindestens einer Funktionsschicht auf der Innenwand der gekrümmten Oberfläche, insbesondere der Innenwand des hohlzylindrischen Substrates ausgebildet sind, an der gekrümmten Oberfläche eines Substrates, insbesondere im Inneren des hohlzylindrischen Substrats angeordnet.
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Eine die mindestens eine Funktionsschicht ausbildende Suspension mit pastöser Konsistenz wird in das Innere des hohlzylindrischen Drucksiebs eingeführt und die Suspension wird dann mittels einer Rakel, das mit seiner Kante in berührenden Kontakt mit der inneren Oberfläche des Drucksiebes gebracht wird, durch die Durchbrechungen im Drucksieb gedrückt. Dadurch wird die mindestens eine Funktionsschicht ausgebildet.
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Die Durchbrechungen im Drucksiebmaterial sollten entsprechend der gewünschten Position und geometrischen Form der mindestens einen Funktionsschicht im Drucksiebmaterial ausgebildet sein.
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Das Drucksieb wird während der Ausbildung der mindestens einen Funktionsschicht mit dem Rakel um seine mittlere Längsachse gedreht und während der Drehung gelangt der Suspensionswerkstoff durch die Durchbrechungen im Drucksieb und wird gegen die entsprechenden Oberflächenbereiche der konkav gekrümmten Oberfläche des Substrats, insbesondere der Innenwand des hohlzylindrischen Substrats gedrückt und damit die mindestens eine Funktionsschicht auf dieser Oberfläche lokal definiert appliziert.
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Die Kante der Rakel, die an der nach innen weisenden Oberfläche der Rakel anliegt, folgt nicht der Drehbewegung des Drucksiebs und der Rakel ist fest installiert. Die Suspension wird vor der Rakel entgegengesetzt zur Drehrichtung des Drucksiebes zugeführt.
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Bei der Ausbildung von Funktionsschichten auf der inneren Oberfläche eines hohlzylindrischen Substrats wird bei der Durchführung des Verfahrens ein Drucksieb eingesetzt, dessen Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser des Substrates ist.
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Vorteilhaft sollte das Substrat um seine mittlere Längsachse mit gleicher Drehrichtung als das Drucksieb während der Ausbildung der mindestens einen funktionellen Schicht gedreht oder bewegt werden.
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Es kann ein Drucksieb eingesetzt werden, dessen maximaler Außendurchmesser dem Innendurchmesser eines hohlzylindrischen Substrats abzüglich des Absprungs entspricht, der zum Siebdrucken erforderlich ist. Dadurch können Drucksiebe genutzt werden, die einen nur geringfügig kleineren Außendurchmesser als der Innendurchmesser des Substrats aufweisen.
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Die Drehung des Substrats kann mit einem rotierenden Zylinder (Andruckrolle), dessen Außenfläche an der Außenfläche des Substrates mit entgegengesetzt zur gewünschten Drehrichtung oder Bewegungsrichtung des Substrats gewählter Drehrichtung angreift und das Substrat damit reibschlüssig angetrieben wird, erreicht werden.
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Nach dem lokal definierten Auftrag der Suspension auf die konkav gekrümmte oder innere Oberfläche des Substrats kann vorteilhaft eine thermische Behandlung, bei der eine Trocknung und/oder Sinterung des Werkstoffs, mit dem die mindestens eine Funktionsschicht ausgebildet wird, erreicht wird, durchgeführt werden.
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Bei dieser oder einer davor durchgeführten thermischen Behandlung können organische Komponenten aus der Suspension, mit der die mindestens eine funktionelle Schicht gebildet wird, ausgetrieben werden. Dies kann durch Verdampfung, Oxidation oder Pyrolyse erreicht werden.
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Als mindestens eine Funktionsschicht kann/können mindestens eine elektrische Leiterbahn, eine sensitive Schicht, Thermoschenkel von Thermoelementen, kapazitive oder induktive Sensoren, eine Widerstandsschicht, eine Heizerschicht oder eine piezoelektrische Schicht ausgebildet werden.
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Es kann ein Substrat eingesetzt werden, durch dessen Wandung mindestens eine durchgehende Durchbrechung ausgebildet ist, die mit dem Werkstoff der Suspension, der elektrisch leitend ist, oder einem elektrisch leitenden Werkstoff, zur Ausbildung einer elektrischen Durchkontaktierung (Via) zur mindestens einen funktionellen Schicht ausgefüllt wird.
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In einer Suspension sind Partikel eines funktionellen Werkstoffs enthalten. Dabei kann es sich je nach Funktionsschicht vorteilhaft um bestimmte metallische, oxidische und/oder isolierende Partikel handeln. Neben den Partikeln ist eine Flüssigkeit enthalten, die ggf. ein Bindemittel ist oder in der ein Bindemittel in Form einer Emulsion oder in gelöster Form enthalten ist. Die Suspension sollte eine strukturviskose Konsistenz mit einer zum Siebdrucken geeigneten Viskosität aufweisen.
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Als Substratwerkstoffe kommen keramische Werkstoffe, polymere Werkstoffe aber auch Metalle in Frage. Metallische Werkstoffe können an der Oberfläche auf der mindestens eine Funktionsschicht ausgebildet werden soll, auch mit einer elektrisch isolierenden Schicht oder Beschichtung ausgebildet sein, auf der die Funktionsschicht(en) ausgebildet werden kann/können.
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Ein Drucksieb kann auf eine sich um eine feste Rakel rotierende Trommel oder an zwei an äußeren Stirnseiten angeordneten Ringen aufgespannt sein. Zwischen dieser Trommel oder den Ringen befindet sich eine gegensätzlich rotierende Andruckrolle in Form eines Zylinders, die die Vorschubbewegung des Substrats bei der Ausbildung der Funktionsschicht(en) bewirkt.
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Der Übertrag der Suspension auf die Innenwand des Substrats erfolgt, wie beim herkömmlichen Siebdruck.
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Mögliche Anwendungen so bearbeiteter Substrate liegen im Bereich der Sensorik (z.B. innenliegende Feuchtesensoren, Temperatur-, Durchflusssensoren) sowie für keramische Heizer (innenbeheizte keramische Rollen) gesehen. Eine Vielzahl weiterer Anwendungen ist möglich.
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Das Verfahren kann zum strukturierten Schichtauftrag innenliegender Funktionsschichten auf der Innenwandung von Rohren eingesetzt werden. Die Funktionsschichten werden auf der Basis des Siebdruckes erzeugt. Die Funktionsschichten können beliebige geometrisch planare Formen aufweisen und werden durch das Drucksieb abgebildet. Während des Siebdruckes werden die Werkstoffe in pastösen strukturviskoser Form verarbeitet. Üblicherweise können hierfür Dickschichtpasten eingesetzt werden. Beispiele für die Funktionsschichten können auch elektrische bzw. thermische Leit-, Isolations-, Widerstands- und Sonderschichten sein. Die Rohre können hierbei über Durchkontaktierungen verfügen, die die an einem hohlzylindrischen Substrat innenliegend angeordnete mit weiteren außen am Substrat ausgebildeten Funktionsschichten verbinden. Hierfür können diese Durchkontaktierungen mit den strukturviskosen Pasten gefüllt werden. Üblicherweise werden die gedruckten Pasten nach dem Drucken in einem Temperaturprozess eingebrannt.
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Ein Anwendungsbeispiel für derartige mit mindestens einer Funktionsschicht versehene hohlzylindrische Substrate sind integrierte Heizelemente. Hierfür können in einem ersten Druckschritt Anschlussmetallisierungen prozessiert werden. Diese können über Durchkontaktierungen mit der Außenseite des Rohres als Substrat verbunden sein. In einem weiteren Druckschritt können Heizerpasten auf die Innenwand des Rohres aufgebracht und elektrische Leiterbahnen als eine mögliche Form von Funktionsschichten ausgebildet werden, die ein elektrisches Widerstandsheizelement bilden können. Durch dieses Vorgehen kann sichergestellt werden, dass die Außenwand des Rohres gezielt geheizt werden kann, sich jedoch keine aktive Funktionsschicht auf der Außenseite des Substrates befindet.
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Es können auch Elektrodenarrays mit der Erfindung hergestellt werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
- 1 ein Beispiel, bei dem mindestens eine Funktionsschicht auf einer inneren konkav gekrümmten Oberfläche eines hohlzylindrischen Substrates ausgebildet werden kann und
- 2 ein Beispiel eines erfindungsgemäß hergestellten hohlzylindrischen Bauelements mit innenliegend ausgebildeten Funktionsschichten.
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Bei dem in 1 gezeigten Beispiel wird mindestens eine Funktionsschicht 6 auf der inneren Oberfläche eines hohlzylindrischen Substrats S ausgebildet. Im innenliegenden konkav gekrümmten Bereich der Oberfläche des Substrats S ist ein hohlzylinderförmig ausgebildetes Drucksieb 1 so angeordnet, dass die äußere Oberfläche des Drucksiebes 1 mit der konkav gekrümmten Oberfläche des Substrats S in berührendem Kontakt steht, was mit der feststehenden Rakel 3, deren vordere Kante den Siebwerkstoff berührt, unterstützt wird. Das hohlzylinderförmige Drucksieb 1 wird um seine mittlere Längsachse während der Ausbildung mindestens einer Funktionsschicht 6 gedreht, wobei dies mit entgegengesetzter Drehrichtung in Bezug zur Drehrichtung des Zylinders 4 erfolgt.
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In Drehrichtung des Drucksiebes 1 vor der Rakel 3 wird eine Suspension 2 mit pastöser Konsistenz, die zum Siebdrucken geeignet ist, zugeführt und bei der Drehung des Drucksiebes 1 mit Unterstützung des Rakels 3 durch Durchbrechungen im Drucksieb 1 gepresst und so auf die konkav gekrümmte Oberfläche des Substrats S so aufgedruckt wird, dass lokal definiert mindestens eine Funktionsschicht 6 dort aufgedruckt wird. Die Durchbrechungen im Drucksiebmaterial sind entsprechend der gewünschten Position und geometrischen Form der mindestens einen Funktionsschicht 6 im Drucksiebmaterial ausgebildet.
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Das Drucksieb 1 soll einen maximalen Außendurchmesser aufweisen, der kleiner als der Innendurchmesser des hohlzylinderförmigen Substrats S zuzüglich des Absprungs, der zum Siebdrucken erforderlich ist, ist.
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Mit 2 soll verdeutlicht werden, wie elektrische Durchkontaktierungen 7 durch die Wandung eines hohlzylinderförmigen Substrats S zu Funktionsschichten 6, die im Inneren des hohlzylinderförmigen Substrats S, wie vorab erläutert ausgebildet worden sind. Zur Ausbildung der Durchkontaktierungen 7 sind durch die Wand des hohlzylinderförmigen Substrats S an vorgegebenen Positionen Durchbrechungen 5 ausgebildet worden, die bei diesem Beispiel mit der Suspension, in der elektrisch leitende Partikel enthalten waren, während des Siebdruckens ausgefüllt worden sind. Es kann aber auch eine andere Form, bei der die Ausfüllung der Durchbrechungen 5 mit elektrisch leitenden Material auf andere Weise, beispielsweise von außen zur Ausbildung von Durchkontaktierungen 7 erfolgt ist, eingesetzt werden.
