EP3883709A1

EP3883709A1 - Verfahren zum herstellen eines bauteils aus metall oder werkstoffen der technischen keramik

Info

Publication number: EP3883709A1
Application number: EP19805277.1A
Authority: EP
Inventors: Thomas Meissner
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2021-09-29
Also published as: DE102018129162A1; WO2020104334A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus Werkstoffen der technischen Keramik oder sintermetallurgischen Werkstoffen mit den folgenden Schritten vorgeschlagen: Zunächst wird ein Gemisch aus einem Binder und einem keramischen oder sintermetallurgischen Granulat hergestellt(100). Dieses Gemisch muss für die additive Fertigung eines Grünkörpers aus dem Gemisch geeignet sein. Steht das Gemisch zur Verfügung, wird ein Grünkörper mittels additiver Fertigung erzeugt(110). Dieser wird anschließend in grünem Zustand oder in ganz oder teilweise entbindertem Zustand oder in leicht angesintertem Zustand isostatisch nachverdichtet (150). Anschließend wird das nachverdichtete Bauteil gesintert (180).Durch die Erhöhung der Dichte vor dem eigentlichen Sinterprozess (180) sowie die durch das isostatische Pressen(150) zusätzlich erfolgende Homogenisierung der Dichteverteilung lassen sich im anschließenden Sinterprozess höhere Sinterdichten und deutlich verbesserte Eigenschaftswerte bezüglich Festigkeit und weiterer Parameter erreichen.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus Metall oder Werkstoffen der technischen Keramik

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Produkte aus Werkstoffen der technischen Keramik können heutzutage sehr gute und reproduzierbare Festigkeitswerte und andere Eigenschaften erreichen, die den Einsatz der kera- mischen Bauteile im Maschinenbau, in der Medizintechnik oder anderen Anwendungsgebieten ermöglich.

Bauteileigenschaften an der oberen Grenze der heute möglichen Werte lassen sich bei keramischen Bauteilen üblicherweise dadurch erreichen, dass keramische Pulver mit hoher che mischer Reinheit und mit einer besonders geringen Kristallitgröße hergestellt und verwendet wer- den. Diese Pulver werden mit möglichst geringem Bindergehalt unter hohen Drücken zu einem Grünkörper verarbeitet. Ein Ziel dabei ist es, eine hohe Gründichte zu erhalten und durch den geringen Bindergehalt (< 5%) beim anschließend notwendigen Entbindern möglichst wenige bzw. kleine Poren entstehen zu lassen.

Trotz eines höheren Gehaltes an organischen Bindern können auch mit dem Spritzguss- verfahren hochwertige Bauteile hergestellt werden, wenn der Druck beim Spritzgießen entspre chend hoch ist.

Zur Herstellung solcher hochwertigen keramischen Bauteile werden vorzugsweise Ver fahren wie uniaxiales Pressen oder kalt isostatisches Pressen eingesetzt.

Beim uniaxialen Pressen wird der Pressdruck nur in eine Richtung auf den Körper ausge- übt. Das uniaxiale Pressen benötigt einen hohen Aufwand für Werkzeuge.

Das isostatische Pressen ist ein Pressvorgang, bei dem der auf das Bauteil wirkende Pressdruck in alle Richtungen gleich groß ist. Das isostatische Verfahren verwendet eine elasti sche Hülle um den Grünkörper. Je nach Geometrie ist meistens eine weitere Bearbeitung dieses Presskörpers durch Drehen oder Fräsen erforderlich. Bei kleinen Losgrößen werden als Formen für den Pressvorgang überwiegend zylindrische Pressformen verwendet, da geometrisch opti mierte Pressformen jeweils einen zusätzlichen Formenbau erfordern würden. Durch diese meist nur grobe Vorform ist je nach Geometrie des gewünschten Bauteils ein relativ hoher„Zer spanungs-Aufwand“ erforderlich, der zu entsprechenden Verlusten des eingesetzten kerami schen Pulver-Materials führt.

Additive Fertigungsverfahren, im Besonderen verschiedene 3D Druck Verfahren, sind für die Werkstoffklassen Kunststoff und Metalle in den letzten Jahren bis zur Serienreife entwickelt worden. Mit diesen Verfahren können sowohl kundenspezifische Einzelteile (z.B. Kronen und Brücken aus CrCo-Legierungen im Dentalbereich) als auch Musterteile („fast prototyping“) in Ein zelfertigung hergestellt werden.

Für die Werkstoffklasse Keramik wird seit einiger Zeit versucht, das 3D Druck Verfahren ebenfalls mit einer Vielzahl unterschiedlicher Herstellverfahren zu etablieren. Als Beispiele seien das Lithographie-Verfahren (LCM), das suspensionsbasierte Verfahren DLP, der Thermoplast druck T3DP, das pulverbasierte Verfahren (Binder Jetting), das selektive Lasersintern (SLS), das Fused Filament Fabrication Verfahren (FFF) genannt.

Mit den additiven 3D Verfahren für keramische Werkstoffe lassen sich wie bei metallischen oder thermoplastischen Werkstoffen hochkomplexe Strukturen hersteilen, die mit anderen Pro duktionsverfahren nicht realisiert werden können.

Die im 3D Druck Verfahren hergestellten Körper aus keramischen Werkstoffen müssen durch Sintern bei geeigneten höheren Temperaturen unter Vollzug einer entsprechenden Volu men-Schwindung weiterverarbeitet werden. Eine Ausnahme davon sind Bauteile aus Siliciumin filtriertem Siliciumcarbid (SiSiC), auch reaktionsgebundenes Siliciumcarbid (RbSiC) genannt. Diese Teile erfahren beim eigentlichen Sintervorgang keine nennenswerte Schwindung mehr, da hier die nach dem Entbindern vorhandenen Poren durch schmelzflüssiges Silicium aufgefüllt wer den.

Das 3D-Drucken von Bauteilen führt zu Problemen beim anschließenden Sintern, da ei nerseits der hohe Binderanteil (von 20 - 40 Vol.%) nur sehr langsam ausgetrieben werden kann, und der nach der Entbinderung zurückbleibende Rohkörper einen entsprechend hohen Porenan teil hat. Zu schnelles Entbindern kann zur Rissbildung während dieses Vorgangs führen, wenn die entstehenden Gase des Entbinderungsvorgangs nicht auseichend schnell aus dem Inneren des Bauteils durch den Formkörper nach außen abgeleitet werden können. Auf Grund des hohen Porenanteils nach dem Entbindern lässt sich das Bauteil beim anschließenden Sintern nicht oder nur sehr bedingt zu einem homogenen Körper mit sehr hoher Dichte sintern. Zum Erreichen best möglicher Eigenschaftswerte sind aber Sinterdichten von > 99% erforderlich. Typische Fehlerbil der sind Rißbildungen durch zu schnelles Entbindern oder niedrige mechanische Kennwerte im gesinterten Zustand durch Restporosität. Dieser Effekt bei 3-D gedruckten keramischen Bauteilen tritt umso deutlicher auf, je größer die Wandstärke des hergestellten Bauteils ist.

Die mechanischen Eigenschaften im gesinterten keramischen Endzustand liegen bei den mittels 3D Druck Verfahren hergestellten Bauteilen unter den für eine technische Anwendung als Maschinenbauelemente erforderlichen und üblichen Werten einer Hochleistungskeramik, die mit den oben genannten konventionellen Herstellungsverfahren erreicht werden.

Diese Betrachtungen gelten in gleichem Maße für Bauteile aus oxidkeramischen Werkstoffen als auch für Bauteile aus nichtoxidischen Werkstoffen. Als typische Vertreter der Oxidkeramik zählen Aluminiumoxid AI₂O₃ in verschieden Reinheitsgraden, Zirkonoxid ZrÜ2 mit verschiedenen Stabilisierungszusätzen sowie die Mischwerkstoffe ATZ ( Alumina toughened Zirconia) o- der ZTA ( Zirconia toughened Alumina). Als Vertreter der Nichtoxid-Keramiken sei hier stellvertretend SSiC ( Sintered Silicon Carbide) und S13N4 ( Sintered Silicon Nitride) genannt, jeweils in verschiedenen Reinheitsgraden und Phasenmodifikationen sowie mit verschiedenen Sinteradditiven.

Bei den 3D Druck Verfahren von keramischen Werkstoffen müssen die pulverförmigen Rohstoffe mit verschieden Additiven versetzt werden, um die jeweiligen Druckverfahren zu ermöglichen. Bei den thermoplastischen Verfahren T3DP und FFF sind besonders hohe Anteile an Additiven erforderlich. Beim Lithographie-Verfahren werden auf Grund des niedrigen Bindergehaltes gemäß Literaturangaben Gründichten von bis zu 55% und damit Sinterdichten von 99,4% erreicht. Bei anderen Verfahren liegen diese Werte deutlich niedriger.

Das keramische Pulver wird bei allen bekannten additiven Herstellungsverfahren immer drucklos oder mit niedrigem Druck in die gewünschte Form gebracht. In Kombination mit dem hohen Anteil an (meist organischen) Additiven führt die Herstellung ohne äußeren Druck nach dem Entbindern der hergestellten Bauteile zu einer Struktur mit relativ hohem Porenanteil und einer niedrigen Gründichte. Diese Grünkörper mit relativ niedriger Gründichte haben einen relativ hohen Porenanteil, und lassen sich anschließend nicht oder nur sehr bedingt zu einem keramischen Körper mit sehr hoher Sinterdichte und sehr guten mechanischen Eigenschaften verarbeiten.

Die meisten anderen keramischen Herstellverfahren (uniaxiales Pressen, isostatisches Pressen, Hochdruckgießen, Spritzgießen, u.a.) arbeiten mit hohen Drücken bei der Formgebung und einem möglichst niedrigen Anteil an organischen Bindern, um nach dem Sinterprozess hohe Sinterdichten, ein homogenes und feinkristallines Gefüge und gute mechanische Eigenschaften zu erreichen.

Im 3D Druck Verfahren mit keramischen Werkstoffen werden heutzutage meistens filigrane und dünnwandige Bauteile hergestellt. Oft haben die Bauteile auch innere Strukturen, die durch andere Verfahren nicht herstellbar sind. Die Wandstärken liegen im Bereich von 0,5 mm bis maximal 6 mm.

Im Gegensatz zu den heute bereits mit 3D Druckverfahren herstellbaren keramischen Bauteilen sind für viele Anwendungen relativ massive Bauteile mit Wandstärken über 6 mm erforderlich. Diese Bauteile sind meist relativ massiv und liegen im Größenbereich von 20 x 20 x 20 mm bis 300 x 300 x 300 mm. Komplexe innere Strukturen sind nicht vorhanden, die Wand stärken liegen aber im Bereich von 6 bis 35 mm.

Stand der Technik

Solche massiven keramischen Teile werden im Stand der Technik durch isostatisches Pressen des Rohpulvers und anschließende Bearbeitung des Grünkörpers auf Drehmaschinen und Fräsmaschinen hergestellt. Anschließend erfolgen das Entbindern und die Sinterung mit ei ner linearen Brennschwindung von etwa 20%. Im hartgebrannten Zustand ist meistens noch eine Schleifbearbeitung erforderlich, um die geforderten Toleranzen und Oberflächengüten zu errei chen. Durch die bei einer solchen konventionellen Herstellung eines keramischen Maschinen bauteils erforderliche Zerspanung eines isostatisch gepressten Vollkörpers muss je nach Geo metrie bis zu 80% des Keramikmaterials abgespant und entsorgt werden.

In der US 2018/104743 A1 erfolgt eine Verdichtung des Sinterpulvers durch gesteuerte Druckwellen, die von Aktuatoren erzeugt werden.

In der EP 1 534 461 B1 wird durch eine 3D-Druck-Technik ein metallisches Objekt ohne Zusatz eines Binders aufgebaut. Eine Verdichtung wird beim schichtweisen Aufbau des Bauteils erzielt, indem jede Schicht mit einer Druckrolle verdichtet wird.

EP 1 292 413 B1 zeigt eine alternative Lösung für Sinterteile mit 98-99% der theoretisch maximalen Dichte durch Zugabe von Zucker zum Sinterpulver in Verbindung mit einem beson deren Prozessablauf.

Aufgabe

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das das Herstellen von massiven Bauteilen aus Metall oder Werkstoffen der technischen Keramik mit Sinterdichten oberhalb von 99% ermöglicht.

Lösung

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteil hafte Weiterbildungen des Gegenstands des unabhängigen Anspruchs sind in den Unteransprü chen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.

Die Verwendung der Einzahl soll die Mehrzahl nicht ausschließen, was auch im umgekehr ten Sinn zu gelten hat, soweit nichts Gegenteiliges offenbart ist.

Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schil dernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den folgenden Schritten vorgeschlagen: Zunächst wird ein Gemisch aus einem Binder und einem keramischen oder sintermetallurgi schen Pulver hergestellt. Dieses Gemisch muss für die additive Fertigung eines Grünkörpers aus dem Gemisch geeignet sein. Steht das Gemisch zur Verfügung, wird ein Grünkörper mittels ad ditiver Fertigung erzeugt. Dieser wird anschließend zum Erreichen einer homogeneren Dichte verteilung und einer höheren Gründichte isostatisch nachverdichtet. Die Nachverdichtung kann in grünem Zustand oder in teilweise oder vollständig entbindertem oder in leicht angesintertem Zustand erfolgen. Anschließend wird das nachverdichtete Bauteil gesintert.

D.h. um das Ziel einer Erhöhung der Gründichte und eine Verringerung der Porosität nach dem Sinterprozess zu erreichen, werden erfindungsgemäß additiv hergestellte Grünkörper vor dem Sinterprozess mit einem isostatischen Pressverfahren nachverdichtet.

Das Verfahren bietet eine Vielzahl von Vorteilen:

- Durch die Erhöhung der Dichte vor dem eigentlichen Sinterprozess sowie die durch das isostatische Pressen zusätzlich erfolgende Homogenisierung der Dichteverteilung lassen sich im anschließenden Sinterprozess höhere Sinterdichten und deutlich verbesserte Eigenschaftswerte bezüglich Festigkeit und weiterer Parameter erreichen. Dies gilt im Besonderen für die (Bie- gebruch-)Festigkeit und daraus resultierende Werte wie z.B. die Temperaturschockbeständigkeit.

- Die additive Fertigung ermöglicht eine sehr exakte und materialsparende Herstellung des Grünkörpers. Durch die additive Fertigung wird eine endkonturnahe Herstellung des Rohkörpers möglich und entsprechend weniger Material verbraucht.

- Durch das zusätzliche Nachverdichten vor dem Sinterprozess werden die Werkstoffeigen schaften der Bauteile verbessert.

- Das bei konventioneller Herstellung nötige spanende Abtragen von bis zu 80% des Mate rials wird vermieden.

- Im Stand der Technik sind die mechanischen Kennwerte von mittels 3D-Druck Verfahren hergestellter Keramik-Bauteile schlechter als die Werte von konventionell gefertigten Keramik- Bauteilen. Dies ist unter anderem auf eine größere Porosität zurückzuführen. Diesem Nachteil wird durch die erfindungsgemäße Weiterbehandlung der in additiver Fertigung hergestellten Grünkörper abgeholfen.

- Durch den Einsatz des isostatischen Pressverfahrens entfällt die aufwändige Herstellung von spezifischen Presswerkzeugen für uniaxiales Pressen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auf effiziente Weise Bauteile aus Werkstof fen der technischen Keramik oder der Sintermetalle hergestellt werden. Dazu zählen z.B. Ventil körper, Ventilkegel Sitzringe, Ventilkugeln, Verschleißschutzhülsen oder ähnliches für eine Pro zesssteuerung.

Erfindungsgemäß wird das isostatische Pressen in Form von nassisostatischem Pressen durchgeführt. Um den in einem additiven Verfahren hergestellten Körper beim Nachverdichten vor dem Eindringen des flüssigen Druckmediums während des nassisostatischen Pressens zu schützen, wird er vor dem nassisostatischen Pressen vorzugsweise mit einer elastischen Hülle wasserdicht ummantelt.

Dies erfolgt auf besonders einfache Weise mittels einer Kunststoffhülle, die evakuiert wird. Dazu bieten sich handelsübliche Vakuumierverfahren an, mittels derer der Grünkörper in Folie wasserdicht eingeschweißt werden kann. Das Vakuumierverfahren ist in der Lebensmitteltechnik weit verbreitet, kann aber auch für technische Gegenstände verwendet werden.

Ist das herzustellende Bauteil ring- oder rohrförmig, muss die elastische Hülle als doppel wandiger Schlauch ausgebildet werden.

Zusätzlich kann der in einem additiven Verfahren hergestellte Grünkörper vor dem isostati schen Pressen mit einem dehnungsfähigen Lack überzogen werden. Dazu eignen sich insbeson dere dehnungsfähige Lacke auf Kunststoffbasis (z.B. Lacke auf Polyurethanbasis). Eine solche Lackierung kann in einem einfachen Tauchvorgang erfolgen.

Damit der Lack bei Sintern nicht vorkohlt oder verbrennt und Rus und Rauch erzeugt, was das Bauteil beeinträchtigen könnte, wird der Lack vorzugsweise vor dem Sintern entfernt. Dies geschieht vorzugsweise durch chemisches Lösen.

Zur Verbesserung der Homogenität und Dichte des Bauteils wird der Grünkörpers nach der additiven Fertigung und vor dem isostatischen Nachverdichten vorzugsweise zumindest teilwei ses entbindert. Vorzugsweise wird der Binder fast vollständig entfernt.

Um die Homogenität und Dichte des Bauteils weiter zu erhöhen, kann das Bauteil nach dem Verdichten, aber vor dem Sintern, ein zweites Mal und weitergehend entbindert werden.

Vor dem Sintern wird dieser Lack durch Pyrolyse oder mittels eines Lösemittels wieder ent fernt werden. Als Lösemittel eignen sich je nach Art des verwendeten Lacks Wasser oder orga nische Lösungsmittel. Der Lack wird vorzugsweise durch eine thermische Behandlung zwischen 20°C und 650°C entfernt. Dieser Vorgang entspricht prinzipiell dem bereits vorher durchgeführten „Entbindern“ der Plastifizierer/Binder des keramischen Grünlings. Das Entbindern muss aber deutlich langsamer durchgeführt werden, da die entstehenden Gase aus dem Bauteil durch sehr kleine Porenkanäle entweichen müssen, während die Lackhülle nur an der Oberfläche ist.

Damit die verschweißte Folie bzw. der Lack beim isostatischen Pressen nicht an den Kan ten des Bauteils aufreißen, können folgende Maßnahmen vorgesehen werden:

a) die Außenkanten des Bauteils können Radien aufweisen;

b) die Folien sind dick genug und ausreichend dehnungsfähig, um an Kanten geschlossen zu bleiben;

c) der dehnungsfähige Lack wird ausreichend dick aufgetragen;

d) der Lackauftrag erfolgt an den Kanten dicker; oder

e) es werden eine zweite Schicht Lack aufgetragen oder zwei elastische Hüllen übereinan der eingesetzt.

Es ist auch denkbar, die Lage des Bauteils in der vakuumierten und verschweißten Folie derart zu optimieren, dass möglichst keine Ecken in die Folie ragen.

Beim Erhitzen des keramischen Grünkörpers werden im Bereich zwischen Raumtempera tur und etwa 600° C die organischen Bindemittel ausgetrieben bzw. oxidiert und ausgetrieben. Dabei verändert das Bauteil seine äußere Form nicht, wird aber durch das Entweichen der Stoffe leichter. Dadurch reduziert sich die makroskopische Dichte des Körpers und es entsteht ein Po renvolumen. Erst bei einer höheren Temperatur von (werkstoffabhängig) etwa 800 - 1 .000°C be ginnt der eigentliche Sinterprozess durch Flüssigphasenbildung oder Festkörperdiffusion. Bei die sem Sintervorgang wird der Gesamtkörper kleiner (keramische Schwindung) und das Porenvo lumen reduziert sich. Dabei erhöht sich die makroskopisch messbare Dichte des Körpers. Wenn man diesen Sintervorgang kurz nach dem Einsetzen der Schwindung wieder abbricht, spricht man von ansintern.

Das keramische Bauteil hat beim Entbindern und Sintern also immer einen Zustand, bei dem organische Binderanteile vollständig ausgetrieben sind, aber noch keine feste Keramische Bindung vorliegt. Dennoch fällt das Bauteil im Brennprozess nicht auseinander.

Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Bauteil, das mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens hergestellt wurde und nach dem Sintern einen Porenanteil kleiner als 1 % des Volumens hat.

Verbleibt die Beschichtung zumindest teilweise auf dem Bauteil kann die verbleibende Be schichtung eine Funktion des Bauteils ermöglichen oder verbessern, insbesondere durch eine hydrophile oder oleophile oder elektrisch leitend oder elektrisch isolierend Eigenschaft der Be schichtung.

Das beschriebene Verfahren eignet sich u.a. zur Herstellung von Verschleißschutzhülsen, Ventilsitzringen, Ventilkörpern oder Ventilgehäuseteilen.

Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. So um fassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle - nicht genannten - Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den Figuren schema tisch dargestellt. Im Einzelnen zeigt:

Fig. 1A einen Ablaufplan des vorgeschlagenen Verfahrens;

Fig. 1 B einen Ablaufplan des vorgeschlagenen Verfahrens;

Fig. 2 eine Verschleißschutzhülse;

Fig. 3 einen Sitzring für eine Kugel;

Fig. 4 eine Kugelumlaufhülse; und

Fig. 5 eine Verschleißschutzhülse.

Die Fig. 1 A und 2B zeigen zwei bevorzugte Abläufe des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils aus beispielsweise einer technischen Keramik.

In Schritt 100 wird ein Gemisch aus einem Binder und einem keramischen oder sinterme tallurgischen Granulat hergestellt.

Für das„3D-Drucken“ werden je nach angewendetem Verfahren unterschiedliche Aufbe reitungsformen des keramischen Rohstoffes und des Bindersystems erforderlich:

Filamente oder Pellets für Extrusionsverfahren

Pulver für Schmelzverfahren

Resin (Harz) & Wachs für Druckverfahren mit flüssigen Materialien

Als Binder zur Herstellung des jeweiligen Vormaterial für die verschiedenen 3D-Druck Verfahren werden unter anderem folgende Polymere und Thermoplaste verwendet:

ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)

PLA (Polyactide - polyactid acid) - Polymilchsäure

Nylon (Polyamid)

PC (Polycarbonat)

PP (Polypropylen)

PVA (Polyvinylalkohol)

TPE (Thermoplastische Elastomere)

- XT-Copolyester

Die Liste ist nicht vollständig, andere Polymere und Thermoplaste sind ebenfalls möglich.

In Schritt 1 10 wird anschließend ein Grünkörper additiv aus dem Gemisch gefertigt. Der Grünkörper hat in diesem Stadium oft etwa 50 +/- 15 % der maximal erreichbaren Dichte des keramischen Endmaterials. ln Schritt 120 wird der Binder durch Pyrolyse oder ein anderes Verfahren ganz oder teil weise aus dem Grünkörper entfernt. Beim Erhitzen des keramischen Grünkörpers werden im Be reich zwischen Raumtemperatur und etwa 600° C die organischen Bindemittel ausgetrieben bzw. oxidiert und ausgetrieben. Dabei verändert das Bauteil seine äußere Form nicht, wird aber durch das Entweichen der Stoffe leichter. Dadurch reduziert sich die makroskopische Dichte des Kör pers und es entsteht ein Porenvolumen. Erst bei einer höheren Temperatur von (werkstoffabhän gig) etwa 800 - 1 .000°C beginnt der eigentliche Sinterprozess durch Flüssigphasenbildung oder Festkörperdiffusion. Bei diesem Sintervorgang wird der Gesamtkörper kleiner (keramische Schwindung) und das Porenvolumen reduziert sich. Dabei erhöht sich die makroskopisch mess bare Dichte des Körpers. Wenn man diesen Sintervorgang kurz nach dem Einsetzen der Schwin dung wieder abbricht, spricht man von ansintern.

Das keramische Bauteil hat beim Entbindern und Sintern also immer einen Zustand, bei dem organische Binderanteile vollständig ausgetrieben sind, aber noch keine feste Keramische Bin dung vorliegt. Dennoch fällt das Bauteil im Brennprozess nicht auseinander.

In Schritt 130 wird der Grünkörper leicht angesintert, um ihn weiter zu stabilisieren. Ob zwi schen der Herstellung des Grünkörpers durch eines der verschiedenen additiven Verfahren und das Nachverdichten des Bauteils durch isostatisches Pressen ein thermischer Prozessschritt er forderlich ist und wie weit der Körper dabei entbindert oder gar angesintert werden soll, hängt von der Art des gewählten 3D-Druck Verfahrens und der im Grünkörper noch vorhandenen Restpo rosität und der Art des verwendeten Binder- und Plastifizierer-System ab. Man kann hier keine feste Zahl zu einem Restvolumenanteil Binder angeben. Die Nachverdichtung erfolgt in grünem Zustand oder in teilweise oder vollständig entbindertem oder in leicht angesintertem Zustand.

In Schritt 140 bzw. 145 wird der Grünkörper wasserdicht verpackt oder beschichtet. Dies kann durch Vakuumieren 145 in einer geeigneten Kunststofffolie (aus PE oder PP oder anderen Kunststoffen) erfolgen oder durch Eintauchen 140 in einen geeigneten Lack. Diese Beschichtung soll vermeiden, dass die Druckflüssigkeit in die Poren eindringt. Hierzu dienen typischerweise Lacke basierend auf elastischem Kunststoff, der keine Rissbildung aufzeigt, z.B. Lacke auf Po lyurethanbasis. Der dehnungsfähige Lack wird dabei ausreichend dick aufgetragen. Der Lackauf trag erfolgt an den Kanten dicker, wodurch ein Aufreißen der Lackschicht beim anschließenden isostatischen Verdichten vermieden wird. Der dickere Farbauftrag an ungebrochenen Kanten stellt sich automatisch ein, wenn der Farbauftrag im Tauchverfahren erfolgt. Dieses Beschich tungsverfahren ermöglicht auch das isostatische Pressen von Körpern mit feineren Innenkontu ren oder (Quer-) Bohrungen.

In Schritt 150 folgt ein kaltes nassisostatisches Pressen des Grünkörpers mit einer Druck flüssigkeit. Nach dem Pressen hat der Grünkörper meist eine Dichte von etwa 55 +/- 15% der maximal erreichbaren Dichte des keramischen Endmaterials.

Im Schritt 160 wird die wasserdichte Umhüllung entfernt. Dies kann bei der Verwendung einer Beschichtung oder eines Lacks durch Pyrolyse oder mittels eines Lösungsmittels erfolgen, bei vakuumierten Rohlingen kann die Umhüllung mechanisch entfernt werden.

In Schritt 170 wird der Grünkörper weiter entbindert. Dies erfolgt entweder durch Pyrolyse oder mittels eines Lösemittels.

In Schritt 180 wird der Grünkörper schließlich gesintert. Dabei soll das Bauteil möglichst eine Dichte von mehr als 98 % der maximal erreichbaren Dichte des keramischen Endmaterials erreichen.

In Schritt 190 erfolgt ggf. abschließend eine Nachbearbeitung der Oberflächen, etwa durch Schleifen, Sandstrahlen oder spanende Bearbeitung.

Die Fig. 2 bis 7 zeigen Beispiele von Bauteilen, die mit dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellt werden können. Die Teile sind relativ dickwandig, und ihre Herstellung mit herkömm licher spanender Bearbeitung würde formbedingt erhebliche Materialverluste mit sich bringen. Im Einzelnen zeigt:

Fig. 2 eine Verschleißschutzhülse;

Fig. 3 einen Sitzring für eine Kugel;

Fig. 4 eine Kugelumlaufhülse; und

Fig. 5 eine Verschleißschutzhülse.

Glossar

additive Fertigung

Additive Fertigung, populär auch als 3D-Druck bezeichnet, bezeichnet Verfahren zur Ferti gung von Bauteilen durch punkt- oder schichtweisen Aufbau. Die Fertigung erfolgt auf der Basis rechnergestützter Modelle der Bauteile aus formlosem (Flüssigkeiten, Gelen/Pasten, Pulver u. ä.) oder formneutralem (band-, drahtförmig, blattförmig) Material mittels chemischer und/oder physi kalischer Prozesse.

Binder

Als Binder oder auch Bindemittel werden Stoffe bezeichnet, die zugesetzte Feststoffe mit einem feinen Zerteilungsgrad (z. B. Pulver) miteinander verkleben. Bindemittel werden meist in flüssiger oder pastöser Form den zu verbindenden Füllstoffen zugesetzt. Beide Stoffe werden intensiv vermischt, damit sie sich gleichmäßig verteilen und alle Partikel des Füllstoffs gleichmä ßig mit dem Bindemittel benetzt werden.

FFD-Verfahren ( Fused Feedstock Deposition)

Der Unterschied zum FFF-Verfahren ist vor allem, dass keine Filamente, sondern Granulate als Rohmaterial eingesetzt werden. Dadurch können kommerziell erwerbbare Rohmassen aus dem Spritzgussbereich verwendet werden.

Fused Filament Fabrication

Fused Filament Fabrication, kurz FFF, auch Fused Filament Manufacturing genannt, ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem ein Endlosfilament aus einem thermoplastischen Material verwendet wird. Diese wird von einer großen Spule durch einen beweglichen, beheizten Druckerextruder kopf geführt. Geschmolzenes Material wird aus der Düse des Druckkopfes herausgedrückt und auf dem wachsenden Werkstück abgelegt. Der Kopf wird computergesteuert bewegt, um die Druckform zu definieren. Normalerweise bewegt sich der Kopf in Schichten, wobei er sich in zwei Dimensionen bewegt, um jeweils eine horizontale Ebene abzulagern, bevor er sich leicht nach oben bewegt, um eine neue Scheibe zu beginnen. Bei dem FFF-Verfahren muss keramisches oder sintermetallurgisches Pulver vorher in ein Filament eingebracht werden. Durch das Einbrin gen in ein plastifizierendes Filament können fast alle keramischen Werkstoffe verarbeitet werden. Es können relativ einfache und preisgünstige Druckmaschinen eingesetzt werden. Grünkörper

Als Grünkörper oder Grünling bezeichnet man bei der Herstellung von Sinterwerkstücken einen ungesinterten Rohling, der sich noch leicht bearbeiten lässt. Beispielsweise handelt es sich um mit Bindemitteln verklebtes Pulver. Die Grünkörper sind so bemessen, dass sie durch das Schwinden beim Brennen nahezu die endgültige Form erhalten.

Isostatisches Nachverdichten oder Pressen

Isostatisches Nachverdichten ist ein Pressvorgang, bei dem der auf das Bauteil wirkende Pressdruck in alle Richtungen gleich groß ist. Diese Methode eignet sich gut für kleine Teile mit hoher Isotropie und gleichmäßiger Verdichtung, und ist zudem günstig für anspruchsvolle Proto typen und Fertigung in Kleinserien.

Nassisostatisches Nachverdichten oder Pressen

Nassisostatisches Nachverdichten ist isostatisches Nachverdichten, bei dem der Druck durch eine Flüssigkeit übertragen wird, vorzugsweise durch Wasser. Die den Pressling umhül lende Form wird vollständig in das Druckmedium (z.B. Wasser) eingetaucht und zum Entformen wieder aus dem Druckmedium herausgenommen. 3D-Extrusions-Verfahren

Beim 3D-Extrusions-Verfahren wird die plastische keramische Masse mittels eines Extru ders durch eine 3D-bewegliche Düse gepresst.

zitierte Literatur

zitierte Patentliteratur

US 2018/104743 A1

EP 1 534 461 B1

EP 1 292 413 B1

Claims

Patentansprüche

1 . Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus Metall oder Werkstoffen der technischen Keramik mit folgenden Schritten:

1 .1 Herstellen (100) eines Gemisches aus einem Binder und einem keramischen oder sinterme tallurgischen Granulat;

1 .2 additive Fertigung (1 10) eines Grünkörpers aus dem Gemisch;

1 .3 isostatisches Nachverdichten (150) des Grünkörpers;

1 .4 Sintern (180) des isostatisch nachverdichteten Grünkörpers;

1 .5 wobei für das isostatische Nachverdichten (150) nassisostatisches Nachverdichten eingesetzt wird;

1 .6 wobei der Grünkörper vor dem nassisostatischen Nachverdichten (150) mit einer elastischen

Hülle wasserdicht ummantelt wird;

1 .7 wobei die elastische Hülle eine Kunststoffhülle ist; und

1 .8 wobei die Kunststoffhülle vor dem nassisostatischen Nachverdichten (150) evakuiert wird.

2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,

dadurch gekennzeichnet,

dass für ringförmige oder rohrförmige Bauteile die elastische Hülle als doppelwandiger Schlauch ausgebildet wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch

Lackieren (140) des Grünkörpers vor dem isostatischen Pressen (150) mit einem dehnungsfähi gen Lack.

4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,

gekennzeichnet durch

ein Entfernen (160) des Lacks vor dem Sintern.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch,

zumindest teilweises Entbindern (120) des Grünkörpers nach der additiven Fertigung (1 10) und vor dem isostatischen Nachverdichten (150).

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

ein Entbindern (170) des Grünkörpers vor dem Sintern.

7. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Entbindern (120, 170) durch Pyrolyse oder mittels eines Lösemittels erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

8.1 dass das Bauteil derart additiv gefertigt wird, dass Kanten des Bauteils Radien haben; und/o der

8.2 dass der Lack oder die elastische Hülle dick genug und ausreichend dehnungsfähig sind, um während des nassisostatischen Nachverdichtens (150) an Kanten geschlossen zu bleiben; und/oder

8.3 dass der Lackauftrag (140) an den Kanten dicker erfolgt als auf den Flächen des zumindest teilweise entbinderten Grünkörpers; und/oder

8.4 dass zwei Schichten Lack oder zwei elastische Hüllen übereinander eingesetzt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Grünkörper vor dem isostatischen Nachverdichten (150) angesintert (130) wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die additive Fertigung (1 10) im Fused Filament Fabrication Verfahren erfolgt.

1 1 . Bauteil hergestellt nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass nach dem Sintern der Porenanteil im Bauteil kleiner als 1 % des Volumens ist.

12. Bauteil hergestellt nach Anspruch 3, 6, 7, 8 oder 9,

dadurch gekennzeichnet,

dass eine Beschichtung zumindest teilweise auf dem Bauteil verbleibt und die verbleibende Be schichtung die Funktion des Bauteils ermöglicht oder verbessert, insbesondere durch eine hyd rophile oder oleophile oder elektrisch leitend oder elektrisch isolierend Eigenschaft der Beschich tung.

13. Bauteil hergestellt nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass es sich bei dem Bauteil um eine Verschleißschutzhülse oder einen Ventilsitzring oder einen Ventilkörper oder ein Ventilgehäuseteil handelt.