DE10217670A1

DE10217670A1 - Keramiksuspension und Verwendung der Suspension

Info

Publication number: DE10217670A1
Application number: DE2002117670
Authority: DE
Inventors: Christoph Ader
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2022-04-20
Also published as: DE10217670B4

Abstract

Es wird eine neuartige Keramiksuspension (2) vorgestellt, bei der bis maximal 100 g eines Keramikpulvers in 100 ml eines Keramiksols eingemischt werden. Die neue Keramiksuspension (2) erlaubt eine neuartige Verfahrensweise zur Herstellung von komplexen Keramikkörpern (13). So kann ein Keramikgrundkörper mit fehlendem oder nicht vollständig ausgebildetem Sintergefüge in die Keramiksuspension getaucht werden, um eine geringere Porosität und eine wesentlich höhere Oberflächenqualität des Keramikkörpers zu erreichen. Dabei verbleibt das in der Suspension befindliche Pulver nach dem Trocknen des Keramikkörpers in den Poren bzw. auf der Oberfläche. Bei einer alternativen Verfahrensweise zur Herstellung eines Keramikkörpers (13) wird dieser direkt aus der Keramiksuspension (2) heraus mit einem Laser erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Keramiksuspension bestehend aus einem Keramiksol und einem Keramikpulver sowie eine Verwendung der Keramiksuspension.
Suspensionen der vorgenannten Art werden beispielsweise in der Feingießerei verwendet. Die von Ransom & Randolph, Maumee, Ohio, USA angebotenen Suspensionen der Marken Primcote® und Fascote® setzen sich zusammen aus etwa 239 g SiO₂ -Pulver auf 100 ml SiO₂-Sol bzw. je etwa 159 g SiO₂ und ZrSiO₄-Pulver auf 100 ml SiO₂-Sol oder 555 g ZrSiO₄-Pulver auf 100 ml SiO₂-Sol. Zur Herstellung einer bestimmten Suspension wird das Keramikpulver einer Partikelgröße von in der Regel deutlich mehr als einem Mikrometer in das Sol gegeben. Die bekannten Suspensionen enthalten zusätzlich noch weitere, als Binder fungierende Materialien.
Ein für Suspension der oben genannten Art geeignetes Sol enthält Keramikpartikel mit Durchmessern von wenigen Nanometern bis etwa 100 nm, die z. B. in Wasser oder Kieselsäure gelöst sind. Der Gewichtsanteil der Keramikpartikel in dem Sol beträgt maximal 35%, in der Regel 20% bis 30%. Beispielhafte, von Nyacol Nano Technologies Inc., Ashland, MA, USA, hergestellte handelsübliche Solen sind Nyacol® 830, ein SiO₂- Sol mit einem SiO₂-Keramikanteil von 30 Gew.-% in amorpher Kieselsäure, oder Nyacol® AL20 bzw. Nyacol® AL20DW, ein Al₂O₃-Sol aus einer kolloidalen Al₂O₃-Lösung bzw. einer wasserbasierten Al₂O₃-Dispersion mit einem Keramikanteil von 20 Gew.-% bei einer Partikelgröße von 50 nm, oder Nyacol® Zirconia, ein in unterschiedlichen Varianten vertriebenes ZrO₂-Sol mit einem Keramikanteil von 20 Gew.-% und Partikelgrößen von 5 bis 10 nm, 50 nm oder 100 nm.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Keramiksuspension der eingangs genannten Art mit einer neuen Zusammensetzung sowie neue Verwendungen der Suspension zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird mit einer Keramiksuspension der eingangs genannten Art gelöst, mit einem Mischungsverhältnis von 1 g bis 100 g, bevorzugt 1 g bis 70 g, des Keramikpulvers auf 100 ml des Keramiksols.
Diese neue Zusammensetzung einer Keramiksuspension, die bevorzugt auch keine als Binder dienenden weiteren Materialien enthält, ermöglicht neue technische Verwendungen der Keramiksuspension.
Hinsichtlich der Verwendungen wird die vorgenannte Aufgabe dadurch gelöst, dass die Suspension zur Herstellung von Keramikkörpern eingesetzt wird.
Erfindungsgemäß kann die Keramiksuspension so verwendet werden, dass ein Keramikgrundkörper mit fehlendem oder nicht vollständig ausgebildetem Sintergefüge in die Suspension getaucht und anschließend getrocknet wird.
Ein Keramikgrundkörper mit fehlendem oder nicht vollständig ausgebildetem Sintergefüge kann z. B. lediglich gepresst, mittels Lasersintern oder durch 3D-Drucken hergestellt sein. Derartige Körper sind in der Regel hochporös und weisen zumeist eine unerwünscht starke Oberflächenrauhigkeit auf. Eine hohe Porosität erschwert die Vorhersagbarkeit der beim Brennen auftretenden Schrumpfung und kann damit zu enormen Form- und Maßungenauigkeiten an den Endprodukten führen. Zudem kann eine oftmals gewünschte hundertprozentige Verdichtung nicht garantiert werden.
Die Oberflächenrauhigkeit eines z. B. durch Lasersintern hergestellten Keramikkörpers hoher Porosität kann durch manuelle oder auch maschinelle Nachbearbeitung kaum verbessert werden, da bei einer z. B. schleifenden Behandlung Teile der versinterten Strukturen regelrecht aus dem Körper ausgerissen werden, so dass die Behandlung eher zu einer Verschlechterung der Oberflächenqualität und auch der Formgenauigkeit führt.
Das Eintauchen des porösen Keramikgrundkörpers führt dazu, dass die Suspension zum einen im Körperinneren in die Poren dringt und zum anderen die Aushöhlungen in der Oberfläche besetzt. Beim Trocknen, das z. B. unter Raumtemperatur oder in einem Ofen bis maximal 150°C durchgeführt werden kann, verdampft der Flüssiganteil der Suspension, während sich das Keramikpulver sowie die Nanopartikel der Sole in den Poren bzw. auf der Oberfläche ablagern. Auf diese Weise kann die Porosität von mehr als 50% auf deutlich unter 40% gesenkt werden. Die Oberflächenrauhigkeit von R_z > 100 µm kann auf Werte von R_z < 30 µm gebracht werden. Die geringere Porosität führt zu einem geringeren Schrumpf und somit auch zu einer geringeren Ungenauigkeit des Endprodukts. Die höhere Oberflächenqualität kann das Nachbearbeiten der Oberfläche erübrigen. Das Keramikpulver ist nach dem Trocknen des getauchten Keramikkörpers überraschend fest mit der Oberfläche des Körpers verbunden, so dass es z. B. nicht möglich ist, das über die Suspension aufgebrachte Material nach dem Trocknen durch einfaches Wischen mit dem Finger abzustreifen. Weitere Bearbeitungsschritte können sich je nach Verwendung des Keramikkörpers erübrigen.
Die gegenüber dem Stand der Technik deutlich niedrigeren Konzentrationen des Keramikpulvers in der Keramiksuspension sind eine Voraussetzung für das dargestellte erfindungsgemäße Verfahren. Deutlich höhere Konzentrationen würden dazu führen, dass das sich absetzende Keramikpulver vorhandene Kanten oder Ecken abrundet, das heißt, die Kontur des Keramikkörpers würde in unerwünschter Weise verändert werden. Form- und Maßabweichungen wären die Folge. Ein zu hoher Pulveranteil kann zudem zu einem Reißen der getrockneten Pulverschicht führen. Die vorgenannten Nachteile können ebenfalls durch ein wiederholtes Tauchen des Keramikgrundkörpers auftreten.
Die erfindungsgemäße Verwendung kann weiterhin so ausgeführt werden, dass die Tauchdauer zwischen 5 Sekunden und 3 Minuten beträgt.
Mit der Variation der Tauchdauer kann die Festigkeit des Körpers sowie die Oberflächenqualität direkt beeinflusst werden.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die erfindungsgemäße Verwendung so auszuführen, dass der Tauchvorgang unter Vakuum erfolgt. Befindet sich die Keramiksuspension mit dem Keramikgrundkörper in einem Vakuumbehälter, wird hierdurch vermieden, dass Luftblasen in den Poren den Zutritt der Keramiksuspension verhindern.
Die erfindungsgemäße Verwendung kann auch so ausgeführt werden, dass der Keramikkörper nach dem Trocknen gebrannt wird.
Ein Brennen des Keramikkörpers ist nicht in jedem Fall erforderlich. So kann der Keramikkörper z. B. als Form im Feinguss verwendet werden, wo er nach dem Giessen zerstört werden muss.
Eine weitere erfindungsgemäße Verwendung der Keramiksuspension zur Herstellung von Keramikkörpern ist dadurch gegeben, dass der Keramikkörper mittels Laserenergie schichtweise aus der Suspension erzeugt wird, indem ein Laserstrahl derart über eine oberhalb einer Basis befindlichen Suspensionsschicht geführt wird, dass das in der Suspensionsschicht suspendierte Keramikpulver zu einer ersten Keramikkörperschicht verfestigt wird, und anschließend auf der ersten Keramikkörperschicht in gleicher Weise nacheinander weitere Keramikkörperschichten aufgebracht werden, und der erzeugte Keramikkörper von der Basis getrennt wird.
Hier wird also der Keramikkörper bereits in der Suspension mittels Laserenergie erzeugt.
Auch der so hergestellte Keramikkörper weist gegenüber dem pulverbasierten Verfahren wie z. B. Lasersintern oder 3D-Drucken gemäß dem Stand der Technik eine wesentlich geringere Porosität sowie niedrigere Oberflächenrauhigkeit auf.
Das Lasersintern von Keramikkörpern ist unter Verwendung von trockenem Keramikpulver bereits bekannt. Wie dort kann auch für das erfindungsgemäße Verfahren eine Laserleistung von üblicherweise 10 Watt und mehr eingesetzt werden. Der Laserfokus wird mit einer Geschwindigkeit von z. B. 500 mm pro Sekunde und mehr über die zu erzeugende Schicht geführt. Bei entsprechenden Hochleistungslasern kann die Geschwindigkeit auch drastisch erhöht werden. Der Linienabstand des Laserfokus innerhalb der Schichtebene ist abhängig vom Fokusdurchmesser, der z. B. 0,4 mm beträgt und dann zu einem Linienabstand von etwa 60 µm führt. Die oben angegebenen Werte sind nur beispielhaft und können in einer großen Breite variiert werden.
Die mit der erfindungsgemäßen Verwendung unter Einsatz eines Lasers erzeugten Schichtdicken sind insbesondere abhängig von der Korngröße des in den Sol eingemischten Keramikpulvers und betragen in der Regel zwischen 10 µm und 200 µm. Die Korngröße des eingesetzten Keramikpulvers variiert in der Regel von Werten unter 1 µm bis etwa 30 µm, wobei die erfindungsgemäße Verwendung nicht auf den angegebenen Bereich beschränkt ist. Der schichtweise Aufbau der Keramikkörper erlaubt die Herstellung wesentlich komplexerer Strukturen, als dies durch Pressverfahren möglich ist.
Die erfindungsgemäße Verwendung kann auch so ausgeführt werden, dass die Suspension mittels eines Wischelements in der Art eines Abziehers auf der Basis oder der obersten Keramikkörperschicht verteilt wird. Mit dem Wischelement kann eine gleichmäßige Suspensionsschicht schneller als durch einen reinen Fließvorgang erreicht werden.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße Verwendung so ausgeführt werden, dass die Basis für jede neu zu erzeugende Keramikkörperschicht derart in der Suspension abgesenkt wird, dass sich oberhalb der zuletzt erzeugten Keramikkörperschicht eine Suspensionsschicht mit einer zur Herstellung der gewünschten Keramikkörperschicht geeigneten Schichtdicke ausbildet.
Die erfindungsgemäße Verwendung kann auch so ausgeführt werden, dass als Material für die Basis Granit verwendet wird. Die Basis kann z. B. in Form einer Platte vorliegen. Bei der Verfestigung mittels Laserenergie verbindet sich die erste Keramikkörperschicht in der Regel fest mit der Basis. Der Keramikkörper kann nach seiner Fertigstellung z. B. durch Sägen von der Basis abgetrennt werden.
Schließlich kann die erfindungsgemäße Verwendung so ausgeführt werden, dass der Keramikkörper gebrannt wird.
Im Folgenden ist anhand einer Figur ein Ausführungsbeispiel für eines der erfindungsgemäßen Verwendungen dargestellt.
Die einzige Figur zeigt einen Behälter 1, der eine Keramiksuspension 2 enthält. Die Keramiksuspension 2 wurde z. B. aus einem Al₂O₃-Pulver und einem Al₂O₃-Sol, z. B. Nyacol® AL20 im Verhältnis 50 g Pulver auf 100 ml gemischt. Durch zwei Mischelemente 3 wird die Suspension 2 ständig umgerührt. Im Behälter 1 befindet sich eine Basisplatte 4 aus Granit, die über eine Stange 5 im Behälter 1 relativ zum Boden des Behälters 1 auf und ab bewegt werden kann. Zur Erzeugung einer ersten von einer Vielzahl von Keramikkörperschichten 6 wird die Basisplatte 4 knapp unterhalb des Flüssigkeitsspiegels der Keramiksuspension 2 platziert. Ein mit einem Laser 7 erzeugter Laserstrahl 8 wird mittels eines beweglichen Spiegels 9 über die auf der Basisplatte 4 befindliche Schicht der Keramiksuspension 2 geführt. Die Leistung des Lasers 7 sowie die Geschwindigkeit der Bewegung des Laserspots auf der Basisplatte 4 werden so eingestellt, dass das in der Keramiksuspension 2 befindliche Keramikpulver gesintert und gleichzeitig fest mit der Basisplatte 4 verbunden wird.
Bei den obengenannten Mischungsverhältnissen der Keramiksuspension 2 eignet sich z. B. ein CO₂-Laser, der mit einer Leistung von 15 Watt und der Spotgröße von 0,4 bis 0,45 mm bei einer Geschwindigkeit von etwa 550 mm pro Sekunde und einem Linienabstand 60 Mikrometern bewegt wird.
Anschließend wird die Basisplatte 4 zur Erzeugung der folgenden Schicht leicht abgesenkt. Mit einem hier nicht dargestellten Wischer wird die Keramiksuspension 2 auf der ersten Schicht schneller als allein durch eine Fließbewegung der Suspension 2 gleichmäßig verteilt, bevor mit dem Laser 7 die zweite Schicht 6 aufgebracht wird. Durch die gesteuerte Bewegung des Laserstrahls kann die exakte flächige Form einer jeden Schicht 6 vorgegeben werden. Auf diese Weise ist es durchaus möglich, makroskopische Strukturen, wie z. B. Nuten 10 oder Höhlen 11 in den Keramikkörper einzubringen.
Des Weiteren ist es auf einfache Weise möglich, Verbundkörper aus unterschiedlichen Keramikmaterialien herzustellen, indem z. B. nach Fertigstellung eines Teils des Keramikkörpers 13 aus einem ersten Material 12 die Keramiksuspension 2 ausgetauscht wird, um Schichten 6 einer anderen Keramik zu erzeugen.
Nachdem die gewünschte Form erreicht wurde, wird der Keramikkörper 13 durch Sägen von der Basisplatte 4 getrennt und weiteren Behandlungsschritten, z. B. einem Brennen, zugeführt. Bezugszeichenliste 1 Behälter
2 Keramiksuspension
3 Mischelement
4 Basisplatte
5 Stange
6 Keramikkörperschicht
7 Laser
8 Laserstrahl
9 Spiegel
10 Nut
11 Höhle
12 Material
13 Keramikkörper

Claims

1. Keramiksuspension, bestehend aus einem Keramiksol und einem im Keramiksol eingemischten Keramikpulver mit einem Mischungsverhältnis von 1 g bis 100 g, bevorzugt 1 g bis 70 g, des Keramikpulvers auf 100 ml des Keramiksols.

2. Verwendung der Suspension nach Anspruch 1 zur Herstellung von Keramikkörpern.

3. Verwendung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Keramikgrundkörper mit fehlendem oder nicht vollständig ausgebildetem Sintergefüge in die Suspension getaucht und anschließend getrocknet wird.

4. Verwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauchdauer zwischen 5 Sekunden und 3 Minuten beträgt.

5. Verwendung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Tauchvorgang unter Vakuum erfolgt.

6. Verwendung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper nach dem Trocknen gebrannt wird.

7. Verwendung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

a) der Keramikkörper (13) mittels Laserenergie schichtweise aus der Suspension (2) erzeugt wird, indem

a) ein Laserstrahl derart über eine oberhalb einer Basis (4) befindlichen Suspensionsschicht geführt wird, dass das in der Suspensionsschicht suspendierte Keramikpulver zu einer ersten Keramikkörperschicht (6) verfestigt wird, und

b) anschließend auf der ersten Keramikkörperschicht (6) in gleicher Weise nacheinander weitere Keramikkörperschichten (6) aufgebracht werden, und

b) der erzeugte Keramikkörper (13) von der Basis (4) getrennt wird.

8. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension (2) mittels eines Wischelements in der Art eines Abziehers auf der Basis (4) oder der zuletzt erzeugten Keramikkörperschicht verteilt wird.

9. Verwendung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (4) für jede neu zu erzeugende Keramikkörperschicht (6) derart in der Suspension (2) abgesenkt wird, dass sich oberhalb der zuletzt erzeugten Keramikkörperschicht (6) eine Suspensionsschicht mit einer zur Herstellung der gewünschten Keramikkörperschicht (6) geeigneten Schichtdicke ausbildet.

10. Verwendung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Basis (4) Granit verwendet wird.

11. Verwendung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper gebrannt wird.