DE102022211150A1

DE102022211150A1 - Herstellungsverfahren für einen Hochfrequenzhohlleiter

Info

Publication number: DE102022211150A1
Application number: DE102022211150.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ilg
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2022-10-20
Filing date: 2022-10-20
Publication date: 2024-04-25
Also published as: WO2024083421A1

Abstract

Die Erfindung betrifft zur Herstellung eines Hohlleiters (10), insbesondere eines Hochfrequenzhohlleiters. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:Bereitstellen eines Füllkerns (20);Umhüllen eines gesamten Umfangs des Füllkerns (20) mit einem Schmelzkomposit (30), wobei das Schmelzkomposit (30) ein Metallpulver und einen Binder aufweist;Erhitzen des Füllkerns (20) und des Schmelzkomposits (30) auf eine erste Temperatur, bei welcher der Füllkern (20) und der Binder des Schmelzkomposits (30) eliminiert wird; undErhitzen des Schmelzkomposits (30) auf eine zweite Temperatur, bei der das Schmelzkomposit (30) sintert, so dass das gesinterte Schmelzkomposit (30) den Hohlleiter (10) bildet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für einen Hohlleiter, insbesondere für einen Hochfrequenzhohlleiter. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Hohlleiter und eine Verwendung.
Hintergrund
Hohlleiter werden im Stand der Technik mittels eines sogenannten Tieflochbohrens hergestellt. Dabei kann es ab einem bestimmten Durchmesser der Innenwandung des Hohlleiters, und/oder ab einem bestimmten Verhältnis Länge zu Durchmesser der Innenwandung, schwierig sein, eine derartige Methodik des Tieflochbohrens durchzuführen. Ein Grund kann sein, dass der Bohrer zu dünn wird, um eine ausreichende Stabilität für das Bohren zu gewährleisten.
Zusammenfassung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das eine alternative Methode zur Herstellung eines Hohlleiters bereitstellt. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.
Ein Aspekt betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlleiters, mit den Schritten:

Bereitstellen eines Füllkerns;
Umhüllen eines gesamten Umfangs des Füllkerns mit einem Schmelzkomposit, wobei das Schmelzkomposit ein Metallpulver und einen Binder aufweist;
Erhitzen des Füllkerns und des Schmelzkomposits auf eine erste Temperatur, bei welcher der Füllkern und der Binder des Schmelzkomposits eliminiert wird; und
Erhitzen des Schmelzkomposits auf eine zweite Temperatur, bei der das Schmelzkomposit sintert, so dass das gesinterte Schmelzkomposit den Hohlleiter bildet.

Ein Hohlleiter ist eine Art Rohr, dessen Innenwandung im Wesentlichen gerade ist. Die Außenwandung des Hohlleiters kann eine beliebige Form aufweisen. Der Hohlleiter kann z.B. als Hochfrequenzhohlleiter ausgebildet sein, der insbesondere zur Übertragung von Hochfrequenzwellen geeignet und/oder dazu eingerichtet ist. Dabei werden als Hochfrequenzwellen elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von über 70 GHz, über 100 GHz, und/oder über 200 GHz verstanden.
Der Füllkern kann beispielsweise aus demselben oder einem ähnlichen Material bestehen wie der Binder des Schmelzkomposits. Ein wesentliches Merkmal des Füllkerns ist, dass dieser bei der ersten Temperatur eliminiert wird, so dass dadurch der Füllkern (und der Binder) entfernt wird und auf diese Weise ein länglicher Hohlraum entsteht, der nur noch aus der Metall-Komponente des Schmelzkomposits besteht. Dieser Schritt wird gelegentlich als „Entbindern“ bezeichnet. Der Schritt des „Entbinderns“ kann mehrere Teilschritte umfassen. Die erste Temperatur kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 300 °C und 600 °C liegen.
Die zweite Temperatur kann höher sein als die erste Temperatur und kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 1120 °C und 1135 °C liegen. Durch das Erhitzen des Füllkerns auf eine derart hohe Temperatur kann das Schmelzkomposit sintern, und somit kann das gesinterte Schmelzkomposit den Hohlleiter bilden. Der Sinterprozess kann mehrere Phasen aufweisen. Die Temperaturen bei dem Eliminieren und/oder bei dem „eigentlichen“ Sintern können von den Bestandteilen des Schmelzkomposits abhängig sein, insbesondere von der Wahl des Binders und/oder des Sintermaterials.
Der Sintervorgang kann z.B. in drei „Stadien“ realisiert sein, in deren Verlauf sich insbesondere die Porosität und das Volumen des sogenannten „Grünlings“ (das ursprüngliche Schmelzkomposit) deutlich verringert. Im ersten „Stadium“ kann z.B. eine Verdichtung des Grünlings erfolgen. Im zweiten Stadium kann die Porosität verringert werden. Die Festigkeit der Sinterkörper kann z.B. auf sogenannten „Sinterhälsen“ beruhen. Diese „Sinterhälse“ werden im dritten Stadium durch Oberflächendiffusion zwischen den Pulverpartikeln gebildet.
In einigen Ausführungsformen kann nach dem letzten Vorgang noch ein Kalibrieren des Werkstückes erfolgen, z.B. dann, wenn eine sehr hohe Maßgenauigkeit erforderlich ist, die durch den nicht exakt berechenbaren Volumenverlust nicht durch reines Sintern erreichbar ist. Dabei kann das gesinterte Werkstück noch einmal unter hohem Druck in eine Form gepresst werden. Dies kann eine Methode sein, um eine erhöhte Maßhaltigkeit zu erreichen und/oder eine z.B. eine Einhaltung der technischen Toleranzen (Form- und Lagetoleranz).
Vor dem Erhitzen des Füllkerns kann der Füllkern in seinem gesamten Umfang mit dem Schmelzkomposit umhüllt werden. Bei zumindest einigen Verfahren kann es möglich sein, kleinere Lücken bei dem Umhüllen zu tolerieren, insbesondere dann, wenn diese kleineren Lücken bei dem Erhitzen und/oder Sintern - z.B. durch Fließen des Schmelzkomposits - geschlossen werden können. Das Umhüllen kann z.B. durch Besprühen mit dem Schmelzkomposit (zum Beispiel mittels Metallpulverspritzgießen) und/oder durch Pressen, z.B. in eine Hohlleiterform, realisiert werden. Bei zumindest einigen Typen von Hohlleitern kann eine weitere und/oder alternative Nachbehandlung nützlich und/oder erforderlich sein. Wenn der Hohlleiter z.B. als Hochfrequenzhohlleiter ausgebildet sein soll, kann z.B. ein Glätten der Innenwandung des Hohlleiters in Betracht gezogen werden.
Dieses Verfahren stellt eine Alternative zu konventionellem Bohren dar. Darüber hinaus kann dieses Verfahren in zumindest einigen Fällen für „Bohrlöcher“ (oder Durchführungen) verwendet werden, die länger, schmäler und/oder „schlanker“ sein können als konventionell hergestellte Durchführungen. Als „schlanker“ wird dabei ein größeres Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Innenwandung der Durchführung bezeichnet. Beispielsweise können im Stand der Technik beim sogenannten „Tieflochbohren“ Löcher mit einem Verhältnis Länge zu Durchmesser von etwa 85:1 hergestellt werden. Wenn die Bohrungen kleiner werden, kann dieser Wert sinken, weil die Bohrer immer instabiler werden und die entstehenden Späne dafür sorgen können, dass der Bohrer abbricht. Bohrungen von z.B. kleiner 1 mm können deshalb schwierig realisierbar werden. Hingegen kann mittels dieses Herstellungsverfahrens ein größeres Verhältnis Länge zu Durchmesser realisiert werden.
In einigen Ausführungsformen wird bei dem Erhitzen ein erhöhter Druck auf das Schmelzkomposit und/oder den Füllkern ausgeübt. Der Druck kann beispielsweise <quantitative Angabe; z.B. „10 bar“> betragen. Dadurch kann ein besonders dichter Hohlleiter hergestellt werden.
In einigen Ausführungsformen wird eine Form einer Innenwandung des Hohlleiters durch den Füllkern gebildet, wobei die Form einen definierten Querschnitt aufweist. In einigen Ausführungsformen weist der Füllkern einen runden, rechteckigen, und/oder quadratischen Querschnitt auf. Dies kann einen weiteren Vorteil gegenüber dem Herstellungsverfahren des Tiefbohrens darstellen, das nur runde Durchführungen herstellen kann.
In einigen Ausführungsformen beträgt ein Verhältnis Länge zu Durchmesser der Innenwandung des Hohlleiters einen Faktor größer 85, insbesondere größer 100. Dabei kann eine Definition eines „Durchmessers“ bei nicht-runden Durchführungen ein arithmetisches Mittel der Radien und/oder des größten und des kleinsten Radius der Durchführung sein. Dies kann vorteilhafterweise zur Herstellung von Durchführungen verwendet werden, die länger, schmäler und/oder „schlanker“ sein können als konventionell hergestellte Durchführungen.
In einigen Ausführungsformen weist das Verfahren einen weiteren Schritt auf: Nach dem Sintern (d.h. Erhitzen des Füllkerns auf die zweite Temperatur), glätten und/oder beschichten der Innenwandung des Hohlleiters. Dies kann insbesondere sinnvoll sein, wenn bestimmte Qualitätsanforderungen an die Innenwandung des Hohlleiters angelegt werden. Dies kann insbesondere bei einer Verwendung des Hohlleiters zur Leitung von Hochfrequenzwellen erforderlich sein. Dabei kann das Beschichten z.B. vor dem Glätten, nach dem Glätten oder statt des Glättens erfolgen. Das Beschichten kann mehrlagig erfolgen. Das Beschichten, insbesondere vor dem Glätten, kann etwa einem „Zuspachteln“ von Unebenheiten entsprechen. Das Beschichten kann durch ein Füllmaterial, z.B. durch ein Metall erfolgen. Das Beschichten kann, z.B. in einem letzten oder vorletzten Arbeitsgang, z.B. mit einem Material wie Gold, Rhodium, Edelstahl, etc. erfolgen, z.B. um einen Hochfrequenzhohlleiter hoher Qualität zu erzielen.
In einer Ausführungsform wird das Glätten der Innenwandung des Hohlleiters durch selektives Verdampfen eines Teils der Innenwandung des Hohlleiters, insbesondere mittels eines Lasers, realisiert. Diese Ausführungsform kann besonders zeitsparend eingesetzt werden. Das Verdampfen kann mit weiteren Methoden des Glättens kombiniert werden.
In einigen Ausführungsformen wird das Glätten der Innenwandung des Hohlleiters mittels eines Schleifdrahts und/oder einer Vielzahl von Schleifdrähten realisiert. Dabei kann ein Schleifdraht als eine Art kleiner Feile verstanden werden. In einer Ausführungsform weist der Schleifdraht oder die Schleifdrähte einen streng monoton steigenden Durchmesser und/oder eine streng monoton fallende Rauheit auf. Damit kann eine wählbare Qualität erzielt werden, z.B. wählbar gemäß Qualitäts- und/oder Kostenvorgaben.
In einigen Ausführungsformen das Umhüllen ist des Füllkerns mit dem Schmelzkomposit mittels Metallpulverspritzgießen oder Metallpulverspritzguss (MIM, „Besprühen“) und/oder mittels Pressen realisiert. Das Pressen kann z.B. mittels einer Form - ähnlich einer Gussform - realisiert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann der „Grünling“ beispielsweise in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden.
In einer Ausführungsform enthält das Schmelzkomposit ein Metallpulver, insbesondere Edelstahl 1.4404, und/oder einen Binder. Dies kann vorteilhaft z.B. für Hochfrequenzhohlleiter sein.
Ein Aspekt betrifft einen Hohlleiter, der wie oben und/oder nachfolgend beschrieben hergestellt wird und/oder einen Hohlleiter, der aus gesintertem metallischem Material besteht oder dieses aufweist.
Beispielsweise kann ein derartig „schlanker“ Hohlleiter eingesetzt werden, um z.B. einen Wellenleiter für einen Radarsensor zu schaffen, der sowohl für hohe Frequenzen, z.B. 150 GHz und höher, als auch für hohe Einsatztemperaturen, z.B. von bis zu 450 °C, verwendet werden kann. Bei konventionellen Geräten können - statt eines „schlanken“ Hohlleiters, der wie oben und/oder nachfolgend beschrieben hergestellt wird - dafür z.B. 4 bis 5 Hohleiter verwendet werden, die exakt und/oder aufwändig miteinander verbunden werden müssen, um einen Abstand zwischen dem Prozess (bzw. der Antenne) und der Sensorelektronik zu schaffen, die eine thermische Gefährdung der Sensorelektronik durch die hohen Prozesstemperaturen ausschließt. Beispielsweise werden im Stand der Technik bei dem Sensor PULS6x der Firma Vega mehrere konventionelle Hohleiter („Temperaturstücke“) aneinander gebaut, um höhere Einsatztemperaturen zu ermöglichen.
In einer Ausführungsform ist der Hohlleiter für eine Kombination mit einem Radarsensor eingerichtet, wobei der Radarsensor für einen Frequenzbereich von etwa 180 GHz und/oder 240 GHz eingerichtet ist. Radarsensoren für diese Frequenzbereiche können vorteilhafterweise besonders robust und verlässlich gestaltet sein, und/oder von mehreren Herstellern angeboten werden und/oder ein besonders gutes Preis-Leistungs-Verhältnis aufweisen.
In einigen Ausführungsformen weist der Hohlleiter wobei eine Innenwandung auf, die für eine Übertragung von Radarwellen eingerichtet ist, insbesondere in einem Frequenzbereich zwischen 100 GHz und 500 GHz, z.B. zwischen 150 GHz und 300 GHz.
In einigen Ausführungsformen weist der Hohlleiter eine geringe Wandstärke zur Temperaturentkopplung auf. In einigen Ausführungsformen weist der Hohlleiter ein Material mit geringer Wärmeleitung zur Temperaturentkopplung auf. Da bei Messungen in zumindest einigen Prozessumgebungen hohe bis sehr hohe Temperaturen auftreten können, kann eine wirksame Temperaturentkopplung besonders vorteilhaft sein. Durch das oben und/oder nachfolgend beschriebene Verfahren kann eine geringe Wandstärke des Hohlleiters erzielt werden und/oder es kann ein Material mit geringer Wärmeleitung verwendet werden.
Ein Aspekt betrifft eine Verwendung eines Hohlleiters wie oben und/oder nachfolgend beschrieben zur Leitung von Hochfrequenzwellen, insbesondere von Radarwellen, beispielsweise in einem Frequenzbereich zwischen 100 GHz und 500 GHz, insbesondere zwischen 150 GHz und 300 GHz. Der Hohlleiter kann sich insbesondere gut eignen für eine Kombination mit einem Radarsensor wie oben und/oder nachfolgend beschrieben, beispielsweise für einen Radarsensor, der für einen Frequenzbereich von etwa 180 GHz und/oder 240 GHz eingerichtet ist.
Es sei noch angemerkt, dass die verschiedenen oben und/oder nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können.
Zur weiteren Verdeutlichung wird die Erfindung anhand von in den Figuren abgebildeten Ausführungsformen beschrieben. Diese Ausführungsformen sind nur als Beispiel, nicht aber als Einschränkung zu verstehen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Dabei zeigt:

1 schematisch ein einen Hohlleiter gemäß einer Ausführungsform;
2 ein Flussdiagramm mit einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt schematisch einen Hohlleiter 10 gemäß einer Ausführungsform und Komponenten zu dessen Herstellung. Für die Herstellung wird ein Schmelzkomposit 30 in eine Form 40 - ähnlich einer Gussform - eingebracht. Die Form 40 kann z.B. als zwei Halbformen realisiert sein. Weiterhin wird ein Füllkern 20 eingebracht, z.B. in eine Mitte des Schmelzkomposits 30. Nach dem Schließen der Form 40 wird der Füllkern 20 auf eine erste Temperatur erhitzt, bei welcher der Füllkern 20 und der Binder des Schmelzkomposits 30 eliminiert wird. In einigen Ausführungsformen kann dieses Eliminieren mehrere Teilschritte aufweisen. Im nächsten Schritt wird das Schmelzkomposits 30 auf eine zweite Temperatur erhitzt, die höher ist als die erste Temperatur und bei der das Schmelzkomposit 30 sintert, so dass das gesinterte Schmelzkomposit 30 den Hohlleiter 10 bildet. In dieser Phase kann auch die Form 40 erhitzt werden.
In einigen Ausführungsformen kann, nach dem Entnehmen des Füllkerns 20, eine Innenwandung 12 des Hohlleiters 10 geglättet und/oder beschichtet werden. Für das Glätten und/oder das Beschichten kann der gesinterte Hohlleiter 10, je nach Fertigungsprozess, in der Form 40 verbleiben oder herausgenommen werden.
2 zeigt ein Flussdiagramm 100 mit einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform. In einem Schritt 102 wird ein Füllkern 20 (siehe 1) bereitgestellt. In einem Schritt 104 wird ein gesamter Umfang des Füllkerns 20 mit einem Schmelzkomposit 30 umhüllt, wobei das Schmelzkomposit ein Metallpulver und einen Binder aufweist. In einem Schritt 106 wird der Füllkern 20 und das Schmelzkomposit auf eine erste Temperatur erhitzt, bei welcher der Füllkern 20 und der Binder des Schmelzkomposits 30 eliminiert wird. In einem Schritt 108 wird Schmelzkomposit 30 auf eine zweite Temperatur erhitzt, bei der das Schmelzkomposit 30 sintert, so dass das gesinterte Schmelzkomposit 30 den Hohlleiter 10 bildet. In einem optionalen Schritt 110 wird eine Innenwandung 12 des Hohlleiters 10 geglättet und/oder beschichtet.
Liste der Bezugszeichen

10: Hohlleiter
12: Innenwandung
20: Füllkern
30: Schmelzkomposit
40: Form
100: Flussdiagramm
102 - 110: Schritte

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Hohlleiters (10), mit den Schritten: Bereitstellen eines Füllkerns (20); Umhüllen eines gesamten Umfangs des Füllkerns (20) mit einem Schmelzkomposit (30), wobei das Schmelzkomposit (30) ein Metallpulver und einen Binder aufweist; Erhitzen des Füllkerns (20) und des Schmelzkomposits (30) auf eine erste Temperatur, bei welcher der Füllkern (20) und der Binder des Schmelzkomposits (30) eliminiert wird; und Erhitzen des Schmelzkomposits (30) auf eine zweite Temperatur, bei der das Schmelzkomposit (30) sintert, so dass das gesinterte Schmelzkomposit (30) den Hohlleiter (10) bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei dem Erhitzen ein erhöhter Druck auf das Schmelzkomposit (30) und/oder den Füllkern (20) ausgeübt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Füllkern (20) aus dem Binder besteht oder den Binder aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Form einer Innenwandung (12) des Hohlleiters (10) durch den Füllkern (20) gebildet wird, und/oder wobei der Füllkern (20) einen runden, rechteckigen, und/oder quadratischen Querschnitt aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis Länge zu Durchmesser der Innenwandung (12) des Hohlleiters (10) einen Faktor größer 85, insbesondere größer 100, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem weiteren Schritt: nach dem Entnehmen des Füllkerns (20), glätten und/oder beschichten der Innenwandung (12) des Hohlleiters (10).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Glätten der Innenwandung (12) des Hohlleiters (10) durch selektives Verdampfen eines Teils der Innenwandung (12) des Hohlleiters (10), insbesondere mittels eines Lasers, realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Glätten der Innenwandung (12) des Hohlleiters (10) mittels eines Schleifdrahts und/oder einer Vielzahl von Schleifdrähten realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schleifdraht oder die Schleifdrähte einen streng monoton steigenden Durchmesser und/oder eine streng monoton fallende Rauheit aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Umhüllen des Füllkerns mit dem Schmelzkomposit (30) mittels Metallpulverspritzgießen und/oder mittels Pressen realisiert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schmelzkomposit (30) ein Metallpulver, insbesondere Edelstahl 1.4404, und einen Binder enthält.
Hohlleiter (10), der nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wird, und/oder Hohlleiter (10), der aus gesintertem metallischem Material besteht oder dieses aufweist.
Hohlleiter (10) nach Anspruch 12, der für eine Kombination mit einem Radarsensor eingerichtet ist, wobei der Radarsensor für einen Frequenzbereich von etwa 180 GHz und/oder 240 GHz eingerichtet ist.
Hohlleiter (10) nach Anspruch 12 oder 13, wobei eine Innenwandung (12) des Hohlleiters (10) für eine Übertragung von Radarwellen, insbesondere in einem Frequenzbereich zwischen 100 GHz und 500 GHz, z.B. zwischen 150 GHz und 300 GHz, dazu eingerichtet ist, und/oder wobei der Hohlleiter (10) eine geringe Wandstärke und/oder ein Material mit geringer Wärmeleitung zur Temperaturentkopplung aufweist.
Verwendung eines Hohlleiters (10) nach Anspruch 12, 13 oder 14 zur Leitung von Hochfrequenzwellen, insbesondere von Radarwellen, beispielsweise in einem Frequenzbereich zwischen 100 GHz und 500 GHz, insbesondere zwischen 150 GHz und 300 GHz.