Verfahren sowie Vorrichtung zur Herstellung von Makrofaserkompositen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Makrofaserkompositen bzw. Macro-Fiber-Composites (beide nachfolgend als MFC bezeichnet), und insbesondere von piezoelektrischen Makrofaserkompositen als elektromechanische Wandler sowie einen entsprechenden Verbund.
Unter einem Makrofaserkomposit wird im allgemeinen ein Werkstoffverbund aus Makrofasern und weiteren Hilfswerkstoffen verstanden. Der Begriff der Macro Fiber Composite (MFC) wird durch die unten diskutierte US-B-6 629 341 bzw. durch die unten diskutierte Anleitung von High, Wilkie et al. definiert. Diese Dokumente implizieren bereits, daß die Macro Fibers vorzugsweise aus Piezokeramik bestehen. Der Begriff Piezo-Komposit beschreibt einen Werkstoff, der piezoelektrische Eigenschaften aufweist. Hierbei wird kein Bezug zur Form des aktiven Werkstoffs hergestellt.
Weiterhin werden Bauteile, die Kraft und Weg generieren, als piezoelektrische Aktoren bezeichnet, wohingegen unter piezoelektrischen Sensoren Bauteile verstanden werden, die Kraft und/oder Deformation messen. Generatoren sind Bauteile, die mechanische Deformation in elektrische Ladung wandeln und auf diese Weise als Energiequelle verwendet werden können. Unter dem Begriff elektromechanischer Wandler werden Bauteile verstanden, die elektrische und mechanische Energie ineinander wandeln. Üblicherweise wird dieser Term als Oberbegriff für piezoelektrische Aktoren, Sensoren und Generatoren verwendet. MFCs werden in verschiedenen technischen Bereichen eingesetzt. Beispielsweise erfolgt die Verwendung von MFCs zur Schwingungsunterdrückung, Geräuschdämpfung, Strulcturverformung, Energiegewinnung oder Dehnungsmessung. Hierbei wird der inverse piezoelektrische Effekt genutzt, bei dem durch eine angelegte Spannung eine Formänderung erzeugt wird. Als bevorzugte Materialien werden spezielle Piezo eramiken und • insbesondere Sinterkeramiken wie beispielsweise Bleizirkonattitanat (PZT) verwendet.
Für den Aufbau und Betrieb piezoelektrischer Komposite gibt es verschiedene Varianten, die im Stand der Technik hinreichend bekannt sind.
Die , US-B-6 629 341 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung piezoelektrischer Makrofaserkomposit-Aktoren. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen einer Struktur mit einer ersten und einer zweiten Seite, wobei die Struktur ein monolitisches piezoelektrisches Material aufweist; Bereitstellen einer Stützschicht mit einer Klebseite; Positionieren der Struktur auf der Stützschicht derart, daß die erste Seite der Struktur an der Klebseite der Stützschicht befestigt wird; Schneiden der an der Stützschicht positionierten Struktur so daß eine Vielzahl nebeneinander angeordneter piezoelektrischer Fasern bereitgestellt wird, wobei die Vielzahl piezoelektrischer Fasern erste und zweite Seiten aufweist, die den ersten und zweiten Seiten der Struktur entsprechen; Bereitstellen eines ersten Films mit einer darauf ausgebildeten ersten und zweiten leitenden Anordnung, wobei die erste leitende Anordnung von der zweiten leitenden Anordnung elektrisch isoliert ist und wobei die erste und zweite leitende Anordnung jeweils eine Mehrzahl von Elektroden aufweist, die derart zusammenwirken, daß sie. eine Anordnung parallel geschalteter Elektroden ausbilden; Bereitstellen eines zweiten Films; Befestigen des zweiten Films an der zweiten Seite der Mehrzahl piezoelektrischer Fasern; Entfernen der Stützschicht von der ersten Seite der Mehrzahl piezoelektrischer Fasern und Befestigen des ersten Films an der ersten Seite der Mehrzahl piezoelektrischer Fasern derart, daß die leitende Struktur des ersten Films in elektrischen Kontakt mit der Mehrzahl piezoelektrischer Fasern steht.
Eine detaillierte Anleitung für ein Verfahren zur Herstellung piezoelektrischer Makrofaserkomposit-Aktoren wird in "Method of Fabricating NASA-Standard Macro-Fiber Composiste Piezoeletric Actuators"; J.W. High, W.K. Wilkie; Juni 2003; NASA Langley Research Center, Hampton, VA, USA; U.S. Army Research Laboratory Vehicle Technology Directorate; Doc-NR.: NASA TM-2003-212427 ARL-TR-2833; beschrieben. Dieses Dokument, verfaßt von zweien der Erfinder der US-B-6 629 341, beschreibt detailliert die manuelle Vorgehensweise zur Herstellung eines flexiblen piezoelektrischen MFCs eines Aktuators.
Die DE-A-196 50 885 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines flexiblen piezoelektrischen MFCs. Hierbei werden gesinterte Keramikformteile in eine Form eingebracht. Diese Form wird mit einem Polymer ausgegossen, anschließend wird der Inhalt der gefüllten Form verdichtet und nach dem Aushärten des Polymers wird der Verbund aus der Form entfernt. Das Ausgießen der Form erfolgt vorzugsweise im Vakuum.
Die DE-C-198 26 080 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung filigran strul turierter oder filigraner dreidimensionaler keramischer oder pulvermetallurgischer Bauteile, bei dem aus
einem keramischen oder pulvermetallurgischen Pulver und aus einer Bindemittellösung in einem Lösungsmittel ein Schlicker hergestellt wird, wobei der Schlicker mit einer Viskosität zwischen 0,1 Pa s und 10 Pa s und mit einer Temperatur bis 100°C in eine elastische Form eingebracht wird, die Form vor, während, nach dem Einfüllen evakuiert und nach der Verfestigung des Schlickers der Formkörper aus der Form entformt wird.
Die DE-A-199 54 020 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Wandlers aus piezoelektrischen Fasern in einer Polymermatrix, bei dem piezoelektrische Fasern oder Faserstücke mit einer flüssigen Polymermasse derart umhüllt werden, daß sich eine Verteilung von Längsachsen der Fasern oder Faserstücke um eine Vorzugsrichtung ergibt. Die Fasern werden untereinander verdichtet und die Polymermasse ausgehärtet. Der entstandene Komposit wird anschließend derart bearbeitet, daß entlang der Vorzugsachse Bereiche der Fasern oder Faserstücke freigelegt werden. Anschließend werden elektrische Kontakte auf zumindest einen Teil der freigelegten Bereiche aufgebracht.
Die bekannten Verfahren erweisen sich insbesondere dahingehend als nachteilig, daß sie keine automatisierte oder wirtschaftliche Herstellung bzw. Fertigung von MFCs erlauben oder daß die Aktoren im Vergleich zu MFCs ein kleineres Arbeitsvermögen aufweisen (DE- A-199 540 20).
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden bzw. ein Herstellungsverfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von MFCs und insbesondere von Piezokompositen bereitzustellen, wobei das Herstellungsverfahren sowie die Vorrichtung zur Herstellung gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte bzw. automatisierte, effektive und effiziente Herstellung erlaubt.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung entsprechend den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Die abhängigen Patentansprüche betreffen bevorzugte erfindungsgemaße Ausführungsformen. " . . :
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von MakroFaser-Kompositen (MFCs), bei dem mindestens zwei folienformigen Elemente in einer Gießform angeordnet werden, wobei zwischen jeweils zwei Elementen ein Abstand vorhanden ist; Weiterhin beinhaltet das Verfahren den Schritt des Vergießen des Verbundes mit einem Gießharz, wobei die folienformigen Elemente im wesentlichen allseitig mit Harz umgeben werden sowie das Aushärten des Gießharzes zum Bereitstellen eines Verbundes. Weiterhin erfolgt das Schneiden des Verbundes im wesentlichen quer zur Ebene der
folienf rmigen Elemente zu Schichten.
Das erfindungsgemaße Verfahren weist vorzugsweise den Schritt des Bereitstellens einer mindestens zwei Teile aufweisenden Halterungsform auf, wobei die Form derart ausgebildet ist, daß in diese zu vergießende, im wesentlichen folienförmige Elemente derart einlegbar sind, daß die Elemente bzw. die äußeren Elemente eines Stapels von Elementen in zumindest zwei Bereichen im wesentlichen über ihre Breite beidseitig durch die Form gestützt werden, wobei die verbleibenden Bereiche der eingelegten folienformigen Elemente von der Halterungsform beabstandet sind.
Ein Einlegen von folienformigen Elementen in zumindest einen Teil der Halterungsform bzw. in zumindest einen Teilbereich eines Teils der Halterungsform, erfolgt vorzugsweise derart, daß zwischen jeweils zwei folienformigen Elementen Abstandshalter angeordnet werden. Weiterhin beinhaltet das Verfahren vorzugsweise den Schritt des Einlegens mindestens eines Ausgleichselements bzw. mindestens zweier Ausgleichselemente in zumindest zwei Bereichen entlang der Außenfläche eines in einem Teil der Halterungsform angeordneten Stapels folienförmiger Elemente. Das Ausgleichselement hat vorzugsweise elastische Eigenschaften, besonders bevorzugt bestellt es aus einem kompressiblen Material. Nach dem Schließen der Halterungsform erfolgt das Vergießen des Verbundes mit einem Gießharz, vorzugsweise einem Epoxydharz, wobei die folienformigen Elemente im wesentlichen allseitig mit Harz umgeben werden. Vorzugsweise erfolgt das Vergießen unter Verwendung eines Vakuums. Nach dem Vergießen und Aushärten des Verbundes erfolgt das Schneiden desselben in Scheiben quer zur Längsrichtung der folienformigen Elemente. Vorzugsweise erfolgt das Schneiden durch Sägen.
Die Ausgleichselemente werden vorzugsweise entlang der durch die Form gestützten Bereiche der folienformigen Elemente und/oder entlang der Breite der folienformigen Elemente angeordnet. Weiterhin werden die Abstandshalter vorzugsweise im Bereich der durch die Form gestützten Bereiche der Elemente zwischen diesen angeordnet. Die zwischen den folienformigen Elementen angeordneten Abstandshalter sind vorzugsweise als Drähte bzw. drahtförmig ausgebildet.
Die folienformigen Elemente sind vorzugsweise als Piezofolien ausgebildet. Die Piezofolien weisen vorzugsweise Piezokeramiken und bevorzugt Bleizirkonartitanat (PZT) auf.
Vorzugsweise werden die folienformigen Elemente in zumindest dem mittleren Bereich eines Halterungsformteils angeordnet und/oder werden die folienformigen Elemente
und/oder die Abstandshalter an zumindest einer Einrichtung zum Ausrichten bzw. Positionieren eines der Halterungsformteile ausgerichtet.
Die Halterungsformteile werden vorzugsweise beim Schließen der Halterungsform durch Beaufschlagung einer Kraft fest aneinandergedrückt und anschließend in ihrer Position fixiert.
Der so entstandene Verbund wird anschließend in einer Gießform positioniert und vergossen. Das Vergießen erfolgt hierbei vorzugsweise im Vakuum. Als Gießrhaterial werden bevorzugt Gießharze und besonders bevorzugt raumtemperaturhärtende Mehrkomponentengießharze mit geringer Exothermie, wie beispielsweise Epoxidharze, Polyurethanharze, Polyesterharze u.a. verwendet. Die konkrete Auswahl des Gießmaterials richtet sich nach den jeweiligen Anforderungen bei der Herstellung und in der Anwendung.
Das Schneiden bzw. Sägen des Verbundes erfolgt vorzugsweise derart, daß der Verbund in Scheiben geschnitten wird. Hierbei weisen die geschnittenen Scheiben vorzugsweise sich im wesentlichen parallel durch diese erstreckende Fasern der Folienelemente auf. Das Sägen des Verbunds erfolgt vorzugsweise mittels einer -fanenlochsäge. Die Scheiben weisen vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,1 mm bis etwa 0,4 mm und besonders bevorzugt von etwa 0,2 mm auf.
Die geschnittenen bzw. gesägten Scheiben werden vorzugsweise in Folien verpackt, wobei die Folien vorzugsweise mit einem Klebstoff versehen sind. Vorzugsweise wird auf den geschnittenen bzw. gesägten Scheiben ferner eine Isolierschicht aufgebracht.
An das Verfahren schließt • sich vorzugsweise der Schritt des Polarisierens der piezoelektrischen Fasern an, wobei das Polarisieren vorzugsweise für etwa zehn Minuten bei etwa 2000 V/mm Elektrodenabstand erfolgen kann.
Ein weiteres bevorzugtes Verfahren bzw. zusätzliche und/oder alternative Verfahrensschritte bzw. Verfahrensmerkmale werden nachfolgend beschrieben. So sind die folienformigen Elemente vorzugsweise als metallisierte Keramikfolien ausgebildet. Vorzugsweise handelt es sieh hierbei um elektrodierte PZT Platten bzw. Folien. Weiterhin bzw. zusätzlich sind die Abstandshalter vorzugsweise als flächenförmige, elektrisch leitfähige Elemente ausgebildet. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform sind die Abstandshalter als Kupfernetz ausgebildet. Derartige Elemente dienen als Elektrode und Abstandshalter. Weiterhin bzw. zusätzlich erfolgt die Anordnung der Abstandshalter derart, daß jeder zweite Abstandshalter
zur gleichen Seite herausgeführt wird, d.h., daß die Abstandshalter vorzugsweise derart ausgebildet und angeordnet sind, daß sie an einem Längsende der folienformigen Elemente vorzugsweise in etwa mit diesen bzw. bündig mit diesen abschließen und am entgegengesetzten Längsende der folienformigen Elemente über diese hinausragen, wobei die Abstandshalter derart angeordnet sind, daß jeweils benachbarte bzw. aufeinanderfolgende Abstandshalter an gegenüberliegenden Längsenden der folienformigen Elemente über diese hinausragen bzw. mit diesen abschließen. Die so entstehenden Untergruppen können somit, nach dem Vergießen und Schneiden elektrisch miteinander verbunden werden.
Wird der Block entlang der Folienkanten geschnitten, entsteht somit ein flächenförmiger Piezowandler mit vergrabenen bzw. mit zwischen den folienformigen Elementen angeordneten, und in Gruppen zusammenschließbaren Elektroden. Ein derartiger Wandler ist vorzugsweise als 3-1 Typ längs der PZT Fasern und als 3-3 Typ senkrecht zu den PZT Fasern betreibbar.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von MFCs, in der zu vergießende, im wesentlichen folienförmige Elemente angeordnet werden können. Die Vorrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß zwischen jeweils zwei in der Vorrichtung angeordneten Elementen ein Abstand vorhanden ist und daß die folienformigen Elemente mit einem Gießharz derart zu einem Verbund vergießbar sind, daß sie im wesentlichen allseitig mit Harz umgeben sind und daß nach dem Aushärten des Gießharzes zum Bereitstellen eines Verbunds dieser im wesentlichen quer zur Ebene der folienformigen Elemente zu Schichten schneidbar ist.
Bevorzugt weist die Vorrichtung mindestens ein Halterungsformteil auf. Ein erstes Halterungsformteil ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß es zumindest zwei Stege aufweist, die die folienformigen Elemente bzw. einen Stapel folienförmiger Elemente in mindestens zwei Bereichen über ihre Breite stützen. Hierbei ist das erste Halterungsformteil vorzugsweise von den verbleibenden Bereichen der Folien beabstandet. Die Vorrichtung weist vorzugsweise ein zweites Halterungsformteil auf, wobei dieses zumindest zwei Stege aufweist, die in einem zusammengesetzten Zustand der Halterungsformteile korrespondierend zu den zumindest zwei Stegen des ersten Halterungsformteils angeordnet sind. Im geschlossenen Zustand sind die Stege derart voneinander beabstandet, daß zwischen ihnen zumindest eine Anzahl folienförmiger Elemente bzw. ein Stapel folienförmiger Elemente mit zwischen diesen angeordneten Abstandshaltern aufgenommen werden kann, wobei die Elemente in zumindest zwei Bereichen im wesentlichen über ihre Breite beidseitig
durch die Form gestützt werden, und wobei die verbleibenden Bereiche der eingelegten folienformigen Elemente von dem Halterungsformkörper bzw. den Halterungsformteilen beabstandet sind.
Ist die Vorrichtung bzw. sind die Halterungsformteile jeweils mit zwei Stegen ausgebildet, so weisen die Halterungsformteile bzw. zumindest ein Abschnitt- der Halterungsformteile eine im wesentlichen C-förmige Querschnittsform auf.
Vorzugsweise weisen die Halterungsformteile jeweils zumindest drei Stege auf, von denen zwei Stege in Längsrichtung der Halterungsformteile in etwa an beiden Enden sowie ein Steg etwa mittig der Halterungsformteile angeordnet sind. Vorzugsweise korrespondieren die Stege der Halterungsformteile im geschlossenen Zustand der Halterungsform. Weisen die Halterungsformteile jeweils genau drei korrespondierende Stege auf, so weisen die
Halterungsformteile zumindest in einem Teilbereich ihres Querschnitts eine im wesentlichen E-förmige Gestalt auf.
Vorzugsweise weist zumindest eines der Halterungsformteile zumindest eine Einrichtung zum Ausrichten bzw. Positionieren der folienformigen Elemente und/oder der Abstandshalter auf.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient vorzugsweise zur Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Verbund aus gehärtetem Gießharz und folienformigen Elementen, die insbesondere Piezokeramik aufweisen, wobei die folienformigen Elemente im wesentlichen parallel zueinander und beabstandet voneinander angeordnet sind, wobei die folienformigen Elemente im wesentlichen allseitig mit Harz umgeben sind und wobei der Verbund im wesentlichen quer zur Ebene der folienformigen Elemente zu Schichten schneidbar ist. Vorzugsweise ist der Verbund mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung herstellbar. '
Im folgenden werden die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren eingehender beschrieben. Diese Beschreibung hat lediglich beispielhaften, nicht jedoch ausschließlichen Charakter. Gleiche Referenznummern in den Figuren bezeichnen im wesentlichen identische bzw. sich im wesentlichen entsprechende Merkmale. Es zeigen:
Fig. 1 : eine dreidimensionale Prinzipskizze einer erfmdungsgemäßen Halterungsform, aufweisend ein als Oberteil ausgebildetes erstes Halterungsformteil und ein als Unterteil ausgebildetes zweites Formteil;
Fig. 2 eine fotographische Abbildung einer geöffneten erfindungsgemäßen Halterungsform, wobei in des Unterteil bzw. das zweite Halterungsformteil folienförmige Elemente, Abstandshalter und Ausgleichselemente eingelegt sind;
Fig. 3 eine fotographische Darstellung einer erfindungsgemäßen Halterungsform entsprechend Fig. 2 in geschlossenem Zustand vor dem Vergießen;
Fig. 4 eine dreidimensionale Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unter. Angabe einer bevorzugten Schnittebene;
Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Teilbereich einer Schnittfläche einer erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend' einem erfindungsgemäßen Verfahren vergossener Folien;
Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Teilbereich einer Schnittfläche einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren vergossener Folien;
Fig. 7 eine dreidimensionale Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen unvergossenen Verbundes unter Angabe einer bevorzugten Schnittebene;
Fig. 8 eine dreidimensionale Prinzipskizze des Verbundes entsprechend Fig. 7 in vergossenem Zustand; und
Fig. 9 eine dreidimensionale Prinzipskizze einer Scheibe bzw. Schnittfläche des Verbundes entsprechend Fig. 7 bzw. 8.
Fig. 1 zeigt eine dreidimensionale Prinzipansicht einer geöffneten Halterungsform 1 mit einem ersten Halterungsformteil bzw. Oberteil 2 und einem zweiten Halterungsformteil bzw. Unterteil 3. In der dargestellten Ausfuhrungsform weist das Oberteil 2 drei im Abstand voneinander angeordnete Stege 4 auf, die mit drei im wesentlichen gleicheil Abstand angeordneten Stegen 5 des Unterteils 3 korrespondieren. Hierbei sind die Stege
vorzugsweise derart angeordnet, daß sie sich senkrecht von einer Basisfläche 6 des Oberteils 2 bzw. einer Basisfläche 7 des Unterteils 3 weg erstrecken. Die Stege 4, 5 erstrecken sich in Querrichtung vorzugsweise im wesentlichen über die Breite b der Halterungsformteile 2, 3. Jeweils ein Steg 4, 5 eines korrespondierenden Paars von Stegen 4, 5 weist Zentrier- bzw. Positioniereinrichtungen 8 auf.
In der in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausfuhrungsform einer Halterungsform 1 sind derartige Positionier- bzw. Zentriereinrichtungen 8 an den Stegen 5 des zweiten Halterungsformteils bzw. Unterteils 3 angeordnet. In der dargestellten Ausj- hrungsform sind die Zentrier- bzw. Positioniereinrichtungen 8, die sich von den Stegen 5, zumindest in Teilbereichen derselben, erstrecken, paarweise an gegenüberliegenden Längsseiten der Stege 5 angeordnet. Vorzugsweise weist jeder Steg 5 zwei bis vier Einrichtungen 8 auf, die sich von der Oberfläche der Stege 5, d.h. in Richtung des ersten Halterungsformteils bzw. Oberteils 2 bzw. sich senkrecht von der Basisfläche 7 des zweiten Halterungsformteils bzw. Unterteils 3 weg erstrecken, also sich im wesentlichen in dieselbe Richtung wie die Stege 5 erstrecken, auf. Vorzugsweise weist jeder Steg 5 zwei bis vier Einrichtungen 8 auf, die sich jeweils von den äußeren Ecken des Steges 5 entlang Teilbereichen dessen Längsseiten einander gegenüberliegend erstreckend angeordnet sind.
Die Einrichtungen 8 sind vorzugsweise derart angeordnet bzw. ausgebildet, daß sie sowohl in Längsrichtung der Stege 5, d.h. in Querrichtung zum- jeweiligen Halterungsformteil 2, 3, einen Bereich 9 umfassen, in dem bei geschlossener Halterungsform 1 die korrespondierenden Stege 4 des ersten Halterungsformteils bzw. Oberteils 2 aufgenommen werden. Weiterhin definieren die Einrichtungen 8 einen Bereich bzw. eine Öffnung 10, der bzw. die in Querrichtung der Stege 4 bzw. 5 bzw. in Längsrichtung der Halterungsform 1 bzw. der Halterungsformteile 2, 3 ausgebildet ist. Der Bereich bzw. die Aussparung 10 ist vorzugsweise mittig zur Längsausdehnung der Stege 5 angeordnet und wird seitlich, d.h. in Längsanordnung der Stege 5, durch die Zentrier- bzw. Positioniereinrichtung 8 begrenzt. Die Breite bst entspricht vorzugsweise der Breite der in die Form einzulegenden und in dieser zu vergießenden im wesentlichen folienformigen Elemente. Die Stege 4 bzw. 5 sind weiterhin vorzugsweise derart ausgebildet, daß sich ihre Oberflächen bei geschlossener Halterungsform 1 nicht berühren, sondern daß zwischen ihren Oberflächen im geschlossenen Zustand der Halterungsform 1 ein Spalt 11 (siehe Fig. 4) verbleibt, der geeignet ist, eine definierte Anzahl folienförmiger Elemente sowie Abstandshalter etc. aufzunehmen.
Die Halterungsformteile 2, 3 weisen weiterhin vorzugsweise Kontaktflächen 12 auf, an denen die Halterungsformteile 2, 3 bei geschlossener Halterungsform 1 aneinander anliegen.
Diese Kontaktflächen 12 sind vorzugsweise als Teilbereiche der Stege 4, 5 der Einrichtungen 8 und/oder zusätzlicher Einrichtungen der Formteile 2, 3 ausgebildet. Weiterhin weisen die Halterungsformteile 2, 3 gegenüber den Stegen 4, 5 zurückversetzte Bereiche 13 auf, die bei geschlossener Halterungsform 1 gegenüber den eingelegten folienformigen Elementen beabstandet und/oder zurückversetzt sind.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen (nicht dargestellt) sind die Zentrier- bzw. Positioniereinrichtungen 8 verteilt an Stegen 4 des ersten Halterungsformteils 2 und an Stegen 5 des zweiten Halterungsformteils 3 angeordnet. Hierbei können die Einrichtungen 8 jeweils ausschließlich an einem zweier korrespondierender Stege 4 bzw. 5 oder aber teilweise an einem Steg 4 und an einem korrespondierenden Steg 5 angeordnet sein.
In weiteren bevorzugten Ausfuhrungsformen sind die Einrichtungen 18, die in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform derart ausgebildet sind, daß sie sowohl Bereiche bzw. Aussparungen 9 für die Positionierung von Oberteil 2 und Unterteil 3 als auch Bereiche bzw. Aussparungen 10 für die Positionierung der zu vergießenden Elemente und/oder Abstandshalter ausbilden, mehrteilig ausgebildet, so daß einige Zentrier- bzw. Positioniereinrichtungen 8 lediglich zur Positionierung bzw. Zentrierung des ersten Halterungsformteils 2 bzgl. des zweiten Halterungsformteils 3 dienen, wohingegen weitere Zentrier- bzw. Positioniereinrichtungen 8 im wesentlichen ausschließlich der Positionierung der zu vergießenden folienformigen Elemente, Abstandshalter und/oder Ausgleichselemente etc. dienen. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind die Zentrier- bzw. Positioniereinrichtungen 8 als Stifte bzw. Vorsprünge ausgebildet, die entsprechende Öffnungen bzw. Aussparungen des gegenüberliegenden Halterungsformteils einführbar sind.
Fig. 2 zeigt eine fotographische Darstellung einer erfindungsgemäßen Halterungsform 1 mit einem ersten Halterungsformteil 2 und einem zweiten Halterungsformteil 3, die im wesentlichen dem Halterungsformteil aus Fig. 1 entspricht. Wie der Darstellung in Fig. 2 zu entnehmen ist, sind in das zweite Halterungsformteil 3 folienförmige Elemente 14, vorzugsweise Piezofolien, eingelegt. Die folienformigen Elemente 14 sind vorzugsweise im wesentlichen in den mittleren Bereich des Unterteils 3 eingelegt. Weiterhin ist zu erkennen, daß die folienformigen Elemente 14 seitlich durch die sich von den Stegen 5 erstreckenden Zentrier- bzw. Positioniereinrichtungen 8 gestützt bzw. zentriert werden. Vorzugsweise sind die Einrichtungen 8 derart ausgebildet, daß die folienformigen Elemente 14 an ihren Kanten ausgerichtet werden können. In Längsrichtung der Form 1 bzw. des Unterteils 3 sind die folienformigen Elemente 14, vorzugsweise durch eine Seitenfläche der in Fig. 2 in der
rechten Bildseite angeordneten Anschlagfläche bzw. Anschlageinrichtung 12 positioniert bzw ausgerichtet.
Um einen definierten, vorzugsweise gleichmäßigen Abstand zwischen den folienformigen Elementen 14 zu erreichen, werden jeweils zwischen zwei folienformigen Elementen 14 Abstandshalter 15 angeordnet. Die Dicke der Abstandhalter 15 bestimmt den jeweiligen Abstand zwischen benachbarten folienformigen Elementen 14. Die. Abstandshalter 15 erstrecken sich vorzugsweise quer zu den folienformigen Elementen 14 bzw. quer zur Halterungsform 1 und sind weiterhin vorzugsweise in den Bereichen der Stege 5 bzw. 4 angeordnet. Vorzugsweise erstrecken sich die Abstandshalter 15 im wesentlichen über die Breite der Form 1 bzw. im wesentlichen über die Länge der Stege 5 bzw. 4. Weiterhin sind die Abstandshalter 15 vorzugsweise an Kanten der Halterungsformteile 2 bzw. 3 und/oder an Abschnitten der Zentrier- bzw. Positioniereinrichtungen 8 ausgerichtet.
Ist eine definierte bzw. gewünschte Anzahl folienförmiger Elemente 14 mit zwischen diesen angeordneten Abstandshaltern 15 im Unterteil 3 angeordnet, werden Ausgleichselemente 16 im zweiten Halterungsformteil 3 bzw. entlang der exponierten Oberfläche des Stapels folienförmiger Elemente 14 angeordnet. Die Anzahl an Ausgleichselementen 16 entspricht vorzugsweise der Anzahl an Stegen 5 bzw. 4. Vorzugsweise werden die Ausgleichselemente 16 entlang der Stege 5 und vorzugsweise zwischen den Zentrier- bzw. Positioniereinrichtungen 8 (Bereich 9) derart angeordnet, daß sie bei geschlossener Halterungsform 1 zwischen den Stegen 4 bzw. 5 und entlang ihrer Längsrichtung angeordnet sind. Die Ausgleichselemente 16 sind vorzugsweise aus Schaumstoff bzw. weisen Schaumstoff auf.
Fig. 3 zeigt eine geschlossene Halterungsform 1 entsprechend der in Fig. 2 dargestellten Form, bei der das erste Halterungsformteil 2 auf das zweite Halterungsformteil 3 aufgebracht wird/wurde, so daß die folienformigen Elemente 14 sowie die zwischen diesen angeordneten Abstandshalter 15 und die Ausgleichselemente 16 zwischen den Halterungsformteilen 2 und 3 angeordnet sind. Zum Schließen der Halterungsform 1 werden Halterungsformteil 2 und Halterungsformteil 3 fest aufeinandergedrückt und in dieser Position fixiert. Hierbei sind die Ausgleichselemente 16 vorzugsweise höher bzw. voluminöser als der nach Einlegen der folienformigen Elemente 14 mit Abstandshaltern 15 zwischen den Stegen 4 bzw. 5 verbleibende Bereich des Spaltes 11, so daß die Ausgleichselemente 16 durch den Schließ Vorgang der Halterungsvorteile 2, 3 komprimiert werden und einen Druck auf die folienformigen Elemente 14, vorzugsweise Piezofolien ausüben. Dieser Druck ist vorzugsweise derart, daß die folienformigen Elemente sicher positioniert bzw. arretiert
werden, ohne dabei beschädigt zu werden. Die in Fig. 3 dargestellte geschlossene Halterungsform 1 entspricht im wesentlichen einer geschlossenen Halterungsform 1 vor dem Vergießen.
Fig. 4 zeigt eine dreidimensionale Prinzipskizze einer geschlossenen erfindungsgemäßen Halterungsform 1 ohne eingelegte folienförmige Elemente 14, wobei in Fig. 4 eine bevorzugte Schnittebene 17 hervorgehoben dargestellt ist.
Die geschlossene Halterungsform 1, wie beispielsweise in Fig. 3 dargestellt, wird im wesentlichen vollständig zu einem Verbund vergossen, so daß die einzelnen folienformigen Elemente 14 im wesentlichen vollständig vom Gießmittel umgeben sind. Das Vergießen erfolgt vorzugsweise mit einem Gießharz und besonders bevorzugt mit einem Epoxydharz. Weiterhin erfolgt das Vergießen bevorzugt im Vakuum.
Nach dem Vergießen und Aushärten des Verbundes werden von diesem quer zur Längsrichtung der Halterungsform 1 Scheiben abgeschnitten. Fig. 4 zeigt beispielhaft eine Schnittebene 17, in der und parallel zu der die Scheiben -abgeschnitten werden. Das Schneiden des vergossenen Verbundes erfolgt vorzugsweise durch Sägen und besonders bevorzugt durch Sägen mit einer Innenlochsäge.
Vorzugsweise erstreckt sich die Schnittebene im wesentlichen quer zur Ebene der folienformigen Elemente. Die Ebene der Folienformigen Elemente wird im Wesentlichen durch deren räumliche Ausbildung definiert. Weiterhin erstreckt sich die Schnittebene vorzugsweise quer zur Längsquerebene der folienformigen Elemente. Die Längsquerebene der folienformigen Elemente erstreckt sich längs der folienformigen Elemente und quer, d.h. senkrecht zu deren räumlicher Ausbildung. Vorzugsweise erstreckt sich die Schnittebene im wesentlichen quer zur Ebene der folienformigen Elemente und/oder quer zur Längsquerebene der folienformigen Elemente. Vorzugsweise erstreckt sich die Schnittebene im wesentlichen quer zu einer der beiden oben beschriebenen Ebenen und winklig zur anderen Ebene.
Die vom Verbund abgeschnittenen Scheiben weisen in dem Bereich, in dem die folienformigen Elemente angeordnet sind, sich längs zur Folie und parallel zueinander erstreckende Stäbchen bzw. Fasern 18 (Fig. 5, Fig. 6) aus dem Material der folienformigen Elemente 14, also vorzugsweise Piezokeramik, auf. Nach entsprechendem Zurechtschneiden der vom Verbund abgeschnittenen Scheiben wird ein Makrofaserkomposit (MFC) erhalten.
Figuren 5 und 6 zeigen eine fotographische Darstellung einer Draufsicht auf quer zur Längsrichtung des Verbundes abgeschnittene Scheiben bzw. auf eine Schnittfläche der vergossenen folienformigen Elemente 14. Die Scheiben bzw. die vergossenen folienformigen Elemente 14 oder Fasern 18 der Fig. 5 und 6 unterscheiden sich dahingehend, daß in Fig. 5 die folienformigen Elemente 14 in einer im wesentlichen der in Figuren 1 bis 4 dargestellten Halterungsform 1 entsprechenden Form vergossen wurden (E- förmig), wohingegen die folienformigen Elemente 14 der der Fig. 6 zugrundeliegenden Ansicht in einer Halterungsform vergossen wurden, die an jedem Formteil lediglich zwei Stege aufweist, wobei die Stege im wesentlichen in Längsrichtung gesehen an den Enden der Halterungsformteile angeordnet sind (C-förmig). Eine derartige Halterungsform entspricht im wesentlichen einer Halterungsform wie in Figuren 1 bis 4 dargestellt und beschrieben ohne die mittleren Stege 4, 5.
Wie aus der Draufsicht auf die Schnittfläche entsprechend der Fig. 6 deutlich erkennbar ist, sind die Abstände der folienformigen Elemente 14 bzw. die Abstände der Fasern 18 nicht so gleichmäßig, wenn die Folien 14 bestimmter Länge nur am Anfang bzw. Ende fixiert sind.
Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 5 die Draufsicht auf die Schnittfläche von folienformigen Elementen 14 gleicher Länge wie bei Fig. 6, die sowohl an ihrem Anfang bzw. Ende als auch in etwa in ihrer Mitte durch Stege fixiert bzw. gestützt wurden. Der mittlere Steg 4 bzw. 5 erfüllt somit die Aufgabe, die Welligkeit der folienformigen Elemente 14 zu vermeiden, so daß im wesentlichen gleichmäßige Abstände zwischen den folienformigen Elementen 14 bzw. Piezofolien entstehen. Zusätzlich können abhängig von der Länge der folienformigen Elemente weitere Stützstellen in Form von Stegen vorgesehen sein.
Sowohl Fig. 5 als auch Fig. 6 zeigen Fasern bzw. die Schnittfläche von folienformigen Elementen 14, wobei die Foliendicke der folienformigen Elemente jeweils in etwa 0,25 mm beträgt. Zur Hervorhebung der nicht so gleichmäßigen Abstände zwischen den folienformigen Elementen 14 in Fig. 6, ist die Draufsicht auf die Schnittfläche bzw. die quer zur Längsrichtung des Verbundes abgeschnittenen Scheibe in einer anderen Vergrößerung als in Fig. 5 dargestellt.
Ein weiteres bevorzugtes Verfahren zur Herstellung von Mäkrofasefkömpositen ist in den Figuren 7 bis 9 dargestellt, wobei das Verfahren vorzugsweise dem bereits beschriebenen Verfahren entspricht und vorzugsweise mittels einer wie oben beschriebenen Vorrichtung zur Herstellung von Makrofaserkomposit durchgeführt wird. Insbesondere zeigt Fig. 7 eine bevorzugte Anordnung von folienformigen Elementen 14 und Abstandshaltern 15, wobei
jeweils zwischen zwei folienformigen Elementen 14 ein Abstandshalter 15 angeordnet ist. Bei der folgenden Beschreibung der Figuren 7 bis 9 wird lediglich auf die Unterschiede zur Vorrichtung bzw. zum Verfahren wie voranstehend beschrieben eingegangen, nicht näher erläuterte Merkmale entsprechen somit den vorangehend beschriebenen.
Die in Fig. 7 dargestellten folienformigen Elemente 14 sind vorzugsweise metallisierte Keramikfolien und besonders bevorzugt elektrodierte PZT Folien bzw. Platten. Die Abstandshalter 15 sind vorzugsweise ebenso als folienförmige Elemente bzw. folienförmige Netze oder Platten ausgebildet und sind bevorzugt elektrisch leitfähig. Die Abstandshalter 15 dienen somit vorzugsweise sowohl als Elektrode als auch als Abstandshalter. Vorzugsweise handelt es sich bei den flächenförmigen, elektrisch leitfähigen Abstandshaltern 15 um, beispielsweise ein Cu-Netz.
Die Abstandshalter 15 erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Fläche der folienformigen Elemente 14, wobei sie an drei Seiten der folienformigen Elemente 14 in etwa bündig mit diesen abschließen, und wobei sie an einer Seite, vorzugsweise . einer
Längsseite, der folienformigen Elemente 14 über diese hinausragen. Vorzugsweise ist demnach die Länge der Abstandshalter 15 größer als die Länge der folienf rmigen Elemente
14, wobei die Breite der folienformigen Elemente 14 vorzugsweise etwa mit der Breite der Abstandshalter 15 übereinstimmt. Vorzugsweise sind die Abstandshalter 15 derart angeordnet, daß sich jeder zweite Abstandshalter 15 zur gleichen Seite (in Fig. 7-9 links bzw. rechts) über das Längsende der folienformigen Elemente 14 hinaus erstreckt, wobei sich jeder weitere zweite Abstandshalter 15 über das gegenüberliegende Längsende der folienformigen Elemente 14 hinaus erstreckt. In anderen Worten erstrecken sich benachbarte Abstandshalter 15 vorzugsweise über gegenüberliegende Längsenden der folienformigen
Elemente 14 hinaus, wie in den Figuren 7 bis 9 am linken und rechten Ende der dargestellten folienformigen Elemente 14 zu sehen.
Weiterhin zeigt Fig. 7 eine bevorzugte Schnittebene 17, in der und parallel zu der die Scheiben nach dem Vergießen und Aushärten des Verbundes vorzugsweise abgeschnitten werden.
Fig. 8 zeigt die Stapelfolge entsprechend Fig. 7 im vergossenen und ausgehärteten Zustand, wodurch ein Block entsteht.
Fig. 9 zeigt eine in bzw. parallel zur Schnittebene 17 abgeschnittene Scheibe, wobei deutlich zu erkennen ist, daß die Abstandshalter 15 jeweils abwechselnd rechts und links über die
Enden der folienformigen Elemente 14 bzw. der durch das Schneiden entstandenen Fasern 18 hinausragen. Fig. 9 zeigt somit einen durch Schneiden des vergossenen und ausgehärteten Blocks entstandenen flächenförmigen Piezowandler mit vergrabenen bzw. zwischen den folienformigen Elementen 14 bzw. Fasern 18 angeordneten und in Gruppen zusammenschließbaren Elektroden bzw. Abstandshaltern 15. Hierbei bilden vorzugsweise die sich über ein bzw. das gleiche Ende der folienformigen Elemente 14 bzw. Fasern 18 hinausstreckenden Elektroden bzw. Abstandshalter 15 eine Gruppe. Ein entsprechender Wandler ist vorzugsweise als 3-1 Typ längs der PZT Fasern 18 und als 3-3 Typ senkrecht zu den Fasern betreibbar.
Entsprechend weiteren und/oder zusätzlichen erfindungsgemäßen Ausführungsformen weisen die folienformigen Elemente 14 vorzugsweise Abmaße mit einer Länge von etwa 25 mm bis 200 mm, einer Breite von etwa 15 mm bis 125 mm sowie einer Dicke von etwa 0,1 mm bis 0,3 mm auf. Vorzugsweise weisen die folienformigen Elemente in etwa die Abmaße (L x B x H) 50 mm x 25 mm x 0,2 mm, 100 mm x 50 mm x 0,2 mm, bzw. 150 mm x 100 mm x 0,2 mm auf.
Die Abstandshalter, vorzugsweise Polymer- oder Metallfolien, weisen vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,01 mm bis 0,3 mm Dicke und bevorzugt von weniger als 0,05 mm auf und sind besonders bevorzugt so dünn wie möglich. Entsprechend weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind die Abstandshalter 15 ein- oder beidseitig klebend und/oder in Streifenform geschnitten ausgeführt. Hierbei sind die Abstandshalter vorzugsweise selbstfixierend.
Die Ausgleichselemente 16 sind vorzugsweise aus elastischem, weichem Schaumstoff hergestellt, bzw. weisen einen solchen auf.
Als Gießharz werden vorzugsweise raumtemperaturhärtende Mehrkomponentengießharze mit geringer Exothermie, beispielsweise Epoxidharze, Polyurethanharze, Polyesterharze u.a., verwendet. Bevorzugt wird das Gießharz EP20A mit Härter 158 (WEVO-Chemie) verwendet. Insbesondere richtet sich die Auswahl der Harze, neben der Verarbeitbarkeit, nach weiteren Kriterien, wie beispielsweise Temperaturbeständigkeit des Verbundes, Glasübergangstemperaturen des Harzes sowie weiteren Eigenschaften.
Das Vergießen des Verbundes, also der folienformigen Elemente bzw. Piezofolien in der Halterung, erfolgt vorzugsweise derart, daß der Verbund in einer Gießform, vorzugsweise aus Silikonkautschuk positioniert und in eine Valαiumka mer gestellt wird, so daß das Harz
von oben her in die Gießform eingefüllt werden kann. Ein bevorzugter Druckverlauf, der jedoch vom Harz abhängig ist und je nach Rahmenbedingung bzw. nach verwendeten Materialien etc. unterschiedlich verlaufen kann, läßt sich wie folgt beschreiben. Zunächst erfolgt das Entlüften der unvermischten Einzelkomponenten für etwa 10 min bei etwa 1 b-Pa und anschließend das Mischen der Komponenten im Vakuum für etwa 5 min bei etwa 20 hPa. Weiterhin erfolgt das Entlüften der Mischung ohne Rühren vorzugsweise bei etwa 5 min bei etwa 20 hPa und das Vergießen im Vakuum bei etwa 20 b-Pa. Ein nochmaliges Entlüften der umgossenen Teile erfolgt vorzugsweise für etwa 5 min bei etwa 20 hPa. Anschließend erfolgt das Belüften auf Normaldruck.
Das Aushärten erfolgt vorzugsweise für etwa 24 Stunden bei Raumtemperatur mit anschließender Nachhärtung bei etwa 80°C für ca. 2 Stunden. Die Aushärtungsbedingungen richten sich insbesondere nach den Eigenschaften der Harze bzw. den entsprechenden Herstellerangaben. Eine Nachtemperung erfolgt vorzugsweise bis zur Einstellung definierter ' mechanischer Eigenschaften des ausgehärteten Systems. Die entsprechenden Bedingungen richten sich insbesondere nach den Herstellerangaben bzw. Vorschriften.
Zur weiteren Verarbeitung bzw. zur weiteren Verwendung werden die geschnittenen bzw. gesägten Scheiben in Folien verpackt, wobei die Folien bevorzugt mit einem Klebstoff versehen sind. Weiterhin wird auf die Folien vorzugsweise ferner eine Isolierschicht aufgebracht.
Zur späteren Verwendung der MFCs werden die Fasern zu vorzugsweise polarisiert, wobei das Polarisieren vorzugsweise für etwa 10 min bei etwa 2000 V/mm Elektrodenabstand erfolgen kann.
Die MFCs können insbesondere wie in der US-B-6 629 341 sowie der entsprechenden EP- A-l 230 689 beschrieben, auf die hiermit ausdrücklich hingewiesen wird, weiteryerarbeitet bzw. verwendet oder eingesetzt werden. Insbesondere entspricht eine Schicht eines Verbundes der vorliegenden Erfindung vorzugsweise einem „sheet of side-by-side piezoelectric macro-fibers" 26 oder entsprechender Schichten, wie beispielsweise in Fig. 3 der US-B-6 629 341 gezeigt, Die entsprechende Beschreibung von Funktion und Aufbau wird hiermit voll inhaltlich in die vorliegende Anmeldung einbezogen. Die erfindungs gemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Macro-Fiber-Composites (MFC) und insbesondere von Piezokompositen erlaubt eine
verbesserte und automatisierte Herstellung derselben in einer effektiven und effizienten Art- und Weise. Insbesondere erlaubt es das Verfahren bzw. die Vorrichtung, daß die Piezofolien bzw. folienformigen Elemente allseitig von Gießharz umhüllt werden können, so daß auch an den abgesägten Scheiben ein Harzrand entsteht.