INSIDE. Elastische Spiralfeder aus ZrO2. hergestellt im CIM-Verfahren

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1 Elastische Spiralfeder aus ZrO2 hergestellt im CIM-Verfahren

2 --- Laut Wikipedia ist eine Feder ein in der Regel metallisches technisches Bauteil, das sich im praktischen Gebrauch ausreichend elastisch verformen lässt. Am häufigsten ist die Schraubenfeder, ein in Schraubenform gewickelter Draht. Dem widerspricht die spritzgegossen Spiralfeder der Kläger Spritzguss GmbH. Gemeinhin verbindet man Keramik mit einer extrem hohen Härte, perfekt geeignet für Anwendungen im Verschleißschutz und zur Druckbelastung, aber auch mit der korrespondierenden Sprödigkeit. Ein Verbiegen, wie es von Metallen bekannt und möglich ist, scheint mit diesem Material nicht darstellbar, denn ist die niedrige Dehngrenze überschritten, erfolgt unweigerlich der Bruch. Eine Zugbelastung ist folglich nur unter bestimmten Voraussetzungen denkbar. Was die Dornstetter Spritzgussspezialisten nun mit der keramischen Feder machen, würde gewöhnlich in einem Scherbenhaufen enden. Tatsächlich verhalten sich aber verschiedene technische Keramiken im elastischen Bereich ähnlich wie Stahl, so zum Beispiel auch Ytrium-verstärktes Zirkonoxid (ZrO2). ZrO2 verfügt über eine hohe Elastizitätsgrenze, die eine hohe Belastung ohne bleibende Verformung ermöglicht - ergo: eine reversible Formänderung bei Krafteinwirkung im elastischen Bereich. Materialtechnisch sind die Voraussetzungen für eine keramische Feder somit theoretisch gegeben. Aber gibt es ein reproduzierbares, prozessstabiles und wirtschaftlich attraktives Fertigungsverfahren? Eben dieser Aufgabe stellten sich die Techniker der Kläger Spritzguss GmbH und das Ergebnis kann sich sehen lassen: Die wohl erste und weltweit einzige Spiralfeder aus technischer Keramik ZrO2, hergestellt im Spritzgussverfahren (CIM Ceramic Injection Molding). Bekanntermaßen bietet das Spritzgussverfahren eine hohe Formgebungsfreiheit und etliche von Kläger hergestellte Bauteile stellen dies eindrucksvoll unter Beweis. Aber ist es mit dem Spritzgussverfahren möglich ein solch kompaktes, geschlossenes und fehlerfreies Gefüge, trotz einer anspruchsvollen Federgeometrie zu schaffen, welches einer derart anspruchsvollen Belastung stand hält. Verfahrensbedingte Eigenheiten wie Anspritzpunkt, Fließwege, Bindenähte galt es kritisch zu betrachten und im Werkzeugkonzept im Einklang mit der geometrischen Komplexität des Bauteiles zu berücksichtigen.

3 Eine Aufgabe, die die gesamte Querschnittkompetenz aus den Bereichen Engineering, Formenbau Spritzguss erfordert und die bei Kläger allesamt unter einem Dach zu finden sind. Werkzeugtechnisch wurden die Anforderungen mit einem komplexen Schieber-Werkzeug gemeistert. Die komplexe und filigrane Innenkontur wird werkzeuggebunden mittels eines hydraulisch bewegten Faltkernes erzeugt. Das Anspritzssystem wurde über eine beheizte Düse gelöst. Die Realisierbarkeit eines solch filigranen Bauteiles ist aber nicht nur auf die Werkzeugtechnik zurückzuführen. Einen wesentlichen Anteil daran trägt die Weiterentwicklung auf Feedstockseite mit unterschiedlichen Bindersystemen. Bei Kläger sind derzeit alle kommerziell am Markt verfügbaren Bindersysteme im Serieneinsatz. Im vorliegenden Fall wurden diverse Systeme bemustert und getestet, bevor die Wahl auf ein thermoplastbasierendes Bindersystem fiel. Dieses ermöglicht aufgrund seiner Verarbeitungsparameter ein optimales Einspritz- und Fließverhalten, was für eine spannungsarme und folgend defektfreie Füllung des Bauteiles Grundvoraussetzung ist. Ein weiterer kritischer Moment während des Formgebungsprozesses ist das Ausstoßen der Bauteile aus der Kavität, da durch einseitige oder zu hohe Belastung kaum sichtbare Mikro-Defekte am Bauteil entstehen können, die sich nach dem Sintern als Riss darstellen oder das Gefüge unsichtbar schwächen. Beides K.O.-Kriterien für den Einsatz als Feder. Die hohe Grundteilfestigkeit des ausgewählten Feedstockes, bei gleichzeitiger Elastizität ermöglicht ein einfaches, defektfreies Auswerfen der Bauteile aus dem Werkzeug. Keramische Federn sind eine gute Lösung für Anwendungen unter Umgebungsbedingungen in denen metallische Werkstoffe versagen, wie z.b. Hochtemperaturanwendungen oder der Einsatz in korrosiven Medien. Die temperaturabhängigen Materialeigenschaften begrenzen die Einsatzmöglichkeit von Federn aus Stahl. Aufgrund des Kriechverhaltens sind die Einsatztemperaturen auf ca. 550 C beschränkt. Die maximal zulässige Arbeitstemperatur der keramische Spiralfedern beträgt 1000 C.

4 Die bessere Korrosionsbeständigkeit gegenüber Stahl, sowohl bei Raum- als auch bei höheren Temperaturen oder in korrosiver Atmosphäre bzw. bei aggressiven Medien erweist sich als weiterer Vorteil. Die gute elektrische Isolationsfähigkeit oder das geringere Gewicht reihen sich in die Vorteilsliste ein. Vorteile, die einen Einsatz z.b. als Ventilfeder für AGR-Ventile, EGR-Ventile und Abgas-Bypassventile im Abgasrückführungssytem möglich machen oder im Einsatz von korrosiven Medien in der chemischen Industrie. Mit dieser erfolgreichen Entwicklung unterstreichen die Dornstetter Keramikspritzgießer Ihren eigenen Anspruch als kompetenter Innovationspartner für Entwicklungsprojekte und deren schnelle und sichere Umsetzung in ein serienreifes Produkt. Seit nahezu 20 Jahren beschäftigt sich Kläger nunmehr mit dem Thema Keramikspritzguss und sowohl der herrschende Innovationsgeist, als auch die im Haus aus der gesamten Wertschöpfungskette vorhandene Querschnittskompetenz generiert ein permanentes Verschieben der Grenzen des aktuell technisch Machbaren. Die kontinuierliche Prozessverbesserung, die Zusammenarbeit mit Partnern auf der Materialseite oder Forschungsinstituten bilden hierbei eine wertvolle Grundlage. Kläger: Führend im Keramik- & Kunststoff-Spritzguss und der Systemintegration Die Kernkompetenz im Haus Kläger ist das Spritzgussverfahren. Kläger versteht sich als Entwicklungspartner und Produzent von Spritzgusslösungen aus Keramik, Kunststoff und Metall. Das mittelständische Unternehmen verfügt über ein eigenes Engineering, die eigene Werkzeugfertigung, sowie die Spritzgussproduktionen im Bereich Kunststoff und Keramik. Vervollständigt wird das Leistungs-Portfolio mit der Systemintegration der gefertigten Bauteile in komplette Baugruppen. Kunden greifen so auf fundiertes Wissen und umfassende Kompetenz aus allen relevanten Prozessschritten zu. Allein im Bereich Kunststoff-Spritzgießen verarbeitet Kläger aktuell über 300 unterschiedliche Materialien in über aktiven Artikeln. Im Bereich Keramikspritzguss zählt das Unternehmen zu den Pionieren und gemessen an den in Serie befindlichen Bauteilen zu den Marktführern. So vertrauen zahlreiche Kunden aus über 15 Branchen die Fertigung ihrer Schlüsselbauteilen den Dornstetter Spezialisten. Ob für poröse Keramikstopfen oder für harte Mahlscheiben in Kaffeevollautomaten, verschleissfeste Düsen für Hochdruckreiniger, Sprühsysteme oder filigrane Bauteile für die Elektrochirurgie das Spritzgießen von keramischen Werkstoffen bietet eine hohe Formgebungsfreiheit in der Teilegeometrie und schafft damit eine bessere Produktperformance und darüber hinaus in vielen Fällen einen zusätzlichen Kostenvorteil gegenüber herkömmlichen Produkten.

5 Datenblatt der keramische Feder INSIDE Geometrische Parameter des realisierten Bauteiles ungespannte Länge L0 35 mm Federweg (Dauereinsatz) Außendurchmesser D Dicke der Windung d 12 mm 25 mm 1,5 mm Geometrische Parameter generell ungespannte Länge L0 Außendurchmesser D Dicke der Windung d max. 60 mm min. 20 mm max. 50 mm min 15 mm max. 3 mm min. 0,8 mm Grundmaterial Werkstoff E-Modul Dichte Härte Zirkonoxid (ZrO2) 200 GPa ca. 6 g/cm HV Schmelzpunkt 2680 C Eigenschaften der keramischen Feder Federkraft Lebensdauer Thermisch Mechanisch Chem./biologisch Elektrisch Magnetisch Abhängig vom Federprofil, max. Federkraft beträgt ca. 40 N hohe Lebensdauer bei dynamischer Belastung Hochhitzebeständigkeit max. Arbeitstemperatur 1000 C hohe Warmformbeständigkeit hohe mechanische Festigkeit hohe Formbeständigkeit hohe Korrosionsbeständigkeit in einer korrosiven Atmosphäre oder in korrosiven Medien elektrische Isolierung unmagnetisch