DE19546904C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung flächiger, einseitig strukturierter keramischer pulvermetallurgischer Bauteile - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Keramik, der Pulvermetallurgie und des Maschinenbaus und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung flächiger, einseitig strukturierter keramischer oder pulvermetallurgischer Bauteile, die z. B. als Kühl- oder Führungselemente oder als Substrate für elektronische Bauelemente usw. angewandt werden können.

Bauteile aus keramischen oder pulvermetallurgischen Werkstoffen werden u. a. ausgehend von Pulvern nach einer Pulvertechnologie hergestellt. Die Pulvertechnologie schließt die Formgebung von Pulvern zu einem Grünkörper und deren anschließende Wärmebehandlung (Entbindern, Sintern) ein. Je nach dem welche Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften des Bauteils und damit an die Pulverqualität (Feinheit, Dotierung mit Additiven usw.) gestellt werden, sind zusätzliche technologische Schritte, wie z. B. eine Mischmahlung notwendig.

Die Formgebung sehr feiner Pulver erfolgt nicht direkt unter Zugrundelegung der Pulverausgangskörnung, sondern, je nach Fertigungsverfahren, ausgehend von Granulat, Schlicker oder (thermo)plastischen Formmassen. Diese Zwischenprodukte werden mit Hilfe unterschiedlicher temporärer Bindemittel (organischer Additive) hergestellt, die nach der Formgebung, noch vor dem Sinterprozeß, ausgetrieben werden müssen.

Es ist auch üblich, durch Formgebung Rohformlinge zu fertigen und diese im geformten, gehärteten, geglühten oder gesinterten Zustand mechanisch zu bearbeiten.

Welches Formgebungsverfahren für die Fertigung von Bauteilen angewandt wird, entscheiden technische und wirtschaftliche Grenzen (Jaschinski, W. u. a. Pulvermetall in Wissenschaft und Praxis, Band 7, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1991 S. 33-49). Zunächst einmal ist die Geometrie des Bauteils ausschlaggebend, vor allem hinsichtlich der technischen Grenzen einzelner Formgebungsverfahren. Aus wirtschaftlicher Sicht (z. B. Amortisation des Werkzeugs) ist die Stückzahl eine wichtige Größe.

Flache Bauteile mit einfachen Oberflächenstrukturen werden durch uniaxiales Trockenpressen hergestellt. Das maximal mögliche Verhältnis von Bauteillänge und - breite zur Bauteildicke sollte 50 : 1 nicht übersteigen, da die Festigkeit aufgrund des geringen Bindemittelgehaltes nicht ausreichend ist. Die Strukturen in der Oberfläche sind hinsichtlich des Tiefen-Flächen-Verhältnisses begrenzt.

Flächige Bauteile mit einer Bauteildicke von 2 mm bis 20 µm werden durch Foliengießen hergestellt (Heinrich, J.: Folienguß, Technische Keramische Werkstoffe, Verlagsgruppe Deutscher Wirtschaftsdienst, Kapitel 3.4.6.0). Ein aus Pulver, Binder und Lösungsmittel bestehender Schlicker wird durch einen einstellbaren Schlitz ausgegossen und mit einem "doctor blade" über eine exakt definierbare Höhe abgestrichen. Nach Verdampfen des Lösungsmittels bleibt dank des Binders eine flexible Folie zurück. Nach dem Entbindern und Sintern erhält man das fertige Bauteil.

Das Verfahren kann kontinuierlich (Auslaufen des Foliengießschlickers auf ein bewegliches Stahlband) oder diskontinuierlich (Bewegung des Auslaufbehälters oberhalb einer fixen ebenen Fläche) betrieben werden.

Die Flexibilität der Grünfolien wird für die Mehrzahl der Applikationen genutzt, indem aus verschiedenen Werkstoffen, ggf. mit aufgedruckten Zwischenschichten Vielschichtverbunde durch Laminieren einzelner Folien hergestellt werden. Auch die Fertigung von Bauteilen mit komplizierter Oberflächenstruktur wird durch die Flexibilität möglich. So wird das Einprägen von Strukturen durch Metallmatrizen in Folien beschreiben ( Knitter, R. u. a.: cfi Ber. DKG 71(1994), 9, S. 549-553).

Der Nachteil des Verfahrens besteht darin, daß die Formgebung aus zwei Teilschritten besteht. Außerdem ist die Packungsdichte des Pulvers im geformten Bauteil (d. h. nach Verdampfen des Lösungsmittels) nicht sehr hoch, da für die erforderliche Flexibilität der Folien ausreichend Bindemittel vorhanden sein muß. Schließlich ist die Effektivität des Verfahren durch die Notwendigkeit einer schonenden Trocknung (Verdampfen des Lösungsmittels) wesentlich eingeschränkt.

Bekannt ist auch die thermoplastische Formgebung unter hohen Drücken, z. B. Spritzgießen (Haupt, U. Technische Keramische Werkstoffe, Verlagsgruppe Deutscher Wirtschaftsdienst, Kapitel 3.4.8.0) und unter niedrigen Drücken, z. B. Heißgießen oder Niedrigdruckspritzgießen (Lenk, R. Technische Keramische Werkstoffe, Kapitel 3.4.8.1). In letzterem Fall wird eine thermoplastisch gebundene und damit bei höheren Temperaturen fließfähige Masse in eine geschlossenen Metallform gedrückt. Nach Erkalten der Masse und Öffnen des Werkzeuges wird ein gut handhabbares Bauteil mit komplexer Geometrie erhalten, das vor dem Sintern entbindert werden muß.

Für die Herstellung flächiger, dünner Bauteile sind diese Verfahren trotz der denkbaren Vorteile bei einer Serienfertigung nicht geeignet, weil wegen der geometrisch bedingten langen Fließwege durch sehr enge Kanäle ein vorzeitiges Erstarren der Masse im Werkzeug nicht zu verhindern ist. Beim Spritzgießen mit hohen Spritzdrücken ist es außerdem schwierig, den erforderlichen hohen Zuhaltedruck für das Schließen des Werkzeuges aufzubringen.

Das Schlickergießen in Gips besitzt Grenzen hinsichtlich der möglichen Kompliziertheit der Oberflächenstrukturierung, der Entformbarkeit, der Formkörperfestigkeit und der Wirtschaftlichkeit bei großen Stückzahlen.

Der Nachteil aller bekannten Verfahren besteht darin, daß mit den Formgebungsverfahren nach der Pulvertechnologie nicht genügend dünne flächige Bauteile (Bauteillänge und -breite zur Bauteildicke maximal 50 : 1) herstellbar sind und daß mit dem Foliengießverfahren nicht genügend dicke flächige Bauteile (maximal 2 mm dicke Bauteile) herstellbar sind.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren besteht darin, daß entweder zur Strukturierung einer Bauteilseite ein zweiter technologischer Schritt erforderlich ist, oder die Packungsdichte des keramischen oder metallurgischen Pulvers im Bauteil gering ist, und damit die elektrischen, mechanischen und anderen Eigenschaften des Bauteils relativ schlecht sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit der flächige, einseitig strukturierte keramische und pulvermetallurgische Bauteile mit einer Bauteildicke von auch 2 mm wirtschaftlicher hergestellt werden können, wobei die Strukturierung einer Bauteiloberfläche während der Formgebung erfolgt und eine hohe Packungsdichte des keramischen oder metallurgischen Pulvers erreicht wird.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung flächiger, einseitig strukturierter keramischer oder pulvermetallurgischer Bauteile wird aus einem keramischen oder metallischen Pulver mit einem thermoplastischen Binder und weiteren an sich bekannten Stoffen ein thermoplastischen Schlicker hergestellt und dieser thermoplastische und in an sich bekannter Art und Weise entlüftete Schlicker, wobei die Entlüftung des Schlickers vor dem Einbringen in den beheizten Behälter oder in dem beheizten Behälter erfolgt, läuft aus einer schlitzartigen Öffnung eines beheizten Behälters heraus oder wird herausgedrückt. Dabei wird die Temperatur des Schlickers unterhalb der Verdampfungstemperatur des thermoplastischen Binders eingestellt. Dieser Schlicker läuft nun in eine oder mehrere Formen mit der Negativstrukturierung der Oberfläche oder wird hineingedrückt. Nach dem Erkalten des thermoplastischen Schlickers werden das oder die Bauteile aus der Form entfernt, das thermoplastische Bindemittel in an sich bekannter Art und Weise ausgetrieben und der oder die Formkörper gesintert.

Vorteilhafterweise werden als thermoplastischer Binder Paraffine, Wachse oder deren Gemische eingesetzt.

Weiterhin vorteilhafterweise werden als weitere an sich bekannte Stoffe grenzflächenaktive Stoffe, wie Stearinsäure oder Ölsäure eingesetzt.

Es ist vorteilhaft, daß als Material für die Form mit der Negativstrukturierung der Oberfläche Kunststoff verwendet wird.

Es ist weiterhin vorteilhaft, daß eine flexible Form mit der Negativstrukturierung der Oberfläche eingesetzt wird.

Es ist ebenfalls vorteilhaft, daß das Verfahren kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von flächigen, einseitig strukturierten keramischen oder pulvermetallurgischen Bauteilen besteht aus einem beheizten Vorratsbehälter für den ein thermoplastisches Bindemittel enthaltenden keramischen oder pulvermetallurgischen Schlicker mit einer schlitzartigen Öffnung und aus einem unterhalb der schlitzartigen Öffnung entlanglaufendem Band, wobei das Band aus beheizbaren Formen mit der Negativstrukturierung der Oberfläche besteht.

Vorteilhafterweise ist ein endloses Band eingesetzt.

Weiterhin vorteilhafterweise ist ein Band aus flexiblen Material eingesetzt.

Ebenfalls vorteilhafterweise besteht das Band aus zusammengesetzten Kunststofformen mit der Negativstrukturierung der Oberfläche.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich flächige, einseitig strukturierte keramische oder pulvermetallurgische Bauteile in einem technologischen Schritt herzustellen. Die Packungsdichte des keramischen oder metallischen Pulvers ist wesentlich höher als bei einer aus diesen Materialien hergestellten Folie. Weiterhin können wesentlich dickere flächige Bauteile hergestellt werden, als es mit Foliengießverfahren möglich wäre.

Im Vergleich zu herkömmlichen pulvertechnologischen Formgebungsverfahren für flächige keramische oder pulvermetallurgische Bauteile können nunmehr wesentlich dünnere Bauteile hergestellt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren schließt damit eine Lücke bei der Herstellung von flächigen, einseitig strukturierten keramischen oder pulvermetallurgischen Bauteilen, indem ein Dickenbereich der flächigen Bauteile erfaßt wird, der mit den keramischen und metallischen Formgebungsverfahren nicht mehr und mit den Foliengießverfahren noch nicht erreicht wird.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind, daß es einfach automatisierbar ist und sich durch eine hohe Wirtschaftlichkeit für die Fertigung großer Stückzahlen flächiger, einseitig strukturierter keramischer oder pulvermetallurgischer Bauteile auszeichnet.

Im weiteren wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert

Fig. 1 stellt dabei einen schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.

500 g eines sinterfähigen Siliciumcarbidpulvers werden mit 125 g Paraffin und 25 g Stearinsäure in einem beheizten Rührergefäß bei 80°C zu einem homogenen thermoplastischen Schlicker 2 verarbeitet. Der Schlicker 2 wird entlüftet und in einen beheizten Vorratsbehälter 1 gefüllt. Der Vorratsbehälter 1 besitzt eine schlitzartige Öffnung, durch die der Schlicker 2 durch sein Eigengewicht hinausläuft. Ein unterhalb des Vorratsbehälters 1 angeordnetes endloses Transportband 3 ist mit flachen, flexiblen Kunststofformen 4 mit der Negativstrukturierung der Bauteiloberfläche versehen und bewegt sich relativ zum Vorratsbehälter 1. Dabei werden die vorher erwärmten Kunststofformen 4 mit Schlicker 2 gefüllt. Nach dem Erkalten des Schlickers 2 in der Kunststofform 4, was durch gezielte Wärmeabfuhr erfolgt, werden die keramischen Formkörper 5 aus der Kunststofform 4 entnommen. Die Formkörper 5 werden anschließend bei ca. 300°C entbindert und danach bei 2100°C unter Schutzgas gesintert).

Die geleerten Kunststofformen 4 werden mit dem Endlosband 3 weitertransportiert und vor dem Passieren des Vorratsbehälters 1 durch Wärmezufuhr erwärmt.

Der Vorratsbehälter 1 kann auch mit Druck beaufschlagt werden, um ein definiertes Auslaufen oder Herausdrücken des thermoplastischen Schlickers 2 zu ermöglichen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung flächiger, einseitig strukturierter keramischer oder pulvermetallurgischer Bauteile, bei dem ein keramisches oder metallisches Pulver mit einem thermoplastischen Binder und weiteren an sich bekannten Stoffen zu einem thermoplastischen Schlicker (2) verarbeitet wird und dieser thermoplastische und in an sich bekannter Art und Weise entlüftete Schlicker (2), wobei die Entlüftung des Schlickers (2) vor dem Einbringen in den beheizten Behälter (1) oder in dem beheizten Behälter (1) erfolgt, aus einer schlitzartigen Öffnung eines beheizten Behälters (1) herausläuft oder herausgedrückt wird, wobei die Temperatur des Schlickers (2) unterhalb der Verdampfungstemperatur des thermoplastischen Binders eingestellt wird, dieser Schlicker (2) in eine oder mehrere Formen (4) mit der Negativstrukturierung der Oberfläche läuft oder gedrückt wird und nach dem Erkalten des thermoplastischen Schlickers (2) der oder die Formkörper (5) aus der Form (4) entfernt, das thermoplastische Bindemittel in an sich bekannter Art und Weise ausgetrieben und der oder die Formkörper (5) gesintert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als thermoplastischer Binder Paraffine Wachse oder deren Gemische eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als weitere an sich bekannte Stoffe grenzflächenaktive Stoffe, wie Stearinsäure oder Ölsäure eingesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Material für die Form (4) mit der Negativstrukturierung der Oberfläche Kunststoff verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine flexible Form (4) mit der Negativstrukturierung der Oberfläche eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben wird.

7. Vorrichtung zur Herstellung von flächigen, einseitig strukturierten keramischen oder pulvermetallurgischen Bauteilen, die aus einem beheizten Vorratsbehälter (1) für den ein thermoplastisches Bindemittel enthaltenden keramischen oder pulvermetallurgischen Schlicker (2) mit einer schlitzartigen Öffnung und aus einem unterhalb der schlitzartigen Öffnung entlanglaufendem Band (3), wobei das Band (3) aus beheizbaren Formen (4) mit der Negativstrukturierung der Oberfläche besteht besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der ein endloses Band (3) eingesetzt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der ein Band (3) aus flexiblen Material eingesetzt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der das Band (3) aus zusammengesetzten Kunststofformen (4) mit der Negativstrukturierung der Oberfläche besteht.