DE10301174B4

DE10301174B4 - Keramischer und/oder pulvermetallischer Hohlkörper und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10301174B4
Application number: DE10301174A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. Lenk; Stanislaus Bedrich
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-01-09
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2023-01-10
Also published as: DE10301174A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines keramischen und/oder pulvermetallurgischen Hohlkörpers, bei dem aus keramischen und/oder metallischen Pulvern und Wachsen oder Wachsgemischen mit einem Schmelzpunkt < 85 °C und Viskositäten von < 20 mPa als thermoplastische Bindemittel mit oder ohne Zugabe von weiteren an sich bekannten Stoffen eine fließfähige Masse mit Viskositäten von 0,05 bis 4,0 Pa s hergestellt wird, diese Masse in eine Form gefüllt wird, die die Außenkonturen des Hohlkörpers abbildet, wobei die Form nur soweit gefüllt wird, dass eine durchschnittliche Wandstärke des Hohlkörpers von 15 mm nicht überschritten wird und wobei in der Form die Fließfähigkeit der Masse erhalten wird, die Form während des Füllens und/oder danach solange in eine Fliehkräfte verursachende Bewegung versetzt wird, bis die Masse im Inneren der Form abgekühlt ist und anschließend der Hohlkörper aus der Form entformt und nach der Austreibung der Bindemittel gesintert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Keramik und Pulvermetallurgie und betrifft einen keramischen und/oder pulvermetallurgischen Hohlkörper, der beispielsweise für Keramikfiguren oder Keramikbehälter zur Anwendung kommen kann und ein Verfahren zur Herstellung derartiger Formkörper auf wirtschaftlich günstige Art und Weise, auch in Einzelstücken und Kleinserien.

Nach dem Stand der Technik sind vielfältige Möglichkeiten zur Herstellung keramischer Hohlkörper bekannt. Das älteste keramische Formgebungsverfahren, mit dem auch Hohlkörper hergestellt werden können, ist die bildsame Formgebung. Tonmineralhaltige Mischungen werden mit einem Anteil Wasser versetzt, wodurch eine bildsame Masse entsteht. Diese bildsame Masse kann z.B. durch die Kraft menschlicher Hände frei geformt werden.

Keramische Hohlkörper mit definierter Außenkontur werden durch Schlickerguss hergestellt; z.B. indem ein wässriger Gießschlicker in Gipsformen gegossen wird. Der Formkörper entsteht aufgrund von Scherbenbildung an der Gipsformwand infolge von Wasserentzug aus dem Schlicker. Es werden Vollguss (ständiges Nachgießen von Schlicker in die Form bis zur Ausbildung des vollständigen Formkörpers) und Hohlguss (Ausgießen des überschüssigen Schlickers nach erfolgter Scherbenbildung definierter Dicke) unterschieden (H.W. Hennicke: Schlickerguss, Technische Keramische Werkstoffe, Hrsg. Prof. J. Kriegesmann, Kapitel 3.4.5.).

Wesentlich schneller bildet sich der Scherben beim Druckschlickergießen aus. Hier werden poröse Kunststoffformen verwendet, wobei die Entwässerung des Scherbens unter zusätzlichem Druck erfolgt. Das Formenmaterial bei diesen Verfahren kann vielfältig gestaltet sein, einfache Hinterschneidungen können unter Umständen durch zusätzliche Formteilungen realisiert werden. Mehrfach komplizierte Hinterschneidungen sind mit diesem Verfahren jedoch nicht realisierbar oder unwirtschaftlich.

Das Gelcasting wiederum ist ein Gießverfahren im Vollguss, bei dem einer dispergierten wässrigen keramischen Suspension Monomere zugesetzt werden. Der entlüftete Schlicker wird in eine nicht poröse Metall- oder Kunststoffform gefüllt. Durch Temperaturerhöhung oder durch einen zugesetzten Katalysator wird eine Polymerisation ausgelöst, die das Bauteil verfestigt. Nach der Trocknung wird die Polymermatrix ausgebrannt (G. Steinborn, R. Wäsche: Gelcasting, Technische Keramische Werkstoffe, Hrsg. Prof. J. Kriegesmann, Kapitel 3.4.5.1.).

Eine Serienfertigung keramischer Formkörper ist durch Pulverspritzguss oder Heißgießen (Niederdruckspritzgießen) möglich, indem mit thermoplastischen Bindemitteln versetzte Pulvergemische unter Druck und Temperatur in unterhalb der Erweichungspunkte der thermoplastischen Bindemittel temperierte Metallformen geformt werden. Mit zunehmender Wandstärke der Formkörper wird das Austreiben der thermoplastischen Bindemittelbestandteile aus dem Formkörper komplizierter und ab einer bestimmten Bauteildicke, die von M. Günter, R.Liebig; Spritzgießen keramischer Werkstoffe, Silikattechnik, 40 (1989), Nr. 2, S. 62–65, mit 30 mm angegeben wird, nicht mehr beherrschbar. In Abhängigkeit von der Korngröße des keramischen Ausgangsmaterials ist die maximal mögliche Wandstärke der Bauteile oftmals auf kleiner 15 mm beschränkt, um die Entbinderung wirtschaftlich und fehlerfrei durchzuführen (R. Lenk: Rapid Prototyping- Fertigungsverfahren, Technische Keramische Werkstoffe, Hrsg. Prof. J. Kriegesmann, Kapitel 3.4.2.1.).

Prinzipiell sind alle oben genannten Vollgussverfahren auch zur Herstellung von Hohlkörpern nutzbar, wenn wie in DE 197 03 176 A1 beschrieben, in die Kavität vor dem Füllen mit der keramischen Masse vorgeformte Teile eingebracht und anschließend entfernt werden. In DE 196 40 488 A1 sind beispielsweise als Hilfsstoffe für solche Kerne zersetzbare Kunststoffe und ausschmelzbare Metalllegierungen aufgeführt.

Beim Pulverspritzguss ist im Gegensatz zu anderen Gießverfahren auch die Anwendung der aus der Kunststofftechnik bekannten Gas-Innendruck-Technik möglich. In diesem Fall wird die Kavität der Metallform zunächst teilweise mit der keramischen Spritzgießmasse gefüllt. Im noch plastischen Zustand der Masse wird anschließend Gas mit einem Druck von bis zu 30 MPa injiziert. Das Gas schiebt das Material vor sich her und füllt so die ganze Kavität aus, wobei sich ein Hohlkörper bildet (Arburg, Technische Information, 10/97).

Der Nachteil aller beschriebenen Verfahren besteht darin, dass Hinterschneidungen in der Außenkontur nur durch zusätzliche Trennebenen und damit nur mit einer komplizierten Formenteilung realisiert werden können. Außerdem erfordern die aufgeführten Verfahren entweder teure Werkzeuge oder sie erfordern zusätzliche verfahrenstechnische Schritte, z.B. die Herstellung von Kernen. In kleinen Serien und größer sind sie somit unwirtschaftlich.

In der DE 197 03 177 A1 ist ein Verfahren angegeben, mit dem komplex geformte Bauteile unabhängig von der Gestaltung der Außenkontur (filigrane Ausführung und Hinterschnitte) als Funktionsmuster in Einzelstücken und Kleinserien wirtschaftlich günstig hergestellt werden können, indem ausgehend von Urmodellen mit entsprechendem Schwindungsaufmaß Negativformen aus einem flexiblen Material hergestellt werden und die Kavitäten dieser Formen anschließend mit einer gießfähigen thermoplastischen Suspension vollständig gefüllt werden. Damit wird die Herstellung von Hinterschneidungen in der Außenkontur der Formkörper ohne zusätzliche Trennebenen in der Form möglich. In DE 197 03 176 A1 ist dieses Verfahren dahingehend modifiziert worden, dass Hohlkörper hergestellt werden können, indem die Formgebung in eine Kavität erfolgt, die vorgeformte Teile enthält, wobei nur Hohlräume abgebildet werden können, die der Geometrie der verwendeten Kerne entsprechen, wobei jedoch zusätzliche Verfahrensschritte erforderlich sind.

Nach der DE 20 57 971 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines hohlen Gegenstandes mit der Gestalt eines Rotationskörpers aus einem keramischen Material bekannt, bei dem eine keramische breiige flüssige Masse mit einem Bindemittel in eine Form eingebracht wird, deren Innenfläche die gewünschte Gestalt der Außenfläche des Gegenstandes entspricht, wobei die Form um ihre Längsachse rotiert. Durch die Fliehkraft wird die keramische Masse gegen die Form geschleudert: Der flüssige Anteil der keramischen Masse tritt ebenfalls durch die Fliehkraft durch die Drainageöffnungen oder Poren der Form, so dass ein sich selbst tragender Grünkörper entsteht, der gegebenenfalls noch ausgehärtet wird und nach dem Öffnen der Form und seiner Entnahme zu einem Fertigprodukt gebrannt wird.

Es können also keramische und/oder pulvermetallurgische Hohlkörper hergestellt werden, bei denen keramische und/oder metallische Pulver mit thermoplastischen Bindemitteln zu einem thermoplastischen Schlicker verarbeitet werden. Dieser Schlicker mit einer Viskosität von 0,05 bis 4,0 Pa s wird in eine Form eingebracht, deren Innenkontur der Außenkontur des herzustellenden Hohlkörpers entspricht. In der Form wird die Fließfähigkeit des Schlickers aufrechterhalten und die Form wird während und/oder nach dem Füllen in eine Rotationsbewegung versetzt. Anschließend wird der Grünkörper aufgeheizt und anschließend zu. einem Fertigprodukt gesintert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, komplex geformte keramische und/oder pulvermetallurgische Hohlkörper herzustellen, die im Grünzustand bereits die Endform vollständig aufweisen und in ihren Außenkonturen nicht mehr beschränkt sind.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren zur Herstellung eines keramischen und/oder pulvermetallurgischen Hohlkörpers aus keramischen und/oder metallischen Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren zur Herstellung eines keramischen und/oder pulvermetallurgischen Hohlkörpers aus keramischen und/oder metallischen Pulvern und Wachsen oder Wachsgemischen mit einem Schmelzpunkt < 85 °C und Viskositäten von < 20 mPa als thermoplastische Bindemittel mit oder ohne Zugabe von weiteren an sich bekannten Stoffen eine fließfähige Masse mit Viskositäten von 0,05 bis 4,0 Pa s hergestellt. Diese Masse wird in eine Form gefüllt, die die Außenkonturen des Hohlkörpers abbildet, wobei die Form nur soweit gefüllt wird, dass eine durchschnittliche Wandstärke des Hohlkörpers von 15 mm nicht überschritten wird und wobei in der Form während des Füllens die Fließfähigkeit der Masse erhalten wird. Die Form wird dann während des Füllens und/oder danach solange in eine Fliehkräfte verursachende Bewegung versetzt, bis die Masse im Inneren der Form abgekühlt ist. Anschließend wird der Hohlkörper aus der Form entformt und nach der Austreibung der Bindemittel gesintert.

Vorteilhafterweise werden als keramische oder metallische Pulver Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Steatit, Porzellan, Wolframcarbid/Cobalt, Stahl 316 L eingesetzt.

Auch vorteilhafterweise werden als Wachse oder Wachsgemische Paraffine, Stearinsäure, Fettamine, Polyethylenwachse eingesetzt.

Ebenfalls vorteilhafterweise werden als weitere Stoffe Sinterhilfsmittel, wie Bor, Kohlenstoff, Yttriumoxid eingesetzt.

Es ist auch vorteilhaft, die fließfähige Masse in einer solchen Menge in die Form zu füllen, dass sie zwischen 5 und 95 % des Volumens der Kavität in der Form ausfüllt.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn eine Form eingesetzt wird, die ein oder mehrfach teilbar ist und/oder nur zur Oberfläche der Kavität hin aus einem flexiblen Material besteht und/oder ganz oder teilweise erwärmbar und kühlbar ausgebildet ist und/oder Hinterschneidungen und/oder eine oder mehrere Öffnungen aufweist und/oder aus einem lichtdurchlässigen Material besteht.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die teilweise gefüllte Form einer Rotations- oder Taumel- oder Pendelbewegung ausgesetzt wird. Für die Rotationsbewegung kann ein Drehzahlbereich von 10 bis 60000 min^–1 ausgewählt werden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Wanddicke in Abhängigkeit von dem in die Form eingefüllten Volumen an fließfähiger Masse, vorteilhafterweise auf > 0,3 mm bis < 15 mm eingestellt wird.

Und auch vorteilhaft ist es, wenn die fließfähige Masse in eine beheizte Form eingebracht wird.

Von Vorteil ist es auch, wenn die fließfähige Masse in der Form eine Temperatur von 40 bis 180 °C aufweist.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn zur Entlüftung des Schlickers nach dem Füllen der Form ein Vakuum angelegt wird.

Vorteilhaft ist es, wenn das Füllen der Form mit der fließfähigen Masse unter Druck und/oder unter Vakuum durchgeführt wird.

Und auch vorteilhaft ist es, wenn das Füllen der Form nicht kontinuierlich durchgeführt wird.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn das Füllen der Form während der Rotationsbewegung durchgeführt wird, wobei besonders vorteilhafterweise dabei das Füllen der Form unter Druck und/oder Vakuum durchgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß besteht der keramische und/oder pulvermetallurgische Hohlkörper, aus einer oder mehreren Schichten aus einem keramischen und/oder metallischen Pulvergemisch mit thermoplastischen Bindemitteln im Volumenverhältnis 40 bis 70 60 bis 30, wobei der Hohlkörper in seiner Außenkontur die Innenkontur der für die Herstellung verwendeten Form in seiner Endform und im Inneren eine offene oder geschlossene Kavität aufweist.

Vorteilhafterweise besteht die Wandung des Hohlkörpers aus einer oder mehrerer keramischer und/oder metallischer Schichten mit einem thermoplastischen Bindemittel.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Wandung des Hohlkörpers eine Wandstärke von > 0,3 mm bis < 15 mm aufweist.

Auch vorteilhafterweise ist das Verhältnis von Pulvergemisch zu Bindemittel 50 bis 60 : 50 bis 40.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Außenkontur des Hohlkörpers die Endform vor der Sinterung aufweist.

Es ist auch vorteilhaft, wenn der Hohlkörper eine komplexe Außenkontur mit Hinterschneidungen aufweist.

Und ebenfalls von Vorteil ist es, wenn der Hohlkörper eine geschlossene Kavität aufweist, die mit einem weiteren zusätzlichen Material gefüllt ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass eine mehrteilige geschlossene flexible und erwärmte Form über einen Anguss mit einer erfindungsgemäß eingesetzten fließfähigen Masse gefüllt wird. Nach Verschluss des Angusses wird die Form unter Raumtemperatur in eine Rotationsbewegung versetzt, bis die Masse erkaltet und erstarrt ist. Dann wird die Form geöffnet und der Hohlkörper entformt.

Die Außenkontur des so hergestellten Hohlkörpers weist bereits nach der Formgebung vollständig die Endform auf.

Aufgrund der Rotationsbewegung hat sich im Inneren des Hohlkörpers ein Hohlraum gebildet, der in Abhängigkeit vom eingefüllten Volumen an fließfähiger Masse maximal eine Wandstärke von 15 mm aufweist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können somit Hohlkörper hergestellt werden, deren Außenmaße nicht mehr beschränkt sind. Somit sind großvolumige Bauteile endformgerecht herstellbar, ohne Einschränkung in der Komplexität der gestalteten Außenkontur.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird neben dem Gewicht der Hohlkörper auch Material eingespart ohne dass seine Funktion eingeschränkt ist.

Ein Vorteil ist weiterhin, dass beim Einsatz von flexiblen Formen diese mehrfach verwendet werden können. Ebenfalls günstig ist es, wenn die Form nur im Inneren, dass heißt im Kontaktbereich zur fließfähigen Masse hin aus einem flexiblen Material, wie beispielsweise Kautschuk, aufgebaut ist. Diese dünne Kautschukform kann dann von einer Metallform umgeben sein, die die Kautschukform erwärmen und kühlen kann. Dies ist auch weiterhin besonders vorteilhaft, da die Kühlung dadurch auch während der Bewegung der Form fortgesetzt werden kann.

Für den Fall des Einsatzes einer Rotationsbewegung ist die Herstellung eines rotationssymetrischen Hohlkörpers besonders vorteilhaft.

Im weiteren wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

650 g Aluminiumoxid-Pulver werden mit 60 g Paraffin und 40 g Stearinsäure bei 100 °C in einer beheizten Kugelmühle zu einer homogenen thermoplastischen Masse verarbeitet. Von einer Porträtbüste, welche als Modell dient, wird eine Negativform aus Kautschuk hergestellt. Bei der Herstellung der Form wird die Sinterschwindung berücksichtigt. Durch eine Einfüllöffnung im oberen Teil der Form wird die auf 90 °C temperierte Masse in die ebenfalls auf 90 °C temperierte Form bis 60 % des Volumens eingefüllt. Die Viskosität der Masse beträgt 2,5 Pa s.

Nachdem die Masse unter einem Druck von 0,01 MPa evakuiert worden ist, wird die Angussöffnung verschlossen und die Form bei Raumtemperatur auf einem Rollenstuhl in eine Rotationsbewegung mit einer Drehzahl von 50 1/min versetzt. Nach der vollständigen Abkühlung der Form und dem Erstarren der Masse nach 10 h wird die flexible Form geöffnet und der Hohlkörper entnommen. Die Form kann wiederverwendet werden.

Nach dem vollständigen Entfernen des Bindemittels und der Sinterung bei 1650 °C ist der keramische Hohlkörper mit seinen endgültigen Magen und Eigenschaften fertiggestellt.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines keramischen und/oder pulvermetallurgischen Hohlkörpers, bei dem aus keramischen und/oder metallischen Pulvern und Wachsen oder Wachsgemischen mit einem Schmelzpunkt < 85 °C und Viskositäten von < 20 mPa als thermoplastische Bindemittel mit oder ohne Zugabe von weiteren an sich bekannten Stoffen eine fließfähige Masse mit Viskositäten von 0,05 bis 4,0 Pa s hergestellt wird, diese Masse in eine Form gefüllt wird, die die Außenkonturen des Hohlkörpers abbildet, wobei die Form nur soweit gefüllt wird, dass eine durchschnittliche Wandstärke des Hohlkörpers von 15 mm nicht überschritten wird und wobei in der Form die Fließfähigkeit der Masse erhalten wird, die Form während des Füllens und/oder danach solange in eine Fliehkräfte verursachende Bewegung versetzt wird, bis die Masse im Inneren der Form abgekühlt ist und anschließend der Hohlkörper aus der Form entformt und nach der Austreibung der Bindemittel gesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als keramische oder metallische Pulver Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Steatit, Porzellan, Wolframcarbid/Cobalt, Stahl 316 L eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Wachse oder Wachsgemische Paraffine, Stearinsäure, Fettamine, Polyethylenwachse eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als weitere Stoffe Sinterhilfsmittel, wie Bor, Kohlenstoff, Yttriumoxid eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die fließfähige Masse in einer solchen Menge in die Form gefüllt wird, dass sie zwischen 5 und 95 % des Volumens der Kavität in der Form ausfüllt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Form eingesetzt wird, die ein oder mehrfach teilbar ist und/oder nur zur Oberfläche der Kavität hin aus einem flexiblen Material besteht und/oder ganz oder teilweise erwärmbar und kühlbar ausgebildet ist und/oder Hinterschneidungen und/oder eine oder mehrere Öffnungen aufweist und/oder aus einem lichtdurchlässigen Material besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die teilweise gefüllte Form einer Rotations- oder Taumel- oder Pendelbewegung ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die teilweise gefüllte Form einer Rotationsbewegung innerhalb eines Drehzahlbereiches von 10 bis 60000 min^–1 ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wanddicke in Abhängigkeit von dem in die Form eingefüllten Volumen an fließfähiger Masse, vorteilhafterweise auf > 0,3 mm bis < 15 mm eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die fließfähige Masse in eine beheizte Form eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die fließfähige Masse in der Form eine Temperatur von 40 bis 180 °C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Entlüftung des Schlickers nach dem Füllen der Form ein Vakuum angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Füllen der Form mit der fließfähigen Masse unter Druck und/oder unter Vakuum durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Füllen der Form nicht kontinuierlich durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Füllen der Form während der Rotationsbewegung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Füllen der Form unter Druck und/oder Vakuum durchgeführt wird.
Keramischer und/oder pulvermetallurgischer Hohlkörper hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bestehend aus einer oder mehreren Schichten aus einem keramischen und/oder metallischen Pulvergemisch mit thermoplastischen Bindemitteln im Volumenverhältnis 40 bis 70 : 60 bis 30, der in seiner Außenkontur die Innenkontur der für die Herstellung verwendeten Form in seiner Endform aufweist und im Inneren eine offene oder geschlossene Kavität aufweist.
Hohlkörper nach Anspruch 17, dessen Wandung aus einer oder mehrerer keramischer und/oder metallischer Schichten mit einem thermoplastischen Bindemittel besteht.
Hohlkörper nach Anspruch 17, dessen Wandung eine Wandstärke von > 0,3 mm bis < 15 mm aufweist.
Hohlkörper nach Anspruch 17, dessen Verhältnis von Pulvergemisch zu Bindemittel 50 bis 60 : 50 bis 40 ist.
Hohlkörper nach Anspruch 17, dessen Außenkontur die Endform vor der Sinterung aufweist.
Hohlkörper nach Anspruch 17, der eine komplexe Außenkontur mit Hinterschneidungen aufweist.
Hohlkörper nach Anspruch 17, der eine geschlossene Kavität aufweist, die mit einem weiteren zusätzlichen Material gefüllt ist.