DE68919799T2

DE68919799T2 - Verfahren zum Einkapseln eines Gegenstandes.

Info

Publication number: DE68919799T2
Application number: DE68919799T
Authority: DE
Inventors: Yoshihisa Fujimoto; Akira Shinozuka
Original assignee: Somar Corp
Current assignee: Somar Corp
Priority date: 1988-10-18
Filing date: 1989-10-17
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2009-10-18
Also published as: US5397522A; EP0365272B1; DE68919799D1; KR900006090A; JPH0617032B2; KR920005520B1; CA2000888A1; JPH02249614A; EP0365272A3; EP0365272A2

Description

Diese Erfindung betrifft im allgemeinen ein Gießverfahren, und insbesondere ein Verfahren zum Einkapseln eines Gegenstandes, z.B. eines elektrischen Bauteils, eines elektronischen Bauteils, eines Maschinenteils oder eines Bauteils eines Spielzeuges mit einer Kunstharzbeschichtung mit einer genau festgelegten Form.
Für die Einkapselung eines Gegenstandes, wie z.B. eines elektrischen Bauteils, wurden bisher ein Gießverfahren, ein Tauchbeschichtungsverfahren, ein Preßspritzverfahren, ein Pulverbeschichtungsverfahren oder ein Formpreßverfahren angewandt. Beim Gießverfahren, bei dem sich ein Gegenstand in einem Formenhohlraum befindet, in den ein Kunstharz gegossen wird, ergeben sich Probleme, denn die Kunstharzschmelze neigt dazu, bei Arbeitern Hautreizungen hervorzurufen, und ferner kann die Gießform, in der das Gußteil eines Arbeitsablaufes vervollständigt wurde, nicht wieder unmittelbar für den nächsten Arbeitsschritt verwendet werden. Das Problem beim Tauchbeschichtungsverfahren und beim Pulverbeschichtungsverfahren besteht darin, daß es sehr schwierig ist, eine Beschichtung mit genauen Abmessungen zu erhalten. Das Preßspritzverfahren erfordert ein teures Gerät sowie eine Spritzform, und ist nur dann wirtschaftlich akzeptabel, wenn es für die Massenherstellung eingesetzt wird. Außerdem kann das Preßspritzverfahren nicht zur Beschichtung von großformatigen Gegenständen verwendet werden. Beim Formpreßverfahren, bei dem ein Kunstharz geschmolzen wird und in einem Formenhohlraum aushärtet, ergibt sich ein Problem hinsichtlich der Produktivität, da die Gießform, in der das Gußteil eines Arbeitsablaufes vervollständigt wurde, nicht wieder unmittelbar für den nächsten Arbeitsschritt verwendet werden kann.
US-A-3,958,039 offenbart eine Methode zur Beschichtung des Teils eines elektronischen Gerätes, z.B. ein Widerstand oder eine Diode, wobei das sich auf einem Fließband befindliche elektronische Gerät durch das Passieren eines Heizofens vorgeheizt wird, wonach eine Harzpulverschicht aufgetragen wird, damit eine teilweise geschmolzene Schicht aus Harz um das Teil entsteht. Zum Schluß wird dann die Harzbeschichtung völlig ausgehärtet, indem das Gerät einen zweiten Heizofen passiert.
Die Japanische ungeprüfte Patentanmeldung 51-114673 offenbart eine Methode zum Einkapseln eines elektrischen Bauteils, das die Schritte des Pulverbeschichtens des Gegenstandes mit einem Pulverbeschichtungsmaterial umfaßt, und das Formen des beschichteten Gegenstandes in einer vorher erhitzten Preßform, wobei Druck und Wärme verwendet werden, um das Beschichtungsmaterial auszuhärten. Obwohl bei dieser Methode ein eingekapseltes Material entstehen kann, das über genaue Abmessungen verfügt, bleibt das bereits beim Formpreßverfahren beschriebene Problem weiterhin ungelöst.
Die vorliegende Erfindung wurde hergestellt unter Berücksichtigung der Probleme herkömmlicher Methoden, und stellt eine Methode zum Einkapseln eines Gegenstandes dar, bestehend aus den Schritten:
(a) Pulverbeschichtung des Gegenstandes mit einem bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Kunstharzbeschichtungsmaterial, so daß eine geschmolzene Schicht des bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Kunstharzmaterials rund um den gesamten Gegenstand gebildet wird, wobei der Schritt (a) entweder den Unterschritt des vorherigen Erhitzens des Gegenstandes auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Pulverbeschichtungsmaterials vor dem Aufbringen des Pulverbeschichtungsmaterials oder den Unterschritt des Erhitzens des Gegenstandes mit bereits aufgebrachter Schicht des Pulverbeschichtungsmaterials auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Pulverbeschichtungsmaterials umfaßt;
(b) Gießen der in Schritt (a) gewonnenen geschmolzenen Schicht des bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Kunstharzmaterials in eine Gußform unter Druckeinsatz, wobei die Gußform auf einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Kunstharzmaterials gehalten wird, so daß eine erstarrte, geschmolzene Schicht des bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Kunstharzmaterials mit einer genau festgelegten Form rund um den Artikel entsteht; und
(c) Erhitzen der in Schritt (b) gewonnenen erstarrten Schicht zur Aushärtung des bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Kunstharzmaterials.
Bei der Methode der vorliegenden Erfindung findet das Giessen in den Formenhohlraum unter kalten Bedingungen statt, nämlich bei einer Temperatur, die unterhalb des Schmelzpunktes eines bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Pulverbeschichtungmaterials liegt, mit dem ein Gegenstand beschichtet wird. Deshalb kann die Gußform wiederholt als solche verwendet werden, wodurch die Produktivität der Methode erheblich verbessert wird. Außerdem besitzt die Beschichtung des eingekapselten Gegenstandes eine hohe Maßhaltigkeit.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden detaillierter beschrieben.
Ein einzukapselnder Gegenstand wird zunächst der Pulverbeschichtung (Schritt (a)) mit einem bei Hitzeeinwirkung aushärtendem Beschichtungsmaterial aus Kunstharzpulver unterzogen. Für die vorliegende Erfindung ist jedes bekannte Pulverbeschichtungsmaterial geeignet. Das Pulverbeschichtungsmaterial enthält im allgemeinen ein bei Hitzeeinwirkung aushärtendes Kunstharz, ein Aushärtungsmittel, einen Aushärtungsbeschleuniger, einen anorganischen Füllstoff und ein Färbemittel. Als bei Hitzeeinwirkung aushärtendes Kunstharz kann im allgemeinen ein Epoxyharz, ein Polyesterharz oder ein Acrylharz verwendet werden. Die Pulverbeschichtung kann auf jede bekannte Art und Weise durchgeführt werden, wie z.B. durch ein Wirbelschichtverfahren, ein elektrostatisches Beschichtungsverfahren oder ein Pulversprühverfahren. Ein Wirbelschichtverfahren, bei dem der Gegenstand, der auf eine Temperatur vorgeheizt wird, die oberhalb des Schmelzpunktes des Pulverbeschichtungsmaterials liegt, mit einem Fließbett des Pulverbeschichtungsmaterials in Kontakt kommt, eignet sich für die vorliegende Erfindung, da sich die resultierende Schicht in geschmolzenem Zustand befindet. Wird ein elektrostatisches Beschichtungsverfarhren verwendet, so wird die resultierende Schicht erhitzt und geschmolzen, bevor sie dem nächsten Schritt (b) unterzogen wird.
Der beschichtete, in Schritt (a) erhaltene Gegenstand mit dem geschmolzenen Pulverbeschichtungsmaterial wird dann unter Druckeinsatz in eine Gußform gegossen, wobei die Gußform eine Temperatur beibehält, die unterhalb des Schmelzpunktes des bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Kunstharzmaterials (Schritt (b)) liegt.
Vorzugsweise setzt sich die Gußform aus zwei Hälften zusammen, die, wenn sie geschlossen werden, zwischen sich einen Formenhohlraum bilden. Der Gegenstand mit der geschmolzenen Schicht wird zwischen das Paar Hälften positioniert, deren Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Kunstharzmaterials liegen, vorzugsweise zwischen 5 - 100 ºC, noch besser zwischen 5 - 15 ºC. Dann werden die Hälften geschlossen, um das geschmolzene Kunstharzmaterial auf den Gegenstand zu drücken und es zu festigen. Danach wird das Kunstharzmaterial gekühlt und härtet während des Formpressens aus, so daß sich um den Gegenstand eine ausgehärtete, geschmolzene Schicht aus bei Hitzeeinwirkung aushärtendem Kunstharzmaterial mit einer genau festgelegten Form bildet. Die äußere Form und die Abmessungen der ausgehärteten, geformten Beschichtung stimmen überein mit denen des Formenhohlraums.
Die ausgehärtete in Schritt (b) gewonnene Schicht wird dann erhitzt, damit das durch Hitzeeinwirkung aushärtende Kunstharz aushärtet (Schritt (c)). Vor der Durchführung von Schritt (c) werden vorzugsweise Grate oder Ablagerungen aus bei Hitzeeinwirkung aushärtendem Kunstharz, falls vorhanden, von der Oberfläche der ausgehärteten Schicht entfernt, sowie von den Wurzelbereichen der Bleibdrähte des Gegenstandes (z.B. ein elektronischer Bauteil), die von der Oberfläche der ausgehärteten Schicht hervorstehen.
Um die Verformung der geformten Schichten zu verhindern, findet das Aushärten der geformten Schicht vorzugsweise in einem zwei-Phasen-Verfahren statt. Während der ersten Phase wird die ausgehärtete, geformte Schicht auf eine erste Temperatur erhitzt, die zwischen -100 und 100 ºC , vorzugsweise um 0 - 50 ºC liegt, und höher ist als der Schmelzpunkt der geformten Schicht, und die Hitzebehandlung wird fortgeführt, bis daß die geformte Schicht im wesentlichen unschmelzbar ist. Während der zweiten Phase wird die unschmelzbare Schicht, die den Gegenstand umgibt, auf eine zweite Temperatur erhitzt, die zwecks Aushärtung des bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Kunstharzes höher ist als die erste Temperatur. Im allgemeinen ist die zweite Temperatur um 10 bis 140 ºC, vorzugsweise um 40 bis 140 ºC höher als der Schmelzpunkt. Handelt es sich um ein Pulverbeschichtungsmaterial aus Epoxyharz, liegen die ersten und zweiten Temperaturen im allgemeinen zwischen 60 - 150 ºC beziehungsweise zwischen 100 - 200 ºC.
Da bei der Methode gemäß der vorliegenden Erfindung das Formpressen bei einer Temperatur durchgeführt wird, die unterhalb des Schmelzpunktes des bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Pulverbeschichtungsmaterials aus Kunstharz liegt, und das Aushärten des Kunstharzes nicht in der Preßform bewirkt wird, kann innerhalb eines kurzen Zeitraums von einer Formmaschine eine große Anzahl von Preßteilen hergestellt werden. Im allgemeinen dauert ein Preßvorgang nur 1 - 15 Sekunden. Außerdem besitzt der eingekapselte Gegenstand eine hohe Maßhaltigkeit, da die Form der geformten Schicht, die den Gegenstand bedeckt, während des darauffolgenden Aushärtungsschrittes unverändert bleibt.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann angewendet werden, um eine Beschichtung zu bilden, die Oberflächen verschiedenartiger Bauteile bedeckt, wie elektrische oder elektronische Bauteile (z.B. Transistoren, Dioden, integrierte Schaltkreise, Hybridschaltkreise, Kondensatoren, Spulen und Widerstände eines Leitungsnetzes), mechanische Bauteile (z.B. Getriebe) und Spielzeugbauteile.
Die folgenden Beispiele verdeutlichen die vorliegende Erfindung weiter.

Beispiel 1

Ein elektrisches Bauteil eines radialen Blei-Typs wurde verpackt, wofür ein Pulverbeschichtungsmaterial verwendet wurde. Bei dem Pulverbeschichtungsmaterial handelt es sich um ein käuflich erhältliches bei Hitzeeinwirkung aushärtendes Pulverbeschichtungsmaterial aus Epoxyharz (EPIFORN F255 hergestellt von der Somar Corporation) mit den folgenden Eigenschaften:
Schmelzpunkt: bei ca. 65 ºC
Gelatinierungszeit: 60 Sekunden bei 150 ºC
Größe der Partikel: 80 Mesh oder feiner
Empfohlene Aushärtungsbedingungen: 120 ºC, 60 Minuten
Trennmittel für Formen: keine
Das elektrische Bauteil besitzt einen kubischen Körper, von dem aus sich zwei Bleidrähte nach außen erstrecken. Es wurde eine Preßform des Überlauf-Typs verwendet, die sich aus den zwei Hälften der Form zusammensetzt. Der Formenhohlraum hat eine innere Abmessung, die um 2 mm größer ist als die äußere Abmessung des elektrischen Bauteils. Die Form verfügt über Rillen, die es den Bleidrähten erlaubt, sich durch diese nach außen auszustrecken. Jede Rille hat einen Durchmesser, der um 1 mm größer ist als der Durchmesser des Bleidrahts. Die Bleidrähte wurden verwendet, um das elektrische Bauteil zwischen die Hälften der Form zu positionieren. Die innere Oberfläche des Formenhohlraums wurde mit keinem Trennmittel für Formen beschichtet.
Das auf 120 ºC vorgeheizte elektrische Bauteil wurde in ein Fließbett aus dem obenerwähnten Pulverbeschichtungsmaterial getaucht, um eine Beschichtung aus dem geschmolzenen Pulvermaterial zu bilden. Dieses Beschichtungsverfahren wurde insgesamt fünfmal wiederholt, so daß die geschmolzene Beschichtung eine Dicke von ungefähr 2 mm hatte. Unmittelbar nach der Pulverbeschichtung wurde das beschichtete Bauteil zwischen die Hälften der Form positioniert, die eine Temperatur von 50 ºC beibehielten. Die Form wurde geschlossen, so daß das beschichtete, sich im Formenhohlraum befindliche Bauteil bei ungefähr 50 kg/cm² für 2 Sekunden zusammengepreßt wurde. Das von der geformten Beschichtung umgebene Bauteil wurde aus der Form gelöst. Es wurde festgestellt, daß sich als Ergebnis des überfließens des Kunstharzes in den Bereichen des Bleidrahtes und in den Bereichen, die der Naht der geschlossenen Hälften entsprechen, Formgrate gebildet haben. Diese Formgrate konnten problemlos entfernt werden. Das resultierende beschichtete Bauteil wurde anschließend zur Aushärtung der Kunstharzbeschichtung bei 65 ºC für ungefähr 30 Minuten und bei 120 ºC für ungefähr 60 Minuten erhitzt. Das auf diese Art und Weise erhaltene eingekapselte elektrische Bauteil hatte eine glatte Oberfläche und eine genau festgelegte Form.

Beispiel 2

Ein säulenförmiger Metallkörper (Durchmesser: 10 mm, Länge: 10 mm) mit zwei dünnen Drähten (Durchmesser: 1 mm), die sich vom Boden des Körpers aus erstrecken, wurden unter Verwendung eines Pulverbeschichtungsmaterials verpackt. Das verwendete Pulverbeschichtungsmaterial ist ein käuflich erhältliches bei Hitzeeinwirkung aushärtendes Pulverbeschichtungsmaterial aus Epoxyharz (EPIFORM F259 hergestellt von Somar der Corporation) mit folgenden Eigenschaften:
Schmelzpunkt: bei ca. 140 ºC
Gelatinierungszeit: 60 Sekunden bei 200 ºC
Größe der Partikel: 80 Mesh oder feiner
Empfohlene Aushärtungsbedingungen: 200 ºC, 30 Minuten
Trennmittel für Formen: keine
Es wurde eine Preßform des Überlauf-Typs verwendet, die sich aus zwei Hälften zusammensetzt. Der Formenhohlraum hat eine innere Abmessung, die um 2 mm größer ist als die äußere Abmessung des Metallkörpers. Die Form verfügt über Rillen, die es den Drähten erlaubt, sich durch diese nach außen auszustrecken. Jede Rille hat einen Durchmesser, der um 1 mm größer ist als der Durchmesser des Drahtes. Die Drähte wurden verwendet, um den Metallkörper zwischen die Hälften der Form zu positionieren. Die innere Oberfläche des Formenhohlraums wurde mit keinem Trennmittel für Formen beschichtet.
Der auf 200 ºC vorgeheizte Metallkörper wurde in ein Fließbett aus dem obenerwähnten Pulverbeschichtungsmaterial getaucht, um eine Beschichtung aus dem geschmolzenen Pulvermaterial zu bilden. Dieses Beschichtungsverfahren wurde insgesamt fünfmal wiederholt, so daß die geschmolzene Beschichtung eine Dicke von ungefähr 1,2 mm hatte. Unmittelbar nach der Pulverbeschichtung wurde das beschichtete Bauteil zwischen die Hälften der Form positioniert, die eine Temperatur von 50 ºC beibehielten. Die Form wurde geschlossen, so daß das beschichtete sich im Formenhohlraum befindliche Bauteil bei ungefähr 50 kg/cm² für 2 Sekunden zusammengepreßt wurde. Der von der geformten Beschichtung umgebene Metallkörper wurde aus der Form gelöst. Es wurde festgestellt, daß sich als Ergebnis des überfließens des Kunstharzes in den Bereichen des Drahtes und in den Bereichen, die der Naht der geschlossenen Hälften der Form entsprechen, Formgrate gebildet hatten. Diese Formgrate konnten problemlos entfernt werden. Der resultierende beschichtete Körper wurde anschließend zur Aushärtung der Kunstharzbeschichtung bei 160 ºC für ungefähr 5 Minuten und bei 200 ºC für ungefähr 30 Minuten erhitzt. Der auf diese Art und Weise erhaltene eingekapselte Metallkörper hatte eine glatte Oberfläche und eine genau festgelegte Form.

Claims

1. Methode zum Einkapseln eines Gegenstandes, bestehend aus den Schritten:

(a) Pulverbeschichtung des Gegenstandes mit einem bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Kunstharzbeschichtungsmaterial, so daß eine geschmolzene Schicht des bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Kunstharzmaterials rund um den gesamten Gegenstand gebildet wird, wobei der Schritt (a) entweder den Unterschritt des Vorheizens des Gegenstandes auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Pulverbeschichtungsmaterials vor dem Aufbringen des Pulverbeschichtungsmaterials oder den Unterschritt des Erhitzens des Gegenstandes mit bereits aufgebrachter Schicht des Pulverbeschichtungsmaterials auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Pulverbeschichtungsmaterials beinhaltet;

(b) Gießen der in Schritt (a) gewonnenen geschmolzenen Schicht des bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Kunstharzmaterials in eine Gußform unter Druckeinsatz, wobei die Gußform auf einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Kunstharzmaterials gehalten wird, so daß eine erstarrte, geschmolzene Schicht des bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Kunstharzmaterials mit einer genau festgelegten Form rund um den Artikel entsteht; und

(c) Erhitzen der in Schritt (b) gewonnenen erstarrten Schicht zur Aushärtung des bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Kunstharzmaterials.

2. Methode nach Anspruch 1, wobei der Gießvorgang bei einer Temperatur erfolgt, die um 5 bis 100 ºC unterhalb des Schmelzpunktes des bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Kunstharzmaterials liegt.

3. Methode nach Anspruch 2, wobei der Gießvorgang bei einer Temperatur erfolgt die um 5 bis 15 ºC unterhalb des Schmelzpunktes des bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Kunstharzmaterials liegt.

4. Methode nach jedem der vorstehenden Ansprüche, wobei Schritt (c) folgende beiden Unterschritte beinhaltet;

Erhitzen der erstarrten Schicht bei einer ersten Temperatur, die um -100 bis 100 ºC oberhalb des Schmelzpunktes des bei Hitzeeinwirkung aushärtenden Kunstharzmaterials liegt und zwar für eine solche Zeitdauer, daß eine erstarrte, im wesentlichen unschmelzbare Schicht entsteht; und

Erhitzen der unschmelzbaren Schicht bei einer zweiten Temperatur oberhalb der ersten Temperatur, so daß das bei Hitzeeinwirkung aushärtende Kunstharzmaterial vollständig aushärtet.

5. Methode nach Anspruch 4, wobei die zweite Temperatur um 10 bis 140 ºC oberhalb des besagten Schmelzpunktes liegt.