DE102021109789A1 - Method for producing a thin-walled ceramic component, in particular a can or containment shell, thin-walled ceramic component and electric motor having the thin-walled ceramic component and glandless pump - Google Patents

Method for producing a thin-walled ceramic component, in particular a can or containment shell, thin-walled ceramic component and electric motor having the thin-walled ceramic component and glandless pump Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dünnwandigen keramischen Bauteils mit den Schritten:a) Herstellen eines Bauteilrohlings (1) aus Aluminium oder einer wenigstens Aluminium enthaltenden Legierung, welcher wenigstens einen dünnwandigen Wandabschnitt (11) aufweist,b) wenigstens teilbereichsweises Eloxieren des wenigstens einen dünnwandigen Wandabschnitts (11), wobeic) das Eloxieren derart durchgeführt wird, dass wenigstens ein Teilbereich des wenigstens einen dünnwandigen Wandabschnitts (11) in einer Dickenrichtung (D) des Wandabschnitts (11) wenigstens überwiegend, insbesondere vollständig anodisch oxidiert wird und somit zu einen Aluminiumoxidkeramikmaterial umgewandelt wird.The invention relates to a method for producing a thin-walled ceramic component with the steps: a) producing a component blank (1) made of aluminum or an alloy containing at least aluminum, which has at least one thin-walled wall section (11), b) at least partial anodizing of the at least one thin-walled wall section (11), wherein c) the anodizing is carried out in such a way that at least a partial area of the at least one thin-walled wall section (11) is at least predominantly, in particular completely, anodically oxidized in a thickness direction (D) of the wall section (11) and thus to an aluminum oxide ceramic material is converted.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dünnwandigen keramischen Bauteils, insbesondere eines Spaltrohres oder Spalttopfes, ein dünnwandiges keramisches Bauteil und einen Elektromotor aufweisend das dünnwandige keramische Bauteil sowie eine Nassläuferpumpe.The invention relates to a method for producing a thin-walled ceramic component, in particular a can or containment shell, a thin-walled ceramic component and an electric motor having the thin-walled ceramic component and a glandless pump.

Aus der DE 10 2019 205 098 A1 ist ein Elektromotor mit verringertem Spalt zur Optimierung des magnetischen Flusses zwischen Rotor und Stator bekannt. Eine innere Polhülse des Stators ist dabei aus einem hochohmigen weichmagnetischen Verbundwerkstoff ausgebildet, wodurch der radiale Spaltabstand des Übergangsbereichs, in dem ein magnetischer Widerstand gebildet wird, der dem magnetischen Fluss zwischen einem Spulenkörper und einem Rotor entgegenwirkt, auf einen unvermeidbaren Luftspalt reduziert wird. Die Polhülse kann aus einem weichmagnetischen Pulverbundwerkstoff gebildet sein, der aus reinem Eisenpulver mit einer speziellen Oberflächenbeschichtung ausgebildet ist, wobei auf jedem einzelnen Eisenpulverpartikel eine elektrisch isolierende Oberfläche ausgebildet ist.From the DE 10 2019 205 098 A1 an electric motor with a reduced gap for optimizing the magnetic flux between rotor and stator is known. An inner pole sleeve of the stator is made of a high-impedance, soft-magnetic composite material, which reduces the radial gap distance of the transition area, in which a magnetic resistance is formed that counteracts the magnetic flux between a coil body and a rotor, to an unavoidable air gap. The pole sleeve can be formed from a soft magnetic powder composite material formed from pure iron powder with a special surface coating, with an electrically insulating surface being formed on each individual iron powder particle.

Aus der DE 20 2018 002 730 U1 ist ein Spalttopf aus kontinuierlich faserverstärktem Thermoplast bekannt.From the DE 20 2018 002 730 U1 a containment shell made of continuously fiber-reinforced thermoplastic is known.

Aus der DE 10 2018 002 206 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Spaltrohres bekannt, wobei in einem Spritzgussverfahren zunächst eine thermoplastische Innenschicht hergestellt wird und diese zumindest teilweise von einer Trägerschicht aus duromerem Kunststoff mit Faserverstärkung umgeben ist, wobei die Trägerschicht unmittelbar auf der Innenschicht durch Aufbringen von Reaktionsharz in viskoser Form und durch Aufbringen von Verstärkungsfasern erzeugt wird.From the DE 10 2018 002 206 A1 a method for the production of a can is known, in which a thermoplastic inner layer is first produced in an injection molding process and this is at least partially surrounded by a carrier layer made of duromer plastic with fiber reinforcement, the carrier layer being directly on the inner layer by applying reactive resin in viscous form and by Application of reinforcing fibers is generated.

Aus der WO 2014/063894 A2 ist eine Diffusionssperrschicht für Spaltrohre bekannt, wobei ein Spaltrohr zumindest teilweise mit einer Ethylsilikatbeschichtung versehen ist.From the WO 2014/063894 A2 a diffusion barrier layer for cans is known, wherein a can is at least partially provided with an ethyl silicate coating.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 768 233 A1 ist ein Spaltrohr bekannt, welches für einen nasslaufenden Elektromotor geeignet ist und welches aus einem nicht metallischen Material gefertigt ist, wobei das nicht metallische Material mit zumindest einer zusätzlichen hermetisch dichtenden Schicht versehen ist. Es wird auch vorgeschlagen, ein solches Spaltrohr für einen Elektromotor eines Pumpenaggregates einzusetzen.From the European patent application EP 1 768 233 A1 a can is known which is suitable for a wet-running electric motor and which is made of a non-metallic material, the non-metallic material being provided with at least one additional hermetically sealing layer. It is also proposed to use such a can for an electric motor of a pump unit.

Aus der EP 0 658 967 A2 ist eine Magnetkreiselpumpe für aggressive Medien bekannt geworden. Ein Elektromotor der Magnetkreiselpumpe besitzt einen Spalttopf, der aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt ist und der Faserverbundwerkstoff eine durch Ionenbeschuss aufgebrachte Beschichtung aus modifiziertem, amorphem Kohlenstoff aufweist.From the EP 0 658 967 A2 a magnetic centrifugal pump for aggressive media has become known. An electric motor of the magnetic centrifugal pump has a can made of a fiber composite material and the fiber composite material has a coating of modified, amorphous carbon applied by ion bombardment.

Des Weiteren ist es allgemein üblich, metallische Spaltrohre vorzusehen, welche jedoch den Nachteil haben, dass das Magnetfeld im Luftspalt zwischen einem Stator und einem Rotor eines Elektromotors stark beeinflusst wird. Daher wird oftmals der Weg gegangen, das Spaltrohr aus einem Kunststoff, z. B. einem Faserverbundmaterial, herzustellen. Bei ganz besonderen Anforderungen, z. B. in der chemischen Industrie, bei denen mit aggressiven Medien gearbeitet wird, sind auch Keramik-Spalttöpfe im Einsatz. Diese sind jedoch durch den üblichen Sinterherstellungsvorgang relativ dickwandig und vergrößern dadurch den Spalt zwischen Rotor und Stator, was eine Wirkungsgradverminderung des Elektromotors bedeutet.Furthermore, it is common practice to provide metal cans, which have the disadvantage, however, that the magnetic field in the air gap between a stator and a rotor of an electric motor is strongly influenced. Therefore, the way is often gone, the can made of a plastic such. B. a fiber composite material to produce. For very special requirements, e.g. In the chemical industry, for example, where aggressive media are used, ceramic containment cans are also used. However, these are relatively thick-walled due to the usual sintering production process and thus increase the gap between the rotor and stator, which means a reduction in the efficiency of the electric motor.

An diesem Punkt setzt die Erfindung an und hat sich zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren zum Herstellen eines dünnwandigen keramischen Bauteils anzugeben, welches insbesondere zur Herstellung von Spaltrohren oder Spalttöpfen Verwendung finden kann, um zu erreichen, dass ein einerseits keramisches Spaltrohr bzw. ein keramischer Spalttopf ausgebildet werden kann und andererseits um eine besonders dünnwandige Herstellung, zumindest jedenfalls wesentlich dünnwandiger als ein Sinterherstellungsvorgang dies erlauben würde, anzugeben.This is where the invention comes in and has set itself the task of specifying a method for producing a thin-walled ceramic component which can be used in particular for the production of cans or containment shells in order to achieve that a ceramic can or a ceramic containment shell on the one hand can be formed and on the other hand to indicate a particularly thin-walled production, at least at least significantly thinner than a sintering production process would allow this.

Es ist Aufgabe der Erfindung, präzise, sehr dünnwandige, wenigstens partiell keramische Bauteile, z. B. dünnwandige Spalttöpfe oder dünnwandige Spaltrohre, herzustellen. Im Falle von dünnwandigen Spalttöpfen als dünnwandige keramische Bauteile sollen zudem die dünnwandigen keramischen Töpfe einen stabilen Boden haben.It is an object of the invention to provide precise, very thin-walled, at least partially ceramic components, e.g. B. thin-walled containment shells or thin-walled cans to produce. In the case of thin-walled containment pots as thin-walled ceramic components, the thin-walled ceramic pots should also have a stable base.

Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein dünnwandiges keramisches Bauteil, welches insbesondere als Spaltrohr oder Spalttopf geeignet ist, anzugeben. Weiterhin soll ein Elektromotor angegeben werden, welcher einen verbesserten Wirkungsgrad hat und insbesondere als Nassläufermotor einsetzbar ist.Furthermore, it is the object of the invention to specify a thin-walled ceramic component which is particularly suitable as a can or can. Furthermore, an electric motor is to be specified which has improved efficiency and can be used in particular as a wet-running motor.

Außerdem soll eine Nassläuferpumpe angegeben werden, die einen optimierten Wirkungsgrad besitzt.In addition, a glandless pump is to be specified which has an optimized degree of efficiency.

Hinsichtlich des Verfahrens werden die Aufgaben mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.With regard to the method, the objects are achieved with a method having the features of claim 1. Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.

Hinsichtlich des dünnwandigen keramischen Bauteils, insbesondere des Spaltrohres oder des Spalttopfes, werden die entsprechenden Aufgaben mit einem dünnwandigen keramischen Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.With regard to the thin-walled ceramic component, in particular the can or the can, the corresponding tasks are solved with a thin-walled ceramic component having the features of claim 7 .

Hinsichtlich des Elektromotors werden die Aufgaben mit einem Elektromotor gemäß Anspruch 8 gelöst.With regard to the electric motor, the tasks are solved with an electric motor according to claim 8 .

Hinsichtlich der Nassläuferpumpe werden die entsprechend gestellten Aufgaben mit einer Nassläuferpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.With regard to the glandless pump, the corresponding tasks are solved with a glandless pump having the features of claim 9 .

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines dünnwandigen keramischen Bauteils weist folgende Schritte auf:

  1. a) Herstellen eines Bauteilrohlings aus Aluminium oder einer wenigstens Aluminium enthaltenden Legierung, welcher wenigstens einen dünnwandigen Wandabschitt aufweist,
  2. b) wenigstens teilbereichsweises Eloxieren des wenigstens einen dünnwandigen Wandabschnitts, wobei
  3. c) das Eloxieren derart durchgeführt wird, dass wenigstens ein Teilbereich des wenigstens eines dünnwandigen Wandabschnitts in einer Dickenrichtung des Wandabschnitts wenigstens überwiegend, insbesondere vollständig anodisch oxidiert und somit zu einem Aluminiumoxid-Keramikmaterial umgewandelt wird.
A method according to the invention for producing a thin-walled ceramic component has the following steps:
  1. a) Production of a component blank made of aluminum or an alloy containing at least aluminum, which has at least one thin-walled wall section,
  2. b) at least partially anodizing the at least one thin-walled wall section, wherein
  3. c) the anodizing is carried out in such a way that at least a partial area of the at least one thin-walled section is at least predominantly, in particular completely, anodically oxidized in a thickness direction of the wall section and is thus converted to an aluminum oxide ceramic material.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es von besonderem Vorteil, dass zunächst ein Bauteilrohling in einem bewährten Verfahren prozesssicher und zuverlässig wenigstens mit einem dünnwandigen Wandabschnitt erzeugt werden kann. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein ausreichend dünnwandiger Bauteilrohling aus einem Aluminiumwerkstoff oder einer wenigstens Aluminium enthaltenden Legierung bei Anwendung eines Eloxierverfahrens zumindest teilweise, insbesondere bevorzugt vollständig in Dickenrichtung in einen keramischen Werkstoff umgewandelt werden kann, der aus einem Aluminiumoxid-Keramikmaterial besteht.In the case of the method according to the invention, it is particularly advantageous that a component blank can first be produced in a proven method in a process-safe and reliable manner with at least one thin-walled wall section. According to the invention, it was recognized that a sufficiently thin-walled component blank made of an aluminum material or an alloy containing at least aluminum can be converted at least partially, particularly preferably completely, in the thickness direction into a ceramic material consisting of an aluminum oxide ceramic material when using an anodizing process.

Gegenüber dem Sintern von dünnwandigen Bauteilen, welches hinsichtlich dünner Wandstärken stark eingeschränkt ist, ist das erfindungsgemäße Verfahren in der Lage, dünnwandige vorgeformte Wandabschnitte teilweise oder vollständig aus keramischen Material herzustellen.Compared to the sintering of thin-walled components, which is severely restricted with regard to thin wall thicknesses, the method according to the invention is able to produce thin-walled, preformed wall sections partially or completely from ceramic material.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Bauteilrohling als Rohr oder als Topf ausgebildet.According to an advantageous embodiment, the component blank is designed as a tube or as a pot.

In einer vorteilhaften Ausführungsform kann somit im Falle eines Rohres oder Topfes in einfacher Art und Weise ein Spaltrohr oder ein Spalttopf aus keramischen Material mit wenigstens einer sehr dünnen zylindrischen Wandung hergestellt werden.In an advantageous embodiment, a can or a can made of ceramic material with at least one very thin cylindrical wall can be produced in a simple manner in the case of a tube or pot.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Bauteilrohling in einem Rückwärtskaltfließpressverfahren hergestellt.In a further preferred embodiment, the component blank is produced in a reverse cold extrusion process.

Als Herstellverfahren für einen dünnwandigen Bauteilrohling ist das Rückwärtskaltfließpressverfahren bewährt. Mit diesem Verfahren sind in einem zylindrischen Bereich Wandstärken von deutlich weniger als 0,3 mm einfach erreichbar. Derartige Wandstärken sind im Sinterverfahren nicht oder nur äußerst unwirtschaftlich herstellbar.The reverse cold extrusion process has proven itself as a manufacturing process for a thin-walled component blank. With this method, wall thicknesses of significantly less than 0.3 mm can easily be achieved in a cylindrical area. Such wall thicknesses cannot be produced in the sintering process, or can only be produced extremely uneconomically.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass der wenigstens eine dünnwandige Wandabschnitt derart bemessen wird, dass mittels eines Eloxierverfahrens der Wandabschnitt in Dickenrichtung wenigstens überwiegend, insbesondere vollständig in einen Aluminiumoxid-Keramikwerkstoff umwandelbar ist, wobei eine Wandstärke des Wandabschnittes des Bauteilrohlings insbesondere 0,05 mm bis 0,15 mm, bevorzugt 0,8 mm bis 0,12 mm beträgt.Furthermore, it can be advantageous that the at least one thin-walled wall section is dimensioned in such a way that the wall section in the thickness direction can be converted at least predominantly, in particular completely, into an aluminum oxide ceramic material by means of an anodizing process, with a wall thickness of the wall section of the component blank being in particular 0.05 mm to 0.15 mm, preferably 0.8 mm to 0.12 mm.

Für den Einsatz als Spaltrohr oder Spalttopf sind dünnwandige Bauteile mit einer Wanddicke im Bereich der dünnwandigen Wandabschnitte von 0,05 mm bis 0,15 mm bevorzugt. Derartige Wanddicken sind deswegen geeignet, weil sie mittels eines Eloxierverfahrens bei ausreichend langer und intensiver Anwendung in Dickenrichtung vollständig, wenigstens jedoch überwiegend, in Aluminiumoxid-Keramikwerkstoff umwandelbar sind und somit gegebenenfalls eine vollständig keramische Rohrwandung/Topfwandung für ein Spaltrohr oder einen Spalttopf herstellbar ist.Thin-walled components with a wall thickness in the area of the thin-walled wall sections of 0.05 mm to 0.15 mm are preferred for use as a can or containment shell. Wall thicknesses of this type are suitable because they can be completely, but at least predominantly, converted into aluminum oxide ceramic material by means of an anodizing process with sufficiently long and intensive use in the direction of thickness and thus, if necessary, a completely ceramic tube wall/pot wall for a can or a can can be produced.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass das Eloxieren in Form eines Harteloxierverfahrens durchgeführt wird oder in Form eines Eloxierverfahrens, welches unter dem Markennamen „CompCote®“ bekannt ist, durchgeführt wird. Ein derartiges CompCote®-Verfahren wird beispielsweise von der Firma „aalberts-surface-technologies“ angeboten.Furthermore, it can be advantageous for the anodizing to be carried out in the form of a hard anodizing process or in the form of an anodizing process known by the brand name “CompCote®”. Such a CompCote® method is offered, for example, by the company "aalberts-surface-technologies".

Das Eloxieren ist ein anodisches Oxidationsverfahren, welches eine poröse Keramikschicht bildet. Für den Einsatzfall eines Spaltrohres oder Spalttopfes in einem nasslaufenden Elektromotor ist es aber zwingend notwendig, dass das Spaltrohr bzw. der Spalttopf flüssigkeitsdicht ist. Ein poröses Material, wie es bei einem reinen Eloxierverfahren entsteht, ist hierfür ohne zusätzliche Abdichtungsmaßnahmen weniger geeignet.Anodizing is an anodic oxidation process that creates a porous ceramic layer. For the application of a can or can in a wet-running electric motor, however, it is imperative that the can or can be liquid-tight. A porous material, such as that produced in a pure anodizing process, is less suitable for this without additional sealing measures.

Es bietet sich daher an, das Eloxierverfahren nach Art des sogenannten CompCote®-Verfahrens durchzuführen, bei dem während des Eloxierens Kunststoffbestandteile, insbesondere Polymerbestandteile in das entstehende Keramikmaterial eingelagert werden und somit die einzelnen Keramikteilchen, die während des Eloxierverfahrens entstehen, untereinander feuchtigkeitsdicht verbinden.It is therefore advisable to carry out the anodizing process in the manner of the so-called CompCote® process, in which plastic components, in particular polymer components, are embedded in the resulting ceramic material during the anodizing process and thus connect the individual ceramic particles that are produced during the anodizing process with one another in a moisture-tight manner.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, mittels des Eloxierens ein Aluminium-Polymer-Komposit-Material zu erzeugen, wobei insbesondere Polymerbestandteile für eine fluiddichte Abdichtung von Poren einer Aluminiumoxid, insbesondere einer Al2O3-Schicht verwendet werden.Furthermore, it can be advantageous to produce an aluminum-polymer composite material by means of anodizing, polymer components in particular being used for a fluid-tight sealing of pores in an aluminum oxide layer, in particular an Al 2 O 3 layer.

Durch die Abdichtung von Poren einer Aluminiumoxid-Keramikschicht mittels Polymerbestandteilen werden hierdurch erzeugte Rohre oder Töpfe besonders vorteilhaft als Spaltrohre oder Spalttöpfe einsetzbar.By sealing the pores of an aluminum oxide ceramic layer by means of polymer components, tubes or pots produced in this way can be used particularly advantageously as cans or cans.

Hinsichtlich des dünnwandigen keramischen Bauteils wird die Aufgabe mittels eines dünnwandigen keramischen Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst, wobei das dünnwandige keramische Bauteil insbesondere als Spalttopf oder als Spaltrohr ausgebildet ist und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.With regard to the thin-walled ceramic component, the object is achieved by means of a thin-walled ceramic component with the features of claim 7, the thin-walled ceramic component being designed in particular as a containment shell or as a can and being produced using the method according to the invention.

Betreffend das dünnwandige keramische Bauteil gemäß der Erfindung gelten die oben erwähnten Vorteile, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbar sind entsprechend.The advantages mentioned above, which can be achieved with the method according to the invention, apply accordingly to the thin-walled ceramic component according to the invention.

Weiterhin wird die Erfindung hinsichtlich des Elektromotors dadurch gelöst, dass dieser ein dünnwandiges keramisches Bauteil gemäß der Erfindung aufweist, wobei das dünnwandige keramische Bauteil insbesondere als Spalttopf oder als Spaltrohr zwischen einem Rotor und einem Stator des Elektromotors angeordnet ist.Furthermore, the invention is achieved with regard to the electric motor in that it has a thin-walled ceramic component according to the invention, the thin-walled ceramic component being arranged in particular as a containment shell or as a can between a rotor and a stator of the electric motor.

Hinsichtlich eines erfindungsgemäßen Elektromotors kommt dieser in den Genuss der bereits oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen dünnwandigen keramischen Bauteil erwähnten Vorteilen. Zudem ist durch die Verwendung eines Spaltrohres oder eines Spalttopfes, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, ein besonders dünner Spalt zwischen einem Rotor und einem Stator des Elektromotors realisierbar, was den Wirkungsgrad des Motors erhöht.With regard to an electric motor according to the invention, this enjoys the advantages already mentioned above in connection with the method according to the invention and the thin-walled ceramic component according to the invention. In addition, a particularly thin gap between a rotor and a stator of the electric motor can be realized through the use of a can or a can made by the method according to the invention, which increases the efficiency of the motor.

Weiterhin löst die Erfindung die Aufgaben hinsichtlich der Nassläuferpumpe mit einer Nassläuferpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 9, wobei die Nassläuferpumpe insbesondere einen Elektromotor gemäß der Erfindung besitzt, der ein Spaltrohr oder einen Spalttopf gemäß der Erfindung aufweist.Furthermore, the invention solves the problems with regard to the glandless pump with a glandless pump with the features of claim 9, wherein the glandless pump has in particular an electric motor according to the invention, which has a can or a containment shell according to the invention.

Aus einem erfindungsgemäßen Elektromotor sind in besonders einfacher Art und Weise Nassläuferpumpen mit hohem Wirkungsgrad bildbar.From an electric motor according to the invention, glandless pumps with a high degree of efficiency can be formed in a particularly simple manner.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

  • 1a, 1b schematisch stark vereinfacht das Erzeugen eines Bauteilrohlings aus Aluminium mittels eines Rückwärtskaltfließpressvorganges;
  • 2 in einem Querschnitt einen Bauteilrohling, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist;
  • 3 in perspektivischer Ansicht ein dünnwandiges keramisches Bauteil gemäß der Erfindung, insbesondere in der Ausbildung als Spalttopf;
  • 4 eine teilgeschnittene perspektivische Ansicht auf eine Nassläuferpumpe gemäß der Erfindung, welche einen Elektromotor gemäß der Erfindung aufweist, der einen Spalttopf gemäß der Erfindung besitzt.
The invention is explained in more detail below by way of example with reference to the drawing. Show it:
  • 1a , 1b schematically greatly simplified the production of a component blank from aluminum by means of a reverse cold extrusion process;
  • 2 in a cross section, a component blank which is suitable for carrying out the method according to the invention;
  • 3 a perspective view of a thin-walled ceramic component according to the invention, in particular in the form of a containment shell;
  • 4 a partially sectioned perspective view of a glandless pump according to the invention, which has an electric motor according to the invention, which has a containment shell according to the invention.

1a und 1b zeigen schematisch stark vereinfacht das Erzeugen eines Bauteilrohlings 1 aus Aluminium oder aus einer Aluminium aufweisenden Legierung mittels eines Rückwärtskaltfließpressvorganges. 1a and 1b show a highly simplified schematic representation of the production of a component blank 1 made of aluminum or of an alloy containing aluminum by means of a reverse cold extrusion process.

Bei einem solchen Rückwärtskaltfließpressvorgang ist ein Butzen 2 aus Aluminium oder einer Aluminium enthaltenden Legierung in eine Ausnehmung 3 einer Formmatrize 4 eingesetzt. Ein Pressstempel 5 hat einen Durchmesser, der etwas kleiner ist als der Durchmesser der Ausnehmung 3. Der Pressstempel 5 wird entlang der Pfeilrichtung 6 in die Ausnehmung 3 gepresst. Der Pressstempel 5 sitzt auf dem Butzen 2 auf. Durch Weiterbewegung des Pressstempels 5 in Richtung der Pfeilrichtung 6 wird das Material des Butzens 2 (Aluminium oder Aluminium enthaltende Legierung) kalt verformt und entlang von Wandungen 7 der Formmatrize 4 entgegen der Pfeilrichtung 6 (siehe Pfeilrichtung 8) verdrängt. Das verdrängte Material des Butzens 2 steigt somit entlang eines Spaltes zwischen dem Pressstempel 5 und den Wandungen 7 der Ausnehmung 3 an einer Außenwandung des Pressstempels 5 entlang nach oben und bildet somit eine Becherform.In such a reverse cold extrusion process, a slug 2 made of aluminum or an alloy containing aluminum is inserted into a recess 3 of a forming die 4 . A ram 5 has a diameter that is slightly smaller than the diameter of the recess 3 . The ram 5 is pressed into the recess 3 in the direction of the arrow 6 . The ram 5 sits on the slug 2 . By moving the ram 5 further in the direction of the arrow 6, the material of the slug 2 (aluminum or alloy containing aluminum) is cold-formed and displaced along walls 7 of the forming matrix 4 in the opposite direction of the arrow 6 (see arrow direction 8). The displaced material of the slug 2 thus rises along a gap between the ram 5 and the walls 7 of the recess 3 along an outer wall of the ram 5 and thus forms a cup shape.

Der so entstehende Bauteilrohling 1 besitzt einen Bodenabschnitt 10 und einen dünnwandigen Wandabschnitt 11. Der Bodenabschnitt 10 ist dabei bevorzugt deutlich dicker, insbesondere um Faktor 5 bis 10 dicker ausgebildet als eine Wandstärke t des dünnwandigen Wandabschnittes 11. Die Wandstärke t beträgt insbesondere 0,05 mm bis 0,15 mm, bevorzugt 0,08 mm bis 0,12 mm. Es wird somit ein Bauteilrohling 1 in Topfform oder Becherform hergestellt, der einen Bodenabschnitt 10 hat, der deutlich dicker ist als der dünnwandige, beispielsweise zylindrische Wandabschnitt 11. Nach einem Zurückziehen des Pressstempels 5 entgegen der Pfeilrichtung 6 aus der Ausnehmung 3 kann der so rückwärtskaltfließgepresste Bauteilrohling 1 aus der Ausnehmung 3 der Formmatrize 4 entnommen werden. Am Ende dieses Prozesses liegt somit ein Becher- und/oder - falls der Bodenabschnitt 10 entfernt wird - ein rohrförmiger Bauteilrohling 1 aus Aluminium oder einer Aluminium enthaltenden Legierung vor.The resulting component blank 1 has a base section 10 and a thin-walled wall section 11. The base section 10 is preferably significantly thicker, in particular by a factor of 5 to 10 thicker than a wall thickness t of the thin-walled wall section 11. The wall thickness t is in particular 0.05 mm to 0.15 mm, preferably 0.08 mm to 0.12 mm. A component blank 1 is thus produced in the shape of a pot or cup, which has a base section 10 that is significantly thicker than the thin-walled, for example cylindrical, wall section 11. After the pressing punch 5 is withdrawn from the recess 3 in the opposite direction to the direction of the arrow 6, the component blank that has been cold-extruded in this way can be removed 1 can be removed from the recess 3 of the mold die 4. At the end of this process there is thus a cup and/or—if the bottom section 10 is removed—a tubular component blank 1 made of aluminum or an aluminum-containing alloy.

Dieser Bauteilrohling 1 wird in einem weiteren Schritt gemäß 2 einer anodischen Oxidationsreaktion unterworfen. Insbesondere ist eine solche anodische Oxidation unter dem Verfahrensnamen „Eloxieren“ bekannt. Durch das Eloxieren wird Aluminium an der Oberfläche in einen Aluminiumoxid-Keramikwerkstoff, insbesondere in Al2O3-Keramikwerkstoff umgewandelt. Ein solches Eloxieren erfolgt von der Oberfläche des Bauteilrohlings 1 sowohl nach außen auftragend wie auch nach innen in das Aluminium bzw. in die Aluminium enthaltende Legierung hinein. Ein Bauteilabschnitt, welcher einer Eloxierung unterworfen wird, nimmt somit in seiner Dicke zu, wobei das metallische Ausgangsmaterial (Aluminium oder Aluminium enthaltende Legierung) zur Bildung der anodischen Oxidationskeramikschicht aufgebraucht wird. Erfindungsgemäß wird dieses Eloxieren bei dünnwandigen Wandabschnitten 11 durchgeführt, die im Beispiel gemäß 2 derart ausgebildet sind, dass sie eine metallische Wandstärke t (Aluminium oder Aluminium aufweisende Legierung) von z. B. 0,1 mm haben. Nach dem Eloxieren liegt eine höhere Wandstärke t' vor, wobei die gesamte oder wenigstens der überwiegende Teil des Ausgangsmaterials in Dickenrichtung D in einen Aluminiumoxid-Keramikwerkstoff, z. B. Al2O3 umgewandelt worden ist. Die Wanddicke t' des Aluminiumoxid-Keramikwerkstoffs ist beispielsweise im Vergleich zur Ausgangswandstärke t doppelt so groß und beträgt im Ausführungsbeispiel gemäß 2 0,2 mm.This component blank 1 is in accordance with a further step 2 subjected to an anodic oxidation reaction. In particular, such an anodic oxidation is known under the process name “anodising”. The anodizing converts aluminum on the surface into an aluminum oxide ceramic material, in particular into Al 2 O 3 ceramic material. Such an anodizing takes place from the surface of the component blank 1 both outwardly and inwardly into the aluminum or into the aluminum-containing alloy. A component portion which is subjected to anodization thus increases in thickness, with the metallic starting material (aluminum or aluminum-containing alloy) being used up for the formation of the anodic oxidation ceramic layer. According to the invention, this anodizing is carried out on thin-walled wall sections 11 which, in accordance with the example 2 are designed such that they have a metallic wall thickness t (aluminum or aluminum alloy) of z. B. have 0.1 mm. After anodizing, the wall thickness t' is greater, with all or at least the majority of the starting material in the thickness direction D being converted into an aluminum oxide ceramic material, e.g. B. Al 2 O 3 has been converted. The wall thickness t' of the aluminum oxide ceramic material is, for example, twice as great as the initial wall thickness t and is in the exemplary embodiment according to FIG 2 0.2mm

Der Bodenabschnitt 10, der im Vergleich zum dünnwandigen Wandabschnitt 11 wesentlich dicker ausgebildet ist, erhält auch eine anodische Oxidationsschicht, z. B. aus einem Aluminiumoxid-Keramikwerkstoff bzw. einer Al2O3-Schicht. Da in dem dickeren Bodenabschnitt 10 mittels Eloxieren keine vollständige Umwandlung des metallischen Ausgangsstoffes des Bauteilrohling 1 stattfindet, verbleibt wenigstens teilbereichsweise ein metallischer Kern, der von einer Aluminiumoxid-Keramikschicht umgeben ist. Im Ergebnis entsteht somit ein Spalttopf 20, der einen Bodenabschnitt 10 besitzt, der einen metallischen Kern 21 aufweist, wobei der metallische Kern 21 von einer Aluminiumoxid-Keramikschicht 22 umgeben ist.The bottom portion 10, which is substantially thicker than the thin-walled wall portion 11, also receives an anodic oxidation layer, e.g. B. from an aluminum oxide ceramic material or an Al 2 O 3 layer. Since the metal starting material of the component blank 1 is not completely converted in the thicker bottom section 10 by means of anodizing, a metal core, which is surrounded by an aluminum oxide ceramic layer, remains at least in some areas. The result is a can 20 which has a base section 10 which has a metallic core 21 , the metallic core 21 being surrounded by an aluminum oxide ceramic layer 22 .

Ein derartiges Bauteil ist als Spalttopf 20 einsetzbar. Nach dem Entfernen des Bodenabschnitts 10 kann ein solches Bauteil auch als Spaltrohr (nicht gezeigt) eingesetzt werden, wenn beispielsweise lediglich der dünnwandige Wandabschnitt 11 des becherförmigen Bauteilrohlings 1 weiterverwendet wird.Such a component can be used as containment shell 20 . After the bottom section 10 has been removed, such a component can also be used as a can (not shown) if, for example, only the thin-walled wall section 11 of the cup-shaped component blank 1 is reused.

3 zeigt in vergrößerter perspektivischer Darstellung einen Spalttopf 20 gemäß der Erfindung, welcher im Bereich des dünnwandigen Wandabschnittes 11 wenigstens überwiegend, bevorzugt vollständig aus keramischem, insbesondere Aluminiumoxidkeramischen Material besteht und welcher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Ein solcher Spalttopf 20 kann an einer offenen Seite einen Kragen 23 besitzen. 3 shows an enlarged perspective representation of a containment shell 20 according to the invention, which in the area of the thin-walled section 11 consists at least predominantly, preferably completely, of ceramic, in particular aluminum oxide ceramic material and which is produced according to the method according to the invention. Such a can 20 can have a collar 23 on an open side.

Wie aus 4 ersichtlich, ist ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Spalttopf 20 zwischen einem Stator 100 und einem Rotor 101 eines Elektromotors 102 eingesetzt. Der Spalttopf 20 bzw. das Spaltrohr stützt sich mit seiner Außenfläche am Stator 100 ab. Der Elektromotor 102 ist beispielsweise als Nassläufermotor ausgebildet und bildet einen Antrieb einer Nassläuferfluidpumpe 104. Mittels des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Spalttopfes 20 gelingt es, einen besonders dünnen Spalt zwischen dem Rotor 101 und dem Stator 100 des Elektromotors 102 zu realisieren. Hierdurch sind magnetische Verluste minimiert und so wird der Wirkungsgrad des Elektromotors 102 und der Nassläuferfluidpumpe 104, in der der erfindungsgemäße Elektromotor 102 eingesetzt ist, erhöht.How out 4 As can be seen, a containment shell 20 produced using the method according to the invention is inserted between a stator 100 and a rotor 101 of an electric motor 102 . The can 20 or the can is supported with its outer surface on the stator 100 . The electric motor 102 is designed, for example, as a wet-running motor and forms a drive for a wet-running fluid pump 104. The can 20 produced using the method according to the invention makes it possible to realize a particularly thin gap between the rotor 101 and the stator 100 of the electric motor 102. As a result, magnetic losses are minimized and the efficiency of the electric motor 102 and the glandless fluid pump 104, in which the electric motor 102 according to the invention is used, is thus increased.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es, derzeit minimal mittels Sinterverfahren herstellbare Wandstärken, die im Bereich von ca. 1,5 mm liegen, zu umgehen und ein Verfahren anzugeben, mit dem sehr dünnwandige keramische Bauteile herstellbar sind. Insbesondere können beispielsweise Bauteile mit einer Wandstärke von 0,1 mm (Bauteilrohlingswanddicke) dargestellt werden, wobei eine Bodendicke von z. B. 1,5 mm im Falle der Herstellung eines Spalttopfes realisierbar ist. Erfindungsgemäß gelingt dies durch Umwandlung des Aluminiummaterials mittels anodischer Oxidation in Al2O3. Bei diesem Verfahren wird eine auftretende Volumenvergrößerung durch Gefügeänderung ausgenutzt. Die Al2O3-Schicht baut sich zum Teil auf dem Aluminiumbauteilrohling auf. Zum Teil wächst die Schicht in den Aluminiumbauteilrohling hinein. Der Schichtaufbau erfolgt auf beiden Seiten des Aluminiumbauteilrohlings. Bei einer vollständigen Umwandlung des 0,1 mm starken Aluminiumzylindermantels des Bauteilrohlings ergibt sich beispielsweise ein Al2O3-Zylinderring mit etwa 0,2 mm Wandstärke.With the method according to the invention, it is possible to avoid the minimum wall thicknesses that can currently be produced by means of sintering methods, which are in the range of approx. 1.5 mm, and to specify a method with which very thin-walled ceramic components can be produced. In particular, for example, components with a wall thickness of 0.1 mm (component blank wall thickness) can be represented, with a bottom thickness of z. B. 1.5 mm can be realized in the case of the production of a containment shell. According to the invention, this is achieved by converting the aluminum material into Al 2 O 3 by means of anodic oxidation. In this process, an increase in volume that occurs due to structural changes is exploited. The Al 2 O 3 layer partly builds up on the aluminum component blank. The layer partly grows into the aluminum component blank. The layers are built up on both sides of the aluminum component blank. With a complete conversion of the 0.1 mm thick aluminum cylinder jacket of the component blank, for example an Al 2 O 3 cylinder ring with a wall thickness of about 0.2 mm.

Das Al2O3-Gefüge, welches nach klassischer Hartanodisierung eher porös ist und somit zu eher höherer Bruchanfälligkeit neigt, kann in besonders bevorzugter Ausführungsform die erfindungsgemäße Gefügeumwandlung nach dem sogenannten CompCote®-Verfahren hergestellt werden.The Al 2 O 3 structure, which is rather porous after classic hard anodizing and thus tends to be more susceptible to fracture, can be produced in a particularly preferred embodiment, the structure transformation according to the invention by the so-called CompCote® method.

Durch einen hierbei entstehenden molekularen Verbund mit einem eingesetzten Polymer lassen sich bessere mechanische Eigenschaften und eine vollständige Fluiddichtheit des Al2O3-Gefüges erzielen. Weiterhin ist eine glatte Oberfläche zur Verminderung der viskosen Reibung im Luftspalt in besonderem Maße vorteilhaft herstellbar.Better mechanical properties and complete fluid-tightness of the Al 2 O 3 structure can be achieved through a molecular bond that is created in this way with a polymer used. Furthermore, a smooth surface can be produced in a particularly advantageous manner in order to reduce the viscous friction in the air gap.

Insgesamt gelingt es mit der Erfindung, einen präzisen, fluiddichten Spalttopf oder ein entsprechendes Spaltrohr mit geringer, insbesondere mit 0,2 mm, Wandstärke im zylindrischen Bereich herzustellen. Derartige Spalttöpfe/Spaltrohre sind gut zur Applikation in einen Luftspalt eines vorhandenen Trockenläufermotors geeignet, ohne dass wesentliche Designänderungen des Trockenläufermotors vorgenommen werden müssen. Der bei einem Trockenläufermotor vorhandene geringe Luftspalt kann mit dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Spalttopf keramisch gefüllt werden und somit kann der Trockenläufermotor ohne wesentliche Umkonstruktion des Motors in einen Nassläufermotor umgewandelt werden.Overall, the invention makes it possible to produce a precise, fluid-tight containment shell or a corresponding can with a small wall thickness, in particular 0.2 mm, in the cylindrical area. Such cans/cans are well suited for application in an air gap of an existing dry-running motor without having to make significant design changes to the dry-running motor. The small air gap present in a dry-running motor can be filled with ceramic using the containment shell produced by the method according to the invention, and the dry-running motor can thus be converted into a wet-running motor without any major redesign of the motor.

Die Vorteile eines kleinen Luftspaltes, wie sie bei Trockenläufermotoren realisiert werden können bleiben somit auch für einen Nassläufermotor bestehen.The advantages of a small air gap, as can be realized with dry-running motors, also remain for a wet-running motor.

Ein weiterer großer Vorteil eines Spaltrohres/Spalttopfes, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, ist dessen/deren hohe Verschleißfestigkeit der fluidbenetzten Innenwandung in Folge großer Härte und geringer Rauheit (hoher Glätte) der Oberfläche.Another major advantage of a can/containment shell manufactured by the method according to the invention is its high wear resistance of the fluid-wetted inner wall as a result of the great hardness and low roughness (high smoothness) of the surface.

Bezugszeichenlistereference list

11
Bauteilrohlingcomponent blank
22
Butzenhickeys
33
Ausnehmungrecess
44
Formmatrizeforming die
55
Pressstempelpress stamp
66
Pfeilrichtungarrow direction
77
Wandungenwalls
88th
Pfeilrichtungarrow direction
1010
Bodenabschnittbottom section
1111
Dünnwandiger WandabschnittThin Wall Section
2020
Spalttopfcontainment shell
2121
Kerncore
2222
Aluminiumoxid-KeramikschichtAlumina ceramic layer
2323
Kragencollar
100100
Statorstator
101101
Rotorrotor
102102
Elektromotorelectric motor
104104
Nassläuferfluidpumpe glandless fluid pump
DD
Dickenrichtungthickness direction
tt
WandstärkeWall thickness
t't'
WandstärkeWall thickness

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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  • WO 2014/063894 A2 [0005]WO 2014/063894 A2 [0005]
  • EP 1768233 A1 [0006]EP 1768233 A1 [0006]
  • EP 0658967 A2 [0007]EP 0658967 A2 [0007]

Claims (9)

Verfahren zum Herstellen eines dünnwandigen keramischen Bauteils mit den Schritten: a) Herstellen eines Bauteilrohlings (1) aus Aluminium oder einer wenigstens Aluminium enthaltenden Legierung, welcher wenigstens einen dünnwandigen Wandabschnitt (11) aufweist, b) wenigstens tcilbcrcichsweises Eloxieren des wenigstens einen dünnwandigen Wandabschnitts (11), wobei c) das Eloxieren derart durchgeführt wird, dass wenigstens ein Teilbereich des wenigstens einen dünnwandigen Wandabschnitts (11) in einer Dickenrichtung (D) des Wandabschnitts (11) wenigstens überwiegend, insbesondere vollständig anodisch oxidiert wird und somit zu einen Aluminiumoxidkeramikmaterial umgewandelt wird.Method for producing a thin-walled ceramic component with the steps: a) Production of a component blank (1) made of aluminum or an alloy containing at least aluminum, which has at least one thin-walled wall section (11), b) at least partially anodizing the at least one thin-walled wall section (11), wherein c) the anodizing is carried out in such a way that at least a partial area of the at least one thin-walled wall section (11) is at least predominantly, in particular completely, anodically oxidized in a thickness direction (D) of the wall section (11) and is thus converted into an aluminum oxide ceramic material. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilrohling (1) als Rohr oder als Topf ausgebildet wird.procedure after claim 1 , characterized in that the component blank (1) is designed as a tube or as a pot. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilrohling (1) im Rückwärtskaltfließpressverfahren hergestellt wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the component blank (1) is produced in the reverse cold extrusion process. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine dünnwandige Wandabschnitt (11) hinsichtlich seiner Dicke derart bemessen wird, dass mittels eines Eloxierverfahrens der Wandabschnitt (11) in Dickenrichtung (D) wenigstens überwiegend, insbesondere vollständig in einen Aluminiumoxidkeramikwerkstoff umwandelbar ist, wobei eine Wandstärke (t) des Wandabschnittes (11) insbesondere 0,05 mm bis 0,15 mm, bevorzugt 0,08 mm bis 0,12 mm beträgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the at least one thin-walled section (11) is dimensioned in such a way that the wall section (11) can be converted at least predominantly, in particular completely, into an aluminum oxide ceramic material in the direction of thickness (D) by means of an anodizing process , wherein a wall thickness (t) of the wall section (11) is in particular 0.05 mm to 0.15 mm, preferably 0.08 mm to 0.12 mm. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eloxieren in Form eines Harteloxierverfahrens oder in Form eines CompCote®-Verfahrens der Firma aalberts-surface-technologies erfolgt.Process according to one of the preceding claims, characterized in that the anodizing takes place in the form of a hard anodizing process or in the form of a CompCote® process from aalberts-surface-technologies. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Eloxierens ein Aluminium-Polymer-Komposit-Material erzeugt wird, wobei insbesondere beim Eloxierprozess ein Polymermaterial zugegeben wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an aluminum polymer composite material is produced by means of the anodizing, a polymer material being added in particular during the anodizing process. Dünnwandiges keramisches Bauteil, insbesondere Spalttopf (20) oder Spaltrohr () zum Einsatz in einem Luftspalt eines Elektromotors (102), hergestellt mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6.Thin-walled ceramic component, in particular can (20) or can () for use in an air gap of an electric motor (102), produced with the method according to one of Claims 1 until 6 . Elektromotor aufweisend ein dünnwandiges keramisches Bauteil nach Anspruch 7.Electric motor having a thin-walled ceramic component claim 7 . Nassläuferpumpe aufweisend einen Elektromotor (102) nach Anspruch 8 oder ein dünnwandiges keramisches Bauteil (11) nach Anspruch 7.Wet rotor pump having an electric motor (102). claim 8 or a thin-walled ceramic component (11). claim 7 .
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