DE10014950C1

DE10014950C1 - Verfahren zum Freiformsintern eines Grünteils

Info

Publication number: DE10014950C1
Application number: DE2000114950
Authority: DE
Inventors: Andreas Stettin
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-03-22
Filing date: 2000-03-22
Publication date: 2001-05-03
Anticipated expiration: 2020-03-23

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Freiformsintern eines Grünteils zur Herstellung von Sinterteilen mit formgebender Fläche vorgeschlagen. Das Grünteil wird mindestens mit seiner formgebenden Fläche und Seitenflächenbereichen mit einem feinkörnigen Material, das mit dem Grünteil bei Prozeßtemperatur keine Verbindung eingeht, umgeben. Anschließend wird das Grünteil mit der formgebenden Fläche nach unten gesintert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Freiformsin tern von Grünteilen zur Herstellung von Sinterteilen, insbesondere im Rahmen des indirekten Lasersinterver fahrens (SLS), des 3D-Printing und des Metallspritz formverfahrens (MIM).

Unter einem Grünteil wird ein Gemenge aus Funktions werkstoff und Bindemittel in der Form eines zu erzeu genden Bauteils, aber zum Ausgleich der Schrumpfung beim Sintern in der Regel um Skalierungsfaktoren ver größert, verstanden. Das Bindemittel wird benötigt, um die Partikel des Funktionswerkstoffs in dem Bau teil zu fixieren. Es wird während des Sinterns ausge brannt. Ein Verfahren zum Sintern von Grünteilen zur Bildung eines Bauteils ist das Freiformsintern, das sich von anderen Sinterarten darin unterscheidet, daß das Grünteil ohne Form über ein Bindemittel in Form und drucklos gesintert wird. Bei dem Freiformsintern müssen gegenüber dem Drucksintern in vorgebenden Ma trizen eine Reihe von Nachteilen in Kauf genommen werden. Da der Grünling vor dem Sintern eine relativ geringe Dichte aufweist, ist die Schrumpfung relativ hoch und steigt mit dem Bindemittelgehalt. Weiterhin hat die Schwerkraft einen relativ hohen Einfluß auf die Sintervorgänge und die Genauigkeit der Sinterpro dukte ist relativ schlecht. Diese Nachteile treten um so deutlicher zutage, je größer die Masse des zu sin ternden Bauteils ist.

Bei der Erzeugung von Werkzeuggeometrien für Spritz- und Druckgußwerkzeugeinsätze besteht die Besonder heit, daß eine formgebende Seite bzw. Fläche und fünf im wesentlichen gerade Flächen vorhanden sind. Diese beiden Gruppen unterscheiden sich aufgrund ihrer Geo metrien in dar Fehlertoleranz, denn während die form gebende Seite schwierig zu bearbeiten ist, können die Seiten- und Bodenflächen leicht nachgefräst werden. Bei dem Freiformsintern nach dem Stand der Technik treten bei der formgebenden Fläche nach dem Sintern Stauchungen und Verwerfungen und Ebenheitsabweichun gen auf.

Aus der JP 07278608 A ist ein Verfahren zur Verhinde rung der Deformierung eines Sinterteils bekannt. Bei diesem Verfahren wird das Sinterteil auf ein Keramik pulver gelegt und gesintert, wobei das weiche Sinter teil während des Sinterns nicht durch die Schwerkraft verformt wird, da es gleichmäßig durch das Keramik pulver gestützt wird.

Die JP 58-113302 beschreibt ein Sinterverfahren für das Pulversintern, bei dem das Grünteil in ein für Gase durchlässiges mit Keramikpulver gefülltes Gefäß aufgenommen wird, derart, daß das Grünteil eingebet tet ist. Das Gefäß wird in einen Sinterofen einge bracht und wird beim Sintern durch das Keramikpulver gehalten.

JP 4-21704 offenbart ein Verfahren zum Sintern eines Grünteils aus einer Titaniumlegierung, das in ein CaO- oder ZnO₂-Pulver eingebettet und in einem Sinterofen gesintert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah ren zum Freiformsintern eines Grünteils zur Erzeugung gesinterter Bauteile mit einer überkritischen Masse und/oder Geometrie zu schaffen, bei dem die bekannten Nachteile des Freiformsinterns bei der formgebenden Fläche eines Bauteils, insbesondere, hinsichtlich der starken Verformung, vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Dadurch, daß das Grünteil mindestens mit seiner form gebenden Fläche und Seitenflächenbereichen in ein feinkörniges Material, das mit dem Grünteil bei Pro zeßtemperatur keine Verbindung eingeht, eingepackt wird und daß das Grünteil mit der formgebenden Fläche nach unten gesintert wird, können die Auswirkungen der ersten Phase des Sinterns, bei der die Partikel durch Rutschen und Gleiten umgelagert werden, und die stark von der Schwerkraft beeinflußt wird, da alle Teilchenbewegungen in Richtung der Schwerkraft ablau fen, auf die Unterseite des Bauteils verlagert wer den, wo sie im Falle der Herstellung von Formhälften weniger stören. Auf diese Weise treten an der formge benden Fläche keine Verformungen auf, und es sind kei ne Balligkeiten zu erkennen.

Mit der Erfindung wurde an einer Referenzgeometrie nachgewiesen, daß es möglich ist, sehr genaue Flächen zu erzeugen, wobei als Maß dafür die Balligkeit einer geraden Dichtfläche gelten kann. Mit dem Verfahren nach dem Stand der Technik konnten nur Flächen er zeugt werden, deren Balligkeit, d. h. Ebenheitsabwei chung, schlechter als ca. 0,3 mm auf 200 mm Länge ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren konnten Wer te unter 0,1 mm erreicht werden.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse rungen möglich.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah rens ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die ein zige Figur zeigt Verfahrensschritte a)-e) zur Her stellung des Bauteils.

Unter Zugrundelegung dieser Erkenntnis wird unter Be zugnahme auf die Figur das Verfahren zum Freiformsin tern eines Grünteils 1 beschrieben, das beispielswei se ein Bauteil für Spritz- und Druckgußwerkzeugein sätze ergeben soll. Entsprechend dem Schritt a) wird das Grünteil 1 in einen Tiegel 2 gestellt, wobei die formgebende Fläche 3 nach oben zeigt. Ggf. werden Hohlräume, wie z. B. Bohrungen, mit elastischem Mate rial so verschlossen, daß beim anschließenden Verfül len des Tiegels die Hohlräume nicht vollständig mit feinkörnigem Material ausgefüllt werden, da ansonsten Schrumpfungen mit der Folge von Rißbildungen behin dert würden.

Der Tiegel 2 wird mit einem feinkörnigen Material aufgefüllt, das mit dem Sintermaterial bei den beim Sintern aufgebrachten Temperaturen keine Verbindung eingeht. Ein solches feinkörniges Material wird bei spielsweise durch Keramikpulver gebildet. Das fein körnige Material 4 wird verdichtet, und der Tiegel wird mit einem Deckel 5 so verschlossen, daß kein Hohlraum entsteht oder verbleibt. Dies ist in dem Schritt b) zu erkennen.

Entsprechend Schritt c) wird der Tiegel 2 um 180° ge wendet, so daß die formgebende Fläche 3, die von dem feinkörnigen Material 4 eingeschlossen wird, nach un ten zeigt. Entsprechend Schritt d) wird das nun oben liegende lösbare Bodenteil 6 des Tiegels abgenommen, so daß die der formgebenden Fläche 3 gegenüberliegen de Fläche 7 freiliegt. Zur Erleichterung der Ausga sung kann noch etwas feinkörniges Material aus dem Tiegel 2 entfernt werden.

Anschließend wird der Tiegel in den Sinterofen ge stellt und das Grünteil versintert. Entsprechend Schritt e) ist nach dem Sintern die freiliegende Flä che 7 etwas eingesunken, die formgebende Fläche 3 hat jedoch ihre Form und Konturen beibehalten.

Wenn das Grünteil bzw. das Bauteil größere Höhenun terschiede aufweist, die etwa bei Werten ab 10 mm- 20 mm liegen, wird das Sintern zweistufig durchge führt. In der ersten Stufe wird in der Anordnung ent sprechend Schritt d) bei möglichst geringen Prozeß temperaturen gesintert, wobei die Temperatur zwischen 0,4 Ts und 0,7 Ts (mit Ts ist die Schmelztemperatur des Basiswerkstoffs im Pulversystem gemeint) bei spielsweise bei Stahl ca. 700°C beträgt. In dieser ersten Stufe wird ein geringer Sintergrad erreicht, bei dem kleine Materialbrücken zwischen den Teilchen entstehen, die ein gewisses Maß an Stabilität bzw. Fixierung der Teilchen mit sich bringen. In der zwei ten, nicht dargestellten Stufe wird das Bauteil durch erneutes Verschließen des Tiegels 2 mit dem Bodenteil 6 wieder um 180° gedreht und entsprechend Schritt b) "auf die Füße" gestellt, der Deckel 5 wird abgenommen und das Bauteil selbst befreit. Anschließend wird das Bauteil bei hoher Temperatur zwischen 0,7 Ts und 0,9 Ts versintert. Durch diese Maßnahme kann ein Verzug aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungsverhalten von feinkörnigem Material, wie Keramikpulver, und dem gesinterten Bauteil weitgehend vermieden werden.

Das Sintern von Metallen wird vorzugsweise in einer reduzierenden Atmosphäre, z. B. mit Wasserstoff oder Wasserstoff-Stickstoff oder Wasserstoff-Edelgas durchgeführt. Dadurch werden die Oberflächen der Par tikel von Oxiden und Resten des Bindemittels gerei nigt und somit die Diffusion erleichtert.

Claims

1. Verfahren zum Freiformsintern eines Grünteils zur Herstellung von Sinterteilen mit formgeben der Fläche, dadurch gekennzeichnet, daß das Grünteil mindestens mit seiner formge benden Fläche und Seitenflächenbereichen mit ei nem feinkörnigen Material, das mit dem Grünteil bei Prozeßtemperatur keine Verbindung eingeht, umgeben wird und daß das Grünteil mit der form gebenden Fläche nach unten gesintert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feinkörnige Material zur Vermeidung von Hohlräumen verdichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Grünteil in einen Tiegel mit lösbarem Boden gestellt wird, wobei die formgebende Flä che nach oben zeigt,
der Tiegel mit dem feinkörnigen Material aufge füllt und verdichtet wird und anschließend ohne Hohlraumbildung verschlossen wird,
der Tiegel um 180° gewendet und der Boden abge nommen wird und anschließend in einen Sinterofen eingebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erleichterung der Ausgasung ein Teil des feinkörnigen Materials vor dem Sintern entfernt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern in zwei Stufen durchgeführt wird, wobei in der ersten Stufe je nach Material des Grünteils zur Erreichung eines geringen Sin tergrades eine niedrige Prozeßtemperatur zwi schen 0,4 Ts und 0,7 Ts eingestellt wird und daß in der zweiten Stufe das mit geringem Sintergrad gesinterte Bauteil umgedreht wird, derart, daß die formgebende Fläche nach oben zeigt, das feinkörnige Material im wesentlichen entfernt und das Bauteil bei hoher Temperatur zwischen 0,7 Ts und 0,95 Ts versintert wird, wobei Ts die Schmelztemperatur des Basiswerkstoffs des Grün teils ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Sintern von Metallen eine reduzierende Atmosphäre hergestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als reduzierende Atmosphäre Wasserstoff, Wasserstoff-Stickstoff oder Wasserstoff-Edelgas gewählt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das feinkörnige Material Keramikpulver ist.