DE69713562T2

DE69713562T2 - Verfahren zum Formen von Gegenständen mit hoher Oberflächengüte und Massgenauigkeit aus Keramik

Info

Publication number: DE69713562T2
Application number: DE69713562T
Authority: DE
Inventors: Edward P. Furlani; Syamal Kumar Ghosh; William J. Grande
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1996-11-15
Filing date: 1997-11-05
Publication date: 2003-01-09
Anticipated expiration: 2017-11-06
Also published as: US5735985A; EP0842748A1; JPH10180733A; DE69713562D1; EP0842748B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Verfahren zum Formen von Strukturen oder Elementen und insbesondere ein Verfahren zum Mikroformen von Keramikstrukturen oder Elementen mit wiederholten Mikromerkmalen hoher Auflösung.
Nach dem Stand der Technik sind verschiedene konventionelle Formtechniken zum Formen verschiedener Materialien bekannt. Derartige Formtechniken umfassen beispielsweise das Spritzgießen von Metallen, Kunststoffen oder Keramiken durch Einspritzen einer bemessenen Menge geschmolzenen Materials in eine Form oder ein Gesenk, sowie das Formpressen von Kunststoffen, wobei das Kunststoffmaterial durch Wärme und Druck geformt wird. Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Pressverfahren zum Formen von Keramiken bekannt. Diese Pressverfahren umfassen das Trockenpressen, das isostatische Kaltpressen und das Warmpressen. Warmpressen erfolgt typischerweise durch gleichzeitiges Pressen und Sintern. Bei Durchführung dieser Pressverfahren wird Keramikpulver mit einem Bindemittel kombiniert und gepresst. Die Menge des verwendeten Bindemittels beträgt typischerweise weniger als fünf (5) Gewichtsprozent. Bekanntermaßen lassen sich Keramikteile auch durch andere Formtechniken formen, u. a. durch Strangpressen, Spritzgießen, Gelgießen und Bandgießen. Diese konventionellen Formtechniken lassen sich verfahrensbedingt nicht auf die Anfertigung von Mikroelementen (5 mm³ oder kleiner) oder auf Strukturen aus Keramiken mit der geforderten Auflösung der gewünschten physischen Merkmale anwenden. Zudem ermöglichen diese konventionellen Formtechniken nicht das Zusammenführen einzeln geformter Mikrokeramikelemente in eine integrale Struktur. Ein Verfahren zur Herstellung einer Form zur Fertigung eines Präzisionsprodukts wird in der japanischen Patentzusammenfassung, Band 017, Nr. 268, JP 05 004232A, gezeigt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Mikroformen von Keramiken bereitzustellen.
Der vorliegenden Erfindung liegt zudem die Aufgabe zugrunde, ein Mikroformverfahren bereitzustellen, das Mikromerkmale mit hoher Auflösung repliziert.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Mikroformen von Keramiken, die für die automatisierte Massenfertigung geformter Keramikstrukturen und -elemente verwendbar sind.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Mikroformen einzelner Keramikelemente, die miteinander zur Ausbildung einer integralen Keramikstruktur integrierbar sind.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Formen von Keramikstrukturen und -elementen reduzierter Größe im Bereich von weniger als fünf (5) mm³.
Die zuvor genannten und zahlreiche andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei Lesen und Betrachten der vorliegenden detaillierten Beschreibung, der Ansprüche und der Zeichnungen deutlich. Diese Merkmale, Aufgaben und Vorteile lassen sich erzielen, indem man zunächst eine Master-Formvorrichtung mithilfe einer Siliciumscheibe und unter Verwendung von Trockenätztechnik herstellt. Räumliche Merkmale mit einer kleinsten Seitengröße von 0,1 um und einer Tiefe im Bereich von 0,1 um bis zur Dicke der Siliciumscheibe lassen sich auf Siliciumscheiben ätzen und sind durch Siliconkautschuk replizierbar. Dann wird eine Master-Negativform angefertigt, indem man die Silicium-Master-Formvorrichtung in eine umgebende Gießform platziert und die umgebende Gießform mit einem Silicon oder Siliconkautschuk auffüllt, vorzugsweise einem RTVTM (eine bei Raumtemperatur vulkanisierbare Siliconkautschukverbindung). Ein derartiges Material repliziert jedes der Mikromerkmale der Master-Formvorrichtung mit großer Detailtreue in einer Auflösung von 0,1 um. Die Master-Negativform wird dann in einem Gesenk benutzt, um die gewünschten einzelnen Elemente oder Strukturen aus einem Keramikpulver zu formen, das in der Lage ist, jedes Mikromerkmal der Master-Negativform mit der gewünschten Auflösung zu replizieren. Je nach erforderlicher Auflösung in einem bestimmten, mikrogeformten Element kann es notwendig sein, in dem Mikroformprozess keramische Nano-Partikel zu verwenden. Zur Auflösung von räumlichen Merkmalen mit Abmessungen von 0,1 um und einer Tiefe von 2,0 um sind zum Mikroformen dieser Merkmale keramische Nano-Partikel der Größenordnung von 0,01 um bis 0,10 um verwendbar. Titanoxid (TiO&sub2;) und Calciumtitanat (CaTiO&sub3;) sind Beispiele kommerziell verfügbarer keramischer Nano-Partikel, die zum Mikroformen räumlicher Merkmale mit einer Tiefe im Bereich von 2,0 um verwendbar sind. Die Master-Formvorrichtung dupliziert die gewünschte Struktur für das zu formende Element oder die Struktur. Die resultierenden, mikrogeformten Keramikelemente werden dann gesintert. Wenn aus mehreren mikrogeformten Keramikelementen eine integrale Struktur erzeugt werden soll, werden die Elemente vor dem Sintern zunächst zusammengesetzt. Das Sintern bewirkt eine Integration der zusammengebauten Elemente zur Ausbildung einer zusammenhängenden, integralen Struktur. Es lassen sich zudem verschiedene Elemente durch verschiedene Formprozesse erzeugen und durch Sintern zu einer einzelnen Struktur integrieren. Somit können verschiedene Elemente, die durch Trockenpressen, isostatisches Kaltpressen, Bandgießen, Gelgießen, Spritzgießen und/oder Strangpressen geformt oder mikrogeformt sind, durch Sintern zu einer einzelnen, integralen Struktur integrieren. Ein einzelnes Element oder, alternativ hierzu, mehrere Elemente lassen sich gleichzeitig aus derselben Form vorzugsweise mithilfe eines Trockenpressverfahrens oder, alternativ hierzu, eines isostatischen Kaltpressverfahrens formen. Um gleichzeitig mehrere Elemente zu formen, ist es notwendig, eine integrale Master-Formvorrichtung zu erstellen, die darauf ausgelegt ist, ein negatives Master zu bilden, das einen Bogen integral geformter Elemente erzeugt. Der Bogen aus integral geformten Elementen kann dann in einzelne Elemente geschnitten werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen, mikrogeformten, integrierten Keramiklichtreflektors;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Teils des mikrogeformten, integrierten Keramiklichtreflektors aus Fig. 1 zur schematischen Darstellung mit einer Bildprojektionsoptik und einer Lichtquelle, wobei sich der Balken in einer ungebeugten Stellung befindet;
Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Teils des mikrogeformten, integrierten Keramiklichtreflektors aus Fig. 1 zur schematischen Darstellung mit einer Bildprojektionsoptik und einer Lichtquelle, wobei sich der Balken in einer gebeugten Position befindet;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines mikrogeformten Keramiklichtreflektor- Grundelements;
Fig. 5 eine Schnittansicht des mikrogeformten Keramiklichtreflektor-Grundelements entlang Linie 5-5 aus Fig. 4;
Fig. 6 eine Schnittansicht einer Formvorrichtung zum Erzeugen einer Master-Negativform.
Fig. 7 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zum Erzeugen eines mikrogeformten Keramiklichtreflektor-Grundelements zur Verwendung in der Master-Negativform;
Fig. 8 eine Schnittansicht eines für das Sintern vorbereiteten, ungesinterten Grundelements und eines ungesinterten Trägers;
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen, mikrogeformten, gesinterten Reflektorgehäuses;
Der erfindungsgemäße Mikroformprozess kann zur Produktion verschiedener Elemente oder Strukturen eingesetzt werden. Zudem ermöglicht das Mikroformen die Massenherstellung derartiger Elemente und Strukturen. Beispielsweise ist der erfindungsgemäße Mikroformprozess verwendbar, um elektromechanische Mikrovorrichtungen effizient zu erzeugen, etwa Lichtreflektoren für Bildprojektionssysteme, Mikromagneten, Motoren, Lichtmodulatoren, Wandler, Stellglieder und Sensoren. Der Mikroformprozess ist zudem verwendbar, um mikromechanische Komponenten zu erzeugen, wie Räder, Schrauben, Bolzen, Muttern, Federn, Strukturelemente usw.
Die zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehene Keramik muss mit sehr feinen Partikeln hergestellt werden, so dass während des Mikroformprozesses alle inhärenten "Mikromerkmale" des jeweiligen zu formenden Elements oder der jeweiligen Struktur mit großer Genauigkeit replizierbar sind. Der Begriff "Mikromerkmal" bezeichnet im vorliegenden Zusammenhang derartige Raummerkmale eines Elements oder einer Struktur, die mindestens ein Maß im Bereich von 0,1 um bis 1000 um aufweisen. Der Begriff "Mikroformen" und Abwandlungen davon bezeichnet im vorliegenden Zusammenhang derartige Formelemente oder Strukturen, die Raummerkmale umfassen, die mindestens ein Maß im Bereich von 0,1 um bis 1000 um aufweisen. Die mittlere Partikelgröße für das Keramikpulver sollte im Allgemeinen im Bereich von 0,1 um bis 0,3 um liegen. Je kleiner das Mikromerkmal des jeweiligen mikrogeformten Elements oder der Struktur, um so kleiner sollte die Partikelgröße des Keramikpulvers sein. Im Allgemeinen sollte die Partikelgröße zehn Prozent (10%) des kleinsten Maßes des zu formenden Merkmals sein. Wenn das zu formende Element inhärente Merkmale umfasst, die im Größenbereich von 0,1 um mal 0,1 um mal 2 um liegen, dann sollten keramische Nanopartikel der Größe von 0,01 um bis 0,02 um verwendet werden. Das zum Mikroformen eines bestimmten Elements oder einer Struktur zu verwendende Keramikpulver kann auch von der Endverwendung des jeweiligen Elements oder der Struktur abhängen. Beispielsweise könnte das Element oder die Struktur ein elektrischer Isolator sein, oder es könnte elektrisch leitend sein, oder es müsste Licht im sichtbaren Spektrum reflektieren können usw. Das ausgewählte Keramikpulver muss in der Lage sein, die gewünschten Eigenschaften für dieses bestimmte Element oder diese Struktur zu liefern.
Um das erfindungsgemäße Verfahren in angemessener Detailtreue vollständig zu beschreiben, ist es erforderlich, das Verfahren anhand eines zu formenden Beispielelements zu erläutern. Das Keramik-Mikroformverfahren wird daher nachfolgend mit Bezug auf das Mikroformen eines bestimmten, jedoch rein beispielhaften Lichtreflektors erläutert. Fig. 1 zeigt eine teilweise auseinandergezogene, perspektivische Ansicht eines beispielhaften, mikrogeformten, integrierten Keramiklichtreflektors 10. Der Lichtreflektor 10 ist zur Verwendung in einem Bildprojektionssystem vorgesehen. Der mikrogeformte, integrierte Keramiklichtreflektor 10 umfasst ein Keramikgrundelement 12 mit einer oberen Fläche 14 mit einem darin ausgebildeten Hohlraum 16. Von einem Ende des Hohlraums 16 erstreckt sich mindestens ein Balken 18 (Fig. 1 zeigt zwei Balken 18). Jeder Balken hängt in Form eines Auslegers über dem Hohlraum 16.
Fig. 2 zeigt den Lichtreflektor 10 im Schnitt. Der über dem Hohlraum 16 hängende Balken 18 ist mit einer elektrisch leitfähigen Keramikschicht oder einem Band 20 laminiert, das gleichzeitig als guter Reflektor im sichtbaren Strahlungsspektrum dient. Auf dem Boden des Hohlraums 16 befindet sich ein Laminatleiter 22, der ebenfalls ein Keramikelement ist. Das Band 20 ist vorzugsweise durch Bandgießen geformtes Titannitrid (TiN). Titannitrid ist elektrisch leitend und optisch reflektierend. Zur Herstellung des Bands 20 sind weitere elektrisch leitende Keramiken verwendbar, u. a. Titancarbid (TiC), Titanborid (TiB&sub2;) und Boroncarbid (B&sub4;C). Derartige Keramiken sind jedoch keine guten Reflektoren für Licht im sichtbaren Spektrum. Wenn für das Band 20 andere Keramiken verwendet werden, ist es daher notwendig, das Band 20 mit einer optisch reflektierenden Schicht zu belegen, wie Gold, Silber oder Aluminium.
Der Laminatleiter 22 ist vorzugsweise in einem Bandgießverfahren aus elektrisch leitendem Keramikmaterial hergestellt. Weil der Laminatleiter 22 kein Licht im sichtbaren Spektrum reflektieren muss, sind Titancarbid (TiC), Titanborid (TiB&sub2;), Boroncarbid (B&sub4;C) oder andere bekannte, elektrisch leitende Keramiken verwendbar. Das Keramikband 20 und der Laminatleiter 22 sind beide an ihren jeweiligen Orten im Reflektor 10 vor Ort gesintert, wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird.
Fig. 3 zeigt den Lichtreflektor 10 aus Fig. 2 in Beziehung zu einer Lichtblende 24, einer Linse 26 und einem Anzeigeschirm 28 in schematischer Form. Das auf das Keramikband 20 aus der Lichtquelle 30 einfallende Licht ist rechtwinklig zur Oberfläche des Balkens 18 angeordnet und somit auch zum Keramikband 20, wenn sich der Balken 18 in einer ungebeugten Stellung befindet. Wenn sich der Balken 18 in dieser ungebeugten Stellung befindet, tritt kein reflektiertes Licht durch die Lichtblende 24 und durch die Linse 26 auf den Anzeigeschirm 28. Wenn ein Potenzial an das Band 20 angelegt wird, das als Aktivierungselektrode dient, erfährt das Band 20 eine elektrostatische Anziehungskraft zum Laminatleiter 22 am Boden des Hohlraums 16, der als geerdete Elektrode dient. Diese elektrostatische Anziehungskraft bewirkt, dass sich der Balken 18 nach unten in den Hohlraum 16 biegt, wie in Fig. 3 gezeigt. Wenn sich der Balken 18 in der ungebeugten Stellung befindet, wird Licht von der Lichtquelle 30, das auf das reflektierende Keramikband 20 auf der Oberfläche des Balkens 18 fällt, in einem derartigen Winkel reflektiert, dass das reflektierte Licht durch die Lichtblende 24 und durch die Linse 26 und auf den Anzeigeschirm 28 tritt. Wenn man den erfindungsgemäßen, mikrogeformten Lichtreflektor 10 einem Bildelement gleichsetzt, ist der erfindungsgemäße Lichtreflektor 10 verwendbar, um die Lichtausgabe auf eine gegebene Oberfläche für ein einzelnes Bildelement zu steuern. Auf diese Weise lässt sich der Lichtreflektor 10 leicht zur Verwendung mit digitalen Anzeige- und Druckanwendungen anpassen.
Ein Treiber- und Steuerelektronikpaket 32 (siehe Fig. 1) ist an der Oberfläche 14 des Grundelements 12 befestigt. Die sich aus dem Treiber- und Steuerelektronikpaket 32 erstreckenden Kontakte 33 sind mit zwei Leiterbahnen 34 auf der Oberfläche des Rahmens 12 verlötet. Die beiden Leiterbahnen 34 verbinden das Treiber- und Steuerelektronikpaket 32 mit den Bändern 20 auf dem Balken 18. Auf der Oberfläche des Grundelements 12 befinden sich die Leiter 36, 38 und die Stromeingangskontakte 38. Die Leiter 36, 38 sind mit den Steuereingangskontakten 37 bzw. den Stromeingangskontakten 38 verlötet, die aus dem Treiber- und Steuerelektronikpaket 32 vorstehen.
Fachleute werden erkennen, dass sich das reflektierende und elektrisch leitende Band 20 mit dem Auslegerbalken 18 beugt. Wenn das Band 20 nur an der Oberfläche des Balkens 18 befestigt wäre, würde die häufige Beugung des Balkens 18 und des Bandes 20 eine Spannung auf das Band 20 ausüben, die zu einer Fehlfunktion des Bandes 20 oder zu einer Ablösung des Bandes 20 von der Oberfläche des Balkens 18 führen könnte. Diese Fehlerursache wird ausgeschlossen, indem das Band 20 vor Ort auf der Oberfläche des Balkens 18 gesintert wird, wodurch das Band 20 eine integrale Verbindung mit dem Balken 18 eingeht.
Um einen Keramiklichtreflektor 10 durch Mikroformen herzustellen, muss zunächst eine Master-Formvorrichtung 40 (siehe Fig. 4 und 5) mithilfe einer Siliciumscheibe und durch Trockenätztechnik hergestellt werden. Siliciumscheibe und Trockenätztechnik ermöglichen die Anfertigung der Master-Formvorrichtung 40 mit der gewünschten Auflösung der strukturellen Merkmale (bis auf 0,1 um mal 0,1 um · 2,0 um) für das Grundelement 12. Die Master-Formvorrichtung 40 umfasst einen Hohlraum 42 (ca. 1 mm · 1 mm · 0,1 mm Tiefe) in der oberen Oberfläche und einer kleineren Aussparung 44, die zum Hohlraum 42 benachbart angeordnet ist. Eine Master-Negativform 46 (Fig. 6) wird dann erzeugt, indem die Master-Formvorrichtung 40 in der umgebenden Form 48 angeordnet wird. Ein Silicon oder ein Siliconkautschuk, beispielsweise Dimethylsiloxan oder ein RTVTM (bei Raumtemperatur vulkanisierende Siliconkautschukverbindung) wird als Material für die Herstellung der Master-Negativform 46 verwendet. Derartige Materialien replizieren die Mikromerkmale der Master-Formvorrichtung 40 in größerem Detail (bis auf 0,1 um · 0,1 um · 2 um). Die Master-Negativform 46 wird dann in einem Metallgesenk 49 (Fig. 7) montiert, die zur Herstellung des Grundelements 12 des erfindungsgemäßen Lichtreflektors 10 dient. Die feinen Partikel des gewählten Keramikpulvers werden dann mit einem organischen Bindemittel in einem Zerstäubungstrockner gemischt und in das Gesenk 49 gefüllt, das die aus beispielsweise RTVTM gefertigte Master-Negativform 46 enthält. Die Mischung des Keramikpulvers und organischen Bindemittels wird dann uniaxial bei einem Druck von vorzugsweise 689 Bar und höchstens 1033 Bar mithilfe von Druckplatten 52 gepresst, die an Stangenelementen 54 befestigt sind, um ein ungesintertes Grundelement 50 zu erzeugen. Ein einzelnes Grundelement 12 oder, alternativ hierzu, mehrere Grundelemente 12 lassen sich gleichzeitig aus derselben Form vorzugsweise mithilfe eines Trockenpressverfahrens oder, alternativ hierzu, eines isostatischen Kaltpressverfahrens formen. Um gleichzeitig mehrere Grundelemente 12 zu formen, ist es notwendig, eine integrale Master-Formvorrichtung zu erstellen, die darauf ausgelegt ist, ein negatives Master zu bilden, das einen Bogen integral geformter Grundelemente 12 erzeugt. Der Bogen aus integral geformten Grundelementen 12 kann dann in einzelne Grundelemente 12 geschnitten werden.
Die zum Mikroformen des Lichtreflektors 10 gewählte Keramik muss mithilfe sehr feiner Partikel hergestellt werden, damit während des Mikroformprozesses alle inhärenten Merkmale des Lichtreflektors 10 mit großer Genauigkeit replizierbar sind. Das in dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Formen eines Grundelements 12 des Lichtreflektors 10 verwendete Pulver umfasst in seiner Form vor dem Verdichten und Sintern vorzugsweise Zirconiumoxid, das mit einem oder mehreren sekundären Oxidpulvern legiert ist, die aus der Gruppe auswählbar sind, die aus Yttriumoxid, Zerdioxid, Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid besteht. Das Pulver sollte bestimmte Eigenschaften aufweisen, um eine erfindungsgemäße Keramik zu erzeugen, die im Wesentlichen aus einer Kristallgitterstruktur mit tetragonaler Phase und ohne kubische und monokline Phase besteht. Die Größe und Verteilung des Pulvers sollte gleichmäßig sein, wobei die Agglomeratgröße im Bereich von 30 um bis 60 um bei einem Mittelwert von 50 um liegen sollte. "Agglomerat" lasst sich als eine Anhäufung einzelner Partikel des Keramikpulvers definieren, wobei jeder Partikel mehrere Körner umfassen kann. "Korn" ist als ein einzelnes Kristall definiert, das sich in einem Partikel befinden kann und dessen räumliche Ausrichtung sich von der der benachbarten Körner unterscheidet. Die Korngröße sollte zwischen 0,1 um und 6 um betragen, vorzugsweise 0,3 um. Der Begriff "nettoförmig" bezeichnet im vorliegenden Zusammenhang und beispielsweise in Bezug auf eine nettoförmige Keramik oder auf ein nettoförmiges Bauteil die Tatsache, dass die Keramik nach dem Sintern maßhaltig ist und daher vor ihrer Verwendung in dem vorgesehenen Arbeitsumfeld keiner weiteren Bearbeitung bedarf. Die Maße des ungesinterten Bauteils und der Keramik sind also insofern vorherbestimmbar, als dass das Schrumpfen des ungesinterten Bauteils während des Sinterns vorherbestimmbar ist, wodurch ein Keramikbauteil entsteht, das vorbestimmten Formen und Maßen entspricht. Das Schrumpfmaß entlang jeder Achse des verdichteten Pulvers im Vergleicht zu der nettoförmigen Keramik sollte kleiner als 0,001 Prozent sein, um enge, vorherbestimmbare Maßtoleranzen zu erhalten und die erfindungsgemäße, nettoförmige Keramik zu erzeugen. Ein derartiges Bauteil kann dann seiner vorgesehenen Verwendung zugeführt werden, ohne einen Bearbeitungsvorgang durchführen zu müssen. Die Reinheit des Materials sollte ebenfalls im Bereich von 99,9 Gewichtsprozent bis 99,99 Gewichtsprozent kontrolliert sein, d. h. der Anteil der Unreinheiten sollte 0,1 bis 0,01 Gewichtsprozent nicht überschreiten.
Der Feuchtigkeitsgehalt des Pulvers sollte zwischen 0,2 und 1 Volumenprozent des unverdichteten Pulvers liegen. Ein zu trockenes Pulver kann eine zu hohe Porosität der Keramik bewirken, ein zu hoher Feuchtigkeitsgehalt kann das einwandfreie Trennen der ungesinterten Teile aus der Form beeinträchtigen. Der bevorzugte Feuchtigkeitsgehalt beträgt 0,5 Prozent.
Das Pulver wird mithilfe einer Gesenkpresse oder ähnlichem zu einem ungesinterten Teil geformt. Der Begriff "ungesinteres Teil" bezieht sich im vorliegenden Zusammenhang auf das Pulver in seinem unverdichteten Zustand vor dem Sintern. Das Pulver sollte durch gleichmäßige Beaufschlagung mit Verdichtungskräften verdichtet werden, um ein ungesintertes Teil mit gleichmäßiger Dichte zu erhalten. Eine bevorzugte Verdichtungsvorrichtung, die gleichmäßige Verdichtungskräfte erzeugt, ist eine Gesenkpresse mit beweglicher Form. Das ungesinterte Teil sollte eine von dem Benutzer gewählte, vorbestimmte Dichte aufweisen, um nach dem Sintern einen nettoförmigen Keramikgegenstand zu erzeugen. Für bestimmte, hier beschriebene Pulverzusammensetzungen (Zirconiumdioxid, legiert mit Yttriumoxid, Zerdioxid, Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid) liegt eine bevorzugte Dichte des ungesinterten Teils im Bereich von 3,0 g/cm² bis 3,5 g/cm³. Der Verdichtungsdruck bestimmt die Dichte des ungesinterten Teils und demnach auch den der Keramik. Wenn der Verdichtungsdruck zu niedrig ist, kann die Keramik eine geringere Dichte als erwünscht aufweisen und die gewünschte Nettoform nicht erzielen. Wenn der Verdichtungsdruck zu hoch ist, kann das ungesinterte Teil delaminieren (aufblättern), so dass eine für die vorgesehene Verwendung, z. B. zum Scheiden, fehlerhafte Keramik entsteht. Der Verdichtungsdruck für die zuvor genannten legierten Zirconiumdioxidpulver sollte im Bereich von 689 Bar und 1033 Bar liegen, vorzugsweise bei 827 Bar.
Die Verdichtungszeit lässt sich leicht von dem Benutzer je nach gewähltem Verdichtungsdruck bestimmen. Die Verdichtungszeit kann beispielsweise im Bereich von 60 Sekunden bis 10 Sekunden für Verdichtungsdrücke von 689 Bar bis 1033 Bar liegen und bei 30 Sekunden für einen Verdichtungsdruck von 827 Bar. Um eine nettoförmige, erfindungsgemäße Keramik zu erzeugen, wird die Verdichtung für eine Zeitdauer durchgeführt, die ausreicht, um das Pulver zur Formung eines ungesinterten Teils mit einer vorbestimmten Dichte für das gewählte Pulver zu verdichten, beispielsweise von 3,0 g/cm³ bis 3,5 g/cm², wie zuvor beschrieben. Bekanntermaßen kann der Verdichtungsdruck und die von dem Benutzer gewählte Zeit von der Größe des fertigen Teiles abhängen. Im Allgemeinen nehmen der Verdichtungsdruck und/oder die Verdichtungszeit mit zunehmender Bauteilgröße zu.
Das Pulver wird in Anwesenheit eines organischen, wasserlöslichen Bindemittels, wie Polyvinylalkohol, Gelatine oder einem Polyesterionomer, verdichtet. Das Bindemittel kann dem Pulver zugegeben und mit dem Pulver gemischt werden, beispielsweise durch Zerstäubungstrocknung oder Kugelmahlen, bevor das Pulver in die Verdichtungsvorrichtung gegeben wird.
Um den Lichtreflektor 10 zu formen, werden Zirconiumdioxidpartikel mit einer mittleren Partikelgröße von 0,3 um verwendet. Die Partikelgröße ermöglicht die Replizierung von Merkmalen der Größe 3 um · 3 um durch Mikroformen. Auf diese Weise kann die Struktur der Master-Siliciumformvorrichtung 40 im Wesentlichen mit der Auflösung dupliziert werden, die für Lichtreflektoren zur Verwendung in Bildprojektionssystemen erforderlich ist. Das Maß der Auflösung variiert selbstverständlich mit dem jeweiligen Element oder Gegenstand, das bzw. der mikrogeformt wird. Wenn beispielsweise statt eines Lichtreflektors 10 ein Mikrorad mit Mikromerkmalen der Größenordnung von 2 um und einer Maßtoleranz von 0,1 um geformt werden soll, dann würde als Keramik TiO&sub2; gewählt werden, das eine mittlere Partikelgröße von 0,02 um aufweist.
Das Grundelement 12 des Lichtreflektors 10 kann aus feinen Zirconiumdioxidpartikeln (0,1 bis 0,3 um) hergestellt werden, die mit einem oder mehreren sekundären Oxidpulvern legiert werden, beispielsweise mit Yttriumoxid, Zerdioxid, Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid. Wenn Zerdioxid oder Calciumoxid gewählt werden, liegen die Werte im Bereich von 0,5 bis 5,0 Molprozent. Für Magnesiumoxid liegen die Werte im Bereich von 0,1 bis 1,0 Molprozent. Die sekundären Oxide lassen sich entweder mechanisch oder vorzugsweise chemisch durch Kopräzipitation mischen. Das legierte Pulver wird dann mit 2 bis 5 Gewichtsprozent eines organischen Bindemittels, wie Polyvinylalkohol, kugelgemahlen und zerstäubergetrocknet.
Wie zu sehen ist, werden die ungesinterten Grundelemente 50 zunächst ohne Balken 18 geformt. Separat geformte, ungesinterte Balken 56 werden vor dem Sintern auf den ungesinterten Grundelementen 50 platziert, wie in Fig. 8 gezeigt. Die ungesinterten Balken 56 werden separat in einem Trockenpressverfahren oder einem Bandgießverfahren geformt, und zwar unter Verwendung desselben legierten Zirconiumdioxidpulvers, das auch zur Herstellung des ungesinterten Grundelements 50 verwendet wird. Wie bei dem ungesinterten Grundelement 50 können ein oder mehrere ungesinterte Balken 56 in einer Hohlraumform hergestellt und dann in einzelne ungesinterte Balken 56 geschnitten oder geteilt werden Wenn Zerdioxid oder Calciumoxid gewählt werden, liegen die Werte im Bereich von 0,5 bis 5,0 Molprozent. Für Magnesiumoxid liegen die Werte im Bereich von 0,1 bis 1,0 Molprozent. Die sekundären Oxide lassen sich entweder mechanisch oder vorzugsweise chemisch durch Kopräzipitation mischen. Es ist wichtig, die Keramikpulver in diesen Verhältnissen zu legieren, um eine tetragonale Zirconiumdioxid-Polykristallstruktur zu erzeugen. Durch eine tetragonale Zirconiumdioxid-Polykristallstruktur (nach dem Sintern) weist der Balken 18 gute Biegeeigenschaften bei Beständigkeit gegen Bruch oder Ermüdung auf. Diese Eigenschaften sind notwendig, falls der Balken 18 während seiner vorgesehenen Lebensdauer mehrere Millionen Mal zwischen einer ungebeugten und einer gebeugten Position wechseln muss.
Der ungesinterte Balken 56 wird so auf dem mikrogeformten, ungesinterten Grundelement 50 angeordnet, dass ein Ende des ungesinterten Balkens 56 in die Aussparung 44 eingreift. Ein ungesintertes Band oder Laminat 58 und ein ungesinterter Laminatleiter 60, vorzugsweise durch Bandgießen einer elektrisch leitfähigen Keramik auf einer Mylar® Trägerbahn hergestellt, wird auf dem ungesinterten Balken 56 bzw. auf der unteren Fläche des Hohlraums 62 angeordnet, wie in Fig. 8 gezeigt. Die in dem Bandgießverfahren zur Herstellung des ungesinterten Bandes 58 und des ungesinterten Laminatleiters 60 verwendete Keramik muss ein elektrisch leitfähiges Keramikmaterial sein. Zudem muss die in dem Bandgießverfahren zur Herstellung des ungesinterten Bandes 58 verwendete Keramik (das nach dem Sintern zum Band 20 wird) ein starkes Reflexionsvermögen in Bezug auf sichtbares Licht aufweisen. Das ungesinterte Band 58 ist vorzugsweise durch Bandgießen geformtes Titannitrid (TiN). Titannitrid ist elektrisch leitend und optisch reflektierend. Zur Herstellung des ungesinterten Bands 58 sind weitere elektrisch leitende Keramiken verwendbar, u. a. Titancarbid (TiC), Titanborid (TiB&sub2;) und Boroncarbid (B&sub4;C). Derartige Keramiken sind jedoch keine guten Reflektoren für Licht im sichtbaren Spektrum. Wenn für das Band 20 andere Keramiken verwendet werden, ist es daher notwendig, das Band 20 nach dem Sintern mit einer optisch reflektierenden Schicht zu beschichten oder zu belegen. Die Anfertigung einer Beschichtung oder Deckschicht (die unter den weitgefassten Oberbegriff "Laminat" fällt) aus Gold oder Silber nach dem Sintern ergibt eine nutzbare, optisch reflektierende Oberfläche auf dem Band 20. Der ungesinterte Laminatleiter 60 ist vorzugsweise in einem Bandgießverfahren aus elektrisch leitendem Keramikmaterial hergestellt. Weil der ungesinterte Laminatleiter 60 (der schließlich nach dem Sintern zum Laminatleiter 22 wird) vorzugsweise kein hohes Reflexionsvermögen für Licht im sichtbaren Spektrum hat, ist die für die Herstellung des ungesinterten Laminatleiters 60 verwendete Keramik aus einer Vielzahl bekannter, elektrisch leitfähiger Keramiken auswählbar. Diese elektrisch leitfähigen Keramiken umfassen beispielsweise Carbide, wie Titancarbid (TiC), Borcarbid (B&sub4;C) und Wolframcarbid (WC), Boride, wie Titanborid (TiB&sub2;) und Zirconiumborid (ZrB&sub2;), sowie Silicide, wie Molybdänsilicid (MoSi&sub2;) und Niobiumsilicid (Nb&sub2;Si&sub5;) sowie andere bekannte, elektrisch leitfähige Keramiken.
Der ungesinterte Balken 56 und das ungesinterte Band 58 sollten derart fixiert werden, dass eine Bewegung des ungesinterten Balkens 56 und des ungesinterten Bandes 58 in Bezug zu dem ungesinterten Grundelement 50 während des Sintervorgangs nicht auftreten kann. Die Fixierung kann mithilfe eines Gewichts 66 erfolgen, das auf dem Ende des ungesinterten Balkens 56 und des ungesinterten Bandes 58 liegt, das in der Aussparung 44 ruht (siehe Fig. 8). Das Gewicht 66 kann aus einem Stück einer gesinterten Oxidkeramik, wie Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder Zirconiumdioxid bestehen. Das ungesinterte Grundelement 50, der ungesinterte Balken 56, das ungesinterte Band 58 und der ungesinterte Laminatleiter 60 werden dann unter Luft bei 1.500ºC für zwei Stunden gesintert, um das mikrogeformte, gesinterte Reflektorgehäuse 70 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 herzustellen, von der ein Beispiel in Fig. 9 dargestellt ist. Das mikrogeformte, gesinterte Reflektorgehäuse 70 umfasst das Grundelement 12, den Balken 18, das reflektierende und leitfähige Band 20 und das elektrisch leitfähige Laminat 22, die als Ergebnis des Sintervorgangs integral miteinander verbunden sind. Der bevorzugte Sinterablauf zum Sintern des ungesinterten Grundelements 50 und des ungesinterten Balkens 56 stellt sich in der genannten Reihenfolge folgendermaßen dar:
(a) Erwärmen der ungesinterten Teile von Raumtemperatur auf 300ºC bei einer Steigerung von 0,3ºC/Minute.
(b) Erwärmen der ungesinterten Teile von 300ºC auf 400ºC bei einer Steigerung von 0,1ºC/Minute.
(c) Erwärmen der ungesinterten Teile von 400ºC auf 600ºC bei einer Steigerung von 0,4ºC/Minute.
(d) Erwärmen der ungesinterten Teile von 600ºC auf 1500ºC bei einer Steigerung von 1,5ºC/Minute.
(e) Belassen der ungesinterten Teile bei 1500ºC für die Dauer von 120 Minuten, um ein gesintertes Reflektorgehäuse zu erzeugen;
(f) Abkühlen des gesinterten Reflektorgehäuses von 1500ºC auf 800ºC bei einem Gefälle von 2ºC/Minute.
(g) Abkühlen des gesinterten Reflektorgehäuses von 800ºC auf Raumtemperatur bei einem Gefälle von 1,6ºC/Minute, um ein keramisches, mikrogeformtes Reflektorgehäuse zu erzeugen.
Ein derartiger Sinterablauf wird in US-A-5,411,690 beschrieben Dieser Sinterablauf gilt speziell für das Beispiel mit Zirconiumoxid, legiert mit einem oder mehreren sekundären Oxiden, wie zuvor genannt. Der Sinterablauf für andere Keramikmaterialien oder Mischungen daraus weicht davon ab.
Die vorliegende Erfindung ist dazu geeignet, alle genannten Aufgaben in Verbindung mit weiteren offensichtlichen, erfindungsgemäßen Vorteilen zu erfüllen.
Obwohl die Erfindung mit besonderem Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern kann innerhalb des Geltungsbereichs Änderungen und Abwandlungen unterzogen werden.

Claims

1. Verfahren zum Mikroformen eines Keramikelements mit folgenden Schritten:

a) Ätzen einer Siliziumplatte, um eine Master-Form herzustellen, die Mikromerkmale mit mindestens einer Dimension im Bereich zwischen 0,1 und 1.000 um aufweist;

b) Herstellen einer negativen Master-Form aus einem Material, welches die Mikromerkmale repliziert, unter Verwendung der Master-Form;

c) Montieren der negativen Master-Form in ein Gesenk,

d) Einbringen eines Keramikpulvers mit einer durchschnittlichen Partikelgröße zwischen 0,01 und 0,3 um in das Gesenk;

e) Druckformen des Keramikpulvers, um ein grünes Grundelement herzustellen;

f) Sintern des grünen Grundelements.

2. Verfahren zum Mikroformen eines Keramikgegenstands mit folgenden Schritten:

c) Montieren der negativen Master-Form in ein Gesenk,

e) Druckformen des Keramikpulvers, um ein erstes grünes Element herzustellen;

f) Herstellen eines zweiten grünen Elements aus dem Keramikpulver;

g) Halten des ersten grünen Elements und des zweiten grünen Elements in einem vorbestimmten Kontakt; und

h) Sintern des ersten und zweiten grünen Elements, während sich diese in dem vorbestimmten Kontakt befinden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Herstellen eines dritten grünen Elements aus einem Keramikpulver; und

b) Halten des dritten grünen Elements mit dem ersten grünen Element und dem zweiten grünen Element vor dem Sinterschritt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikpulver aus Zirkonerde, legiert mit mindestens einem Sekundär-Oxid-Pulver aus der aus Yttererde, Ceria, Calcia und Magnesia bestehenden Gruppe besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Herstellungsschritt zum Herstellen des zweiten grünen Elements durch Bandgießen erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das im Druckformschritt und Herstellungsschritt zum Herstellen des zweiten grünen Elements verwendete Keramikpulver aus Zirkonerde besteht, die mit Magnesia zwischen 0,1 und 1,0 Molprozent legiert ist, um tetragonale Zirkonerde zu erhalten.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das im Druckformschritt und Herstellungsschritt zum Herstellen des zweiten grünen Elements verwendete Keramikpulver aus Zirkonerde besteht, die mit Yttererde zwischen 0,5 und 5,0 Molprozent legiert ist, um tetragonale Zirkonerde zu erhalten.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das im Druckformschritt und Herstellungsschritt zum Herstellen des zweiten grünen Elements verwendete Keramikpulver aus Zirkonerde besteht, die mit Calcia zwischen 0,5 und 5,0 Molprozent legiert ist, um tetragonale Zirkonerde zu erhalten.