DD288062A7

DD288062A7 - METHOD AND DEVICE FOR THE ISOSTATIC FORMING OF SHAPES FROM CERAMIC, THERMOPLASTIC CASTING MOLDING MATERIALS

Info

Publication number: DD288062A7
Application number: DD30971287A
Authority: DD
Inventors: Ruediger Kupko; Klaus-Peter Leutert; Rudi Panknin; Ottmar Vogt; Hans Fechner; Roland Schreiber; Michael Guether
Original assignee: Werk F. Fernsehelektronik Gmbh,De; Keramische Werke Hermsdorf,De
Priority date: 1987-12-01
Filing date: 1987-12-01
Publication date: 1991-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur isostatischen Formgebung komplizierter keramischer Teile mit Wandstaerken 2 mm aus keramischen, thermoplastisch-gieszfaehigen Formmassen durch Niederdruckwarmspritzen in einem spezifischen Druckbereich von 0,1 bis 5,0 MPa, bei dem zur Nachfuehrung im Formwerkzeug an einer oder an mehreren Stellen gieszfaehige oder thermoplastisch verformbare Formmassen bevorratet werden, die einen mindestens im gleichen Zustand befindlichen Kern im zu formenden Keramikteil ueber ein oder mehrere elastische Elemente des Formwerkzeuges, deren Summe 10% der Gesamtoberflaeche des Formteiles nicht ueberschreitet im Temperaturbereich von 308 K bis 333 K und unter einem Druck von 0,1 MPa bis 5,0 MPa zugefuehrt werden.{Keramik; Warmspritzen; Niederdruck; komplizierte Bauteile; grosze Wandstaerken; Ausbeutesteigerung}The invention relates to a method for isostatic molding of complicated ceramic parts with Wandstaerken 2 mm of ceramic, thermoplastic-moldable molding compositions by low-pressure hot spraying in a specific pressure range of 0.1 to 5.0 MPa, in which the Nachfuehrung in the mold at one or more locations gieszfaehige or thermoplastically deformable molding materials are stored, the one in the same state located core in the ceramic part to be molded on one or more elastic elements of the mold whose sum does not exceed 10% of the total surface of the molding in the temperature range from 308 K to 333 K and under a Pressure of 0.1 MPa to 5.0 MPa. {Ceramic; Thermal spraying; Low pressure; complicated components; large walls; Increase in yield}

Description

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Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Formgebung keramischer Bauteile aus pulverförmig«!! Materialien über einen durch organische.Bindemittel zu erreichenden thermoplastischen, gießfähigen Zustand.The invention relates to a method for shaping ceramic components from pulverulent "!! Materials via a thermoplastic, pourable state to be achieved by organic binder.

Characteristic of the prior art

Es ist bekannt, pulverförmige Ausgangsstoffe mit Plastifizierungsmitteln aufzubereiten. Die so erhaltenen Massen lassen sich über Pressen, Gießen, Modellieren etc. und unter Erhöhung der Stofftemperatur zu formbeständigen Teilen verarbeiten. Bokannt sind auch Formgebungsverfahren für das Spritzgießen von Thermoplasten bei Spritzdrücken von >30 MPa und entsprechenden Schließdrücken am Formwerkzeug. Es ist weiter bekannt, daß bei den Hochdruckspritzvorfahren für Plastverarbeitung mit Nachdruck gearbeitet wird, der maximal die Höhe des Spritzdruckes erreichen kann und über den Anguß und Anschnitt auf das Formteil bis zurVersiegelung der Öffnungen wirksam wird. Bekanntsind ebenfalls Niederdruckverfahren zum Heißspritzen, wie sie in der DD-PS 67782 beschrieben sind. Dabei werden die Formmassen mit geringen Spritzdrücken in das Formwerkzeug gefördert und erstarren dort. Das Erstarren der Formteile erfolgt von den temperierten Wandungen des Formwerkzeuges aus in Richtung Formteilinneres. Auch bei diesem Verfahren wird der Spritzdruck bis zur Versiegelung der Öffnungen für die Massezuführung wirksam. Dadurch werden die mit der Erstarrung verbundenen Volumenkontraktionen durch eine Nachführung von Material weitgehend ausgeglichen. Bekannt ist ebenfalls die isostatische Verdichtung und Nachverdichtung pulverförmiger Materialien sowie Vorrichtungen zum Abbau von Spannungen innerhalb keramischer Rohlinge, wie sie in der DD-PS 244721 beschrieben sind. Bei diesem Verfahren werden vorgeformte Bauteile von außen nach innen ohne weitere Zuführung von Material und unter Veränderung der äußeren Abmessungen verdichtet bzw. nachverdichtet. Die genannten Verfahren eignen sich nicht zur Herstellung kompliziert goformter keramischer Teile mit Wandstärken >2mm aus unplastischen pulverförmigen Materialien, bei denen die bestimmende äußere Kontur in den folgenden Prozessen erhalten bleibt und nicht durch eine Nachbehandlung erst geschaffen werden muß. Auch die bekannten Verfahren der Niederdruckformgebung von keramischen Bauteilen aus einem thermoplastisch-oießfähigen Zustand eignen sich nicht oder nur bedingt zur Herstellung solcher Formteile mit Wändstärken >2mm.It is known to prepare pulverulent starting materials with plasticizers. The masses thus obtained can be processed by pressing, casting, modeling, etc. and increasing the temperature of the material to form-stable parts. Bokannt are also molding processes for the injection molding of thermoplastics at injection pressures of> 30 MPa and corresponding closing pressures on the mold. It is further known that in the high pressure injection molding process for plastic processing is carried out with emphasis, which can reach the maximum of the injection pressure and on the gate and gate on the molding until the sealing of the openings is effective. Also known are low pressure hot spraying methods as described in DD-PS 67782. The molding compounds are promoted with low injection pressures in the mold and solidify there. The solidification of the molded parts takes place from the tempered walls of the molding tool in the direction of molding inside. Also in this method, the injection pressure is effective until the sealing of the openings for the mass supply. As a result, the volume contractions associated with the solidification are largely compensated by a tracking of material. Also known is the isostatic compression and densification of powdery materials and devices for reducing stresses within ceramic blanks, as described in DD-PS 244721. In this method, preformed components are compacted or recompressed from the outside to the inside without any further supply of material and changing the external dimensions. The methods mentioned are not suitable for the production of complicated goformter ceramic parts with wall thicknesses> 2 mm from non-plastic powdery materials in which the determining outer contour is maintained in the following processes and does not have to be created by a post-treatment. Also, the known methods of low-pressure molding of ceramic components from a thermoplastic-oießfähigen state are not or only partially for the production of such moldings with walls> 2mm.

Im Unterschied zu gefüllten thermoplastischen Formmassen enthalten die keramischen thermoplastischen Formmassen Füllstoffantelle von 75 bis 90Ma.-%. Die restlichen Anteile bestehen aus organischen Bindemitteln, mit deren Hilfe die pulverförmigen Ausgangsmaterialien bei Temperaturen oberhalb der Fließpunkte der organischen Bindemittel in den gießfähigen Zustand überführt werden. Keramische thermoplastisch-gießfähige Formmassen haben im Gegensatz zu flüssigen Metallen mit Newtonschem Fließverhalten, wie sie beim Wnrmkammefdruckgießverfahren zur Anwendung kommen und zu den reinen Thermoplasten mit plastischem Fließverhalten besondere rheologischo Eigenschaften, die bei dem Formgebungsprozeß zu berücksichtigen sind.In contrast to filled thermoplastic molding compositions, the ceramic thermoplastic molding compositions contain filler particles of 75 to 90% by mass. The remaining fractions consist of organic binders, with the aid of which the pulverulent starting materials are converted into the pourable state at temperatures above the yield points of the organic binders. Ceramic thermoplastic moldable molding compounds have particular rheological properties to be considered in the molding process, unlike Newtonian fluidized metals, such as those used in the blanket die casting process, and the pure plasticized thermoplastics.

Abhängig von der Art und Größe der elektrostatischen Wechselwirkung zwischen den Pulverteilchen und unter der Wirkung äußerer Kräfte können die Rheogramme alle Theologischen Besonderheiten aufw3iser>. Typische Fließkurven zeigen mit steigendem Schergefälle den folgenden Aufbau:Depending on the type and size of the electrostatic interaction between the powder particles and under the action of external forces, the rheograms may have all the theological features. Typical flow curves show the following structure with increasing shear rate:

- Fließgrenze- yield point

- unterer, angenähert Newtonscher dereich- Lower, approximated Newtonian dereich

- plastischer Übergangsbereich- plastic transition area

- oberer, angenähert Newtonscher Bereich- Upper, approximated Newtonian area

- dilatantor Übergangsbereich- dilatantor transition area

Fur die Formgebung werden in Abhängigkeit von der Geometrie der Formteile die Newtonschen Bereiche und der plastische Übergangsbereich genutzt, wobei sich das Arbeltsgebiet mit Verringerung des spezifischen Volumens zu höheren Schergefällen und somit In Richtung des oberen angenähert Newtonschen Bereiches verschiebt. Dilatantee Fließri ist wegen der damit verbundenen Phasentrennung fest-flüssig unbedingt zu vermeiden. Unter weiterer Berücksichtigung der erhöhten Wärmeleitfähigkeit der keramischen tharmoplastisch-gießfählgen Formmassen, bedingt durch die höhere Wärmeleitfähigkeit der Füllstoffe, ergeben sich für das Niederdruckwarmspritzverfahren wesentlich höhere Anguß- und Anschnittquerschnitte als bei dem Druckgießen von Metallen und dem Spritzgießen von Thermoplasten. Zur Vermeidung der Formfüllung durch strahlförmiges Fließverhalten dos Materials, wie es beim Druckgießen von Metallen zur Anwendung gelangt, bedingen die veränderten Anguß- und Anschnittquerschnitte eine Verringerung der Spritzdrücke beim Niederdruckwarmspritzrn von keramischen, thermoplastisch-gießfähigen Formmassen um den Fpktor 30 bis 50 gegenüber dem Spritzgießen von Thermoplasten.For shaping, depending on the geometry of the molded parts, the Newtonian regions and the plastic transition region are used, whereby the working region shifts with a reduction of the specific volume to higher shear rates and thus towards the upper approximate Newtonian region. Dilatantee Fließri must be avoided because of the associated phase separation solid-liquid. Taking into account the increased thermal conductivity of ceramic tharmoplastisch-casting-molding compounds, due to the higher thermal conductivity of the fillers, resulting for the low-pressure hot-spraying significantly higher runner and gate cross-sections than in the die casting of metals and the injection molding of thermoplastics. To avoid the mold filling by jet flow behavior of the material as used in the die casting of metals, the changed Angus and gate cross-sections require a reduction in injection pressures at Niederdruckwarmspritzrn of ceramic, thermoplastic-moldable molding compounds to the Fpktor 30 to 50 compared to the injection molding of thermoplastics.

Der Formteilaufbau erfolgt analog zum Spritzgießen von Thermoplasten durch eine thermoplastische gießfähige Seele, die sich trichterförmig von der Einfüllöffnung im Formteil ausbreitet. Die Erstarrung der thermoplastischen keramischen Formmasse beginnt an der Formenwandung und wandert kontinuierlich zur Formteilmitte. V.olumenkontraktionen bei der Erstarrung der Formmasse werden durch eine Nachführung von Material unter Formgebungsbedingungen durch die plastische, gießfähige Seele biszu ihrer Versiegelung am Anschnitt bzw. Anguß ausgeglichen. Nach dem Formgebungsprozeß werden die organischen Bindemittel bei erhöhten Temperaturen ausgetrieben und die Formteile durch Brennen verfestigt, Bei dickwandigen Formteilen mit Wandstärken >2mm ist dieser Prozeß mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden. So zeigen die thermisch behandelten Teile speziell beim Einsatz sehr feiner Ausgangsmaterialien mit spezifischen Oberflächen von a = 5 x 10³ bis 5 χ 10⁴m'· kg"' verringerte Festigkeiten und im Gegensatz zu den geformten Teilen sichtbare Veränderungen durch Einziehungen, Hohlräume und Risse.The mold part structure is analogous to the injection molding of thermoplastics by a thermoplastic pourable soul, which spreads funnel-shaped from the filling opening in the molding. The solidification of the thermoplastic ceramic molding compound begins at the mold wall and migrates continuously to the center of the mold. Volumetric contraction during the solidification of the molding compound are compensated by a tracking of material under molding conditions by the plastic, pourable soul up to their sealing at the gate or gate. After the forming process, the organic binders are expelled at elevated temperatures and the moldings solidified by firing, In thick-walled moldings with wall thicknesses> 2mm, this process is associated with considerable difficulties. Thus, the thermally treated parts, especially when using very fine starting materials with specific surface areas of a = 5 x 10 ³ to 5 χ 10 ⁴ m '· kg "' reduced strength and, in contrast to the molded parts visible changes by recoveries, cavities and cracks ,

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Formgebung keramischer Bauteile aus thermoplastisch-gießfähigen Massen durch Spritzgießen in einem Druckbereich von 0,1 bis 5,0MPa, bei dem die Formteile nach den thermischen Prozessen keinen fehlerhaften visuellen Veränderungen unterliegen und dem Werkstoff eigene Festigkeiten aufweisen.The aim of the invention is a method for shaping ceramic components from thermoplastic-pourable masses by injection molding in a pressure range of 0.1 to 5.0 MPa, in which the molded parts are subject to the thermal processes no erroneous visual changes and the material own strengths.

Explanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur isostatischen Formgebung von Formteilen aus keramischen, thermoplastischen, gießfähigen Formmassen, welches das unkontrollierte Erstarren der Formmasse im Inneren des Formteiles, verbundon mit unterschiedlichen Kontraktionsverhalten, verhindert.The object of the invention is a process for the isostatic shaping of molded parts made of ceramic, thermoplastic, castable molding compositions, which prevents the uncontrolled solidification of the molding compound in the interior of the molded part, verbundon with different contraction behavior.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Nachverdichtung im Formwerkzeug an einer oder an mehreren Stellen gießfähige oder thermoplastisch verformbare Formmassen bevorratet werden, die mindestens einem im gleichen Zustand befindlichen Kern im zu formenden Keramikteil über ein oder mehrere elastische Elemente des Formwerkzeuges, deren Summe 10% der Gesamtoberfläche des Formteiles nicht überschreitet, im Temperaturbereich von 308 bis 333 K und unter einem Druck von 0,1 MPa bis 5MPa zugeführt werden. Die eine Bevorratung im Formwerkzeug ermöglichenden elastischen Vorrichtungsteile werden beheizt und können aus Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen. Vorzugsweise werden als elastische Vorrichtungstelle solche aus Elastomeren eingesetzt.According to the invention the object is achieved in that for densification in the mold at one or more locations pourable or thermoplastically deformable molding materials are stored, the at least one core in the same state in the ceramic part to be molded on one or more elastic elements of the mold, the sum of the 10th % of the total surface area of the molded part, be supplied in the temperature range of 308 to 333 K and under a pressure of 0.1 MPa to 5 MPa. The stocking tool enabling elastic device parts are heated and may consist of materials with low thermal conductivity. Preferably, elastomers are used as the elastic device location.

Es hat sich gezeigt, daß die Kristallisation der n-Alkane im Temperaturbereich von 308K bis 328 K in der im Kern geformter Teile vorherrschenden nadeiförmigen hexagonalen ß-Modifikation unter erhöhtem Druck gehemmt bzw. gänzlich unterdrückt wird, wodurch sich der im Randbereich infolge der schnellen Abkühlung vorherrschende glasig-amorphe Zustand homogen im gesamten Formteil ausbildet.It has been found that the crystallization of the n-alkanes in the temperature range of 308K to 328 K in the core shaped parts prevailing hexagonal hexagonal ß-modification is inhibited under increased pressure or completely suppressed, resulting in the edge region due to the rapid cooling prevailing glassy-amorphous state forms homogeneously throughout the molding.

Die Freisetzung von adsorbierten Gasen wird durch die Druckbeauflagung thermoplastischer Bereiche im Inneren der Formteile verhindert. Die Formteile zeigen nach den thermischen Prozessen keine fehlerhaften visuellen Veränderungen. Sie weisen dem Werkstoff eigene Festigkeiten auf.The release of adsorbed gases is prevented by the pressure of thermoplastic areas in the interior of the moldings. The molded parts do not show any faulty visual changes after the thermal processes. They have their own strengths to the material.

embodiment The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.

Figur 1 zeigt den Aufbau zur Herstellung eines ringförmigen keramischen Formteiles aus keramischen thermoplastischgießfähigen Formmassen.Figure 1 shows the structure for producing an annular ceramic molded part of ceramic thermoplastischgießfähigen molding compounds.

Bei dem keramischen Material handelt es sich um ein hochtonerdehaltiges Pulver mit einer spezifischen Oberfläche a = 2 x 10⁴m² · kg"¹, welches in der Formmasse mit p? = 0,85 kg · kg-iMasseantoilen enthalten ist, und unter Verwendung von oberflächenaktiven Substanzen und Hanparaffin als organische Bindemittel verarbeitet wird. Die Formmasse 3 ist auf 360 K temperiert und wird mit einem Druck von 0,3MPa pneumatisch in ein Formwerkzeug mit einer Formtemperatur von 295K gespritzt.The ceramic material is a high alumina powder having a specific surface area a = 2 × 10 ⁴ m ² .kg ^-1 , which is contained in the molding compound with p 0 = 0.85 kg / kg mass and using The molding compound 3 is tempered to 360 K and is pneumatically injected at a pressure of 0.3 MPa into a mold having a molding temperature of 295K.

Der Forminnenraum wird dabei gegenüber der Anguß- und Anschnittöffnung durch eine wärmeisolierende Platte 1 aus Silikongummi verschlossen. Der Füllvorgang erfolgt von unten nach oben durch eine thermoplastische, gießfähige Seele 2, die sich in Richtung der Platte 1 trichterförmig erweitert. Nach Abschluß des Füllvorganges wird der Anguß 5 versiegelt und vom Formteil durch Lageveränderung des Formteiles 6 abgetrennt.The mold interior is thereby closed against the gate and gate opening by a heat-insulating plate 1 made of silicone rubber. The filling process is carried out from bottom to top by a thermoplastic, pourable soul 2, which widens in the form of a funnel in the direction of the plate 1. After completion of the filling of the gate 5 is sealed and separated from the molded part by changing the position of the molded part 6.

Über die Platte 1 wird das Formteil durch ein gasförmiges Medium 4 mit einem Druck von 3 MPa beauflagt. Unter diesem Druck und infolge des zwischen den Formenwandungen und der Platte 1 sich einstellenden Temperaturgradienten erstarren die organischen Bindemitteln der keramischen, thermoplastisch-gießfähigen Formmassen glasartig-amorph in der trichterförmigen Seele 2, wobei der Trichter sich verkleinert und zur Platte 1 hinwundert. Haben alle Formteilbereiche Temperaturen < 308K angenommen, wird die Druckübertragung über das gasförmige Medium 4 beendet, die Form geöffnet und das Formteil entnommen.About the plate 1, the molding is acted upon by a gaseous medium 4 with a pressure of 3 MPa. Under this pressure and as a result of the temperature gradient occurring between the mold walls and the plate 1, the organic binders of the ceramic, thermoplastic-moldable molding compounds solidify like a glass amorphous in the funnel-shaped core 2, whereby the funnel is reduced in size and mirrowed towards the plate 1. If all molding areas have assumed temperatures <308K, the pressure transfer via the gaseous medium 4 is terminated, the mold is opened and the molding is removed.

Claims

1. A process for the isostatic shaping of moldings of ceramic, thermoplastischgießfähigen molding compositions by low pressure hot spraying in a specific pressure range of 0.1 to 5 MPa with storage of molding compounds for dia tracking due Vohmenkontraktion during solidification, to the exclusion of molds in which pourable or thermoplastically deformable molding materials are completely surrounded by non-plastic molding compounds, characterized in that the castable or thermoplastically deformable molding materials are stored in the f-ornornraum at one or more points, which is a core located in at least in the same state in the ceramic part to be formed on one or more elastic elements of the mold whose sum does not exceed 10% of the total surface area of the molding, in the temperature range from 308 K to 333 K and under a pressure of 0.1 MPa bio 5.0 MPa are fed and the mold cavity for storing the pourable heated or thermoplastically deformable molding compositions and / or consist of a material with low thermal conductivity,

2. The method according to claim 1, characterized in that elastomers are used as the material with low thermal conductivity.