阅读说明：本技术 用于制造具有腔体的部件的方法 (Method for producing a component having a cavity ) 是由 U·施配希特 M·霍伊泽尔 M·布尔夏特 F-J·沃斯特曼 于 2019-01-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于制造具有腔体的导电部件(5)的方法。通过将由导电材料组成的承载层施加到可溶衬底(1)上,然后溶解并至少部分去除该衬底(1),实现了该部件的有效制造方法,该方法允许部件的壁厚的高度可变。(The invention relates to a method for producing an electrically conductive component (5) having a cavity. By applying a carrier layer consisting of an electrically conductive material onto a soluble substrate (1) and then dissolving and at least partially removing the substrate (1), an efficient manufacturing method of the component is achieved, which allows a highly variable wall thickness of the component.)

用于制造具有腔体的部件的方法

技术领域

本发明属于机械工程领域，并且涉及导电中空部件的制造。具体地，其可以有利地应用于电气工程领域。一个重要的应用是制造冷却的无源电气部件，例如电导体，具体是线圈。这种线圈可以用于例如逆变器供电的电动机的制造中。当中空导体可以在这种线圈的制造过程中使用时，有效的冷却是可能的，这能够实现非常高的电流密度。然而，本发明的使用不限于例如驱动器或发电机，而是也可以实现其他元件，例如用于高频电路的扼流线圈。在使用中空导电部件的过程中，一个特别的特征在于可以选择对其进行内部冷却。然而，这种部件制造复杂，特别是当要实现小尺寸和/或薄壁横截面时。在复杂的形状中，以前这种部件的制造只能通过增材制造方法(3D打印)来实现。

背景技术

根据EP0091352B1，已知一种直的金属半导体的制造方法，其中在衬底上涂覆多个金属层，将该衬底溶解，使得剩余的涂层形成波导。

根据EP0216421A1，已知一种用于制造光导体的方法，其中首先涂覆用作芯的衬底，然后从涂层中去除衬底。为此目的，衬底在其纵向方向上是细长的，在处理过程中，减小其横向方向上的横截面尺寸。

根据EP0129453B1，已知一种制造金属中空导体的方法，其中首先在芯上涂覆黄铜层，然后在其上涂覆银层和铜层，接着将芯和黄铜层溶解。

根据US2004/0036569A1，已知在半导体晶圆上或半导体晶圆中制造包括中空导体的高频模块。

根据DE3508794C2，已知在注射模具中制造注射成型体，涂覆模具，将涂层转移到成型部件上。

发明内容

在现有技术的背景下，本发明的目的在于提供一种用于制造具有腔体的导电部件的方法，该方法能够以很少的努力和很低的成本制造复杂的形状。

该目的基于根据本发明权利要求1的特征，通过一种用于制造导电部件的方法来实现。权利要求2至12代表该方法的有利实施例。

本发明还涉及一种用于制造在根据本发明的方法中所使用的可溶衬底的方法。

因此，本发明涉及一种用于制造具有腔体的导电部件的方法。

该目的通过以下实现：将由导电材料制成的承载流体密封层施加到可溶衬底上，具体地，层厚大于3微米，具体地大于20微米，使得所述衬底以流体密封的方式被所述层覆盖，此后所述衬底被溶解并且至少部分被去除。

通过将导电材料施加到衬底上，所施加的层的厚度和材料结构可以被配置在宽范围内。可以在该工艺中实现，例如，通过普通的金属铸造工艺不可实现的或者很难实现的层厚。通过将该层施加到衬底的表面上，也可以使用简单的施加方法实现具有底切的复杂形状。可以通过衬底的形状容易地配置在该层形成的部件中的一个或多个腔体的几何设计。通过该方法生成流体密封层，该流体密封层形成所形成的部件的封闭外壁，从而可以通过其腔体中的流体有效地对其进行冷却。然而，在部件中使用腔体不限于冷却，而是也可以通过腔体中提供的流体，实现任何类型的材料和热传输，例如加热、温度均衡或作为材料传输的流体传导。

此外，还可以规定，所述承载流体密封层以小于20mm，具体为小于5mm的层厚形成。

具体地，通过所描述的方法可以很好地实现部件的薄壁厚度。

此外，还可以规定，所述衬底具有线股状设计，并且所述层被施加到所述衬底在所有侧面上的(一个或多个)侧表面，使得所述衬底的侧表面以流体密封的方式被覆盖。

以这种方式，该方法可以特别容易地用于制造线状中空部件。

使用可用于将层施加到衬底上的不同技术，可能在期望的材料结构中形成薄层，使得部件所需的壁厚仅受到载流量、流体密封性以及机械承载能力的要求的限制。

例如，衬底可以被设计为具有任意横截面的线股状，并且该衬底通过使用涂覆方法在所有侧面上覆盖有流体密封层。在涂覆之前，衬底可能已经被放置在最终线圈/螺旋的几何形状中，然后才被涂覆。可以类似于绕组加工产生初步几何形状，其中随后，弹性地扩展或延伸该初步几何形状仍然是必须的，从而使得绕组彼此不接触并且能够被涂覆。同样，通过使用半成品的成型工艺，或者通过类似于熔融沉积成型(fused deposition molding，FDM)的工艺，可以产生初步几何形状，其中，通过喷嘴将衬底材料制成期望的线圈形状或近似形状，并且各个绕组彼此不熔合。此外，由此形成的衬底制成的预成型件可能已经被压缩，或者可以通过随后的成型而形成为期望的最终轮廓，从而当简单的初步几何形状用于衬底时，导致线圈的可用安装空间的利用率高。然后，在衬底溶解后，保留管状部件。衬底的横截面例如可以是圆形或椭圆形，或者也可以是矩形、正方形、三角形或多边形。例如，如果要制造或进一步加工以线圈的形式的部件，则允许较高数量的匝数的横截面是合适的选择。在该部件被制造之后，可以在去除衬底之前或去除衬底之后，例如通过弯曲或缠绕的方式，进一步使部件成型。然而，也可以规定，制造期望的复杂形状的衬底，从而使得随后使用的部件的三维形状已经由衬底的涂层预先确定。

在制造线股状部件的过程中，也可以通过使衬底连续地移动通过涂覆装置并将其涂覆在其中来提供连续的制造过程。在通过涂覆装置之后，被涂覆的衬底可以进入另一处理站，在该处理站中衬底被溶解。例如，在随后的站中，然后可以缠绕具有管状设计的线股状体。

在本发明的一个实施例中，可以规定，通过施加颗粒，将所述承载层施加到所述衬底上。该颗粒例如可以是微粒或纳米颗粒，或者也可以是单个原子或原子簇或材料液滴，它们通过使用不同的方法被施加到衬底的表面，这将在下文中进行更详细地描述。

在该方法的一个实施例中，可以规定，所述衬底至少部分由导电材料制成，具体是金属或导电塑料材料，或者由填充有导电颗粒的电绝缘材料制成，例如陶瓷、玻璃或塑料。

作为衬底的至少部分是导电设计的结果，进行如电镀方法等的涂覆方法是可能的，涂覆方法也可以以无电方式进行。

通过衬底的导电设计，需要产生电流或向衬底施加电压的其它涂覆方法也是可能的。

在根据本发明的方法的一个实施例中，还可以规定，例如，所述衬底至少部分由电绝缘材料制成，具体是塑料材料、蜡、陶瓷材料或热塑性材料。

通过这种方式，可以从常见的、易于加工的材料中自由选择用于制造衬底的材料。

为此目的，可以规定，例如，在施加所述承载层之前，所述衬底被预涂覆有导电预涂覆物质，具体是金属，具体是以微粒或纳米颗粒或导电塑料材料或碳的形式，具体是以石墨或碳纳米管的形式。

该预涂层建立了表面的导电性，使得所有电或电辅助的涂覆方法都被促进或使得其成为可能。

然而，还可以规定，在施加承载层之前，衬底涂覆有微粒或纳米颗粒，该微粒或纳米颗粒不一定导电。这样，可以提高随后施加的承载层的粘附力和/或改善这种层的生长。

这也促进了除电或电辅助方法之外的衬底涂覆方法。

合适的预涂层还可以在随后的步骤中促使生成的层从衬底上分离。

还可以规定，在施加承载层之前对衬底进行化学蚀刻。

例如，对于根据本发明的涂层，可以规定，通过电化的方法，具体是电化学或无电方法，将所述承载层施加到所述衬底上。

上述方法的优点如下：

·可以使用各种金属和合金

·层中可以使用不同的金属/合金

·可以通过工艺参数时间、温度、电压、电流、浓度等控制层厚度

·使用化学纯金属

·创建无缺陷/低缺陷层

·复杂结构涂层+均匀涂层(壁厚)。

另一种使用选择是，可以容易地形成在涂覆过程之后存在的中空导体以及仍然存在的位于内部的衬底，而不会破坏中空几何形状。其结果是，有可能转置/绞合多个导体，然后仅将衬底移出中空导体。由于集肤效应，这产生了非常高的频率且损耗很小的导体，由于可能的内部冷却，该导体能够实现非常高的电流密度。

作为替代方案，还可以规定，通过PVD涂覆工艺，将所述承载层施加到所述衬底上。

例如，该物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)工艺可以包括以下方法：随后沉积的物质的热蒸发、电子束蒸发、激光束蒸发、电弧蒸发、分子束外延。此外，所谓的溅射是一种涂覆方法，其中原料通过离子轰击被雾化并转移到气相中。此外，可以采用离子束辅助沉积、离子镀和离子化簇束沉积(ionized cluster beam deposition，ICBD)方法。

原则上，应注意的是，也可以连续施加多个层，这些层随后形成为待制造的中空部件的壁。例如，可以想到的是，第一层确保导电性和机械稳定性，而施加到其上的层确保流体密封性，反之亦然。

原则上，还可以规定，通过CVD涂覆工艺，将所述承载层施加到所述衬底上。

化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)工艺应理解为将来自气相的物质沉积在衬底上的化学气相沉积工艺，其中，该物质与表面或表面上存在的材料，例如预涂层，发生化学反应，形成一层。

为了产生所制造的部件的特殊形状，例如，可以规定，所述承载层被施加到所述衬底上，以便在所有侧面以流体密封的方式围绕所述衬底。

所有侧面的流体密封性应理解为衬底实际上被涂层完全封闭和密封。然而，具体是在线股状衬底的情况下，还可以规定，衬底的侧表面以完全流体密封的方式密封，而衬底的至少一个端面或者多个端面保持未涂覆。然而，还可以规定，首先在所有侧面上以流体密封的方式涂覆衬底，然后在随后的处理步骤中去除部分涂层，以便首先通过去除衬底在制造的部件中产生腔体，然后通过添加流体来使用它。

此外，作为涂覆方法，还可以规定，通过等离子喷涂工艺或通过将所述衬底浸入熔融金属中，将所述承载层施加到所述衬底上。

原则上，可以规定，在施加承载导电层之前使衬底进行形变，或者在施加承载导电层之后使衬底与承载导电层一起进行形变。这尤其在衬底具有螺旋或螺线形状时是有用的。

例如，可以规定，在施加由导电材料制成的涂层之前，产生螺旋或螺线状的衬底，并且该衬底在螺旋/螺线的纵向方向上延伸，并且在其上，具体是以延伸的形式设置有由导电材料制成的涂层。在延伸状态下，例如由油漆或塑料材料或金属氧化物制成的电绝缘涂层可以另外施加到导电涂层上。此后，可以将衬底与涂层一起在纵向上进行压缩，或者，如果延伸已经至少部分弹性地发生了并且衬底是弹性的，则可以通过衬底的松弛而在螺旋的纵向上转变成至少部分收缩的形状。例如，当处于断电状态下衬底的各匝之间的距离较小时，例如小于2mm或小于1mm时，该过程可能是有用的。这样，可以防止相邻匝的电接触。

在该方法的一个实施方式中，例如，可以规定，在施加所述承载层之后，所述衬底与所述承载层一起进行形变，具体是弯曲，此后所述衬底至少部分被去除。在形变之前，例如通过浸渍、喷射、扩散、喷涂或粉末涂覆，或者通过施加反应层，具体是氧化物层，例如通过用反应物进行化学处理，承载导电层可以另外设置有电绝缘覆盖层。

通过使部件与衬底一起进行形变，例如在弯曲过程中，具体是当部件被设计成线股状中空电导体时，可以以特别稳定的方式保持部件的横截面。

还可以规定，在施加所述涂层之后，包括所述衬底和所述涂层的所述半成品形变为线圈几何形状，然后对其进行压制，以便对可用的安装空间的线圈体进行校准，并且实现线圈体的一匝与下一匝的平面邻接。

此外，还可以规定，被设计为线股状导体的多个导电部件与所述衬底一起彼此绞合(转置)，以便实现减小集肤效应，具体是在绞合之前或之后，执行所述导体/导电部件相对于彼此的绝缘。

为了从承载层上去除衬底，可以规定，通过烧尽、在溶剂中溶解、机械粉碎、化学分解、熔化、蒸发或升华，将所述衬底从所述承载层上分离，并且所述衬底至少部分被去除。

这可以发生在衬底被完全涂覆之后的随后的工艺步骤中，或者还正在进行的连续部件，例如管，的制造过程中的在涂覆工艺之后部件连续通过的工艺步骤中。也可以在部件形变，例如弯曲，之前或之后去除衬底，以形成最终形状。

一种用于制造上述方法之一中使用的衬底的特殊方法，可以规定，将所述衬底倒入涂覆有材料的模具中，所述材料粘附到所述衬底的表面，并且所述材料具有能够或促进所述承载层在所述衬底上沉积和/或粘附的性质。

原则上，衬底可以作为芯在上游成型工艺中以简单或复杂的形状进行制造，其中可以采用成型技术中已知的方法。所述类型的用于衬底的成型的涂层能够使该涂层转移到衬底的表面，并有助于此后采用的涂覆方法。

附图说明

以下将基于附图示出和描述本发明。在附图中：

图1示出了线股状衬底的透视图；

图2示意性地示出了涂覆过程；

图3示出了被涂覆的衬底的透视图；

图4示出了去除衬底后所制造的部件的透视图；

图5示出了根据本发明制造的管状部件的绕组；

图6示出了在去除衬底之前弯曲的部件；

图7和8示出了处于伸展和压缩状态的螺旋衬底。

具体实施方式

图1示出了圆柱形线股状的衬底1，其在根据本发明的方法的范围内被涂覆。衬底1是一个简单的示例，其可以用于制造具有中空圆柱形横截面的中空绕线。

图2示出了衬底1，其中，箭头2、3、4表示颗粒，例如原子、微粒或纳米颗粒或液滴，从外部施加到衬底1的表面上。为此，可选地，衬底可以具有预涂层，该预涂层可以例如是导电的，以便能够使用需要施加电压的涂覆方法，或者例如用作无电电镀沉积功能的涂覆方法。

图3示出了包括施加有承载层5的衬底1。示意性地示出了该图示，并且仅以示例的方式示出了层5的厚度以及层厚度与衬底直径的比率。在许多情况下，相对于衬底1的直径，层/涂层5的厚度将更小。

图4示出了中空管5形式的最终产品，其中通过液化、烧尽或以其他方式去除，将衬底1与层/涂层5分离。

图5示出了由弯曲的管7组成的螺旋线圈6。通过具有在衬底上施加的金属层的类似形状的衬底，可以将其制成如图5所示的弯曲形状。然而，也可以首先使用伸展的直的线股状的衬底来涂覆它，并由此生产直管。如图6所示，例如，其可以与涂覆的衬底一起弯曲。在衬底与涂层一起被制成所需的形状后，可以将衬底去除。所制造的管状部件与仍然存在于其中的衬底一起产生这种形变的优点在于，在形变过程中，由于被其中的衬底支撑，维持了横截面，并且可以避免管状部件的弯曲。可选地，图6以虚线的形式示出了导电层5的绝缘涂层8。

然而，也可以想到的是，首先从部件上去除衬底，然后使中空部件形变。

图7示意性地示出了呈螺旋形式的衬底的侧视图，其中，在松弛状态下，各个匝9、10紧密地在一起。图7示出了在涂覆工艺之前，衬底通过拉力12、13沿着螺旋的纵轴11延伸。衬底可以由弹性材料组成，例如弹性聚合物。

图8示出了涂覆工艺之后的螺旋，其中，虚线14示意性地表示涂层。涂层可以由导电的承载金属层制成，其随后形成导电部件。然而，涂层也可以包括由塑料材料或氧化物或其他材料制成的电绝缘覆盖层。图8示出了在螺旋的纵向方向上的压缩状态，该压缩状态或者在由于衬底材料的松弛而使拉力12、13被消除之后出现，或者通过在螺旋的纵向方向上施加压缩力15、16而主动地实现。

下文将基于具体材料描述两个示例性实施例。

示例性实施例1：

将适合于通过成型制造复杂结构的蜡与石墨进行混合。结果是，在混合物中获得电导率，其可以通过混合石墨的比例(例如，1/1000 1/欧姆*厘米)来控制。选择电阻，使其对于在衬底上的铜护套的电沉积足够小。蜡质衬底的表面结构也受石墨混合方式的影响。通过配置衬底的表面结构，例如设置特定的粗糙度或不平坦度，该形状被转移到由所施加的层形成的部件的内表面，从而也可以确定流体通过中空部件的流动行为。

硫酸铜溶液可用于电沉积，该部件被阴极极化。通过沉积参数，铜护套的层厚度可以在几微米到几毫米之间的宽范围内变化。

在铜被沉积后，衬底的蜡在120℃熔化并因此被去除。

示例性实施例2：

首先可以通过蜡注射成型工艺或通过工具的成型工艺制造复杂几何形状的衬底。除了使用注射成型工艺之外，可选地和/或附加地，切削工艺也是可以想到的。

在溅射过程中利用铂或钯的薄层可以提供以这种方式产生的衬底，以便产生衬底表面的导电性。于是，可以用铜对衬底进行电电镀。在随后的步骤中，可以通过加热将蜡/衬底从部件中熔化出来。

本发明使得可以制造具有复杂形状和内部中空空间(例如，纵向通道的形式)以及具有可变可设定壁厚的金属部件。可以使用纯金属进行金属涂覆，例如最高纯度的铜或铝，从而可以获得最佳的电导率水平。这种材料在铸造过程或成型过程中不容易被加工，不会有损坏结构的危险，除此之外，损坏结构还会导致泄漏。

通过该方法，可以制造由异型线材涂覆有金属的工具，其在随后的工艺步骤中被切割成合适的尺寸，并通过成型成为期望的几何形状，例如线圈。

特别是在制造内部冷却的电导体的过程中，可以制造线圈或绕组，与现有技术的线圈/绕组相比，其可以显著增加电流密度。这样，例如，可以实现具有增加的扭矩密度的机械驱动。