Aufgabe
der Erfindung ist es, ein kostengünstiges Verfahren anzugeben,
das die Herstellung komplexer Hohlkörper aus wärmebeständigem Material ermöglicht.
Dabei soll eine möglichst
freie Wahl der Geometrie der Hohlkörper möglich sein. Weiterhin soll
auch die Verwendung verschiedener Werkstoffe innerhalb eines Bauteils
möglich
sein.
Lösung
Diese
Aufgabe wird durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Es
wird ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers vorgeschlagen, welcher
mindestens eine metallische und/oder keramische Komponente aufweist.
Das Verfahren soll folgende Schritte aufweisen (siehe 1):
- a) ein Bindermaterial wird mit einem keramischen und/oder
metallischen Pulver gemischt (Schritt 10 in 1),
- b) die Viskosität
des Gemischs wird auf einen Wert von mindestens 1000 Pa s eingestellt (Schritt 12),
- c) das entstandene Gemisch wird mittels einer oder mehrerer
Düsen zu
einem Schlauch geformt (Schritt 14),
- d) der Schlauch wird mittels eines Blasformverfahrens zu einem
zweiten Hohlkörper
(Grünling) geformt
(Schritt 16),
- e) der Grünling
wird unter Entfernung des Bindermaterials (Entbindern) in einen
dritten Hohlkörper (Braunling)
umgewandelt (Schritt 18) und
- f) der Braunling wird durch einen Temperaturbehandlungsschritt
(Sintern) in den ersten Hohlkörper
umgewandelt (Schritt 20).
Verfahrensschritt
c) wird dabei so durchgeführt,
dass der erzeugte Schlauch eine makroskopisch variierende Zusammensetzung
aufweist.
Die
Verfahrensschritte a), e) und f) weisen Ähnlichkeiten mit dem aus der
Spritzgusstechnologie bekannten sogenannten "Powder Injection Molding"-Verfahren (PIM)
auf. Bei diesem Verfahren wird aus einem thermoplastischen Gemisch
aus einem Bindermaterial und einem metallischen oder keramischen
Pulver mittels einer handelsüblichen
Spritzgießmaschine
und einem entsprechenden Werkzeug ein Grünling geformt. Nach dem Entformen
wird durch eine erste Behandlung mit erhöhter Temperatur, durch verschiedene
Lösemittel
oder durch Katalysatorbehandlung das Bindermaterial aus dem Grünling entfernt,
wodurch ein Braunling entsteht. Anschließend wird dieser Braunling
gesintert, so dass ein solides metallisches bzw. keramisches Bauteil
entsteht.
Entsprechend
der verwendeten Werkstoffe unterscheidet man beim PIM-Verfahren
zwischen "Metal
Injection Molding" (MIM)
und "Ceramic Injection
Molding" (CIM).
Ein Beispiel für
die Verwendung von MIM für
die Herstellung von Kameragehäusen
ist in
JP 2001288501
A beschrieben.
Die
Verwendung des Spritzgussverfahrens in Form eines PIM-Prozesses bereitet
jedoch insbesondere bei Bauteilen, welche einen Hohlraum aufweisen,
häufig
unüberwindbare
Schwierigkeiten. Daher ist auch die Herstellung metallischer oder
keramischer Hohlkörper
nach dem MIM- bzw. CIM-Verfahren bislang nicht oder nur schwer möglich. In
der
JP 08143911 A ist
ein Verfahren beschrieben, nach welchem mittels eines zentralen
Dorns in einem Werkzeug ein axialer Hohlraum in einem MIM- bzw. CIM-Bauteil
erzeugt werden kann. Auf diese Weise lassen sich also auch durch
Spritzguss Hohlkörper erzeugen,
wobei jedoch, da der zentrale Dorn nach dem Spritzguss aus dem Bauteil
entfernt werden muss, die Wahl der Geometrie der Hohlkörper stark beschränkt ist.
Das
erfindungsgemäße Verfahren überwindet
diese Problematik, indem das Prinzip des PIM-Verfahrens mit Aspekten
der Blasformtechnologie kombiniert wird. Eine Übersicht über die verschiedenen bekannten
Blasformverfahren findet sich beispielsweise in DuPont Technische
Kunststoffe: Blasformanleitung.
Beim
Blasformen wird ein Schlauch in einem Werkzeug aufgeblasen, bis
er die Form des Formnests im Werkzeugs angenommen hat. Die bekannten
Blasformverfahren sind allerdings bislang nur für bestimmte technische Kunststoffe
einsetzbar, nicht jedoch für
die beim PIM-Verfahren eingesetzten Gemische, da bei diesen Gemischen
die Viskosität
zu gering ist. Daher lässt
sich mit diesen Gemischen kein stabiler Schlauch erzeugen, wie er
für das
Blasformverfahren erforderlich ist. Beim erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Viskosität
des Gemischs auf einen Wert von mindestens 1000 Pascalsekunden eingestellt,
was die Herstellung eines stabilen Schlauches ermöglicht.
Dieser kann dann mittels des Blasformverfahrens verarbeitet werden.
Auf diese Weise lassen sich durch das beschriebene Verfahren auch
komplexe metallische und/oder keramische Hohlkörper herstellen.
Unter
einem Hohlkörper
im Sinne dieser Erfindung ist dabei ein Bauteil zu verstehen, welches mindestens
einen geschlossenen Hohlraum aufweist. Unabhängig davon kann jedoch dieser
Hohlraum durch nachfolgende Verfahrensschritte (beispielsweise durch
Schneiden oder Fräsen
vor Verfahrensschritt e) oder f)) geöffnet werden, so dass beispielsweise
ein offenes Rohr entsteht.
Der
Hohlkörper
kann ganz oder teilweise aus einem metallischen und/oder keramischen
Werkstoff bestehen oder derart ausgestaltet sein, dass verschiedene
Abschnitte des Hohlkörpers
aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Im
folgenden werden die einzelnen Verfahrensschritte näher beschrieben.
Die Schritte müssen nicht
notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden,
und das Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.
Zunächst wird
ein Bindermaterial mit einem keramischen und/oder metallischen Pulver
gemischt. Dieser Verfahrensschritt kann Bestandteil des Verfahrens
vor Ort sein oder kann sinngemäß auch separat
bei einem Rohstofflieferanten erfolgen. Dem Gemisch können zur
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und/oder zur Einstellung
bestimmter magnetischer, elektrischer, thermischer oder optischer
Eigenschaften auch noch weitere Füllstoffe beigemischt werden.
Grundsätzlich lassen
sich eine große
Anzahl verschiedener sinterfähiger
metallischer oder keramischer Pulver verschiedener Korngrößen und
Kornformen einsetzen. Auch metallische Legierungen, Metalloxide,
-carbide oder -nitride oder metallorganische Komplexe sowie andere
Verbindungen metallischer Elemente sind verwendbar. Auch Gemische metallischer
und keramischer Pulver sind möglich oder
Mischungen verschiedener Metalle bzw. Keramikwerkstoffe. Die Korngröße und Kornform
bestimmt dabei wesentlich die Porosität des späteren Werkstücks und
die Isotropie bzw. Anisotropie der Volumenschwindung beim Entbindern
und Sintern.
Als
Bindermaterial lassen sich sowohl organische Materialien (beispielsweise
Thermoplaste oder Wachse) als auch anorganische Materialien (beispielsweise
Silikone) einsetzen.
Der
Binder sollte beim späteren
Entbindern durch thermische Behandlung und/oder Lösungsmittelbehandlung
und/oder durch katalytische Zersetzung möglichst vollständig aus
dem Bauteil entfernbar sein.
Der
Mischvorgang kann beispielsweise in einem Mischaggregat stattfinden.
Sinngemäß eingeschlossen
in diesen Mischvor gang kann auch ein anschließendes Homogenisieren des Gemischs
sowie ein Granulieren sein. Eine genauere Beschreibung der Zusammensetzung
eines möglichen
Gemischs erfolgt weiter unten in der Beschreibung.
Das
Gemisch wird auf eine Viskosität
von mindestens 1000 Pascalsekunden (Pa s) eingestellt, vorzugsweise
sogar auf eine Viskosität
von mindestens 3000 Pa s. Häufig
werden sogar Viskositäten von
mehr als 10000 Pa s oder sogar von 40000 Pa s und mehr eingesetzt.
Diese
im Vergleich zum Spritzguss (siehe z. B.
DE 199 25 197 A1 ) sehr
hohe Viskosität
ist erforderlich, um die Bildung eines stabilen Schlauchkörpers zu
gewährleisten.
Das Einstellen der Viskosität kann,
je nach Art der verwendeten Materialien, auf unterschiedliche Weise
erfolgen. Wenn thermoplastische Bindermaterialien eingesetzt werden,
so kann, neben einer geeigneten Auswahl der thermoplastischen Materialien,
die Einstellung der Viskosität durch
Temperieren auf eine bestimmte Temperatur und/oder durch Einwirkung
bestimmter Scherkräfte erfolgen.
Typischerweise wird dieser Verfahrensschritt mittels geeigneter
Extruder durchgeführt,
welche beispielsweise mit einer beheizten Düse ausgestattet sein können. Das
Gemisch wird dabei mittels einer Extruderschnecke plastifiziert,
also auf die gewünschte
Viskosität
eingestellt und zu einem Schlauch extrudiert (Verfahrensschritt
c)).
Alternativ
kann die Einstellung der Viskosität auch beispielsweise durch
Verwendung geeigneter duroplastischer oder elastomerer Bindermaterialien erfolgen,
beispielsweise durch Zugabe von silikonartigen Materialien.
Das
entstandene Gemisch wird anschließend mittels einer oder mehrerer
Düsen zu
einem Schlauch geformt. Der Verfahrensschritt der Schlauchformung
kann beispielsweise mittels eines Extruders erfolgen. Bei diesem
Extruder kann es sich beispielsweise um einen handelsüblichen
Extruder handeln, welcher einen Schlauch z. B. in horizontaler oder
vertikaler Richtung extrudiert.
Dabei
kann es sich nicht nur um einen radialsymmetrischen Schlauch oder
Schlauch mit runder Querschnittsgeometrie handeln, sondern auch
beispielsweise um einen Schlauch mit anderer Querschnittsgeometrie,
z. B. mit polygoner oder ovaler Querschnittgeometrie. Die Querschnittgeometrie
des Schlauches kann auch entlang einer Schlauchachse variieren.
Auch ein spritzgegossener, schlauchartiger Vorformling (wie er beispielsweise
beim Spritzblasformen erzeugt wird) ist möglich.
Entsprechend
kann auch die Wanddicke des Schlauches entlang der Schlauchachse
oder in einer Ebene senkrecht zur Schlauchachse variieren. Letzteres
ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn Bauteile hergestellt werden
sollen, die in verschiedenen Abschnitten stärker gekrümmt sind als in anderen Abschnitten.
Ein wichtiges Beispiel stellen Rohre mit einem Gewinde oder einem
Faltenbalg dar. Im Bereich des Gewindes wird später beim Aufblasen das Schlauchmaterial
stärker
gestreckt als in anderen Bereichen, so dass eine Erhöhung der
Wanddicke des Schlauchs in diesem Bereich zu einer besseren Wanddickenhomogenität führen kann.
Anschließend wird
der Schlauch mittels eines Blasformverfahrens zu einem zweiten Hohlkörper (Grünling) geformt.
Da bei lassen sich grundsätzlich
alle bekannten Blasformverfahren einsetzen.
Bei
einer möglichen
Form des Blasformverfahrens wird zunächst der Kunststoffschlauch
mit Hilfe eines Greifers in ein Werkzeug eingelegt. Dieses Werkzeug
weist zwei komplementäre
Hälften
auf, welche jeweils komplementäre
Kavitäten
(Formnester) aufweisen. Ein Beispiel für die Herstellung derartiger
Werkzeuge ist in
JP
60162623 A beschrieben.
Mittels
einer (beispielsweise hydraulischen) Schließvorrichtung wird das Werkzeug
geschlossen. In geschlossenem Zustand ergänzen sich die Kavitäten zu einem
zusammenhängenden
Formnest, welches der äußeren Gestalt
des zu formenden Hohlkörpers
nachgebildet ist.
Mit
Hilfe eines Blasdorns wird im Inneren des Kunststoffschlauchs ein Überdruck
erzeugt, wodurch der Kunststoffschlauch aufgeblasen wird und sich
in seiner äußeren Form
der Form des Formnests im Werkzeug anpasst. Nach Abkühlung und
Erstarren des Kunststoffs kann das Werkzeug geöffnet und das fertige Werkstück entnommen
werden (Entformen).
Bei
einem alternativen Verfahren (Saugblasformen) wird der Kunststoffschlauch
nicht mit Hilfe eines Greifers in ein geöffnetes Werkzeug eingelegt, sondern
mittels eines Unterdrucks durch eine Saugöffnung in ein geschlossenes
Werkzeug eingesaugt. Die Saugöffnung
wird dann durch einen Schieber verschlossen, und der Kunststoffschlauch
wird anschließend,
wie oben beschrieben, aufgeblasen.
Den
verschiedenen Varianten des Blasformverfahrens ist also grundsätzlich gemeinsam,
dass der Schlauch (bzw. Vorform ling) in einem Werkzeug, welches
eine oder mehrere Kavitäten
aufweist, durch Erhöhung
des Innendrucks im Schlauch aufgeblasen wird, bis sich die äußere Gestalt
des Schlauches zumindest näherungsweise
an die Form der Kavität
angepasst hat.
Das
Aufblasen kann beispielsweise durch einen Blasdorn erfolgen, welcher
mit einem Ende mit einem Kompressor (bzw. einer Pumpe) verbunden
ist und mit einem anderen Ende in das Schlauchinnere hineinragt
oder eingeführt
wird. Auch die Verwendung mehrerer Blasdorne ist möglich. Zum
Aufbau des Innendrucks im Schlauch können Gase (beispielsweise Luft
oder Stickstoff) oder auch andere Fluide (beispielsweise Öle) in das
Innere des Schlauches eingeleitet werden.
Es
hat sich gezeigt, dass die für
das Blasformen von Keramik- bzw. Metallhohlkörpern geeigneten Gemische häufig eine
hohe Kristallisationstemperatur aufweisen und daher schnell erstarren.
Damit die Schmelze nicht bereits erstarrt, bevor sie sich in ihrer äußeren Gestalt
an die Innenwand der Kavität angepasst
hat, ist es vorteilhaft, die Werkzeuge mit erhöhter Temperatur zu betreiben.
Die typischerweise beim Blasformen von Kunststoffen eingesetzten Wandtemperaturen
von 3°C
bis 20°C
sind daher beim Blasformen von Keramik- und/oder Metallgemischen häufig ungeeignet.
Für derartige
Gemische hat sich insbesondere eine Wandtemperatur von 60°C bis 120°C als günstig erwiesen.
Dafür kann
ein geeigneter Heizkreislauf (beispielsweise zur Temperierung mit
Wasser, Ethylenglycol oder Öl)
in das Werkzeug integriert werden. Um nach dem Blasformen das Abkühlen des
Formlings zu beschleunigen, kann auch ein zusätzlicher Kühlkreislauf in das Werkzeug
eingebracht werden, über
welchen nach dem eigentlichen Blasformprozess (jedoch vor Öffnen des
Werkzeu ges) die Wandtemperatur wieder erniedrigt wird. Auch abwechselnde
Heiz- und Kühlphasen
oder andere Temperaturverläufe
sind möglich.
Der
Blasformprozess oder andere Prozessschritte können ganz oder teilweise in
einer getrockneten Atmosphäre
oder in einer Inertgasatmosphäre erfolgen.
Unter einer getrockneten Atmosphäre
ist dabei beispielsweise Luft oder Stickstoff mit stark verringertem
Feuchtigkeitsanteil zu verstehen. Als Inertgase lassen sich beispielsweise
Stickstoff, Helium oder Argon einsetzen. Gerade letzteres ist besonders
vorteilhaft, wenn korrosive oder reaktive Materialien eingesetzt
werden, welche sich bei Berührung mit
Luftsauerstoff oder Luftfeuchtigkeit chemisch verändern würden.
Das
Verfahren kann so durchgeführt
werden, dass einer oder mehrere der Prozessschritte ganz oder teilweise
in dieser getrockneten Atmosphäre bzw.
Inertgasatmosphäre
durchgeführt
werden. Zu diesem Zweck können
beispielsweise Teile der Blasformapparatur unter einer Haube oder
in einer abgeschlossenen Umgebung betrieben werden.
Nach
dem Aufblasen erstarrt der Formling im Werkzeug, wobei eine vollständige Erstarrung
auch erst nach Entnahme erfolgen kann. Anschließend wird das Werkzeug ganz
oder teilweise geöffnet
(beispielsweise durch Trennen der Formhälften oder Öffnen von Schiebern), und der
Formling, welcher nun als Grünling
bezeichnet wird, wird entnommen. Dieses Entnehmen kann beispielsweise
durch einen Roboter mit einem geeigneten Greifarm oder auch manuell
erfolgen.
An
dieser Stelle kann es nötig
und sinnvoll sein, den Grünling
manuell oder maschinell nachzubearbeiten. Beispiels weise kann ein
Entfernen von Graten oder sonstigen überschüssigen Materials erfolgen oder
eine Öffnung
des Hohlkörpers
des Grünlings
an bestimmten Stellen. Auf diese Weise kann beispielsweise ein geschlossener,
langgestreckter Hohlkörper
zu einem Rohr umgearbeitet werden.
Da
der Grünling
in diesem Stadium noch relativ weich und bearbeitbar ist, können in
dieser Phase des Verfahrens auch noch weitere Bauteile mit dem Grünling verbunden
werden. Bei diesen Bauteilen kann es sich um weitere durch Blasformen
hergestellte Bauteile handeln. Auch eine Verbindung mit anderen,
durch unterschiedliche Verfahren hergestellten Bauteilen ist möglich (z.
B. mit durch Metal Injection Molding hergestellten Grünlingen).
Auf diese Weise lassen sich beispielsweise auch verschiedene Rohre
zusammenfügen
zu einem T-Stück,
oder es lassen sich vorgefertigte Metallteile (z. B. Gewindestangen
etc.) in den Grünling
integrieren. Die Gestaltungsfreiheit bei der Formgestaltung der
metallischen oder keramischen Produkte, die sich nach dem beschriebenen
Verfahren herstellen lassen, wird dadurch stark erhöht.
Das
Verbinden kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Hier ist beispielsweise
ein Verschweißen
zu nennen. Dies kann insbesondere dann erfolgen, wenn zwei Grünlinge verbunden
werden sollen und wenn dabei als Binder eine thermoplastische Komponente
eingesetzt wird. Die beiden Grünlinge
werden z. B. an der Verbindungsstelle erhitzt und zusammengepresst,
wobei der Binder aufgeschmolzen wird und die beiden Grünlinge verbunden werden.
Aber auch andere Verbindungstechniken sind möglich, beispielsweise eine
Einpresstechnik oder ein Verschrauben.
Anschließend erfolgt
eine vollständige
oder teilweise Entfernung des Bindermaterials aus dem Grünling (Entbindern),
wobei der Grünling
in einen sogenannten Braunling überführt wird.
Das Entbindern kann auf verschiedene Arten erfolgen, welche grundsätzlich in
Arburg technische Information: Powder Injection Molding beschrieben
sind. Dabei wird der Binder beispielsweise durch Katalyse und/oder Lösung und/oder
thermische Zersetzung aus dem Grünling
entfernt. Dieser Prozessschritt dauert i. d. R. mehrere Stunden
bis mehrere Tage.
Das
Entbindern kann durch eine geeignete Ofentemperatur und Ofenatmosphäre, die
den Ablauf der chemischen Reaktionen begünstigt, unterstützt werden.
Auch eine Inertgasatmosphäre,
eine reaktive Atmosphäre,
eine getrocknete Atmosphäre oder
ein Unterdruck beim Entbindern ist möglich.
Zusätzlich oder
alternativ kann das Entbindern auch durch Unterstützung von
Lösungsmitteln erfolgen.
Die Art des Lösungsmittels
muss dabei auf den Binder abgestimmt werden. Der Grünling kann dabei
beispielsweise in ein Lösungsmittelbad
eingetaucht werden oder mit Lösungsmitteln
gespült
werden.
Weiterhin
kann zusätzlich
oder alternativ auch eine Zersetzung des Bindermaterials durch geeignete
Katalysatoren, beispielsweise Säuren,
erfolgen. Dazu kann beispielsweise der Grünling in eine einen Katalysator
enthaltende Flüssigkeit
eingetaucht oder mit dieser Flüssigkeit
gespült
werden. Das Bindermaterial zersetzt sich dabei katalytisch in leichter
entfernbare Zersetzungsprodukte, welche wiederum thermisch (Ausgasen,
Ausheizen) und/oder durch Lösungsmit telbehandlung
und/oder durch weitere katalytische Zersetzung entfernt werden können.
Durch
das Entbindern wird der Grünling
in einen sogenannten Braunling umgewandelt. Dabei tritt infolge
des Entfernens des Massenanteils des Bindermaterials eine Volumenschwindung
auf, und das Bauteil schrumpft.
Dennoch
hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn beim Entbindern
eine erste Formlehre ganz oder teilweise in den Grünling eingebracht
wird. Unter einer Formlehre wird dabei ein starrer Körper, beispielsweise
ein Formkörper
aus Edelstahl, verstanden, welcher ein gewisses einzuhaltendes Mindestmaß darstellt.
Der Schrumpfungsprozess kann dann beispielsweise bei einer in das
Innere des Formkörpers
eingebrachten Formlehre nur bis zu dieser Mindestgröße erfolgen.
Derartige Formlehren sind beispielsweise aus der Druckschrift
JP 03024203 A bekannt.
Alternativ kann, je nach Ausgestaltung des Formteils, auch eine
Formlehre auf den Grünling
aufgesteckt werden.
Wenn
es sich bei dem Grünling
z. B. um ein Rohr mit zylinderförmigem
Innenraum handelt, kann die Formlehre als zylindrischer Rundstab
mit einem dem Innendurchmesser des Grünlings entsprechenden Durchmesser
ausgestaltet sein. Auch eine Kombination eingebrachter und von außen aufgesteckter Formlehren
ist möglich.
Die
Formlehre bewirkt, dass sich der Innendurchmesser des Grünlings beim
Entbindern nicht oder nur unwesentlich ändert. Gleichzeitig kann die Formlehre
auch als Transfervorrichtung einer Vielzahl von Bauteilen verwendet
werden, beispielsweise zum Transfer der Braunlinge vom Entbindern zum Sintern.
Die Formlehre kann steif oder auch flexibel ausgestaltet sein, wobei
letzteres beispielsweise dazu dient, beim Entbindern auftretende
Spannungen im Material auszugleichen bzw. zu verhindern.
Nach
dem Entbindern wird der Braunling einem Temperaturbehandlungsschritt
(Sintern) unterzogen. Dabei werden die keramischen und/oder metallischen
Körner
des Gemischs an der Kornoberfläche
aufgeschmolzen und miteinander zu einem festen Werkstoff verbunden.
Die
Temperaturen beim Sintern müssen
auf den Werkstoff (d. h. das Metall und/oder die Keramik) angepasst
sein. Typischerweise liegen die Sintertemperaturen bei ca. 2/3 bis
3/4 der absoluten Schmelztemperatur (siehe z. B. Römpp Lexikon
Chemie, 10. Auflage, Thieme Verlag, Stuttgart, 1999, Stichwort "Sintern"). Auch Temperaturrampen
haben sich als günstig
erwiesen, wobei die Temperaturrampen wiederum durch Haltephasen
bei bestimmten Temperaturen unterbrochen sein können. Um eine Oxidation der
Werkstoffe beim Sintern zu verhindern, kann das Sintern in einer
getrockneten Atmosphäre
oder in einer Inertgasatmosphäre
(beispielsweise Stickstoff oder Argon) stattfinden. Auch ein Sintern
unter Unterdruck ist möglich.
Wiederum
tritt beim Sintern regelmäßig eine Volumenschwindung
auf. Diese Volumenschwindung kann auch anisotrop erfolgen, d. h.
in verschiedenen Raumrichtungen mit unterschiedlicher Stärke auftreten.
Insgesamt liegt die Schwindung zwischen Grünling und fertigem Bauteil
typischerweise bei ca. 30%. Um die Schwindung insgesamt zu reduzieren,
kann auch beim Sintern der Braunlinge eine zweite Formlehre – beispielsweise
dieselbe Formlehre wie beim Entbindern (siehe oben) – eingesetzt
werden, welche ganz oder teilweise in den Hohlraum des Braunlings eingeschoben
oder ganz oder teilweise auf den Braunling aufgesteckt wird.
Im
Gegensatz zum bekannten Spritzgussverfahren erlaubt das beschriebene
Verfahren unter Einsatz eines Blasformprozesses die Herstellung komplexer
Hohlkörper
verschiedener Ausgestaltungen aus metallischen und/oder keramischen
Werkstoffen. So sind beispielsweise auch metallische oder keramische
Rohre mit Gewinden oder einem Dehnbalg herstellbar. Ein besonderer
Vorteil liegt weiterhin darin, dass auch heterogen zusammengesetzte Hohlkörper herstellbar
sind.
Es
hat sich dabei als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn das
Verfahren so eingesetzt wird, dass bereits beim Erzeugen des Schlauches (beispielsweise
durch Extrudieren) eine makroskopisch variierende Zusammensetzung
des Schlauches bewirkt wird. Unter einer makroskopisch variierenden
Zusammensetzung ist dabei eine Variation der Zusammensetzung auf
einer Skala von mehr als 2–3
mittleren Korndurchmessern der metallischen bzw. keramischen Pulver
(typischerweise ca. 0.01 mm) zu verstehen.
Damit
unterscheidet sich das beschriebene Blasformverfahren vorteilhaft
von den bekannten Verfahren zur Herstellung metallischer oder keramischer
Hohlkörper,
wie beispielsweise dem Metal Injection Molding oder dem Ceramic
Injection Molding. Bei derartigen Verfahren ist eine Variation der
Zusammensetzung der Grünlinge
nur sehr schwer möglich.
Zum Erreichen einer lokal variierenden Zusammensetzung der Grünlinge müssten i.
d. R. komplizierte Mehrkomponenten-Werkzeuge eingesetzt werden, welche
so aufwändig
und teuer sind, dass das Verfahren unrentabel würde. Auch die erzielbaren Geometrien
sind stark eingeschränkt.
Beim
beschriebenen Verfahren hingegen ist eine derartige Variation der
Zusammensetzung des Schlauches beispielsweise bei Verwendung moderner
Koextrusionsköpfe
(COEX-Köpfe)
problemlos möglich.
Dabei kann dem extrudierten Schlauch ein Ausgangsgemisch mit zeitlich
und/oder lokal variierender Zusammensetzung zugeführt werden.
Diese
makroskopisch variierende Zusammensetzung des Schlauches kann in
verschiedenen Ausgestaltungen und zu verschiedenen Zwecken erfolgen.
In einer möglichen
Ausgestaltung kann der Binderanteil im Schlauch variieren.
Dies
kann beispielsweise zu dem Zweck erfolgen, Spannungen oder Risse
im Werkstück
an besonders gekrümmten
Abschnitten zu vermeiden bzw. zu verringern. Dazu kann z. B. dem
Schlauch beim Extrudieren bzw. Spritzen in Abschnitten, die durch das
Blasformen in stärker
gekrümmte
Abschnitte überführt werden,
ein höherer
Binderanteil zugesetzt werden als in Abschnitten, die durch das
Blasformen in weniger stark gekrümmte
Abschnitte überführt werden.
Auch Abschnitte des Schlauches, die beim Blasformen stärker aufgeblasen
werden als andere Abschnitte, können
mit einem höheren
Binderanteil versehen werden, um Spannungen an diesen Stellen zu
verringern. Weiterhin lässt
sich auch die Abbildungsgenauigkeit beim Aufblasen an Stellen mit
besonders feinen Strukturen erhöhen,
wenn dem Schlauch an diesen Stellen ein erhöhter Binderanteil zugesetzt
wird.
Weiterhin
kann der Schlauch alternativ oder zusätzlich so ausgestaltet sein,
dass er sequenziell Abschnitte mit un terschiedlichem Metallpulver- und/oder
Keramikpulveranteil aufweist. Unter sequenziell ist dabei eine Variation
zu verstehen, welche entlang einer Schlauchachse (z. B. einer Symmetrieachse
bei einem zylindrischen Schlauch) bzw. in Richtung einer Extrusion
auftritt. Beim Formen des Schlauches können dann zeitlich nacheinander
unterschiedliche Werkstoffe verwendet werden. Insbesondere sind
auf diese Weise Hohlkörper
bzw. Rohre herstellbar, die abwechselnd keramische und metallische
Segmente aufweisen. Dies kann beispielsweise dazu eingesetzt werden,
Bereiche innerhalb eines Rohres, die unterschiedlich belastet werden,
durch geeignete Wahl der Werkstoffe optimal an diese Belastungen
anzupassen. So können
Bereiche mit hoher thermischer Belastung zur optimalen Wärmeabfuhr
aus Metall gearbeitet sein, wogegen Bereiche mit starker chemischer
Belastung aus keramischen Werkstoffen gefertigt sein können. Auch
die sequenzielle Kombination verschiedener Metallsorten oder verschiedener
Keramikwerkstoffe ist möglich.
Weiterhin
kann alternativ oder zusätzlich auch
eine radiale Variation der Zusammensetzung des Schlauches und damit
des fertigen Bauteils erzielt werden. Unter radial ist dabei eine
Variation senkrecht zur Schlauchachse zu verstehen. Auch dies ist
mit den bekannten Verfahren (z. B. CIM, MIM) nur schwer bzw. praktisch
nicht realisierbar. Bei dem beschriebenen Verfahren hingegen ist
diese radiale Variation beispielsweise durch Verwendung der oben erwähnten COEX-Extrusionsköpfe zu bewerkstelligen.
Ein
wichtiges Beispiel, welches sich durch das beschriebene Verfahren
realisieren lässt,
ist die Herstellung von mehrlagigen Rohren. Beispielsweise kann
das Innere von Rohren aus einer Schicht chemikalienresistenten Materials
herge stellt werden (z. B. Chrom), wogegen das Äußere des Rohres aus einem kostengünstigeren
Material (z. B. Stahl) hergestellt wird, welches die mechanische
Festigkeit des Rohres gewährleistet.
Weiterhin sind auch mehr als zwei Schichten möglich, so dass beispielsweise
auch besondere, korrosive Materialien verwendet werden können, welche
innen und außen
durch eine oder mehrere Passivierungsschichten geschützt werden. Auch
Kombinationen mehrerer Schichten keramischen und metallischen Materials
sind möglich.
Weiterhin ist auch ein Verfahren möglich, bei dem einzelne Schichten
erzeugt werden, welche lediglich aus Bindermaterial bestehen. Ein
derartiges Verfahren kann beispielsweise dazu dienen, Spannungen
im Material, welche insbesondere an stark aufgeblasenen Stellen
auftreten, zu reduzieren.
Neben
dem beschriebenen Verfahren in seinen verschiedenen Ausgestaltungen
ist auch eine Zusammensetzung des Gemischs zur Durchführung des
Blasformverfahrens für
metallische und/oder keramische Produkte Gegenstand der Erfindung.
Es
wird daher ein blasformfähiges
Gemisch zum Herstellen keramischer und/oder metallischer Hohlkörper vorgeschlagen,
welches folgende Komponenten aufweist:
- a) ein
Metallpulver und/oder keramisches Pulver und
- b) ein Bindermaterial.
Die
Komponente b) des Gemischs soll dabei so gewählt sein, dass sie bei der
Vicat-Erweichungstemperatur eine Viskosität von mindestens 1000 Pa s aufweist.
Das
Metallpulver kann dabei auch als Bestandteil einer Verbindung vorliegen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Volumenanteil der Komponente
a) mindestens 60% vom Gesamt volumen beträgt. Es lassen sich beispielsweise
Metalle in ganz oder teilweise oxidierter Form einsetzen, ferner
Metallkomplexe und/oder Metallorganische Verbindungen.
Besonders
vorteilhaft ist die Verwendung von mindestens einem der Elemente
Aluminium, Eisen, Nickel, Titan, Molybdän oder Chrom in elementarer
Form oder in Form einer Verbindung.
Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die mittlere Korngröße (Durchmesser) der Komponente
a) (also des keramischen und/oder metallischen Pulvers) nicht mehr
als 20 Mikrometer beträgt.
Dies gewährleistet
eine leichte Verarbeitbarkeit des Gemischs und eine hohe Festigkeit
und geringe Porosität
des fertigen Werkstücks
nach dem Sintern.
Auch
die Wahl der Komponente b) (Bindermaterial) muss auf die Erfordernisse
des beschriebenen Prozesses angepasst werden. Bei diesem Bindermaterial
kann es sich beispielsweise um thermoplastische Kunststoffe (auch
beispielsweise Silizium-Wasserstoffverbindungen) handeln. Auch Gemische
verschiedener Bindermaterialien lassen sich einsetzen.
Aus
der Technik des PIM-Verfahrens sind dabei im wesentlichen drei Binderkonzepte
bekannt. Das erste Binderkonzept beruht auf der Verwendung von Polyolefin-Wachsmischungen.
Durch langsames Erwärmen
kann diese Binderart später
beim Entbindern aus dem Grünling
entfernt werden. Ein zweites Binderkonzept beruht auf teillöslichen
Bindersystemen, bei denen zumindest ein Teil des Binders durch Einsatz
von Lösemitteln
aus dem Grünling
entfernt werden kann. Als Beispiel sind hier die wasserlöslichen
Polyvinylalkohole zu nennen. Ein drittes bekanntes Binderkonzept
beruht auf ka talytisch abbaubaren Bindersystemen. Wichtigstes Beispiel
sind hierbei Bindersysteme, die auf Polyoxymethylen (POM) basieren,
welches sich beim Entbindern durch starke Säuren zu Formaldehyd umwandeln
lässt, welches
aus dem Grünling
ausgast. Daneben sind jedoch weitere Binderkonzepte denkbar, wie
beispielsweise Binder, die sich beim Entbindern durch eine vollständige thermische
Zersetzung aus dem Grünling
entfernen lassen.
Wie
oben bei der Beschreibung von Verfahrensschritt b) dargelegt, sollte
das Gemisch vor Formung des Schlauchs auf eine Viskosität von über 1000
Pascalsekunden eingestellt werden. Damit dies überhaupt möglich ist, sollte die Komponente
b) bei der Vicat-Erweichungstemperatur nach DIN 53460 eine Viskosität von 1000
Pa s aufweisen. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass sich das Gemisch
problemlos zu einem kontinuierlichen Schlauch verarbeiten lässt. Insbesondere
hat es sich dabei als günstig
erwiesen, wenn die Komponente b) bei der Vicat-Erweichungstemperatur
sogar eine Viskosität von
mindestens 3000 Pa s aufweist. Häufig
werden sogar Bindermaterialien mit Viskositäten von mehr als 10000 Pa s
oder sogar von 40000 Pa s und mehr eingesetzt.
In
vielen Fällen
kann die Kombination des metallischen und/oder keramischen Pulvers
mit dem Bindermaterial bei einer Plastifizierung Probleme bereiten.
Insbesondere kann es dazu kommen, dass das Bindermaterial nur ungenügend auf
den keramischen und/oder metallischen Partikeln haftet. Dies kann
beispielsweise zu Inhomogenität
im fertigen Werkstück
oder zu Rissbildung führen.
Aus diesem Grund ist es sinnvoll, dem Gemisch einen Haftvermittler
beizumischen. Dieser Haftvermittler sollte in einer Konzentration
von nicht mehr als 1,5 Gewichtsprozent eingesetzt werden. Insbesondere
ha ben sich dabei Silyl-Verbindungen (also Silizium-Wasserstoff-Verbindungen),
wie z. B. Silanole, bewährt.
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die
u. a. in den Figuren schematisch dargestellt sind. Die Erfindung
ist jedoch nicht auf die Beispiele beschränkt. Gleiche Bezugsziffern
in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche
bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen zeigt:
1 eine
schematische Darstellung des Verfahrensablaufs;
2 eine
Schnittdarstellung eines einfachen Schlauches vor und nach dem Aufblasen
in einem Blasformwerkzeug mit einer zylindrischen Einbuchtung;
3 eine
Schnittdarstellung eines radial aus einer Binderschicht, einer Binder-Metall-Schicht und
einer zweiten Binderschicht zusammengesetzten Schlauches in einem
Blasformwerkzeug mit einer zylindrischen Einbuchtung;
4 eine
Schnittdarstellung eines radial aus einer Binder-Keramik-Schicht
und einer Binder-Metall-Schicht
zusammengesetzten Schlauches in einem Blasformwerkzeug mit einer
zylindrischen Einbuchtung;
5 eine
Schnittdarstellung eines sequenziell aus Binder-Metall-Gemischen
mit verschiedenen Bindergehalten zusammengesetzten Schlauches in
einem Blasformwerkzeug mit einer zylindrischen Einbuchtung;
6 eine
Schnittdarstellung eines aus verschiedenen Schichten mit lokal unterschiedlicher
Dicke zusammengesetzten Schlauches in einem Blasformwerkzeug mit
einer zylindrischen Einbuchtung; und
7 ein
Blasformwerkzeug mit einem Heiz- und einem Kühlkreislauf.
2 zeigt
schematisch, wie sich ein extrudierter Schlauch 110 mit
einem runden Querschnitt und einer Symmetrieachse 111 in
einem Blasformwerkzeug 112 beim Aufblasen verändert: Der Schlauch
nimmt mit seiner Außenseite
näherungsweise
die Form der Kavität
des Blasformwerkzeugs an und geht in den Formling 114 über.
Besonders
kritisch ist dabei die zylindrische Einbuchtung 116 im
Werkzeug. Hier wird ein Segment des Schlauches von einer ursprünglichen
Länge b
auf die Länge
2a + b aufgeblasenen (wobei a die Tiefe der zylindrischen Einbuchtung
bezeichnet) und daher besonders stark gestreckt, und zwar um ein Streckungsverhältnis (2a
+ b)/b. Das maximal überhaupt
mögliche
Streckungsverhältnis
bezeichnet man auch als Aufblasverhältnis.
In 3 ist
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines Blasformprozesses eines metallischen Hohlkörpers schematisch dargestellt.
Es wird dasselbe Blasformwerkzeug wie in
2 eingesetzt.
Der Schlauch 210 ist derart extrudiert, dass er sich aus
drei (in diesem Fall annähernd
gleich dicken) zylindrischen Schichten 212, 214, 216 zusammensetzt.
Bei den Schichten 212 und 216 handelt es sich
in diesem Beispiel um Schichten, die aus reinem Bindermaterial,
beispielsweise einem thermoplastischen Kunststoff, bestehen. Die
dazwischen eingebettete Schicht 214 besteht hingegen aus
einem Gemisch desselben Bindermaterials mit Eisenpulver.
Diese
mehrschichtige Zusammensetzung des Schlauches erhöht das Aufblasverhältnis beim Blasformen
stark. Dies macht sich insbesondere an der Stelle der zylindrischen
Einbuchtung 116 im Blasformwerkzeug 112 positiv
bemerkbar. Die Schichten 212 und 216, welche aus
reinem Bindermaterial bestehen, erhöhen die Fließfähigkeit
der Schlauchwand beim Aufblasen stark und verringern dadurch Rissbildung
und Spannungen im Bereich der zylindrischen Einbuchtung 116.
Außerdem wird
die Schicht 214 durch die beiden Schichten 212 und 216 eingekapselt.
Dies hat mehrere Vorteile. Zum einen ist die Schicht 214 durch die
Beimischung des Metallpulvers sehr abrasiv und würde ohne Kapselung aufgrund
der hohen Härte des
Metallpulvers schnell zu einer Abnutzung des Blasformwerkzeugs 112 führen. Weiterhin
schützt
die Kapselung die Schicht 214 vor Umwelteinflüssen.
Anstelle
zweier Binderschichten 212 und 216 kann auch lediglich
eine Binderschicht eingesetzt werden, beispielsweise lediglich die
Binderschicht 216 zur Verbesserung des Fließverhaltens.
In 4 ist
die Herstellung eines Hohlkörpers
dargestellt, welcher eine Innenwand aus keramischem Material und
einer äußere Wand
aus Metall aufweist. Dazu wird durch Koextrusion ein zylindrischer
Schlauch 310 hergestellt, welcher sich aus einer inneren
Schicht 312 und einer äußeren Schicht 314 zusammensetzt.
Die innere Schicht 312 besteht aus einem Gemisch aus einem
Bindermaterial und einem Keramikpulver. Die äußere Schicht 314 besteht
aus einem Gemisch aus demselben Bindermaterial und Aluminiumpulver.
Durch
Blasformen im Blasformwerkzeug 112 und anschließendem Entbindern
und Sintern lassen sich so Hohlkörper
(beispielsweise Rohre für
die chemische Reaktionstechnik oder die Automobilindustrie) herstellen.
Diese Rohre sind innen mit Keramik beschichtet und weisen daher
eine hohe Resistenz beispielsweise gegen aggressive Chemikalien
auf. Außen
bestehen die Rohre aus Aluminium, welches ein geringes Gewicht bei
gleichzeitig hoher Formstabilität
gewährleistet.
Zusätzlich lässt sich,
analog zu dem in 3 beschriebenen Verfahren, der
Schlauch 310 auch noch zur Verbesserung der Fließfähigkeit
und des Aufblasverhältnisses
mit einer oder mehreren, aus reinem Bindermaterial bestehenden Schichten
versehen.
In 5 ist
ein Herstellungsverfahren eines metallischen Hohlkörpers durch
Blasformen dargestellt, bei welchem ein Schlauch 410 mit
einer sequenziell variierenden Zusammensetzung eingesetzt wird.
Wiederum
wird das bereits in den vorhergehenden Figuren beschriebene Blasformwerkzeug 112 eingesetzt,
welches eine zylindrische Einbuchtung 116 aufweist. Der
Schlauch weist in Extrusionsrichtung 412 Abschnitte 414, 416 und 418 auf,
welche sich jeweils durch den Binderanteil im Ausgangsgemisch unterscheiden.
Dabei weisen die Abschnitte 416 den höchsten Binderanteil auf, die
Abschnitte 414 den geringsten Binderanteil.
Die
Abschnitte sind so gewählt,
dass beim Aufblasen die Abschnitte 416 mit höchstem Binderanteil
auf die Flanken 420 und 422 der zylindrischen Einbuchtung 116 des
Blasformwerkzeugs 112 zu liegen kommen und der Abschnitt 418 mit
mittlerem Binderanteil auf die Stirnseite 424 der zylindrischen Einbuchtung 116.
Auf diese Weise lassen sich durch erhöhten Binderanteil Spannungen
in der Wand des Hohlkörpers
an Stellen mit besonders hoher Krümmung und an Stellen, die besonders
stark gestreckt werden, vermeiden. Gleichzeitig ist eine gute Abbildungstreue
beim Aufblasen gewährleistet,
da sich der Schlauch 410 insgesamt (d. h. ohne zusätzliche Zwischenschicht,
wie beispielsweise in 3) unmittelbar an die Wand des
Werkzeugs 112 anlegen kann.
Neben
der in den 1 bis 3 demonstrierten
Möglichkeit
der radial (schichtartigen) Variation der Zusammensetzung des Schlauches
und der in den 4 und 5 dargestellten
Möglichkeit
einer sequenziellen Variation der Zusammensetzung des Schlauches
ist auch eine Kombination dieser beiden Variationsarten möglich. Dies
ist in 6 dargestellt.
Wiederum
wird durch ein Koextrusionsverfahren ein zylindrischer Schlauch 610 mit
einer gleichmäßigen Dicke
hergestellt. Der Schlauch wird in einem Blasformwerkzeug 112 mit
einer zylindrischen Einbuchtung 116 aufgeblasenen. Der Schlauch 610 setzt
sich aus zwei verschiedenen Schichten 612 und 614 zusammen.
Beide Schichten enthalten einen Metallpulveranteil und einen Binderanteil,
wobei der Binderanteil in der Schicht 614 größer ist
als in der Schicht 612.
Im
Bereich der zylindrischen Einbuchtung 116 ist die Dicke
der Schicht 614 erhöht
und die Dicke der Schicht 612 ent sprechend verringert,
so dass insgesamt die Dicke des Schlauches 610 nicht verändert wird.
Dadurch ist gewährleistet,
dass der Schlauch im Bereich der zylindrischen Einbuchtung 116 insgesamt
einen höheren
Binderanteil aufweist. Dies trägt
dazu bei, dass Spannungen im Formling vermieden werden.
In
diesem Ausführungsbeispiel
wird auch im Bereich der zylindrischen Einbuchtung 116 die
Gesamtdicke des Schlauches 610 nicht verändert. In
einer alternativen Ausführungsform
des Verfahrens (nicht dargestellt) kann auch die Dicke des Schlauches
im Bereich der Einbuchtung 116 verändert (beispielsweise erhöht) werden,
um insgesamt ein höheres
Aufblasverhältnis
in diesem Bereich zu ermöglichen.
Grundsätzlich lassen
sich für
die beschriebenen Verfahren zur Herstellung metallischer und/oder keramischer
Hohlkörper
die gleichen Extruder und Werkzeuge einsetzen, die auch aus dem
industriellen Blasformverfahren bekannt sind. Dennoch sind einige
Verbesserungen möglich,
die den Blasformprozess von keramischen und/oder metallischen Hohlkörpern im
Hinblick auf die besonderen Eigenschaften der Keramik-Metall-Bindergemische
optimieren.
So
ist in 7 ein Blasformwerkzeug 710 (d. h. eine
Formhälfte
dieses Blasformwerkzeugs) dargestellt, welches für das Blasformen eines aus
einem Binder-Metall-Gemisch hergestellten Schlauches 712 besonders
geeignet ist. Dieses Werkzeug weist neben einem (in Blasformwerkzeugen üblichen) Kühlkreislauf 714 einen
Heizkreislauf 716 auf. Durch diesen Heizkreislauf 716 kann
das Werkzeug während
des Blasformprozesses auf eine erhöhte Temperatur zwischen 60°C und 120°C eingestellt
werden. Dies kann bei verschiedenen Gemi schen mit hoher Kristallisationstemperatur
erforderlich sein, da sonst unter Umständen die Schmelze des Schlauches 712 beim
Aufblasen bereits erstarren würde, bevor
sie die Wand des Werkzeugs 710 erreicht. Eine unvollständige Füllung der
Formnester wäre
die Folge. Durch den Einsatz des Heizkreislaufs 716 wird dieser
Effekt vermieden.
Nach
dem Blasformen wird die Heizung abgeschaltet und das Werkzeug über den
Kühlkreislauf 714 auf
eine Temperatur von 10°C
gekühlt.
Dies gewährleistet
ein schnelles Abkühlen
des Formlings und somit – da
der Formling erst nach vollständigem Erstarren
aus dem Werkzeug entformt werden kann – eine Verkürzung der Taktzeiten.
Im
folgenden werden fünf
Zusammensetzungen typischer Gemische zur Durchführung des Blasformverfahrens
zur Herstellung metallischer und/oder keramischer Hohlkörper beschrieben.