DE102015221837A1

DE102015221837A1 - Verfahren zur Herstellung eines Keramikgussteils

Info

Publication number: DE102015221837A1
Application number: DE102015221837.6A
Authority: DE
Inventors: Robert Duschl
Original assignee: Aross 3d GmbH
Current assignee: Aross 3d GmbH
Priority date: 2015-11-06
Filing date: 2015-11-06
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2035-11-07
Also published as: DE102015221837B4

Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikgussteils, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist: Bereitstellen einer Gussform die zumindest teilweise aus einem Polymer besteht; Befüllen der Gussform mit einer keramikbasierten Gussmasse; Tränken von Fasersträngen in keramikbasierter Gussmasse; Einlegen der getränkten Faserstränge in die befüllte Gussform nach dem Verfestigen einer Randschicht der keramikbasierten Gussmasse sowie optional Auffüllen der Gussform mit keramikbasierter Gussmasse.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikgussteils für Zier- und Funktionsobjekte insbesondere im Schiffs- und Flugzeugbau.
Stand der Technik
Neue Erkenntnisse auf dem Gebiet der Brandschutztechnik haben in jüngerer Vergangenheit zu einer Verschärfung der Brandschutzordnungen im Schiffs- und Flugzeugbau geführt. Die strengeren Reglementierungen verlangen dabei unter anderem, brennbare Baustoffe wie Holz weitestgehend durch nichtbrennbare Werkstoffe zu ersetzen. Einen wesentlichen Anteil der betroffenen Baustoffe bilden hier die Holz- und Kunststoffapplikationen im Innenausbau von Schiffs- und Flugzeugbau. Aus diesem Grund herrscht das Bestreben, einen adäquaten Werkstoff zur Substitution der brennbaren Baustoffe wie Holz und Kunststoff für Zier- und Funktionsobjekte im Schiffs- und Flugzeugbau zu finden.
Gussteile, die über konventionellen Kunststoffguss brandhemmend eingestellt werden, genügen jedoch nicht ohne weiteres den Anforderungen der relevanten Brandschutzordnungen. Werden die Kunststoffgusssteile dagegen mit keramischen Flammschutzmitteln wie ATH versetzt, ist die Abbildungsqualität des Gussteils aufgrund der verminderten Fließeigenschaften und dem eingeschränkten Entlüftungsvermögen unzureichend.
Die Nutzung konventioneller keramischer Gussteile scheitert hingegen an der geringen Biegesteifigkeit und der damit verbundenen hohen Schadensanfälligkeit trotz vergleichsweise geringer mechanischen Belastungen.
Eine Alternative stellen faserverstärkte Keramiken dar, die einen ausreichenden Widerstand gegen Sprödbruch aufweisen. Allerdings führen die bekannten Herstellungsverfahren zu einem Bauteil mit unzureichender Abbildungsqualität.
Aus dem Stand der Technik sind dabei verschiedene Konzepte zur Herstellung von keramischen Verbundwerkstoffen bekannt. So wird beim CVD-Verfahren (englisch: Chemical Vapour Deposition) die Keramikmatrix aus der Gasphase auf den Faseroberflächen eines in Bauteilform fixierten Fasergebildes abgeschieden. Über das LPI-Verfahren (englisch: Liquid Polymer Infiltration) werden zunächst Fasern mit einem Polymer infiltriert und durch anschließende Härtung und Pyrolyse fixiert. Bei dem durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelten LSI-Prozess (englisch: Liquid Silicon Infiltration) erfolgt die Keramikmatrixerzeugung durch die Umwandlung des Matrixkohlenstoffes eines porösen C/C-Vormaterials mit flüssigem Silicium. Alternativ können auch über Elektrophorese dispergierte, elektrisch geladene Teilchen auf die entgegengesetzt geladene Oberfläche von Fasern transportiert und dort abgesetzt werden.
Verbreitung hat zudem das Sinterverfahren gefunden. Dabei werden Fasern in Flüssigkeiten getränkt, welche mit Anteilen von oxidischen Keramikpulvern zu einem sogenannten Schlicker angerührt werden. Durch nachfolgendes Sintern entsteht anschließend die oxidkeramische, poröse Matrix.
So offenbart die DE 198 26 792 A1 ein Verfahren, das ein Fasermaterial direkt mit dem Schlicker eines Mullitprecursors in Kontakt bringt, antrocknet, aufwickelt und nach Trocknung des Wickelkörpers bei einer Temperatur von 1250 bis 1350°C sintert.
Allen genannten Herstellungsverfahren für keramische Verbundwerkstoffe ist gemein, dass der Fokus auf dem Bereitstellen eines Bauteils mit exzellenten mechanischen Eigenschaften unter anspruchsvollen Bedingungen (hohe Temperatur, korrosive Medien) liegt. Die Abbildungsqualität der hergestellten Bauteile ist dagegen, wenn überhaupt, von sekundärer Bedeutung und daher für die Anwendung als Material für Zier- und Funktionsobjekte im Schiffs- und Flugzeugbau unzureichend. Ferner sind die genannten Verfahren auf die Herstellung einfacher geometrischer Formen wie beispielsweise Bleche oder Rohre beschränkt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, durch welches ein Keramikgussteil mit hoher Abbildungsqualität und hoher Biegesteifigkeit hergestellt werden kann. Ferner soll das Keramikgussteil den Maßgaben der Brandschutzverordnungen, beispielweise im Schiffsbaubereich oder Flugzeugbau, genügen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.
Gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird ein Keramikgussteil über die folgenden Verfahrensschritte hergestellt:

– Bereitstellen einer Gussform, die zumindest teilweise aus einem Polymer, vorzugsweise aus einem Silikonelastomer, besteht
– Befüllen der Gussform mit einer keramikbasierten Gussmasse
– Tränken von Fasersträngen in keramikbasierter Gussmasse
– Einlegen der getränkten Faserstränge in die befüllte Gussform nach dem Verfestigen einer Randschicht der keramikbasierten Gussmasse und
– optional Auffüllen der Gussform mit keramikbasierter Gussmasse.

Durch die Verwendung einer Polymer-Gussform wird dabei eine außerordentlich hohe Abbildungsqualität erreicht, darüber hinaus weist das derart hergestellte Keramikgussteil eine außerordentlich geringe Oberflächenrauheit auf. Zudem können bei der Verwendung eines elastischen Polymers, wie beispielsweise Silikonelastomer, auch leichte Hinterschneidungen am Keramikgussteil realisiert werden, da das Gussteil vollkommen unproblematisch entformt werden kann, ohne dass dabei die Gussform zerstört werden muss. Dementsprechend ergibt sich eine außerordentliche Flexibilität bei der Formgestaltung des Keramikgussteils.
Das Tränken der Fasern in der keramikbasierten Gussmasse gewährleistet eine ausreichende Bindung an die spätere Keramikmatrix, zudem kann das Auftreten von Luftblasen zwischen den Fasern weitestgehend verhindert werden.
Ferner kann durch das Einlegen der getränkten Faserstränge in die befüllte Gussform nach dem Verfestigen einer Randschicht der keramikbasierten Gussmasse sichergestellt werden, dass keine Fasern unmittelbar an der Oberfläche des fertigen Keramikgussteils zu finden sind, wodurch die Oberflächen- und Abbildungsqualität vermindert werden würde.
Mit Vorteil wird zur Herstellung der Gussform zunächst ein Urmodell, welches der Form des herzustellenden Keramikbauteils im Wesentlichen entspricht, bereitgestellt, indem das Polymer im fließfähigen Zustand auf das Urmodell appliziert wird. Alternativ kann auch das Urmodell in das Polymer im fließfähigen Zustand eingetaucht werden. Anschließend wird das erstarrte Polymer vom Urmodell abgelöst und zumindest teilweise als Gussform verwendet. Mittels dieser Technik kann unter geringem Aufwand eine Gussform für das gewünschte Keramikgussteil gefertigt werden. Das Urmodell kann beispielsweise durch 3D-Scan einer Vorlage oder auf Basis eines vorhandenen Datensatzes mittels 3D-Druck erzeugt werden. Alternativ kann das Urmodell beispielsweise auch durch konventionelle Techniken wie CNC-Fräsen oder manuelle Modellierung gefertigt werden.
Bevorzugt wird die Polymer-Gussform vor dem Befüllen in eine Stützform eingesetzt. Die Stützform sorgt für ausreichend Halt und Stabilität der Polymer-Gussform beim Befüllen und kann beispielsweise durch einen mit Sand gefüllten Rahmenkasten realisiert werden.
Besonders bevorzugt wird die Gussmasse an der Einfüllöffnung der Gussform im nicht vollständig erstarrten Zustand glatt gestrichen. Durch diesen Verfahrensschritt, beispielsweise durch das Abziehen mit einem Stahllineal, kann eine glatte Oberfläche des Keramikgussteils an der Einfüllöffnung gewährleistet werden.
Mit Vorteil wird vor dem Befüllen ein Trennmittel, vorzugsweise ein Tensid, auf die Oberfläche der Gussform aufgetragen. Hierdurch wird das Entformen zwischen Gussteil und Gussform erleichtert, wodurch eine verbesserte Oberflächenqualität erreicht wird. Das Trennmittel unterbindet zudem die Bildung von Luftblasen an der Grenzfläche zwischen Gussteil und Gussform, wodurch ebenfalls die Oberflächenqualität verbessert wird.
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Faserstränge Basaltfasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern, Polyamidfasern, Polyesterfasern und/oder Keramikfasern umfassen, da die genannten Fasermaterialien sich besonders zur Verbesserung der Biegesteifigkeit des Keramikgussteils eignen.
Bevorzugt enthält die keramikbasierte Gussmasse Gips, Calciumaluminat, Tonerde und/oder Zement. Diese Bestandteile bilden eine Keramikmatrix mit ausreichender Festigkeit und hoher Abbildungsqualität.
Besonders bevorzugt ist die keramikbasierte Gussmasse hydraulisch abbindend. Eine hydraulisch abbindende keramikbasierte Gussmasse führt im Zusammenwirken mit der Polymergussform zu einer besonders vorteilhaften Abbildungsqualität.
Mit Vorteil kann die keramikbasierte Gussmasse organische Zuschlagsstoffe wie PVA und/oder Leichtzuschlagstoffe wie Glashohlkugeln aufweisen. Derart können die gewünschten Eigenschaften der Keramikmatrix gezielt beeinflusst werden, beispielsweise durch Verringerung der Gesamtdichte und damit des Gussteilgewichts.
Schließlich kann das Keramikgussteil einer Wärmebehandlung bei 25°C bis 150°C, vorzugsweise bei 40°C bis 70°C, unterzogen werden, wobei die Wärmebehandlung vorzugsweise 5 bis 168 h, besonders bevorzugt 10–20h, andauert. Hierdurch kann die keramikbasierte Gussmasse angemessen ausgehärtet werden.
Bevorzugt wird das Keramikgussteil einer Wärmebehandlung bei 400°C bis 600°C unterzogen, wobei die Wärmebehandlung vorzugsweise 0,5 bis 24 h andauert. Somit kann das Keramikgussteil getrocknet werden und etwaiges vorhandenes Kristallwasser ausgetrieben werden.
Mit Vorteil wird das Keramikgussteil einer Wärmebehandlung bei 1400°C bis 1900°C unterzogen, wobei die Wärmebehandlung vorzugsweise 0,5 bis 12 h andauert. Die hohe Temperatur ermöglicht ein Brennen der Keramikmatrix, so dass eine erhöhte Gussteilfestigkeit erzielt werden kann.
Besonders bevorzugt wird das Keramikgussteil während mindestens einer Wärmebehandlung derart fixiert, dass eine Verformung des Keramikgussteils während der Wärmebehandlung unterbunden wird. Insbesondere können hierdurch die Eigenspannungen im Keramikgussteil abgebaut werden, wodurch die Lebensdauer maßgeblich erhöht wird.
Ferner kann das Keramikgussteil beispielsweise an der Oberfläche mechanisch bearbeitet werden, so dass eine weitere Verbesserung der Oberflächenqualität erzielt werden kann.
Schließlich ist bevorzugt vorgesehen, das Keramikgussteil mittels Lackieren, CVD, PVD und/oder Galvanotechnik zu beschichten. Durch eine derartige Beschichtung, die auch aus mehreren Lagen bestehen kann, kann das Erscheinungsbild des Keramikgussteils positiv beeinflusst werden. Beispielsweise kann das Keramikgussteil mit Gold beschichtet werden.
Bevorzugte Ausführungsform
Weitere Merkmale und Möglichkeiten der Umsetzung der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ersichtlich.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden zunächst zwei Komponenten eines additionsvernetzenden Silikons vermischt und mit einem Pinsel in mehreren Schichten auf ein zu substituierendes Zierobjekt aus Holz, welches die Urform darstellt, aufgetragen. Die Fläche der späteren Einfüllöffnung wird dabei ausgespart. Nach dem Abbinden des Silikons wird das Silikon von der Urform gelöst und zur Stabilisation in einen mit Sand gefüllten Kasten eingesetzt. Die entstehende Form wird innen mit einem Tensid bestrichen. Nachfolgend wird Gips im Verhältnis 3 zu 1 mit destilliertem Wasser vermischt und 30 Minuten maschinell gerührt, um die Blasenbildung zu verringern. Anschließend wird die Silikonform mit der Keramikgussmasse befüllt. Ein Faserstrang aus Glasfasern wird danach in nach oben genanntem Rezept hergestellter Keramikgussmasse getränkt und 15 Minuten nach dem Befüllen in die Gussform eingelegt. Sofern das herzustellende Keramikgussteil eine ausgeprägte Längsausdehnung in einer Raumachse aufweist, sind die Glasfasern dabei in ihrer Längsrichtung an der besagten Längsausdehnung auszurichten. Schließlich wird weitere keramikbasierte Gussmasse in die Gussform nachgefüllt, sofern der angestrebte Füllstand nicht bereits überschritten ist. Vor der vollständigen Verfestigung der keramikbasierten Masse, ca. 30 Minuten nach dem erstmaligen Befüllen, wird die Gussmasse an der Einfüllöffnung der Gussform mit einem Stahllineal abgezogen. Die genannten Zeiten sind hierbei den Gussteildimensionen anzupassen. Nach 45 Minuten wird die Gussform aus der Stützform entnommen und das Keramikgussteil entformt. Das Keramikgussteil wird anschließend mit Klemmen im Ofenraum fixiert und bei einer Temperatur von 55°C für 12h getrocknet. Abschließend wird das Keramikgussteil entsprechend der Farbgebung des zu substituierenden Zierobjekts aus Holz lackiert.
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

DE 19826792 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Keramikgussteils, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen einer Gussform die zumindest teilweise aus einem Polymer, vorzugsweise aus einem Silikonelastomer, besteht – Befüllen der Gussform mit einer keramikbasierten Gussmasse – Tränken von Fasersträngen in keramikbasierter Gussmasse – Einlegen der getränkten Faserstränge in die befüllte Gussform nach dem Verfestigen einer Randschicht der keramikbasierten Gussmasse und – optional Auffüllen der Gussform mit keramikbasierter Gussmasse.
Verfahren zur Herstellung eines Keramikgussteils gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Gussform ein Urmodell, welches der Form des herzustellenden Keramikbauteils im Wesentlichen entspricht, bereitgestellt wird, das Polymer im fließfähigen Zustand auf das Urmodell appliziert wird und das erstarrte Polymer vom Urmodell abgelöst und zumindest teilweise als Gussform verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Keramikgussteils gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymer-Gussform vor dem Befüllen in eine Stützform eingesetzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Keramikgussteils gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussmasse an der Einfüllöffnung der Gussform im nicht vollständig erstarrten Zustand glatt gestrichen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Keramikgussteils gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Befüllen ein Trennmittel, vorzugsweise ein Tensid, auf die Oberfläche der Gussform aufgetragen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Keramikgussteils gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstränge Basaltfasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern, Polyamidfasern, Polyesterfasern und/oder Keramikfasern umfassen.
Verfahren zur Herstellung eines Keramikgussteils gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramikbasierte Gussmasse Gips, Calciumaluminat, Tonerde und/oder Zement aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Keramikgussteils gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramikbasierte Gussmasse hydraulisch abbindet.
Verfahren zur Herstellung eines Keramikgussteils gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramikbasierte Gussmasse organische Zuschlagsstoffe, vorzugsweise PVA, und/oder Leichtzuschlagstoffe, vorzugsweise Glashohlkugeln, aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Keramikgussteils gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikgussteil einer Wärmebehandlung bei 25°C bis 150°C, vorzugsweise bei 40°C bis 70°C, unterzogen wird, wobei die Wärmebehandlung vorzugsweise 5 bis 168 h, besonders bevorzugt 10–20h, andauert.
Verfahren zur Herstellung eines Keramikgussteils gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikgussteil einer Wärmebehandlung bei 400°C bis 600°C, unterzogen wird, wobei die Wärmebehandlung vorzugsweise 0,5 bis 24 h andauert.
Verfahren zur Herstellung eines Keramikgussteils gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikgussteil einer Wärmebehandlung bei 1400°C bis 1900°C, unterzogen wird, wobei die Wärmebehandlung vorzugsweise 0,5 bis 12 h andauert.
Verfahren zur Herstellung eines Keramikgussteils gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikgussteil während mindestens einer Wärmebehandlung derart fixiert wird, dass eine Verformung des Keramikgussteils während der Wärmebehandlung unterbunden wird.
Verfahren zur Herstellung eines Keramikgussteils gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikgussteil mechanisch bearbeitet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Keramikgussteils gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikgussteil mittels Lackieren, CVD, PVD und/oder Galvanotechnik zumindest teilweise beschichtet wird.