DE3926019C2

DE3926019C2 - Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen keramischen Kleinstteilen durch Niederdruck-Warmspritzgießen

Info

Publication number: DE3926019C2
Application number: DE3926019A
Authority: DE
Inventors: Hans-Michael Dipl Ing Guether; Volkmar Dipl Ing Kirchbach; Rolf Dipl Ing Dr Liebich; Siegfried Dipl Ing Woetzel
Original assignee: INOCERMIC GES fur INNOVATIVE
Current assignee: Tridelta GmbH
Priority date: 1988-08-19
Filing date: 1989-08-05
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2009-08-06
Also published as: DE3926019A1; DD274814A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von dünnwandigen keramischen Kleinstteilen komplizierter Geometrie mit äußerster Präzision, z. B. von Nadel führungen für Nadeldrucker, bei denen Wandstärken kleiner 0,1 mm gefordert werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bereits bekannt, kompliziert geformte Teile aus Keramik durch Spritzgie ßen herzustellen. Hierzu werden vorgebildete Keramikpulver mit Bindemitteln bzw. Plastifikatoren bei erhöhten Temperaturen gemischt und die entgaste Masse wird unter Druck verspritzt. Danach wird aus den gespritzten Teilen das Bindemittel bei erhöhten Temperaturen ausgetrieben, wobei die Ausgaszeit wenigsten 6 h beträgt. Als Bindemittel ist Paraffin bekannt, das bis zu 10% durch oxidierte Polyethylenwachse mit einer mittleren Molmasse von 300 bis 5000 g/mol ersetzt wird (DD-PS 2 33 119).

Zur Bewältigung der Probleme beim Ausgasen des Bindemittels strebt man möglichst geringe Bindemittelanteile an. Ausreichende Fließeigenschaften bei geringen Bindemittelanteilen lassen sich nur in einem Bereich der eingesetzten Ausgangspulverfeinheit bis 20 m²/g und Bindemittelgemischanteilen bis 25% realisieren. Stabile Spritzschlickersysteme sind bisher nur in diesen Grenzen herstellbar. Außerhalb dieser Grenzen waren die Aktivierung, Dispergierung und das Sedimentationsverhalten die nicht oder nicht reproduzierbar einstell baren Zielgrößen der Spritzmasseaufbereitung. Bei der Formgebung derartiger Spritzmassen treten Entmischungen an umströmten Maschinen- und Werk zeugteilen auf. Die Isotropie des Werkstückes war damit nicht mehr gegeben. Der Ausgasprozeß war ohne Deformation nicht mehr durchführbar, trotz Aus gaszeiten 96 h. Durch die bei den einzelnen Prozeßschritten auftretenden Defekte in der homogenen Struktur des Werkstückes ist ein Sintern ohne Ver ziehen nicht mehr möglich.

Mit dem Spritzgießverfahren wurden deshalb bisher nur die o.g. Pulversysteme verarbeitet, um einen spritzfähigen Schlicker zu erhalten, der nach der Form gebung auch den Ausgasprozeß ohne Deformation durchläuft und sinterfähige Teile ergibt. Zielfunktion der Spritzmasseaufbereitung ist neben den Fließei genschaften minimaler Bindemittelanteil, um den Ausgasprozeß ohne Defor mation zu ermöglichen. Die mit diesem Verfahren fertigbaren Artikel werden durch den Bau von handhabbaren Werkzeugen vorgegeben und erlauben nur in Spezialfällen eine zu erreichende Wandstärke von 0,5 mm (DD-PS 67 782). Ein Arbeiten in diesen Grenzbereichen des Verfahrens erfordert hohen Auf wand an Werkzeugkonstruktion (optimale Füllbedingungen) und ist mit einem sehr aufwendigen Ausgasprozeß verbunden, da die Bindemittelgehalte an der oberen Grenze liegen. Oftmals ist ein Einbetten der Teile unumgänglich und führt bei den feinen Strukturen beim Ausbetten zu erhöhtem Ausfall.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, keramische Kleinstteile komplizierter Geometrie mit äußerster Präzision und mit Wandstärken kleiner 0,1 mm her zustellen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstel lung von dünnwandigen keramischen Kleinstteilen durch Niederdruck-Warm-Spritz gießen, wobei mit einem Paraffin-Bindemittelgemisch versetzte unplasti sche keramische Pulver verarbeitet werden und das Paraffin in dem Bindemittel gemisch teilweise durch Wachse oder Ester ersetzt und nach dem Spritzgießen das Bindemittelgemisch durch eine Wärmebehandlung ausgetrieben, und da nach der gespritzte Körper gesintert wird, zu entwickeln, indem eine Gesamt schwindung der gesinterten Teile < 70% gegenüber deren Rohzustand repro duzierbar und in engen Toleranzen herbeigeführt, Sedimentations- und Entmi schungserscheinungen auch bei komplizierten Strömungsverhältnissen in den Werkzeugen vermieden sowie eine hohe Formstabilität der hergestellen Teile beim Austreiben der organischen Bestandteile gewährleistet sein soll.

Erfindungsgemäß wird dies erreicht, indem feindisperse keramische Pulver mit einer spezifischen Oberfläche < 80 m²/g und einer inneren Feinstruktur der Pul verteilchen mit extrem weiten Hohlräumen bis hin zu molekularen Dimensionen mit wenigstens 85 Masse-% eines Paraffin-Bindemittels bezogen auf das ke ramische Pulver gemischt werden, wobei in dem Bindemittel 19 bis 70% des Paraffins durch niedermolekulare Polymere, die Molmassen und 2000 g/mol und zahlreiche polare Gruppen aufweisen, ersetzt wird und nach der Aufberei tung der Spritzmasse und dem Spritzguß die Körper auf Unterlagen mit einer offenen Porosität zwischen 45 und 50% einer Temperatur-Zeit-Behandlung bis zu 250°C über 6 bis 72 h unterworden werden. Charakteristische Vertreter des geforderten Pulvertypes sind γ-Tonerden und Aerosile. Durch die spezielle Struktur der Pulverteilchen ist trotz sehr hoher Bindemittelanteile ein in Sedi mentation, Entmischungsneigung und Ausgasverhalten stabiles niedrig visko ses Spritzschlickersystem herstellbar. Neben der Struktur der Pulverteilchen ist die Bindemittelgemischzusammensetzung und der Einsatz von grenzflächen aktiven Stoffen für die Verarbeitbarkeit eines solchen Systems verantwortlich. Neben Paraffin, als Grundbestandteil des Bindemittelgemisches, ist die Zugabe von 19-70% (bezogen auf Paraffinmenge) von oxidierten Abbauprodukten von Polyethylen, Additionsprodukten von Ethylenoxid an Estern höherer Fettsäu ren, Copolymeren von Ethylen und Vinylacetat oder Maleinsäureanhydrid, Ko lophonium, Polykondensationsprodukte von Glyzerin oder allgemein niedermo lekulare Polymere mit Molmassen um 2000 g/Mol und zahlreiche polare Grup pen erforderlich. In Kombination mit den an der Oberfläche der Pulverteilchen zum Bindemittel hin freiliegenden Radikalen der grenzflächenaktiven Verbin dungen führt das zur Vernetzung des Bindemittelgemisches, und es wird eine Fließgrenze des Spritzschlickers erreicht. Im Bereich kleiner Scherspannungen verhält sich der Spritzschlicker wie ein fester Körper, in Bereichen hoher Sche rung wird pseudoplastisches, fast Newtonsches Fließen erreicht.

Die Ausgasung des Bindemittels ohne Deformation der Kleinstteile erfolgt auf den genannten Unterlagen durch die auf das jeweilige Bindemittel abgestimmte Temperatur-Zeit-Behandlung innerhalb der genannten Grenzen. Diese Ausga sung sich normalerweise sogar ohne Einbettung der Teile durchführen.

Die einzelnen Verfahrensmerkmale:

- spezielle Struktur der Pulverteilchen
- hoher Bindemittelanteil mit hohem Ersatz des Paraffinanteils durch die ge nannten niedermolekularen Polymere
- Unterlagen mit vorgeschriebener Porosität für das Ausgasen des Bindemittelgemisches
- vorgegebene Temperatur-Zeit-Behandlung

führen nur in ihrer Kombination zu einem dünnwandigen Keramikteil mit äu ßerst gleichmäßiger Schwindung < 70% des gespritzten Teiles während der Sinterung, ohne daß Deformationen dabei auftreten. Durch die Gewährleistung einer reproduzierbaren extrem hohen Schwindung innerhalb enger Toleranzen können Werkzeuge und damit verbunden Stifte, Durchführungen und andere spe zielle konstruktive Werkzeugelemente in einer handhabbaren Form ausgeführt werden. Wandstärken keramischer Teile < 0,1 mm, Bohrungen < 0,3 mm, u.v.a. sind somit realisierbar. Es können also schon in der keramischen Fertigung Konturen und Strukturen hergestellt werden, die bisher nur durch aufwendige Nachbearbeitungsschritte realisiert werden konnten, so z. B. durch Ultraschall bohren, Schleifen, Erodieren.

Ausführungsbeispiele

Die Ausführungsbeispiele zur Erläuterung der Erfindung sind nach nachfolgen der Technologie durchgeführt worden; die prozeßbestimmenden Parameter sind in einer Tabelle zusammengefaßt.

Das Ausgangspulver einer definierten spezifischen Oberfläche wird bei einer Temperatur, die das Erreichen der höchsten Oberflächenaktivität zum Ziel hat, geglüht. Diese Temperaturen liegen werkstoffspezifisch zwischen 150°C und 450°C. In einem speziellen Mischaggregat, in dem das Bindemittelgemisch bei Verarbeitungstemperatur (ca. 100°C) vorgelegt ist, wird in drei Stufen das Pul ver zugegeben. Die Temperatur des eingetragenen Pulvers entspricht eben falls der Verarbeitungstemperatur. Der zeitliche Abstand des Pulvereintrages beträgt 2 h. Das Vermischen der Komponenten erfolgt bei einem Druck 667 Pa. Die Gesamtdauer des Aufbereitungsprozesses zum Erhalt einer homogenen Spritzmasse liegt zwischen 16 und 24 h. Vor dem Formgebungsprozeß wird die erstarrte und lagerfähige Spritzmasse erschmolzen und bei einem Druck 133 Pa entgast. Die Formgebung erfolgt durch pneumatische bzw. hy draulische Förderung des Spritzschlickers in eine Metallform. Diese Metallform weist die charakteristischen Konstruktionsmerkmale der Werkzeuge für das Niederdruckspritzgießverfahren auf. Die erforderlichen Spritzdrücke sind arti kelspezifisch und liegen bei 0,6 bis 2,0 Mpa. Für das Ausgangspulver γ-Al₂O₃, plastifiziert nach Beispiel 3, beträgt der Spritzdruck 0,6 Mpa zur Herstellung von Führungen für Nadeldrucker von Schnelldruckersystemen.

Besonders hervorzuheben sind hier die Abmaße der Nadeln mit einem Durch messer von 0,40 mm und einem Abstand von 0,015 mm, mit dem das Raster der Löcher im Sinterteil vorgegeben wird. Diese eingesetzten Nadeln werden durch den Massestrom nicht verbogen und die Strömungsquerschnitte zwi schen den Nadeln sind so groß, daß keine Inhomogenitäten auftreten (Schlieren oder Entmischungen).

Nach dem Sintern haben diese Teile die Außenabmessung von 4×5 mm² und auf dieser Fläche sind 24 Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,23 mm mit einem Wandabstand von 0,08 mm zueinander angeordnet. Der sich an das Spritzen anschließende Ausgasprozeß hat eine Zyklusdauer, die je nach Wandstärke des gefertigten Artikels zwischen 6 und 72 h liegt. Das Ausgasen erfolgt auf saugfähigen Unterlagen einer Porosität von ca. 50%. Das Sintern der Teile wird zum gezielten Einstellen der gewünschten Kristallgitter in oxidie render, reduzierender Atmosphäre, bzw. im Hochvakuum durchgeführt. Für spezielle Anwendungsfälle ist ein mit dem Sintern gekoppelter HIP-Prozeß vor zusehen.

Die nachstehende Tabelle faßt die Prozeßparameter bei der Plastifizierung zusammen. Hierbei liegen die Beispiele 2, 5, 6 und 7 außerhalb der Erfindung und liefern keine brauchbaren Ergebnisse.

Im Beispiel 2 wurde nur 2% des Paraffinanteils ersetzt. Das Beispiel 5 weist nur einen Bindemittelanteil von 64 Masse-% auf, d. h. weniger als die erfin dungswesentlichen mindestens 85 Masse-%.

Im Beispiel 6 wurden wiederum nur 8,4% des Paraffinanteils ersetzt und im Beispiel 7 ist das eingesetzte keramische Pulver mit einer spez. Oberfläche von 25 m²/g zu grob.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen keramischen Kleinstteilen durch Niederdruck-Warm-Spritzgießen, wobei mit einem Paraffin-Bindemittelgemisch sowie Tensiden versetzte unplastische keramische Pulver verarbeitet werden und das Paraffin in dem Bindemittelgemisch teilweise durch Wachse oder Ester er setzt wird und nach dem Spritzgießen das Bindemittelgemisch durch eine Wär mebehandlung ausgetrieben, und danach der gespritzte Körper gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß feindisperse keramische Pulver mit einer spezifi schen Oberfläche < 80 m²/g und einer inneren Feinstruktur der Pulverteilchen mit extrem weiten Hohlräumen bis hin zu molekularen Dimensionen mit wenigstens 85 Masse-% eines Paraffin-Bindemittels bezogen auf das keramische Pulver ge mischt werden, wobei in dem Bindemittel 19 bis 70% des Paraffins durch nieder molekulare Polymere, die Molmassen um 2000 g/mol und zahlreiche polare Gruppen aufweisen, ersetzt wird und nach der Aufbereitung der Spritzmasse und dem Spritzguß die Körper auf Unterlagen mit einer offenen Porosität zwischen 45 und 50% einer Temperatur-Zeit-Behandlung bis zu 250°C über 6 bis 72 h unter worfen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als feindisperse Pulver γ-Tonerden oder Aerosile verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als niedermolekulare Polymere oxidierte Abbauprodukte von Polyethylen, Additionsprodukten von Ethylenoxid oder Estern höherer Fettsäuren, Copolymeren von Ethylen und Vinyl acetat oder Maleinsäureanhydrid, Kolophonium oder Polykondensationsprodukte von Glycerin verwendet werden.