DE102005007909A1

DE102005007909A1 - Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen aus Keramik

Info

Publication number: DE102005007909A1
Application number: DE102005007909A
Authority: DE
Inventors: Klaus Rennebeck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-02-08
Filing date: 2005-02-08
Publication date: 2006-08-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen aus Keramik mit einer wiederverwendbaren Form, wobei zumindest ein Teil der Form derart ausgebildet ist, dass durch den Teil der Form hindurch dem zu fertigenden Formteil großflächig über eine Mehrzahl von Öffnungen ein Fluid zugeführt und/oder entzogen werden kann, und wobei der Teil der Form eine membranartige Oberflächenschicht, deren Außenseite einen Teil der Negativform bildet, unterhalb der Oberflächenschicht eine Zwischenschicht mit Öffnungen und unterhalb der Zwischenschicht eine Trägerschicht aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen aus Keramik, beispielsweise aus Terrasigillata, China-Hart-Porzellan, Steingut, Majokika, Fayencen, Bone-China, Steinzeug, Porzellan, Mischoxiden, Nitriden oder Carbiden, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Im Folgenden soll unter Formteilen auch Fasern und Profile verstanden werden.
Verfahren zur Herstellung von Keramik-Formteilen sind beispielsweise aus der Online-Enzyklopädie „Wikipedia" bekannt.
Keramik ist einer der ältesten Werkstoffe, die der Mensch für vielseitige Zwecke zu nutzen weiß. Bereits im Altertum spielten Ton und später Porzellan eine wichtige Rolle im Alltag. Heute sind neben den klassischen vor allem auch die sogenannten „technischen Keramiken" von großer Bedeutung. Es handelt sich hierbei um keramische Produkte, die für technische Anwendungen hergestellt werden. Sie zeichnen sich durch besondere Eigenschaften, wie etwa Verschleißfestigkeit, Härte, Druckfestigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit oder elektrische Isolation aus. Manche Keramiken besitzen zudem Halbleitereigenschaften (FeO, ZnO) oder Supraleitfähigkeit (YBa₂Cu₃O_7-x). Im Allgemeinen sind keramische Werkstoffe anorganisch, nichtmetallisch und in der Regel kristallin. Sie sind überwiegend hart und spröde aufgrund ihrer ionischen und kovalenten Bindungen. Keramiken lassen sich den Gruppen Silikat-, Oxid- und Nichtoxid-Keramik zuordnen. Zu den Silikatkeramiken gehören beispielsweise technische Porzellane, Steatit, Cordierit und Mullit-Keramiken. Hauptbestandteile sind Ton und Kaolin, sowie Feldspat und Speckstein als Silikatträger. Oxidkeramiken enthalten zumeist über 90 % einphasige oder ein-komponentige Metalloxide. Die wichtigsten Vertreter sind Aluminiumoxid (Al₂O₃), Magnesiumoxid (MgO), Zirkoniumoxid (ZrO₂), Aluminiumtitanat und Piezokeramiken. Zur Gruppe der Nichtoxid-Keramiken gehören die Carbide (Siliciumcarbide mit unterschiedlichen Herstellungsverfahren, Borcarbid) und Nitride (Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Siliciumaluminiumoxinitrid). Ein hoher Anteil an kovalenten Bindungen verleiht diesen Werkstoffen auch bei hohen Temperaturen sehr gute mechanische Eigenschaften.

Einzelne Keramikprodukte besitzen sehr vielfältige Eigenschaften. Demzufolge gibt es auch zahlreiche Herstellungsverfahren – je nach Anforderungsprofil des Bauteils, Art des Materials, Preis und Stückzahl. Insgesamt lassen sich die Produktionsprozesse jedoch in zwei große Schritte zusammenfassen – Formgebung und Verdichtung, wobei auf die Formgebung im Folgenden näher eingegangen werden soll.

Bei der Formgebung ist man bestrebt, eine homogene Packungsdichte, das heißt eine gleichmäßige Massenverteilung im gesamten Grünling zu erreichen. Darüber hinaus wird die Wahl des Formgebungsverfahrens auch durch Faktoren, wie An des Materials, Form des gewünschten Bauteils, beabsichtigte Stückzahl und Kosten, beeinflußt. Grundsätzlich stehen drei Arten der Formgebung zur Verfügung:

1. Pressen
2. Gießen
3. Plastische Formgebung

Hinsichtlich der Feuchtigkeit gibt es zwei Möglichkeiten für die Formgebung durch Pressen: Trockenpressen und Feuchtpressen.

Beim Trockenpressen beträgt das Wassergehalt des Rohstoffes weniger als 7 %. Diese Methode eignet sich insbesondere zur Herstellung großer Stückzahlen. Die Formwerkzeuge sind sehr kostspielig und lohnen sich zumeist nur bei großen Serien. Eine aufwendige Pulveraufbereitung und Beschränkungen bei der Bauteilgeometrie stellen neben möglichen Dichteunterschieden weitere Nachteile dar. Dem stehen allerdings auch Vorteile, wie die gute Reproduzierbarkeit, Maßgenauigkeit und ein automatischer Prozessablauf gegenüber.

Als Alternative zum Trockenpressen bietet sich das Feuchtpressen mit einem Wassergehalt von über 12 % an. Diese An der Formgebung ermöglicht komplizierte Geometrien und eine gleichmäßigere Dichteverteilung. Es ist jedoch eine Trocknung des Grünlings erforderlich. Zudem besitzen Pressteile aus feuchtkrümeligem Granulat eine geringere Verdichtung und somit eine geringere Festigkeit als Trockenpressteile.

Zur Herstellung beispielsweise plattenförmiger Körper wendet man häufig die Methode des uniaxialen Pressens an. Der Preßdruck wird dabei nur in eine Richtung auf den Körper ausgeübt. Die Rieselfähigkeit des Pulvers (Kornform, Kornverteilungsfunktion) ist von großer Bedeutung, da von ihr die Verdichtungseigenschaften abhängen. Presshilfsmittel, wie Öle und Wachse, verbessern die Gleitfähigkeit und Verdichtbarkeit. Das Schwindungsverhalten beim Trocknen und Brennen wird hauptsächlich durch die Homogenität der Verdichtung beeinflusst. Unterschiedliche Verdichtungen über den Probenquerschnitt entstehen oft aufgrund der Reibung der Masse am Formwerkzeug. Aus diesem Grunde benötigt man bei steigendem Verhältnis L/D (Scherbendicke L, Probendurchmesser D) Gegendruck oder den fliegenden Mantel, wobei sich die Wände mitbewegen. Ein weiteres Problem entsteht bei zu hohem Pressdruck. Beim Herauslösen des Presslings können dabei lokale Zugspannungen auftreten, die nach ihrer Reaxation häufig zu kraterförmigen Rissen im Grünling führen. Dennoch hat sich das uniaxiale Pressen zu einem großserien-tauglichen Verfahren entwickelt.

Beim isostatischen Pressen ist der Pressdruck in alle Richtungen gleich groß. Diese Methode eignet sich gut für kleine Teile mit hoher Isotropie und gleichmäßiger Verdichtung, und ist zudem günstig für anspruchsvolle Prototypen und Kleinserienfertigungen.

Neben dem Pressen wird auch das Gießen als Formgebungsverfahren angewendet. Dazu benötigt man gießfähige Schlicker (mit organischen Zusätzen), die ein Wasserbeziehungsweise Lösungsmittelgehalt von über 30 % aufweisen. Per Hohlguss werden Hohlkörper mit gleichmäßiger Wandstärke erzeugt. Für massive Bauteile ist der Kernguss (beispielsweise in Gipsformen) geeignet.

Für spezielle Anwendungen werden zudem die Verfahren Druckguss, Spritzguss und Folienguss verwendet, mit denen man Werkstücke besonderer Geometrie herstellen kann, und ggf. mit spezifischen Eigenschaften.

Für Bauteile, die eine sehr komplexe Geometrie erhalten sollen, ist das als letztes hier erwähnte Verfahren für die Formgebung, nämlich das plastische Formgebungsverfahren, häufig sinnvoll. Dazu gehört beispielsweise die Extrusion: Eine beheizte Schnecke presst dabei Rohmaterial in das formgebende Endstück hinein.

Ist Formgebung und Trocknung bzw. Entbinderung abgeschlossen, folgt die Sinterung der Grünlinge.

Ferner kann zur Herstellung von Formteilen aus Keramik das Pulverspritzgießen verwendet werden. Unter Pulverspritzgießen (PIM Powder Injection Molding) versteht man die Anwendung des weitverbreiteten Verfahrens Spritzgießen als neuen Formgebungsprozess. Das Pulverspritzgießen wird nochmal untergliedert in zwei Fertigungsmethoden, in Metallpulverspritzgießen (MIM => Metal Injection Molding) und Keramikpulverspritzgießen (CIM => Ceramic Injection Molding), wobei im Folgenden nur auf das Keramikpulverspritzgießen eingegangen wird. Hierdurch ist es möglich für größere Stückzahlen und/oder technisch anspruchsvolle Teile (auch im Mikrobereich) ein effizientes Fertigungsverfahren mit ausgezeichneten Toleranzeinhaltungen zu verwirklichen. Obwohl der Schwund beim Pulverspritzgießen bei einer Größenordnung von 20-30 % liegt (dies ist Korngrössen abhängig), sind durch den gut reproduzierbaren Prozess sehr genaue und filigrane Bauteile herstellbar. Am häufigsten werden Keramik- und Hartmetallwerkstoffe eingesetzt. Der Gesamt-Prozess läuft in vier Stufen ab:

1 Materialaufbereitung
2 Formgebung
3 Entbinderung
4 Sinterung

Materialaufbereitung: Bei der Herstellung von Pulverspritzgießmassen wird mit verschiedenen Bindersystemen gearbeitet. Man versucht Keramik- oder Metallpulver für Spitzgießmaschinen zu homogenisieren. Ziel der Aufbereitung ist die Ummantelung (Agglomeration) aller Pulverpartikel mit dem Bindersystem. Die Pulverspritzgießmassen werden als "Feedstock" bezeichnet.

Binder der ersten Generation basierten auf Polyolefin-Wachsmischungen. Durch langsames Erwärmen wurde das Wachs aus dem Grünling ausgeschmolzen. Insbesondere im Schmelzbereich der Wachse muss extrem langsam aufgeheizt werden um das Bauteil bei der Verflüssigung durch die Volumenzunahme nicht zu zerstören. In Abhängigkeit von der Wandstärke konnte dieser Schritt mehrere Tage in Anspruch nehmen. Oft ist die Entbinderung der zeitbestimmende Schritt der ganzen Prozesskette und blockiert teure Ofentechnik. Eine Weiterentwicklung waren teillösliche Systeme. Hier kann ein Teil des Binders in organischen Lösungsmitteln herausgelöst werden. Nachteilig sind oft ökologische Aspekte weshalb man bemüht ist, die Lösungsmittel im Kreislauf zu führen. Eine Verbesserung stellt die Verwendung von Polyalkoholen oder Polyvinylalkoholen dar welche wasserlöslich und biologisch abbaubar sind. Vor dem Sintern müssen die Braunlinge vorgetrocknet werden. Es gibt Bindersysteme die beruhen auf katalytischen Abbau vom Polyoxymethylen (POM) durch starke Säuren. Die Polymerketten werden von den Enden her depolymerisiert und zu Formaldehyd abgebaut. Es handelt sich um einen fest-gasförmig-Phasenübergang. Der Vorgang erfolgt strikt von außen nach innen was eine beschädigungsfreie Entbinderung gewährleistet. Auch der Entbinderungsfortschritt ist mit 1-3mm/h sehr hoch und hängt von der Porengröße (bzw. Pulverpartikelgrö ßenverteilung od. Körngrösse) und der Wanddicke (Diffusionsweg der Abbauprodukte aus dem Bauteil) ab. Nachteilig ist, dass spezielle Ausrüstungen aufgrund der Verwendung konzentrierter Säuren und zur Nachverbrennung des Formaldehyds erforderlich sind.

Formgebung: Der Feedstock wird in meist modifizierten Spritzgießmaschinen verarbeitet. Die Massen werden in flüssigkeitstemperierte (Wasser oder Öl) Werkzeuge eingespritzt. Nach der Restkühlzeit werden die Bauteile (sog. "Grünlinge") aus dem Werkzeug entformt.

Entbinderung: Es gibt unterschiedliche Bindersysteme welche ebenso unterschiedliche Entbinderungsprozesse benötigen. Man spricht hier von der thermischen, katalytischen oder Wasserentbinderung. Nach der Entbinderung erhält man den sog. "Braunling". Diese sind sehr porös, und sollten in dafür vorgesehene Palettiersysteme abgelgt werden.

Sinterung: Nach der Entbinderung werden die Braunlinge durch einen weiteren thermischen Prozess verdichtet. Dieser Prozess zum Erreichen der Material-Endeigenschaften wird als "Brennen" bzw. "Sintern" bezeichnet.

Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die geringe Taktzeiten unter Verwendung eines kostengünstigen Materials ermöglicht. Hierbei soll insbesondere auch Schlicker möglichst schnell und möglichst gleichmäßig bis zur Lederhärte trocknen, so dass die Taktzeiten eines Gießverfahrens an die Taktzeiten des Pulverspritzgießverfahrens angenähert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen aus Keramik mit einer wiederverwendbaren Form, wobei zumindest ein Teil der Form derart ausgebildet ist, dass durch den Teil der Form hindurch dem zu fertigenden Formteil großflächig über eine Mehrzahl von Öffnungen ein Fluid zugeführt und/oder entzogen werden kann, und wobei der Teil der Form eine membranartige Oberflächenschicht, deren Außenseite einen Teil der Negativform bildet, unterhalb der Oberflächenschicht eine Zwischenschicht mit Öffnungen und unterhalb der Zwischenschicht eine Trägerschicht aufweist. Jede Schicht, insbesondere die Oberflächenschicht, worunter die mit dem auszubildenden Formteil zumindest kurzfristig in Kontakt stehende Schicht verstanden wird, kann auch durch mehrere Schichten, gegebenenfalls auch aus unterschiedlichen Materialien und mit unterschiedlichen Poren/Öffnungsgrößen, gebildet sein. Dabei kann eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung jedoch prinzipiell auch für mit einem Bindemittel versetzte Massen, also insbesondere Feed-Stock-Massen, verwendet werden. Bei den mit der Vorrichtung verarbeitbaren Massen handelt es sich vorzugsweise um keramische Massen, worunter im Folgenden auch keramische Vorläufermaterialien verstanden werden, mit nanoskaligen Anteilen.

Die Oberflächenschicht besteht bevorzugt aus nano- oder mikroporösem Material, welches eine hohe Trennschärfe aufweist und beispielsweise für die Nano- oder Ultrafiltration verwendet wird. Dabei kann die Oberflächenschicht auch Legierungsbestandteile und unvermeidliche Verunreinigungen aufweisen. Die Oberflächenschicht besteht bevorzugt aus porösem, insbesondere nanoporösem, Nickel, Aluminium, insbesondere anodisch aufoxidiertem Aluminium, Silizium, jeweils gege benenfalls mit Legierungsbestandteilen, oder Teflon. Sie hat eine möglichst glatte Oberfläche, um glatte Formteile, gegebenenfalls auch Fasern, zu erhalten.

Die Zwischenschicht weist vorzugsweise Öffnungen mit einem hydraulisch gleichwirkenden Durchmesser von 30 μm oder weniger auf, insbesondere von bis zu 0,1 μm. Die Öffnungen können auf beliebige Weise erzeugt sein, vorzugsweise jedoch mit Hilfe eines Laser- oder Elektronenstrahls, mittels Ätzens oder Erodierens, sie können aber auch in Form eines Streckblechs ausgebildet oder erodiert oder geätzt sein. Ferner kann die Verteilung der Öffnungen bedarfsgerecht sein, d.h. beispielsweise können in Bereichen des Formteils, die dicker ausgebildet sind, mehr und/oder größere Öffnungen vorhanden sein, um mehr Fluid bei Bedarf zuführen zu können und/oder entfernen zu können.

Vorzugsweise besteht die Zwischenschicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einer Titanlegierung. Andere Materialien, wie beispielsweise Gips, sind prinzipiell auch möglich, jedoch ist im Falle von Gips allerdings ein Trocknungsvorgang nach Erreichen einer Grenzfeuchtigkeit erforderlich.

Die Oberflächenschicht weist bevorzugt eine mittlere Dicke von maximal 180 μm, insbesondere eine Dicke von 10 bis 30 μm, auf.

Die Dicke der Oberflächenschicht und Zwischensicht zusammen beträgt bevorzugt maximal 2 mm, insbesondere bevorzugt 0,5 bis 1,5 mm, wobei die einzelnen Schichten auch aus mehreren Schichten bestehen können.

Unterhalb der Oberflächenschicht ist bevorzugt eine Trägerschicht vorgesehen, insbesondere aus einem Metallschaum oder mit einer Kugelstruktur, die bevorzugt aus Titanoxid, Titannitrit, Teflon oder einem offenzelligen Metallschaum, insbesondere aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung mit Magnesium und/oder Kupfer oder aus einer Magnesiumlegierung oder aus Nickel oder einer Nickellegierung, insbesondere in poröser Form, besteht. Eine Trägerschicht aus Titannitrit weist eine sehr gute Beständigkeit auf, so dass an den Stoßstellen maßgenau gefertigt werden kann und ein Entgraten der Grünlinge gegebenenfalls sogar entfallen kann. Die Trägerschicht weist bevorzugt Poren, Öffnungen, Kanäle oder dergleichen auf, um Fluid durchzuleiten.

Bevorzugt reichen die Öffnungen in der Oberflächenschicht bis in die Trägerschicht, so dass das durch die Öffnungen strömende Fluid ohne einen großen Strömungswiderstand weitergeleitet werden kann.

Die Vorrichtung ist bevorzugt düsenartig ausgebildet, so dass in einem kontinuierlichen Verfahren endlose Fasern, Hohlfasern oder andere Profile gesponnen oder kürzere Fasern gegossen werden können. Im Falle einer Spinnvorrichtung für Fasern/Hohlfasern mit einem kreisförmigen Querschnitt sind die einzelnen Schichten im Wesentlichen koaxial entlang der langgestreckten Düsenöffnung ausgebildet, jedoch kann die Düse auch kegelstumpfartig ausgebildet sein. Die Düse ist, insbesondere für die Herstellung von Nano- oder Mikrofasern, bevorzugt 3 bis 4 mm lang ausgebildet.

Um die Funktionsfähigkeit der Poren, d.h. der die Oberflächenschicht bildenden Membran, und der Öffnungen in der Zwischenschicht und Trägerschicht sicherzustellen, weist die Vorrichtung vorzugsweise eine Spül- oder Reinigungsvorrichtung auf. Mittels dieser Spül- oder Reinigungsvorrichtung kann bevorzugt ein Fluid durch den entsprechenden Teil der Form entgegen der normalen Strömungsrichtung ins Innere der Form unter Druck gefördert werden.

Ferner oder alternativ zu einer Gegenströmung kann die Spül- oder Reinigungsvorrichtung die Öffnungen und weiteren Kanäle mit Ultraschall reinigen.

Die Oberflächenschicht und die Trägerschicht sind vorzugsweise miteinander verschweißt oder verlötet. Dabei kann die Oberflächenschicht getrennt gefertigt werden und auf die Trägerschicht gesetzt und mit derselben verbunden werden.

Eine derartige Vorrichtung kann für die Herstellung von Formteilen aus Keramik mittels Gießens oder Pressens verwendet werden. Hierbei kann Schlicker gegebenenfalls auch unter großem Druck in die Form eingefüllt werden. Alternativ kann auch trockenes Pulver in die Form gefüllt werden und anschließend Wasser und/oder Alkohol und/oder ein anderes Fluid und/oder der entsprechende Dampf eingespritzt werden. Ebenfalls kann auch ein Feuchtpressen erfolgen.

Der Feuchtigkeitsentzug erfolgt vorzugsweise durch ein Vakuum und/oder Zentrifugalkräfte und/oder ein Trocknungsmittel. Dabei kommt vorzugsweise das Trocknungsmittel nicht in direkten Kontakt mit dem Schlicker. Jedoch kann auch die Druckdifferenz zwischen dem Inneren der Form nach dem Schließen unter Druck und der Umgebung ausreichen, um überschüssige Feuchtigkeit aus dem Inneren der Form zu entfernen, so dass das Formteil lederhart wird.

Der in die Form eingefüllte, insbesondere eingespritzte, Schlicker oder das Pulver enthält vorzugsweise Kieselgur und/oder Diatomeen und/oder Stärke und/oder Gelatine und/oder Harnstoff, wodurch Rissbildung vermieden werden kann bzw. sich schnell eine Haut am Formteil ausbildet, die ein zu schnelles Trocknen verhindert. Die Verwendung anderer Regulatoren ist ebenfalls möglich.

Um eine gute Qualität des Formteils bei vollständig gefüllter Form zu gewährleisten und die Form nicht zu beschädigen, wird vorzugsweise erst nach vollständigem Befüllen der Form der von außen anliegende Druck unter den Druck im Inneren der Form abgesenkt. Der Druck im Inneren der Form (Schließdruck) beträgt vorzugsweise maximal 80 bar, jedoch sind auch höhere Drücke prinzipiell möglich.

Im Falle eines Spinnens kann der Druck des sich im Behälter befindlichen Schlickers bei einer gewissen Füllhöhe ausreichen, jedoch kann bei Bedarf der Druck auch durch andere Maßnahmen erhöht werden.

Der pH-Wert des Formteils liegt während der Herstellung in der Form bevorzugt in einem Bereich von 5 bis 7. Bei Abweichungen wird der pH-Wert bevorzugt durch alkalische oder saure Zusätze korrigiert, so dass die vorgegebenen Grenzwerte eingehalten werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen, teilweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung, näher erläutert. Hierbei zeigt die einzige Figur schematisch den Aufbau.
Eine Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen aus Keramik mittels Gießens weist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eine zweiteilige Form auf, um beispielsweise eine Schale herzustellen. Vorliegend ist der innere Teil der Form auf herkömmliche Weise ausgebildet, d.h. er ist fluidundurchlässig. Dagegen ist der äußere Teil der Form, durch den ein schematisch und nicht maßstabsgerecht dargestellter ausschnittsweiser Schnitt in der Figur dargestellt ist, fluiddurchlässig ausgebildet, so dass die Feuchtigkeit im Schlicker über den äußeren Teil der Form großflächig abgeführt werden kann.
Der äußere Teil der Form besteht vorliegend aus einer Trägerschicht 1 bestehend aus einem offenzelligen Metallschaum, vorliegend aus einer Aluminium-Magnesium-Kupfer-Legierung, einer Zwischenschicht 2 bestehend aus einem gelochten 1 mm dicken Blech aus einer Aluminiumlegierung und einer dünnen, vorliegend 30 μm dicken, gleichmäßigen Oberflächenschicht 3 aus anodisch aufoxidiertem Aluminium (Al₂O₃), welche die in Kontakt mit dem auszubildenden Formteil stehende Fläche der Form bildet.
Die Oberflächenschicht 3 ist porös ausgebildet, so dass sie eine Art Membran bildet und Fluid aus der Form nach außen oder von außen in die Form gelangen kann, wobei die Poren einen hydraulisch gleichwirkenden Durchmesser von 0,1 μm und weniger aufweisen. Die Zwischenschicht 2 ist mit einer Mehrzahl von bis in die Trägerschicht 1 ragenden kleinen Öffnungen 4 mit einem Durchmesser von ca. 10 μm versehen. Die Öffnungen 4 sind in der Trägerschicht 3 oder einer darunter liegenden Schicht über Kanäle mit einer Pumpe (nicht dargestellt) verbunden, so dass nach dem Schließen eine ausreichende Druckdifferenz zwischen dem durch das Schließen im Inneren der Form entstandenen Druck und dem Druck in den Kanälen erzeugt werden kann, mit Hilfe derer die Feuchtigkeit aus der Form relativ schnell abgezogen werden kann, das Formteil schnell Lederhärte erreicht und anschließend das Formteil aus der Vorrichtung entnommen werden kann. Während des Schließvorgangs ist die Druckdifferenz etwa Null, vorzugsweise ist der Druck in den Kanälen etwas höher als der Druck im Inneren der Form.
Die Öffnungen 4 und Poren lassen sich bei Bedarf, beispielsweise nach jedem Gießvorgang oder nach jedem zweiten Gießvorgang, reinigen, indem Druckluft oder unter Druck stehender Wasserdampf in umgekehrter Richtung durch die Öffnungen geleitet wird.
Der gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verarbeitete Schlicker besteht aus einem Pulver aus keramischem Vorläufermaterial, das mit Kieselgur und Stärke versetzt ist, gelöst in einem Wasser-Alkohol-Gemisch. Der anfangs in (und auch in den Kanälen) der Form herrschende Druck beträgt ca. 20 bar, wobei der Druck automatisch durch das Schließen des Werkzeugs aufgebaut wird. Ist die Form vollständig gefüllt und geschlossen, so wird der Druck in den Kanälen abgesenkt, so dass eine Druckdifferenz entsteht und Wasser und Alkohol über die Poren, Öffnungen 4 und Kanäle nach außen gelangen, so dass das Formteil schnell zur Lederhärte aushärtet und entnommen werden kann.
Die Form gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel besteht aus einer Trägerschicht aus Titanoxid, deren Funktion dem offenzelligen Metallschaum gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, einer 1,5 mm dicken Zwischenschicht aus einem gestreckten Blech aus einer Titanlegierung und einer dünnen, vorliegend 0,5 mm dicken, gleichmäßigen Oberflächenschicht aus anodisch aufoxidiertem Aluminium (Al₂O₃), welche die Innenfläche der Form bildet.
Die Oberflächenschicht aus Aluminium ist wiederum porös als Membran ausgebildet. Die Zwischenschicht ist mit einer Mehrzahl von bis in die Trägerschicht ragenden kleinen Öffnungen mit einem Durchmesser von ca. 20 μm versehen. Die Öffnungen sind in der Trägerschicht über Kanäle wiederum mit einer Pumpe verbunden, so dass nach dem Schließen eine ausreichende Druckdifferenz zwischen dem durch das Schließen und das Einspritzen im Inneren der Form entstandenen Druck und dem Druck in den Kanälen erzeugt werden kann, mit Hilfe derer die Feuchtigkeit aus der Form relativ schnell abgezogen werden kann, das Formteil schnell Lederhärte erreicht und anschließend das Formteil aus der Vorrichtung entnommen werden kann. Zudem erfolgt das Zuführen der für die Formteilherstellung erforderlichen Feuchtigkeit über die Kanäle und Öffnungen.
Die Öffnungen und Poren lassen sich entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel bei Bedarf reinigen. Der Reinigungsvorgang kann zusätzlich durch Ultraschall unterstützt werden.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird ein Pulver aus einem keramischen Vorläufermaterial, vorliegend versetzt mit Kieselgur und ohne Binder, in eine dreiteilige Tassen-Form eingefüllt, wobei der innere Teil wiederum auf herkömmliche Weise massiv und die beiden äußeren Teile auf erfindungsgemäße Weise fluiddurchlässig ausgebildet sind. Durch die Öffnungen wird im Anschluss an das Einfüllen der pulverförmigen Bestandteile von außen gleichmäßig über die gesamte Fläche verteilt ein Wasser-Alkohol-Gemisch unter Druck eingespritzt. Ist das Pulver vollständig durchtränkt, so wird das überschüssige Gemisch wieder abgeführt.
Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet, wobei jedoch an Stelle von Gießen ein Feuchtpress-Vorgang erfolgt, wofür eine entsprechende, feuchte Masse in die Form eingefüllt und in Folge eines nach erfolgtem Schließen der Form vorhandenen Druckunterschieds zwischen dem Inneren der Form und den Kanälen beschleunigt lederhart wird, so dass der Grünling schneller aus der Form entnommen werden kann.
Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ist die Form bestehend aus einer Schichtreihenfolge wie beim ersten Ausführungsbeispiel als Spinn-Düse ausgebildet. Hierbei sind die Schichten konzentrisch zur Düsenlängsachse in Form eines Hohlzylinders angeordnet. Auf einer Seite der Spinn-Düse ist ein Behälter zur Aufnahme von Schlicker unter einem Druck von 2 bar vorgesehen. Beim Schlicker handelt es sich um Zirkonoxid, Alkohol, Wasser und Harnstoff, wobei weitere Zusätze vorgesehen sein können, aus dem eine Zirkonhohlfaser gesponnen wird. Gelangt der Schlicker in die Düse, so setzt umgehend der Trocknungsvorgang unter Ausbildung einer Hautschicht statt. Hierbei erfolgt ein Schrumpfvorgang, so dass sich die Hautschicht von der Innenmantelfläche der Düse ablöst. In Folge des Druckes im Behälter wird der angetrocknete Teil nach außen durch die Düse gedrückt, so dass sich kontinuierlich eine Faser ausbildet. Der Hautbildungs- und Trocknungsvorgang geht auch nach dem Ablösen weiter, so dass bei Verlassen der Düse eine lederharte Faser vorliegt, vorliegend mit textilen Eigenschaften. In Abhängigkeit von dem anliegenden Druck, der Schlickerzusammensetzung und dem Düsendurchmesser lassen sich sowohl Voll- als auch Hohlfasern auf diese Weise herstellen.
Für die Herstellung einer derartigen Form kann eine Bohrung im Material der Trägerschicht vorgesehen und eine Hülse, bestehend aus der Zwischenschicht und der Oberflächenschicht (an der Innenmantelfläche der Zwischenschicht angebracht) in die Bohrung eingesetzt und in der Bohrung fixiert werden, wobei die Zwischensicht an der Bohrungsfläche spielfrei anliegt.

Claims

Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen aus Keramik mit einer wiederverwendbaren Form, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Form derart ausgebildet ist, dass durch den Teil der Form hindurch dem zu fertigenden Formteil großflächig über eine Mehrzahl von Öffnungen ein Fluid zugeführt und/oder entzogen werden kann, wobei der Teil der Form eine membranartige Oberflächenschicht, deren Außenseite einen Teil der Negativform bildet, unterhalb der Oberflächenschicht eine Zwischenschicht mit Öffnungen und unterhalb der Zwischenschicht eine Trägerschicht aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die membranartige Oberflächenschicht aus einem porösen Material besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht Öffnungen mit einem hydraulisch gleichwirkenden Durchmesser von 30 μm oder weniger aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht Poren, Öffnungen, Kanäle oder dergleichen aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht eine mittlere Dicke von maximal 180 μm, insbesondere eine Dicke von 10 bis 30 μm, aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht und die Zwischenschicht zusammen eine mittlere Dicke von maximal 2 mm aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen in der Zwischenschicht bis in die Trägerschicht reichen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht aus porösem, insbesondere nanoporösem, Nickel, Aluminium, insbesondere anodisch aufoxidiertem Aluminium, Silizium, jeweils gegebenenfalls mit Legierungsbestandteilen, oder Teflon besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einer Titanlegierung besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht aus Titanoxid, Titannitrit, Teflon oder einem offenzelligen Metallschaum, insbesondere aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung mit Magnesium und/oder Kupfer oder aus einer Magnesiumlegierung, oder aus Nickel oder einer Nickellegierung, besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung düsenartig ausgebildet ist, wobei die einzelnen Schichten um die Längsachse der Düsenöffnung verlaufend ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse 3 bis 4 mm lang ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Spül- oder Reinigungsvorrichtung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Spül- oder Reinigungsvorrichtung ein Fluid durch den Teil der Form entgegen der normalen Strömungsrichtung ins Innere der Form förderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spül- oder Reinigungsvorrichtung die Form zumindest teil- oder bereichsweise mittels Ultraschall reinigt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht und die Trägerschicht miteinander verschweißt oder verlötet sind.
Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Keramik, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass Schlicker in die Form gegossen oder unter Druck eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass trockenes Pulver in die Form gefüllt und Wasser und/oder Alkohol und/oder ein anderes Fluid und/oder der entsprechende Dampf eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem oder mehreren Gießvorgängen ein Spülvorgang folgt, wobei ein Fluid und/oder Druckluft entgegen der normalen Strömungsrichtung zum Trocknen des Formkörpers ins Innere der Form strömt.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülvorgang mit Alkohol oder Alkohol mit Zusätzen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtigkeitsentzug durch ein Vakuum und/oder Zentrifugalkräfte und/oder ein Trocknungsmittel erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Form eingefüllte, insbesondere eingespritzte, Schlicker oder das Pulver Kieselgur und/oder Diatomeen und/oder Stärke und/oder Gelatine und/oder Harnstoff enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass erst nach vollständigem Befüllen der Form der von außen anliegende Druck unter den Druck im Inneren der Form abgesenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Inneren der Gießform maximal 80 bar beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert im Bereich von 5 bis 7 liegt und bei Abweichungen durch alkalische oder saure Zusätze korrigiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass in einem kontinuierlichen Verfahren ein Formteil in Form eines endlosen Profils, einer Faser oder einer Hohlfaser gesponnen wird.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der anliegende Druck konstant gehalten wird.