DE102004024290A1

DE102004024290A1 - Verfahren zur Erzeugung von Keramikteilen mit definierter innerer Struktur und Formen zur Herstellung

Info

Publication number: DE102004024290A1
Application number: DE200410024290
Authority: DE
Inventors: Joachim Prof. Dr.-Ing. Heinzl; Alexander Ott; Ralph Pelzer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-05-15
Filing date: 2004-05-15
Publication date: 2005-12-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Keramikteilen mit definierter innerer Struktur über Formen aus Kunststoff. Bei der Herstellung von Keramiken mit inneren Strukturen wird der Keramikschlicker in ausbrennbare Formen eingebracht, die die spätere innere Struktur der Keramik vorgeben. Um die Zerstörung der Keramik beim Ausbrennvorgang zu vermeiden, werden erfindungsgemäß Hohlräume in die Kunststoffformen eingebracht, die nicht mit Keramikschlicker gefüllt werden und in die der plastifizierte Kunststoff beim Erwärmen ausweichen kann. Damit wird eine Zerstörung des Keramikkörpers vermieden.

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung eines Keramikkörpers mit definierten inneren Strukturen über ein abformendes Verfahren.

Bei der Herstellung von Keramiken mit inneren Strukturen werden meist Füllstoffe verwendet, die beim Sintern ausgebrannt werden, und dadurch entsprechende Hohlräume im Keramikkörper erzeugen. Da sich der Kunststoff beim Erwärmen auf Ausbrenntemperatur deutlich ausdehnt, der Grünling dagegen nicht, kommt es regelmäßig zur Zerstörung des Grünlings, der den eingebrachten Kräften nicht stand hält.

Die europäischen Patentschrift EP 0369 034 B1 beschreibt die Struktur eines Knochenimplantates aus Calciumphosphat-Verbindungen, die kugelförmige Poren mit einem Durchmesser von 50μm–600μm aufweist und ferner hohle Röhren (100μm–2mm) besitzt, die in eine bestimmte Richtung des Sinterkörpers verlaufen. Die Herstellung dieser Röhren erfolgt durch Bohren, Spritzgießen, Strangpressen oder Ausbrennen von Harzfasern, auf die Problematik der Ausdehnung des Kunststoffes wird jedoch nicht eingegangen. Die Lösung dieses Problems wird hier nicht beschrieben.

Eine weitere europäische Patentschrift EP 0359 611 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von synthetischen Knochenersatzmaterialien mit kontrollierter Porosität. Zunächst werden organische Teilchen in einen Behälter gegeben und einer Wärmebehandlung unterzogen, um sie untereinender zu verbinden, danach werden sie mit Schlicker umhüllt und anschließend thermisch ausgelöst und der Schlicker wird gesintert. Hier sind die hergestellten Hohlräume nicht exakt bestimmt, sie verteilen sich zufällig über das Volumen und werden in ihrer Ausrichtung nicht genau definiert.

In der Offenlegungsschrift DE 40 33 308 A1 wird bereits ein ähnliches Verfahren beschrieben, mit dem Implantate aus einem dreidimensionalen Gerüst aus bälkchenartigen Strukturen, die untereinander verbunden sind und definierte, veränderbare Hohlräume umschließen, über eine Negativform hergestellt werden. Diese Negativformen werden nach dem Abformprozess chemisch oder physikalisch entfernt. Oft kommt es jedoch beim Entfernen dieser Formen zur Zerstörung des Grünlings durch Spannungen, die beim Entfernen der Negativform eingebracht werden.

Mit heutigen Technologien ist prinzipiell die Herstellung von Kunststoffbauteilen mit nahezu beliebigen dreidimensionalen Strukturen über Rapid Prototyping-Verfahren möglich. Rapid Prototyping (RP) ist ein seit einigen Jahren intensiv genutzter Weg zur schnellen Produktentwicklung. Wettbewerbsvorteile und Kosteneinsparungen, die durch den Einsatz dieser Verfahren erzielt werden können, werden vor allem in den klassischen Bereichen Maschinenbau und Automobiltechnik genutzt. In Zukunftsbranchen, wie der keramischen Anwendung und der Medizintechnik scheiterten derartige Bestrebungen. Es ist daher wünschenswert, Keramikbauteile unter Einbindung in die Rapid-Manufacturing-Prozesskette als Prototypen mit definierter innerer Struktur herzustellen.

Durch die Erfindung wird das Problem gelöst, die Keramik beim Ausbrennvorgang zu zerstören. Das Problem wird erfindungsgemäß mit dem beschriebenen Verfahren und der Form mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Hierbei werden erfindungsgemäß Hohlräume in die Kunststoffformen eingebracht, die nicht mit Keramikschlicker gefüllt werden und in die der plastifizierte Kunststoff beim Erwärmen ausweichen kann. Bei stereolithographisch hergestellten Kunststoffformen sieht man zu diesem Zweck erfindungsgemäß röhrenförmige Hohlräume vor, aus denen das nicht gehärtete Kunstharz entfernt werden kann. Vor dem Infiltrieren mit dem Keramikschlicker verschließt man die Hohlräume so, dass zwar eine Evakuierung möglich ist, der Schlicker jedoch nicht eindringt. Somit werden geringere Spannungen auf den Grünkörper während der Ausbrennphase ausgeübt und die filigrane innere Struktur damit nicht zerstört.

Erfindungsgemäß erzeugt das Abformverfahren individuell designte Keramiken mit einer inneren, dreidimensionalen Struktur. Diese Keramiken spielen vor allem im Bereich des Knochenersatzes, aber auch in der Keramikindustrie eine wichtige Rolle. Die innere Struktur muss dabei spezifisch für den gewünschten Bereich erzeugt werden, um die entsprechende Funktion der Hohlräume zu erfüllen. Des weiteren kann über die Veränderung der inneren Struktur die Oberfläche an den jeweiligen Anwendungsbereich angepasst werden. Anhand von RP-Verfahren im Besonderem, der Mikro-Stereolithographie und dem 3D-Drucken werden dreidimensionale Negative erzeugt, die dann mit einer Keramik umschlämmt werden. Die Negativmodelle werden durch thermische Einwirkung entfernt; es verbleibt das Positiv der dreidimensionalen Keramikstruktur, welches später nach dem Brennen als keramisches Bauteil eingesetzt werden kann.

Während der thermischen Nachbehandlung wird das Porenmodell über einen Pyrolyseprozess entfernt, sodass ein kontinuierliches Porenkanalsystem im Grünkörper und auch im Sinterkörper erhalten bleibt.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Negativstruktur gemäß der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt
1 zwei Negativstrukturen ohne innere Hohlräume,
2 zwei Negativstrukturen mit inneren Hohlräumen,
3 die zwei hergestellte Keramikstrukturen.
1 zeigt ein CAD-Modell der Kunststoffform. Diese wird durch den anschließenden Ausbrennprozess entfernt und stellt somit die Hohlräume der Keramikform dar. Die Stege in x, y-, und z-Richtung 2, 3, 4 können im Durchmesser verändert werden, um die Kanäle 10, 11, 12 der Keramikform in den drei Richtungen unterschiedlich groß zu dimensionieren.
Wie 2 zeigt, müssen in diese Struktur ab einer bestimmten Stegbreite Hohlräume 6, 7, 8 eingebracht werden, die es dem Kunststoff später ermöglichen, sich in diesen Raum während der Ausbrennphase auszudehnen. Vor dem Befüllen müssen die Hohlräume entweder verschlossen werden, damit der Schlicker diese Hohlräume nicht auffüllt, oder sie müssen so gewählt werden, dass sie nicht mit Schlicker gefüllt werden können, z.B. durch entsprechende Wahl der Öffnung der Hohlräume. Nun wird Keramikschlicker in die Struktur eingefüllt und verdichtet. Sobald der Schlicker ausgetrocknet ist, kann der Ausbrenn- und Sinterprozess gestartet werden.
Wie 3 zeigt, erhält man als Ergebnis eine gesinterte Keramik 9 mit einer inneren Struktur 10, 11, 12. Die inneren Strukturen können verschiedenste Formen aufweisen. Die Dimensionierung der Hohlräume 6, 7, 8 ist abhängig von den Abmessungen der Stege 2, 3, 4 und dem Ausdehnungsverhalten des Kunststoffes. Je größer diese Stege 2, 3, 4 sind, desto größer müssen die Hohlräume 6, 7, 8 gewählt werden, um die entstehenden Spannungen möglichst gering zu halten und eine Zerstörung der Keramik während des Pyrolyseprozesses zu vermeiden.

1: Negativstruktur ohne innere Hohlräume
2: Steg in x-Richtung
3: Steg in y-Richtung
4: Steg in z-Richtung
5: Negativstruktur mit inneren Hohlräumen
6: Hohlraum in x-Richtung
7: Hohlraum in y-Richtung
8: Hohlraum in z-Richtung
9: Keramikteil mit innerer Struktur
10: Kanal in x-Richtung
11: Kanal in y-Richtung
12: Kanal in z-Richtung

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Keramikteilen mit definierter innerer Struktur, die dadurch entsteht, dass eine ausbrennbare Form mit Keramikschlicker infiltriert wird und beim Sintern der Keramik ausgebrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die ausbrennbare Form definierte Bereiche enthält, die nicht mit Schlicker gefüllt werden.
Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Bereiche enthält, die es ihr erlauben, sich während der Ausbrennphase auszudehnen, ohne den Schlicker zu zerstören.
Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus Kunststoff besteht.
Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche teilweise hohl sind.
Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume vom Keramikschlicker freigehalten werden und damit ein Sprengen des Grünlings beim Erwärmen und Ausbrennen der gefüllten Formen vermeiden.
Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen sowohl anisotrop, orthogonal, als auch hexagonal und beliebig andere Formen annehmen kann.
Form nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume vor dem Infiltrieren des Keramikschlickers verschlossen werden.
Form nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume vollständig mit Wachs aufgefüllt werden, wird beim Ausbrennen zunächst das Wachs ausgeschmolzen wird, um die Hohlräume wieder frei zu geben und anschließend der Kunststoff ausgebrannt wird.
Form nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume röhrenförmig gestaltet sind.
Form nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume durch feine Filter verschlossen werden, so dass beim Infiltrieren im Vakuum zwar die Luft entweicht, aber der Schlicker nicht eindringen kann.
Form nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verschließen feine Öffnungen vorgesehen werden, durch die zwar die Luft entweichen kann, der Schlicker aber nicht eindringt.