EP3613872A1 - Verfahren zum herstellen eines bauteils für eine elektrische oder elektronische komponente sowie bauteil - Google Patents

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EP3613872A1
EP3613872A1 EP18189941.0A EP18189941A EP3613872A1 EP 3613872 A1 EP3613872 A1 EP 3613872A1 EP 18189941 A EP18189941 A EP 18189941A EP 3613872 A1 EP3613872 A1 EP 3613872A1
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EP
European Patent Office
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component
carrier element
starting material
particles
soft magnetic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18189941.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg BUSCHBECK
Gotthard Rieger
Carsten Schuh
Thomas Soller
Rolf Vollmer
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP18189941.0A priority Critical patent/EP3613872A1/de
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • H01F1/147—Alloys characterised by their composition
    • H01F1/153—Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals
    • H01F1/15358—Making agglomerates therefrom, e.g. by pressing

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a component for an electrical or electronic component. Furthermore, the present invention relates to a component for an electrical or electronic component.
  • Such a component can be, for example, a sheet metal for an electrical machine.
  • a component can be, for example, a sheet metal for an electrical machine.
  • Structured electrical sheets which have grooves or ventilation openings, for example, are produced for use in electrical machines according to the prior art by punching from a strip material.
  • this results in disadvantageous material losses on the other hand, one is limited to materials which, in addition to the suitable soft magnetic properties, can also be produced in a suitable form as a strip material.
  • strip materials made of microcrystalline to coarsely crystalline iron silicon are usually used.
  • iron cobalt sheets are occasionally used due to the higher magnetic saturation.
  • modern soft magnetic materials are known from the prior art, which have better magnetic properties than iron-silicon. These are in particular amorphous and / or nanocrystalline alloys.
  • the use of these materials as electrical sheets for electrical machines is due to the processability and, if appropriate, the maximum dimensions not given. This is due in particular to the fact that these materials are produced using the rapid solidification process and are brittle.
  • a method for producing a component for an electrical or electronic component comprises providing a starting material which comprises particles of a soft magnetic material, the soft magnetic material being nanocrystalline and / or amorphous. Furthermore, the method comprises the application of the starting material to a carrier element, the starting material for application to the carrier element being accelerated by a cold gas flow in such a way that the particles combine to form a solid when they strike the carrier element by at least partially sintering.
  • the method is intended to produce a component that can be used in an electrical or electronic component.
  • the component can be, for example, an electrical machine or a transformer.
  • the components can also be an electronic component, a housing for an electronics or a sensor.
  • the component is in particular a component that carries a magnetic flux.
  • the starting material is first made available. This starting material comprises particles or a powder, which are made of the soft magnetic material.
  • the particles can be at least partially made of soft magnetic Material be made. In particular, the particles are made entirely of the soft magnetic material.
  • the particles are applied to the carrier element.
  • the carrier element can, for example, be a substrate.
  • the starting material is accelerated using the cold gas flow.
  • a cold deposition process or a cold coating process is used to apply the starting material or the particles to the carrier element.
  • the cold gas flow accelerates the particles or the starting material or sprayed them onto the carrier element. Due to the high kinetic energy of the sprayed-on particles and an at least partial plastic deformation or breaking of the particles when they strike the carrier element, in-situ sintering is achieved in connection with the high surface energy of the particles created in this way.
  • the sintering can also achieve a mechanical connection of the particles or the powder to the solid.
  • the particles are compressed when they strike the carrier element.
  • the material is compacted.
  • the kinetic energy of the impacting particles and the particle size distribution are decisive for the compression.
  • the amorphous structure of the particles from the amorphous starting material is at least partially preserved. This makes it possible to manufacture the component from soft magnetic materials, which are currently only available in limited forms, such as rapidly solidified strips, as powders or so-called droplets.
  • the new materials can be used to achieve improved magnetic properties of the component. For example, the magnetic losses can be reduced.
  • the material is in particular a nanocrystalline and / or amorphous alloy.
  • the material can include iron, boron and / or silicon, for example. It can also be provided that the material comprises iron, nickel, boron, molybdenum and / or silicon. In addition, the material can include cobalt, iron, manganese, molybdenum, boron and / or silicon. In addition, the material can include iron, silicon, boron, phosphorus and / or copper. It can further be provided that the material comprises one or more of the following components: iron, cobalt, nickel, boron, silicon, zirconium, niobium, tantalum, titanium and molybdenum. The material is therefore available with improved soft magnetic properties.
  • a temperature of the cold gas stream is preferably determined such that a nanocrystalline and / or amorphous structure of the particles remains unchanged when accelerated by means of the cold gas stream.
  • the temperature of the cold gas stream is chosen so low that the particles of the soft magnetic material retain the nanocrystalline and / or amorphous properties.
  • the aim is to prevent an atomic structure and / or material composition of the material from changing.
  • the particles should preferably be prevented from melting.
  • the flow rate of the cold gas flow can be determined in such a way that the at least partial sintering of the particles is achieved when they strike the carrier element.
  • the dimensions or grain sizes of the particles and / or the material properties of the material can be taken into account. In this way it can be achieved that the nanocrystalline and / or amorphous structure is retained in the solid and the desired soft magnetic properties are thus achieved.
  • the starting material is provided in powder form and the starting material is applied to the carrier element using an aerosol-based coating method.
  • ADM aerosol Deposition Method
  • cold gas spraying can be used to produce the solid body.
  • the particles or the powder can be introduced into the cold gas stream.
  • the gas can be a corresponding process gas.
  • the gas can be passed through an appropriate nozzle.
  • the particles introduced into the cold gas stream can be accelerated to such a high speed that, in contrast to thermal spray processes, they form a dense and firmly adhering layer even without prior melting or melting upon impact on the carrier element.
  • the starting material is provided as a suspension and this suspension is introduced into the cold gas stream in order to produce the solid.
  • the starting material is preferably applied to a predetermined application area of the carrier element by means of a spray head and / or a masking layer is applied to an area different from the application area.
  • a corresponding spray head or a nozzle can be used to achieve the desired shape of the solid or of the component.
  • the spray head can be moved relatively to the carrier element. It can also be provided that the carrier element is moved relative to the spray head.
  • the masking layer or mask can be applied to the carrier element before the particles are applied to the carrier element.
  • a photoresist that is structured can be used as the masking layer. The particles can thus be applied to a predetermined area of the carrier element.
  • the soft magnetic material is ground to provide the starting material.
  • no so-called high-energy grinding process is carried out to produce the particles. This can prevent the material from being heated too high.
  • the particles are thus provided in particular at sufficiently low temperatures. Crystallization can thus be prevented in the case of an amorphous material. With a nanocrystalline material, crystal growth can be prevented.
  • the solid body is thermally treated at least in some areas.
  • heat treatment can be used to convert amorphous materials into nanocrystalline materials. Controlled heating of the material through a higher energy input can be used in a targeted manner in order to crystallize the amorphous material in a controlled manner and / or to obtain a nanocrystalline material with better magnetic properties compared to the amorphous material.
  • the thermal treatment can be achieved by (temporarily) heating the cold gas stream or by locally heating the solid body by means of a laser or by means of electromagnetic radiation.
  • the thermal aftertreatment or thermal treatment can also be used to reduce stresses and thus to reduce hysteresis losses.
  • the carrier element is a substrate and the solid body is detached from the carrier element in order to produce the component.
  • the carrier element is not part of the component to be manufactured.
  • the solid can be applied as a layer on the carrier element, wherein the layer can have a thickness greater than 50 microns. To produce the component, the solid can be removed after the particles have been sintered.
  • the component can be formed by the solid body alone.
  • the component can also be formed from several solid bodies.
  • an electrically insulating material is applied to the solid to produce the component.
  • the insulating layer can be applied to the solid at least in regions.
  • a corresponding deposition process can be used to produce the electrically insulating layer.
  • a spraying process, a printing process or the like can be used.
  • an electrically insulating material or corresponding particles made of this material are introduced into the cold gas stream.
  • the electrically insulating material can also be provided as a separate part.
  • the use of an electrically insulating material is particularly suitable if the component is a sheet metal for an active part of an electrical machine.
  • the component can be used instead of a single sheet of a sheet stack of an active part.
  • the respective insulating sheets can be electrically isolated from one another by the electrically insulating layer in order to avoid eddy current losses.
  • the carrier element is part of the component and the solid body applied to the carrier element forms a further part of the component.
  • the carrier element is part of the component.
  • a component can be provided which has different magnetic properties or is soft magnetic in some areas.
  • the carrier element can be a housing for electronics, which can be made of a metal, for example.
  • the soft magnetic material can be applied to this housing at least in regions. Shielding of the housing for electromagnetic interference can thus be improved.
  • a component according to the invention for an electrical or electronic component is produced using a method according to the invention or an advantageous embodiment thereof.
  • the component is preferably a sheet metal of an active part of an electrical machine.
  • the component can thus form a single sheet of a sheet stack.
  • This laminated core can be used in the active part, ie a stator and / or rotor.
  • the electrically insulating material can be arranged between the individual sheets. In this way, a laminated core with improved soft magnetic properties can be provided.
  • the component can be part of a transformer.
  • the component can also be a housing for electronics or an electronic component.
  • the component can be part of a magnetic sensor.
  • FIG. 1 shows a simplified representation of a solid body 1, which is applied to a carrier element 2.
  • the carrier element 2 is a substrate 6.
  • a component 3 for an electrical or electronic component can be produced from the solid body 1.
  • a starting material 4 is provided.
  • This starting material 4 is in the form of individual particles 5 or in powder form.
  • the starting material 4 comprises a soft magnetic material.
  • This soft magnetic material is in particular a nanocrystalline and / or amorphous alloy.
  • Amorphous material structures are characterized by the absence of periodic crystalline atomic arrangements and are largely disordered.
  • soft magnetic amorphous metals are also metallic hard.
  • the soft magnetic properties of the nanocrystalline materials result from the superposition of the properties of the amorphous residual phase and nanocrystalline particles.
  • the material or the starting material 4 can comprise iron, nickel, copper, boron, molybdenum, manganese, silicon, cobalt, phosphorus, zirconium, niobium, tantalum and / or titanium.
  • the material can be ground. The grinding process is carried out in such a way that the nanocrystalline and / or amorphous properties are retained.
  • the starting material 4 is applied to the carrier element 2.
  • an aerosol-based method is used which enables the particles 5 to be compacted at low temperatures.
  • ADM Aerosol Deposition Method
  • Cold Gas Deposition can be used.
  • the particles 5 are located in a container 8.
  • a cold gas stream is fed to this container 8 via a feed line 9.
  • the particles 5 of the amorphous and / or nanocrystalline materials are greatly accelerated and then hit the carrier element 2 or the substrate 6.
  • the amorphous structure of the amorphous starting materials is at least partially preserved.
  • the particles 5 are dispensed via a spray head 10.
  • This spray head 10 can be moved relative to the carrier element 2.
  • the shape of the solid body 1 can thus be determined.
  • Corresponding masking layers can alternatively or additionally be used.
  • the method allows the solid 1 to be obtained as a layer, the layer having a thickness greater than 50 ⁇ m. Such a solid 1 can then be used as a sheet for an electrical machine.
  • FIG 2 shows a component 3, which is formed from several solid bodies 1.
  • This component 3 forms a laminated core 12 for an electrical machine.
  • This laminated core 12 comprises a plurality of solid bodies 1 as individual laminations, between the individual laminations an electrically insulating material 11 is provided in each case. This can reduce eddy current losses.
  • the number and dimensions of the individual sheets and of the electrically insulating material 11 are to be understood as examples.
  • Component 3 can be used in a stator and / or rotor of an electrical machine.
  • the construction of sheets and sheet packs 12 or sheet cuts from soft magnetic materials which are currently only available in limited embodiments, are available, for example, as rapidly solidified strips, powders or as so-called droplets, which are produced by means of splash cooling.
  • soft magnetic materials which are currently only available in limited embodiments, are available, for example, as rapidly solidified strips, powders or as so-called droplets, which are produced by means of splash cooling.
  • new materials with improved magnetic properties in the form of soft magnetic sheets in particular with lower magnetic losses.
  • a higher electrical efficiency (higher efficiency) of the electrical machines is achieved.
  • FIG 3 shows a component 3 according to a further embodiment, which can be produced from the starting material 4 by means of the aerosol-based method.
  • the component 3 is a housing 13.
  • An electronic component 14 is present in the housing 13 as an example.
  • the component 14 and the housing 13 are arranged on a printed circuit board 15.
  • the solid body 1 is applied to a carrier element 2, which forms part of the housing 13.
  • the carrier element 2 can be made of a metal.
  • the starting material 4 or the particles 5 are applied to this carrier element 2 by means of the aerosol-based method in such a way that the solid 1 is formed.
  • the solid body 1 represents a soft magnetic coating.
  • electromagnetic interference caused by the component 14 can be shielded by the housing 13.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (3) für eine elektrische oder elektronische Komponente mit den Schritten: Bereitstellen eines Ausgangsmaterials (4), welches Partikel (5) aus einem weichmagnetischen Werkstoff umfasst, wobei der weichmagnetische Werkstoff nanokristallin und/oder amorph ist, und Aufbringen des Ausgangsmaterials (4) auf ein Trägerelement (1), wobei das Ausgangsmaterial (4) zum Aufbringen auf das Trägerelement (2) mittels eines Kaltgasstroms derart beschleunigt wird, dass sich die Partikel (5) bei einem Auftreffen auf das Trägerelement (2) durch zumindest teilweises Sintern zu einem Festkörper (1) verbinden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils für eine elektrische oder elektronische Komponente. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Bauteil für eine elektrische oder elektronische Komponente.
  • Das Interesse richtet sich auf Bauteile für elektrische oder elektronische Komponenten, welche aus einem weichmagnetischen Material gefertigt sind. Ein derartiges Bauteil kann beispielsweise ein Blech für eine elektrische Maschine sein. Um Wirbelstromverluste zu begrenzen, ist es notwendig, die magnetische Flussführung in elektrischen Maschinen zu blechen beziehungsweise in voneinander elektrisch isolierte Einzelbleche aufzuteilen. Strukturierte Elektrobleche, welche beispielsweise Nuten oder Lüftungsöffnungen aufweisen, werden für den Einsatz in elektrischen Maschinen gemäß dem Stand der Technik durch Stanzen aus einem Bandmaterial hergestellt. Dadurch ergeben sich zum einen nachteilige Materialverluste, zum anderen ist man auf Materialien begrenzt, die sich neben den geeigneten weichmagnetischen Eigenschaften auch in geeigneter Form als Bandmaterial herstellen lassen.
  • Gemäß dem Stand der Technik werden üblicherweise Bandmaterialien aus mikrokristallinem bis grobkristallinem Eisen-Silizium verwendet. Für Sonderanwendungen werden vereinzelt wegen der höheren magnetischen Sättigung auch Bleche aus Eisen-Cobalt verwendet. Ferner sind aus dem Stand der Technik moderne weichmagnetische Materialien bekannt, welch gegenüber Eisen-Silizium bessere magnetische Eigenschaften aufweisen. Hierbei handelt es sich insbesondere um amorphe und/oder nanokristalline Legierungen. Die Anwendung dieser Materialien als Elektrobleche für elektrische Maschinen ist jedoch durch die Verarbeitbarkeit und gegebenenfalls die maximalen Abmessungen nicht gegeben. Dies ist insbesondere dadurch begründet, dass diese Materialien im Rascherstarrungsverfahren hergestellt werden und spröde sind.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie Bauteile für elektrische oder elektronische Komponenten mit verbesserten weichmagnetischen Eigenschaften bereitgestellt werden können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren sowie durch ein Bauteil mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils für eine elektrische oder elektronische Komponente umfasst das Bereitstellen eines Ausgangsmaterials, welches Partikel aus einem weichmagnetischen Werkstoff umfasst, wobei der weichmagnetische Werkstoff nanokristallin und/oder amorph ist. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Aufbringen des Ausgangsmaterials auf ein Trägerelement, wobei das Ausgangsmaterial zum Aufbringen auf das Trägerelement durch einen Kaltgasstrom derart beschleunigt wird, dass sich die Partikel bei einem Auftreffen auf das Trägerelement durch zumindest teilweises Sintern zu einem Festkörper verbinden.
  • Mithilfe des Verfahrens soll ein Bauteil hergestellt werden, welches in einer elektrischen oder elektronischen Komponente eingesetzt werden kann. Die Komponente kann beispielsweise eine elektrische Maschine oder ein Transformator sein. Bei den Komponenten kann es sich auch um ein Elektronikbauteil, ein Gehäuse für eine Elektronik oder einen Sensor handeln. Bei dem Bauteil handelt es sich insbesondere um ein Bauteil, welches einen magnetischen Fluss führt. Zur Herstellung des Bauteils wird zunächst das Ausgangsmaterial bereitgestellt. Dieses Ausgangsmaterial umfasst Partikel oder ein Pulver, welche aus dem weichmagnetischen Material gefertigt sind. Die Partikel können zumindest teilweise aus dem weichmagnetischen Material gefertigt sein. Insbesondere sind die Partikel vollständig aus dem weichmagnetischen Material gefertigt.
  • Um das Bauteil herzustellen, werden die Partikel auf das Trägerelement aufgebracht. Bei dem Trägerelement kann es sich beispielsweise um ein Substrat handeln. Zum Aufbringen des Ausgangsmaterials auf das Trägerelement, wird das Ausgangsmaterial mithilfe des Kaltgasstroms beschleunigt. Mit anderen Worten wird also ein Kaltabscheidungsverfahren oder ein Kaltbeschichtungsverfahren verwendet, um das Ausgangsmaterial beziehungsweise die Partikel auf das Trägerelement aufzubringen. Durch den Kaltgasstrom werden die Partikel beziehungsweise das Ausgangsmaterial beschleunigt beziehungsweise auf das Trägerelement aufgespritzt. Durch die hohe kinetische Energie der aufgespritzten Partikel und eine zumindest partielle plastische Deformation beziehungsweise ein Zerbrechen der Partikel beim Auftreffen auf das Trägerelement wird in Verbindung mit der so geschaffenen hohen Oberflächenenergie der Partikel eine in-situ Sinterung erreicht. Durch das Sintern kann ferner eine mechanische Verbindung der Partikel beziehungsweise des Pulvers zu dem Festkörper erreicht werden. Zudem werden die Partikel bei dem Auftreffen auf das Trägerelement verdichtet. Beim Auftreffen der Partikel auf das Trägerelement beziehungsweise die bereits aufgetragenen Partikel ergibt sich also eine Kompaktierung des Materials. Die kinetische Energie der auftreffenden Partikel sowie die Partikelgrößenverteilung sind maßgeblich für die Verdichtung. Die amorphe Struktur der Partikel aus dem amorphen Ausgangsmaterial bleibt dabei zumindest teilweise erhalten. Somit wird es ermöglicht, das Bauteil aus weichmagnetischen Materialien zu fertigen, die derzeit nur im begrenzten Ausführungsformen, wie rasch erstarrten Bändern, als Pulver oder sogenannte Droplets vorliegen. Insbesondere können durch die neuen Materialien verbesserte magnetische Eigenschaften des Bauteils erreicht werden. Beispielsweise können die Ummagnetisierungsverluste reduziert werden.
  • Bei dem Werkstoff handelt es sich insbesondere um eine nanokristalline und/oder amorphe Legierung. Der Werkstoff kann beispielsweise Eisen, Bor und/oder Silizium umfassen. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Werkstoff Eisen, Nickel, Bor, Molybdän und/oder Silizium umfasst. Darüber hinaus kann der Werkstoff Cobalt, Eisen, Mangan, Molybdän, Bor und/oder Silizium umfassen. Zudem kann der Werkstoff Eisen, Silizium, Bor, Phosphor und/oder Kupfer umfassen. Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Werkstoff einen oder mehrere der folgenden Bestandteile umfasst: Eisen, Cobalt, Nickel, Bor, Silizium, Zirconium, Niob, Tantal, Titan und Molybdän. Somit steht der Werkstoff mit verbesserten weichmagnetischen Eigenschaften zur Verfügung.
  • Bevorzugt wird eine Temperatur des Kaltgasstroms derart bestimmt, dass eine nanokristalline und/oder amorphe Struktur der Partikel beim Beschleunigen mittels des Kaltgasstroms unverändert bleibt. Mit anderen Worten ist die Temperatur des Kaltgasstroms so gering gewählt, dass die Partikel des weichmagnetischen Werkstoffs die nanokristallinen und/oder amorphen Eigenschaften beibehalten. Es soll also insbesondere verhindert werden, dass sich eine atomare Struktur und/oder Stoffzusammensetzung des Werkstoffs verändert. Ferner soll bevorzugt verhindert werden, dass die Partikel schmelzen. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kaltgasstroms kann so bestimmt werden, dass das zumindest teilweise Sintern der Partikel beim Auftreffen auf das Trägerelement erreicht wird. Hierzu können die Abmessungen beziehungsweise Korngrößen der Partikel und/oder die Materialeigenschaften des Werkstoffs berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass bei dem Festkörper die nanokristalline und/oder amorphe Struktur erhalten bleibt und damit die gewünschten weichmagnetischen Eigenschaften erreicht werden.
  • In einer Ausführungsform wird das Ausgangsmaterial in Pulverform bereitgestellt und das Ausgangsmaterial wird mit einem aerosolbasierten Beschichtungsverfahren auf das Trägerelement aufgebracht. Beispielsweise kann das sogenannte ADM (Aerosol Deposition Method) verwendet werden, um den Festkörper aus den Partikeln herzustellen. Ferner kann das sogenannte Kaltgasspritzen verwendet werden, um den Festkörper herzustellen. In diesem Fall können die Partikel beziehungsweise das Pulver in den Kaltgasstrom eingebracht werden. Bei dem Gas kann es sich um ein entsprechendes Prozessgas handeln. Um die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen, kann das Gas durch eine entsprechende Düse geleitet werden. Die in den Kaltgasstrom eingebrachten Partikel können dabei auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt werden, dass sie im Gegensatz zu thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Trägerelement eine dichte und fest haftende Schicht bilden. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Ausgangsmaterial als Suspension bereitgestellt wird und diese Suspension zum Herstellen des Festkörpers in den Kaltgasstrom eingebracht wird.
  • Vorzugsweise wird zur Formgebung des Festkörpers das Ausgangsmaterial mittels eines Sprühkopfs auf einen vorbestimmten Auftragungsbereich des Trägerelements aufgebracht und/oder auf einen von dem Auftragungsbereich verschiedenen Bereich wird eine Maskierungsschicht aufgebracht. Um die gewünschte Formgebung des Festkörpers beziehungsweise des Bauteils zu erreichen, kann ein entsprechender Sprühkopf oder eine Düse verwendet werden. Dabei kann der Sprühkopf relativ zudem Trägerelement bewegt werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Trägerelement relativ zu dem Sprühkopf bewegt wird. Alternativ oder zusätzlich vor dem Auftragen der Partikel auf das Trägerelement die Maskierungsschicht oder Maske auf das Trägerelement aufgebracht werden. Als Maskierungsschicht kann beispielsweise ein Photolack verwendet werden, welcher strukturiert wird. Somit können die Partikel auf einen vorbestimmten Bereich des Trägerelements aufgetragen werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird zum Bereitstellen des Ausgangsmaterials der weichmagnetische Werkstoff gemahlen. Um die Eigenschaften des weichmagnetischen Werkstoffs zu erhalten, ist es erforderlich, die Erzeugung der Partikel beziehungsweise des Pulvers schonend zu erzeugen. Insbesondere ist es vorgesehen, dass kein sogenanntes Hochenergiemahlverfahren durchgeführt wird, um die Partikel herzustellen. Somit kann verhindert werden, dass der Werkstoff zu hoch erwärmt wird. Die Bereitstellung der Partikel erfolgt also insbesondere bei ausreichend niedrigen Temperaturen. Somit kann bei einem amorphen Werkstoff die Kristallisation verhindert werden. Bei einem nanokristallinen Werkstoff kann das Kristallwachstum unterbunden werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird der Festkörper zumindest bereichsweise thermisch behandelt. Beispielsweise kann eine Wärmbehandlung gezielt eingesetzt werden, um amorphe Materialien in nanokristalline Materialien zu überführen. Eine kontrollierte Erwärmung des Materials durch einen höheren Energieeintrag kann gezielt eingesetzt werden, um das amorphe Material kontrolliert zu kristallisieren und/oder um ein nanokristallines Material mit, im Vergleich zum amorphen Material, besseren magnetischen Eigenschaften zu erhalten. Die thermische Behandlung kann durch eine (zeitweise) Erwärmung des Kaltgasstroms oder durch lokale Erwärmung des Festkörpers mittels eines Lasers oder mittels elektromagnetischer Strahlung erreicht werden. Die thermische Nachbehandlung beziehungsweise thermische Behandlung kann auch zur Reduktion von Spannungen und damit zur Reduzierung von Hystereseverlusten eingesetzt werden.
  • In einer Ausführungsform ist das Trägerelement ein Substrat und zum Herstellen des Bauteils wird der Festkörper von dem Trägerelement gelöst. In diesem Fall ist also das Trägerelement nicht Bestandteil des herzustellenden Bauteils. Der Festkörper kann als Schicht auf das Trägerelement aufgebracht werden, wobei die Schicht eine Dicke größer als 50 µm aufweisen kann. Für die Herstellung des Bauteils kann der Festkörper nach dem Sintern der Partikel abgenommen werden. Dabei kann das Bauteil durch den Festkörper alleine gebildet sein.
  • Das Bauteil kann auch aus mehreren Festkörpern gebildet werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zum Herstellen des Bauteils auf den Festkörper ein elektrisch isolierendes Material aufgebracht. Nach dem zumindest teilweisen Sintern der Partikel kann auf den Festkörper zumindest bereichsweise die isolierende Schicht aufgebracht werden. Zum Herstellen der elektrisch isolierenden Schicht kann ein entsprechendes Abscheideverfahren genutzt werden. Beispielsweise kann ein Sprühverfahren, ein Druckverfahren oder dergleichen genutzt werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass ein elektrisch isolierendes Material oder entsprechende Partikel aus diesem Material in den Kaltgasstrom eingebracht werden. Das elektrisch isolierende Material kann auch als separates Teil bereitgestellt werden. Die Verwendung eines elektrisch isolierenden Materials eignet sich insbesondere, wenn das Bauteil ein Blech für ein Aktivteil einer elektrischen Maschine ist. Das Bauteil kann anstellen eines Einzelblechs eines Blechpakets eines Aktivteils verwendet werden. Durch die elektrisch isolierende Schicht können die jeweiligen Bleche elektrisch voneinander isoliert werden, um Wirbelstromverluste zu vermeiden.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das Trägerelement ein Teil des Bauteils und der auf das Trägerelement aufgebrachte Festkörper bildet einen weiteren Teil des Bauteils. Mit anderen Worten ist das Trägerelement Bestandteil des Bauteils. Somit kann beispielsweise ein Bauteil bereitgestellt werden, welches unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweist oder bereichsweise weichmagnetisch ausgebildet ist. In diesem Fall kann das Trägerelement ein Gehäuse für eine Elektronik sein, welches beispielsweise aus einem Metall gefertigt sein kann. Auf dieses Gehäuse kann zumindest bereichsweise der weichmagnetische Werkstoff aufgebracht werden. Somit kann eine Schirmung des Gehäuses für elektromagnetische Störungen verbessert werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Bauteil für eine elektrische oder elektronische Komponente, ist mit einem erfindungsgemäßen Verfahren oder einer vorteilhaften Ausgestaltung davon hergestellt. Bevorzugt ist das Bauteil ein Blech eines Aktivteils einer elektrischen Maschine. Das Bauteil kann also ein Einzelblech eines Blechpakets bilden. Dieses Blechpaket kann in dem Aktivteil, also einem Stator und/oder Rotor verwendet werden. Zwischen den Einzelblechen kann das elektrisch isolierende Material angeordnet werden. Auf diese Weise kann ein Blechpaket mit verbesserten weichmagnetischen Eigenschaften bereitgestellt werden.
  • Ferner kann das Bauteil Teil eines Transformators sein. Das Bauteil kann auch ein Gehäuse für eine Elektronik oder eines elektronischen Bauteils sein. Fernern kann das Bauteil Teil eines magnetischen Sensors sein.
  • Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Bauteil.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
    • FIG 1
    eine schematische Darstellung eines Festkörpers, zu dessen Herstellung ein weichmagnetisches Ausgangs-material mittels eines aerosolbasierten Verfahrens auf ein Trägerelement aufgebracht wird;
    FIG 2
    ein Bauteil in Form eines Blechpakets für eine elektrische Maschine, welches aus mehreren Festkörpern als Bleche gefertigt ist; und
    FIG 3
    ein Bauteil gemäß einer weiteren Ausführungsform, wobei das Bauteil ein Gehäuse für ein elektronisches Bauteil bildet.
  • In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • FIG 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen Festkörper 1, welcher auf ein Trägerelement 2 aufgebracht ist. Bei dem Trägerelement 2 handelt es sich um ein Substrat 6. Aus dem Festkörper 1 kann ein Bauteil 3 für eine elektrische oder elektronische Komponente gefertigt werden.
  • Zunächst wird ein Ausgangsmaterial 4 bereitgestellt. Dieses Ausgangsmaterial 4 liegt in Form von einzelnen Partikeln 5 beziehungsweise in Pulverform vor. Das Ausgangsmaterial 4 umfasst einen weichmagnetischen Werkstoff. Dieser weichmagnetische Werkstoff ist insbesondere eine nanokristalline und/oder amorphe Legierung. Amorphe Materialstrukturen sind gekennzeichnet durch Abwesenheit periodischer kristalliner Atomanordnungen und sind weitgehend ungeordnet. Zudem sind weichmagnetische amorphe Metalle gleichzeitig metallisch hart. Die weichmagnetischen Eigenschaften der nanokristallinen Werkstoffe ergeben sich die Überlagerung der Eigenschaften von amorpher Restphase und nanokristallinen Partikeln. Der Werkstoff beziehungsweise das Ausgangsmaterial 4 kann Eisen, Nickel, Kupfer, Bor, Molybdän, Mangan, Silizium, Kobalt, Phosphor, Zirconium, Niob, Tantal und/oder Titan umfassen. Um die Partikel 5 herzustellen, kann der Werkstoff gemahlen werden. Das Mahlverfahren wird dabei derart durchgeführt, dass die nanokristallinen und/oder amorphen Eigenschafen erhalten bleiben.
  • Um den Festkörper 1 herzustellen, wird das Ausgangsmaterial 4 auf das Trägerelement 2 aufgebracht. Hierzu kommt ein aerosolbasiertes Verfahren zum Einsatz, welche eine Kompaktierung der Partikel 5 bei niedrigen Temperaturen ermöglichen. Beispielsweise kann die Aerosol Deposition Method (ADM) oder die Cold Gas Deposition verwendet werden. Bei der vorliegend schematisch dargestellten Vorrichtung 7 befinden sich die Partikel 5 in einem Behälter 8. Diesem Behälter 8 wird ein Kaltgasstrom über eine Zuleitung 9 zugeführt. Hierdurch werden die Partikel 5 der amorphen und/oder nanokristallinen Materialien stark beschleunigt und treffen anschließend auf das Trägerelement 2 beziehungsweise das Substrat 6 auf. Durch die hohe kinetische Energie der aufgespritzten Partikel 5 und eine zumindest partielle plastische Deformation beziehungsweise ein Zerbrechen der Partikel 5 beim Auftreffen auf das Substrat 6 wird in Verbindung mit der so geschaffenen hohen Oberflächenenergie der Partikel 5 eine in-situ Sinterung und somit eine mechanische Verbindung der Pulverpartikel zu dem Festkörper 1 erreicht. Die kinetische Energie der auftreffenden Partikel 5 sowie die Partikelgrößenverteilung sind maßgeblich für die Verdichtung. Die amorphe Struktur der amorphen Ausgangsmaterialien wird dabei zumindest teilweise erhalten.
  • Dabei werden die Partikel 5 über einen Sprühkopf 10 abgegeben. Dieser Sprühkopf 10 kann relativ zu dem Trägerelement 2 bewegt werden. Somit kann die Formgebung des Festkörpers 1 bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich können entsprechende Maskierungsschichten verwendet werden. Durch die Methode kann der Festkörper 1 als Schicht erhalten werden, wobei die Schicht eine Dicke größer als 50 µm aufweist. Ein derartiger Festkörper 1 kann dann als Blech für eine elektrische Maschine verwendet werden.
  • FIG 2 zeigt ein Bauteil 3, welches aus mehreren Festkörpern 1 gebildet ist. Dieses Bauteil 3 bildet ein Blechpaket 12 für eine elektrische Maschine. Dieses Blechpaket 12 umfasst mehrere Festkörper 1 als Einzelbleche, wobei zwischen den Einzelblechen jeweils ein elektrisch isolierendes Material 11 vorgesehen ist. Hierdurch können Wirbelstromverluste verringert werden. Die Anzahl und Abmessungen der Einzelbleche und des elektrisch isolierenden Materials 11 sind beispielhaft zu verstehen.
  • Das Bauteil 3 kann in einem Stator und/oder Rotor einer elektrischen Maschine verwendet werden. Auf diese Weise wird der Aufbau von Blechen und Blechpaketen 12 beziehungsweise Blechschnitten aus weichmagnetischen Materialien, die derzeit nur in begrenzten Ausführungsformen vorliegen Beispielsweise liegen die Materialien als rascherstarrte Bänder, Pulver oder als sogenannte Droplets, die mittels Splash Cooling hergestellt werden, vor. Des Weiteren ergibt sich der Einsatz neuer Materialien mit verbesserten magnetischen Eigenschaften in Form weichmagnetischer Bleche, insbesondere mit geringeren Ummagnetisierungsverlusten. Dadurch wird ein höherer elektrischer Wirkungsgrad (höhere Effizienz) der elektrischen Maschinen erreicht.
  • FIG 3 zeigt ein Bauteil 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform, welches aus dem Ausgangsmaterial 4 mittels des aerosolbasierten Verfahrens hergestellt werden kann. Bei dem Bauteil 3 handelt es sich um ein Gehäuse 13. In dem Gehäuse 13 ist vorliegende beispielhaft ein elektronisches Bauteil 14 angeordnet. Das Bauteil 14 und das Gehäuse 13 sind auf einer Leiterplatte 15 angeordnet. Zur Herstellung des Bauteils 3 beziehungsweise des Gehäuses 13 wird der Festkörper 1 auf ein Trägerelement 2 aufgebracht, welches einen Teil des Gehäuses 13 bildet. Beispielsweise kann das Trägerelement 2 aus einem Metall gefertigt sein. Auf dieses Trägerelement 2 wird das Ausgangsmaterial 4 beziehungsweise die Partikel 5 mittels des aerosolbasierten Verfahrens so aufgebracht, dass sich der Festkörper 1 ausbildet. Der Festkörper 1 stellt vorliegend eine weichmagnetische Beschichtung dar. Somit können elektromagnetische Störungen, die von dem Bauteil 14 verursacht werden, durch das Gehäuse 13 abgeschirmt werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (3) für eine elektrische oder elektronische Komponente mit den Schritten:
    - Bereitstellen eines Ausgangsmaterials (4), welches Partikel (5) aus einem weichmagnetischen Werkstoff umfasst, wobei der weichmagnetische Werkstoff nanokristallin und/oder amorph ist, und
    - Aufbringen des Ausgangsmaterials (4) auf ein Trägerelement (1),
    - wobei das Ausgangsmaterial (4) zum Aufbringen auf das Trägerelement (2) mittels eines Kaltgasstroms derart beschleunigt wird, dass sich die Partikel (5) bei einem Auftreffen auf das Trägerelement (2) durch zumindest teilweises Sintern zu einem Festkörper (1) verbinden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur des Kaltgasstroms derart bestimmt wird, dass eine nanokristalline und/oder amorphe Struktur der Partikel (5) beim Beschleunigen mittels des Kaltgasstroms unverändert bleibt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial (4) in Pulverform bereitgestellt wird und das Ausgangsmaterial (4) mit einem aerosolbasierten Beschichtungsverfahren auf das Trägerelement (2) aufgebracht wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Formgebung des Festkörpers (1) das Ausgangsmaterial (4) mittels eines Sprühkopfs (10) auf einen vorbestimmten Auftragungsbereich des Trägerelements (2) aufgebracht wird und/oder auf einen von dem Auftragungsbereich verschiedenen Bereich eine Maskierungsschicht aufgebracht wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bereitstellen des Ausgangsmaterials (4) der weichmagnetische Werkstoff gemahlen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper (1) zumindest bereichsweise thermisch behandelt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (2) ein Substrat (6) ist und zum Herstellen des Bauteils (3) der Festkörper (1) von dem Trägerelement (2) gelöst wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen des Bauteils (3) auf den Festkörper (1) ein elektrisch isolierendes Material (11) aufgebracht wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (2) ein Teil des Bauteils (3) ist und der auf das Trägerelement (2) aufgebrachte Festkörper (1) einen weiteren Teil des Bauteils bildet.
  10. Bauteil (3) für eine elektrische oder elektronische Komponente, welches mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
  11. Bauteil (3) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (3) ein Blech eines Aktivteils einer elektrischen Maschine ist.
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