Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Mehrschicht-Aktoren Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Mehrschicht-Aktoren Stand der Technik Mehrschicht-Aktoren bestehen im Allgemeinen aus piezoelek- trischen oder elektrostriktiven Keramiken, die beim Anlegen eines elektrischen Feldes eine Längenänderung im Bereich von z. B. 0,1 bis 0,3 % zeigen. Die dazu notwendigen Feld- stärken liegen in der Größenordnung von mehreren tausend V/mm. Um derartige Aktoren mit mittleren Ansteuerspannungen von z. B. 100 bis 300 V betreiben zu können, wird ein Mehr- schichtaufbau aus alternierenden Keramik/Elektrodenschich- ten eingesetzt. Die Schichtdicke der gesinterten Einzella- gen aus Keramik liegen dabei beispielsweise im Bereich von 80 bis 100 um, die der gesinterten Elektrodenschichten bei unter 5 pm. Auf Grund der vergleichsweise geringen Schicht- dicke lassen sich an den Einzellagen zwischen den Elektro- den bereits mit den oben angegebenen Ansteuerspannungen die notwendigen Feldstärken erreichen.

Die Herstellung der Aktoren beinhaltet mehrere Verfahrens- schritte : Zunächst wird beispielsweise keramisches Material in Pul- verform zusammen mit organischem Bindemittel und einem Lö- sungsmittel, z. B. Wasser oder organisches Lösungsmittel, zu einer Suspension verarbeitet, die Schlicker genannt wird.

Der Schlicker wird in definierter Schichtdicke in einem Endlosverfahren auf ein Trägerband gegossen und getrocknet.

Nach dem Trocknungsschritt kann der getrocknete Schlicker der nunmehr in Form einer flexiblen, handhabbaren Grünfolie vorliegt, von der Tragerfolie abgezogen werden.

Die Grünfolie wird mit oder ohne Trägerband mit einer Me- tallisierung versehen, um aus der Metallisierung Elektroden zu erzeugen. Das Aufbringen der Metallisierung kann z. B. durch ein Siebdruckverfahren, durch Sputtern oder Aufdamp- fen realisiert werden. Die mit Metallisierung versehene Grünfolie wird ohne Tragernband gestapelt und laminiert.

Unter"laminieren"versteht man das Verpressen der Folien bei definierter Temperatur. Bei Mehrschicht-Aktoren erfolgt das Stapeln und Laminieren regelmäßig im Vielfachnutzen.

D. h. auf jeder Folie ist eine große Anzahl von Einzelele- menten untergebracht. Die Folien werden so übereinander ge- stapelt, dass die Einzelelemente möglichst exakt ubereinan- der liegen. Das Heraustrennen der Aktoren aus Stapeln mit einer Gesamthöhe von bis zu 100 mm ist vergleichsweise auf- wendig. Man erhält nach der Trennung ein Mehrschicht- Verbundelement, das einen anschließenden thermischen Pro- zess, der einen Entbinderungs-und Sinterschritt umfasst, durchlaufen muss. Beim Entbinderungsprozess werden die or- ganischen Bestandteile ausgetrieben. Im nachfolgenden Sin- terschritt werden die Keramikpartikel"verbacken". Auf Grund der nicht unproblematischen Trennung ist regelmäßig nach dem Sintervorgang noch ein Nacharbeitungsschritt not- wendig, bei welchem die Seitenflächen des Aktors geschlif- fen werden.

Doch bereits der Laminiervorgang des Folienstapels ist mit Nachteilen behaftet. Für einen qualitativ hochwertigen La- miniervorgang ist es erforderlich den Folienstapel gleich- mäßig zu erwärmen und gleichmäßig mit Druck zu beaufschla- gen. Bei großen Gesamthöhen und Flächen der Folienstapel ist es nur schwer möglich, den Folienstapel gleichmäßig zu erwärmen bzw. durchzuwarmen. Ein zu langer Vorwärmschritt hätte den Nachteil, dass gegebenenfalls organische Bestand- teile aus der Grünfolie Veränderungen unterliegen, z. B. verspröden, was zu Inhomogenitäten in fertiggestellten Bau- teilen führen kann. Des Weiteren wird beim Stapeln der Grünfolien immer Luft zwischen den Folienschichten einge- schlossen. Beim Laminieren muss dafür Sorge getragen wer- den, dass die Luft vollständig entweichen kann. Bei großen Folienstapeln ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass dennoch Luftblasen verbleiben.

Spätestens beim Entbinderungsprozess können derartige Luft- blasen das Bauteil zerstören, wenn die nach dem Laminieren in der Luftblase komprimierte Luft sich bei den Entbinde- rungstemperaturen ausdehnt. Die Folge ist häufig eine Riss- bildung im Aktor.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Herstellung von Mehrschicht-Aktoren insbesondere dahingehend zu verbes- sern, dass sich höhere Ausbringungsraten realisieren lassen und dabei der Herstellungsaufwand reduziert werden kann.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 4 gelöst.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.

Die Erfindung geht zunachst von einem Verfahren zur Her- stellung von Mehrschicht-Aktoren aus, bei welchem Folien, die ein flexibles Bindemittel umfassen, in welches piezo- elektrische und/oder elektrostriktive Materialpartikel ein- gebettet sind, sogenannte Grünfolien, mit darauf aufge- brachten Bereichen aus Metallisierung zur Ausbildung von Elektroden vor einem Sinterprozess zu verpressten Mehr- schicht-Verbundelementen verarbeitet werden. Der Kerngedan- ke der Erfindung liegt nun darin, dass aus der Grünfolie mit Metallisierung Folienelemente, deren Fläche die Quer- schnittsfläche eines fertiggestellten Aktors definiert, einzeln herausgetrennt, z. B. ausgeschnitten oder ausge- stanzt werden und zur Vorbereitung der Herstellung eines Mehrschicht-Verbundelements die Folienelemente zur einem Folienstapel gestapelt werden. Durch diese Vorgehensweise lassen sich exakt berandete Folienelemente herstellen, wo- mit ein Nacharbeitungsprozess des Bauelements nach dem Sin- tervorgang entfallen kann, da die Oberflächen ausreichend glatt sind. Die beim Heraustrennen vorgegebene Geometrie der Folienelemente unterliegt zwar einem gewissen Schrump- fungsvorgang durch den anschließenden Sintervorgang, dieser wirkt sich jedoch fur alle Folienelemente gleich aus, womit die gewonnene Gleichmäßigkeit der Oberflächen nicht im we- sentlichen Umfang verschlechtert wird. Des Weiteren lassen sich bei einer Einzeltrennung komplexe Geometrien, z. B. im Querschnitt n-Eck-förmige, ovale, ringförmige oder runde Aktoren realisieren. Das exakte Heraustrennen von n-Eck- förmigen, ovalen, ringförmigen oder runden Aktoren aus la- minierten Vielfachnutzen mit vergleichsweise großer Gesamt- höhe bereitet regelmäßig große Schwierigkeiten. Außerdem lassen sich Folienstapel, die bis auf den Schrumpfungsan- teil die Fläche der späteren Aktoren besitzen, besser lami- nieren, da sich eine günstigere Verteilung des Laminier- drucks einstellt, Höhenunterschiede beim Laminieren zwi- schen mit Elektroden versehenen Bereichen und elektrodenlo- sen Bereichen der Grünfolie sich kaum nachteilig auswirken, der Stapel schneller und gleichmäßiger durchwärmbar ist und zudem Luft aus Zwischenräumen zwischen den gestapelten Fo- lienelemente leichter entweichen kann. Darüber hinaus kon- nen fehlerhaft gedruckte Elektroden leicht beim Austrennen bereits aussortiert werden, was zu einer deutlichen Mini- mierung von Aktoren führt, die als Ausschuss ausgesondert werden müssen.

Um den Stapelvorgang der Folienelemente effektiv zu gestal- ten, wird im Weiteren vorgeschlagen, dass jedes ausgetrenn- te Folienelement unmittelbar nach Beendigung des Trennvor- gangs vor dem Heraustrennen des nächsten Folienelements aufgestapelt wird. Dabei ist es bevorzugt, dass die Fo- lienelemente in der Lage, so wie Sie ausgetrennt werden, nach möglichst kurzer Distanz die Aufstapelstelle errei- chen. Denn somit kann vermieden werden, dass das Folienele- ment beispielsweise vor dem Aufstapeln verkippt.

Bei einer Vorrichtung zur Herstellung von Mehrschicht- Aktoren aus Grünfolie mit vorzugsweise darauf aufgebrachten Bereichen aus Metallisierung für die Ausbildung von Elek- troden, welche Trennmittel, wie z. B. Schneid-oder Stanzeinrichtungen für eine Trennung der Grünfolien um- fasst, liegt der Kerngedanke der Erfindung darin, dass die Trennmittel dazu ausgelegt sind, aus der Grünfolie Fo- lienelemente einzeln herauszutrennen, deren Fläche die Querschnittsfläche des fertig gestellten Aktors definiert und die ausgetrennten Folienelemente unmittelbar nach Ab- schluss des Trennvorgangs in einen Folienstapel aufzuneh- men. Auf diese Weise lässt sich das Austrennen von Fo- lienelementen und deren Aufstapeln quasi als ein Arbeits- schritt realisieren, was sich positiv auf den Herstellungs- aufwand der Aktoren auswirkt.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Trennmittel ein Trennwerkzeug auf, an welches eine Stapeleinheit anschließt, in welcher die ausgetrennten Folienelemente aufgenommen werden. Dies stellt eine ver- gleichsweise einfache Möglichkeit dar, das Aufstapeln der Folienelemente unmittelbar dem Trennvorgang nachzuschalten.

In einer überdies vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Stapeleinheit eine Ausnehmung zur Aufnahme der Folienelemente, deren Querschnitt der Fläche der ausge- trennten Folienelemente entspricht, und in welcher ein Stempelelement geführt ist, dessen Position sich der Foli- enstapelhöhe angleicht, d. h. die aktuelle Position des Stempels wird von der Folienstapelhöhe bestimmt. Durch die- se Vorgehensweise wird zunächst eine exakte Stapelung der Folienelemente erreicht, da sie in der Ausnehmung positi- onsgenau übereinandergelegt werden. Des Weiteren wird durch die Nachführung des Stempelelements dafür gesorgt, dass der Weg für ausgetrennte Folienelemente zur Stapelstelle immer gleichbleibend gering ist. Dementsprechend kann sicher ver- mieden werden, dass ein ausgetrenntes Folienelement bis zur Stapelstelle verkippt.

Um die Stapeleinheit auch zum Laminieren der Folienelemente nutzen zu können, wird im Weiteren vorgeschlagen, dass die Stapeleinheit beheizbar ist.

In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, dass das Stempele- lement in der Stapeleinheit mit einem entsprechenden Gegen- stempel, z. B. einem ohnehin vorhandenen Stanzstempel für das Laminieren der Folienelemente einsetzbar ist. Durch diese Maßnahme ist es nicht notwendig, einen Folienstapel für das Laminieren in ein weiteres Werkzeug zu verbringen.

Vorzugsweise lasst sich das Stempelelement und gegebenen- falls der Gegenstempel zum Aufbringen eines vordefinierten Drucks auf den Folienstapel hydraulisch bewegen.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, in den Stanzstempel einen oder mehrere Belüftungskanä- le einzubringen. Damit kann verhindert werden, dass es bei sehr hohen Stanzgeschwindigkeiten beim Zurückziehen des Stanzstempels nach erfolgtem Stanzvorgang zum Entstehen ei- nes Unterdruckes in der Matrize kommt, was zur Folge haben kann, dass bereits gestanzte Folienteile aufgewirbelt wer- den.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Trennwerkzeug weiter eine Schneidkante, die an der Auf- nahmeseite der Ausnehmung der Stapeleinheit angeordnet ist.

Bei einer alternativen Lösung, die gleichfalls einfach ist, umfasst das Trennwerkzeug einen Stanzstempel, der über der Aufnahmeseite der Ausnehmung der Stapeleinheit angeordnet ist.

Zeichnungen Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen Figur la bis c das Herstellungsverfahren eines Mehr- schicht-Aktors in drei schematisch darge- stellten Verfahrensstadien verdeutlicht, Figur 2 eine Vorrichtung zum Ausstanzen und Lami- nieren von Folienelementen aus einer Grün- folie in einer schematischen Seitenan- sicht, Figur 3 eine Vorrichtung zum Ausschneiden und La- minieren von Folienelementen aus einer Grünfolie in einer schematischen Seitenan- sicht und Figur 4a bis c ein bislang eingesetztes Verfahren zur Herstellung von Aktoren durch drei schema- tisch dargestellte Verfahrensstadien ver- deutlicht.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die Figuren 4a bis c veranschaulichen die herkömmliche Her- stellung von Mehrschicht-Aktoren durch drei schematisch dargestellte Verfahrensstadien. Zunächst werden Grünfolien 41 erzeugt und mit metallischen Elektroden 42 versehen. Die Grünfolien mit Elektroden 42 werden gemäß 4a derart uber- eingestapelt, dass die Elektrodenflächen in vertikaler Richtung jeweils übereinander liegen und von Grünfolie zu Grünfolie alternierend Anschlussnasen 43,44 nach außen ge- führt sind. Ein solcher Folienstapel 45 wird gemäß Figur 4b laminiert, d. h. der Folienstapel wird unter Druck und er- höhten Temperatur verpresst. Die Gesamthöhe von laminierten Folienstapeln im Vielfachnutzen kann bis zu 100 mm betra- gen.

Das Laminieren derart großer Stapelblöcke ist technologisch nicht unproblematisch. Schwierig ist bereits das Aufbringen eines gleichmäßigen Flächendrucks auf die Grünfolien, da der Übergang von Elektrodenflächen zu elektordenfreien Be- reichen an der Grünfolie zu Höhenunterschieden führt, die im Folienstapel unterschiedliche Druckprofile verursachen.

Des Weiteren ist es kaum möglich einen großen Folienstapel gleichmäßig zu erwärmen bzw. durchzuwarmen. Bei einer zu langen Erwärmung von beispielsweise außen liegenden Berei- chen des Folienstapels kann es zu einer Versprödung des in der Regel organischen Bindemittels kommen. Dies führt zu Inhomogenitäten im laminierten Stapel, was sich ungünstig auf die Entbinderung und den Sintervorgang auswirken kann.

Schließlich lässt sich beim Stapeln der Grünfolien das Ein- schließen von Luftblasen nicht immer vermeiden. Der Lami- niervorgang sollte dann so ausgeführt werden, dass die ein- geschlossene Luft entweichen kann. Bei großen Stapeln ist jedoch die Wahrscheinlichkeit hoch, dass Luftblasen ver- bleiben. Eingeschlossene Luftblasen haben, wie bereits oben erwähnt, oftmals eine Zerstörung einzelner Bauteile beim Entbinderungsprozess zur Folge.

Aus einem laminierten Folienstapel werden entsprechend Fi- gur 4c Mehrschicht-Verbundelemente 40 herausgeschnitten. An den Mehrschicht-Verbundelementen 40 sind die alternierend herausgeführten Elektrodennasen durch Rechtecke 47,48 schematisch dargestellt.

Die ausgetrennten Mehrfach-Verbundelemente 40 werden in ei- nem nachfolgenden Verfahrensschritt (nicht gezeigt) gesin- tert und regelmäßig nachgearbeitet. Denn beim Austrennen der Mehrschicht-Verbundelemente 40 aus dem Folienstapel entstehen im Allgemeinen unzureichend grobe Oberflächen, die beispielsweise durch Schleifen eingeebnet werden müs- sen.

Die Figuren la bis c verdeutlichen ein Verfahren durch drei schematisch dargestellte Prozessstadien, bei welchem die Nachteile des herkömmlichen Verfahrens vermieden werden können.

Ausgangspunkt des Verfahrens ist wiederum die Herstellung von Grünfolien 1, auf welchen Elektroden 2,3 aufgebracht sind (vergleiche Figur la).

Aus einer Grünfolie 1 mit Elektroden 2,3 werden nun ein- zeln Folienelemente 4, z. B. ausgestanzt und gemäß Figur lb übereinander gestapelt.

In Figur la ist schematisch ein Stanzschnitt durch ein ein- gezeichnetes Rechteck 5 angedeutet.

Die Folienelemente 4 werden wiederum so ubereingestapelt, dass an den darauf positionierten Elektroden 2,3 alternie- rend Anschlussnasen 6,7 bis an eine äußere Schnittkante geführt sind.

Ein solcher Folienstapel aus Folienelementen 4, wird nun einzeln laminiert, so dass ein Mehrschicht-Verbundelement 8 gemäß Figur lc entsteht. Am Mehrschicht-Verbundelement 8 sind die herausgeführten Anschlussnasen 6,7 durch Rechtek- ke 9,10 verdeutlicht. Über die Anschlussnasen 6,7 kann jede Schicht des Aktors mit Spannung beaufschlagt werden.

Das Laminieren von Folienstapeln 11 gemäß Figur lb ist ver- gleichsweise einfach, da der in der Querschnittsfläche kleine Folienstapel 11 sich gleichmäßig erwärmen lasst, der Einschluss von Luftblasen unproblematisch ist und zudem die Beaufschlagung des Folienstapels mit einem homogenen Flä- chendruck leichter realisierbar ist, da die elektrodenfrei- en Bereiche am Rand des Folienstapels liegen.

Ein Mehrschicht-Verbundelement 8 gemäß Fig. lc bedarf zur Herstellung eines fertigen Mehrschicht-Aktors lediglich ei- nem Entbinderungs-und Sinterschritt. Eine Nachbearbeitung von Oberflächen ist im besten Fall nicht mehr nötig, da die Folienelemente einzeln exakt genug herausgetrennt und ge- stapelt werden können, um gleichmäßige Seitenflächen zu er- halten.

In Figur 2 ist eine Vorrichtung 20 zum Ausstanzen von Fo- lienelementen 4 in einer schematischen Schnittansicht dar- gestellt. Die Folienelemente 4 werden mit einem Stanzstem- pel 21 herausgetrennt. Hierzu wird entweder die Grünfolie 1 mit Elektroden unter der Stanzvorrichtung bewegt oder die Stanzvorrichtung in Bezug auf die Grünfolie 1 positioniert.

Unmittelbar unterhalb des Stanzstempels 21 ist eine Ausneh- mung 22 in einer Stapeleinheit 23 vorgesehen. Die Ausneh- mung 22 entspricht im Querschnitt im Wesentlichen der Flä- che und Form der ausgestanzten Folienelemente 4, so dass ausgestanzte Folienelemente 4 in die Ausnehmung 22 fallen.

Damit findet unmittelbar nach dem Ausstanzvorgang vor dem Ausstanzen des nächsten Folienelements eine exakte Stape- lung der Folienelemente statt.

In der Ausnehmung 22 ist ein z. B. hydraulisch bewegbarer Stapelstempel 24 angeordnet, dessen Position sich dem wach- senden Folienstapel in der Ausnehmung 22 anpasst. Der Quer- schnitt des Stapelstempels 22 entspricht vorzugsweise dem Querschnitt der Ausnehmung 22.

Durch diese Vorgehensweise lässt sich eine kontrollierte Stapelung der Folienelemente 4 erzielen. Sobald der Folien- stapel die gewünschte Anzahl von Folienelementen aufweist, kann in der Stapeleinheit 23 auch der Laminiervorgang stattfinden. Hierzu wird die Stapeleinheit 23 mit nicht dargestellten Heizmitteln erwärmt, wobei über den Stapel- stempel und einen geeigneten Gegenstempel, z. B. dem Stanz- stempel 21, Druck auf den Folienstapel aufgebracht wird.

Das Ergebnis ist dann ein Mehrschicht-Verbundelement, wel- ches sehr homogen laminiert ist und zudem bereits ver- gleichsweise exakte Oberflächen aufweist.

In Figur 3 ist eine alternative Vorrichtung 30 zum Heraus- trennen von Folienelementen 4 dargestellt. Die Folienele- mente werden bei dieser Vorrichtung mit Hilfe einer Schneidkante 36 an einem Schneidwerkzeug 31 herausgeschnit- ten, das um die Aufnahmeseite einer daran anschließenden Ausnehmung 32 an einer Stapeleinheit 33 angeordnet ist. Das Schneidwerkzeug 31 und die Ausnehmung 32 haben den gleichen Querschnitt.

Vor dem Schneidwerkzeug 31 ist eine Grünfolie 1 an einem Trägerelement 34 angeordnet.

Zum Herausschneiden eines Folienelements 4 wird die Stape- leinheit 33 mit darauf angeordnetem Schneidwerkzeug 31 ge- gen die Grünfolie 1 an geeigneter Position gefahren, bis die Grünfolie 1 völlig durchtrennt ist. Ebenso kann auch die Grünfolie 1 in Bezug auf das Schneidwerkzeug 31 bewegt werden. Die Positionierung des Schneidschnittes auf der Grünfolie kann entweder durch Bewegen der Folie oder durch Bewegen des Schneidwerkzeuges erfolgen.

Ausgeschnitte Folienelemente 4 werden unmittelbar von der dem Schneidwerkzeug 31 nachfolgenden Ausnehmung 32 aufge- nommen.

Um eine definierte Stapelung zu erzielen, wird auch bei dieser Ausführungsform ein hydraulisch geführter Stapel- stempel 35 eingesetzt, der sich der Höhe der gestapelten Folienelmente 4 anpasst. Der Stapelstempel 35 hat den glei- chen Querschnitt wie die Ausnehmung 32.

Sofern die gewünschte Anzahl von Folienelementen 4 in der Stapeleinheit 33 aufgenommen ist, kann darin auch das Lami- nieren der Folienelemente 4 erfolgen. Hierzu kann z. B. auf der Seite des Schneidwerkzeuges 31 ein Gegenstempel (nicht gezeigt) eingesetzt werden, so dass die Folienelemente 4 über den Stapelstempel 35 und den Gegenstempel mit einem definierten Druck beaufschlagt werden können. Die erforder- liche gleichmäßige Erwärmung der Folienelemente lässt sich durch Erwärmen der Stapeleinheit 33 erreichen.

Auch mit der Vorrichtung 30 zum Schneiden der Folienelemen- te lassen sich homogen laminierte Mehrschicht-Verbund- elemente erzeugen, die lediglich entbindert und gesintert werden mussen, um einen Mehrschicht-Aktor zu erhalten.