EP3857580A1 - Gedrucktes elektroblech - Google Patents

Gedrucktes elektroblech

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EP3857580A1
EP3857580A1 EP19795103.1A EP19795103A EP3857580A1 EP 3857580 A1 EP3857580 A1 EP 3857580A1 EP 19795103 A EP19795103 A EP 19795103A EP 3857580 A1 EP3857580 A1 EP 3857580A1
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printing
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Definitions

  • Stencil printing and screen printing represent a new process for the production of electrical sheets for electrical machines.
  • a printing paste is first produced from metal powders. This is then printed onto a carrier plate using the stencil or screen printing technique. The printing paste then converts to a thick layer, which is also referred to as a green body. The resulting green body is then converted into a metallic, structured body by thermal treatment.
  • the printing paste is conventionally applied to a carrier plate, which consists for example of Al 2 O 3 . It is known to apply a scattering agent, for example an Al 2 O 3 powder, flatly before applying the printing paste to the carrier plate, in order to facilitate the separation of the thermally treated printing paste from the carrier plate.
  • the printing paste is printed directly onto the carrier plate prepared in this way using stencil or screen printing, dried and then thermally processed.
  • a challenge with the above-mentioned method is to find a carrier plate and, if appropriate, a scattering agent that has suitable properties both for stencil or screen printing and for the subsequent thermal treatment of the printing paste.
  • the thermally treated printing paste i.e. the finished electrical sheet
  • the thermally treated printing paste is detached from the sintered base or the same is detached from the electrical sheet.
  • the sintering furnace can advantageously be immediately loaded with the next green body, i.e. the next green compact can advantageously be immediately transferred to the sinter pad that has become free.
  • Electrical sheets can advantageously be used in an electrical machine.
  • This includes rotating electrical machines, in particular electric motors and electrical generators, as well as static electrical machines, especially transformers.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein 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. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein nach diesem Verfahren hergestelltes Elektroblech zur Verwendung in einer rotierenden oder stationären elektrischen Maschine.

Description

Beschreibung
Gedrucktes Elektroblech
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel lung eines Elektroblechs aus einer Druckpaste. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein mittels des genannten Verfahrens hergestelltes Elektroblech.
Elektrische Maschinen bestehen aus verschiedenartig angeord neten 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 ge schichtetem Elektroblech. Die Schichtung dient zur Vermeidung von unerwünschten Wirbelströmen.
Standardkerne werden aus gestanzten Einzelblechen herge stellt, die früher durch einseitig aufgeklebte Papierschich ten, in modernerer Form durch chemisch aufgebrachte Phospha tierungsschichten isoliert sind. Die Blechstärke für normale Anwendungen ist häufig bei 0,5 mm. Für elektrische Übertrager von höheren Frequenzen oder besonders verlustarme Geräte wer den dünnere Bleche mit 0,35 mm Stärke verwendet. Schnittband- und Ringkerne werden oft aus noch dünneren und ebenfalls iso lierten Bändern gewickelt.
Ein neues Verfahren zur Herstellung von Elektroblechen für elektrische Maschinen stellen der Schablonendruck und der Siebdruck dar. Hierbei wird ausgehend von Metallpulvern zu nächst eine Druckpaste erzeugt. Diese wird dann mittels der Schablonen- bzw. Siebdrucktechnik auf eine Trägerplatte auf gedruckt. Die Druckpaste wandelt sich anschließend in eine Dickschicht um, die auch als Grünkörper bezeichnet wird. An schließend wird der entstandene Grünkörper durch thermische Behandlung in einen metallischen, strukturierten Körper über führt . Die Druckpaste wird dabei herkömmlicherweise auf eine Träger platte, die beispielsweise aus AI2O3 besteht, aufgebracht. Es ist bekannt, ein Streumittel, beispielsweise ein AI2O3- Pulver, vor dem Aufträgen der Druckpaste auf die Trägerplatte flächig aufzubringen, um das Trennen der thermisch behandel ten Druckpaste von der Trägerplatte zu erleichtern. Auf die so vorbereitete Trägerplatte wird direkt per Schablonen- oder Siebdruck die Druckpaste aufgedruckt, getrocknet und an schließend thermisch weiterverarbeitet.
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 geeig nete Eigenschaften aufweist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Heraus forderung zu meistern.
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.
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 Druck paste,
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 .
Im Gegensatz zu der bekannten Herangehensweise bei der Her stellung eines sieb- oder schablonengedruckten Elektroblechs versucht die vorliegende Erfindung gerade nicht, die Träger platte, 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 ande rer Ansatz vorgeschlagen: Nach dem Drucken und Trocknen der Druckpaste auf der Trägerplatte wird die getrocknete Druck paste von derselben gelöst und auf eine andere Unterlage transferiert. Auf dieser separaten Unterlage findet anschlie ßend 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 ei ne zweite Trägerplatte, die im Folgenden als „Sinterunterla ge" bezeichnet wird und auf der die thermische Behandlung der getrockneten Druckpaste durchgeführt wird.
Ein Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Sinterun terlage primär bezüglich der thermischen Behandlung der
Druckpaste optimiert werden kann und das Substrat primär be züglich des Schablonen- oder Siebdrucks.
Konkret können beispielsweise Oberflächeneigenschaften des Substrats, wie Rauigkeit, Planarität (auch als Planizität be zeichnet) und Saugfähigkeit bzgl. der organischen Bestandtei le und des Lösungsmittels der Druckpaste so ausgewählt wer den, dass eine gewünschte Benetzung, Haftung oder Kontaktwin kel 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. Weitere Vorteile der Trennung bzw. Parallelisierung des Druckvorgangs und der thermischen Behandlung sind die Redu zierung 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 Sinterunterla ge gestapelt. Zum anderen können, wenn
beispielsweise der Siebdrucker Probleme macht, aus einem Puf ferlager trotzdem weiter Grünteile dem Sinterofen zugeführt werden .
Zur Vermeidung etwaiger Missverständnisse folgt eine Klar stellung 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 be kannt, sondern auch Formkörper, die mittels Drucktechniken erzeugt wurden und die die Funktion und Eigenschaften von herkömmlichen Elektroblechen aufweisen, bezeichnet. Sieb- o- der schablonengedruckte Elektrobleche können auch als „Mate riallagen" bezeichnet werden; dieser Begriff ist als Synonym zu „Elektroblechen" zu sehen. Elektrobleche werden in Fach kreisen auch als „Magnetbleche" oder, je nach Verwendungs zweck, als Dynamo- oder Motorenbleche bzw. Transformatoren bleche bezeichnet.
Das in Schritt a) des Verfahrens erwähnte Druckverfahren um fasst insbesondere Siebdruckverfahren und Schablonendruckver fahren .
Der Siebdruck ist ein Druckverfahren, bei dem eine Druckpaste mit einem Rakel durch ein Sieb, z.B. ein feinmaschiges Gewe be, hindurch auf das zu bedruckende Material, hier das Sub strat, 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 Schab- lone 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 belich tet 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.
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.
Das Substrat, auf dem die Druckpaste gedruckt wird, kann selbsttragend, als z.B. plattenförmig, sein. Alternativ sind auch flexible Substrate möglich, wie etwa Folien.
Die Druckpaste basiert in der Regel auf einem Metallpulver.
Der Schritt b) des Verfahrens, nämlich das Trocknen der
Druckpaste, wird beispielsweise mittels einer kontrollierten, insbesondere temperierten, Gasströmung zum Abtransport flüch tiger Stoffe realisiert. Hierfür kann vorzugsweise Luft oder Inertgas als Medium verwendet werden. Als Folge davon evapo rieren 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 Tempera turverteilung in der Druckpaste und ein langsames Aufheizen ohne Blasenbildung des Lösungsmittels.
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) . 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. Schließ lich wird der Grünling auf eine Sinterunterlage gelegt.
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) , Po- lyethylenterephthalat (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 .
In Schritt d) des Verfahrens findet eine thermische Behand lung des Grünlings statt. Hierzu wird die transferierte, ge trocknete Druckpaste erhitzt.
Die thermische Behandlung kann generell in zwei Teilschritte untergliedert werden. Während des ersten Teilschritts, der Entbinderung, werden überschüssige organische Binder und Ad ditive, die in der Druckpaste enthalten waren und die der Grünling noch enthält, zersetzt und entweichen im Wesentli chen rückstandslos. Der resultierende Formkörper wird auch als „Bräunling" bezeichnet. Während des zweiten Teilschritts, der Sinterung, wird der Bräunling auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztempera tur, vorzugsweise im Bereich 80% - 90% der Schmelztemperatur, erwärmt, bei der die Struktur des Elektroblechs durch Schlie ßen der restlichen Poren verdichtet wird. Ein sieb- oder schablonengedrucktes Elektroblech unterscheidet sich struktu rell von einem gewalzten Elektroblech dadurch, dass die Mate rialdichte des gedruckten Elektroblechs in der Regel derzeit dennoch immer noch signifikant geringer als die des gewalzten Elektroblechs ist.
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.
Im letzten Schritt e) des Verfahrens wird die thermisch be handelte Druckpaste, also das fertige Elektroblech, von der Sinterunterlage gelöst bzw. dieselbe vom Elektroblech gelöst. Der Sinterofen kann vorteilhafterweise sofort mit dem nächs ten Grünling bestückt werden, d.h. der nächste Grünling kann vorteilhafterweise sofort auf die freigewordene Sinterunter lage transferiert werden.
Ein sieb- oder schablonengedrucktes Elektroblech unterschei det 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 Re gel auch erhebliche Unterschiede in der Mikrostruktur, d.h. dem Gefüge eines gedruckten Elektroblechs im Vergleich zu ei nem gewalzten Elektroblech. Beispielhaft sind hierbei die Walztextur und Korngröße im Elektroblech zu nennen.
Um die Trennung des fertigen Elektroblechs von der Sinterun terlage zu erleichtern kann entweder diejenige Oberfläche des Grünlings, die für den Kontakt mit der Sinterunterlage vorge sehen 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.
Die Trennlage enthält, insbesondere besteht, vorteilhafter weise aus einem Material, das bei den während der thermischen Behandlung auftretenden Temperaturen chemisch inert ist. Als chemisch inert wird hierbei ein Material verstanden, das un ter den jeweilig gegebenen Bedingungen der thermischen Be handlung mit potentiellen Reaktionspartnern etwa im Sinter ofen nicht oder nur in verschwindend geringem Maße reagiert.
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 pyroly tisch abgeschiedenen metallischen Schichten herauswachsen) , Fasern oder eines Pulvers vor. Materialien, die als geeignet für eine Trennlage erscheinen, sind beispielsweise MgO, Y2O3, AI2O3, BN (Bornitrid) , YAG, Si3N4, SiC, C (als Graphit, Koh lenstoffnanoröhren oder eine andere Kohlenstoff-Modifikation) oder eine Kombination daraus. Auch andere hochschmelzende Re- fraktär-Werkstoffe stellen eine vielversprechende Wahl für eine Trennlage dar.
Die Sinterunterlage, auf der sich der Grünling während der thermischen Behandlung befindet, enthält, insbesondere be steht, ebenfalls vorteilhafterweise aus einem Material, das bei den während der thermischen Behandlung auftretenden Tem peraturen chemisch inert ist. Exemplarisch bieten sich hier für Si3N4, SiC, poröses AI2O3, poröses MgO, Mullit, ein faser verstärktes Komposit oder eine Kombination daraus an.
Die mittels des erfinderischen Verfahrens hergestellten
Elektrobleche können vorteilhafterweise in einer elektrischen Maschine verwendet werden. Hiervon umfasst sind rotierende elektrische Maschinen, insbesondere Elektromotoren und elekt- rische Generatoren, sowie ruhende elektrische Maschinen, ins besondere Transformatoren.
Das erfindungsgemäße Transfer-Verfahren zur Herstellung sieb- oder schablonengedruckter Elektrobleche kann auch zur Her stellung von Mehrkomponenten-Druckstrukturen herangezogen werden, indem die einzelnen Komponentenstrukturen separat ge druckt werden und dann im Anschluss über den Transferschritt sequenziell miteinander zusammengefügt werden. Vorteilhafter- weise wird das Zusammenfügen der einzelnen Komponentenstruk turen mit einem finalen Kalibrier- bzw. Pressschritt zur Ver bindung, d.h. dem Fügen oder Laminieren der finalen Komposit- Struktur im Grünzustand, verbunden.

Claims

Patentansprüche
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 Druck paste,
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 vor gesehen ist, mit einer Trennlage zur Erleichterung der Tren nung der thermisch behandelten Druckpaste von der Sinterun terlage beaufschlagt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
wobei vor Schritt c) diejenige Oberfläche der Sinterunterla ge, die für den Kontakt mit der getrockneten Druckpaste vor gesehen ist, mit einer Trennlage zur Erleichterung der Tren nung der thermisch behandelten Druckpaste von der Sinterun terlage 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, AI2O3, BN, YAG, SiN4, 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 SiN4, SiC, porösem AI2O3, 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 Ver fahren 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 herge stellt wurde.
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