GEDRUCKTES ELEKTROBLECH

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektroblechs aus einer Druckpaste. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein mittels des genannten Verfahrens hergestelltes Elektroblech.

[0002] Elektrische Maschinen bestehen aus verschiedenartig angeordneten Wicklungen, die vom elektrischen Strom durchflossen werden. Der dabei auftretende magnetische Fluss wird in einem magnetischen Kreis, der auch als Eisenkern bezeichnet wird, gezielt geführt. Dieser Kern besteht aus Materialien, die den magnetischen Fluss gut leiten können, beispielsweise aus geschichtetem Elektroblech. Die Schichtung dient zur Vermeidung von unerwünschten Wirbelströmen.

[0003] Standardkerne werden aus gestanzten Einzelblechen hergestellt, die früher durch einseitig aufgeklebte Papierschichten, in modernerer Form durch chemisch aufgebrachte Phosphatierungsschichten isoliert sind. Die Blechstärke für normale Anwendungen ist häufig bei 0,5 mm. Für elektrische Übertrager von höheren Frequenzen oder besonders verlustarme Geräte werden dünnere Bleche mit 0,35 mm Stärke verwendet. Schnittband- und Ringkerne werden oft aus noch dünneren und ebenfalls isolierten Bändern gewickelt.

[0004] Ein neues Verfahren zur Herstellung von Elektroblechen für elektrische Maschinen stellen der Schablonendruck und der Siebdruck dar. Hierbei wird ausgehend von Metallpulvern zunächst eine Druckpaste erzeugt. Diese wird dann mittels der Schablonen- bzw. Siebdrucktechnik auf eine Trägerplatte aufgedruckt. Die Druckpaste wandelt sich anschließend in eine Dickschicht um, die auch als Grünkörper bezeichnet wird. Anschließend wird der entstandene Grünkörper durch thermische Behandlung in einen metallischen, strukturierten Körper überführt.

[0005] Die Druckpaste wird dabei herkömmlicherweise auf eine Trägerplatte, die beispielsweise aus Al₂O₃ besteht, aufgebracht. Es ist bekannt, ein Streumittel, beispielsweise ein Al₂O₃-Pulver, vor dem Auftragen der Druckpaste auf die Trägerplatte flächig aufzubringen, um das Trennen der thermisch behandelten Druckpaste von der Trägerplatte zu erleichtern. Auf die so vorbereitete Trägerplatte wird direkt per Schablonen- oder Siebdruck die Druckpaste aufgedruckt, getrocknet und anschließend thermisch weiterverarbeitet.

[0006] Eine Herausforderung bei dem genannten Verfahren ist, eine Trägerplatte und gegebenenfalls ein Streumittel zu finden, dass sowohl für den Schablonen- bzw. Siebdruck als auch für die anschließende thermische Behandlung der Druckpaste geeignete Eigenschaften aufweist.

[0007] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Herausforderung zu meistern.

[0008] Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.

[0009] Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten:

a) Aufbringen einer Druckpaste auf einem Substrat mittels eines Druckverfahrens,

b) Trocknen der sich auf dem Substrat befindlichen Druckpaste,

c) Transferieren der getrockneten Druckpaste vom Substrat auf eine Sinterunterlage,

d) Thermische Behandlung der sich auf der Sinterunterlage befindlichen Druckpaste, und

e) Trennen der thermisch behandelten Druckpaste von der Sinterunterlage.

[0010] Im Gegensatz zu der bekannten Herangehensweise bei der Herstellung eines sieb- oder schablonengedruckten Elektroblechs versucht die vorliegende Erfindung gerade nicht, die Trägerplatte, auf der die Druckpaste aufgedruckt, getrocknet und thermisch behandelt wird, so auszugestalten, dass sie sowohl für den Druckvorgang als auch für die thermische Behandlung optimale Eigenschaften hat. Stattdessen wird ein völlig anderer Ansatz vorgeschlagen: Nach dem Drucken und Trocknen der Druckpaste auf der Trägerplatte wird die getrocknete Druckpaste von derselben gelöst und auf eine andere Unterlage transferiert. Auf dieser separaten Unterlage findet anschließend die thermische Behandlung der Druckpaste statt. Es gibt folglich zwei "Trägerplatten": eine erste Trägerplatte, die im Folgenden als "Substrat" bezeichnet wird und auf der der Druck- und Trockenvorgang der Druckpaste stattfindet, und eine zweite Trägerplatte, die im Folgenden als "Sinterunterlage" bezeichnet wird und auf der die thermische Behandlung der getrockneten Druckpaste durchgeführt wird.

[0011] Ein Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Sinterunterlage primär bezüglich der thermischen Behandlung der Druckpaste optimiert werden kann und das Substrat primär bezüglich des Schablonen- oder Siebdrucks.

[0012] Konkret können beispielsweise Oberflächeneigenschaften des Substrats, wie Rauigkeit, Planarität (auch als Planizität bezeichnet) und Saugfähigkeit bzgl. der organischen Bestandteile und des Lösungsmittels der Druckpaste so ausgewählt werden, dass eine gewünschte Benetzung, Haftung oder Kontaktwinkel der Druckpaste relativ zum Substrat erreicht wird. Als Folge davon können wiederum unter anderem eine Verbesserung der Kantensteilheit und Präzision der gedruckten Strukturen erreicht werden.

[0013] Weitere Vorteile der Trennung bzw. Parallelisierung des Druckvorgangs und der thermischen Behandlung sind die Reduzierung des Bedarfs an Sinterunterlagen und eine Verbesserung der Auslastung des Siebdruckers und Sinterofens. Zum einen besteht nämlich die Möglichkeit zum Stapelsintern, d.h. es werden mehrere Grünteile übereinander auf eine Sinterunterlage gestapelt. Zum anderen können, wenn beispielsweise der Siebdrucker Probleme macht, aus einem Pufferlager trotzdem weiter Grünteile dem Sinterofen zugeführt werden.

[0014] Zur Vermeidung etwaiger Missverständnisse folgt eine Klarstellung bezüglich der in dieser Patentanmeldung verwendeten Begrifflichkeit "Elektroblech":
Als "Elektrobleche" werden im Rahmen dieser Patentanmeldung nicht nur gewalzte Bleche wie aus dem Stand der Technik bekannt, sondern auch Formkörper, die mittels Drucktechniken erzeugt wurden und die die Funktion und Eigenschaften von herkömmlichen Elektroblechen aufweisen, bezeichnet. Sieb- oder schablonengedruckte Elektrobleche können auch als "Materiallagen" bezeichnet werden; dieser Begriff ist als Synonym zu "Elektroblechen" zu sehen. Elektrobleche werden in Fachkreisen auch als "Magnetbleche" oder, je nach Verwendungszweck, als Dynamo- oder Motorenbleche bzw. Transformatorenbleche bezeichnet.

[0015] Das in Schritt a) des Verfahrens erwähnte Druckverfahren umfasst insbesondere Siebdruckverfahren und Schablonendruckverfahren.

[0016] Der Siebdruck ist ein Druckverfahren, bei dem eine Druckpaste mit einem Rakel durch ein Sieb, z.B. ein feinmaschiges Gewebe, hindurch auf das zu bedruckende Material, hier das Substrat, gedruckt wird. An denjenigen Stellen des Gewebes, wo dem Druckbild entsprechend keine Druckpaste gedruckt werden soll, werden die Maschenöffnungen des Gewebes durch eine Schablone undurchlässig gemacht. Das Gewebe trägt die Schablone aus Kunststoff, zu deren Herstellung die gesamte Fläche des gespannten Gewebes mit einem Fotopolymer beschichtet und über einen positiven Film mit dem zu druckenden Motiv belichtet wird. Das Fotopolymer erhärtet an den nicht zu druckenden Stellen, das unbelichtete Material wird ausgewaschen. Beim Druckvorgang tritt die Druckpaste nur dort durch das Gewebe, wo dieses freigewaschen wurde.

[0017] Beim Schablonendruck ohne tragendes Sieb muss die Schablone selbst ausreichend fest sein und ist beispielsweise aus Stahl gefertigt und direkt in den Rahmen gespannt. Die möglichen Druckbilder sind beim Schablonendruck jedoch eingeschränkt.

[0018] Das Substrat, auf dem die Druckpaste gedruckt wird, kann selbsttragend, als z.B. plattenförmig, sein. Alternativ sind auch flexible Substrate möglich, wie etwa Folien.

[0019] Die Druckpaste basiert in der Regel auf einem Metallpulver.

[0020] Der Schritt b) des Verfahrens, nämlich das Trocknen der Druckpaste, wird beispielsweise mittels einer kontrollierten, insbesondere temperierten, Gasströmung zum Abtransport flüchtiger Stoffe realisiert. Hierfür kann vorzugsweise Luft oder Inertgas als Medium verwendet werden. Als Folge davon evaporieren die in der Druckpaste enthaltenen Lösungsmittel. Unter Umständen ist hierbei eine Temperaturerhöhung der gedruckten Paste notwendig. Optional finden neben der Evaporation der Lösungsmittel auch chemische Vernetzungsreaktionen etwaiger in der Druckpaste enthaltenen organischen Binder statt. Eine wichtige Rolle spielen dabei eine möglichst homogene Temperaturverteilung in der Druckpaste und ein langsames Aufheizen ohne Blasenbildung des Lösungsmittels.

[0021] In Abhängigkeit von der Dicke der gedruckten Schicht ist eine Dauer von 2 bis 20 min des Trocknungsvorgangs empfehlenswert. Nach Ende des Verfahrensschritts b), d.h. nach dem Trocknen der Druckpaste, ist die Dicke der Druckschicht in der Regel um ca. 10% bis 50% geringer als vor dem Schritt b).

[0022] Im Schritt c) des Verfahrens wird die getrocknete Druckpaste, die auch als Grünling, Grünteil oder Grünkörper bezeichnet wird, vom Substrat auf eine Sinterunterlage transferiert. Dies kann durch Lösen des Grünlings vom Substrat oder durch Lösen des Substrats vom Grünling (falls es sich beim Substrat beispielsweise um eine Folie handelt) oder ein beiderseitiges Trennen der beiden Körper voneinander erfolgen. Anschließend wird der getrennte Grünling vom Ort des Substrats zum Ort, an dem die thermische Behandlung stattfindet, transportiert. Letzterer kann beispielsweise ein Sinterofen sein. Schließlich wird der Grünling auf eine Sinterunterlage gelegt.

[0023] Um die Trennung von Substrat und Grünling zu erleichtern bzw. zu verbessern, kann das Substrat, das beispielsweise platten- oder folienförmig ausgestaltet ist, eine Trennschicht und/oder ein Trenn-/Gleitmittel aufweisen. Als Trennschicht kommt z.B. eine Folie, die Polytetrafluorethylen (PTFE; auch bekannt unter dem Handelsnamen Teflon der Firma DuPont), Polyethylenterephthalat (PET; z.B. Hostaphan®-Folien der Firma Mitsubishi Polyester Film), Silikon oder Metall aufweist, in Frage. Als Trenn-/Gleitmittel kommen beispielsweise Antihaft- oder Haftmittel, Benetzungs-Promoter und ähnliche Stoffe in Frage.

[0024] In Schritt d) des Verfahrens findet eine thermische Behandlung des Grünlings statt. Hierzu wird die transferierte, getrocknete Druckpaste erhitzt.

[0025] Die thermische Behandlung kann generell in zwei Teilschritte untergliedert werden. Während des ersten Teilschritts, der Entbinderung, werden überschüssige organische Binder und Additive, die in der Druckpaste enthalten waren und die der Grünling noch enthält, zersetzt und entweichen im Wesentlichen rückstandslos. Der resultierende Formkörper wird auch als "Braunling" bezeichnet.

[0026] Während des zweiten Teilschritts, der Sinterung, wird der Braunling auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur, vorzugsweise im Bereich 80% - 90% der Schmelztemperatur, erwärmt, bei der die Struktur des Elektroblechs durch Schließen der restlichen Poren verdichtet wird. Ein sieb- oder schablonengedrucktes Elektroblech unterscheidet sich strukturell von einem gewalzten Elektroblech dadurch, dass die Materialdichte des gedruckten Elektroblechs in der Regel derzeit dennoch immer noch signifikant geringer als die des gewalzten Elektroblechs ist.

[0027] Insgesamt wird der Grünling vorteilhafterweise für eine Zeit zwischen 120 und 900 Minuten auf eine Temperatur von maximal 80% - 90% der Schmelztemperatur des Grünlings erhitzt.

[0028] Im letzten Schritt e) des Verfahrens wird die thermisch behandelte Druckpaste, also das fertige Elektroblech, von der Sinterunterlage gelöst bzw. dieselbe vom Elektroblech gelöst. Der Sinterofen kann vorteilhafterweise sofort mit dem nächsten Grünling bestückt werden, d.h. der nächste Grünling kann vorteilhafterweise sofort auf die freigewordene Sinterunterlage transferiert werden.

[0029] Ein sieb- oder schablonengedrucktes Elektroblech unterscheidet sich strukturell von einem gewalzten Elektroblech unter anderem dadurch, dass die Materialdichte eines gedruckten Elektroblechs in der Regel signifikant geringer als die eines gewalzten Elektroblechs ist. Des Weiteren gibt es in der Regel auch erhebliche Unterschiede in der Mikrostruktur, d.h. dem Gefüge eines gedruckten Elektroblechs im Vergleich zu einem gewalzten Elektroblech. Beispielhaft sind hierbei die Walztextur und Korngröße im Elektroblech zu nennen.

[0030] Um die Trennung des fertigen Elektroblechs von der Sinterunterlage zu erleichtern kann entweder diejenige Oberfläche des Grünlings, die für den Kontakt mit der Sinterunterlage vorgesehen ist, oder diejenige Oberfläche der Sinterunterlage, die für den Kontakt mit dem Grünling vorgesehen ist, mit einer Trennlage versehen werden. Alternativ können auch sowohl der Grünling als auch die Sinterunterlage mit einer Trennlage versehen werden.

[0031] Die Trennlage enthält, insbesondere besteht, vorteilhafterweise aus einem Material, das bei den während der thermischen Behandlung auftretenden Temperaturen chemisch inert ist. Als chemisch inert wird hierbei ein Material verstanden, das unter den jeweilig gegebenen Bedingungen der thermischen Behandlung mit potentiellen Reaktionspartnern etwa im Sinterofen nicht oder nur in verschwindend geringem Maße reagiert.

[0032] Die Trennlage liegt beispielsweise in Form von Platelets (Plättchen), Whiskern (nadelförmige Einkristalle von wenigen Mikrometern Durchmesser und mehreren hundert Mikrometern bis mehreren Millimeter Länge, die aus galvanisch oder pyrolytisch abgeschiedenen metallischen Schichten herauswachsen), Fasern oder eines Pulvers vor. Materialien, die als geeignet für eine Trennlage erscheinen, sind beispielsweise MgO, Y₂O₃, Al₂O₃, BN (Bornitrid), YAG, Si₃N₄, SiC, C (als Graphit, Kohlenstoffnanoröhren oder eine andere Kohlenstoff-Modifikation) oder eine Kombination daraus. Auch andere hochschmelzende Refraktär-Werkstoffe stellen eine vielversprechende Wahl für eine Trennlage dar.

[0033] Die Sinterunterlage, auf der sich der Grünling während der thermischen Behandlung befindet, enthält, insbesondere besteht, ebenfalls vorteilhafterweise aus einem Material, das bei den während der thermischen Behandlung auftretenden Temperaturen chemisch inert ist. Exemplarisch bieten sich hierfür Si₃N₄, SiC, poröses Al₂O₃, poröses MgO, Mullit, ein faserverstärktes Komposit oder eine Kombination daraus an.

[0034] Die mittels des erfinderischen Verfahrens hergestellten Elektrobleche können vorteilhafterweise in einer elektrischen Maschine verwendet werden. Hiervon umfasst sind rotierende elektrische Maschinen, insbesondere Elektromotoren und elektrische Generatoren, sowie ruhende elektrische Maschinen, insbesondere Transformatoren.

[0035] Das erfindungsgemäße Transfer-Verfahren zur Herstellung sieb- oder schablonengedruckter Elektrobleche kann auch zur Herstellung von Mehrkomponenten-Druckstrukturen herangezogen werden, indem die einzelnen Komponentenstrukturen separat gedruckt werden und dann im Anschluss über den Transferschritt sequenziell miteinander zusammengefügt werden. Vorteilhafterweise wird das Zusammenfügen der einzelnen Komponentenstrukturen mit einem finalen Kalibrier- bzw. Pressschritt zur Verbindung, d.h. dem Fügen oder Laminieren der finalen Komposit-Struktur im Grünzustand, verbunden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Elektroblechs aus einer Druckpaste mit den folgenden Schritten:

a) Aufbringen einer Druckpaste auf einem Substrat mittels eines Druckverfahrens,

b) Trocknen der sich auf dem Substrat befindlichen Druckpaste,

c) Transferieren der getrockneten Druckpaste vom Substrat auf eine Sinterunterlage,

d) Thermische Behandlung der sich auf der Sinterunterlage befindlichen Druckpaste, und

e) Trennen der thermisch behandelten Druckpaste von der Sinterunterlage.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei vor Schritt c) diejenige Oberfläche der getrockneten Druckpaste, die für den Kontakt mit der Sinterunterlage vorgesehen ist, mit einer Trennlage zur Erleichterung der Trennung der thermisch behandelten Druckpaste von der Sinterunterlage beaufschlagt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
wobei vor Schritt c) diejenige Oberfläche der Sinterunterlage, die für den Kontakt mit der getrockneten Druckpaste vorgesehen ist, mit einer Trennlage zur Erleichterung der Trennung der thermisch behandelten Druckpaste von der Sinterunterlage beaufschlagt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
wobei die Trennlage ein Material enthält, das bei den während der thermischen Behandlung auftretenden Temperaturen chemisch inert ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
wobei die Trennlage ein Material enthält, das in Form von Platelets, Whiskern, Fasern oder eines Pulvers vorliegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
wobei die Trennlage ein Material ausgewählt aus MgO, Y₂O₃, Al₂O₃, BN, YAG, Si₃N₄, SiC, C oder einer Kombination daraus enthält.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Sinterunterlage ein Material enthält, das bei den während der thermischen Behandlung auftretenden Temperaturen chemisch inert ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Sinterunterlage ein Material ausgewählt aus Si₃N₄, SiC, porösem Al₂O₃, porösem MgO, Mullit, faserverstärktem Komposit oder einer Kombination daraus enthält.

9. Elektroblech für eine rotierende elektrische Maschine zur Wandlung von Energie, wobei das Elektroblech nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wurde.

10. Elektroblech für einen Transformator zur Wandlung einer Eingangswechselspannung in eine Ausgangswechselspannung, das nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wurde.