DE10218586A1

DE10218586A1 - Ziehwerkzeug mit elektrischen und mikromechanischen Funktionselementen

Info

Publication number: DE10218586A1
Application number: DE2002118586
Authority: DE
Inventors: Bernd Burchard
Original assignee: Diatronic Ges fur Diaman GmbH
Current assignee: BURCHARD, BERND, DR., DE
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2003-11-06
Anticipated expiration: 2022-04-27
Also published as: DE10218586B4

Abstract

Vorzugsweise ist das Ziehwerkzeug, beispielsweise ein Ziehstein mit elektrischen Funktionselementen (1), aus Diamant gefertigt. Er ist üblicherweise zylindersymmetrisch und verfügt über eine mittige Öffnung, durch die der Draht (6) in Pfeilrichtung gezogen wird. Dabei wird der Draht im Bereich (5) gestaucht und umgeformt, um dann den Ziehstein mit einem verringerten Durchmesser (7) wieder zu verlassen. Bei der Bearbeitung stößt der Draht auf die geeignet geformte Vorderseite (4) des Ziehsteins. Die Rückseite (9) des Ziehsteins ist in der Regel so geformt, dass der Draht gut gekühlt werden kann. In dem erfindungsgemäßen Ziehstein sind nun mehrere Sensoren (11, 19, 29) in Oberflächennähe gefertigt.

Description

Einleitung

Das Ziehen von Metallen ist eine der ältesten Formen der Metallbearbeitung. Trotzdem sind bis heute viele damit verbundene Vorgänge ungeklärt.
Für die Herstellung von Drähten beispielsweise werden seit jeher Ziehwerkzeuge in Form von Ziehsteinen verwendet. Dabei wird ein Drahtrohling durch eine Öffnung in einem harten Material beispielsweise Diamant gezogen, dessen Durchmesser kleiner als der des Drahtes ist. Hierbei wird der Draht vor dem Eintritt in die Öffnung gestaucht und komprimiert, wodurch das Drahtmaterial plastisch wird. Während dieser Stauchung und Kompression entstehen erhebliche Drücke und Temperaturen sowohl im Material als auch an der Werkzeugoberfläche.
Diese Drücke und Temperaturen sind derzeit nur theoretisch bekannt, da bisher keinerlei Möglichkeit der direkten Messung bekannt ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Messbarkeit herzustellen und so eine optimale Regelung des Ziehvorganges zu ermöglichen. Darüber hinaus ergeben sich neue Möglichkeiten der Fertigung und neue durch Ziehtechniken herstellbarer Produkte.

Beschreibung des Grundgedankens der Erfindung

In der Offenlegungsschrift DE 100 14 048 A1 wird die Herstellung für diese Zwecke geeigneter Druck- und Temperatursensoren, deren Strukturen und ein Verfahren zu deren Herstellung beschrieben. Mit Hilfe der dort beschriebenen Techniken lässt sich das technische Problem auch für Ziehwerkzeuge und nicht nur für die dort beschriebenen Schneidwerkzeuge lösen. Mehr noch: Durch den Einsatz dieser Bauelemente lässt sich ein so modifiziertes Ziehwerkzeug, hier im speziellen ein modifizierter Ziehstein, auch für die Produktion neuartiger Produkte, hier insbesondere neuartiger Drähte, verwenden, die ebenfalls Teil dieser Anmeldung sind.

Beispielhaftes Ziehwerkzeug: Ziehstein mit elektrischen Funktionselementen

Der Aufbau eines beispielhaften Ziehwerkzeuges, eines beispielhaften Ziehsteins mit elektrischen Funktionselementen, wird anhand von Fig. 1 erläutert. Vorzugsweise ist der Ziehstein (1) aus Diamant gefertigt. Er ist üblicherweise zylindersymmetrisch und verfügt über eine mittige Öffnung durch die der Draht (6) in Pfeilrichtung gezogen wird. Dabei wird er im Bereich (5) gestaucht und umgeformt, um dann den Ziehstein mit einem verringerten Durchmesser (7) wieder zu verlassen. Dieser Bereich, in dem das Werkstück Kontakt zum Werkzeug hat, sowie der umgebende Bereich, der chemisch oder physikalisch durch den Bearbeitungsvorgang beeinflusst wird, wird im Folgenden als Bearbeitungsbereich bezeichnet. Bei der Bearbeitung stößt der Draht auf die geeignet geformte Vorderseite (4) des Ziehsteins. Die Rückseite (9) des Ziehsteins ist in der Regel so geformt, dass der Draht gut gekühlt werden kann. In dem erfindungsgemäßen Ziehstein sind nun mehrere Sensoren (11, 19, 29) in Oberflächennähe gefertigt. Diese sind über sich kreuzende Leitungen (3, 10) entsprechend dem in der DE 100 14 048 A1 beschriebenen Verfahren angeschlossen. Einige Anschlussleitungen laufen typischerweise von einem der Leitung zugeordneten ersten Kontakt (2) auf der einen Seite des Ziehsteins (1) zu einem der Leitung zugeordneten zweiten Kontakt (8) auf der anderen Seite des Ziehsteins. Die Kontakte werden typischerweise aus Graphit, halbleitendem Diamant oder aufgebrachten Metallschichten hergestellt. Von besonderer Wichtigkeit ist, dass die Leitungen tief genug elektrisch gegenüber der Oberfläche isoliert vergraben werden. Gegebenenfalls muss durch Aufbringen einer elektrisch isolierenden CVD- Schicht aus Diamant diese Tiefe nach der Herstellung der Bauelemente noch vergrößert werden. Die Kontakte müssen dabei selbstverständlich ausgespart werden. Der Widerstand des Sensors im Bereich der Kreuzung hängt nun vom Druck und der Temperatur in besonderer Weise ab (siehe auch DE 100 14 048 A1).

Besonders vorteilhaft ist es, nun mehrere Sensoren zu einem Sensor Array zu kombinieren. Dies sei anhand von Fig. 2 erläutert. Fig. 2 zeigt einen Ziehstein mit Fassung (12) in Aufsicht. Der dort gezeigte beispielhafte Ziehstein ist mit 90° Symmetrie gefertigt. In jedem Quadranten befinden sich auf jeder Ziehsteinseite drei Sensoren (11, 19, 20), die jeweils in den Kreuzungspunkten verschiedener Leitungen liegen. Sensor 11 wird über die Kontakte 15 und 18 angeschlossen, Sensor 19 über die Kontakte 14 und 17 und Sensor 20 über die Kontakte 13 und 16. Darüber hinaus sind die Sensoren 11, 19, 20 über die Kontakte 2 und 8 (nicht sichtbar auf der Rückseite) angeschlossen. Neben den hier eingezeichneten Temperatur und Drucksensoren können weitere Aktoren und Sensoren sowie Aktor- und Sensortypen auf dem Ziehstein gefertigt werden. In Fig. 2 befindet sich beispielsweise in jedem Quadranten ein Heizer (21), der über Kontakte (23, 22) angeschlossen ist. Hierdurch kann beispielsweise die Temperatur der plastischen Zone (5) auf der Vorderseite höher als normal eingestellt werden. Hierdurch werden Druck (= Zugkraft/Auflagefläche) und Temperatur an der Öffnung voneinander entkoppelt. Durch sofortiges Abkühlen des Drahtes nach dem Verlassen des Ziehsteins kann dieser in einem Arbeitsgang gezogen und gehärtet werden, was vorher nicht möglich war. Besonders vorteilhaft ist es nun, den Ziehstein nicht nur mit Wasser sondern beispielsweise mit flüssigem Stickstoff oder anderen flüssigen Gasen zu kühlen, da so ein steilerer Temperaturgradient möglich wird, ohne dass die Temperatur der Stauchzone (5) geändert werden muss. Hierdurch werden neue Oberflächenqualitäten möglich. Zu diesem Zweck können beispielsweise, wie in Fig. 3 und 4 gezeigt, Kapilaren (24) in dem Ziehstein beispielsweise durch Ionenstrahlätzung hergestellt werden, durch die der gefertigte Draht unmittelbar nach dem Verlassen der Bearbeitungszone mittels einer durch diese Kapillare eingeleiteten Flüssigkeit gekühlt wird. Zu diesem Zweck sind auch in die rückseitige Oberfläche des Diamanten gefräste oder geätzte Nuten (29) anwendbar, die durch eine Platte (27) abgedeckt werden. (Fig. 5) In dieser Platte (27) befindet sich zum Beispiel auch eine Verteilerleitung (26), die über symmetrisch angeordnete Kanäle (25) mit den gefrästen Nuten (29) verbunden ist. Im Bereich der Bearbeitungsöffnung deckt die Platte (27) die Nuten nicht mehr ab, so dass Austrittsöffnungen (28) für die Kühlflüssigkeit entstehen. Durch Heizer und Temperatursensoren in diesem Bereich ist es denkbar, die Kühlflüssigkeit vor dem Zusammentreffen mit dem Werkstück, hier einem Draht, zu temperieren. Solche mikrofluidischen Systeme können darüberhinaus beispielsweise auch zur Beschichtung des Drahtes während der Bearbeitung beispielsweise durch Verwendung kollodialer Partikellösungen genutzt werden. Auch ist es denkbar, als Kühlmittel eine Salzlösung (30) zu verwenden, die durch einen elektrischen Strom elektrolysiert wird. Ein Kontakt wird hierbei durch den Draht, also das Werkstück gebildet, welches im Bearbeitungsbereich durch Kontakte (33) und Leitungen im Werkzeug (32) angeschlossen wird. Die Leitungen im Werkstück werden wieder über geeignete Kontakte (31) angeschlossen. Der andere Kontakt wird beispielsweise durch die Abdeckplatte (27) gebildet, die in diesem Fall elektrisch leitend sein sollte und über eine Leitung (34) angeschlossen wird. Es ist denkbar die Platte in diesem Fall von dem Ziehstein elektrisch durch eine Isolation (35) abzutrennen. Bei geeigneter Stromdichte wird somit der Draht in einem Arbeitsgang direkt galvanisch beschichtet (36).

Für manche Anwendungen mag es schließlich auch sinnvoll sein, den Draht im Bereich der Behandlungszone zu kontaktieren und durch elektrochemische oder -physikalische Vorgänge bei hohen Stromdichten die Beschaffenheit des Drahtes zu modifizieren. Dies kann durch Leitungen erzielt werden, die im Bereich der Behandlungszone mit Kontakten beispielsweise aus halbleitendem Diamant versehen sind.

Vorteile

Ein erfindungsgemäßes Ziehwerkzeug ermöglicht somit die Erfassung der bisher nicht messbaren Druck und Temperaturverhältnisse während des Ziehens, eine Regelung der Temperatur, eine verbesserte Kühlung und damit eine kontrollierte Wärmebehandlung der Werkstücke, beispielsweise der Drähte, während des Ziehens, was wirtschaftlich vorteilhaft ist. Figuren Fig. 1 Schnitt durch einen beispielhaften Ziehstein
Fig. 2 Aufsicht auf einen beispielhaften Ziehstein mit Fassung
Fig. 3 Schnitt durch einen beispielhaften Ziehstein mit Kapillarkühlung
Fig. 4 Aufsicht auf einen beispielhaften Ziehstein mit Kapillarkühlung mit Fassung
Fig. 5 Schnitt durch einen beispielhaften Ziehstein mit Nutkühlung
Fig. 6 Schnitt durch einen beispielhaften Ziehstein mit Nutkühlung und galvanischer Abscheidung Liste der Bezeichnungen 1 Ziehstein beispielsweise aus Diamant
2 Vorderer Kontakt einer durch die Bearbeitungsöffnung gehenden Leitung
3 Durch die Bearbeitungsöffnung gehende Leitung
4 Bearbeitungszone
5 Stauchungszone
6 Draht vor dem Ziehen
7 Draht nach dem Ziehen
8 Hinterer Kontakt einer durch die Bearbeitungsöffnung gehenden Leitung
9 Drahtaustrittsöffnung
10 Kreuzende Leitung für Sensor 11
11 Erster Sensor des Quadranten
12 Fassung des Ziehsteins
13 Erster Kontakt der kreuzenden Leitung für Sensor 20
14 Erster Kontakt der kreuzenden Leitung für Sensor 19
15 Erster Kontakt der kreuzenden Leitung für Sensor 11
16 Zweiter Kontakt der kreuzenden Leitung für Sensor 20
17 Zweiter Kontakt der kreuzenden Leitung für Sensor 19
18 Zweiter Kontakt der kreuzenden Leitung für Sensor 11
19 Zweiter Sensor des Quadranten
20 Dritter Sensor des Quadranten
21 Heizelement des Quadranten
22 Erster Kontakt des Heizelementes des Quadranten
23 Zweiter Kontakt des Heizelementes des Quadranten
24 Kühlkapillare
25 Kühlmittelzuleitung in der Rückseitigen Abdeckplatte
26 Verbindungsleitung
27 Abdeckplatte
28 Kühlmittelaustrittsöffnung
29 Kühlmittelnut
30 Salzlösung für galvanische Beschichtung
31 Kontakt am Ziehstein
32 Leitung für Kontakt zur Galvanischen Beschichtung
33 Kontakt im Bereich der Bearbeitungsöffnung zum Anschluss des Werkstücks (Draht)
34 Elektrischer Anschluss der Abdeckplatte
35 Elektrische Isolation Ziehstein vs. Abdeckplatte
36 Galvanisch aufgebrachte Schicht

Claims

1. Ziehwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass sich an seiner Oberfläche oder unmittelbar darunter elektrische Funktionselemente befinden.

2. Ziehwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich an seiner Oberfläche oder unmittelbar darunter mikromechanische Funktionselemente befinden.

3. Ziehwerkzeug nach oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Ziehstein handelt.

4. Ziehwerkzeug nach oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem superhartem Material gefertigt ist.

5. Ziehwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem superhartem Material um Diamant, SiC, BN, GaN oder WC handelt.

6. Ziehwerkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Funktionselemente gegeneinander isoliert sind.

7. Ziehwerkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Funktionselement ein Sensor ist.

8. Ziehwerkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Sensoren nach dem in der Offenlegungsschrift DE 100 14 048 A1 offenbarten Verfahren gefertigt sind.

9. Ziehwerkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor ein Leitfähigkeits-, Druck- oder ein Temperatur-Sensor ist.

10. Ziehwerkzeug nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, das der Temperatursensor mit der Oberfläche thermisch verbunden ist.

11. Ziehwerkzeug nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, das der Leitfähigkeitssensor mit der Oberfläche elektrisch verbunden ist.

12. Ziehwerkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor ein resistiver, kapazitiver oder induktiver Sensor ist.

13. Ziehwerkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Funktionselement ein Aktor ist.

14. Ziehwerkzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Aktoren nach dem in der Offenlegungsschrift DE 100 14 048 A1 offenbarten Verfahren gefertigt sind.

15. Ziehwerkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor ein Heizer ist.

16. Ziehwerkzeug nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizer mit der Oberfläche thermisch gekoppelt ist.

17. Ziehwerkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der ein elektrisches Funktionselement eine elektrische Leitung oder eine elektrische oder dielektrische Wellenleitung ist.

18. Ziehwerkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere elektrische Funktionselemente Kontakte sind, die gegenüber der Oberfläche nicht elektrisch isoliert sind.

19. Ziehwerkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Funktionselemente gegenüber der Oberfläche elektrisch isoliert vergraben sind.

20. Ziehwerkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Ziehwerkzeug mit einer oder mehreren Beschichtungen versehen ist.

21. Ziehwerkzeug nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei einer Schicht um CVD-Diamant handelt.

22. Ziehwerkzeug nach oder mehreren der Ansprüche 20 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei einer Schicht um ein halbleitendes Material wie beispielsweise Diamant, Si, SiC, GaAs, SiGe oder deren dotierte Varianten handelt.

23. Ziehwerkzeug nach oder mehreren der Ansprüche 20 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei einer Schicht um ein isolierendes Material wie beispielsweise mit Stickstoff dotierten Diamant oder SiO₂ handelt.

24. Ziehwerkzeug nach oder mehreren der Ansprüche 20 bis 21 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei einer Schicht um ein metallisch leitendes Material wie beispielsweise Metalle wie beispielsweise Pt, Al, Au, Ag, Ti, Mo oder andere Stoffe wie beispielsweise Graphit oder hochdotierte Halbleiter wie beispielsweise Diamant, Si, SiC, GaAs, SiGe handelt.

25. Ziehwerkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 bis 24 dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Schichten strukturiert sind.

26. Ziehwerkzeug nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung zumindest teilweise durch Dotierung erfolgt ist.

27. Ziehwerkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 25 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung zumindest teilweise durch Ätzung wie beispielsweise Ionenstrahlätzung, nasschemische Ätzung, Plasmaätzung und Sputtern oder mechanische Bearbeitung oder selektive Abscheidung erfolgt ist.

28. Ziehwerkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 bis 27 dadurch charakterisiert, dass die strukturierte Beschichtung mindestens ein elektrisches oder mechanisches oder mikrofluidisches Funktionselement aufweist.

29. Ziehwerkzeug nach Anspruch 28 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei mindestens einem elektrischen Funktionselement nach den Ansprüchen 1 oder 28 um eine Leitung, eine Wellenleitung, einen Kontakt, eine Diode, einen Kondensator, eine Spule, einen Widerstand, eine Sicherung, einen Verschleißschalter, einen Transistor, eine Triode, eine Kreuzung, eine Durchkontaktierung, eine Antenne, einen Sensor oder einen Aktor handelt.

30. Ziehwerkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 29 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den mikromechanischen Funktionselementen um Kapilare, Nuten, Mischer, Wärmetauscher, Verdampfer, Pumpen, Mikroreaktoren, Verweiler oder andere mikrofluidische Funktionselemente handelt.

31. Verfahren zur Herstellung eines Werkstückes, dadurch gekennzeichnet, das die Herstellung unter Verwendung eines Ziehwerkzeugs nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 30 durchgeführt wird.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Werkstück um einen Draht handelt.

33. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 31 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück durch einen Heizer gemäß Anspruch 14 geheizt wird.

34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung durch alle integrierten Heizer in gleicher Weise erfolgt.

35. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung durch alle integrierten Heizer in bewusst ungleicher Weise erfolgt.

36. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 31 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück gekühlt wird.

37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung mit Hilfe einer Flüssigkeit oder Flüssigkeitsmischungen wie beispielsweise Wasser, kolodiale Lösungen von Öl in Wasser, Ölen, oder flüssigen Kohlenwasserstoffen und deren Verbindungen geschieht.

38. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung mit Hilfe eines verflüssigten Gases wie beispielsweise flüssigem Stickstoff, He, H2 oder O2 geschieht.

39. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 31 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück im Bearbeitungsbereich, beispielsweise der Bearbeitungsöffnung bei Ziehsteinen, durch elektrische Kontakte kontaktiert wird.

40. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 31 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Bearbeitungsbereich erfasst wird.

41. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 31 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck auf die Werkzeugoberfläche im Bearbeitungsbereich erfasst wird.

42. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 31 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitfähigkeit im Bearbeitungsbereich erfasst wird.

43. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 31 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass sonstige Parameter im Bearbeitungsbereich erfasst werden.

44. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 40 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass gleiche Parametertypen an verschiedenen Stellen im Bearbeitungsbereich gleichzeitig erfasst werden.

45. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 40 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass einige der gemessenen Parameter für die Regelung der Fertigungsparameter wie beispielsweise Vorschub, Temperatur und Kühlung sowie beispielsweise der Einstellung der Fertigungsparametersymmetrie benutzt werden.

46. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 31 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass symmetrisch vorhandene Aktoren wie beispielsweise Heizer und Kontakte im Bearbeitungsbereich unsymmetrisch angesteuert werden, um nicht symmetrische Werkstückeigenschaften beispielsweise nicht axialsymmetrische Drahteigenschaften hervorzurufen.

47. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 31 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktorparameter bewusst moduliert werden, um entlang eines Werkstückes unterschiedliche Materialeigenschaften, beispielsweise hinsichtlich der Länge modifizierte Drahteigenschaften, zu erzielen.

48. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 31 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass ein galvanischer Prozess Teil des Verfahrens ist.