GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils und ein mit dem Verfahren hergestelltes Bauteil . Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch die Herstellung von großen flächigen und/oder von 3D-Strukturen mit besonders homogenem Eigenschaftenprofil .

Bei der Herstellung von komplexen Bauteilen mit einer vorgegebenen räuml ichen Struktur und/oder ausgedehnten flächenhaften Struktur aus einem Stück tritt häufig das Problem auf, dass ein zu Grunde liegender Materialblock oder Materialzusammenhang, aus welchem die gewünschte räumliche oder flächenhafte Struktur für das herzustellende Erzeugnis herausgearbeitet werden soll, nur schwer in homogener Art und Weise bereitgestellt werden kann .

Die Inhomogenität betrifft zum einen die Materialdichte also solche, aber insbesondere auch die Verteilung der das Material bildenden einzelnen Komponenten .

Als Folge davon besitzt auch das Enderzeugnis nach dem Herausarbeiten aus einem an sich schon inhomogenen Ausgangsmaterialblock oder Ausgangsmaterialzusammenhang inhomogene physikalische und/oder chemische Eigenschaften. Dies kann häufig nicht toleriert werden .

Der Erfindung l iegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus Keramikmaterial mit einer vordefinierten Form anzugeben, bei welchen auf besonders einfache und doch zuverlässige Art und Weise ein besonders hoher Grad der Homogenität für das Erzeugnis gewährleistet werden kann . Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (200) aus Keramikmaterial mit einer vordefinierten Form mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Ferner wird die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe bei einem Bauteil mit vorgegebener räumlicher Struktur aus einem kohlenstofffaserverstärkten Material mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 28 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (200) aus Keramikmaterial mit einer vordefinierten Form, wobei das Verfahren die Schritte (S1 ) Bereitstellen einer Mehrzahl von Platten (1 0) aus Kohlenstoffmaterial (10'), (S2) Bereitstellen eines einen car- bonisierbaren Anteil enthaltenden Klebers und Aneinanderfügen der Mehrzahl von Platten (1 0) mittels des Klebers zur Ausbildung einer Plattenanordnung, die in ihren räumlichen Abmessungen so beschaffenen ist, dass aus dieser durch Materialabtrag die vordefinierte Form des Bauteils erzeugbar ist, (S3) Bearbeitung der Plattenanordnung durch Abtrag von Kohlenstoffmaterial von der Plattenanordnung zum Erhalt eines Vorkörpers aus Kohlenstoffmaterial, der die vordefinierte Form des herzustellenden Bauteils hat und (S4) Silizieren des Vorkörpers zum Erhalt des Bauteils aus Keramikmaterial .

Beim oder nach dem Aneinanderfügen (S2) der Platten - und insbesondere vor dem Bearbeiten (S3) - kann die entstehende Anordnung des oder zur Ausbildung des einhüllenden Körpers mit einer vorbestimmten Druckverteilung, Temperaturverteilung, mit Strahlung und/oder einer Prozessatmosphäre beaufschlagt werden .

Beim oder nach dem Aneinanderfügen (S2) der Platten - und insbesondere vor dem Bearbeiten (S3) - kann die entstehende Anordnung des oder zur Ausbildung des einhüllenden Körpers einem Temperaturschritt unterzogen werden, insbesondere um Bestandteile der Anordnung zu carbonisieren . Beim oder nach dem Aneinanderfügen (S2) der Platten - und insbesondere vor dem Bearbeiten (S3) - kann die entstehende Anordnung des oder zur Ausbildung des einhüllenden Körpers einem Temperaturschritt in einer Prozessatmosphäre unterzogen werden, insbesondere um Bestandteile der Anordnung zu sil izieren .

Es können verschiedene Zwischen- und Nachverarbeitungsschritte durchgeführt und angeboten werden, um die Materialeigenschaften des dann vorliegenden einhüllenden Körpers oder auch der Vorform des Erzeugnisses, also nach dem Herausarbeiten der vorgegebenen geometrischen Erscheinungsform des herzustellenden Erzeugnisses noch weiter zu definieren .

Dabei wird die erfindungsgemäße Erkenntnis ausgenutzt, dass Plattenstrukturen - seien diese planar oder gekrümmt - aufgrund ihrer im Vergleich zu Volumenkörpern vergleichsweise geringen Schichtstärke mit einem hohen Grad an Homogenität der Materialverteilung, der Komponentenverteilung und somit ihrer physikal ischen und/oder chemischen Eigenschaften hergestellt werden können und dass nach dem Aneinanderfügen der an sich homogenen Platten ein entsprechender Volumenkörper, eine flächenhaft ausgedehnte Struktur oder ein einhüllender Körper mit im Wesentlichen denselben homogenen Eigenschaften wie denjenigen der Einzelplatten entsteht.

Durch das erfindungsgemäße Vorgehen werden also die inhärent beim Prozessieren eines Volumenkörpers übl icherweise auftretenden Inhomogenitäten vermieden, insbesondere dann, wenn gleiche oder doch sehr ähnliche Platten verwendet werden und wenn Fluktuationen bestimmter Eigenschaften an den Grenzflächen aneinandergrenzender Platten nicht auftreten, so gering sind, dass sie toleriert werden können, und/oder im Rahmen einer Nachbehandlung vermindert, ausgeglichen oder aufgehoben werden können .

Bevorzugt wird die Plattenanordnung gebildet, indem mehrere oder alle Platten aufeinander gestapelt aneinander gefügt werden, indem die einer Platte jeweils nachfolgenden Platten mit ihrer Unterseite als erster Fügefläche an die Oberseite der einen Platte als zweiter Fügefläche angefügt wird .

Besonders einfach gestaltet sich also das Aufbauen eines Volumenkörpers oder einhüllenden Körpers durch einfaches Aneinanderfügen der Platten mit ihren Ober- und Unterseiten, sozusagen in Form eines Stapels. Dabei geht die Größe der Oberflächen zur Stabilisierung der Bindung aneinandergrenzender Platten aneinander positiv ein .

Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren können ein oder mehrere der Platten zusätzl ich oder alternativ Kanten oder Kantenflächen aufweisen . Es können dann zusätzlich oder alternativ ein oder mehrere der Platten jeweils mit mindestens einer ihrer Kanten oder einer ihrer Kantenflächen als einer Fügefläche an ein oder mehrere Platten angefügt werden .

Dabei können ein oder mehrere Platten mit einer oder mehreren ihrer Kanten oder Kantenflächen als erster Fügefläche an Kanten oder Kantenflächen ein oder mehrere Platten als zweiter Fügefläche angefügt werden.

Denkbar ist also auch, dass ein Aneinanderfügen der zu Grunde liegende Platten an den Kanten oder Kantenflächen, auch wenn diese im Vergleich zu den Oberseiten und Unterseiten eine geringere Fläche besitzen. Dabei ist es denkbar, dass eine Kantenfläche auf einer Oberseite oder Unterseite einer anderen Platte aufliegt. Andererseits ist es denkbar, dass auch zwei oder mehr Platten über Kanten miteinander in Verbindung gebracht werden .

Denkbar ist natürlich auch eine Kombination, bei welcher ein großer einhüllender Körper oder Volumenkörper gebildet wird durch vergleichsweise kleinere Platten, die miteinander einerseits in Stapelform, andererseits über ihre Kantenflächen aneinandergereiht werden . So können z.B. zunächst mehrere Stapel über die Ober- und Unterseiten ausgebildet werden, welche dann über die Kantenflächen, die vorzugsweise auf Stoß angeordnet werden, dann miteinander in Verbindung gebracht werden . Denkbar ist auch das umgekehrte Vorsehen, bei welchem zunächst kleinere Platten über Kanten zu einer größeren Platte aneinandergefügt werden, die dann ihrerseits in Stapeln über die Ober- und Unterseiten miteinander in Verbindung gebracht werden .

Ein oder mehrere aneinander zu fügende Fügeflächen können mit und/oder zwischen mehreren aneinander zu fügenden Fügeflächen kann vor dem Aneinanderfügen mindestens ein Verbindungsmittel ausgebildet werden .

Grundsätzlich ist es denkbar, dass ohne weitere Hilfsmittel die miteinander in Verbindung gebrachten Flächen der zugrunde liegenden Platten bei deren Kontakt eine ausreichende Bindung eingehen, z.B. wenn ein gewissen Druck - ggf. mit Einbringen von Wärme - ausgeübt wird .

Häufig ist es jedoch sinnvoll, unterstützende Maßnahmen für eine derartige dauerhafte Verbindung zu ergreifen . Eine der Maßnahmen kann darin bestehen, dass man die Platten in einer Materialvorstufe ausbildet, z.B. nach Art eines teilvernetzten Zustands, und dann nach dem Aneinanderfügen der einzelnen Platten inhärent im Material der aneinander gefügten Platten, und insbesondere an deren Grenzflächen, eine Reaktion einleitet, die die Verbindung der aneinandergrenzenden Platten realisiert.

Denkbar ist auch, dass dazu zusätzliche externe Mittel eingesetzt werden, im Sinne eines Klebemittels oder dergleichen . Zusätzlich oder alternativ können Druck und Temperatur entsprechend variiert werden, um eine derartige Verbindung aufzubauen und zu fördern .

Darüber hinaus sind alternativ oder zusätzlich mechanische Hilfen an den Fügeflächen denkbar.

Vorzugsweise haben die Platten (1 0) durch die Dicke der Platten festgelegte Seitenflächen (10k) und zumindest eine der Platten (1 0) ist mit einer ihrer Sei- tenflächen als erster Fügefläche an die Ober- oder Unterseite einer anderen der Platten als zweiter Fügefläche angefügt wird .

Es ist bevorzugt, dass die Platten (1 0) durch die Dicke der Platten festgelegte Seitenflächen (1 0k) haben und zumindest eine der Platten (1 0) mit einer ihrer Seitenflächen als erster Fügefläche an eine der Seitenflächen einer anderen der Platten als zweiter Fügefläche angefügt wird .

Als Verbindungsmittel oder als Teil davon kann vor dem Fügen ein Staub oder Pulver aus demselben Material oder aus derselben Material klasse wie der des oder eines Materials der Platten zwischen die Fügeflächen eingebracht werden . Auch diese Maßnahme ist geeignet, am Übergang zwischen Fügeflächen ein hohes Maß an Homogenität der Materialverteilung und der Eigenschaften in physikalischer und chemischer Hinsicht zu realisieren .

Vorzugsweise ist bei mindestens zwei der an den Fügeflächen zu fügenden Platten an der Fügefläche der einen Platte eine Ausnehmung und an der Fügefläche der anderen Platte eine zur Ausnehmung formkomplementäre Erhebung angeformt und die beiden Platten werden aneinander gefügt, indem die Ausnehmung mit der Erhebung in Eingriff gebracht wird .

Es ist bevorzugt, dass bei mindestens zwei der an den Fügeflächen zu fügenden Platten an den Fügeflächen beider Platten jeweils eine Ausnehmung angeformt und ein zu den Ausnehmungen formkomplementäres Verbindungselement vorgesehen ist, wobei die beiden Platten aneinander gefügt werden, indem das Verbindungselement mit den beiden Ausnehmungen in Eingriff gebracht wird .

Die mechanischen Hilfsmittel im Sinne von Ausnehmungen und Einsteckelementen können einerseits gerade Kontakte an den Kanten stabilisieren, bieten sich aber auch beim Kontaktieren der Ober- und Unterseiten miteinander an, z.B. um ein Ausrichten an sich gleicher Platten in Bezug zueinander zu ermöglichen .

Eine Ausnehmung kann als Loch, Nut, Rille, Absatz ausgebildet werden .

Als Verbindungsmittel oder als Teil davon kann ein Klebemittel verwendet werden . Bei einem Klebemittel kann ein besonders inniger Kontakt zwischen aneinander gefügten Platten aufgebaut werden, welcher z.B. auch der Oberflächenstruktur, spricht der Rauheit oder dergleichen Rechnung trägt. Dabei kann in vorteilhafter Weise das Klebemittel so gewählt werden, dass Materialinhomogenitäten an der Grenzfläche nicht entstehen oder gar ausgeglichen werden .

Bevorzugt umfasst der carbonisierbare Anteil des Klebers ein Harz, insbesondere Phenolharz.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beinhaltet der Kleber zusätzlich zum Harz Siliziumkarbid-Pulver. Bevorzugte Mischungsverhältnisse sind hier 42% Binder und 58% SIC F1 000 (Siliciumcarbid Pulver) oder 40,4% Binder und 55,8% SIC F1 000 in jeweils 3,8% einer gesättigten para- Toluolsulfonsäure in Wasser.

Das Siliziumkarbid-Pulver hat einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 1 -50μηη, bevorzugt 5-20μηη, besonders bevorzugt 3-5μηη.

Der carbonisierbare Kleber enthält 5-50 Gew.% Wasser, 20-80 Gew.% Siliziumkarbidpulver und 1 0-55 Gew.% Harz, bevorzugt 1 0-40 Gew.% Wasser, 30- 65 Gew.% Siliziumkarbidpulver und 20-45 Gew.% Harz, besonders bevorzugt 1 5-25 Gew.% Wasser, 45-55 Gew.% Siliziumkarbidpulver und 27-33 Gew.% Harz.

Der carbonisierbare Kleber enthält weniger als 1 0 Gew.%, insbesondere weniger als 3 Gew.% insbesondere keinen Füllstoff aus Kohlenstoffmaterial .

Der carbonisierbare Kleber enthält vorzugsweise zwischen 0,5 und 5 Gew% eines Härters.

Bevorzugt enthält der Kleber das Material aus dem die Platten aus Kohlenstoffmaterial gefertigt sind .

Vorzugsweise wird die Plattenanordnung carbonisiert und bevorzugt wird der Vorkörper carbonisiert.

Die Platten werden während dem Aneinanderfügen (S2) mit Druck und/oder Temperatur beaufschlagt.

Es ist bevorzugt, dass die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften von einigen, insbesondere allen Platten über die räumliche Ausdehnung der jeweils betrachteten Platte gleich sind .

Vorzugsweise haben zumindest einige der Platten eine räumliche Ausdehnung (Länge x Breite x Dicke) im Bereich von 20-80cm (Länge) x 20-80cm (Breite) x 3-1 0cm (Dicke).

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform haben einige, insbesondere alle der Platten untereinander betrachtet die gleiche Zusammensetzung des Kohlenstoffmaterials.

Vorzugsweise werden einige, insbesondere alle der Platten hergestellt, indem eine homogene Mischung mit carbonisierbarem, pulverförmigem Binder und Kohlenstofffasern bereitgestellt wird, die Mischung unter Einwirkung von Druck verdichtet und zu einem plattenförmigen Vorprodukt geformt wird und das plattenförmige Vorprodukt durch Carbonisieren oder durch Carbonisieren und Graphitieren zu einer Platte aus Kohlenstoffmaterial weiterverarbeitet wird . Bevorzugte Mischungsverhältnisse von Binder und Fasern sind 30% Binder und 70% carbonisierte Cellulosefasern oder 29,3% Binder, 68,3% carbonisierte Cellulosefasern und 2,4% Paraffin .

Es ist bevorzugt, dass der pulverförmige Binder Phenolharzpulver ist, insbesondere mit einer Partikelgrößenverteilung D ₅₀ <1 00 m .

Die homogene Mischung enthält 20-50 Gew.% des Binders und 50-80 Gew.% der Kohlenstofffasern, bevorzugt 30-40 Gew.% des Binders und 60-75 Gew.% des Kohlenstofffasernmehls.

Vorzugsweise enthält die homogene Mischung einen Füllstoff wie bspw. Siliziumkarbid-Pulver und/oder Graphitpulver.

Es ist bevorzugt, dass zumindest einige der Platten, insbesondere alle Platten, aus Kohlenstoffmaterial eine Materialdichte im Bereich von ca. 0,5g/cm ³ bis ca. 0,85g/cm ³ haben .

Bevorzugt werden Kohlenstofffasern hergestellt, indem Viskose- und/oder Zellulosematerial gemahlen und carbonisieren wird, insbesondere zuerst gemahlen und anschl ießend carbonisiert wird .

Die Kohlenstofffasern liegen in der Mischung als Kurzschnittfasern vor, bevorzugt mit einer Faserlängenverteilung D ₅₀ <20 m.

Bevorzugt haben die Kohlenstofffasern in der Mischung eine Faserlängenverteilung D ₉ 5<70 m. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Bauteil aus Keramikmaterial mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, aus einem Keramikmaterial mit einer Materialdichte im Bereich von 2,8g/cm ³ bis ca. 3, 1 g/cm ³ .

Das Bauteil ist als vorzugsweise als Gehäuse eines optischen Systems ausgebildet, bevorzugt als Gehäuse eines optischen Lithographiesystems, besonders bevorzugt als Gehäuse eines EUV-Lithographiesystems.

Das als Gehäuse eines optischen Systems ausgebildete Bauteil ist bevorzugt ausgebildet, um optische Bauteile wie Linsen und/oder Spiegel zu haltern .

Ein einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das Bauteil als Substrat eines optischen Spiegels ausgebildet, insbesondere als Substrat eines Spiegels für ein optisches Lithographiesystem.

Das Bauteil hat vorzugsweise eine räumliche Ausdehnung (Länge x Breite x Höhe) im Bereich von 50-1 50cm (Länge) x 50-1 50cm (Breite) x 5-1 50cm (Höhe).

Es ist bevorzugt, dass das Keramikmaterial des Bauteils einen Elastizitätsmodul von 270GPa oder mehr hat, bevorzugt mehr als 300GPa, insbesondere im Bereich von 320GPa bis 350GPa hat.

Das Keramikmaterial des Bauteils hat eine Biegesteifigkeit von 280MPa oder mehr, bevorzugt 350MPa oder mehr, besonders bevorzugt 400MPa oder mehr hat.

Das Keramikmaterial des Bauteils hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 3,4 x 1 0 ^"6 /K, bevorzugt weniger als 3,0 x 1 0 ^"6 /K, besonders bevorzugt 2,7 x 1 0 ^"6 /K oder weniger hat. Das Keramikmaterial des Bauteils eine Wärmeleitfähigkeit von 1 20W/(mK) oder mehr, bevorzugt 140W/(mK) oder mehr, besonders bevorzugt 170W/(mK) oder mehr hat.

Das Herausarbeiten des Erzeugnisses (200) oder der Vorform (200') davon aus dem einhüllenden Körper (1 00, R') erfolgt durch mechanisches Bearbeiten, insbesondere durch Schneiden, Sägen, Bohren, Fräsen, Drehen, Hobeln, Schleifen, vorzugsweise im Rahmen eines CNC-Prozesses.

Denkbar sind aber auch optisch-thermische Verfahren .

Diese und weitere Aspekte werden auf der Grundlage der beigefügten Zeichnungen erläutert.

KU RZBERSCH REIBUNG DER FIGUREN ist ein Flussdiagramm, welches in schematischer Art und Weise eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Erzeugnisses aus einem kohlenstofffaserverstärkten Material erläutert.

Fig . 2 - 5 zeigen in Form schematischer Flussdiagramme Details zu verschiedenen Teilschritten weiterer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Erzeugnisses aus einem kohlenstofffaserverstärkten Material .

Fig . 6A - F zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht Zwischenstufen, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Erzeugnisses aus einem kohlenstofffaserverstärkten Material erreicht werden . Fig . 7A - 10D zeigen verschiedene Abfolgen von Fügeprozessen, die bei anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Erzeugnisses aus einem kohlenstofffaserverstärktem Material Anwendung finden können .

Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorl iegenden Erfindung beschreiben . Sämtliche Ausführungsformen der Erfindung und auch ihre technischen Merkmale und Eigenschaften können einzeln isoliert oder wahlfrei zusammengestellt miteinander beliebig und ohne Einschränkung kombiniert werden .

Strukturell und/oder funktionell gleiche, ähnl iche oder gleich wirkende Merkmale oder Elemente werden nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall wird eine detaillierte Beschreibung dieser Merkmale oder Elemente wiederholt.

Zunächst wird auf die Zeichnungen im allgemeinen Bezug genommen .

Die vorliegende Erfindung betrifft unter anderem auch die Herstellung von großen dreidimensionalen oder 3D-Strukturen mit homogenen Eigenschaftenprofilen .

Bisher werden z.B. große monolithische Blockstrukturen ausgebildet und mechanisch, z.B. durch Fräsen oder dergleichen, bearbeitet, um komplexe Stru kturen mit dreidimensionalem Aufbau zu erzeugen .

Dabei ist nachteilig, dass es bei monolithisch hergestellten Materialblocks zu starken Inhomogenitäten in der Materialverteilung, und sei dies auch nur in Bezug auf bestimmte Komponenten und/oder im Hinblick auf die physikal ischen und/oder chemischen Eigenschaften der Fall, kommt. Dies steht oft insbesondere im Zusammenhang mit Dichteschwankungen ein oder mehrerer Komponenten und/oder mit dem Auftreten so genannter Pressdichtegradienten .

Um diese Probleme zu vermeiden, schlägt die vorliegende Erfindung ein flächiges Fügen vorgegebener Platten, insbesondere von Grünkörperplatten mit anschließendem Bearbeiten der so durch Fügen erhaltenen Struktur zur Herstellung eines großen und gegebenenfalls komplexen Objekts mit räumlicher oder 3D-Struktur vor.

Beim Fügevorgang bieten sich verschiedene Varianten an.

Gemäß einer ersten Variante wird zunächst eine große Struktur mittels Kleber flächig miteinander verbundener Platten, insbesondere CFC-Platten erzeugt. Ein Verbinden kann unter geringem Pressdruck erfolgen, z.B. um zu vermeiden, dass das verwendete Klebemittel in die Platten eindringt. Zum Beispiel muss der Kleber zwei Spalten zwischen den aufeinander liegenden Platten und auch die unterschiedlichen Reliefe ausgleichen, jedoch darf die Grenzfläche an den Fügeflächen durch den Kleber nicht mit zusätzlichen oder neuen Inhomogenitäten beaufschlagt werden . Der Kleber kann z.B. aus einer Mischung aus Phenolharz und SiC-Pulver bestehen . Danach kann sich ein Pro- zess des Silizierens anschl ießen . Danach wird die so erhaltene Einhüllungsstruktur oder Sandwichstruktur zur Herstellung der geforderten komplexen SD- Struktur weiter bearbeitet.

Platten geringerer Schichtstärke können mit nahezu homogener Dichte und somit mit nahezu homogenen Materialeigenschaften in chemischer und physikalischer Hinsicht hergestellt werden . Der Aufbau einer Mehrzahl von Platten zu einem einhüllenden Körper oder zu einer Sandwichstruktur macht eine nachfolgende mechanische Bearbeitung, z.B. durch Fräsen oder dergleichen, möglich . Eine derartige Struktur kann z.B. in eine entsprechende Fräseinrichtung leicht eingespannt und gehaltert werden. Bei der Verwendung von SiC-Pulver als Füllstoff im Klebemittel ergibt sich, dass eine Veränderung beim Prozess des Silizierens nicht stattfindet. Es kann somit vorher an der Klebestelle, d .h. an der Grenzfläche zwischen den Fügeflächen die Partikelgröße des Sil iziumcarbids oder SiC an die Korngröße der SiC-Partikel im Grundkörper angepasst werden, so dass an der Fügestelle zwischen den Fügeflächen ähnliche Materialeigenschaften und somit ähnliche physikalische und/oder chemische Eigenschaften wie im restlichen Plattenmaterial herrschen . Dies steigert die Homogenität des gesamten Erzeugnisses.

Bezüglich der Partikelgrößenverteilung des SiC-Pulvers ist eine Siebung mit Siebgröße F1 200 bevorzugt.

Bei einer weiteren Ausführungsform erfolgt der Aufbau des einhüllenden Körpers oder Volumenkörpers aus teilvernetzten Platten, also aus Platten mit einem teilvernetzten Grundmaterial, , die flächig miteinander und ohne Kleber verbunden werden . Die Verbindung erfolgt unter einem höheren Pressdruck als bei den zuvor beschriebenen Varianten, da kein Kleber verwendet wird . Es kann jedoch zur Unterstützung der Verbindung ein Pulver zwischen die Fügeflächen eingestreut werden, das aus der gleichen Materialklasse stammt wie das Grundmaterial oder die Grundmaterialien der zugrunde liegenden Platten . Dann erfolgt ein Carbonisieren mit anschl ießendem Silizieren . Anschließend erfolgt dann wieder das mechanische Bearbeiten des einhüllenden Körpers oder der Sandwichstruktur zum Ausbilden der komplexen 3D-Struktur des gewünschten Erzeugnisses.

Zur Erzeugung von hochsteifen Strukturen kann ein Material mit einer Fasergröße im Grünkörper für ca. 1 0 μιτι verwendet werden . Dies l iefert z.B. in einem fertig gestellten CSiC-Bauteil Siliziumcarbidkörner mit einer Größe von etwa 20 μιτι und somit ein vergleichsweise feines Gefüge. Es können somit Biegesteifigkeiten von über 280 MPa, mit Elastizitätsmoduli von mehr als 300 MPa, mit Wärmeleitfähigkeiten von über 1 20 W/m K, mit CTE-Werte von weniger als 3,4, spezifische Wärmekapazitäten c _p von mehr als 0,68 J/g K erzeugt werden .

Wesentlich für die Erfindung ist, dass die Fügestelle, also die Grenzfläche zwischen den Fügeflächen oder an den Fügeflächen vom Material und von seinen Eigenschaften her immer ähnlich sein muss, wie das Grundkörpermaterial . Das bedeutet z.B., dass SiC-Körner eine ähnliche Korngröße haben müssen, wie die SiC-Körner im Grundkörper. An den Fügeflächen, d .h . also an der Grenzfläche zwischen den Fügeflächen darf insbesondere kein Rest Kohlenstoff vorhanden sein, da z.B. im Betrieb oder im weiteren Prozessieren vorhandener atomarer Wasserstoff mit einem Restkohlenstoff zu flüchtigen Kohlenwasserstoffverbindungen oder CH-Verbindungen reagieren könnte. Die dann auftretenden Prozesse des Ausdampfens könnten sich nachteilig auswirken .

Wichtig ist auch, dass beim Verwenden von Klebern, wenn überhaupt, nur geringe Einflüsse auf die Eigenschaften der Grenzflächen ausgeübt werden . Unter Umständen ist es von Vorteil, wenn der Kleber so gewählt und ausgebildet wird, dass er beim Prozess des Silizierens nicht reagiert, und sich insbesondere nicht ausdehnt oder schrumpft. Es bietet sich daher die Verwendung von Klebern an, die SiC-Partikel aufweisen, so dass die gleichen mechanischen Eigenschaften an den Grenzflächen der Fügeflächen folgen, wie im Grundkörper nach dem Silizieren .

Nun wird im Detail auf die Zeichnungen Bezug genommen .

Fig . 1 zeigt in Form eines schematischen Block- oder Flussdiagramms eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Erzeugnisses 200 aus einem kohlenstoffverstärkten Material 1 0' mit vorgegebener räumlicher Struktur R. In einem initialen Schritt SO werden alle für das Verfahren notwendigen Vorkehrungen getroffen .

Im nachfolgenden Schritt S1 wird eine Mehrzahl homogener Platten 1 0 hergestellt oder bereitgestellt. Diese Platten 1 0 sind aus dem kohlenstofffaserverstärkten Material 1 0' oder einer Vorform 1 0" davon ausgebildet. Vorzugsweise sind die Platten 1 0 geometrisch und hinsichtlich ihrer chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften gleich oder im Wesentlichen gleich, zumindest jedoch vergleichbar, und zwar dergestalt, dass eine Variation ihrer Eigenschaften - sofern vorhanden - hinsichtlich der Eigenschaften des Endprodukts, nämlich des Erzeugnisses 200 nicht nachteil ig sind .

Die bereitgestellten Platten 1 0 werden im nachfolgenden Schritt S2 aneinandergefügt. Dadurch wird ein einhüllender Körper 1 00, welcher eine bestimmte räumliche Struktur R' aufweist, geschaffen . Der einhüllende Körper 1 00 ist so bemessen, dass er das gewünschte Erzeugnis 200 und dessen räumliche Struktur R mindestens einhüllt. Bestenfalls ist der einhüllende Körper 1 00 mit seiner räumlichen Struktur R' identisch mit der räumlichen Struktur R des zu erzeugenden Produkts 200. Dies ist jedoch nicht zwingend und im Allgemeinen auch nicht der Fall .

Nach dem Aneinanderfügen im Schritt S2 erfolgt dann im nachfolgenden Schritt S3 das Bearbeiten den einhüllenden Körpers 1 00 um daraus das Erzeugnis 200 oder dessen Vorform 200' zu erhalten .

Eine Vorform 200' liegt in Bezug auf das gewünschte Erzeugnis 200 im Sinne der Erfindung immer dann vor, wenn nach dem Bearbeiten, d .h. nach dem Herausarbeiten der eigentlich gewünschten räumlichen Struktur R noch Zwischen- oder Nachbearbeitungsschritte notwendig sind, z.B. ein Carbonisieren, Silizieren und/oder dergleichen . Die zuletzt genannten Schritte können dann in dem optional angegebenen Verfahrensblock S4 des Nachbearbeitens der Vorform 200' zum Erhalten des Erzeugnisses 200 enthalten sein .

Im abschließenden Schritt S5 werden dann die Maßnahmen zum Beenden des Verfahrens getroffen .

Die Fig . 2 bis 5 zeigen in Form von Teilblock- oder -flussdiagrammen mögliche Details der Schritte S1 , S2 und S4, die bei bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Erzeugnisses 200 aus einem kohlenstofffaserverstärkten Material 1 0' vorgesehen sein können .

Gemäß Fig . 2 kann im Schritt S1 anstelle eines reinen Bereitstellens bereits vorgefertigter Platten 10 auch ein Herstellen dieser Platten 1 0 erfolgen . Ein derartiges Herstellungsteilverfahren beinhaltet z.B. die Schritte T1 des Mischens der für die Platten 1 0 notwendigen Materialkomponenten, den Schritt T2 des Formens oder Verpressens der im Schritt T1 gemischten Komponenten zu entsprechenden Platten 1 0, seien diese planar oder gekrümmt, und optional Schritte T3 des Carbonisierens und T4 des Sil izierens.

Die zuletzt genannten Schritte T3 des Carbonisierens und T4 des Silizierens sind hier optional angegeben, weil es in vielen Fällen ratsam ist, nach dem Schritt T2 des Verpressens oder Ausformens der Platten zunächst den einhüllenden Körper 1 00 durch Aneinanderfügen der Platten 1 0 mit den Platten in ihrer Grundform durchzuführen, d .h . in der im Wesentlichen nicht nachbehandelten Form der Platten 1 0, also als Grünling oder Grünkörper. Aufgrund der sich ändernden Materialeigenschaften mit dem Carbonisieren T3 und dem Si- lizieren T4 sind bestimmte Weiterverarbeitungsprozesse in der Grundform einfacher durchzuführen .

Das Flussdiagramm der Fig . 3 zeigt Teilschritte des Aneinanderfügens S2 der Platten 1 0 bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Erzeugnisses 200 aus einem kohlenstofffaserverstärkten Material 1 0'. Bei dieser Ausführungsform wird vor dem eigentl ichen Aneinanderfügen der Platten 1 0 ein Haft- oder Klebemittel 20 aufgebracht U 1 , entweder auf eine der Fügeflächen 1 0o, 1 0u, 1 0k oder einen Teil davon oder auf sämtl iche Fügeflächen 10o, 1 0u, 1 0k oder Teilen davon .

Dann folgt im nächsten Schritt U2 das eigentliche Aneinanderfügen der Platten 1 0.

Gegebenenfalls wird dann für eine bestimmte Zeitspanne das Aneinanderfügen durch einen Schritt U3 des Aufprägens von Druck und/oder Temperatur unterstützt.

Bei der Fig . 4 wird eine alternative Vorgehensweise für das Aneinanderfügen S2 der Platten 1 0 illustriert. Dabei wird in einem ersten Schritt V1 eine Ausnehmung 32 in mindestens einer der Platten 1 0 eingebracht. Es können auch zwei miteinander zu verbindende Platten 1 0 mit Ausnehmungen 32 ausgebildet werden .

In einem nachfolgenden Schritt V2 wird dann ein bereitgestelltes Steckelement 31 in die Ausnehmung 32 oder die Ausnehmungen 32 eingefügt.

Dann werden im nachfolgenden Schritt V3 die Platten 1 0 aneinandergefügt, wobei die Steckelemente 31 in den Ausnehmungen 32 das Ausrichten und/oder das Aneinanderfügen der Platten 1 0 aneinander unterstützen .

In einem optionalen Schritt V4 können dann wieder Druck und/oder Temperatur dem Gefüge aufgeprägt werden, um die Verbindung zu unterstützen .

Im Hinblick auf den Schritt V2 ist es nicht notwendig, dass ein separates Steckelement 31 zum Einfügen in die Ausnehmungen bereitgestellt wird . Vielmehr kann das Steckelement 31 auch Teil einer der Platten 1 0 sein . Die Fig . 5 zeigt schl ießlich den optionalen Schritt S4 als ein dem mechan ischen Bearbeiten oder Herausarbeiten S3 nachfolgenden Schritt des Carboni- sierens W1 und Silizierens W2.

Durch das Carbonisieren W1 werden bestimmte oder sämtl iche kohlenstoffhaltigen Bestandteile der den Platten 1 0 zugrunde liegenden Materialien 1 0', 1 0" in Kohlenstoffstrukturen umgewandelt, z.B. durch Pyrolyse oder dergleichen, wobei dann im nachfolgenden Schritt W2 des Silizierens Silizium in die so geschaffenen Strukturen aufgenommen wird, nämlich um die entsprechende keramische Struktur auszubilden .

Die Abfolge der Fig. 6A bis 6F beschreibt Details einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Erzeugnisses 200 aus einem kohlenstofffaserverstärkten Material 1 0'.

Zunächst wird in dem in Fig. 6A dargestellten Zwischenzustand eine Mehrzahl identischer Platten 1 0 aus dem kohlenstofffaserverstärkten Material 1 0' mit jeweils einer Oberseite 1 0o und einer Unterseite 1 0u sowie Kanten 1 0k bereitgestellt und angeordnet.

Im Übergang zu den in Fig . 6B dargestellten Zwischenzustand werden dann auf den Oberseiten 1 0o der nicht zuoberst angeordneten Platten 1 0 Schichten eines Haftmittels 20, z.B. eines Klebstoffs 20 aufgebracht. Es ist auch den kbar, dass die jeweils einander zugeordneten Ober- und Unterseiten 1 0o bzw. 1 0u mit dem Klebemittel 20 versehen werden .

Im Übergang zu dem in Fig . 6C dargestellten Zwischenzustand werden dann die Platten 1 0 unter Einwirkung eines Drucks P nach Art eines Stapels aneinandergefügt, wobei eine jeweils zuunterst angeordnete Platte 10 auf ihrer Oberseite 1 0o die Unterseite 1 0u einer jeweils direkt darüber angeordneten Platte 1 0 mit dem Klebemittel 20 dazwischen aufnimmt. Unter Einwirkung des Drucks P werden so im Übergang zu dem Zwischenzustand der Fig . 6D die Platten 1 0 zu einem einhüllenden Körper 1 00 oder dessen Vorform 1 00' aneinandergefügt. Dargestellt sind hier noch die Grenzflächen 21 zwischen den ehemals separiert vorgesehenen Platten 1 0.

Im Übergang zu dem in Fig . 6E dargestellten Zwischenzustand wird dann begonnen, aus dem einhüllenden Körper 1 00 oder dessen Vorform 1 00' die räumliche Struktur R des gewünschten Erzeugnisses 200 oder dessen Vorform 200' herauszuarbeiten .

In dem in Fig . 6E angedeuteten Stapel der räumlichen Struktur R' des einhüllenden Körpers 1 00 oder dessen Vorform 1 00' sind bereits die Umrisse der räumlichen Struktur R des zu erzeugenden Körpers 200 oder dessen Vorform 200' punktiert angedeutet.

Im Übergang zu dem in Fig . 6F dargestellten Zwischenzustand ist aus dem einhüllenden Körper 1 00 oder dessen Vorform 1 00' das Erzeugnis 200 oder dessen Vorform 200' mit der räumlichen Struktur R herausgearbeitet.

Bei der Abfolge der Fig . 6A bis 6E werden sämtliche Platten 1 0 mit ihren O- berseiten 1 0o und ihren Unterseiten 10u aneinandergefügt, so dass insgesamt für den einhüllenden Körper 1 00 oder dessen Vorform 1 00' ein Stapel entsteht.

Vorangehend und nachfolgend wird von einer Vorform 1 00', 200' für den einhüllenden Körper 1 00 bzw. für das herzustellende Erzeugnis 200 gesprochen, wenn zu der jeweiligen Fertigstellung noch nach oder Zwischenverarbeitungsschritte, z.B. ein Carbonisieren oder Silizieren notwendig sind . Sind derartige Schritte nicht notwendig, so wird direkt vom einhüllenden Körper 1 00 bzw. dem Erzeugnis 200 gesprochen . Bei der Ausführungsform der Fig . 7A bis 7C erfolgt das Fügen zwischen direkt benachbarten Platten 1 0 über deren Kanten 1 0k oder Kantenflächen 1 0k.

Bei dem in Fig . 7A dargestellten Zwischenzustand werden zwei Platten 1 0 aus einem kohlenstofffaserverstärkten Material 1 0' mit ihren Kanten 1 0k aneinandergefügt, wobei in der Fig. 7A die auf der linken Seite angeordnete Platte 1 0 an ihrer rechten Kante 1 0k ein Klebemittel 20 in Form eines Klebstoffes 20 aufweist.

Im Übergang zu dem in Fig . 7B gezeigten Zwischenzustand sind dann die beiden Platten 1 0 mit ihren Kanten 1 0k und dem Klebemittel 20 dazwischen aneinandergefügt, wobei von den gegenüberliegenden Kanten 1 0k ausgehend jeweils ein entsprechender Anpressdruck P aufgeprägt wird .

Aufgrund der Wirkung des Anpressdrucks P wird dann in dem in Fig. 7C gezeigten Zwischenzustand eine Verbindung der beiden Platten 10 aus kohlenstofffaserverstärktem Material 1 0' erreicht, so dass in dem in Fig . 7C gezeigten Zwischenzustand der einhüllende Körper 100 oder dessen Vorform 1 00' aus einem Paar von Platten 1 0 besteht. Grundsätzlich sind jedoch flächig ausgebildete Objekte mit mehr als zwei Platten denkbar.

Beim Vorgehen gemäß der Figurenfolge 7A bis 7C wurden außer dem Klebemittel 1 0 an den Kantenflächen 1 0k keine weiteren Hilfsmittel zum Aneinanderfügen der Platten 1 0 verwendet.

Im Gegensatz dazu werden bei der Abfolge der Fig . 8A bis 8D an den Kantenflächen 1 0k der sich mit den Kantenflächen 1 0k gegenüberstehenden Platten 1 0 aus dem kohlenstofffaserverstärkten Material 10' Ausnehmungen 32 ausgebildet. Diese besitzen eine zu einem zusätzlich vorgesehenen Einsteckelement 31 komplementäre und kooperierende Form, so dass beim Ineinanderfügen der Platten 1 0 und ihren Ausnehmungen 32 im Zusammenwirken mit dem Einsteckelement 31 zunächst die in Fig . 8B dargestellte Zwischenstruktur ent- steht, bei welcher aufgrund des zusätzlich auf der linken Seite in der Ausneh- mung 32 vorgesehenen Klebemittels 20 eine Art Einbettung des Einsteckelements 31 in den Ausnehmungen 32 unter Benetzung durch das Klebemittel 20 entsteht.

Im Übergang zu dem in Fig . 8C dargestellten Zwischenzustand entsteht dann unter Einwirkung des Drucks P eine Struktur, bei welcher die beiden Platten 1 0 zu dem einhüllenden Körper 1 00 oder dessen Vorform 1 00' zusammengefügt sind, wobei an der Grenzfläche 21 zwischen den vormals getrennten Platten 1 0 noch das Einsteckelement 31 kenntlich gemacht ist.

Bei einer entsprechenden Wahl des Materials für das Einsteckelement 31 und des Klebemittels 20 können die Unterschiede an den Grenzflächen entsprechend ausheilen, so dass sich eine im Wesentlichen homogene Struktur auch an der Grenzfläche 21 einstellt, also das Einsteckelement 21 materiell nach dem Aneinanderfügen der Einzelplatten 1 0 nicht mehr auflösbar ist, wie dies in der Anordnung der Fig . 8D dargestellt ist.

Die Abfolge der Fig. 9A bis 9D beschreibt ein ähnliches Vorgehen wie bei der Abfolge der Fig . 8A bis 8D, nur dass hier kein separates Einsteckelement 31 ausgebildet ist, sondern das Einsteckelement 31 einstückig, also als Teil der rechten Platte 1 0 aus dem kohlenstofffaserverstärktem Material 1 0' ausgebildet ist. Wiederum ist an der Ausnehmung 32 der anderen Platte 1 0 ein Klebemittel 20 eingefüllt, so dass nach Zusammenfügen gemäß der Anordnung der Fig . 9B und Applizieren eines entsprechenden Drucks P der einhüllende Körper 100 oder dessen Vorform 1 00' gemäß Fig . 9C erhalten wird, wobei bei entsprechender Materialwahl gemäß der Fig . 9D eine materielle Auflösung der vormals getrennten Platten 1 0 und der Grenzflächen 21 nicht mehr möglich ist.

Die Abfolge der Fig . 1 0A bis 1 0D zeigt ein Vorgehen, bei welchem Ausnehmungen 32 und Einsteckelemente 31 nicht an den Kanten 10k sondern zur Verbindung der Oberseiten 10o und Unterseiten 10u der Platten 10 aus koh- lenstofffaserverstärktem Material 10' eingesetzt werden.

Gemäß Fig.10A sind an den Oberseiten 10o und Unterseiten 10u direkt zueinander benachbarter Platten 10 Ausnehmungen 32 ausgebildet. Des Weiteren werden hier separat vorgesehene Einsteckelemente 31 vorgesehen. Die jeweils zuunterst angeordnete Platte 10 wird mit einem Klebemittel 20 auf der Oberseite 10o beschichtet.

Im Übergang zu dem in Fig.10B gezeigten Zwischenzustand wird unter Einwirkung von Druck ein Aneinanderfügen der zueinander direkt benachbarten Platten 10 aus kohlenstofffaserverstärktem Material 10' bewirkt, wobei die Einsteckelemente 31 in die jeweils zueinander zugeordneten Ausnehmungen 32 eingesteckt sind und das Klebemittel 20 zwischen den Oberseiten und Unterseiten 10o bzw.10u die Verbindung vermittelt.

Im Übergang zu dem in Fig.10C gezeigten Zwischenzustand sind dann die Platten 10 aneinandergefügt, so dass der einhüllende Körper 100 oder dessen Vorform 100' erhalten wird. In den Grenzflächenbereichen 21 sind hier in der Anordnung der Fig.10C noch die Einsteckelemente 31 kenntlich gemacht. Bei entsprechender Wahl der materiellen Bestandteile für die Einsteckelemente 31 und des Klebemittels 20 kann eine materielle Auflösung gemäß Fig.10C nicht mehr erfolgen, wie dies in Fig.10D angedeutet ist.

Bezugszeichenliste

1 0 Platte, Plattenelement

1 0' Material der Platte/des Plattenelements 1 0, kohlenstofffaserverstärktes Material

1 0k Kante, Kantenfläche, Kantenbereich

1 0o Oberseite, Oberfläche

1 0u Unterseite, Unterfläche

20 Hafthilfe, Haftmittel, Klebemittel, Verbindungsmittel

21 Grenzfläche, Grenzflächenbereich

30 Verbindungsmittel

31 Einsteckmittel, Einsteckelement

32 Ausnehmung, Nut, Bohrung, Rille

1 00 einhüllender Körper, Einhüllungskörper

1 00' Vorform des einhüllenden Körpers

200 Erzeugnis

200' Vorform des Erzeugnisses

R räumliche Struktur, 3D-Struktur des Erzeugnisses

R' räuml iche Struktur, 3D-Struktur des einhüllenden Körpers 1 00/dessen Vorform 100'