DE10222301A1 - Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils - Google Patents

Abstract

Um eine einfache und kostengünstige Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils (6), insbesondere eines elektrischen Funktionsbauteils, zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass durch ein thermisches Spritzverfahren ein dreidimensionaler Materialaufbau (4) erfolgt. Das thermische Spritzverfahren, insbesondere Flammspritzen, ermöglicht hierbei eine sehr hohe Flexibilität im Hinblick auf die geometrischen Strukturen sowie im Hinblick auf die verwendeten Materialien.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils, insbesondere eines elektrischen Funktionsbauteils.
• In vielen technischen Bereichen müssen Bauteile mit komplexer dreidimensionaler Geometrie erzeugt werden. Neben der komplexen Geometrie können die Bauteile zusätzliche Funktionen, beispielsweise elektrische Funktionen aufweisen. Aufgrund der komplexen dreidimensionalen Struktur sind die üblicherweise eingesetzten Herstellungsverfahren aufwändig und kostenintensiv. Ein gängiges Herstellungsverfahren ist beispielsweise die Bereitstellung einer Guss- oder Spritzform, in die schmelzflüssiges Material, wie Kunststoff oder Metall, eingegossen oder eingespritzt wird, um die gewünschte Form zu erhalten. Auch besteht die Möglichkeit, ein Bauteil durch geeignete Nachbearbeitung, beispielsweise eine spanende Bearbeitung, in die gewünschte Endform zu bringen. Letztendlich kann eine komplexe Struktur auch durch das geeignete Verbinden von unterschiedlichen Bauteilen zu einem einheitlichen Bauteil erzeugt werden. Allen diesen Verfahren ist jedoch gemeinsam, dass sie sehr arbeitsintensiv und/oder unflexibel im Hinblick auf Geometrieänderungen sind und nur bedingt für elektrische Funktionsbauteile eingesetzt werden können.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils zu ermöglichen.
• Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst, indem mit Hilfe eines thermischen Spritzverfahrens ein dreidimensionaler Materialaufbau und damit eine dreidimensionale Struktur erzeugt wird.
• Die Erfindung geht dabei von dem grundlegenden Ansatz aus, die dreidimensionale Struktur unmittelbar durch einen sukzessiven Materialaufbau mittels des thermischen Spritzverfahrens zu erzeugen. Durch kontinuierliche Materialabscheidung aus dem beim Spritzverfahren vorhandenen Teilchenstrom wird also das Bauteil unmittelbar und direkt ohne weitere Zwischenschritte aufgebaut. Die Strahlführung und die verwendeten Materialien sind beim thermischen Spritzen äußerst flexibel, so dass komplexe Strukturen in einfacher Weise mit vergleichsweise geringem Aufwand erzeugt werden.
• Das thermische Spritzen ist beispielsweise in der DIN 32530 aufgeführt. Unter thermischem Spritzen wird ein strahlgebundenes thermisch-kinetisches Auftragsverfahren verstanden, bei dem allgemein ein Teilchenstrom, nämlich das aufzubringende Material, mit kinetischer Energie und nach Wärmezufuhr auf einen Trägerbauteil gerichtet wird. Das Trägerbauteil kann dabei selbst durch das Spritzverfahren aufgebaut sein. Der Begriff thermisch ist dabei insbesondere dahingehend zu verstehen, dass die Teilchen des Teilchenstroms insbesondere erweichen, anschmelzen oder schmelzen, oder dass sie zumindest so weit erwärmt werden, dass sie eine thermische Veränderung der Oberfläche des Trägerbauteils hervorrufen. Die thermische Veränderung kann in einer Reduzierung der Oberflächenhärte, einem Erweichen oder einem Anschmelzen der Oberfläche bestehen. Der Begriff kinetisch ist dahingehend zu verstehen, dass der Impuls der Teilchen ausreichend hoch ist, so dass sie beim Auftreffen auf die Oberfläche in diese - gegebenenfalls zuvor erweichte Oberfläche - zumindest teilweise eingepresst werden. Durch das thermische Spritzverfahren wird dadurch eine sehr gute Verbindung des aufgespritzten Materials mit dem Trägerbauteil erhalten, da die aufgespritzten Partikel quasi einen mikroskalischen Formschluss bilden.
• Ein wesentlicher Vorteil des thermisch-kinetischen Auftragsverfahrens besteht in seiner hohen Flexibilität sowie seiner einfachen und kostengünstigen Handhabung. Mit dem Spritzverfahren lassen sich nahezu beliebige Materialien, wie Kunststoff, Keramik oder Metall, spritzen. Durch geeignete Einstellung von Verfahrensparametern lassen sich zudem die chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften des erzeugten Bauteils über einen sehr weiten Bereich variieren. Zur Ausbildung einer geometrischen Struktur kann der Teilchenstrahl durch Blenden, elektromagnetische Strahlen oder durch ummantelte Strömungen zielgerichtet geführt werden.
• Beim Auftragen einer Schicht auf einer darunterliegenden Schicht oder auf ein Trägerbauteil kann zudem vorgesehen sein, zunächst eine Keim- oder Haftvermittlerschicht aufzutragen, und erst auf diese dann die Schicht aufzubringen. Durch diese Maßnahme wird eine besonders gute Haftung zwischen den zwei aufeinander folgenden Schichten ausgebildet. Zur Erzeugung der Keimschicht werden beispielsweise mit dem Spritzverfahren Pulverpartikel aus einem geeigneten Material aufgetragen. Auf diese Keimschicht wird dann die eigentlich aufzutragende Schicht aufgebracht. Zur Erzeugung der Keimschicht kann alternativ auch ein zusätzlicher Zwischenschritt vorgesehen sein, bei dem die Oberfläche der unteren Schicht behandelt wird, so dass sie in den behandelten Bereichen eine erhöhte Haftung aufweist. Die Veränderung der Hafteigenschaft der Oberfläche der unteren Schicht wird beispielsweise durch Auftragen eines geeigneten Lacks erzielt. Zur Ausbildung der Keimschicht werden dabei insbesondere die Maßnahmen ergriffen, wie sie in der internationalen Patentanmeldung PCT/EP02/01896 vom 22.02.2002 beschrieben sind.
• Als Auftragsverfahren eignet sich insbesondere das so genannte Flammspritzen. Bei diesem Spritzverfahren wird das aufzubringende Material zumindest teilweise aufgeschmolzen, so dass aufgrund des Wärmeeintrags das Trägermaterial, auf das aufgespritzt wird, vorzugsweise zumindest teilweise anschmilzt, so dass eine innige und vorzugsweise stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird. Mit dem Flammspritzen ist ein besonders schnelles und wirtschaftliches Auftragen der Leiterbahn mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand möglich.
• Neben dem Flammspritzen eignet sich auch das so genannte Kaltgasspritzen. Dieses Verfahren ist auch unter dem Begriff Strahlplattieren bekannt. Bei dem Verfahren prallen Teilchen mit sehr hoher kinetischer Energie auf das Trägerbauteil auf. Die Teilchen werden dabei teilweise bis auf Schallgeschwindigkeit oder darüber beschleunigt. Der Durchmesser der Teilchen liegt beispielsweise im Bereich zwischen 10 und 100 µm. Mit dem Kaltgasspritzen ist ein Masseauftrag mit einer hohen Rate möglich. Aufgrund der hohen kinetischen Energie sind vergleichsweise niedrige Temperaturen ausreichend, so dass die Temperaturbelastung des Trägermaterials, auf das aufgespritzt wird, sowie des Spritzwerkstoffs, also der Teilchen, gering ist.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird das mittels Spritzverfahren aufgebaute Material selbsttragend ausgebildet, d. h. das erzeugte Bauteil weist eine hohe Eigensteifigkeit auf, so dass es formstabil ist und auch den für den vorgesehenen Einsatzzweck zu erwartenden Belastungen standhält. Diese Belastungen können mechanischer, thermischer, chemischer oder physikalischer Natur sein. Durch die selbsttragende Ausbildung ist das Bauteil also für den vorgesehenen Einsatzzweck ohne weitere Hilfsmittel geeignet. Diese selbsttragende Eigenschaft wird beispielsweise durch eine ausreichende Materialstärke und/oder eine geeignete Materialauswahl erzeugt. So kann beispielsweise durch die Verwendung von geeigneten Materialien das Bauteil resistent gegen chemische Mittel sein. Durch die Einstellung der Verfahrensparameter des Spritzverfahrens kann zudem die Dichte des abgeschiedenen Materials beeinflusst werden, so dass das Bauteil insgesamt auch eine sehr hohe Oberflächengüte aufweist, die beispielsweise im Hinblick auf eine mechanische Abriebfestigkeit von Vorteil ist.
• In einer zweckdienlichen Weiterbildung wird bei dem Verfahren ein Formkörper zur Ausbildung des dreidimensionalen Bauteils zunächst umspritzt und anschließend wieder entfernt. Durch den Formkörper wird also die dreidimensionale Struktur vorgegeben, so dass die Strahlführung vereinfacht ist. Zudem können dadurch in einfacher Weise einen Hohlraum einschließende tragfähige Strukturen erzeugt werden, die aufgrund ihres skelettartigen Aufbaus nur wenig Material benötigen und dementsprechend leicht sind.
• Alternativ hierzu verbleibt in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Formkörper und bildet zusammen mit dem dreidimensionalen Materialaufbau ein gemeinsames Funktionsbauteil. Dies ist beispielsweise ein elektrisches Funktionsbauteil, bei dem der Formkörper und der Materialaufbau unterschiedliche elektrische Funktionen wahrnehmen. So kann beispielsweise der Formkörper aus einem isolierenden und der Materialaufbau aus einem leitfähigen Material bestehen oder umgekehrt. Insbesondere wird hierbei ein Kondensator ausgebildet, bei dem das Formbauteil ein Dielektrikum darstellt und durch den Materialaufbau die Kondensatorplatten erzeugt werden.
• Aufgrund einer vorgegebenen Einbausituation beispielsweise für Rohre, Schächte oder Leitungen, müssen diese oftmals in Teilbereichen in komplexen dreidimensionalen Formen verlegt werden, wohingegen in anderen Teilbereichen einfache Standardelemente herangezogen werden können. Hier setzt eine zweckdienliche Weiterbildung an, gemäß der das Bauteil durch sukzessiven Materialaufbau auf einem bereits bestehenden Profil als Weiterführung dieses Profils ausgebildet wird. Hierdurch können in den Teilbereichen, in denen eine sehr komplexe Profilführung erforderlich ist, die Profile in einfacher Weise an diese komplexe Geometrie angepasst werden.
• Bei dem Verfahren lassen sich beispielsweise durch die Verwendung mehrerer Spritzköpfe nebeneinander auch gleichzeitig unterschiedliche Materialien auftragen. Der gleichzeitige Materialaufbau zweier unterschiedlicher Materialien nebeneinander kann aber auch alternativ hierzu alternierend erfolgen, d. h. zunächst wird ein Teilstück mit dem ersten Material aufgebaut, anschließend wird mit dem zweiten Material ein Teilstück aufgebaut. Mit diesem alternierenden Verfahren können die weiteren Materialien sowohl nebeneinander als auch übereinander aufgebaut werden.
• Vorzugsweise wird dies ausgenutzt, um ein Bauteil mit koaxial zueinander angeordneten Elementen aus unterschiedlichen Materialien zu erzeugen. Insbesondere wird ein bereits bestehendes elektrisches Koaxialkabel durch den Materialaufbau weitergeführt.
• In einer bevorzugten Alternative wird das Bauteil als ein elektrisches Steckelement, beispielsweise als Stecker oder als Buchse ausgebildet. Vorzugsweise werden dabei mehrere der Steckelemente in einem Raster zur Ausbildung eines Stecksystems angeordnet. Die Orientierung der einzelnen Steckelemente zueinander sowie ihre Form sind dabei in einfacher Weise variierbar, so dass sich insgesamt verwechslungssichere Stecksysteme ausbilden lassen. Durch die Wahl der Orientierung und/oder der Form der Steckelemente kann zudem eine Kodierung vorgenommen werden. Die Kodierung kann alternativ oder zusätzlich auch durch spezielle Kodierstifte erzeugt werden, die bevorzugt ebenfalls mit dem Spritzverfahren erzeugt werden.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin durch ein mit dem Verfahren erzeugtes Bauteil gelöst. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen und grob vereinfachten Darstellungen:
• Fig. 1 ein nach Art eines Doppel-T-Trägers ausgebildetes Bauteil mit einem innenliegenden Formbauteil, auf dem mit dem thermischen Spritzverfahren ein dreidimensionaler Materialaufbau vorgenommen wurde,
• Fig. 2 das Bauteil nach Fig. 1 ohne Formkörper,
• Fig. 3 ein mit Fig. 1 vergleichbares Bauteil, bei dem der Formkörper nur in Teilbereichen von dem dreidimensionalen Materialaufbau umgeben ist,
• Fig. 4 eine stark vereinfachte Aufsicht auf eine Trägerplatte mit einem darauf angebrachten Stecksystem,
• Fig. 5A, B eine Querschnittsdarstellung und eine Seitendarstellung eines Koaxialkabels und
• Fig. 6 ein Profil, bei dem ein bereits bestehendes Profilstück durch den Materialaufbau weitergeführt ist.
• Nach den Fig. 1 bis 3 ist zur Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils 6 ein Formkörper 2 vorgesehen, auf den mittels des thermischen Spritzverfahrens ein dreidimensionaler Materialaufbau 4 aufgebracht ist. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Formkörper 2 zugleich Teil des durch den Formkörper 2 und des Materialaufbaus 4 gebildeten dreidimensionalen Bauteils 6. Gleiches gilt für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3, wohingegen beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 das dreidimensionale Bauteil 6 allein durch den Materialaufbau 4 definiert ist. Das Bauteil 6 nach Fig. 2 wird dadurch erhalten, dass nach Vollendung des Materialaufbaus 4 der Formkörper 2 wieder entfernt wird. Der Formkörper 2 stellt daher in diesem Fall eine verlierbare Form dar.
• Wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, ist der Materialaufbau 4 selbsttragend, d. h. er ist ausreichend stabil, um den für den jeweils vorgesehenen Einsatzzweck zu erwartenden Belastungen stand zu halten. Insbesondere sollen die Bauteile 6 nach den Fig. 1-3 als elektromechanische Bauteile verwendet werden, die einerseits eine mechanische Eigenstabilität aufweisen und andererseits auch elektrische Funktionen wahrnehmen und den entsprechenden Belastungen durch die Ströme oder Spannungen standhalten. Insgesamt ist der Materialaufbau 4 für die elektromechanischen Belastungen ausgelegt. Bei den integrierten Ausführungsvarianten (Fig. 1 und 3), bei denen der Formkörper 2 Teil des Bauteils 6 ist, übernehmen der Formkörper 2 und der Materialaufbau 4 unterschiedliche Funktionen. So wird beispielsweise durch den Materialaufbau 4 ein leitfähiges Gebilde definiert, wohingegen der Formkörper 2 einen Isolator darstellt und beispielsweise ein Dielektrikum eines Kondensators bildet. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Materialaufbau 4 beispielsweise nicht durchgängig aufgebracht, so dass insbesondere in Längsrichtung des Formkörpers 2 (senkrecht zur Papierebene) Bereiche mit und ohne Materialaufbau sich abwechseln. Auch kann das Bauteil 6 lediglich Teil eines größeren Gesamtaufbaus sein und beispielsweise ein Teil eines Kondensators bilden. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind hierzu beispielsweise die Außenflächen 8 des Formkörpers 2 vom Materialaufbau 4 umgeben, so dass Kondensatorplatten 10 gebildet sind. Diese sind durch den Steg 12 des Formkörpers 2 voneinander beabstandet gehalten.
• Nach Fig. 4 sind auf einer Trägerplatte 14, beispielsweise eine Platine oder eine Leiterplatte, mehrere Steckelemente 16A-D angeordnet, die unterschiedliche Geometrien und Ausgestaltungen aufweisen. Die Steckelemente 16A-D sind beispielsweise Stecker 16A-C oder eine Buchse 16D zur Aufnahme eines Steckers. Diese Steckelemente 16A-D werden durch das thermische Spritzverfahren erzeugt, indem ein dreidimensionaler Materialaufbau 4 erfolgt. Hierbei kann zur Formgebung wiederum ein Formkörper vorgesehen sein. Durch die Positionierung der einzelnen Steckelemente 16A-D auf der Trägerplatte 14 sowie durch ihre geometrische Ausgestaltung können unverwechselbare Stecksysteme erzeugt werden. Insbesondere kann auch durch diese Maßnahmen eine Kodierung vorgenommen werden, so dass das auf der Trägerplatte 14 angeordnete Stecksystem nur mit einem hierfür ausgelegten, komplementären Stecksystem zusammengefügt werden kann. Zur Kodierung ist nach Fig. 2 zusätzlich eine Kodierleiste mit Kodierstiften 18 vorgesehen. Weiterhin sind an der Trägerplatte 14 Verriegelungselemente 20 vorgesehen, mit denen das auf der Trägerplatte 14 verwirklichte Stecksystem beispielsweise in ein entsprechendes Gehäuse eingesteckt und mit diesem automatisch verriegelt wird. Sowohl die Verriegelungselemente 20 als auch die Kodierstifte 18 können mit Hilfe des thermischen Spritzverfahrens an der Trägerplatte 14 angeformt sein. Sie bestehen vorzugsweise aus Kunststoff, wohingegen die Steckelemente 16A-D einen elektrisch leitfähigen Materialaufbau aufweisen.
• Fig. 5A zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Koaxial-Kabels 22 mit einem innenliegenden Leiter 24, welcher zunächst von einem Isolator 26 und schließlich von einer Abschirmung 28 umgeben ist. Mit dem Spritzverfahren kann die durch das Koaxial-Kabel 22 vorgegebene Struktur weitergeführt werden, so dass ein Teilstück 22A eines bestehenden Koaxial-Kabels durch den Materialaufbau 4 um ein Teilstück 22B ergänzt wird, wie dies aus Fig. 5B hervorgeht. Zur Ausbildung des Teilstücks 22B werden bei dem Spritzverfahren beispielsweise mehrere Spritzköpfe parallel nebeneinander betrieben, so dass gleichzeitig unterschiedliche Materialien zur Ausbildung des Teilstücks 22B parallel abgeschieden werden.
• Nach Fig. 6 wird ebenfalls an einem bestehenden Profil 30, beispielsweise ein Rohr oder ein Kabelschacht, durch das thermische Spritzverfahren ein Materialaufbau 4 mit komplexer Geometrie vorgenommen, so dass durch den Materialaufbau 4 das Profil 30 weitergeführt ist. Durch das Spritzverfahren kann dabei das Profil 30 in nahezu beliebigen komplexen Strukturen weitergeführt werden. Insbesondere ist auch eine Querschnittsveränderung des Profils 30 möglich. Bezugszeichenliste 2 Formkörper
  4 Materialaufbau
  6 Bauteil
  8 Außenfläche
  10 Kondensatorplatte
  12 Steg
  14 Trägerplatte
  16A-D Steckelemente
  18 Kodierstift
  20 Verriegelungselement
  22 Koaxial-Kabel
  22A, B Teilstück
  24 Leiter
  26 Isolator
  28 Abschirmung
  30 Profil
  

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils (6), insbesondere eines elektrischen Funktionsbauteils, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein thermisches Spritzverfahren ein dreidimensionaler Materialaufbau (4) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialaufbau (4) selbsttragend ausgebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formkörper (2) zur Ausbildung des Bauteils (6) umspritzt und anschließend entfernt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formkörper (2) zur Ausbildung des Bauteils (6) umspritzt und zusammen mit dem dabei erzeugten Materialaufbau (4) ein gemeinsames Funktionsbauteil bildet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator ausgebildet wird, bei dem mittels dem thermischen Spritzverfahren auf dem als Dielektrikum ausgebildeten Formbauteil (2) Kondensatorplatten (10) erzeugt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (6) durch den Materialaufbau (4) auf einem bereits bestehenden Profil (30) ausgebildet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Bauteils (6) mehrere Materialien parallel nebeneinander aufgebaut werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil (2) mit koaxial zueinander angeordneten Elementen aus unterschiedlichen Materialien erzeugt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Koaxialkabel (22) durch den Materialaufbau (4) weitergeführt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteil (6) ein elektrisches Steckelement (16A-D) ausgebildet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Steckelemente (16A-D) in einem Raster zur Ausbildung eines Stecksystems angeordnet werden.

12. Dreidimensionales Bauteil (6), das mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.