Bedeutung organischer Additive in der Formmassenentwicklung für das Pulverspritzgießen

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1 Bedeutung organischer Additive in der Formmassenentwicklung für das Pulverspritzgießen Oxana Weber, Thomas Hanemann Institut für Angewandte Materialien - Werkstoffprozesstechnik des Karlsruher Institut für Technologie und Lehrstuhl für Werkstoffprozesstechnik des Instituts für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Großforschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Übersicht 1. Einführung (Mikro-)Pulverspritzgießen 2. Feedstockentwicklung 3. Zusammenfassung/Ausblick

3 Einführung (Mikro-)Pulverspritzgießen Extrusion Spritzguss Entbindern Sintern Fertiges Produkt Feedstock Binder + Grünling Braunling Pulver

4 Einführung (Mikro-)Pulverspritzgießen Vorteile: Gute Oberflächenqualitäten Komplexe Geometrien möglich Gute finale Eigenschaften (Dichte, Festigkeit, Genauigkeit) Breite Materialpalette ( CIM & MIM) Geringe Produktionskosten Stückzahl Pulverwalzen Uniaxiales Trockenpressen Kaltisostatisches Pressen Extrusion Spritzgießen Heißgießen Komplexität der Geometrie

5 Einführung (Mikro-)Pulverspritzgießen

6 Einführung (Mikro-)Pulverspritzgießen by SPT Roth AG by Vertu KG by GoCeram AB by BMW AG

7 1. Einführung (Mikro-)Pulverspritzgießen 2. Feedstockentwicklung 3. Zusammenfassung/Ausblick

8 Feedstockentwicklung: Anforderungen Gute Formfüllung auch hoher Aspektverhältnisse Mittlere Partikelgröße um den Faktor 10 kleiner als das kleinste abzuformende Strukturdetail Niedrige Viskosität bei möglichst niedriger Temperatur Hoher Feststoffgehalt: Keramik: > 50 vol%, Metall: > 60 vol% Einfaches Entbindern ohne Verzug Keine Entmischung unter großer Scherbelastung Problematische Nachbearbeitung (near-net-shape erforderlich) Hohe Grünfestigkeit bei der Entformtemperatur

9 Feedstockentwicklung: Bindersysteme Kommerzielle Bindersysteme: Anbieter Material Binder Besonderheit Inmatec Al 2 O 3, ZrO 2 + Custom Licomont / PP,PEG, wasserlöslich BASF Al 2 O 3, ZrO 2 + Custom POM, katalytisch Zschimmer & Schwarz IAM-WPT: Al 2 O 3, ZrO 2, Silikatkeramik Siliplast / wasserlöslich Bezeichnung Material Binder Besonderheit GoMikro Al 2 O 3, ZrO 2, AlN... PE/Paraffin/Disp. n-hexan GreenFeed-PVB Al 2 O 3, ZrO 2 PVB/PEG/Disp. wasserlöslich GreenFeed- PMMA Al 2 O 3, ZrO 2 PMMA/PEG/Disp. wasserlöslich, reaktionshärtend

10 Feedstockentwicklung: Vorgehensweise Zusammensetzung 50 Vol.% Pulver [d 50, BET] 25 Vol.% Backbone 25-x Vol.% Basis-Polymer x Vol.% Dispergator Compoundierung: Messkneter Volumen: 45 cm 3 Temperatur: 125 C Rotation: 30 UPM Charakterisierung Spritzgießen Scherviskosität Linear-viskoelastisches Verhalten Fließgrenze

11 Feedstockentwicklung: Compoundierung

12 Feedstockentwicklung: ohne Dispergator

13 Feedstockentwicklung: Dispergatortypen Fettsäuren Polyethylenglykolalkylether Citrate

14 Feedstockentwicklung: Fettsäuren 50 vol% ZrO 2 Dispergator: Stearinsäure

15 Feedstockentwicklung: Fettsäuren 50 vol% ZrO

16 Feedstockentwicklung: Dispergatortypen Fettsäuren Polyethylenglykolalkylether Citrate

17 Feedstockentwicklung: PEGAE

18 Feedstockentwicklung: Therm. Stabilität Stearinsäure 30 C 89 C 100 C 107 C Brij72 (PEGAE)

19 Feedstockentwicklung: Citrate Fettsäuren Polyethylenglykolalkylether Citrate

20 Feedstockentwicklung: Citrate 50 vol% ZrO 2 TEC: ATEC: TBC: ATBC: Triethylcitrat Acetyltriethylcitrat Tributylcitrat Acetyltributylcitrat Monocarbonsäuren Hinweis auf Erhöhung der Grünfestigkeit (Dissertation R.Heldele, KIT 2008)

21 Feedstockentwicklung: Citrate Fettsäuren Polyethylenglykolalkylether Citrate

22 1. Prozesskette Mikro-Pulverspritzgießen 2. Feedstockentwicklung 3. Zusammenfassung/Ausblick

23 Zusammenfassung/Ausblick Verfahren zur Herstellung komplexer keramischer Bauteile Auswahl und Kombination von Dispergatoren: niedrige Viskosität hohe Grünlingsstabilität Verringerung von Verformungen Herausforderungen: Dimensionale Genauigkeit & Reproduzierbarkeit Aufklärung von Separationseffekten (ComputerTomographie)

24 Danksagung

25

26 Feedstockentwicklung 20%

27 Feedstockentwicklung 55 vol% ZrO mg/m²