FORMGEBUNG KOMPLEXER BAUTEILGEOMETRIEN TEIL 1, SPRITZGUSS

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1 FORMGEBUNG KOMPLEXER BAUTEILGEOMETRIEN TEIL 1, SPRITZGUSS Dr. Tassilo Moritz

2 Formgebung Keramik entsteht beim Sintern durch Materialtransportprozesse, die in einer Pulverpackung initiiert werden - durch hohe Temperatur - durch geringe Teilchengrößen (Sinteraktivität) - bei geringen Abständen zwischen den Teilchen Quelle: IKTS Keramik wird pulvertechnologisch hergestellt

3 Formgebung Pulvertechnologie Quelle: IKTS

4 Formgebung Formgebung keramischer Bauteile Werkstoffliche Vielfalt Quelle: IKTS Geometrie, Bauteilgröße und Stückzahl... sind technologische Herausforderungen

5 Formgebung Prozesskette der Pulvertechnologie Aufbereitung Formgebung Mahlen, Homogenisieren, Granulieren Pressen, Plastische und Gießformgebung Sintern Bearbeitung Ausheizen, Sintern, Infiltrieren Grünbearbeitung (z.b. Fräsen, Drehen) Endbearbeitung (Schleifen, Polieren)

6 Formgebung Formgebung keramischer Bauteile Wie bringe ich die Keramik in Form? Es werden sehr feine Ausgangspulver verwendet. Die Ausgangspulver liegen als undefinierte Agglomerate vor. Quelle: IKTS Es müssen dichte und homogene Pulverpackungen erreicht werden. Dicht: damit Sintern überhaupt möglich ist. Homogen: damit keine Eigenschaft schwächenden Defekte im Gefüge auftreten. Um Nachbearbeitungsaufwand bei der Keramik zu begrenzen muss die Formgebung endformnah sein.

7 Formgebung Pressformgebung (trockene Formgebung) (Thermo-)plastische Formgebung Gießformgebung (nasse Formgebung) Uniaxiales Pressen Isostatisches Pressen Einformen, Überformen Extrudieren Niederdruckspritzguss Hochdruckspritzguss Schlickergießen Foliengießen Gelcasting Direct Coagulation Casting Elektrophorese Zentrifugalgießen Druckgießen Additive Fertigung Pulverbasierte Verfahren SLS Selective Laser Sintering 3D-Pulverbettdruck LOM Laminated Object Manufacturing Suspensionsbasierte Verfahren LCM Lithography Based Ceramic Manufacturing 3DTP - Thermoplast-basierter 3D- Druck FDM Fused Deposition Modelling

8 Formgebung Pressformgebung (trockene Formgebung) (Thermo-)plastische Formgebung Gießformgebung (nasse Formgebung) Dispersionsmittel Kraft

9 Formgebung? Quelle:

10 Thermoplastische Formgebung für komplex geformte Bauteile mittlere bis hohe Stückzahlen Bohrungen Hinterschneidungen Gewinde dünne Wandstärken feinkörnige Pulver kleinste Abmessungen Source: IKTS

11 Seit wann gibt es den Keramikspritzguss? Der Pulverspritzguss ist dem Kunststoffspritzguss entlehnt. U.S. Patent von Karl Schwartzwalder, 1938 a refractory body and method of making same Quelle: Deutsches Patent von Klinger, 1940 a method of producing spark plugs by injecting a ceramic compound with addition of organic binders into a mould by application of pressure

12 Prozesskette Pulverspritzguss Powder + Binder Mixing Kneading Feedstock Rheological Measurements Injection Moulding Weighing Computed tomography Extraktion Catalytic Debinding Thermal Debinding Computed tomography Sintering Weighing Computed tomography Finishing Visual inspection

13 Definitionen Feedstock spritzgießfähiges oder extrudierfähiges keramisches Granulat (Pulver-Binder-Compound) Binder thermoplastisches System, das dem anorganischen Pulver plastische Eigenschaften verleiht PIM Powder Injection Moulding (Pulverspritzgießen) CIM Ceramic Injection Moulding (keram. Spritzgießen) MIM Metal Injection Moulding (Metallspritzgießen) Entbindern Entfernung der thermoplastischen Organik aus dem Bauteil Grünling Braunling gespritztes Bauteil entbindertes Bauteil Rohling gesintertes Bauteil Quelle:

14 Definitionen Agglomerate Ansammlung von Pulverpartikeln im Submikronbereich, müssen bei der Aufbereitung zerteilt werden. Die Agglomerate sind eine Folge der Reduktion der Oberfläche der Pulverpartikel durch Aneinanderhaften. Basis für das Zusammenhalten der Pulverpartikel sind van der Waalskräfte etc. Thermoplaste Thermoplaste sind Kunststoffe, die sich unter Temperatureintrag reversibel verformen lassen. Sie bestehen aus organischen Kohlenstoffketten, Beispiele sind Polyethylen oder Polypropylen

15 Feedstockherstellung Pulver + Binder Homogenisierung Feedstock Vorgehensweise: applikationsbezogene Auswahl des Basis-Pulvers: Oxid, Nitrid, Carbid... Auswahl von Art und Menge der Binderkomponenten: maßgeschneidert auf das Pulver Homogenisierung und Dispergierung der einzelnen Komponenten Einstellung eines Feststoffgehalts von ca Vol.-%

16 Feedstockherstellung Anforderungen an das Bindersystem Ermöglichung der Plastifizierung unplastischer, nicht bildsamer Materialien für den Spritzguss Gewährleistung einer Verspritzbarkeit durch spezielle rheologische Eigenschaften Gewährleistung der Entformbarkeit und Handhabbarkeit der gespritzen Bauteile Wirkung: thermoplastisches Erweichungs- und Erstarrungsverhalten Beispiele: PE, PP, PS, PE-VA, PE-A, PP-A, PBMA-E-VA, Paraffin, Carnaubawachs, Bienenwachs, Naphtalen, Acetanilin, Antipyrin, Öle, Stearin, Olein, Esther, Phtalinester, Polyoxymethylen (POM), Epoxidharz, Furanharz, Wachse

17 Beispiel: INMATEC Basisbindersystem Licomont der Firma embe Products & Service GmbH Binder bestehend aus: Polyolefinwachsen mit Zugabe von Additiven (Änderung der Fließeigenschaften, Erhöhung der Grünfestigkeit, ) Binder und Additive können in unterschiedlichsten Mischungsverhältnissen mit dem Pulver compoundiert werden, je nach Anforderung hinsichtlich der Eigenschaften des Feedstocks Entbinderung wässrig und thermisch Quelle:

18 Feedstockherstellung Anforderungen an das Bindersystem Beispiel BASF SE: BASF Catamold (kommerziell erhältlich) Bei der BASF SE fertig hergestellter Feedstock Metall- und Keramikfeedstocks erhältlich Spezialbinder mit eigenem Entbinderungsverfahren: Bei C im Entbinderungsofen mithilfe eines Katalysators Thermische Entbinderung in salpetersäurehaltiger Atmosphäre spezielle Entbinderungs-Ausstattung erforderlich

19 Feedstockherstellung Anforderungen an das keramische Pulver Rohstoffauswahl: Abhängig von den Anforderungen an die Verarbeitbarkeit des Feedstocks, den geforderten Werkstoffeigenschaften, dem Einsatzzweck und Ort des Bauteils, dessen Beanspruchungen,... Idealfall: Partikelgröße zwischen Submikron bis 40 µm abgerundete Partikelform (nassgemahlen), keine Plättchen frei von Organik (sonst evtl. Wechselwirkungen) mehrmodulare Verteilung

20 Feedstockherstellung Anforderungen an das keramische Pulver

21 Feedstockherstellung Kneter Diskontinuierliches Verfahren Durch Drehzahl vorgegebene Friktion an Schaufeloberflächen oder Knettroginnenseite, sehr geringer Eintrag an Scherenergie Entleerung manuell oder durch Austragsschnecke (ungenaue Granulierung, hoher Verschleiß) Geringer Durchsatz Schlechter Temperatureintrag Ergebnis: schlecht homogenisierter Feedstock mit schlechter Dosierbarkeit

22 Feedstockherstellung Doppelschneckenextruder Kontinuierliche Feedstockherstellung Reproduzierbare Qualität des Feedstocks Sehr gut in Spritzgießmaschine zu dosierendes Granulat Hoher Abrieb im Vergleich zu anderen Aufbereitungsaggregaten Schonender Eintrag von Fasern möglich

23 Feedstockherstellung Doppelschneckenextruder - Prinzip

24 Feedstockherstellung Scherwalzenextruder Kontinuierlicher Prozess Homogenisierung durch Scherwirkung im Knet über dem Walzenspalt Scherung von Produkt gegen Produkt minimaler Abrieb Reproduzierbare Qualität des Feedstocks Sehr gut zu dosierendes Granulat für die Spritzgießmaschine

25 Feedstockherstellung

26 Vergleich Kneter- und Scherwalzenfeedstock Für diesen Vergleich wurden zwei chemisch identische Pulver-Binder- Mischungen auf Basis von Aluminiumoxid verwendet. Einer wurde mittels Kneter, der andere mittels Scherwalzenextruder aufbereitet. Ergebnis: Vergleich Kneter- und Scherwalzen-Feedstock Umschaltspritzdruck Massetemperatur Pressure (bar) Numbers of Shots Temperature ( C) Pressure at the sw itching point - Kneader-Feedstock Pressure at the sw itching point - Shear roll-feedstock Number of shots Kneader-Feedstock Shear roll -Feedstock

27 Kneter-Feedstock Nicht aufgebrochene Agglomerate Inhomogenitäten Entstehung von Friktionswärme, Überhitzen des Werkzeuges beim Einspritzen Scherwalzen-Feedstock Vollständig ummantelte Partikel Besseres Fließverhalten Reproduzierbarkeit Bei gleichem Bindergehalt!

28 Feedstockcharakterisierung Drehmomentrheometer

29 Feedstockcharakterisierung Hochdruckkapillarviskosimeter

30 Feedstockcharakterisierung Beta-Calutherm_LD650_5_47Vol% Beta-Calutherm_LD650_5_50Vol% Beta-Calutherm_LD650_1_47Vol% Scherviskosität [Pa*s] optimaler Verarbeitungsbereich korrigierte Scherrate [s^-1] Scherviskositäten der Feedstocks mit unterschiedlichen Feststoffgehalt und Zusammensetzung

31 Keramikspritzguss - CIM Feedstockcharakterisierung Aufschluss über das Spritzverhalten gibt der Test auf der Spritzgießmaschine in Form von Formfüllstudien

32 Spritzgießen Zuhaltekraft: Schussgewicht: 80t (12-300t) ca. 0,018g 800g Zylindergarnitur verschleißfest Typische Spritzgießmaschine der Firma Arburg

33 Spritzgießen - Prozessschema Granulat einfüllen Einzug Schnecke Kompression Dosierung Stufenweise Temperaturerhöhung Masse einspritzen Masse abkühlen Restkühlzeit s Werkzeug Werkzeug öffnen Bauteil auswerfen Handling Bauteil entnehmen

34 Spritzgießen Werkzeugbau Auswerferseite 3-Platten-Werkzeug Düsenseite Backen-Werkzeug

35 Entbinderung Prinzip: Beim Entbindern werden die thermoplastischen organischen Bestandteile aus dem Bauteil entfernt wässrig und/oder thermisch oder katalytisch. Nutzung spezieller Entbinderungsöfen: Ein Sinterofen kann im unteren Temperaturbereich nicht so genau steuern/regeln, wie ein spezieller Entbinderungsofen. Außerdem würde die austretende Organik die Heizelemente des Sinterofens schädigen. Schwierigkeit der Entbinderung dickwandiger Teile oder Teile aus sehr feinteiligen Pulvern mit engen Porenkanälen Knieendoprothese grün und gesintert

36 Entbinderung 1. Wässriges Entbindern oder Extraktionsentbinderung (CO 2, org. LM) Wasserlösliche Bestandteile werden herausgelöst Lösen von außen nach innen Kanalporen zur Oberfläche werden gebildet ( notwendig für den nachfolgenden thermischen Entbinderschritt) Dauer abhängig von Korngrößenverteilung, Feststoffanteil und Wandstärke des Bauteils Durchschnittliche Dauer: 24 Stunden bis zu 3 Tage Durchführung im zirkulierenden Wasserbad Temperiertes bewegtes Leitungswasser

37 Entbinderung Extraktionsentbinderung in überkritischem CO 2 Überkritische Flüssigkeiten besitzen hohes Lösevermögen Herauslösen organischer Binderbestandteile möglich

38 Entbinderung 2. Thermisches Entbindern Im Anschluss an das wässrige Entbindern Austreiben der Organik von innen nach außen Besonders genaue Temperatursteuerung erforderlich Sehr langsame Aufheizraten Dauer bauteilabhängig (12h bis 55h möglich) Thermischer Entbinderungs- Zyklus Von C auf C mit K / h Trocknen 4 Stdn mit 80 C Halten 4 Stdn bei 160 C Halten 2 Stdn bei 300 C

39 Entbinderung Entbinderungsverhalten Licomont

40 Entbinderung 100 C 150 C 200 C 250 C

41 Entbinderung Ergebnis Es bleiben ca. 1,5 Gew.-% des Binders im Bauteil zurück. Gewährleistet eine handhabbare Stabilität des Bauteils, die das Umsetzen in den Sinterofen ermöglicht Ohne Restbinderanteil: nur das Pulvergerüst würde zurückbleiben, Bauteil würde zusammenfallen Abhilfe: Ansinterung während Entbinderung

42 Entbinderung Konz. HNO3

43 Entbinderungsfehler Überfahren der exothermen Reaktionen Aufheizen der Ofenatmosphäre Risse in den Bauteilen Sprengung der Bauteile Langsamer Entbindern Zu schnelles Entbindern dickwandiger Bauteile ebenfalls Entstehung von Rissen Wasserlösliche Binderkomponenten werden nicht bis ins Bauteilinnere gelöst keine Kanalporen, die das Austreten der Gase beim thermischen Entbindern ermöglichen Langsamer Entbindern Verwendung eines ungeeigneten Ofens mit ungenügender Ventilation und ungenauer Steuerung

44 Sinterung Entbindern Sintern MKS Kunststoffspritzguss GmbH

45 Spritzgussbauteile Handyoberschalen Geschirr: Arburg-Tasse, Quelle: Arburg

46 Spritzgussbauteile LEDs für Autos, transparente Keramik, Quelle: Internet Quelle:

47 Spritzgussbauteile Fadenführer, Textilindustrie, Quelle: Uhrengehäuse, Schmuckindustrie, Quelle: Emil Bröll GmbH

48 Haupttrends im CIM Miniaturisierung Multifunktionalisierung Mehrkomponenten CIM Kombination MIM-CIM Inmould labeling Quelle: Fraunhofer IKTS Quelle: Fraunhofer IKTS Quelle: Fraunhofer IKTS

49 Multifunktionalisierung Kombination unterschiedlicher Eigenschaften in einem Bauteil, z. B.: hart / duktil elektrisch leitfähig / elektrisch isolierend magnetisch / nicht magnetisch porös / dicht Wärme leitend / hitzebeständig preiswert / teuer transparent / opak Quelle: Fraunhofer IKTS Quelle: Fraunhofer IKTS

50 Spritzguss Verfahrensvarianten Mehrkomponentenspritzgießen Materialien mit annähernd gleichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten vergleichbare Bindersysteme Sinterfähigkeit der Pulver unter denselben Bedingungen (Gasatmosphäre, Temperatur, Druck) vergleichbares Schwindungsverhalten der Pulver vergleichbare Volumenbeladung der Feedstocks für genauen Abgleich der Schwindung Komplexität des Spritzgießens wird mehr als verdoppelt!

51 Spritzguss Verfahrensvarianten Mehrkomponentenspritzgießen Option 1: Drehteller additive Methode alternativ: Indexplatte, Kernzug Option 2: Intervalleinheit sequentielle Methode (entweder simultan oder seriell) Drehtellerwerkzeug Kernzugwerkzeug Mehrkomponentenspritzgießen Vielfältige Verfahren zur Herstellung komplexer Spritzteile, Anwendungsinformation Arburg GmbH&Co.KG, 1-28 (2008) Eckardt H. (1990): Mehrkomponentenspritzgießen, Neue Werkstoffe und Verfahren beim Spritzgießen, VDI-Verlag

52 Design: Robert Bosch GmbH Quelle: Fraunhofer IKTS

53 2-11,2 shrinkage [%] Al2O3 ZTA ATZ contraction [%] -11,4-11,6-11,8-12,0-12,2-12,4-12,6-12,8-13,0 Al 2 O 3 ZTA ATZ temperature [ C] temperature [ C]

54 Keramische Glühkerze (2K-Niederdruckspritzguss) Spannung[V] Erreichte Temperatur [ C] Ansprechzeit: 3 s Quelle: Fraunhofer IKTS

55 Kombination MIM-CIM Stahl 17-4 PH und Partially Stabilized Zirconia Materialien mit vergleichbarem thermischem Ausdehnungskoeffizienten Vergleichbare Bindersysteme(TEC, Entbinderungsverhalten) Sinterfähigkeit der Pulver unter derselben Gasatmosphäre und Temperatur Vergleichbares Schwindungsverhalten (Schwindungsbeginn und -rate) Vergleichbare Feststoffbeladung der Feedstocks zur präzisen Abstimmung der Gesamtschwindung Bindemechanismen in Metall-Keramik-Werkstoffverbundbauteilen Mechanische Verklammerung oder Mikroverzahnung Formschluss Stoffschluss über chemische Bindung

56 Kombination MIM-CIM Quelle: Fraunhofer IKTS

57 Inmould-Labeling Herstellung und Strukturierung von metallischen und keramischen Grünfolien Functionally Graded Materials (FGM) Bauteilverbunde Fadenführer, Textilindustrie, Quelle: Fa. Rauschert

58 Inmould-Labeling IML-Werkzeug Schließen + Eins pritze n Öffnen + Auswerfen Metall oder Keramik Film µ-strukturierter Form eins atz PIM-Feedstock enthält Pulver 1 Ehemaliger Film enthält Pulver 2

59 Inmould-Labeling mikrostrukturierte Folie Folie Quelle: KIT Keramik- Feedstock Grünling, ZrO2-gefüllte Folien und Feedstocks Quelle: KIT Folie ehemalige Trennlinie Feedstock

60 Spritzguss Bauteilfehler häufige Spritzgießfehler Bindenähte Lufteinschlüsse Vakuolen Einfallstellen Risse Binderseparationen Freistrahl Überspritzungen Bauteilgewicht unscharfe Ecken kalte Pfropfen Kaltverschiebungen Parameter zur Beeinflussung von Fehlern Einspritzgeschwindigkeit Umschaltpunkt Nachdruck Zuhaltekraft Werkzeugtemperatur Zylindertemperatur Kühlzeit Dosiergeschwindigkeit

61 Spritzguss Bauteilfehler Freistrahlbildung: Schlangenförmige Abbildung auf der Bauteiloberfläche Massestrang füllt ohne vollständige Wandhaftung in einem undefinierten Füllvorgang die Kavität Abkühlen der Oberfläche des Massestranges Restliche Schmelze kann keine homogene Verbindung mehr eingehen Einspritzgeschwindigkeit senken, Massetemperatur erhöhen Einfallstellen Einfallstellen

62 Danke für die Aufmerksamkeit