DE10027551B4

DE10027551B4 - Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus einer plastisch verarbeitbaren Formmasse auf der Basis von Bienenwachs, Lösungsmittel und sinterfähigen Pulvern und eine Verwendung der Formmasse

Info

Publication number: DE10027551B4
Application number: DE2000127551
Authority: DE
Inventors: Thomas Hesse; Andree Pehling
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-06-02
Filing date: 2000-06-02
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2020-06-03
Also published as: DE10027551A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung poröser oder dichter Formkörper, bei dem ein Gemisch aus unter 500°C nicht schmelzbarem Pulver oder Pulverkomposit, Lösungsmittel und Bienenwachs zu einem Grünkörper verarbeitet wird und dieser anschließend getrocknet, entbindert und gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das Gemisch derart aus dem Pulver, dem Lösungsmittel und dem Bienenwachs gebildet wird, daß es als fließfähige oder plastisch verformbare Masse vorliegt, wonach diese in die vorbestimmte Form drucklos oder unter Druck vergossen oder mittels Extruder verarbeitet wird, wobei der Wachsanteil im Gemisch mindestens 10 Vol% beträgt und die Masse vor, während oder nach dem Formgebungsprozeß und der Formkörper während des Trocknens so temperiert wird, daß die Temperatur unter der Erweichungstemperatur des Bienenwachses liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dichter oder poröser Formkörper aus Bienenwachs, Lösungsmittel und unter 500°C nicht schmelzbaren Pulvern. Aus der Masse wird ein Grünkörper geformt, der entbindert und gesintert wird.
Zur Herstellung wurden bisher viskose Gemische aus Pulver und Binder (Wachse, Kunststoffe) eingesetzt. Diese wurden unter Druck von einigen 100 bar in die vorbestimmte Form gepreßt. Aufgrund der hohen Viskosität der Massen lassen sich enge Hohlräume in der Form nur schwer füllen. Außerdem zeigt sich, daß beim anschließenden Entbindern der Grünkörper unerwünschte Rückstände im Werkstück verbleiben können.

Es gibt Verfahren ( DE 197 17 460 A1 / EP 0 525 325 A1 ), nach denen aus Pulver, Binder und Lösungsmittel eine frei fließende Masse hergestellt wird, die sich zu Grünkörpern verarbeiten läßt. Im Unterschied zu dem hier vorgestellten Verfahren werden nur relativ geringe Mengen an Binder eingesetzt (2 bis 5 Vol%). Die Verfestigung geschieht durch Abdampfen des Lösungsmittels. Die Menge an Binder ist dabei so bemessen, daß sie gerade zur Verfestigung des Binder-Pulver-Gemisches ausreicht.

Bei dem Verfahren EP 0 276 760 A1 wird zunächst ein frei fließendes Pulver aus Lösungsmittel, Binder und Pulver hergestellt, das dann zu Grünkörpern verarbeitet wird. Als Binder werden Polyalkencarbonate genannt. Bei dem Verfahren EP 0 473 022 A2 wird ein versinterbares Pulver mit einem durch Alkoxylierung von aliphatischen Alkoholen, Fettsäuren, Fettsäureamiden oder aliphatischen Aminen erhältlichen Tensid und einem organischen Lösungsmittel vermischt. Auch bei diesen beiden Verfahren werden verhältnismäßig geringe Bindermengen verwendet.

Der Vorteil der hier vorgestellten Methode liegt zum einen darin, daß nur Bienenwachs als Binder Verwendung findet. Dieses läßt sich bei relativ niedrigen Temperaturen (ca. 200°C–300°C) abdampfen bzw. abbrennen. Die Fließeigenschaften und das Erstarrungsverhalten können durch den Gehalt an Feststoff und Lösungsmittel gut auf das jeweilige Formgebungsverfahren abgestimmt werden. Vorteilhaft ist ein Lösungsmittel, das nur bei erhöhter Temperatur das Bienenwachs gut löst, so daß durch Temperaturabsenkung vor, während oder nach dem Formgebungsprozeß eine Wachsausscheidung auftritt, wodurch die gegossenen oder gepreßten Körper formstabil werden. Dies hat den Vorteil, daß gegossene Körper unmittelbar nach dem Abkühlen entformt werden können, was bei den in EP 0 276 760 A1 und DE 197 17 460 A1 beschriebenen Verfahren nicht möglich ist. Das Trocknen der Grünkörper kann daher außerhalb der Form erfolgen, was sich günstig auf die Herstellungskosten auswirkt. Des weiteren ist Bienenwachs im Vergleich zu den z.B. beim Spritzguß eingesetzten Bindern relativ preiswert. Darüber hinaus ist Bienenwachs weder giftig noch umweltschädlich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein preisgünstiges Herstellungsverfahren bereitzustellen, das die eingangs genannten Nachteile weitestgehend vermeidet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Gemisch derart aus dem Pulver, dem Lösungsmittel und dem Bienenwachs hergestellt wird, daß dieses im warmen Zustand fließfähig ist und sich zum Gießen, Auftragen oder Sprühen in eine nicht poröse Form eignet, wobei bereits durch Abkühlen der Masse ein formbeständiger Grünling entsteht, oder im erkalteten Zustand plastisch verformbar ist, so daß die Masse z.B. mittels Knetformgebung zu Grünkörpern verarbeitet werden kann.

Zunächst wird das zu sinternde Pulver mit dem Lösungsmittel und dem Bienenwachs vermischt. Werden die Pulverteilchen vom Lösungsmittel schlecht benetzt, müssen zusätzlich geringfügige Mengen an Benetzungsmittel zugegeben werden. In vielen Fällen kann jedoch auf solche Zusätze verzichtet werden, da das Bienenwachs Substanzen enthält, die diese Aufgabe übernehmen.

Die Homogenisierung der Masse kann mit Rührern oder in Kugelmühlen erfolgen.

Aus dem Gemisch wird dann in einem zweiten Schritt ein Grünkörper geformt. Zwei Herstellungsvarianten sind möglich: Das in der Masse enthaltene Bienenwachs ist vollständig aufgelöst. Die Masse ist dann flüssig und kann drucklos vergossen oder unter Druck in die vorbestimmte Form gepreßt werden. Durch Abkühlen verfestigt sich die Masse und kann unmittelbar danach entformt werden. Die Masse kann jedoch auch nach dem Abkühlen, d.h. nachdem Anteile des Bienenwachses erstarrt sind, zu Formkörpern verarbeitet werden. Die Masse ist dann oft pastös und kann z.B. extrudiert werden, wobei nur sehr geringe Drücke zum Verarbeiten erforderlich sind.

In einem dritten Schritt wird das im Formkörper enthaltene Lösungsmittel abgedampft, was i.d.R. bei Raumtemperatur geschieht. Das Trocknen kann aber auch bei erhöhter Temperatur und/oder unter leichtem Unterdruck stattfinden und dadurch beschleunigt werden. Das im Grünkörper verbliebene Bienen wachs wird anschließend durch Wärmezufuhr bei erhöhter Temperatur entfernt. Das Entbindern geschieht üblicherweise im Temperaturbereich 200°C bis 300°C.

Sowohl das Trocknen als auch das Entbindern kann zügig erfolgen. Heizraten von 1K/min bis 10K/min sind durchaus möglich und sind damit deutlich höher als beim Spritz- oder Heißguß.

Die Unempfindlichkeit der Grünlinge gegenüber dem speziellen thermischen Zyklus des Trocknungs- und Entbinderungsprozesses hat zwei Ursachen:

a) Dadurch, daß Anteile des Bienenwachses während des Abkühlens kondensieren, bildet sich ein stabiles Netzwerk aus Pulverpartikeln und erstarrten Wachsanteilen. Dieses hat eine relativ hohe Festigkeit, so daß die Formkörper zügig getrocknet werden können, ohne daß es zu Gefügeschädigungen (Makrorissen) kommt.
b) Da die Formkörper nach dem Entfernen des Lösungsmittels offenporös sind, können die beim Entbindern entstehenden Dämpfe und Zersetzungsprodukte unbehindert den Grünkörper verlassen.

Die Braunlinge werden nach dem Entbindern gesintert. Enthalten die Körper oxidationsempfindliche Pulverteilchen (z.B. Graphit), muß die Sinterung unter Schutzgasatmosphäre ablaufen, es sei denn, daß eine Reaktion mit Sauerstoff erwünscht ist, z.B. um Platzhalter auszubrennen. Zur Steigerung der Dichte können die Braunlinge zusätzlich vor, während oder nach der Sinterung durch Druckbeaufschlagung verdichtet werden.

Werkstücke aus unterschiedlichen Schichtungen (gradierte Werkstücke) lassen sich herstellen, indem die aus unterschiedlichen Materialien gebildeten Massen nacheinander in eine Form gegossen werden, so daß ein Grünkörper aus übereinanderliegenden Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung entsteht. Auf diese Weise bildet sich ein Körper mit abgestufter Struktur, z.B. bezüglich Material, Porosität, Korn/ Teilchengrößenverteilung.

Es können aber auch vor, während oder nach dem Gießen Körper oder Fasergewebe in die Form eingebracht werden oder ein Werkstück kurzzeitig in die Masse eingetaucht werden. Dadurch ist es z.B. möglich, eine Beschichtung oder Umhüllung eines bereits erzeugten Körpers herzustellen.

Wird die Masse extrudiert, lassen sich auch Fasern in die Masse einbringen. Eine zweckmäßige Verfahrensweise besteht z.B. darin, daß man aus der Düse gleichzeitig Masse und Fasern austreten läßt. Hierdurch lassen sich Faser-Verbundwerkstoffe herstellen. Sind die Fasern zudem thermisch instabil, kann durch Abbrennen der während des Extrudierens eingebrachten Fasern eine gerichtete Porosität im Bauteil erzeugt werden.

Auch durch Extrudieren lassen sich Schichtwerkstoffe herstellen. Eine mögliche Verfahrensweise besteht darin, daß die aus zwei oder mehr Düsen austretenden Massen z.B. durch Zusammenwalzen zu einem Formkörper vereinigt werden.

Ausführungsbeispiel: Al₂O₃/Oktan/Bienenwachs

1. Werkstoffe: Aluminiumoxid, Alcoa CT-3000SG, Teilchengöße < 1 μm, 35Vol%; Oktan (H₁₈C₈), 45Vol.%; Bienenwachs, gebleicht, 20Vol.%, Erweichungstemperatur 60-65°C
2. Mischen der Komponenten: Als erstes wird das Lösungsmittel (Oktan) auf ca. 80°C aufgewärmt. Sodann erfolgt die Zugabe des Bienenwachses. Dieses wird unter ständiger Wärmezufuhr und Rühren vollständig aufgelöst. Als letztes wird das Al₂O₃-Pulver zugegeben. Die Masse wird anschließend für ca. 10 Min. bei 80°C gerührt.
3. Homogenisieren: Die Masse wird mit einem Hochgeschwindigkeitsrührer (IKA-T25, Dispergierwerkzeug S20-25NK-19G) für ca. 15Min. bei 80°C gerührt. Anschließend wird die Masse mit einem Ultraschall-Desintegrator (Branson-Sonifier, Modell W-450) für ca. 10 Min. beschallt.
4. Gießen (Formfüllung): Die auf 50°C abgekühlte Masse wird in eine Form aus Zahnabformmasse gegossen und unmittelbar nach dem Abkühlen entformt.
5. Trocknen: Die Körper werden für 24h an Luft bei Raumtemperatur getrocknet.
6. Entbindern und Sintern: Das Verdampfen/Abbrennen des Bienenwachses sowie das Sintern des Restkörpers erfolgt in einem elektrisch beheizten Ofen an Luft. Der Formkörper wird mit 5°C/min. auf 1600°C aufgeheizt und 2 h bei dieser Temperatur gesintert.

Claims

Verfahren zur Herstellung poröser oder dichter Formkörper, bei dem ein Gemisch aus unter 500°C nicht schmelzbarem Pulver oder Pulverkomposit, Lösungsmittel und Bienenwachs zu einem Grünkörper verarbeitet wird und dieser anschließend getrocknet, entbindert und gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das Gemisch derart aus dem Pulver, dem Lösungsmittel und dem Bienenwachs gebildet wird, daß es als fließfähige oder plastisch verformbare Masse vorliegt, wonach diese in die vorbestimmte Form drucklos oder unter Druck vergossen oder mittels Extruder verarbeitet wird, wobei der Wachsanteil im Gemisch mindestens 10 Vol% beträgt und die Masse vor, während oder nach dem Formgebungsprozeß und der Formkörper während des Trocknens so temperiert wird, daß die Temperatur unter der Erweichungstemperatur des Bienenwachses liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse unter gleichzeitiger Temperierung und Erschütterung der Form in diese eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus unterschiedlichen Materialien gebildete Gemische nacheinander in eine Form gegossen oder miteinander verpreßt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch über/oder um einen in die Form vorab eingebrachten Grünkörper oder ein bereits fertiges Werkstück eingefüllt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse während des Trocknens und/oder Entbinderns einem Über- oder Unterdruck und/oder unterschiedlichen Gasatmosphären ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Grünkörper mit einer Rate von 1 bis 10°C/min aufgeheizt wird und je nach Zusammensetzung und Größe des gebildeten Körpers bis zur Entfernung der Binder auf Temperaturen zwischen 200°C und 600°C gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper nach dem Entbindern mit einer Rate von 1 bis 10°C/min auf eine Sintertemperatur aufgeheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper vor, während oder nach dem Sintern durch kalt- oder heißisostatisches Pressen verdichtet wird.
Verwendung der gemäß Anspruch 1 hergestellten Masse zur Beschichtung eines Körpers durch Aufsprühen, Aufstreichen der Masse oder durch kurzzeitiges Eintauchen eines Körpers in die Masse.