DE102022112864A1

DE102022112864A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Sintern von sinterfähigen Materialien

Info

Publication number: DE102022112864A1
Application number: DE102022112864.4A
Authority: DE
Inventors: Dave Watson; Jörg Eisenlohr
Original assignee: Plasma Tech GmbH; PLASMA TECHNOLOGY GmbH
Current assignee: Plasma Tech GmbH; PLASMA TECHNOLOGY GmbH
Priority date: 2022-05-23
Filing date: 2022-05-23
Publication date: 2023-11-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sintern von sinterfähigen Materialien (1) unter Verwendung einer Schutzgasatmosphäre, bei dem das Material durch eine kontrollierte Erwärmung einer Verfestigung- und/oder Verdichtung unterzogen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das sinterfähige Material (1) in und/oder durch jedenfalls eine Plasma (4) erzeugende, hohlzylindrische Hohlkathode (20) eines Plasmagenerators (21) eingebracht und/oder geführt wird, in der das Material (1) auf eine definierte Temperatur erhitzt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sintern von sinterfähigen Materialien gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Sintern von sinterfähigen Materialien gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Stand der Technik
Es sind aus dem Stand der Technik bereits unterschiedliche Verfahren zum Sintern von sinterfähigen Materialien bekannt, wobei sämtlichen Verfahren gemein ist, dass das sinterfähige Material durch eine kontrollierte Erwärmung einer Verfestigung- und/oder Verdichtung unterzogen wird. Als sinterfähige Materialien im Rahmen der Erfindung sind sämtliche Materialien gemeint, die zum Sintern geeignet sind und/oder die sich thermoplastisch verhalten wie bspw. Metalle, Hartmetalle, keramische Werkstoffe und Kunststoffe.
Im Allgemeinen wird hierzu Heißluft in einen Ofen geblasen, der oberhalb der Sintertemperatur des sinterfähigen Materials wie bspw. Polytetrafluorethylen (PTFE) liegt. Die Verweilzeit im Ofen wird so gesteuert, dass eine korrekte Sinterung des Materials gewährleistet ist.
Weiterhin ist es bekannt, sinterfähiges Material durch ein Bad aus geschmolzenem Salz zu ziehen, das ständig aus dem Heizbad hochgepumpt wird, um eine konstante Temperatur des Salzes, das mit dem Material in Kontakt ist, zu gewährleisten. Die Notwendigkeit, dieses Salzbad ständig auf Betriebstemperatur zu halten, und die damit verbundenen Brandrisiken sind eine große Einschränkung für diese Methode. Die Kosten für die Erhitzung des Salzes, um es durch den Phasenwechsel von fest zu flüssig zu bringen, sind unerschwinglich.
Ein weiteres Verfahren sieht vor, dass Material in einem Ofen mit Innenbeheizung erwärmt wird, wobei aufgrund der hohen Temperaturen einige besondere konstruktive Überlegungen erforderlich sind. Die Temperatureinstellung in solchen Öfen ist in der Regel langsam, um auf unterschiedliche Temperaturanforderungen zu reagieren. Auch der Stromverbrauch ist relativ hoch.
Weitere Nachteile der bekannten Verfahren betreffen die Möglichkeit von Lufteinschlüssen, die ungenaue Temperaturregelung beim Sintervorgang bei Infrarot und Heißluft, eine geringe Sinterdichte, eine Einschränkung der Isolationsspannung bei Kabelanwendungen durch Lufteinschlüsse, ein hoher Energieeinsatz bei allen bisherigen Verfahren sowie der Wahrscheinlichkeit einer Oxidation von Leiter von beim Sintern verwendeten Materialien (bspw. Kupferkabeln).
Um eine solche Oxidation zu vermeiden, ist aus der DE 10 2010 036 354 A1 darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Drahtes mit einem Mantel auf PTFE-Basis in einem Schmiermittelverdampfungs- und/oder Sinterofen bekannt, bei dem der Leiter ohne Außenbeschichtung bereitgestellt wird und das Erhitzen des Drahtes hauptsächlich in einer Atmosphäre mit niedrigem Sauerstoffgehalt erfolgt, also in einer Atmosphäre, deren Sauerstoffgehalt unter 5% liegt.
Beim sog. Spark Plasma Sintering (SPS) wird mittels Heißpressen Pulver in einen Graphittiegel gefüllt, der die Form eines Hohlzylinders aufweist, wobei das Pulver über Graphitstempel, die in den Hohlzylinder eingepasst sind, zunächst manuell vorverdichtet und anschließend der Tiegel mit den Stempeln in die SPS-Vorrichtung eingebaut wird, in dem schließlich unter Schutzgas oder Vakuum der eigentliche Sintervorgang erfolgt.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine Verbesserung der Isolationsspannung durch Vermeidung von Lufteinschlüssen und damit eine Erhöhung der Sinterdichte erreicht werden kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren soll vornehmlich, aber nicht ausschließlich PTFE- oder ähnliche Isolierung auf Metalldrähten oder auf Kohlefaser, Glasfaser oder andere Hochtemperaturmaterialien aufgesintert werden, wobei auch andere Thermoplaste in diesem Verfahren erhitzt und geformt werden können.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
Gekennzeichnet ist das vorliegende Verfahren dadurch, dass das sinterfähige Material in und/oder durch jedenfalls eine Plasma erzeugende, hohlzylindrische Hohlkathode eines Plasmagenerators eingebracht und/oder geführt wird, in der das Material auf eine definierte Temperatur erhitzt wird.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Hohlkathode sinterfähiges Material in Strangform zugeführt wird und/oder der Hohlkathode ein strangförmiger Werkstoff oder ein strangförmiges Werkstück zugeführt wird, auf dem ein sinterfähiges Material aufgebracht ist und/oder der/das von einem sinterfähigen Material umhüllt, ummantelt und/oder besetzt ist.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren können Materialien im Vakuum in einer mit Plasma angeregten Hohlkathode erhitzt werden, wobei sich durch die Verwendung einer, mit einem Plasmagenerator verbundenen Hohlkathode das erzeugte Plasma in der Hohlkathode aufkonzentriert. Dadurch werden sehr hohe Temperaturen erreicht. Durch eine Regulierung der Leistung des Plasmagenerators können sehr genau geregelte Temperaturen erzielt werden. Materialien, die nun in die Hohlkathode eingebracht werden, können sehr schnell erhitzt werden.
Der Eintrag in die Hohlkathode kann dabei statisch oder dynamisch bspw. von Rolle zu Rolle erfolgen. Zum Beispiel bei Kabeln die mit einer ungesinterten Fluorpolymerummantelung in die Hohlkathode eingebracht werden, sintert das Fluorpolymer durch die Temperatureinwirkung. Der Sintervorgang findet unter Vakuum statt, dadurch wird keine Luft eingeschlossen und sehr hohe Sinterdichten erreicht. Durch eine sehr genaue Regelungsmöglichkeit der Temperatur kann eine Degeneration des Fluorpolymers verhindert werden.
Sollte das in die eingebrachte Hohlkathode Material UV- oder plasmaempfindlich sein, kann durch ein weiteres Rohr, das vorzugsweise durch eine Halterung fixiert wird, das Material geschützt werden.
Das PTFE kann extrudiert oder in anderen Formen wie Membranen und Bändern aufgebracht werden. Es ist denkbar, dass die Schläuche und andere Konstruktionen wie die Beschichtung von gewebten oder nicht gewebten Materialien im induktiven Plasma hergestellt werden.
Die Erwärmung des Produkts erfolgt in einem induktiven Plasma. Es ist bekannt, dass Plasmen PTFE zersetzen.
Durch die spezielle Anwendung des induktiven Plasmas wird dieses Problem gelöst. Die Verwendung von induktivem Plasma bedeutet, dass die Erwärmung auf das Produkt fokussiert ist und die spezielle Öfen oder Salzbäder überflüssig werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird als Prozessgas Luft, Sauerstoff, Argon, Wasserstoff, Stickstoff oder deren Mischungen eingesetzt, wobei es sich weiterhin als vorteilhaft herausgestellt hat, wenn innerhalb der Hohlkathode ein Arbeitsdruck zwischen 0,01-10 mbar vorliegt.
Neben den bereits genannten Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind weitere Vorteile zu nennen. So stellt das Verfahren sicher, dass Lufteinschlüsse vermieden werden. Darüber hinaus ist eine höhere Isolationsspannung bei Kabelanwendungen möglich, ein geringerer Energieeinsatz notwendig und eine Oxidation der Leiter bei Kabelanwendungen wird wirksam vermieden. Gleichzeitig hat das Verfahren eine reinigende Wirkung, indem es Restflüchtigkeiten aus der Leiterproduktion oder z.B. Restschmierstoffe aus der PTFE-Produktion weitestgehend vermeidet.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt

1 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer vorteilhaften Ausführungsform in perspektivischer Ansicht sowie ein mit PTFE ummanteltes Kupferkabel.

Ausführung der Erfindung
Wie aus 1 ersichtlich, arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 zum Sintern von sinterfähigen Materialien 1 unter Verwendung einer Schutzgasatmosphäre, bei dem das Material durch eine kontrollierte Erwärmung einer Verfestigung- und/oder Verdichtung unterzogen wird, wobei die Vorrichtung 2 jedenfalls eine Plasma 4 erzeugende, hohlzylindrische Hohlkathode 20 eines Plasmagenerators 21 umfasst, in und/oder durch das sinterfähige Material 1 eingebracht und/oder geführt wird und in der das Material 1 auf eine definierte Temperatur erhitzt wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung 2 mindestens einen innerhalb der hohlzylindrischen Hohlkathode 20 in Längsrichtung ausgerichtetes, Innenhohlzylinder 22 umfasst, in und/oder durch den das sinterfähige Material 1, ein strangförmiger Werkstoff und/oder ein strangförmiges Werkstück 3 eingebracht und/oder geführt wird.
Die Hohlkathode 20 und/oder der Innenhohlzylinder 22 kann dabei vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen und durch eine Halterung im Innenraum der Hohlkathode 20 gehalten bzw. fixiert sein.
Liste der Bezugsziffern

1: Materialien
2: Vorrichtung
3: Werkstoff / Werkstück (Kupferkabel)
4: Plasma
20: Hohlkathode
21: Plasmagenerator
22: Innenhohlzylinder
23: Halterung zur Fixierung des Innenhohlzylinders

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010036354 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Sintern von sinterfähigen Materialien (1) unter Verwendung einer Schutzgasatmosphäre, bei dem das Material durch eine kontrollierte Erwärmung einer Verfestigung- und/oder Verdichtung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das sinterfähige Material (1) in und/oder durch jedenfalls eine Plasma (4) erzeugende, hohlzylindrische Hohlkathode (20) eines Plasmagenerators (21) eingebracht und/oder geführt wird, in der das Material (1) erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkathode (20) sinterfähiges Material (1) in Strangform zugeführt wird und/oder der Hohlkathode (20) ein strangförmiger Werkstoff oder ein strangförmiges Werkstück (3) zugeführt wird, auf dem ein sinterfähiges Material (1) aufgebracht ist und/oder der/das von einem sinterfähigen Material (1) umhüllt, ummantelt und/oder besetzt ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das sinterfähige Material (1), der strangförmige Werkstoff und/oder das strangförmige Werkstück (3) in mindestens einen innerhalb der hohlzylindrischen Hohlkathode (20) in Längsrichtung ausgerichteten, Innenhohlzylinder (22) eingebracht und/oder geführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma (4) induktiv gekoppelt ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgas Luft, Sauerstoff, Argon, Wasserstoff, Stickstoff oder deren Mischungen eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Hohlkathode (20) ein Arbeitsdruck zwischen 0,01-10 mbar vorliegt.
Vorrichtung (2) zum Sintern von sinterfähigen Materialien (1) unter Verwendung einer Schutzgasatmosphäre, bei dem das Material durch eine kontrollierte Erwärmung einer Verfestigung- und/oder Verdichtung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (2) jedenfalls eine Plasma (4) erzeugende, hohlzylindrische Hohlkathode (20) eines Plasmagenerators (21) umfasst, in und/oder durch das sinterfähige Material (1) eingebracht und/oder geführt wird und in der das Material (1) auf eine definierte Temperatur erhitzt wird.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen innerhalb der hohlzylindrischen Hohlkathode (20) in Längsrichtung ausgerichtetes, Innenhohlzylinder (22) umfasst, in und/oder durch den das sinterfähige Material (1), ein strangförmiger Werkstoff und/oder ein strangförmiges Werkstück (3) eingebracht und/oder geführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkathode (20) und/oder der Innenhohlzylinder (22) aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.