DE102008051622A1

DE102008051622A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Erzeugnisses durch Urformen aus flüssigem, breiigem, pastenförmigem, pulverigem, körnigem, festem Material und/oder dessen Kompositionszuständen

Info

Publication number: DE102008051622A1
Application number: DE102008051622A
Authority: DE
Inventors: Roland Gschwinder; Nikita Prof.Dr.Dr.rer.nat. Hirsch; Michael Mebus; Boris Prof.Dr.rer.nat. Tarasov
Original assignee: Hirsch Nikita Prof Dr Dr rer nat
Current assignee: GSCHWINDER, ROLAND, 73491 NEULER, DE; HIRSCH, NIKITA, PROF. DR. DR. RER. NAT., 73733, DE
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2010-04-08

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Erzeugnisses durch Urformen (Spritzgießen, Pressen) aus flüssigem, breiigem, pastenförmigem, pulverigem, körnigem und/oder festem Material und/oder dessen Kompositionszuständen mittels einer Form ist dadurch gekennzeichnet, dass ein periodischer Energieeinfluss in Form von vorzugsweise mehreren Energieimpulsen kurzer Zeitdauer und hoher Intensität angewendet wird, dass für eine bessere Kompaktierung, Urformung und Vorsinterung des Vorerzeugnisses als auch für Vorentbinderung und die deutliche Reduzierung der Sintertemperaturen als auch Urformdrücken, die mehrere Energieimpulse mit vorzugsweise unterschiedlicher Intensität bzw. Leistung und/oder Zeitdauer angewendet werden und so durch einen schrittweisen Energieeintrag eine Nivellierung der Temperaturerhöhung und der Erhöhung der Teilchenverbundkräfte bis hin zur Vorsintertemperatur und Vorsinterverbundkraft gewährleisten und dass die Kompaktierung und Vorsinterung im gesamten Formraum gleichmäßig verteilt erzeugt und beschleunigt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Herstellung von Erzeugnissen beliebig komplexer Formen durch Urformen (Spritzgießen, Pressen) aus flüssigem, breiigem, pastenförmigem, pulverförmigem, körnigem und/oder festem Material und/oder dessen Kompositionszuständen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. dem des Anspruchs 21.
STAND DER TECHNIK
Bei allen bekannten Urformverfahren aus Materialien in flüssigem, breiigem, pastenförmigem, pulverförmigem, körnigem und/oder festem Zustand und/oder deren Kompositionszuständen werden folgende Technologieschritte verwendet:

– Materialaufbereitung
– Urformen oder Formgebung = Herstellung von so genannten „Grünlingen oder Grünteilen”
– Entbindern = Herstellung von so genannten „Braunlingen” (aus Metallpulver) oder „Weißlingen” (aus Keramikpulver)
– Sintern
– Folgeprozesse, unter anderem Entfernung der Spritzgusskanäle usw.

Bei der Materialaufbereitung werden verschiedene Materialzustände der Bestandteile als auch verschiedene Werkstoffe zusammen mit verschiedenen Bindermitteln möglichst homogen vermischt, um ein Spritzgussgemisch oder Extrusionsgemisch zu bekommen. Als Binder kommen oft verschiedene Wachse, Polyolefine, Polyalkohole, Polycaprolactone, Polyvinylalkohole und andere Polymerlösungen und flüssige Polymere, Algenwassergemische, Zellulosewassergemische, Thermoplaste und andere zum Einsatz.
Werkstoffgemische, oder so genannte „Feedstocks”, werden in oben genannter Weise vorbereitet, um dann in speziellen Werkzeugen urgeformt, extrudiert oder eingespritzt zu werden. Dadurch erfolgt die Formgebung und eine erste Verdichtung bei Umgebungstemperatur. Nach dem Urform-, Extrusions- und/oder Spritzgussprozess werden die Erzeugnisse in Form von so genannten „Grünteilen” aus dem Werkzeug entfernt.
Der nächste technologische Schritt umfasst die Entbinderung (Entfernung) der Bindermittel. Die Entbinderung erfolgt durch thermisches, katalytisches und/oder Extraktionsentbindern (Lösungsmittelentbindern). Zum Beispiel kommen bei der thermischen Entbinderung die Vorerzeugnisse (Grünteile) für mehrere Stunden in einen Ofen, um eine möglichst beschädigungsfreie und langsame Entbinderung zu gewährleisten. Bei der Entbinderung werden ca. 60–90% des Bindermittels aus dem Grünling entfernt. Nach erfolgter Entbinderung wird das Formteil lediglich durch den gezielt eingestellten Restbindergehalt zusammengehalten (Backbone). Der Gewichtsverlust vom Grünling zum entbinderten Bräunling oder Weißling beträgt ca. 5–15%.
Die nach der Entbinderung entstandenen halbfertigen Erzeugnisse, so genannte „Braunteile” im Fall von Metallpulvern oder „Weißteile” im Fall von Keramikpulver, weisen unterschiedliche Porositäten und sehr geringe mechanische Festigkeiten auf. Diese halbfertigen Erzeugnisse müssen deswegen mit sehr hoher Sorgfalt zum Sintern gebracht werden.
Das Sintern umfasst einen speziellen physikalischen Prozess; dieser erfolgt durch die thermische Behandlung in einem speziellen Ofen oder durch Lasersintern oder durch Plasmasintern oder durch selbst erhaltendes chemisches Sintern oder durch Mikrowellensintern. Die Sintertemperaturen und Sinterzeiten sind von den Werkstoffen abhängig und erreichen manchmal bis zu 2700°C oder höher und können bis zu mehreren Stunden oder Tage dauern.
In manchen Fällen erfolgt nach dem letzten Vorgang (Sintern) noch ein Kalibrieren des Erzeugnisses, in der Regel bei Bedarf einer sehr hohen Maßgenauigkeit, welches durch den nicht exakt berechenbaren Volumenverlust des reinen Sinterns erreichbar ist. Dabei wird das quasi fertige Erzeugnis noch einmal unter hohem Druck in eine Form gepresst. Somit ist eine hohe Maßhaltigkeit oder z. B. die Einhaltung der technischen Toleranzen (Form- und Lagetoleranz) möglich.
Bei allen bekannten nassmechanischen und/oder trockenpulvermechanischen Verfahren treten zahlreiche Schwierigkeiten bezüglich Qualität, Freiheit der Gestaltung, Reproduzierbarkeit und Wahl der Zusammensetzung der Werkstoffe und Bindermitteln als auch die Blasenbildung beim Mischen von Pulvern mit Binder- und/oder Lösungsmittel auf.
Bindermittellösungen weisen meistens nicht ausreichende für die Kompaktierung notwendige Viskositäten auf, weswegen alle bekannten Feedstocks nicht ausreichende Fließeigenschaften besitzen.
Hinzu kommt auch eine begrenzte maximale Wandstärke der Erzeugnisse (z. B. max. 5–10 mm für Metallpulverspritzguss), da sonst die Bindermittel nicht mehr vollständig entfernt werden können.
Sehr nachteilig ist das Auftreten von Bindermittelrückständen (z. B. Kohlenstoff), die nach dem ”Ausbrennen” des Bindermittels im Erzeugnis verbleiben und dessen Zusammensetzung unkontrolliert beeinträchtigen.
Das bekannte Urformen oder Spritzgießen ist oft Ursache für Fehler, die erst am gesinterten Erzeugnis erkennbar werden, wie zum Beispiel Risse, Lunker, Spannungen im Erzeugnis, mechanische Verzüge oder Verformungen, Legierungsveränderungen oder C-Gehalt.
Bei den bekannten Verfahren zur Herstellung der Erzeugnisse aus mehreren unterschiedlichen Werkstoffzusammensetzungen benötigt man mehrere Spritzgussschritte oder Extrusionsschritte.
Um die genannten Nachteile zu überwinden sind mehrere unterschiedliche Vorschläge gemacht worden.
Der Vorschlag einiger Patente, wie zum Beispiel WO2000020351A und EP0559215A , zur Erreichung einer besseren Kompaktierung sowie Entbinderung ist das Erhöhen der Temperaturen beim Sintern.
WO2007066969 A beschreibt das Sintern bei Vakuum, um Reste von Bindermitteln zu entfernen. Solche besondere thermische Behandlungen sind sehr aufwendig und brauchen viel Energie und Zeit; zum Beispiel ergibt die vorgeschlagene Aufheizung von 700°C bis zu 1250°C mit einer Aufheizungsgeschwindigkeit von 5°C pro Stunde eine 110stündige Behandlungszeit.
US7012036A beschreibt ein Verfahren, welches eine Kompaktierung eines Vorerzeugnisses in einem Gummischlauch mit einem isostatischen Druck von 1400 bar und danach eine Sinterung bei einer Temperatur von circa 1700°C vorsieht.
US 20050082702A beschreibt die Herstellung von Kompositionserzeugnissen, bestehend aus einer metallischen oder keramischen Matrix, welche eine hohe Schmelztemperatur aufweist, durch eine Imprägnierung mit anderen Werkstoff- und Bindermittelgemischen und einer nachträglichen Sinterung. Solche Verfahren benötigen mehrere technologische Schritte und sind sehr kostenaufwendig und uneffektiv.
US20040265161A beschreibt die Kompaktierung von Pulvern durch Anwendung von Druckwellen, die mittels Gasexplosionen erzeugt werden. Das ist ein sehr kostenintensives und gefährliches Verfahren, welches sehr komplexe Urformenmaschinen mit speziellen Explosionsschutzeinrichtungen voraussetzt.
Zur Theorie der bekannten Prozesse:
Entscheidende Eigenschaften für die Formgebung oder das Urformen von Erzeugnissen aus pulverbasierenden Werkstoffgemischen, oder „Feedstocks” ist das Fließverhalten und das Packungsverhalten der Gemische aus Pulverpartikel und Bindermittel. Diese Eigenschaften werden durch Volumenkräfte (Masse) und Oberflächenkräfte (Anziehung und Abstoßung zwischen den Pulverteilchen) bestimmt. Je kleiner die Pulverteilchen sind, umso mehr werden die Pulvereigenschaften durch die Oberflächenkräfte geprägt.
Die Erzeugung der stabilen Suspensionen von Gefügewerkstoffen und Bindermittelmischungen spielt bei der Formgebung eine bedeutende Rolle. Unter stabilen Suspensionen versteht man gut dispergierte Pulveraufschlämmungen, in denen sich die Partikel nicht zusammenlagern. Hohe Stabilität wird erreicht, wenn die gegenseitige Annäherung von Partikeln durch Brownsche Bewegungen (thermische kinetische Energie) nicht in den Bereich der Van der Walls Anziehung führt.
Zwischen Teilchen gleichen Materials wirken immer Van der Walls Anziehungskräfte; ihre Reichweite ist sehr gering. Sie bewirken ungeordnetes Zusammenhaften der Partikel und eine relativ niedrige Packungsdichte.
Die Formgebung von Bauteilen aus Pulvern wird behindert durch die Anziehungskräfte und die Form der Partikel (Ecken, Kanten, Rauhigkeit). Das zeigt sich insbesondere bei feinen und trockenen Pulvern.
Die Wirkung der Van der Walls Anziehung kann vermindert oder kompensiert werden durch Aufladung der Partikel (elektrostatische Abstoßung) und/oder durch Beschichtung der Partikel mit Polymeren, die eine gegenseitige Berührung der Patrtikeloberflächen behindert (sterische Hinderung).
Die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln werden wesentlich durch die unterschiedlichen Reichweiten der Anziehungs-, Abstoßungs- und Hinderungskräfte bestimmt.
Das Sintern neben der Formgebung oder Urformen ist der Kern einer pulvertechnologischen Fertigung von Erzeugnissen. In diesem Prozessschritt entsteht aus geformtem Pulver das Erzeugnis mit seinen wesentlichen Eigenschaften.
Das Sintern ist die Verdichtung von Grünkörpern unter bestimmten physikalischen Anwendungen, wie zum Beispiel, Wärmebehandlung durch den Diffusionstransport von Atomen. Die Körner wachsen zusammen, die Porosität sinkt, und fast immer findet Kornwachstum (Vergröberung der Körner) statt. Die treibende Kraft ist die Verringerung der Oberflächen- und Grenzflächenenergie. In vielen polykristallinen Werkstoffen findet der Atomtransport beim Sintern ausschließlich in der festen Phase statt, in manchen tritt während des Sinterns ein flüssige Phase auf.
Charakteristisch für den Sinterprozess ist, dass hierbei nicht alle Komponenten aufschmelzen und somit die äußere Form erhalten bleibt. Die Verdichtung darf lediglich zu einer möglichst gleichmäßigen und reproduzierbaren Schwindung führen. Im Laufe dieses Prozesses soll ein homogener und rissfreier Werkstoff mit möglichst feinkristallinem Gefüge und bestimmter (in vielen Fällen möglichst geringer) Porosität entstehen.
Festphasensintern findet bei Temperaturen statt, die unterhalb des Schmelzpunktes der am niedrigsten schmelzenden Komponente liegen.
Beim Flüssigphasensintern muss mindestens eine Komponente einen geringen Schmelzanteil bilden. Eine andere Möglichkeit bietet das Sintern durch viskoses Fließen, wobei in diesem Fall ein hoher Schmelzanteil vorliegt.
Reaktionssintern zeichnet sich dadurch aus, dass eine neue Phase (aus der Übergangsschmelze, die sich zunächst gebildet hat) entsteht.
Die Sintervorgänge in der festen Phase.
Die geometrische und mikroskopische Veränderung des Grünkörpers während des Sinterns können in drei Stufen eingeteilt werden:
Im Anfangsstadium bilden die einzelnen Pulverpartikel so genannte Sinterhälse an den Berührungsstellen zu ihren Nachbarn. Die Hälse an den Kontaktstellen wachsen, es werden mit der Zeit weitere Kontakte gebildet, die Poren zwischen den Partikeln sind über Kanäle vollkommen miteinander verbunden. Während sich die Porenform wegen des Halswachstums ändert, bleibt das Porenvolumen annähernd konstant. Die Kinetik in diesem Stadium wird dominiert von unterschiedlichen Krümmungsradien. Man betrachtet das Anfangsstadium meist als beendet, wenn eine Dichte von etwa 60–70% der theoretischen Dichte (theoretisch maximal erreichbare Dichte; alle Poren verschwunden) erreicht ist.
Im Zwischenstadium wachsen an allen Kontaktstellen Korngrenzen heran; sie ersetzen fest-gasförmige Grenzflächen. Die Porenstruktur wird ”weicher”, es bilden sich Porenkanalstrukturen mit teilweise zylindrischem Querschnitt. Erst in diesem Stadium setzt ein starker Schrumpfungsvorgang ein, wobei ein Großteil des vorhandenen Porenvolumens eliminiert wird. Die Korngröße ist wenig größer als die anfängliche, die Sinterrate sinkt kontinuierlich ab. Im späten Zwischenstadium werden Poren voneinander isoliert; dies kann mit starkem Kornwachstum einhergehen. Das Zwischenstadium ist beendet, wenn alle Poren voneinander isoliert und geschlossen sind (man spricht von 'geschlossener' Porosität); dies ist bei etwa 92% der theoretischen Dichte erreicht.
Im Endstadium entscheidet der Wettlauf zwischen Verdichtung und Vergröberung des Gefüges darüber, welche Dichte der Sinterkörper erreicht. Nur Poren an Korngrenzen oder Poren in Tripelpunkten (Poren mit drei und mehr angrenzenden Körnern) haben eine reelle Chance stark zu schrumpfen. Wachsen die Körner zu schnell, werden Poren im Korninneren eingeschlossen und haben kaum noch Möglichkeiten weiter zu schrumpfen. Ob Poreneliminierung oder Kornwachstum dominieren, hängt vom vorherrschenden Diffusionsmechanismus ab.
Thermodynamik und Kinetik des Sinterns.
Treibende Kraft für das Sintern, für Halswachstum, Formänderung der Poren, Schrumpfung und Kornwachstum ist die Verringerung der Oberflächen- und Grenzflächenenergie, als Teil der freien Gibbs Energie G δG = gs δAs + g bδAb (1)wobei gs, gb die spezifische Oberflächenenergie bzw. Korngrenzenergie und As bzw. Ab die gesamte Oberfläche bzw. Korngrenzfläche des Sinterkörpers sind.
Atomarer Transport findet statt bei Unterschieden des chemischen Potentials von Atomen bzw. Leerstellen.
Das unterschiedliche chemische Potential Δμ im Sinterkörper ist verknüpft mit lokal unterschiedlichen Krümmungen der Körner. Mathematisch lässt sich dies formulieren als Δμ = ΔK·gs Ω (2),wobei ΔK der Unterschied der Oberflächenkrümmung zwischen zwei Stellen im Sinterkörper und Ω das Volumen der atomaren Spezies ist. Die Krümmung skaliert dabei mit 1/Korngröße. Das Verhältnis von chemischem Potential zum Volumen Ω ist das Sinterpotential σΣ (Einheit MPa). ΔΩ μ = σΣ (3)
Typische Aktivierungsenergien für die Diffusion in Oxiden liegen im Bereich von 200–600 kJ/mol.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der genannten Art zu schaffen, das bzw. die die Nachteile der vorbeschriebenen Verfahren/Vorrichtung vermeidet.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem derartigen Verfahren/Vorrichtung die im Anspruch 1 bzw. 21 angegebenen Merkmale vorgesehen.
Die Kompaktierung und Bildung der Metallpulver- oder Keramikpulverstrukturen oder deren Kompositionen erfolgt durch Van der Walls Kräfte oder auf Nano-Basis durch Casimir-Kräfte.
Es ist möglich, basierend auf Quantums-mechanischen Berechungen zu zeigen, dass durch Anwendung der periodischen Casimir-Kräfte die Verbundkräfte von keramischen wie auch metallischen Teilchen sich bei der Kompaktierung und der Sinterung erhöhen. Deswegen braucht man auch einen periodischen Energieeinfluss, um die periodischen Casimir-Kräfte zu aktivieren. Dadurch kann der notwendige Energieaufwand für den Kompaktierungsvorgang und den Sintervorgang deutlich reduziert werden. Die Aktivierung der periodischen Casimir Kräften wird durch einen periodischen Energieeinfluss erzeugt.
Der notwendige periodische Energieeinfluss wird durch die Anwendung periodischer Drücke erzeugt.
Die Erzeugung der periodischen Drücke könnte mit Hilfe von pneumatischen, hydraulischen, gasdynamischen gepulsten Druckerzeuger, Ultraschalldruckerzeuger, magnetostriktiven Druckerzeuger, thermostriktiven Druckerzeuger, Plasmadruckerzeuger, Laserdruckerzeuger, chemischen Druckerzeuger und/oder durch Elektroentladungen und/oder Laser initiierte Entladungen und/oder mikroskopische Explosionen erfolgen.
Die Anwendung der periodischen Energieeinflüsse erzeugt beim Urformen eine fast ideale homogene Verteilung zum Sintern bestimmter Bestandteile in ganzen Urformvolumina, erzeugt eine deutlich höhere Kompaktierung und reduziert dadurch die für die Kompaktierung benötigten Drücke, initiiert erstes Vorsintern durch Erleichterung der chemischen Bindungen, beschleunigt deutlich die Entbinderungs- und Sinterprozesse, sichert dadurch die ideale Dichte der Erzeugnisse und reduziert deutlich die Sintertemperatur.
Die Anwendung der periodischen Energieeinflüsse durch die Anwendung der gepulsten Drücke initiiert auch einige chemische Reaktionen mit Bindemittelstoffen und erzeugt dadurch schon beim Urformen Entbinderung.
In einigen besonderen Fällen findet die komplette Entbinderung und wesentliche Sinterung beim Urformen statt. Dadurch reduziert sich die Sintertemperatur deutlich.
Unter Sintern wird hier ein thermisches Sintern verstanden, einschließlich selbstausbreitendes Sintern (Self Heating Sintering oder Self-Propagating High-Temperature Synthesis), Explosionssintern und hydrathermisches Sintern, Mikrowellensintern sowie Ultraschallsintern und Lasersintern.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist darüber hinaus weitere Vorteile im Vergleich mit den bekannten Verfahren auf.
Zum einen wird eine deutlich höhere Kompaktierung des Erzeugnisses beim Urformen erreicht. Zum anderen werden die Oberflächenqualitäten und die Festigkeitseigenschaften deutlich verbessert.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch das neue erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit entsteht die Höhe des angewendeten Druckes um mindestens 10 bis 500 bar zu reduzieren.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Sintertemperatur deutlich um bis zu 900°C reduziert werden kann.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Nachteile von unzureichenden Viskositäten der Materialgemische, des so genannten „Feedstocks” (Materialbestandteilszustände und verschiedene Werkstoffe, die zusammen mit verschiedenen Bindermitteln am besten homogen vermischt werden) und/oder den Verbundstoffen überwunden werden und so das erste Mal die Möglichkeit entsteht, ideale Dichten im ganzen Volumen des gesinterten Erzeugnisses zu erreichen.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die gezielte Steuerung der Porenentwicklung erreicht wird. Dadurch wird eine genaue Bestimmung der Porengröße (von 0,1 nm bis 800 μm) oder eine komplette Eliminierung von Poren möglich.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren poröse Erzeugnisse (zum Beispiel poröse Knochenimplantate und andere) in einem technologischen Schritt hergestellt werden können. Dies war bei den bekannten Verfahren nur durch zusätzliche Anwendungen bei gleichzeitiger deutlicher Kostenerhöhung möglich.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit besteht, die Erzeugnisse ohne Wanddickenbegrenzung zu produzieren. Bei bekannten Verfahren ist die Wanddicke der produzierbaren Erzeugnissen durch den Entbinderungsprozess begrenzt, normalerweise maximal bis 10 mm, da sonst der Binder nicht vollständig entfernt werden kann.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit besteht die Erzeugnisse aus mehreren verschiedenen Werkstoffen mit verschiedenartigen Eigenschaften (zum Beispiel Partikelgröße) und deren Kombinationen zusammen ohne zusätzliche Urformschritte zu produzieren.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren das erste Mal die Möglichkeit besteht, das Entbinderung schon bei der Umformung mindestens teilweise durchzuführen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch das neue erfindungsgemäße Verfahren auch definierte Geometriestrukturen in die Oberfläche eingeprägt werden können. Derartige Strukturen liegen insbesondere im Mikrobereich und können so beispielsweise für verbesserte Reibeigenschaften des Erzeugnisses dienen.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren schwer herstellbare strukturelle Kompositionswerkstoffstrukturen, auch strukturelle poröse Kompositionswerkstoffstrukturen, wie zum Beispiel im Fall der Turbinen- oder Gasturbinenblätterherstellung, die einen porösen Kern mit metallischen oder keramischen Wänden haben, oder poröse Knochenimplantate in einem Urformprozess hergestellt werden können.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren verschieden Teile des Erzeugnisses unterschiedliche Härte- und Festigkeitseigenschaften aufweisen können, wie zum Beispiel, dass ein inneres Teil eine höhere Härte und Festigkeit gegenüber dem äußeren Teil durch die Anwendung einer speziell ausgerichteten Druckpulsefolge und dazu passenden Bindermittelgemisches aufweist.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren ein schrittweiser Energieeintrag, eine Nivellierung der Temperaturerhöhung und die Erhöhung der Teilchenverbundkräfte bis hin zur Vorsintertemperatur und Vorsinterverbundkraft gewährleistet wird, so dass die Kompaktierung und Vorsinterung im gesamten Formraum gleichmäßig erzeugt und verteilt wird.
Ein weiterer Vorteil ist aufgrund höherer Festigkeit das bessere Handling der Halbprodukte (-zeuge).
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Bindermittelentfernung im gesamten Formraum gleichmäßig verteilt erzeugt und beschleunigt wird.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Anwendung überkritischer Flüssigkeiten die komplette Entbinderung und die komplette Bindermittelspuren Eliminierung erreicht wird.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Kompaktierung, Vorsinterung und Bindermittelentfernung im gesamten Formraum gleichmäßig erzeugt, verteilt und beschleunigt wird, und zwar durch Anwendung einer oder mehrerer Ultraschallimpulse mit vorzugsweise unterschiedlicher Leistung und/oder Impulsdauer, die durch einen schrittweise Energieeintrag eine Nivellierung der Temperaturerhöhung und der Erhöhung der Teilchenverbundkräfte bis hin zur Vorsintertemperatur und Vorsinterverbundkraft gewährleisten.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen eines oder mehrerer der Ansprüche 2 bis 20 bzw. 22 bis 35.
Des weiteren bezieht sich die Erfindung nach dem Verfahren und/oder mit der Vorrichtung hergestellte Erzeugnisse gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 36 bis 38.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert ist.
Die einzige Figur zeigt in schematischer Seitenansicht eine Vorrichtung zum Herstellen eines Erzeugnisses durch Urformen (Spritzgießen, Pressen) aus einem Material, das in einem flüssigen, breiigen, pastenförmigen, pulvrigen, körnigen und/oder festen Zustand und/oder einem gemischten Zustand vorhanden ist.
Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung 10 zum Herstellen eines Erzeugnisses durch Spritzgießen oder Pressen aus einem Material bestimmten Ausgangszustandes besitzt eine Pressschnecke 11 in einem Gehäuse 21, das mit einem Trichter 22 versehen ist, durch den in den Innenraum 23 des Gehäuses 21, in welchem die Pressschnecke 11 rotierend gelagert ist, eine Mischung 12 aus dem verwendeten Material (Werkstoff) und einem Bindermittel eingebracht wird. Das Bindermittel kann aus einer beim Spritzgießen üblichen und auf das zu verarbeitende Material abgestimmten Substanz sein. Das beim Spritzgießen verwendete Material (Werkstoff) kann in flüssigem, breiigem, pastenförmigem, pulvrigem, körnigem und/oder festem Zustand und/oder dessen Kompositionszuständen bestehen und mit dem Bindermittel vermischt eingebracht werden. Es versteht sich, dass statt einer rotierend angetriebenen Pressvorrichtung eine solche vorgesehen sein kann, die linear angetrieben ist.
Durch die rotierend angetriebene Pressschnecke 11 wird die Werkstoff-Bindermittel-Mischung 12 in axialer Richtung des Gehäuses 21 zu einer oder mehreren Spritzdüsen 13 gebracht, während welchen Vorganges die Mischung 12 unter von der Pressschnecke 11 aufgebrachtem Druck verdichtet wird. Das mit der oder den Spritzdüsen 13 bestückte Ende des Gehäuses 21 ist mit dem ortsfesten Teil 14 einer Spritzgussform 25 verbunden, zwischen welchem ortsfesten Teil 14 und einer in Richtung des Doppelpfeiles A zum Öffnen und Verschließen der Spritzgussform 25 beweglichen Teiles 16 ein Spritzgussraum 26 angeordnet ist, in welchem das gespritzte Erzeugnis 15 hergestellt wird.
Im Bereich der Spritzdüse 13 oder dem Spritzgussraum 26 mündet radial eine nicht im einzelnen dargestellte Druckleitung, deren anderes Ende mit einem Erzeuger 17 von gepulsten Drücken verbunden ist. Diese Druckimpulse werden dem in der Spritzdüse 13 oder der Spritzgussform aufgrund der Pressschnecke 11 vorhandenen Druck auf die Mischung 12 überlagert. Auf die Spritzdüse(n) 13 wirkt ferner ein Abdichter 18, der beispielsweise als Rückschlagventil bei Materialien sehr hoher Viskosität und bei Druck im Spritzgussraum 26 ausgebildet sein kann.
Der Druckerzeuger 17, der dem Erzeugen periodischer Drücke dient, kann in verschiedener Weise ausgebildet sein, beispielsweise als pneumatischer, hydraulischer, gasdynamischer, gepulster Druckerzeuger, als gepulster Ultraschalldruckerzeuger, gepulster magnetostriktiver Druckerzeuger, gepulster thermostriktiver Druckerzeuger, gepulster Plasmadruckerzeuger, gepulster Laserdruckerzeuger, gepulster chemischer Druckerzeuger und/oder durch Elektroentladungen und/oder Laser initiierter Entladungen und/oder mikroskopischer Explosionen gepulst.
Dabei kann der Druckerzeuger 17 so ausgebildet sein, dass die Anzahl der Druckimpulse und/oder deren Kraft bzw. Energie und/oder deren Impulsdauer und/oder deren Zeitpunkt gesteuert werden kann. Die Form der Druckimpulse kann idealerweise etwa rechteckförmig oder etwa sägezahnförmig sein.
Beispielsweise ist die Anzahl der Druckimpulse ≥ 1, beispielsweise im Bereich von 1 bis 1000 Druckimpulse, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 500, jedoch am bevorzugten im Bereich von 1 bis 100 Druckimpulsen. Die Impulsdauer kann zwischen 1 ns und 30 Minuten, vorzugsweise zwischen 2 μs bis 10 Minuten, jedoch am bevorzugten zwischen 100 ms und 5 Minuten sein. Als Impulsabstand kommen Bereiche zwischen 1 ns und 30 Minuten, vorzugsweise zwischen 1 μs und 10 Minuten, am bevorzugten zwischen 100 ms und 5 Minuten in Frage.
Der erzeugte gepulste Druck wird dabei auf den Werkstoffgemisch-Feedstock übertragen, der sich in der Spritzgussform 25 befindet. Vorzugsweise werden die gepulsten Drücke zusammen mit dem Spritzgussdruck angewendet.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform werden die erzeugten gepulsten Drücke durch die Anwendung spezieller Membrane, die sich beispielsweise in der Spritzgussform 25 oder in den Spritzgussdüsen 13 befinden, auf den Spritzgussraum 26 übertragen.
Es ist aber auch möglich, dass die gepulsten Drücke, die durch Plasmadruckerzeuger und/oder laserinitiierte Entladungen und/oder mikroskopische Explosionen erzeugt werden, direkt zum Werkstoffgemisch 12 ohne Zwischenschaltung von Membranen gebracht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde ferner am Beispiel einer Heißgas-Turbinenschaufel mit verschiedenen Werkstoffmischungen getestet, wie bspw.:

– Nickel-basierende Legierungen mit Tantal, Chrom, Hafnium;
– Nickel-Tantal Aluminiden;
– Chrom-Titan-Niobium-Aluminium;
– Chrom-Titan-Tantal-Aluminium;
– Nickel-Hafnium-Wolfram-Titan-Molybdän-Chrom-Zirkonium-Yttium Oxide;
– Oben genannte Kompositionen gemischt mit Keramiken.

Die Versuche haben gezeigt, dass Turbinenschaufeln inklusiv Sinterprozess in nur 50 Minuten herstellbar sind. Ein Vergleich der Sintertemperatur zum herkömmlichen Verfahren bei gleichen Werkstoffkompositionen zeigt eine Senkung der Temperatur um ca. 700°C.
Eine Qualitätsprüfung der Turbinenschaufeln hat eine ausgezeichnete Festigkeit, thermische Stabilität und Heißgasstandzeiten ergeben.
Mit einem ebenso guten Ergebnis wurden die Turbinenschaufeln auch mit einer keramischen Oberschicht hergestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde auch am Beispiel von keramischen Kompositionsteilen getestet, wie zum Beispiel, Aluminium Oxide mit BN-Faser.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet auch die Möglichkeit Zahnräder mit unterschiedlichen Stoffeigenschaften wie zum Beispiel, innen leicht und außen hart herzustellen.
Die Herstellung von porösen Erzeugnissen wurde am Beispiel von Teilen gezeigt, die Ähnlichkeit mit metallische Schäumen besitzen. Dadurch wurden Strukturen wie, geschlossene und/oder offene metallische Schäume hergestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2000020351 A [0016]
- EP 0559215 A [0016]
- WO 2007066969 A [0017]
- US 7012036 A [0018]
- US 20050082702 A [0019]
- US 20040265161 A [0020]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Erzeugnisses durch Urformen (Spritzgießen, Pressen) aus flüssigem, breiigem, pastenförmigem, pulverigem, körnigem und/oder festem Material und/oder dessen Kompositionszuständen mittels einer Form, dadurch gekennzeichnet, dass ein periodischer Energieeinfluss in Form von vorzugsweise mehreren Energieimpulsen kurzer Zeitdauer und hoher Intensität angewendet wird, dass für eine bessere Kompaktierung, Urformung und Vorsinterung des Vorerzeugnisses als auch für Vorentbinderung und die deutliche Reduzierung der Sintertemperaturen als auch Urformdrücken, die mehrere Energieimpulse mit vorzugsweise unterschiedlicher Intensität bzw. Leistung und/oder Zeitdauer angewendet werden und so durch einen schrittweisen Energieeintrag eine Nivellierung der Temperaturerhöhung und der Erhöhung der Teilchenverbundkräfte bis hin zur Vorsintertemperatur und Vorsinterverbundkraft gewährleisten und dass die Kompaktierung und Vorsinterung im gesamten Formraum gleichmäßig verteilt erzeugt und beschleunigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein periodischer Energieeinfluss in Form von Urformdruck oder Pressdruck von vorzugsweise mehreren Druckimpulsen kurzer Zeitdauer und hoher Kraft angewendet wird, dass für eine bessere Kompaktierung, Urformung und Vorsinterung des Vorerzeugnisses als auch für Vorentbinderung und die deutliche Reduzierung der Sintertemperaturen als auch Urformdrücken, die mehrere Druckimpulse mit vorzugsweise unterschiedlicher Kraft bzw. Leistung und/oder Zeitdauer angewendet werden und so durch einen schrittweisen Energieeintrag eine Nivellierung der Temperaturerhöhung und der Erhöhung der Teilchenverbundkräfte bis hin zur Vorsintertemperatur und Vorsinterverbundkraft gewährleisten und dass die Kompaktierung und Vorsinterung im gesamten Formraum gleichmäßig verteilt erzeugt und beschleunigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der Werkstoffkomposition eines Erzeugnisses und dessen benötigten Oberflächenzustandes die Anzahl der Druckimpulse und/oder deren Kraft bzw. Leistung und/oder deren Dauer und/oder deren Zeitpunkt gesteuert wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass 1 bis 1000 Druckimpulse, vorzugsweise von 1 bis 500, vorzugsweise 1 bis 100 Druckimpulse mit einer Impulsdauer zwischen 1 ns und 30 Minuten, vorzugsweise 1 μs bis 10 Minuten, vorzugsweise 100 ms und 5 Minuten und einem Impulsabstand zwischen 1 ns bis 30 Minuten, vorzugsweise von 1 μs bis 10 Minuten, vorzugsweise zwischen 100 ms und 5 Minuten angewendet werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckimpulse von pneumatischen, hydraulischen, gasdynamischen, gepulsten Druckerzeugern, Ultraschalldruckerzeugern, magnetostriktiven Druckerzeugern, thermostriktiven Druckerzeugern, Plasmadruckerzeugern, Laserdruckerzeugern, chemischen Druckerzeugern, und/oder durch Elektroentladungen und/oder Laser initiierte Entladungen, und/oder durch mikroskopische Explosionen gepulste Druckerzeugern erzeugt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der beim Urformen angewendeten Drücke um 10 bis 500 bar reduziert werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der beim Sintern angewendeten Sintertemperaturen um mindestens 10°C bis 800°C reduziert werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachteile von unzureichenden Viskositäten der Materialgemische, des so genannten ”Feedstocks” (Materialbestandteilszustände und verschiedene Werkstoffe die zusammen mit verschiedenen Bindemitteln am besten homogen vermischt werden) und/oder den Verbundstoffen überwunden werden und so das erste Mal die Möglichkeit entsteht ideale Dichten im ganzen Volumen des gesinterten Erzeugnisses zu erreichen.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Verfahren und die Anwendung die überkritischen Flüssigkeiten die komplette Entbinderung und die komplette Bindermittelspuren-Eliminierung erreicht wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenentwicklung gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Porengröße von 0,1 nm bis 800 μm eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mögliche Poren eliminiert werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke der herstellbaren Erzeugnisse keine Begrenzung hat.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Erzeugnisse aus mehreren verschiedenen Werkstoffen mit verschiedenartigen Eigenschaften, wie beispielsweise Partikelgröße und deren Kombination zusammen ohne zusätzliche Urformschritte produziert werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entbinderung bei der Umformung mindestens teilweise durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass poröse Strukturen aus Kompositionswerkstoffen, wie beispielsweise Erzeugnisse mit porösem Kern und metallischen oder keramischen Wänden, hergestellt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Erzeugnisse mit Teilen unterschiedlicher Härte- und Festigkeitseigenschaften hergestellt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindermittelentfernung im gesamten Formraum gleichmäßig verteilt und beschleunigt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das in die Oberfläche der Erzeugnisse definierte Geometriestrukturen eingeprägt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass derartige Strukturen insbesondere im Mikrobereich für beispielsweise verbesserte Reibeigenschaften des Erzeugnisses dienen.
Vorrichtung (10) zur Herstellung eines Erzeugnisses (15) durch Urformen (Spritzgießen, Pressen) aus flüssigem, breiigem, pastenförmigem, pulverigem, körnigem und/oder festem Material und/oder dessen Kompositionszustände mittels einer Form (25), dadurch gekennzeichnet, dass Urformdruck oder Pressdruck aus vorzugsweise mehreren Druckimpulsen kurzer Zeitdauer und hoher Kraft bzw. Leistung besteht, dass für eine bessere Kompaktierung, Urformung und Vorsinterung des Vorerzeugnisses als auch für Vorentbinderung und die deutliche Reduzierung der Sintertemperaturen mehrere Druckimpulse mit vorzugsweise unterschiedlicher Kraft bzw. Leistung und/oder Druckimpulszeitdauer angewendet sind und so durch einen schrittweisen Energieeintrag eine Nivellierung der Temperaturerhöhung und der Erhöhung der Teilchenverbundkräfte bis hin zur Vorsintertemperatur und Vorsinterverbundkraft gewährleisten, und dass die Kompaktierung und Vorsinterung im gesamten Formraum gleichmäßig verteilt erzeugt und beschleunigt ist.
Vorrichtung nach dem Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) ein Urformgerät und/oder Extrusionsgerät und/oder Spritzgussgerät (25) umfasst, die eine Einrichtung (17) zur Erzeugung eines gepulsten Drucks beinhaltet, von der der gepulste Druck auf die Werkstoffmischung, die urgeformt wird, übertragbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckerzeugungsanlageeinrichtung (17) zur Erzeugung der gepulsten Druckfolgen eine hydraulische, pneumatische, magnetostriktive, chemische oder Ultraschalldruckanlage oder deren Kombinationen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckimpulse durch eine oder mehrere Membrane auf den Spritzgussraum (26) übertragbar sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenentwicklung steuerbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Porengröße von 0,1 nm bis 800 μm einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass mögliche Poren eliminierbar sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, das die Wanddicke der herstellbaren Erzeugnisse kleiner als 10 mm ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass Erzeugnisse aus mehreren verschiedenen Werkstoffen mit verschiedenartigen Eigenschaften, wie beispielsweise Partikelgröße und deren Kombination zusammen ohne zusätzliche Urformschritte produzierbar sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Entbinderung bei der Umformung mindestens teilweise durchführbar ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass in die Oberfläche der Erzeugnisse definierte Geometriestrukturen einprägbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass derartige Strukturen insbesondere im Mikrobereich für beispielsweise verbesserte Reibeigenschaften des Erzeugnisses liegen.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass poröse Strukturen aus Kompositionswerkstoffen herstellbar sind, wie bspw. Erzeugnisse mit porösem Kern und metallischen oder keramischen Wänden.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 21 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass Erzeugnisse mit Teilen unterschiedlicher Härte- und Festigkeitseigenschaften herstellbar sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 21 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindermittelentfernung im gesamten Formraum gleichmäßig verteilbar und beschleunigbar ist.
Nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20 hergestelltes Zahnimplantat, welches eine erhöhte osseosese Eigenschaft aufweist.
Nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20 hergestelltes Knochenimplantat, welches eine erhöhte osseosese Eigenschaft aufweist.
Nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20 hergestellte bekannte und/oder unbekannte technische Bauteile, wie bspw. Turbinenschaufeln und deren Teile, Schrauben, Bremsscheiben, Zahnräder, Motorteile, Propeller (Rotoren), Formteile, Konstruktionsformträger (T-Träger und dergleichen), Karosserieformteile, Brennkammern, Druckbehälter, Schneidgeräte, -platten sowie Werkzeuge.