DE19703032C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung flächiger, einseitig strukturierter keramischer oder pulvermetallurgischer Bauteile - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Keramik, der Pulvermetallurgie Lind 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 nachdem, 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, Kapitel 3.4.6.0, Deutscher Wirtschaftsdienst). 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 beschrieben (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 Verfahrens 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, Kapitel 3.4.8,0, Deutscher Wirtschaftsdienst) und unter niedrigen Drücken, z. B. Heißgießen oder Niedrigdruckspritzgießen (Lenk, R. Technische Keramische Werkstoffe, Kapitel 3.4.8.1, Deutscher Wirtschaftsdienst). 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.

In der DE 15 33 035 AS ist ein Verfahren beschrieben, in dem Metall- oder Metalloxidpulver mit Paraffinen und Wachsen vermischt und unter einem geringen Druck von 0,05-0,4 MPa geformt werden, anschließend das Bindemittel entfernt und der Formkörper gesintert wird.

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.

Es sind weiterhin Verfahren bekannt, nach denen Formkörper mittels einer freiformenden Bauteilfertigung durch lokale Materialverfestigung hergestellt werden können (Rapid Prototyping). Bei dieser generativen Fertigung wird die Geometrie des Bauteiles dreidimensional beschrieben. Das erhaltene 3D-Bild wird in einer Dimension (in der Regel ist es die Höhe) in einzelne Scheiben zerlegt. Das Bauteil wird nun aufgebaut, indem Scheibe für Scheibe das Material innerhalb der Bauteilkontur verfestigt wird.

Die einzelnen generativen Fertigungsverfahren beruhen auf der lokalen Aushärtung von Polymeren (Stereolithographie STL, Solid Ground Curing SGC), dem lokalen Versintern von Pulvern (Selektives Laser Sintern SLS, Lasergenerieren), dem schichtweisen Auftrag von verflüssigtem Material (Fused Deposition Modelling FDM), oder der lokalen Bindung von Pulvern durch einen Binder (Three Dimensional Printing TDP).

Die Rapid Prototyping Verfahren werden gegenwärtig vorrangig zur Herstellung von Mustern aus Kunststoffen oder Wachsen angewandt. Die parallel entwickelten Folgetechnologien ermöglichen die Herstellung von Duplikaten aus Prototypen, oder die Herstellung von metallischen Prototypen.

Eine dieser Rapid Prototyping Verfahren ist das Vakuumgießen (Kistenmacher D., Int. Konf. 29.-30.9.1994 TU Dresden, JP 63191608 A, JP 03150115 A). Beim Vakuumgießen wird ein Urmodell im Vakuum mit Silicon umgossen, das danach über initiierte Vernetzungsprozesse aushärtet. Um das Modell nach dem Aushärten entformen zu können, wird vor dem Abgießen die Formteilung markiert. Nachdem die Form aufgeschnitten und das Modell entnommen worden ist, können je nach Komplexität des Modells zwischen 25 und 30 Abgüsse erstellt werden. In der Siliconform können Wachse und verschiedene Gießharze abgegossen werden. Das Verfahren eignet sich besonders für filigrane und komplexe Modelle, die auch Hinterschneidungen aufweisen können.

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 gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

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.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß für die Formgebung von thermoplastischen Massen mit einem bestimmten Viskositätsbereich keine Drücke größer dem atmospärischen Druck notwendig sind, sondern daß ein Fließen und damit Füllen der Form bereits durch geringe Druckdifferenzen, wie sie bei der Herstellung eines Vakuums auftreten, möglich ist.

Natürlich ist der Einsatz von Druck zum Füllen der Formen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. Dabei wird der thermoplastische Schlicker unter einem Druck von beispielsweise 10 MPa in die Form eingebracht. Entweder vor, während des Füllens oder danach wird dann die Form evakuiert.

Ausgesprochen filigrane Bauteile im 10-tel Milimeterbereich sind durch das erfindungsgemäße Verfahren fehlerfrei herstellbar, insbesondere fehlerfrei ausformbar.

Die erfindungsgemäß hergestellten Bauteile weisen den besonderen Vorteil auf, daß ihre geometrische Außenkontur bereits nach der Formgebung vollständig gegeben ist.

Es ist weiterhin vorteilhaft, daß die eingesetzten Formen mehrfach verwendet werden können.

Die Viskosität des eingesetzten thermoplastischen Schlickers muß ≦ 4,0 Pa.s sein, damit der thermoplastische Schlicker durch die sich bei der Herstellung des Vakuums ergebenden maximalen Druckdifferenzen von bis zu 0,1 MPa fließfähig bleibt. Die Viskosität des thermoplastischen Schlickers darf wiederum nicht ≦ 0,05 Pa.s sein, da sonst durch die Dichteunterschiede von Keramik- und Pulvermetallteilchen und Binderbestandteilen eine Entmischung auftritt. Die Gefahr der Entmischungen hängt von der Dichte der Feststoffteilchen und ihrer Teilchengröße ab. Dabei gilt, je größer die Dichte und die Größe der Feststoffteilchen ist, um so größer ist die Gefahr von Entmischungen.

Die Formgebung wird erfindungsgemäß bei einer Temperatur zwischen 40 und 180°C durchgeführt. Bei Temperaturen unter 40°C ist der thermoplastische Schlicker nicht fließfähig, bei Temperaturen über 180°C verdampfen die thermoplastischen Binderanteile.

Es ist vorteilhaft, wenn die Form vor dem Einbringen des thermoplastischen Schlickers beheizt und nach dem Einbringen des thermoplastischen Schlickers gekühlt wird.

Das Vakuum beträgt zwischen ≧ 5 Pa und ≦ 0,09 MPa. Bei zu geringem Vakuum ist die sich ergebende Druckdifferenz zu gering, um ein Fließen des thermoplastischen Schlickers in die Form zu ermöglichen. Bei zu hohem Vakuum kommt es bei der Verarbeitungstemperatur zum Verdampfen von Binderbestandteilen, wodurch das Feststoff/Binder-Verhältnis geändert wird und der thermoplastische Schlicker sein Fließverhalten ändert.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Form lichtdurchlässig oder lichtdurchscheinend ist. Dadurch kann beim Formgebungsprozess eine optische Kontrolle durchgeführt werden.

Es ist auch vorteilhaft, wenn die Formgebung unter einer Kontrolle des Einfüllvolumens (-gewichtes) der thermoplastischen Masse stattfindet.

Beide Kontrollen führen zu einer Qualitätsverbesserung.

Im weiteren wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert

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

800 g eines sinterfähigen PZT-Pulvers 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. Die flexiblen Kunststofformen sind evakuierbar. Anschließend werden die vorher erwärmten Kunststofformen 4 mit Schlicker 2 gefüllt, Der Schlicker 2 weist beim Einfüllen eine Temperatur von 90°C auf und hat dabei eine Viskosität von 1 Pa.s. Nach dem Einfüllen des Schlickers 2 werden die Kunststofformen 4 bei einer Temperatur von 90°C einem Vakuum von 0,01 MPa ausgesetzt. 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 1250°C an Luft 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 (16)

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) aus einer schlitzartigen Öffnung eines beheizten Behälters (1) herausläuft oder herausgedrückt wird, wobei die Entlüftung des Schlickers (2) vor dem Einbringen in den beheizten Behälter (1) oder in dem beheizten Behälter (1) erfolgt und 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 der zu formenden Bauteile läuft oder gedrückt wird und nach dem Erkalten des thermoplastischen Schlickers (2) das 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, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einbringen eine Viskosität des thermoplastischen Schlickers von ≧ 0,05 Pa.s bis ≦ 4,0 Pa.s eingestellt wird, die Form(en) vor und/oder während und/oder nach dem Einbringen des thermoplastischen Schlickers auf einen Druck zwischen ≧ 5 Pa und ≦ 0,09 MPa evakuiert werden, wobei evakuierbare Formen verwendet werden, und das Einbringen des thermoplastischen Schlickers bei Temperaturen zwischen 40°C und 180°C durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als thermoplastischer Binder Paraffine, Wachse oder deren Gemische eingesetzt werden.

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

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als pulvermetallurgisches Material Hartmetall verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als keramisches Material Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid oder PZT verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Form (4) mit der Negativstrukturierung der Oberfläche der zu formenden Bauteile Kunststoff verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Form (4) eingesetzt wird, die Lichtdurchlässig oder lichtdurchscheinend ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine beheizbare Form (4) eingesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine flexible Form (4) mit der Negativstrukturierung der Oberfläche der zu formenden Bauteile eingesetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung der Form (4) in der oder den Trennebenen erst nach der Verfestigung des Grünkörpers erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Evakuierung der Form (4) ein Vakuum zwischen 20 Pa und 0,01 MPa eingestellt wird.

13. 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 entlanglaufenden Band (3) besteht, wobei das Band (3) aus beheizbaren, evakuierbaren Formen (4) mit der Negativstrukturierung der Oberfläche der zu formenden Bauteile besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Formen evakuierbar, vakuumdicht oder dicht zusammenbaubar sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein endloses Band (3) eingesetzt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Band (3) aus flexiblem Material eingesetzt ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (3) aus zusammengesetzten Kunststofformen (4) mit der Negativstrukturierung der Oberfläche der zu formenden Bauteile besteht.