EP4315376A1 - Verfahren zur herstellung einer planaren struktur und vorrichtung - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer planaren struktur und vorrichtung

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Publication number
EP4315376A1
EP4315376A1 EP22713642.1A EP22713642A EP4315376A1 EP 4315376 A1 EP4315376 A1 EP 4315376A1 EP 22713642 A EP22713642 A EP 22713642A EP 4315376 A1 EP4315376 A1 EP 4315376A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
green body
carrier substrate
temperature gradient
temperature
substrate
Prior art date
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Pending
Application number
EP22713642.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Denneler
Carsten Schuh
Thomas Soller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP4315376A1 publication Critical patent/EP4315376A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/14—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates
    • H01F41/16—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates the magnetic material being applied in the form of particles, e.g. by serigraphy, to form thick magnetic films or precursors therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/0206—Manufacturing of magnetic cores by mechanical means
    • H01F41/0233—Manufacturing of magnetic circuits made from sheets

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a planar structure according to the preamble of patent claim 1 and a device for carrying out the method according to patent claim 12.
  • a new process for the production of planar structures is screen or stencil printing.
  • a printing paste is first produced, which is then printed using a screen and/or stencil printing technique processed into a green body in a thick layer and then the resulting green body is converted into a metallically structured component, hereinafter referred to as a planar structure, by thermal treatment such as debinding and sintering.
  • a planar structure can be an electrical steel sheet, for example, with a stacking of a large number of these electrical steel sheets leading to a magnetic sheet stack for an electrical machine.
  • Such a method is described, for example, in WO 2020/099052A1.
  • the green body is printed onto a carrier substrate, with good wetting and thus adhesion of the printing paste to the substrate being desirable in order to ensure a flawless printed image.
  • the green body Before thermal processing, the green body must then be detached from the carrier substrate.
  • the release of the bond between the carrier and the green body represents a critical process step insofar as the green body, which is typically around 100 ⁇ m thick, can easily be damaged if the force is too great or unfavorable.
  • the iron particles essentially a polymer-based matrix and filler particles, so that it can be handled in itself, but has a certain sensitivity. It is thus easily possible to induce cracks due to the mechanical stresses introduced, which are disadvantageous in the further course of the process with regard to the dimensional accuracy or the freedom from defects of the resulting planar structure.
  • the object of the invention is to provide a process technology that is more reliable than the prior art and to reduce the scrap rate in the production of planar structures.
  • the method according to claim 1 comprises the following steps:
  • the carrier substrate is tempered in such a way that a temperature gradient is generated on its surface under the green body
  • a planar structure is an essentially flat, sheet-like structure that is significantly larger in its extent in a plane of propagation than in its height.
  • a green body is understood to be a preliminary body for subsequent heat treatment.
  • a green body is in itself Generally mechanically self-supporting and with limited mechanical loading capacity.
  • the heat treatment in particular in the form of a sintering process, in which, unlike in a melting process, individual grains in the green body form a cohesive, materially connected structure through diffusion processes, the green body is converted into a sintered body. After the heat treatment described and the resulting mechanical hardening, the structure is said to be planar.
  • a screen printing process is understood to mean a process in which a paste is applied to a substrate, for example by means of a squeegee, resulting in a layer which usually has a thickness in the range between 70 gm and 150 gm.
  • the paste is only printed on the substrate in certain uncovered areas that are kept free by means of a stencil. As a rule, the paste is printed through a screen, but this is not absolutely necessary. Stencil printing without using a screen is also subsumed under the term screen printing process.
  • a carrier substrate is a self-supporting structure with a surface that is as smooth as possible.
  • the surface is intended to be used to print the green body on it, with another thin layer being optionally applied between the surface and the green body, for example in the form of an adhesion promoter layer. In this case, too, it is said that the green body is printed onto the surface of the carrier substrate.
  • the carrier substrate can also have other elements such as a frame, a carrier plate and/or temperature control elements, which are joined together accordingly.
  • the surface of the carrier substrate extends in a surface plane that is as planar as possible. The method described makes it possible to detach the green body from the carrier substrate safely and cleanly.
  • tensile and/or compressive and/or shearing stresses are generated due to the different coefficients of thermal expansion of the substrate and the green body, which support detachment of the green body from the substrate.
  • the intensity of these tensile, compressive and shear stresses is selected by the value ranges described with regard to the temperature gradient and with regard to the expansion thereof in such a way that they just support detachment of the green body from the surface, but do not represent any damage to the green body itself .
  • the temperature gradient extends over a distance of at least 10 mm.
  • the temperature gradient runs as far as possible over the entire surface level of the carrier substrate under the green body.
  • the temperature gradient is allowed to run to the opposite end of the green body.
  • the temperature gradient over the described extension has an absolute value of 100 K.
  • the tensile, compressive and shearing stresses that occur under the green body over this temperature range are suitable for detaching it.
  • temperature gradients between 70 K and 150 K are well suited to achieve the described effect.
  • This alternating temperature gradient should therefore be at least 10 mm and after at least another 10 mm (i.e. after a total propagation of at least 20 mm) with a reversed sign, until it can assume the original sign again after a further 10 mm, for example.
  • local tensile, compressive and shear stresses are induced due to the different coefficients of expansion, with the absolute temperature gradient being kept comparatively small.
  • the 10 mm intervals mentioned are a lower limit within which the desired effect can still be achieved in a technically feasible manner.
  • These can also be selected to be higher, in particular in the case of alternating temperature gradients, these can also be higher than the 0.5 K/mm described, for example 1 K/mm.
  • the surface of the carrier substrate prefferably has an average roughness Ra which is less than 0.5 gm, particularly preferably less than 0.2 gm and very particularly preferably less than 0.09 gm.
  • the abbreviation Ra for the arithmetic average roughness is standardized according to DIN EN ISO 4287:2010. To determine this measured value, the surface is scanned over a defined measuring section and all differences in height and depth of the surface are recorded. After calculating the specific integral of this roughness curve on the measuring section, this result is finally divided by the length of the measuring section.
  • a very smooth surface of the carrier substrate supports the removability of the green body from the surface in addition to the measures mentioned using temperature gradients.
  • the finer the surface the easier it is to remove the green body.
  • this is also on the surface surface of the carrier substrate adheres, so that the application of a bonding agent layer between the surface of the carrier substrate and the green body to be printed on it is expedient.
  • the feature according to claim 1, according to which the green body is printed on the surface of the carrier substrate is also to be understood in such a way that the described adhesion-promoting layer can also be arranged between the surface of the carrier substrate and the green body.
  • temperature control elements to be arranged underneath the carrier substrate.
  • These temperature control elements are preferably Peltier elements.
  • the green body is expedient for the green body to be dried on the carrier substrate after the green body has been printed. Drying the green body on the carrier substrate also facilitates removal of the green body and is an advantage over drying after the green body has been removed.
  • planar structures are produced according to the method described and these are stacked one on top of the other to form a three-dimensional structure. This is particularly useful for constructing a laminated core for an electrical machine.
  • the planar structures are designed as magnetic sheets.
  • a further component of the invention is a device for carrying out a method according to one of the preceding claims.
  • This device comprises a carrier substrate with a surface for applying a green body by means of a screen printing process and a surface opposite lying substrate underside, wherein tempering elements are arranged on or in the Substratun underside.
  • the device described has the same advantages that have already been presented for the method explained above. It is expedient here if the temperature control elements are designed in the form of Peltier elements or in the form of fluid channels.
  • FIG. 3 shows a plan view of a carrier substrate with a screen printing stencil
  • FIG. 4 shows a plan view of a carrier substrate with a green body printed thereon and the representation of a temperature gradient
  • FIG. 5 shows an analog representation according to FIG. 4 with a different temperature gradient
  • FIG. 6 shows a representation analogous to FIG. 4 with radial temperature gradients
  • FIG. 7 shows a three-dimensional representation of a typical planar structure
  • FIG. 8 shows a three-dimensional structure composed of a large number of planar structures in the form of a laminated core for an electrical machine
  • FIG. 9 shows a laminated core similar to that in FIG. 8 mounted on a shaft as a rotor for an electrical machine.
  • individual method steps for producing a planar structure 2 are shown in sub-figures a), b) and c).
  • a screen printing process 4 is described schematically in FIG.
  • a printing paste not shown here, is printed by the squeegee 4 through a printing template 38 (cf. FIG. 3), so that the green body 6 adheres to a surface 8 of the carrier substrate.
  • the printing template 38 is mounted in a printing frame 36 according to FIG. 3, with a screen being able to be clamped in the printing frame 36, which screen is not illustrated here.
  • the screen serves to distribute the printing paste evenly on the surface 8 of the strate 10 Suspend. Whether a screen is used or not depends on the rheological properties of the printing paste. Therefore, the term “stencil printing” is generally subsumed under the generic term "screen printing”.
  • the method described is based on the task of simplifying the separation of the printed green body as much as possible.
  • the green body there is also the need for the green body to adhere well to the surface 8 of the substrate during printing.
  • an adhesion-promoting layer 18 is often applied for this purpose (cf. FIGS. 2a) and 2b)).
  • the surface 8 is a polished metal surface which has an average roughness Ra of 0.3 ⁇ m.
  • the drying device 40 can be an infrared heater, for example.
  • a heat treatment furnace in the form of a continuous furnace 42 is also shown schematically.
  • the Continuous furnace 42 has a heating chamber 43 through which the green bodies 6 detached from the carrier substrate are conveyed on a conveyor belt 44 and are thereby subjected to a heat treatment process in the form of a sintering process. After the green bodies 6 have left the heating chamber 43 , they are referred to as planar structures 2 .
  • the continuous furnace 42 can also include areas that are at a lower temperature and can contribute to debinding or additional drying of the green body.
  • Temperature control elements 20 are attached to or in a substrate underside 30 of the carrier substrate 10 .
  • the tempering elements 20 are in the form of Peltier elements 22, which are arranged on the underside 30.
  • Each of the Peltier elements 22 can be controlled in such a way that a very specific temperature can be applied to the carrier substrate 10 and then to its surface 8 or perpendicular to the carrier substrate 10 on its surface plane 16 . Since each Peltier element 22 can generate a different temperature by electrical control, it is possible to represent a temperature gradient 14 in the surface plane 16 len. The different temperature gradients 14 and their configuration are explained in FIGS. 4-6 by way of example.
  • FIG. 2b An alternative embodiment of the temperature control elements 20 is shown in FIG. 2b) in the form of fluid channels 32.
  • the fluid channels 32 are integrated in the underside 30 of the carrier substrate 10 .
  • the fluid channels 32 run, for example, in a meandering or circular manner, depending on the design of the temperature gradient 14.
  • a temperature gradient 14 can be created by introducing a fluid at a specific temperature into the fluid channel 32 are generated because the fluid constantly emits heat to the carrier substrate 10 as it passes through the meander-shaped fluid channel 32 and thus increasingly has a lower temperature.
  • the temperature gradient 14 runs in the surface plane 16 of the carrier substrate 10 from one end of the green body 6 to its other end. This is a single specific propagation direction of the temperature gradient 14.
  • a relatively high absolute temperature gradient over the entire surface plane 16 can be achieved with a temperature gradient of 0.5 K/mm ( temperature gradients between 70 K and 150 K are desirable. If the green body 6 has a diameter of 150 mm, for example, the temperature gradient 14 over its dimension 17 is 75° C. at a gradient of 0.5 K/mm Surface 8 below the Grünkör pers 6 at the beginning of the temperature gradient, for example 20°
  • the absolute value of the temperature difference is 105 K when the temperature gradient is 140.7 K/mm.
  • the temperature gradient 14 mentioned and the absolute temperatures occurring therein are harmless for the mechanical properties of the green body 6 .
  • the green body is larger, for example 250 mm in diameter, then with a gradient of 0.5 K/mm, there is a temperature difference of 175° C. This could already lead to changes in the structure of the green body.
  • This temperature gradient 14 and 14' according to FIG. 5 can of course also be increased, so that a temperature gradient in the range between 70 and 150° C. also occurs in the extent 17 described here, for example if the temperature gradient is 4 K/mm.
  • the design of the temperature gradients 14 and 14′ can always be adapted based on the expansion coefficients of the material used for the carrier substrate 10 and the green body 6 produced.
  • a polished metal disc for example a stainless steel disc, is usually used as the material for the carrier substrate.
  • FIG. 1 An alternative embodiment of the temperature gradient 14 and 14' is shown in FIG. This temperature gradient serves 14 and 14' is configured alternately as in FIG. 5, but in the form of concentric circles which run from the center point of the green body to its outside.
  • the temperature gradients described support the safe separation of the green body 6 from the substrate.
  • mechanical support is usually required.
  • the separation of the green body 6 from the surface 8 of the carrier substrate 10 can be used in addition to the described temperature gradient 14 using other tools, for example a a vacuum gripper or an electromagnetic gripper, as well as being assisted by a suction roller or by a peeling device such as a wire or a knife.
  • FIG. 7 shows an example of a planar structure 2 produced according to the method described and designed in the form of a magnetic sheet 29 .
  • a large number of these magnetic sheets 29 are stacked together to form a three-dimensional structure 26 in the form of a sheet metal package 28 .
  • Such a laminated core 28 in turn can be mounted on a shaft 46 and thus forms the rotor of an electrical machine, not shown.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer planaren Struktur (2) umfassend folgende Schritte, - Drucken eines Grünkörpers (6) der Struktur (2) mittels eines Siebdruckverfahrens (4) auf eine Oberfläche (8) eines Trägersubstrat (10), - Entfernen des Grünkörpers (6) vom Trägersubstrat (10), - Wärmebehandlung des Grünkörpers zur Umwandlung des Grünkörpers in die planare Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Temperierung des Trägersubstrates (10) in der Form erfolgt, dass an seiner Oberfläche (8) unter dem Grünkörper (6) ein Temperaturgradient (14) erzeugt wird, - der entlang einer Oberflächenebene (16) mindestens 0,5 K/mm beträgt und - eine Ausdehnung (17) in der Oberflächenebene (16) von mindestens 10 mm aufweist.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung einer planaren Struktur und Vor richtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer planaren Struktur nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 12.
Ein neues Verfahren zur Herstellung von planaren Strukturen, wie beispielsweise von Magnetblechen für elektrische Maschi nen, stellt der Sieb- oder Schablonendruck dar. Hierbei wird, ausgehend von Metallpulvern, zunächst eine Druckpaste er zeugt, diese dann mittels einer Sieb- und/oder Schablonen drucktechnik zu einem Grünkörper in Dickschicht verarbeitet und anschließend der entstandene Grünkörper durch thermische Behandlung wie einer Entbinderung und einer Sinterung in ein metallisch strukturiertes Bauteil, im Weiteren als planare Struktur bezeichnet, überführt. Eine derartige planare Struk tur kann beispielsweise ein Elektroblech sein, wobei eine Stapelung einer Vielzahl dieser Elektrobleche zu einem Mag- netblechstapel für eine elektrische Maschine führt. Ein der artiges Verfahren ist beispielsweise in der WO 2020/099052A1 beschrieben.
Beim Formgebungsschritt mittels des Sieb- oder des Schablo nendruckverfahrens wird der Grünkörper dabei auf ein Trä gersubstrat gedruckt, wobei eine gute Benetzung und damit Ad häsion der Druckpaste auf dem Substrat wünschenswert ist, um ein fehlerfreies Druckbild zu gewährleisten. Vor der thermi schen Prozessierung muss der Grünkörper dann vom Trägersub strat abgelöst werden. Das Lösen des Verbundes zwischen Trä ger und Grünkörper stellt insofern einen kritischen Prozess schritt dar, als dass der typischerweise ca. 100 pm dicke Grünkörper bei zu großer oder unvorteilhafter Krafteinwirkung leicht Schaden erleiden kann. Der Grünkörper umfasst neben seinen funktionalen Bestandteilen, beispielsweise den Eisen- partikeln, im Wesentlichen eine polymerbasierte Matrix sowie Füllpartikel, sodass er zwar an sich handhabbar ist, aber eben eine gewisse Empfindlichkeit aufweist. Somit ist es leicht möglich, durch die eingebrachten mechanischen Spannun gen Risse zu induzieren, die im weiteren Prozessablauf nach teilig in Bezug auf die Maßhaltigkeit oder die Fehlerfreiheit der daraus entstandenen planaren Struktur sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine gegenüber dem Stand der Technik sicherere Prozesstechnik bereitzustellen, und die Ausschussrate bei der Herstellung von planaren Struk turen zu reduzieren.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 12.
Das Verfahren nach Patentanspruch 1 umfasst folgende Schrit te:
- Drucken eines Grünkörpers der Struktur mittels eines Sieb druckverfahrens auf eine Oberfläche eines Trägersubstrates
- Entfernen des Grünkörpers vom Trägersubstrat
- Wärmebehandlung des Grünkörpers zum Umwandeln des Grünkör pers in die planare Struktur.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass
- eine Temperierung des Trägersubstrats in der Form erfolgt, dass an seiner Oberfläche unter dem Grünkörper ein Tempera turgradient erzeugt wird,
- der entlang einer Oberflächenebene mindestens 0,5 K/mm be trägt und eine Ausdehnung in der Oberflächenebene von mindes tens 10 mm aufweist.
Eine planare Struktur ist eine im Wesentlichen ebene, blech artige Struktur, die in ihrer Erstreckung in einer Ausbrei tungsebene wesentlich größer ist als in ihrer Höhe. Unter ei nem Grünkörper wird dabei ein Vorkörper für eine spätere Wär mebehandlung verstanden. Ein Grünkörper ist an sich in der Regel mechanisch selbsttragend und mechanisch begrenzt be lastbar. Durch die Wärmebehandlung insbesondere in Form eines Sintervorgang, bei dem anders als bei einem Schmelzvorgang einzelne Körner im Grünkörper durch Diffusionsprozesse eine zusammenhängende, stofflich verbundene Struktur ausbilden, wird der Grünkörper in einen Sinterkörper überführt. Nach der beschriebenen Wärmebehandlung und der damit eintretenden me chanischen Verfestigung wird von der planaren Struktur ge sprochen.
Unter einem Siebdruckverfahren wird ein Verfahren verstanden, bei dem eine Paste beispielsweise mittels eines Rakels auf ein Substrat aufgebracht wird, wobei eine Schicht entsteht, die üblicherweise eine Dicke aufweist, die im Bereich zwi schen 70 gm und 150 gm liegt. Die Paste wird nur auf bestimm te, nicht abgedeckte Bereiche, die mittels einer Schablone freigehalten sind, auf das Substrat gedruckt. In der Regel wird die Paste dabei durch ein Sieb gedruckt, was aber nicht zwingend notwendig ist. Ein Schablonendruck ohne Verwendung eines Siebes wird ebenfalls unter dem Begriff Siebdruckver fahren subsummiert.
Ein Trägersubstrat ist eine selbstragende Struktur mit einer möglichst glatten Oberfläche. Die Oberfläche ist dazu vorge sehen, den Grünkörper darauf zu drucken, wobei gegebenenfalls zwischen der Oberfläche und dem Grünkörper eine weitere Dünn schicht, beispielsweise in Form einer Haftvermittlungs schicht, aufgebracht sein kann. Auch in diesem Fall wird da von gesprochen, dass der Grünkörper auf die Oberfläche des Trägersubstrates aufgedruckt ist. Das Trägersubstrat kann ne ben einem die beschriebene Oberfläche aufweisenden Substrat körper auch noch weitere Elemente wie einen Rahmen, eine Trä gerplatte und/oder Temperierelemente aufweisen, die entspre chend aneinandergefügt sind. Die Oberfläche des Trägersub strates erstreckt sich in einer möglichst planaren Oberflä chenebene. Das beschriebene Verfahren ermöglicht es, den Grünkörper si cher und sauber von dem Trägersubstrat zu lösen. Durch den Temperaturgradienten entlang der Oberflächenebene zwischen Grünkörper und Oberfläche des Trägersubstrates werden auf grund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats und des Grünkörpers Zug- und/oder Druck- und/oder Scherspannungen erzeugt, die ein Ablösen des Grünkörpers vom Substrat unterstützen. Dabei ist durch die beschriebenen Wer tebereiche bezüglich des Temperaturgradienten und bezüglich der Ausdehnung desselben die Intensität dieser Zug-, Druck- und Scherspannungen so gewählt, dass sie gerade ein Ablösen des Grünkörpers von der Oberfläche unterstützen, jedoch kei nen Schaden für den Grünkörper an sich darstellen.
Der Temperaturgradient erstreckt sich auf eine Entfernung von mindestens 10 mm. Dabei gibt es unterschiedliche Möglichkei ten, diesen Temperaturgradienten auszugestalten. Zum einen ist es technisch gut umzusetzen, wenn der Temperaturgradient möglichst über die gesamte Oberflächenebene des Trägersub strates unter dem Grünkörper verläuft. Man hat also einen Ausgangspunkt, beispielsweise den Punkt, an dem der Grünkör per auf dem Trägersubstrat in seiner flächigen Ausbreitung beginnt, und lässt den Temperaturgradienten bis zum gegen überliegenden Ende des Grünkörpers verlaufen. Wenn der Grün körper beispielsweise eine Ausdehnung von 200 mm aufweist, so weist der Temperaturgradient über die beschriebene Ausdehnung einen absoluten Betrag von 100 K. auf. Die Zug-, Druck- und Scherspannungen, die über diesen Temperaturbereich unter dem Grünkörper auftreten, sind dazu geeignet, diesen abzulösen. Grundsätzlich sind Temperaturgradienten zwischen 70 K und 150 K gut geeignet, die beschriebene Wirkung zu erzielen.
Ist der Grünkörper von seiner Beschaffenheit jedoch empfind licher gegenüber den beschriebenen Zug-, Druck- und Scher spannungen, so kann es zweckmäßig sein, einen alternierenden Temperaturgradienten über den Verlauf des Grünkörpers in der Oberflächenebene zu generieren. Dieser alternierende Tempera turgradient sollte somit mindestens 10 mm betragen und nach mindestens weiteren 10 mm (also nach mindestens 20 mm Gesamt ausbreitung) mit einem umgekehrten Vorzeichen weiterverlau fen, bis er nach beispielsweise weiteren 10 mm wieder das ur sprüngliche Vorzeichen annehmen kann. Auf diese Weise werden lokale Zug-, Druck- und Scherspannungen aufgrund der unter schiedlichen Ausdehnungskoeffizienten induziert, wobei der absolute Temperaturgradient vergleichsweise klein gehalten wird. Auf diese Weise wird verhindert, insbesondere bei flä chenmäßig groß ausgeprägten Grünkörpern, dass zu hohe absolu te Temperaturschwankungen entlang des Temperaturgradienten auftreten, die ggf. bereits die inneren Eigenschaften des Grünkörpers beeinflussen können. Bei alternierenden Tempera turgradienten sind die genannten 10 mm Intervalle eine Unter grenze, innerhalb derer die gewünschte Wirkung noch technisch gut umsetzbar erzielt wird. Diese können auch höher gewählt werden, insbesondere können gerade bei alternierenden Tempe raturgradienten diese auch höher als die beschriebenen 0,5K/mm, beispielsweise bei 1 K/mm liegen.
Es ist zweckmäßig, dass die Oberfläche des Trägersubstrats eine Mittenrauigkeit Ra aufweist, die kleiner als 0,5 gm, insbesondere bevorzugt kleiner als 0,2 gm und ganz besonders bevorzugt kleiner als 0,09 gm ist. Das Kürzel Ra für den arithmetischen Mittenrauwert (auch Mittenrauigkeit) ist nach DIN EN ISO 4287:2010 genormt. Zur Ermittlung dieses Messwer tes wird die Oberfläche auf einer definierten Messstrecke ab getastet und sämtliche Höhen- und Tiefenunterschiede der Oberfläche aufgezeichnet. Nach der Berechnung des bestimmten Integrals dieses Rauheitsverlaufes auf der Messstrecke wird abschließend dieses Ergebnis durch die Länge der Messstrecke dividiert.
Eine sehr glatte Oberfläche des Trägersubstrates unterstützt die Entfernbarkeit des Grünkörpers von der Oberfläche zusätz lich zu den genannten Maßnahmen mittels Temperaturgradient.
Je feiner die Oberfläche ist, umso leichter lässt sich der Grünkörper wieder entfernen. Anderseits ist es auch nötig, dass beim Drucken der Druckpaste diese auch auf der Oberflä- che des Trägersubstrates anhaftet, sodass das Aufbringen ei ner Haftvermittlungsschicht zwischen der Oberfläche des Trä gersubstrates und des darauf aufzudruckenden Grünkörpers zweckmäßig ist. Vor diesem Hintergrund ist das Merkmal nach Patentanspruch 1, wonach der Grünkörper auf die Oberfläche des Trägersubstrates gedruckt wird, auch so zu verstehen, dass zwischen der Oberfläche des Trägersubstrates und dem Grünkörper auch noch die beschriebene Haftvermittlungsschicht angeordnet sein kann.
Zur Erzeugung des Temperaturgradienten ist es zweckmäßig, dass unterhalb des Trägersubstrates Temperierelemente ange ordnet sind. Diese Temperierelemente sind bevorzugt Peltier- Elemente. Grundsätzlich kann es allerdings auch zweckmäßig sein, unter dem Trägersubstrat oder im unteren Bereich des Trägersubstrates Kanäle anzuordnen, in dem ein Fluid zum Tem perieren des Trägersubstrates fließt.
Ferner ist es zweckmäßig, dass nach dem Drucken des Grünkör pers ein Trocknungsschritt des Grünkörpers auf dem Trägersub strat erfolgt. Das Trocknen des Grünkörpers auf dem Trä gersubstrat erleichtert ebenfalls das Entfernen des Grünkör pers und ist ein Vorteil gegenüber dem Trocknen nach dem Ent fernen des Grünkörpers.
Im Weiteren ist es zweckmäßig, wenn eine Mehrzahl von plana ren Strukturen nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt wird und diese zu einer dreidimensionalen Struktur übereinan der gestapelt werden. Dies ist insbesondere zum Aufbau eines Blechpaketes für eine elektrische Maschine zweckmäßig. In diesem Fall sind die planaren Strukturen als Magnetbleche ausgestaltet.
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehen den Ansprüche. Diese Vorrichtung umfasst ein Trägersubstrat mit einer Oberfläche zum Aufbringen eines Grünkörpers mittels eines Siebdruckverfahrens und eine der Oberfläche gegenüber- liegende Substratunterseite, wobei an oder in der Substratun terseite Temperierelemente angeordnet sind. Die beschriebene Vorrichtung weist dieselben Vorteile auf, die bereits zu dem vorab erläuterten Verfahren vorgetragen sind. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Temperierelemente in Form von Peltier- Elementen oder in Form von Fluidkanälen ausgestaltet sind.
Weitere Vorteile der Erfindung und weitere Merkmale werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur la) - c) den grundsätzlichen schematischen Ablauf der Herstellung einer planaren Struktur,
Figur 2a, b zwei mögliche Ausgestaltungsformen des Kastens II in Figur la) in detaillierterer Form,
Figur 3 eine Draufsicht auf ein Trägersubstrat mit einer Siebdruckschablone,
Figur 4 eine Draufsicht auf ein Trägersubstrat mit einem darauf gedruckten Grünkörper und die Darstellung eines Tempe raturgradienten,
Figur 5 eine analoge Darstellung gemäß Figur 4 mit anders ausgestalteten Temperaturgradienten,
Figur 6 eine analoge Darstellung gemäß Figur 4 mit radial ausgestalteten Temperaturgradienten,
Figur 7 eine dreidimensionale Darstellung einer typischen planaren Struktur,
Figur 8 eine dreidimensionale Struktur, zusammengesetzt aus einer Vielzahl von planaren Strukturen in Form eines Blechpa ketes für eine elektrische Maschine,
Figur 9 ein Blechpaket ähnlich wie in Figur 8 auf einer Welle montiert als Rotor für eine elektrische Maschine. In der Figur 1 sind in den Teilfiguren a), b) und c) einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung einer planaren Struktur 2 dargestellt. In Figur la) wird schematisch ein Siebdruckver fahren 4 beschrieben, wobei auf ein Trägersubstrat 10 mittels eines Rakels 34 ein Grünkörper 6 aufgedruckt wird. Hierbei wird eine hier nicht dargestellte Druckpaste durch das Rakel 4 durch eine Druckschablone 38 (vgl. Figur 3) gedruckt, so- dass der Grünkörper 6 auf einer Oberfläche 8 des Trägersub strates haftet. Die Druckschablone 38 ist dabei in einem Druckrahmen 36 gemäß Figur 3 montiert, wobei in den Druckrah men 36 ein Sieb eingespannt sein kann, das hier nicht darge stellt ist. Das hier nicht dargestellte Sieb dient dazu, die Druckpaste gleichmäßig auf der Oberfläche 8 des Trägersub strates 10 zu verteilen. Ob ein Sieb eingesetzt wird oder nicht, hängt von den rheologischen Eigenschaften der Druck paste ab. Daher wird hier der Begriff „Schablonendruck" unter den Oberbegriff „Siebdruck" im Allgemeinen subsummiert.
Einerseits liegt dem beschriebenen Verfahren die Aufgabe zu grunde, das Abtrennen des gedruckten Grünkörpers möglichst zu vereinfachen. Zum anderen besteht aber auch die Notwendig keit, dass der Grünkörper auf der Oberfläche 8 des Substrates beim Aufdrucken gut haftet. Hierfür wird je nach Druckpaste häufig eine Haftvermittlungsschicht 18 aufgebracht (vgl. Fi guren 2a) und 2b)). Die Oberfläche 8 ist in dieser Ausgestal tung eine polierte Metalloberfläche, die eine Mittenrauigkeit Ra von 0,3 pm aufweist.
Im Weiteren wird gemäß Figur lb) ein Trocknungsschritt 24 durchgeführt, wobei in dieser vorteilhaften Ausgestaltungs form über das Trägersubstrat 10 mit dem Grünkörper 6 eine Trocknungsvorrichtung 40 platziert wird. Bei der Trocknungs vorrichtung 40 kann es sich beispielsweise um ein Infrarot heizgerät handeln.
In Figur lc) ist im Weiteren schematisch ein Wärmebehand lungsofen in Form eines Durchlaufofens 42 dargestellt. Der Durchlaufofen 42 weist dabei eine Heizkammer 43 auf, durch die die vom Trägersubstrat abgelösten Grünkörper 6 auf einem Förderband 44 befördert werden und dabei einem Wärmebehand lungsprozess in Form eines Sinterprozesses unterzogen werden. Nachdem die Grünkörper 6 die Heizkammer 43 verlassen haben, werden diese als planare Strukturen 2 bezeichnet. Der Durch laufofen 42 kann auch Bereiche umfassen, die niedriger tempe riert sind und zu einer Entbinderung oder zusätzlichen Trock nung des Grünkörpers beitragen können.
Zwischen den Teilfiguren lb) und lc) erfolgt ein Ablösen des Grünkörpers 6 von der Oberfläche 8 des Trägersubstrates 10. Auf die Mittel zum Ablösen des Grünkörpers 6 wird in Figur 2 in zwei verschiedenen Alternativen eingegangen. Dabei sind an oder in einer Substratunterseite 30 des Trägersubstrates 10 Temperierelemente 20 angebracht. In Figur 2a) sind die Tempe rierelemente 20 in Form von Peltier-Elementen 22 ausgestal tet, die an der Unterseite 30 angeordnet sind. Jedes der Pel tier-Elemente 22 kann dabei in der Art angesteuert werden, dass von diesem eine ganz bestimmte Temperatur auf das Trä gersubstrat 10 und im Weiteren an dessen Oberfläche 8 bzw. lotgerecht auf das Trägersubstrat 10 gesehen auf dessen Ober flächenebene 16 eingebracht werden kann. Da jedes Peltier- Element 22 durch eine elektrische Ansteuerung eine unter schiedliche Temperatur erzeugen kann, ist es möglich, in der Oberflächenebene 16 einen Temperaturgradienten 14 darzustel len. Die unterschiedlichen Temperaturgradienten 14 und ihre Ausgestaltung sind in den Figuren 4 - 6 beispielhaft erläu tert.
Eine alternative Ausgestaltungsform der Temperierelemente 20 ist in Figur 2b) in Form von Fluidkanälen 32 dargestellt. Da bei sind die Fluidkanäle 32 in der Unterseite 30 des Trä gersubstrates 10 integriert. Die Fluidkanäle 32 verlaufen da bei zum Beispiel mäanderförmig oder kreisförmig, je nach Aus gestaltung des Temperaturgradienten 14. So kann beispielswei se ein Temperaturgradient 14 durch Einleiten eines mit einer bestimmten Temperatur behafteten Fluids in den Fluidkanal 32 erzeugt werden, da das Fluid beim Durchlaufen des mäanderför migen Fluidkanals 32 stetig Wärme an das Trägersubstrat 10 abgibt und somit zunehmend eine geringere Temperatur auf weist. Grundsätzlich ist es jedoch auch zweckmäßig, mehrere getrennte Kanalsysteme von Fluidkanälen 32 einzubringen, um Fluide mit unterschiedlichen Temperaturen gezielt einzuspei sen und so den Temperaturgradienten 14 in der Oberflächenebe ne 16 zu generieren.
In Figur 4 ist eine Form der Darstellung des Temperaturgradi enten 14 gezeigt. Der Temperaturgradient 14 verläuft hierbei in der Oberflächenebene 16 des Trägersubstrates 10 von einem Ende des Grünkörpers 6 zu seinem anderen Ende. Hierbei han delt es sich um eine einzige gezielte Ausbreitungsrichtung des Temperaturgradienten 14. Bei relativ kleinen Durchmessern oder Abmessungen des Grünkörpers 6 kann bei einem Temperatur gradienten von 0,5 K/mm ein relativ hoher absoluter Tempera turgradient über die gesamte Oberflächenebene 16 erzielt wer den (anzustreben sind dabei Temperaturgradienten zwischen 70 K und 150 K. Hat der Grünkörper 6 beispielsweise einen Durch messer von 150 mm, so beträgt der Temperaturgradient 14 über seiner Abmessung 17 bei einem Gradienten von 0,5 K/mm 75° C. Weist die Temperatur der Oberfläche 8 unterhalb des Grünkör pers 6 am Beginn des Temperaturgradienten beispielsweise 20°
C auf, so weist sie an dem gegenüberliegenden Ende eine Tem peratur von 95° C auf. Beide Temperaturen sind dazu geeignet, entsprechende Zug-, Druck- bzw. Scherspannungen aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Trägersubstra tes 10 und des Grünkörpers 6 zu bewirken und ein Ablösen des Grünkörpers 6 von dem Trägersubstrat 10 zu erleichtern. Bei dem selben Grünkörper beträgt der absolute Betrag des Tempe raturunterschiedes 105 K, wenn der Temperaturgradient 140,7 K/mm beträgt.
Ferner sind der genannte Temperaturgradient 14 und die dabei auftretenden Absoluttemperaturen für die mechanischen Eigen schaften des Grünkörpers 6 unbedenklich. Ist jedoch der Grün körper größer, beispielsweise 250 mm im Durchmesser, so ent- steht bei einem Gradienten von 0,5 K/mm ein Temperaturunter schied von 175° C. Dies könnte bereits zu Veränderungen der Struktur des Grünkörpers führen.
In diesem Fall ist es zweckmäßig, gemäß Figur 5 einen alter nierenden Temperaturgradienten 14, 14' anzulegen, der eine
Ausdehnung vorzugsweise jeweils zwischen 10 und 20 mm auf weist und anschließend mit geänderten Vorzeichen wie in Figur 5 gezeigt, in dieselbe Richtung weiterverläuft. Dieser alter nierende Temperaturgradient 14, 14' hat den Vorteil, dass die absoluten Temperaturunterschiede auf der Substratoberfläche 8 und somit die thermische Belastung des Grünkörpers 6 geringer bleibt. Beträgt die Ausdehnung 17 des Gradienten 14 oder 14' 30 mm, so herrscht eine absolute Temperaturdifferenz von 30°
K vor. Dieser Temperaturgradient 14 und 14' gemäß Figur 5 kann natürlich auch erhöht werden, sodass in der hier be schriebenen Ausdehnung 17 ebenfalls ein Temperaturgradient im Bereich zwischen 70 und 150° C entsteht, beispielsweise wenn der Temperaturgradient 4 K/mm beträgt. Die Auslegung des Tem peraturgradienten 14 und 14' kann in allen hier beschriebenen Beispielen immer anhand der Ausdehnungskoeffizienten des ver wendeten Materials für das Trägersubstrat 10 und des erzeug ten Grünkörpers 6 adaptiert werden. Als Material für das Trä gersubstrat wird üblicherweise eine polierte Metallscheibe, beispielsweise eine Edelstahlscheibe, verwendet.
Eine alternative Ausgestaltungsform des Temperaturgradienten 14 und 14' ist in Figur 6 dargestellt. Dieser Temperaturgra dient 14 und 14' ist alternierend ausgestaltet wie in Figur 5, jedoch in Form von konzentrischen Kreisen, die vom Mittel punkt des Grünkörpers zu dessen Außenseite verlaufen.
Die beschriebenen Temperaturgradienten unterstützen das si chere Abtrennen des Grünkörpers 6 vom Substrat. Zudem bedarf es aber in der Regel noch eine mechanische Unterstützung. Das Abtrennen des Grünkörpers 6 von der Oberfläche 8 des Trä gersubstrates 10 kann neben dem beschriebenen Temperaturgra dienten 14 auch durch weitere Hilfsmittel, beispielsweise ei- nen Vakuumgreifer oder einen elektromagnetischen Greifer so wie durch eine Saugrolle oder durch eine Abschälvorrichtung wie zum Beispiel einen Draht oder ein Messer unterstützt wer den.
In Figur 7 ist exemplarisch eine nach dem beschriebenen Ver fahren hergestellte planare Struktur 2 dargestellt, die in Form eines Magnetbleches 29 ausgestaltet ist. Eine Vielzahl dieser Magnetbleche 29 wird, wie in Figur 8 dargestellt ist, zu einer dreidimensionalen Struktur 26 in Form eines Blechpa ketes 28 zusammengestapelt. Ein derartiges Blechpaket 28 wie derum kann auf eine Welle 46 montiert werden und bildet somit den Rotor einer nicht dargestellten elektrischen Maschine.
Bezugszeichenliste
2 planare Struktur
4 Siebdruckverfahren
6 Grünkörper
8 Oberfläche
10 Trägersubstrat
12 Wärmebehandlung
14 Temperaturgradient
16 Oberflächenebene
17 Ausdehnung T-Gradient
18 Haftvermittlungsschicht
20 Temperierelemente
22 Peltier-Element
24 Trocknungsschritt
26 dreidimensionale Struktur
28 Blechpaket
29 Magnetblech
30 Substratunterseite
32 Fluidkanäle
34 Rakel
36 Druckrahmen
38 Druckschablone
40 Trocknungsvorrichtung
42 Durchlaufofen
43 Heizkammer
44 Förderband
46 Welle

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer planaren Struktur (2) um fassend folgende Schritte,
- Drucken eines Grünkörpers (6) der Struktur (2) mittels ei nes Siebdruckverfahrens (4) auf eine Oberfläche (8) eines Trägersubstrats (10),
- Entfernen des Grünkörpers (6) vom Trägersubstrat (10),
- Wärmebehandlung des Grünkörpers zur Umwandlung des Grünkör pers in die planare Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Temperierung des Trägersubstrates (10) in der Form er folgt, dass an seiner Oberfläche (8) unter dem Grünkörper (6) ein Temperaturgradient (14) erzeugt wird,
- der entlang einer Oberflächenebene (16) mindestens 0,5 K/mm beträgt und
- eine Ausdehnung (17) in der Oberflächenebene (16) von min destens 10 mm aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Temperaturgradient (14) über die vom Grünkörper (6) bedeckte Oberfläche (8) erstreckt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturgradient (14) alterniert und nach einer Erstre ckung von mindestens 10 mm in der Oberflächenebene (16) ein zweiter Temperaturgradient (14') erzeugt wird, der mit umge kehrten Vorzeichen zum ersten Temperaturgradienten (14) ver läuft.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Oberfläche (8) und dem Grünkörper (6) eine Haftvermittlungsschicht (18) aufgebracht ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (8) des Trä gersubstrats (10) eine Mittenrauigkeit Ra aufweist, die klei ner als 0,5 pm ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittenrauigkeit Ra kleiner als 0,2 mpi, besonders bevor zugt kleiner als 0,09 mpi ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Trägersubstrates Temperierelemente (20) zur Erzeugung des Temperaturgradienten (14) angeordnet sind.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierelemente (20) Peltier-Elemente (22) sind.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Drucken des Grünkörpers (6) ein Trocknungsschritt (24) des Grünkörpers (6) auf dem Trägersubstrat (10) erfolgt.
10. Verfahren zur Erzeugung einer dreidimensionalen Struk tur, wobei eine Mehrzahl von planaren Strukturen (2), herge stellt mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zu einer dreidimensionalen Struktur (26) übereinander- gestapelt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Struktur (26) ein Blechpaket (28) für eine elektrische Maschine ist.
12. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein Trägersubstrat (10) mit einer Oberfläche (8) zum Aufbringen eines Grünkör pers (6) mittels eines Siebdruckverfahrens (4) und einer der Oberfläche (8) gegenüber liegenden Substratunterseite (30), wobei an oder in der Substratunterseite (30) Temperierelemen te (20) angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Temperierelemente Peltierelemente (22) oder Fluidkanäle (32) sind.
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