formgebung komplexer bauteilgeometrien teil 1, … · © fraunhofer formgebung keramik entsteht...
TRANSCRIPT
© Fraunhofer
FORMGEBUNG KOMPLEXER BAUTEILGEOMETRIEN – TEIL 1, SPRITZGUSS
Dr. Tassilo Moritz
© Fraunhofer
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
Keramik wird pulvertechnologisch hergestelltQuelle: IKTS
© Fraunhofer
Formgebung
Quelle: IKTS
Pulvertechnologie
© Fraunhofer
Formgebung
Geometrie,
Bauteilgröße
und Stückzahl ...
Werkstoffliche Vielfalt Quelle: IKTS
sind technologische
Herausforderungen
Formgebung keramischer Bauteile
© Fraunhofer
Formgebung
Aufbereitung
Formgebung
Sintern
Bearbeitung
Mahlen, Homogenisieren, Granulieren
Ausheizen, Sintern, Infiltrieren
Grünbearbeitung (z.B. Fräsen, Drehen)
Endbearbeitung (Schleifen, Polieren)
Pressen, Plastische und Gießformgebung
Prozesskette der Pulvertechnologie
© Fraunhofer
Formgebung
Wie bringe ich die Keramik in Form?
Es werden sehr feine Ausgangspulver verwendet. Die
Ausgangspulver liegen als undefinierte Agglomerate
vor.
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.
Formgebung keramischer Bauteile
Quelle: IKTS
© Fraunhofer
FormgebungPressformgebung
(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 Sintering3D-Pulverbettdruck
LOM – Laminated ObjectManufacturing
• Suspensionsbasierte VerfahrenLCM – Lithography Based CeramicManufacturing3DTP - Thermoplast-basierter 3D-DruckFDM – Fused Deposition Modelling
© Fraunhofer
Formgebung
Pressformgebung
(trockene Formgebung)
(Thermo-)plastische
Formgebung
Gießformgebung
(nasse Formgebung)
Dispersionsmittel
Kraft
© Fraunhofer
Formgebung
Quelle:
?
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Thermoplastische Formgebung für
komplex geformte Bauteile
mittlere bis hohe Stückzahlen
Bohrungen
Hinterschneidungen
Gewinde
dünne Wandstärken
feinkörnige Pulver
kleinste Abmessungen Source: IKTS
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Seit wann gibt es den Keramikspritzguss?
U.S. Patent von Karl Schwartzwalder, 1938
„a refractory body and method of making same“
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“
Quelle:
Der Pulverspritzguss ist dem Kunststoffspritzguss
entlehnt.
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Mixing KneadingPowder
+
Binder
Feedstock Rheological Measurements
Injection Moulding Weighing Computed tomography
Weighing
Computed tomography
Computed tomography
Visual inspection
Extraktion Catalytic
Debinding
Thermal
Debinding
Sintering
Finishing
Prozesskette
Pulverspritzguss
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
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 gespritztes Bauteil
Braunling entbindertes Bauteil
Rohling gesintertes Bauteil Quelle:
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
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
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Feedstockherstellung
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. 55 – 65 Vol.-%
Pulver + Binder Homogenisierung Feedstock
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
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
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
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:
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Beispiel BASF SE:
BASF Catamold® (kommerziell erhältlich)
Bei der BASF SE fertig hergestellter Feedstock
Metall- und Keramikfeedstocks erhältlich
Spezialbinder mit eigenem Entbinderungsverfahren:
Bei 110-140°C im Entbinderungsofen mithilfe eines Katalysators
Thermische Entbinderung in salpetersäurehaltiger Atmosphäre
spezielle Entbinderungs-Ausstattung erforderlich
Feedstockherstellung – Anforderungen an das Bindersystem
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
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
Feedstockherstellung – Anforderungen an das keramische Pulver
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Feedstockherstellung – Anforderungen an das keramische Pulver
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
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
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
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
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Feedstockherstellung
Doppelschneckenextruder - Prinzip
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
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
Feedstockherstellung
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Feedstockherstellung
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
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 Scherwalzenfeedstock
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Numbers of Shots
Pre
ss
ure
(b
ar)
Pressure at the sw itching point - Kneader-Feedstock
Pressure at the sw itching point - Shear roll-feedstock
145
150
155
160
165
170
175
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Number of shots
Tem
pera
ture
(°C
)
Kneader-Feedstock Shear roll -Feedstock
Umschaltspritzdruck Massetemperatur
Vergleich Kneter- und Scherwalzen-Feedstock
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
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!
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Feedstockcharakterisierung
Drehmomentrheometer
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Feedstockcharakterisierung
Hochdruckkapillarviskosimeter
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
10
100
1000
10000
10 100 1000 10000 100000
korrigierte Scherrate [s^-1]
Sch
erv
isko
sit
ät
[Pa*s
]
Beta-Calutherm_LD650_5_47Vol%
Beta-Calutherm_LD650_5_50Vol%
Beta-Calutherm_LD650_1_47Vol%
Scherviskositäten der Feedstocks mit unterschiedlichen Feststoffgehalt und Zusammensetzung
optimaler Verarbeitungsbereich
Feedstockcharakterisierung
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Feedstockcharakterisierung
Aufschluss über das Spritzverhalten gibt der Test
auf der Spritzgießmaschine in Form von Formfüllstudien
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Spritzgießen
Typische
Spritzgießmaschine
der Firma Arburg
Zuhaltekraft: 80t (12-300t)
Schussgewicht: ca. 0,018g – 800g
Zylindergarnitur verschleißfest
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Granulat einfüllen
Einzug
Kompression
Dosierung
Masse einspritzen
Masse abkühlen
Werkzeug öffnen
Bauteil auswerfen
Bauteil entnehmen
Restkühlzeit 10-300s
Stufenweise
Temperaturerhöhung
Werkzeug
Handling
Schnecke
Spritzgießen - Prozessschema
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Spritzgießen – Werkzeugbau
3-Platten-Werkzeug
DüsenseiteAuswerferseite
Backen-Werkzeug
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
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.
Knieendoprothese grün und gesintert
Schwierigkeit der Entbinderung dickwandiger
Teile oder Teile aus sehr feinteiligen Pulvern
mit engen Porenkanälen
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Entbinderung
1. Wässriges Entbindern oder Extraktionsentbinderung (CO2, 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
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Entbinderung
Extraktionsentbinderung in überkritischem CO2
Überkritische Flüssigkeiten besitzen hohes
Lösevermögen Herauslösen organischer
Binderbestandteile möglich
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
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
80 145 20
145 155 5
155 160 2
Halten 4 Stdn bei 160 °C
160 170 2 – 5
170 220 10
220 300 20
Halten 2 Stdn bei 300 °C
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Entbinderung
Entbinderungsverhalten
Licomont
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Entbinderung
100 °C
200 °C
250 °C
150 °C
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
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
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Entbinderung
Konz. HNO3
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
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 Entbindernermöglichen
Langsamer Entbindern
Verwendung eines ungeeigneten Ofens mit
ungenügender Ventilation und ungenauer Steuerung
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Sinterung
Entbindern Sintern
MKS Kunststoffspritzguss GmbH
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Spritzgussbauteile
Handyoberschalen Geschirr: Arburg-Tasse, Quelle: Arburg
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Spritzgussbauteile
LEDs für Autos, transparente Keramik, Quelle: Internet Quelle:
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Spritzgussbauteile
Fadenführer, Textilindustrie,
Quelle:
Uhrengehäuse, Schmuckindustrie,
Quelle: Emil Bröll GmbH
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Haupttrends im CIM
Miniaturisierung Multifunktionalisierung
Mehrkomponenten CIM Kombination MIM-CIM Inmould labeling
Quelle: Fraunhofer IKTSQuelle: Fraunhofer IKTSQuelle: Fraunhofer IKTS
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Quelle: Fraunhofer IKTS
Kombination unterschiedlicher Eigenschaftenin 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
Multifunktionalisierung
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Materialien mit annähernd gleichem thermischen Ausdehnungs-koeffizienten
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!
Spritzguss – Verfahrensvarianten
Mehrkomponentenspritzgießen
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Spritzguss – Verfahrensvarianten
MehrkomponentenspritzgießenOption 1: Drehteller
additive Methodealternativ: Indexplatte, Kernzug
Option 2: Intervalleinheit
sequentielle Methode (entweder simultan oderseriell)
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
Drehtellerwerkzeug Kernzugwerkzeug
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Quelle: Fraunhofer IKTS
Design: Robert Bosch GmbH
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
Al2O3
ZTA
ATZ
sh
rin
ka
ge
[%
]
temperature [°C]
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
-13,0
-12,8
-12,6
-12,4
-12,2
-12,0
-11,8
-11,6
-11,4
-11,2
co
ntr
actio
n [
%]
temperature [°C]
ATZ
ZTA
Al2O
3
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Spannung[V] ErreichteTemperatur [°C]
11 1040
12 1100
13 1230
Ansprechzeit: 3 s Quelle: Fraunhofer IKTS
Keramische Glühkerze (2K-Niederdruckspritzguss)
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
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
Stahl 17-4 PH und Partially Stabilized Zirconia
Mechanische Verklammerung oder Mikroverzahnung
Formschluss
Stoffschluss über chemische Bindung
Bindemechanismen in Metall-Keramik-Werkstoffverbundbauteilen
Kombination MIM-CIM
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIMKombination MIM-CIM
Quelle: Fraunhofer IKTS
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Herstellung und Strukturierung von metallischen und keramischen Grünfolien
Functionally Graded Materials (FGM)
Bauteilverbunde
Fadenführer, Textilindustrie, Quelle: Fa. Rauschert
Inmould-Labeling
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Inmould-Labeling
Schließen +
Einspritzen
Öffnen + Auswerfen
IML-Werkzeug
µ-strukturierter Formeinsatz
Metall oder
Keramik Film
PIM-Feedstock enthält Pulver 1Ehemaliger Film enthält Pulver 2
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Inmould-Labeling
mikrostrukturierte Folie
Quelle: KIT
Grünling, ZrO2-gefüllte Folien und Feedstocks
ehemalige Trennlinie
Folie
Feedstock
Quelle: KIT
Folie
Keramik-Feedstock
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Spritzguss – Bauteilfehler
häufige Spritzgießfehler Parameter zur Beeinflussung von Fehlern
Bindenähte
Lufteinschlüsse
Vakuolen
Einfallstellen
Risse
Binderseparationen
Freistrahl
Überspritzungen
Bauteilgewicht
unscharfe Ecken
kalte Pfropfen
Kaltverschiebungen
Einspritzgeschwindigkeit
Umschaltpunkt
Nachdruck
Zuhaltekraft
Werkzeugtemperatur
Zylindertemperatur
Kühlzeit
Dosiergeschwindigkeit
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
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
© Fraunhofer
Keramikspritzguss - CIM
Danke für die Aufmerksamkeit