DE10118254A1

DE10118254A1 - Pulverspritzverfahren keramischer und/oder metallischer Pulver

Info

Publication number: DE10118254A1
Application number: DE2001118254
Authority: DE
Inventors: Joachim Schnieders; Helmut Potente
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2001-04-11
Publication date: 2002-10-17

Abstract

Bei einem Pulverspritzverfahren für die Herstellung von Bauteilen nahezu beliebiger komplexer Geometrie werden die Verfahrensschritte des Aufbereitens eines Pulvers und eines Binders für ein Spritzgießen, des Pulverspritzens für die Erstellung eines Grünlings, des Fügens von wenigstens zwei Grünlingen zu einem Gesamtgrünling, des Debinderns des Gesamtgrünlings für das Erstellen eines Gesamtbraunlings und des Sinterns des Gesamtbraunlings durchgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Pulverspritzverfahren, auch als Pulverspritzgießverfahren häufig bezeichnet, keramischer und/oder metallischer Pulver.

Keramik- oder metallgefüllte Kunststoffe werden heute in zunehmendem Maße zur Herstellung von Sinterbauteilen eingesetzt, wobei der Kunststoff die Aufgabe hat, eine Verarbeitung auf gängigen Spritzgießmaschinen zu ermöglichen. Das Pulverspritzgießverfahren eignet sich im besonderen Maß für die Serienfertigung keramischer oder auch metallischer Bauteile. Dies gilt aufgrund der sehr guten Automatisierbarkeit vor allem dann, wenn die Bauteile in großen Stückzahlen hergestellt werden sollen.

Anwendungsbeispiele dieser Keramik- oder Metallbauteile finden sich in der Medizintechnik, der Luft- und Raumfahrttechnik, in der Automobil- und Elektroindustrie. Dem eigentlichen Pulverspritzverfahren geht der Verfahrensschritt voran, daß keramische und/oder metallische Pulver in einer Aufbereitungsphase mit einem Binder zu mischen bzw. die Pulverpartikel in einem Binder einzuschließen sind. Hierbei finden regelmäßig thermoplastische Binder zumeist auf Polyolefin- oder Polyacetat-Basis Verwendung. Ein so mit ca. 70 Vol.-% hochgefüllter Kunststoff kann in einem üblichen Spritzgießverfahren verarbeitet werden. Der hierbei erhaltene Grünling wird in einem darauf folgenden Schritt von dem Binder befreit, der nur ein temporäres Hilfsmittel für den Spritzgießprozess darstellt. Beispielsweise wird in dieser sogenannten Debinderphase der Grünling über ein vorgegebenes Temperaturprogramm auf ca. 600°C erhitzt, wodurch der Kunststoff ausgetrieben wird. Der so erhaltene Braunling auf keramischer und/oder metallischer Basis wird dann bei Temperaturen von bis zu 1800°C gesintert, wodurch ein kompaktes keramisches/metallisches Bauteil einer Dichte von 98% bis 99% des theoretischen Wertes des eingesetzten Grundmaterials erhalten wird.

Allerdings eignen sich die bekannten Spritzverfahren lediglich für einfache Geometrien. Beispielsweise sind größere Hinterschneidungen und andere geometrische komplexe Bauteile in einem Spritzgießprozess nur bedingt herstellbar und falls überhaupt möglich, nur mit erheblichem Aufwand. So beschreibt beispielsweise die DE 199 35 276 ein Verfahren zur Herstellung komplex geformter Bauteile hoher Festigkeit und Ducktilität durch Metallformspritzen von hochreinen Titanlegierungen mit einer Sinterung unter einer Schutzgasatmosphäre oder in einem Vakuum. Aus der DE 198 27 618 ist weiter bekannt, verlorene Kerne aus dem Material der Binderkomponente für das Schaffen von Hohlräumen eines Formteiles zu verwenden.

Weiter sind regelmäßig bei geometrisch komplexeren Bauteilen Nachbearbeitungsschritte noch nötig, wobei insbesondere eine spanende Bearbeitung aufgrund der hohen Festigkeit und des spröden Werkstoffverhaltens gesinterter Bauteile aufwendig ist.

Vor diesem technischen Hintergrund macht die Erfindung es sich zur Aufgabe, ein Pulverspritzverfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem Bauteile nahezu beliebig komplexer Geometrie herstellbar sind.

Zur Lösung dieser technischen Problematik wird gemäß des Anspruchs 1 auf ein Pulverspritzverfahren keramischer und/oder metallischer Pulver abgestellt, daß die Verfahrensschritte

- des Aufbereitens eines Pulvers mit einem Binder,
- des Pulverspritzens für die Erstellung eines Grünlings,
- des Fügens von wenigstens zwei Grünlingen zu einem Gesamtgrünling,
- des Debinderns des Gesamtgrünlings für das Erstellen eines Gesamtbraunlings und
- des Sinterns des Gesamtbraunlings.

aufweist.

Zwar weist das Pulverspritzverfahren nach der Erfindung gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren einem zusätzlichen Verfahrensschritt auf, nämlich des Fügens von wenigstens zwei Grünlingen zu einem Gesamtgrünling, jedoch ist durch diese Maßnahme erreicht, daß eine komplexe Geometrie durch eine Vielzahl einfacher, spritztechnisch leicht zu erstellender Grünlinge zusammengesetzt wird. Dieser zusammengesetzte Grünling wird in üblicher Weise einer Debinderung und der Gesamtbraunling der üblichen Sinterung unterzogen, um gesinterte Bauteile komplexer Geometrien letztlich zu erhalten.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß das Fügen der wenigstens zwei Grünlinge kaum oder nur wenig, jedenfalls in vernachlässigbarem Maß, Einfluß auf das gesinterte Gesamtbauteil hat. Anders als bei nach dem Sinterprozess hergestellten Verbindungen zwischen zwei gesinterten Bauteilen für das Erstellen eines Gesamtbauteils liegen keine Phasengrenzen oder Übergangsbereiche unterschiedlicher Gefügeausbildungen zwischen den einzelnen Bauteilkomponenten vor. Vielmehr kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht werden, daß auch in den Fügebereichen nach dem Sinterprozess eine nahezu homogene Materialausbildung erfolgt ist.

Dies kann insbesondere dann erreicht werden, wenn der Binder selbst für das Fügen herangezogen wird. Hierzu bieten sich eine Vielzahl von Möglichkeiten an, die im wesentlichen durch den verwendeten Binder bestimmt werden.

Eine mögliche Erklärung der Homogenität des gesinterten Bauteiles mag darin liegen, daß beim Spritzgießverfahren Metall- bzw. Keramikpulver und Binder weitestgehend gleichmäßig verteilt ist und bei einem Fügen, d. h. dem Zusammensetzen einzelner Bauteile zu einem gesamten, die Homogenität von Binder und keramischen und/oder metallischen Pulver nicht verändert wird. Nach dem Debindern und dem Sintern entsteht damit der homogene Verbund.

Als Binder findet ein Kunststoff und/oder ein Wachs entsprechend dem Stand der Technik Verwendung. Beide Binder haben den Vorteil, daß ein Fügen durch Schweißen erfolgen kann. Es kann das Schweißen in üblicher Weise thermisch erfolgen, wobei die Fügeflächen insbesondere partiell erwärmt und verbunden werden. Alternativ bieten sich als Schweißverfahren Vibrations- und Ultraschallschweißverfahren an, auch wenn der Grünling eine geringe Festigkeit von 2 N/mm²-3 N/mm² aufweist und damit nur geringe Angleich-, Fügedrucke und Schwingungsamplituden möglich sind.

Insbesondere bei Schweißverfahren der genannten Art kann erreicht werden, daß im Bereich der Fügefläche das Pulver und Binder weitestgehend homogen verteilt sind. Zwar lassen mikroskopische Aufnahmen von Versuchen unter Verwendung isochromatischen Lichtes eine Fügefläche zweier Grünlinge gerade noch erahnen, jedoch ist in dem gesinterten Bauteil die Schweißnaht nicht mehr erkennbar, so daß trotz des Zwischenschrittes des Fügens von einem homogenen gesinterten Bauteil gesprochen werden kann.

Eine Alternative zum Schweißen, bei dem eine unmittelbare Verbindung zwischen Fügeteilen erzielt wird, ist ein Fügen durch Kleben. Hierbei ist an ein Benetzen der Fügeflächen mit insbesondere einen flüssigen bis pastösen Klebstoff gedacht, der mit den Fügeflächen physikalische oder chemische Bindungen eingeht, ohne das die Fügeflächen aufgeschmolzen oder angelöst werden. Ein Kleben weist den Vorteil auf, daß Unebenheiten aufgefüllt werden können, so daß ein Anpassen der Fügeteile sowie ein Anpressen nicht unbedingt nötig ist. Auch wird, da die Fügeteile nicht verformt werden, eine hohe Maßhaltigkeit der Verbindung gewährleistet.

Geeignete Klebstoffe sind beispielsweise Epoxydharze, die für eine einfache Applikation sowie zum Erreichen einer schnellen Abbindung auch als reaktive Schmelzklebstoffe Verwendung finden können. Thermoplastische Schmelzklebstoffe sowie Dispersionsklebstoffe können gleichwohl zur Anwendung gelangen. Es versteht sich von selbst, daß die Wahl der Kleber mit einer geeigneten Behandlung der Fügeflächen einhergeht, da insbesondere bei Bindern auf Wachs- oder Polyolefin-Basis nur eine geringe Aktivität der Oberfläche vorliegt.

Bei geeignet gewählten Bindern auf Kunststoffbasis kann ein Fügen auch durch ein Anlösen der Oberflächen der Fügeflächen durch ein Lösungsmittel erfolgen. Gegebenenfalls unter Druck gefügt, entsteht eine enge molekulare Bindung im Bereich der Fügeflächen. Ein solches Fügen kommt vorteilhafterweise ohne jede weiteren Zusätze aus. Nach Ausdiffundieren des Lösemittels können sich in der beschriebenen Weise die Verfahrensschritte des Debinderns und des Sinterns anschließen.

Da durch einen Klebstoff Unebenheiten auch ausgefüllt werden können, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, daß der Kleber entsprechend dem Binder gefüllt ist, also entsprechend dem Binder mit keramischen und/oder metallischem Pulver aufbereitet wurde. Ziel ist es, eine Homogenität der Verteilung des Pulvers auch über die Trennstelle zu erreichen. So können im Debinderprozess keine trennenden Hohlräume entstehen, vielmehr ist auch dann eine Homogenität des Materials weitestgehend gewährleistet.

Durch das Verfahren nach der Erfindung ist es ermöglicht, gesinterte Bauteile komplexer Geometrien vergleichsweise einfach und kostengünstig zu erstellen.

Claims

1. Pulverspritzverfahren keramischer und/oder metallischer Pulver, aufweisend die Verfahrensschritte

- des Aufbereitens eines Pulvers und eines Binder für ein Spritzgießen,
- des Pulverspritzens für die Erstellung eines Grünlings,
- des Fügens von wenigstens zwei Grünlingen zu einem Gesamtgrünling,
- des Debindern des Gesamtgrünlings für das Erstellen eines Gesamtbraunlings und
- des Sinterns des Gesamtbraunlings.

2. Verfahren nach Anspruch 1, daß der Binder für das Fügen herangezogen wird.

3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder ein Kunststoff ist.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder ein Wachs ist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fügen durch Schweißen erfolgt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fügen durch Kleben erfolgt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fügen durch ein Anlösen des Binders erfolgt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für ein für ein Kleben der Grünlinge verwendeter Klebstoff entsprechend dem Binder gefüllt ist.