WO2023020905A1

WO2023020905A1 - Keramischer schlicker für den feinguss auf basis einer kapillarsuspension

Info

Publication number: WO2023020905A1
Application number: PCT/EP2022/072410
Authority: WO
Inventors: Moritz Weiss; Norbert Willenbacher; Wolf WEDEL; David Menne
Original assignee: Karlsruher Institut für Technologie
Priority date: 2021-08-20
Filing date: 2022-08-10
Publication date: 2023-02-23
Also published as: DE102021121622A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen keramischen Schlicker für den Feinguss auf Basis einer Kapillarsuspension und ein Verfahren zur Herstellung mindestens einer Keramikform bzw. mindestens eines Feingussbauteils unter Verwendung des keramischen Schlickers. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen keramischen Schlickers für die Herstellung keramischer Gusskerne und weiterer poröser Formkörper. Der keramische Schlicker umfasst eine partikuläre Phase, eine Primärphase, enthaltend eine polare Primärflüssigkeit, und eine Sekundärphase, enthaltend eine nicht mit der Primärflüssigkeit mischbare Sekundärflüssigkeit, wobei entweder die Primärphase oder die Sekundärphase oder wobei sowohl die Primärphase als auch die Sekundärphase zusätzlich mindestens einen Binder enthalten, wobei der Anteil der partikulären Phase 10 - 70 VoL-%, der Anteil der Primärflüssigkeit 15 - 81 VoL-%, der Anteil der Sekundärflüssigkeit 1 - 15 Vol.-% und der Anteil des Binders 0,25 - 74 VoL-%, jeweils bezogen auf die Gesamtzusammensetzung des keramischen Schlickers, betragen.

Description

Keramischer Schlicker für den Feinguss auf Basis einer Kapillarsuspension

Die vorliegende Erfindung betrifft einen keramischen Schlicker für den Feinguss auf Basis einer Kapillarsuspension und ein Verfahren zur Herstellung mindestens einer Keramikform bzw. mindestens eines Feingussbauteils unter Verwendung des keramischen Schlickers. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen keramischen Schlickers für die Herstellung keramischer Gusskerne und weiterer poröser Formkörper.

Der Feinguss ist ein Gießverfahren zur Herstellung metallischer Bauteile, welches sich durch Detailtreue, Maßgenauigkeit und hervorragende Oberflächeneigenschaften auszeichnet. Der herkömmliche Feingussprozess umfasst im Wesentlichen die folgenden Schritte: Erstellung von Prototypen (Positivmodelle) der jeweiligen Bauteile, z. B. aus Wachs oder einem Polymer, Montieren mehrerer Positivmodelle an einer Modelltraube (z.B. einem Wachsbaum), die auch das Angusssystem mit den Zuführungskanälen zur Gießform umfasst, wiederholtes Eintauchen der Modelltraube in einen keramischen Schlicker, Besanden der Keramikschicht nach jedem Eintauschschritt und Trocknen der jeweiligen besandeten Keramikschicht, Ausschmelzen des Positivmodells aus der Keramikform, Ausbrennen der Keramikform, Gießen des geschmolzenen Metalls in die Keramikform, Entfernen der Keramikform nach Erstarren des Metalls, Abschneiden und Polieren der fertigen Metallkörper (https://- www.richterformteile.com/ratgeber/ feinguss-verfahren/).

Die Schritte Eintauchen der Modelltraube in den keramischen

Schlicker, Besanden und Trocknen werden nach herkömmlichen Gießverfahren etwa 6 - 12 Mal wiederholt, bis eine Gesamt- schichtdicke von ca. 5 - 8 mm erreicht ist. Die Trocknungszeit zwischen den einzelnen Schichten beträgt ca. 3 - 8 h; nach der letzten Schicht wird die Form für 12 - 24 h vollständig getrocknet. Die Trocknungszeiten variieren je nach Zusammensetzung des keramischen Schlickers und je nach der aufgetragenen Schichtdicke. Zusätzlich kommen Trocknungsanlagen zum Einsatz, wodurch die Trocknungszeiten verkürzt werden können.

Die Formschale sollte folgende Eigenschaften haben, um im Feinguss eingesetzt werden zu können: Die Form des Positivmodells muss genau wiedergegeben werden, das Grünteil muss für das Ausschmelzen des Positivmodells und das anschließende Ausbrennen ausreichend stabil sein, die gebrannte Keramikform darf beim Eingießen des Metalls nicht zerbrechen und die Luft, die in der Form während des Gießens vom Metall verdrängt wird, muss durch die Formschale entweichen können, d h. die Formschale muss eine hohe Permeabilität besitzen. Schließlich muss die Formschale nach dem Erstarren des Metalls so entfernt werden können, dass das Gussteil nicht beschädigt wird.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden normalerweise mindestens zwei unterschiedliche Schlicker-Sand-Kombinationen genutzt. Die erste Schicht ist maßgeblich für die Formtreue, hier wird in der Regel ein mit feinem Mehl versetzter Schlicker sowie ein feiner Sand genutzt. Durch die kleineren Partikel können filigrane Elemente eines Positivmodells zuverlässiger abgebildet werden. Wie viele Schichten derart aufgetragen werden, hängt von der Geometrie sowie den Standards des Gießers ab. Für die darauffolgenden Schichten werden das verwendete Mehl und der verwendete Sand grobkörniger, wodurch auch eine höhere Schichtdicke erreicht wird.

Die Schalenbildung ist nach dem Stand der Technik ein arbeitsreicher und zeitintensiver Prozess. Nachteile der herkömmlichen Methode sind insbesondere die hohe Anzahl an Tauchzyklen und die langen Trocknungszeiten pro neuer aufzubringender Keramikschicht.

Übliche feuerfeste Materialien, die zur Herstellung von keramischen Schlickern verwendet werden, sind: Siliziumdioxid, Zirkon, verschiedene Aluminiumsilikate und Tonerde. Zu den Bindemitteln, die verwendet werden, um das feuerfeste Material an Ort und Stelle zu halten, gehören: Ethylsilikat, kolloidale Kieselsäure und Natriumsilikat (https://en.wikipedia.org/wiki/- Investment_casting) .

Die Schlicker wurden über die Jahrzehnte hinsichtlich der Permeabilität, Grünteilstabilität, TrocknungsZeiten, aber auch hinsichtlich der Umweltverträglichkeit immer weiterentwickelt .

So werden heute fast ausschließlich wasserbasierte Binder wie kolloidale Silica verwendet, alkoholische Binder wie Ethylsilikate finden dagegen kaum noch Verwendung. Bezüglich der Grünteilstabilität und Permeabilität sind vor allem organische Additive wie lösliche Polymere oder unlösliche Fasern technisch relevant (S. Singh et al., Proc. Inst. Meeh. Eng. Part B J. Eng. Manuf. 2016, 230, 2143-2164; S. Pattnaik et al., J. Mater. Process. Technol. 2012, 212, 2332-2348).

In der US20030192667A2 wird ein Verfahren zum Feingießen offenbart, das die Herstellung einer feuerfesten wasser- basierten Aufschlämmung durch Mischen eines Bindemittels, eines feuerfesten Materials und einer Menge wasserunlöslicher organischer Fasern und das Aufbringen einer oder mehrerer Schichten dieser Aufschlämmung auf ein Positivmodell umfasst. Es wurde festgestellt, dass jede Schicht der so gebildeten Aufschlämmung überraschend dick ist und dass nur eine relativ kurze Trocknungszeit für jede Schicht erforderlich ist, sodass relativ schnell eine Schale von wünschenswerter Dicke mit nur wenigen Tauchzyklen aufgebaut werden kann. Diese positiven Effekte lassen sich auf eine erhöhte Viskosität sowie eine bessere Grünteilstabilität des eingesetzten Materials zurückführen.

In der US4996084A wird eine wasserbasierte Aufschlämmung beschrieben, die kolloidales Siliziumdioxid, einen Latexkleber, Ammoniumalginat, ein Benetzungsmittel, gemahlenes Zirkon, Aluminiumoxid bzw. Glasgestein und ein Antischaummittel umfasst. Die in der US4996084A vorgestellten Aufschlämmungen machen Trocknungszeiten von 4 - 6 h zwischen den einzelnen Eintauch-schritten möglich.

Die EP0638379A2 umfasst ein wasserbasiertes Bindemittel zur Verwendung in einer Aufschlämmung für den Feinguss. Das Bindemittel enthält eine Mischung aus einem kolloidalen Kieselsol und mindestens einem Latexpolymer. Das Latexpolymer ist vorzugsweise ein Acryllatex bzw. Styrol-Butadien-Polymer, das die Verarbeitungszeit zwischen den Tauchvorgängen bei der Herstellung der Schalenform für den Feinguss reduziert, indem es beispielsweise den Gelierpunkt des kolloidalen Kieselsols senkt. Zur Herstellung der Aufschlämmung wird das Bindemittel mit mindestens einem feuerfesten Pulver kombiniert, ausgewählt aus Aluminosilikaten, Quarzglas, Quarzsilikat, Aluminiumoxid, Zirkon und Zirkoniumdioxid.

In der EP1789240A2 werden einer Feingussaufschlämmung Füllmaterialien wie Tonminerale und sowie andere Keramiken hinzugefügt. Die Aufschlämmung umfasst einen Hauptanteil mit einem fein verteilten Material, das aus Siliziumdioxid, Aluminiumsilikat, Aluminiumoxid und Zirkon besteht, wobei das Material einen möglichst einheitlichen Partikeldurchmesser und eine gleichmäßige räumliche Ausdehnung der Partikel aufweist. Weiterhin enthält die Aufschlämmung einen kleineren Anteil eines oder mehrerer fein verteilter Materialien, die plattenartige, nadelartige oder röhrenförmige Strukturen aufweisen, in einer Konzentration, die ausreicht, um die Entwässerungszeit der Aufschlämmung nach dem Aufträgen auf ein Feingussmodell zu verringern. Mit der Zusammensetzung der EP1789240A2 können gleichmäßige Beschichtungen mit zu faserverstärkten Aufschlämmungen vergleichbaren Festigkeiten erreicht werden, wobei im Vergleich zu faserverstärkten Aufschlämmungen eine höhere Bauteilgüte erreicht wird.

Unter einer Kapillarsuspension wird ein Dreiphasensystem „fest- flüssig-flüssig" verstanden, das Partikel und, aufgrund unterschiedlicher Polaritäten, nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten umfasst. Die in Bezug auf das Volumen dominierende erste Flüssigkeit (Primärflüssigkeit) wird als Hauptphase bzw. Primärphase, die zweite, nur in geringer Menge zugegebene Flüssigkeit (Sekundärflüssigkeit) wird als Zweitphase bzw. Sekundärphase bezeichnet. Als flüssige Phasen sind auch Materialien zu verstehen, die im schmelzflüssigen Zustand vorliegen, wie z.B. schmelzflüssige Polymere und Wachse.

Kapillarkräfte können in der Kapillarsuspension zur Bildung eines partikulären Gels führen, das ein probenübergreifendes Partikelnetzwerk umfasst, unabhängig davon, ob die Sekundärphase die Partikel besser oder schlechter benetzt als die Primärphase. Je nach dem Zwei-Flüssigkeits-Benetzungswinkel 0, den die Sekundärphase gegen die Festkörperoberfläche in der Bulk-Phasen- Umgebung bildet, werden zwei Arten von Kapillarsuspensionen unterschieden. Im „pendular state" (0 < 90°) benetzt die Sekundärphase die feste partikuläre Phase besser als die kontinuierliche Primärphase und bildet Kapillarbrücken zwischen den Partikeln. In dem Fall, in dem 0 > 90° ist, der als „capillary state" bezeichnet wird, bilden die Partikel Cluster um kleine Volumina der Sekundärphase (E. Koos et al., Soft Matter 2012, 8, 3988-3994; E. Koos et al., Science 2011, 331, 897-900).

Das durch Kapillarkräfte zusammengehaltene Partikelnetzwerk ist weitgehend stabil, und es tritt keine Sedimentation auf. Die erhaltene gelartige Substanz kann zu einem Formkörper geformt werden, der nach der Entfernung der Primär- und Sekundärphase gesintert werden kann. Diese Partikelnetzwerke kollabieren auch nicht, wenn die Primärphase von der Suspension abgetrennt wird. Die flexiblen Kapillarbrücken in Kapillarsuspensionen ermöglichen es, im Partikelnetzwerk aufkommende Trocknungsspannungen auszugleichen und somit Rissbildungen zu reduzieren. Des Weiteren sind die intrinsischen rheologischen Eigenschaften von Kapillarsuspensionen mit einer hohen Fließgrenze und stark scherverdünnendem Verhalten ideal zur Verwendung als Beschichtungsmaterial (M. Schneider et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 11095-11105; M. Weiß et al., Journal of the European Ceramic Society 2019, 39, 5, 1887-1892).

In der EP2729431A1 wird ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Keramik mithilfe einer Kapillarsuspension beschrieben, das folgende Schritte umfasst: Dispergieren von 2 bis 40 Volumenprozent eines teilchenförmigen Feststoffs, ausgewählt aus Oxiden, Carbiden, Nitriden und Phosphaten, in 50 bis 97,99 Volumenprozent einer flüssigen unpolaren Primärphase und anschließendem Zumischen von 0,01 bis 10 Volumenprozent einer flüssigen polaren Sekundärphase zu der erhaltenen Suspension aus teilchenförmigem Feststoff und flüssiger Primärphase, jeweils bezogen auf das Gesamtvolumen der Suspension, wobei die Primärphase und die Sekundärphase nicht miteinander mischbar sind, Entfernen der Primärphase und der Sekundärphase von der Suspension, wobei ein Festkörper erhalten wird, und Sintern des erhaltenen Festkörpers, wobei eine poröse Keramik gebildet wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die poröse Keramik eine Porosität von 10 bis 80 % und eine mittlere Porengröße d₅₀ von 0,1 bis 100 pm auf.

Die EP3385244A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines porösen defektfreien Sinterkörpers ohne Rissbildungen und Verformungen auf der Basis einer pastösen Kapillarsuspension. Der nach dem Verfahren erhaltene poröse Sinterkörper weist eine Porosität im Bereich von 30 bis 80 % und eine mittlere Porengröße im Bereich von 0,5 bis 50 pm auf. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

(a) Bereitstellen einer pastenartigen Kapillarsuspension durch Mischen von 5 bis 40 Vol.-% einer teilchenförmigen Festphase, 50 bis 94,9 Vol.-% einer flüssigen Primärphase und 0,1 bis 10 Voll einer flüssigen Sekundärphase, jeweils bezogen auf das Gesamtvolumen der resultierenden Suspension, wobei die teilchenförmige Feststoffphase mindestens eine Feststoff- komponente mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,05 bis 50 pm umfasst, wobei die flüssige Primärphase zwei unpolare Flüssigkomponenten, die bei Umgebungstemperatur einen niedrigen bzw. einen hohen Dampfdruck aufweisen, und eine darin gelöste erste Bindemittelkomponente umfasst, und wobei die flüssige Sekundärphase eine polare flüssige Komponente und eine darin gelöste zweite Bindemittelkomponente umfasst; (b) Formen der pastenartigen Kapillarsuspension in die gewünschte geometrische Form, wodurch ein Grünkörper gebildet wird; (c) Trocknen des Grünkörpers, wodurch die flüssigen Komponenten zumindest teilweise entfernt werden; (d) thermisches Entbindern des Grünkörpers, wodurch die Bindemittelkomponenten entfernt werden; und (e) Sintern des Grünkörpers, wodurch der poröse gesinterte Körper erhalten wird.

Feingussverfahren unter Verwendung von Kapillarsuspensionen sind noch nicht beschrieben worden. Bis dato bestehen weiterhin Probleme bei der Bildung der Keramikform im Feingussverfahren, insbesondere ist eine relativ hohe Anzahl an aufzutragenden Schichten und eine relativ lange Trocknungszeit der einzelnen Keramikschichten notwendig, und es besteht weiterhin eine relativ hohe Gefahr der Rissbildung in der Keramikform.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen keramischen Schlicker für den Feinguss auf Basis einer Kapillarsuspension bereitzustellen, mit dem es möglich ist, mindestens eine Keramikform bzw. mindestens ein Feingussbauteil mit einer deutlichen Verringerung der Gesamtherstellungsdauer herzustellen, wobei die aus dem keramischen Schlicker herzustellende mindestens eine Keramikform eine deutlich erhöhte Stabilität aufweisen soll.

Die vorstehende technische Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst.

Die Erfindung beschreibt einen keramischen Schlicker auf Basis einer Kapillarsuspension mit einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten, vorteilhaften Schlickerzusammensetzung, die sich durch einen hohen Feststoffanteil auszeichnet. Weiterhin wird ein Verfahren beschrieben, mindestens eine Keramikform für den Feinguss mit dem erfindungsgemäßen keramischen Schlicker bzw. mindestens ein Feingussbauteil mithilfe dieser Keramikform herzustellen.

Der Vorteil von Kapillarsuspensionen ist die Fähigkeit des Partikelnetzwerks, die bei der Trocknung der mindestens einen Keramikform im Feingussverfahren auftretenden Trocknungs- spannungen mittels der flexiblen Kapillarbrücken auszugleichen und die Rissbildung zu reduzieren. Weiterhin sind auch die rheologischen Eigenschaften von Kapillarsuspensionen, wie z.B. die hohe Fließgrenze und das stark scherverdünnende Verhalten, ideal für die Beschichtung komplexer Geometrien (Hinterschnitte) mit einer zu erzielenden erhöhten Schichtdicke. Dank des scherverdünnenden Verhaltens wird die Kapillarsuspension beispielsweise unter Rühren dünnflüssig, wodurch filigrane Geometrien vom Schlicker erreicht werden. Mit einer entsprechend hohen Fließgrenze, d.h. der Mindestspannung, um ein Material zum Fließen zu bringen, wird die Schichtdicke pro Tauchgang erhöht. Der erfindungsgemäße keramische Schlicker umfasst eine partikuläre Phase, eine Primärphase, enthaltend eine polare Primärflüssigkeit, und eine Sekundärphase, enthaltend eine nicht mit der Primärflüssigkeit mischbare Sekundärflüssigkeit, wobei entweder die Primärphase oder die Sekundärphase oder wobei sowohl die Primärphase als auch die Sekundärphase mindestens einen Binder enthalten.

Die partikuläre Phase umfasst 10 - 70 Vol.-% keramischer Partikel, bezogen auf die Gesamtzusammenset zung des keramischen Schlickers, mit einer mittleren Partikelgröße von 0,1 - 150 pm. Für die partikuläre Phase können alle für den Feinguss geeigneten Partikelarten eingesetzt werden. Bevorzugte keramische Partikel für die partikuläre Phase sind Oxide, Silicate, Carbide, Nitride oder Phosphate. Besonders bevorzugt sind feuerfeste Materialien, wie Zirconium (IV)- silicat, Zirconium (IV)-oxid, Aluminium (III)-oxid, Alumino- silicate (verschiedene Kombinationen aus AI2O3 und SiO2) oder Silica (SiO2). In einer bestimmten Ausführungsform besteht die partikuläre Phase aus AI2O3, da AI2O3nach der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gut für einen keramischen Schlicker wiederverwertet werden kann.

Die polare Primärflüssigkeit der Primärphase ist ausgewählt aus Wasser, wässrigen Polysaccharidlösungen, wässrigen Lösungen mehrwertiger Alkohole, wässrigen Polymerlösungen oder geschmolzenen polaren Polymeren. Bevorzugt werden Wasser, wässrige Glycerin-lösungen, wässrige Saccharoselösungen, Polyethylenglykol (PEG), Polyvinylalkohol (PVA) oder Polyvinyl- pyrrolidon (PVP) bzw. wässrige Lösungen von Polyethylenglykol (PEG), Polyvinylalkohol (PVA) oder Polyvinylpyrrolidon (PVP) eingesetzt. Besonders bevorzugt werden Wasser, wässrige Saccharoselösungen, Polyvinylpyrrolidon oder eine wässrige

Polyvinylpyrrolidonlösung eingesetzt.

Der Anteil der Primärflüssigkeit beträgt 15 - 81 Vol.-%, bezogen auf die GesamtZusammensetzung des keramischen Schlickers.

Die Sekundärflüssigkeit ist unpolar und mit der Primärflüssigkeit nicht mischbar. Die Sekundärflüssigkeit ist ausgewählt aus Ölen, geschmolzenen Wachsen oder geschmolzenen unpolaren Polymeren. Bevorzugt werden Paraffinwachse, Carnaubawachse, Montanwachse, Polyethylenwachse, Polypropylen- wachse, Polyamidwachse, Paraffinöle, Silikonöle, Mineralöle, Phthalate bzw. aliphatische Kohlenwasserstoffe eingesetzt.

Der Anteil der Sekundärflüssigkeit beträgt 1 - 15 Vol.-%, bezogen auf die Gesamtzusammenset zung des keramischen

Schlickers .

Als der mindestens eine Binder können alle für den Feinguss geeigneten Bindemittel eingesetzt werden. Bevorzugt ist der mindestens eine Binder ausgewählt aus kolloidalem Silica, Tetra- ethylorthosilicat (TEOS), Zirconium (IV)-Acetat, Ammonium- zirconium (IV)-carbonat, Geopolymeren, Bentonit, Carboxymethyl- cellulose (CMC), Polyurethanen, Polyacrylsäure, Polytetra- fluorethylen, Kautschuk, Alginat oder Harz.

Besonders bevorzugt umfasst der mindestens eine Binder eine kolloidale Silica Suspension mit 1 - 50 Gew.-% Silica Partikeln mit einer Partikelgröße von 1 - 100 nm.

Der Volumenanteil des Binders beträgt 0,25 - 74 Vol.-%, bezogen auf die GesamtZusammensetzung des keramischen Schlickers.

Der Binder ist in einer Ausführungsform nur in der Primärphase enthalten. In einer anderen Ausführungsform ist der Binder nur in der Sekundärphase enthalten. In einer weiteren Ausführungsform ist der Binder sowohl in der Primärphase als auch in der Sekundärphase enthalten.

In einer bestimmten Ausführungsform ist sowohl in der Primärphase als auch in der Sekundärphase kolloidales Silica als Binder enthalten. In einer Aus führungs form werden dem Binder Fasern und/ oder

Polymere zugesetzt . Die Fasern sind beispielsweise ausgewählt aus Nadelkoks , Graphit , Campher enthaltenden Fasern,

Nylonfasern, Reishülsen oder Carbonfasern, die Polymere sind beispielsweise ausgewählt aus Polyvinylalkohol ( PVA) ,

Polyethylenglykol ( PEG) , Polysacchariden oder Latex als

Polymerdispersion .

In einer weiteren Aus führungs form werden dem keramischen

Schlicker Additive als Stabilisatoren zugesetzt . Diese Additive sind ausgewählt aus Dispergierhilfen, wie Tensiden ( z . B .

Polysorbat 20 ) , Elektrolyten, Säuren oder Basen als elektrostatische Stabilisatoren oder Entschäumern. Als

Entschäumer werden beispielsweise Remet AF-XL, Burst 100 , Remet

Foamaway der Firma Remet , die FoamS t a r®- Entschäumer der Firma

BASF, der Defoamer DFN der Firma Grace Trading oder 2 -Ethyl -

Hexanol eingesetzt .

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung mindestens einer

Keramikform für den Feinguss bzw . zur Herstellung mindestens eines Feingussbauteils unter Verwendung des erfindungsgemäßen keramischen Schlickers auf Basis einer Kapillar suspension umfasst die folgenden Schritte :

1 Bereitstellen eines erfindungsgemäßen keramischen

Schlickers , eines Wachses , eines Thermoplasten oder eines Polymers mit einem j eweiligen Schmel zpunkt von 30

350 ° C und eines geschmol zenen Feingusswerkstof fs ;

2 Erstellen von mindestens einem Positivmodell des herzustellenden Feingussbauteils aus dem Wachs , dem

Thermoplasten oder dem Polymer aus Schritt A) ;

3 Montieren des mindestens einen Positivmodells aus Schritt

B ) an einer Modelltraube ;

4 Eintauchen der Modelltraube aus Schritt C ) in den keramischen Schlicker aus Schritt A) und Beschichten der

Modelltraube mit dem keramischen Schlicker ; 5 Trocknen der jeweiligen in Schritt D) auf dem mindestens einen Positivmodell gebildeten Schicht des keramischen Schlickers;

6 Wiederholen der Schritte D) und E), bis die gewünschte Gesamtschichtdicke der jeweiligen Keramikform auf dem mindestens einen Positivmodell erreicht ist;

7 Entfernen des mindestens einen Positivmodells aus der jeweiligen Keramikform nach Schritt F);

8 Ausbrennen der nach Schritt G) erhaltenen mindestens einen Keramikform;

9 Gießen des geschmolzenen Feingusswerkstoffs in die mindestens eine Keramikform;

10 Abkühlen des in der mindestens einen Keramikform enthaltenen Feingusswerkstoffs;

11 Entfernen der mindestens einen Keramikform nach Erstarren des Feingusswerkstoffs;

12 Trennung des nach Schritt K) erhaltenen mindestens einen Feingussbauteils von der Modelltraube.

Das Material für die Herstellung des mindestens einen Positivmodells des Feingussbauteils ist ausgewählt aus Wachsen, Thermoplasten und Polymeren mit einem Schmelzpunkt von 30 - 350 °C, wie z.B. Styropor, Phenolharzen, Epoxidharzen, Polyesterharzen, ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) Harzen, Paraffinwachsen, gefüllten und ungefüllten Feingusswachsen (z.B. RomoCast der Firma Romonta GmbH), Polylactiden, Acrylnitril- Butadien-Styrol-Copolymeren oder High-Impact Polystyrol.

Das mindestens eine Positivmodell wird in Schritt D) durch Eintunken in den keramischen Schlicker und durch Bewegen der Modelltraube in dem keramischen Schlicker oder durch Bewegen des keramischen Schlickers, z. B. durch Rühren, rundum beschichtet. Der keramische Schlicker wird unter der so induzierten Scherung fließfähig, sodass auch komplexe Geometrien mit Hinterschneidungen vollständig beschichtet werden. Die Schichtdicke einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgetragenen Schicht des keramischen Schlickers beträgt 0,3 - 3 mm. Anschließend wird die Schicht auf dem mindestens einen Positivmodell in Schritt E) getrocknet, bevor die nächste Schicht aufgetragen wird. Die Trocknungszeit der Schicht des keramischen Schlickers beträgt ohne technische Hilfsmittel ca. 0,5 - 5 h, bevorzugt ist eine Trocknungszeit von ca. 2 h. In einer Ausführungsform werden für die Trocknung der Schicht zusätzlich technische Trockner eingesetzt. Damit verringert sich die Trockenzeit der jeweiligen Schicht des keramischen Schlickers auf 5 - 30 Minuten.

Die Beschichtung des mindestens einen Positivmodells wird gemäß Schritt F) durch wiederholtes Eintauchen in den keramischen Schlicker und durch anschließendes Trocknen der jeweils aufgetragenen Schicht durchgeführt. Die Anzahl der Wiederholungen hängt vom Bauteil und der genauen Zusammensetzung ab. In der Regel sind mindestens 2 Wiederholungen notwendig, um eine jeweilige stabile Keramikform zu erstellen.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte mindestens eine Keramikform hat in der Regel eine Gesamtschichtdicke von 1,5 - 20 mm, die Gesamtzeit zur Herstellung der erfindungsgemäßen mindestens einen Keramikform beträgt in der Regel 12 - 48 h.

Nach vollständigen Trocknen der mindestens einen Keramikform wird in Schritt G) das Positivmodell aus der mindestens einen Keramikform entfernt. Beispielsweise wird das Positivmodell durch Erhitzen ausgeschmolzen. Das Ausschmelzen findet in einer Ausführungsform unter Normaldruck bei 400 - 1100 °C oder in einer anderen Ausführungsform unter Druck in einem Dampf- Autoklaven (5-12 bar, 120-250 °C) statt.

In Schritt H) wird die mindestens eine Keramikform bei 700 - 1200 °C für 20 - 180 Minuten gebrannt. Der geschmolzene Feingusswerkstoff wird in Schritt I) in die mindestens eine Keramikform gegossen. In einer bestimmten Ausführungsform wird die mindestens eine Keramikform vor dem Hineingießen des geschmolzenen Feingusswerkstoffs auf 500 - 1200 °C vorgewärmt.

Nach dem Gießschritt wird der in der mindestens einen Keramikform enthaltene Feingusswerkstoff abgekühlt. Nach dem Erstarren des Feingusswerkstoffs wird die mindestens eine Keramikform in Schritt K) entfernt und das gewünschte mindestens eine Feingussbauteil wird erhalten, indem das mindestens eine Feingussbauteil von der Modelltraube abgetrennt wird. Eventuell werden anschließend noch verbleibende Rückstände der Keramikform von dem mindestens einen Feingussbauteil entfernt.

Die Abtrennung der mindestens einen Keramikform kann sowohl mechanisch als auch chemisch erfolgen. In einer bestimmten Ausführungsform erfolgt zunächst eine mechanische Zerstörung der Keramikform mit einem Druckluftfrequenzhammer, gefolgt von einer Bestrahlung des Feingussbauteils mit einem abrasiven Material. Falls sich noch Reste der Keramikform auf dem mindestens einen Feingussbauteil befinden, kommen chemische Bäder zum Einsatz, beispielsweise eine 25%ige Natriumhydroxid- lösung.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte mindestens eine Keramikform weist eine hohe offene Porosität von 30 - 75 % und eine hohe Permeabilität/Luftdurchlässigkeit von IO^-16 - 10^-10 m² auf, sie trocknet rissfrei und weist eine ausreichende Grünteilstabilität mit einer Biegefestigkeit des Grünteils von 0,1 - 10 MPa auf.

Die offene Porosität wird mit einer Dichtemessung nach dem Archimedischen Prinzip und dem DIN EN 993-1-Prüfverfahren bestimmt. Dabei beschreibt die offene Porosität das Volumenverhältnis von offenen Poren zum Gesamtvolumen des porösen Körpers in Prozent. Die Permeabilität wird nach den Sint- Prüfnormen (SPN) DIN 30911-6 gemessen. Die Biegefestigkeit wird im erfindungsgemäßen Verfahren nach dem 4-Punkt-Biegeversuch nach DIN EN 843-1 bestimmt.

Die erfindungsgemäße gesinterte mindestens eine Keramikform hat eine hohe mechanische Stabilität mit einer Biegefestigkeit von 0,5 - 50 MPa und durchläuft den Entwachsungsprozess defektfrei .

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Feingussbauteile mit einer Masse von 1 g bis zu mehreren hundert Kilogramm gegossen werden. Die linearen Toleranzen entsprechen denen der VDG Norm P690.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Schichtbildungsprozess der mindestens einen Keramikform um einen Besandungsschritt erweitert. Dadurch besteht die Keramikformbildung aus Wiederholungen von Eintauchen und Beschichten, Besanden und Trocknen. Dadurch wird die Schichtdicke und die Trocknungsgeschwindigkeit der einzelnen Schichten erhöht.

Die Erfindung kann auch mit keramischen Schlickern aus dem Stand der Technik kombiniert werden. So können unterschiedliche Schlicker für die ersten Schichten und die nachfolgenden Schichten genutzt werden.

Der erfindungsgemäße keramische Schlicker kann alternativ auch für den Gipsguss verwendet werden. Das Modell wird in dieser Ausführungsform mit dem Schlicker ummantelt und als „Block" getrocknet. Alternative Ausführungsformen, wie das Eintauchen in ein Schlickerbecken mit anschließendem Trocknen als Schlickerblock, sind ebenfalls möglich.

Der erfindungsgemäße keramische Schlicker kann ebenfalls zur keramischen Kernherstellung für den Feinguss oder andere Gussprozesse, wie z.B. den Sandguss, verwendet werden. Beispielsweise wird der erfindungsgemäße keramische Schlicker als Präkursor für einen keramischen Gusskern eingesetzt. Auch hier stellt der erfindungsgemäße keramische Schlicker aufgrund der wasserbasierten, relativ einfachen Herstellung, schwindungs- armen und rissfreien Trocknung sowie der offenen Porenstruktur einen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik dar.

Gusskerne werden genutzt, um Hohlräume in Gusserzeugnissen zu realisieren. Für die Herstellung von Gusskernen wird der erfindungsgemäße keramische Schlicker in die entsprechende Form gebracht, getrocknet und anschließend gesintert. Der gesinterte Keramikkern wird in diesem Falle in das Positivmodell eingebaut. Anschließend wird das Positivmodell dem Formgebungsprozess im Feinguss wie gewohnt unterzogen.

Der Gusskern wird anschließend je nach Größe und Geometrie mechanisch oder chemisch zerstört. Die offene Porosität des mit dem erfindungsgemäßen keramischen Schlicker hergestellten Gusskerns ist im Feingussprozess von großem Vorteil bei der mechanischen oder chemischen Herauslösung des Gusskerns. Wenn der Gusskern chemisch herausgelöst werden soll, kann sich beispielsweise die eingesetzte Säure schnell über den gesamten Kern verteilen.

Alternativ wird der gebrannte/gesinterte erfindungsgemäße Gusskern in das fertige Positivmodell eingesetzt oder der erfindungsgemäße keramische Schlicker wird über eine Öffnung in den Hohlraum des Positivmodells eingespritzt bzw. gegossen, dort rissfrei und schwindungsarm getrocknet und nach dem Ummanteln gebrannt. Das direkte Befüllen des Positivmodells mit dem erfindungsgemäßen keramischen Schlicker bietet insbesondere bei sehr komplexen Geometrien, die sonst nur durch unterteilte Kerne und Handarbeit hergestellt werden, einen großen Mehrwert.

Für die Herstellung von Gusskernen kann der erfindungsgemäße keramische Schlicker mit allen gängigen Formgebungsverfahren für Suspensionen (z.B. Schlickerguss, Extrusion, 3D-Druck, Spritzguss) kombiniert werden. Hierzu müssen die rheologischen Eigenschaften ggf. angepasst werden.

Der erfindungsgemäße keramische Schlicker erfüllt alle Anforderungen an die Schalenbildung bzw. die Gusskernbildung im Feinguss und stellt eine Verbesserung gegenüber keramischen Schlickern des Stands der Technik dar:

Der erfindungsgemäße keramische Schlicker hat sehr gute rheologische Eigenschaften, die in der herzustellenden Keramikform bzw. dem herzustellenden Gusskern zu einer verringerten Rissbildung führen, und eine entsprechend niedrige Viskosität, sodass auch Positivmodelle mit komplexen Geometrien und Hinterschneidungen zuverlässig beschichtet bzw. Feingussbau- teile mit komplexen Geometrien hergestellt werden können.

Die Fließgrenze der erfindungsgemäßen keramischen Schlicker- zusammensetzung gemessen nach DIN 53019-1 liegt_im Bereich von 40 - 3000 Pa, bevorzugt 60 - 100 Pa, wobei der Schlicker ein stark scherverdünnendes Verhalten zeigt.

Die typische Mikrostruktur des Partikelnetzwerks der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Kapillarsuspension bietet eine große, freie Schichtoberfläche und ermöglicht eine relativ gleichmäßige und schnelle Trocknung des keramischen Schlickers. Dadurch wird zum einen die Keramikschalenherstellung bzw. Gusskernherstellung beschleunigt und zum anderen die Komplexität des Verfahrens auf wenige Verfahrensschritte reduziert .

Der hohe Feststoffgehalt des erfindungsgemäßen keramischen Schlickers verringert das Schrumpfpotential, sodass nur eine geringe, homogene Schrumpfung während der Herstellung einer Keramikform bzw. eines Gusskerns stattfindet, und der Binder sorgt für eine sehr gute Stabilität.

Im Falle der Herstellung einer Keramikschale ermöglicht die Auftragung einer rissfreien und dickeren Keramikschicht im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik eine Reduzierung der Beschichtungszyklen und somit eine Verkürzung der Schalenbildungsdauer im Feinguss von 10 Tagen auf 0,5 - 2 Tage. Der Besandungsprozess pro aufzubauender Keramikschicht kann aufgrund des hohen Feststoffanteil der erfindungsgemäßen keramischen Schlickerzusammensetzung entfallen und die Staub- und Partikelbelastung für Mensch und Maschine in den Fabriken wird stark reduziert. Weiterhin kann eine Beschleunigung der Schalenbildung, falls kein technischer Trockner zum Einsatz kommt, erreicht werden.

Die genannten Eigenschaften des keramischen Schlickers führen in einem Feingussprozess zu einer Verringerung des Energiebedarfs sowie zu einer Steigerung der Produktivität und Flexibilität. Der erfindungsgemäße keramische Schlicker hat eine hohe Langzeitstabilität und kann Tage bis Monate ohne dauerhaftes Rühren gelagert werden.

Somit findet der erfindungsgemäße keramische Schlicker auf Basis einer Kapillarsuspension Verwendung im Feinguss, Gipsguss, Sandguss oder Kunstguss, in der Herstellung von Hochleistungskomponenten, beispielsweise aus Metallen oder Metalllegierungen, oder in Zahnersatzverfahren.

Weiterhin eignet sich der erfindungsgemäße keramische Schlicker auf Basis einer Kapillarsuspension für die Herstellung von Gusskernen, Schlichten, Knochenersatzmaterialien, Sinterhilfs- mitteln, Feuerfestmaterialien, thermischen Isolatoren, Isolatoren für elektrische Heizelemente, Turbinen- schaufeldiffusionsbeschichtungen, Elektrolyten, Körperschutz- produkten, abrasionsresistenten Düsen oder Feuchtigkeits- sensoren .

Aufgrund der gegebenen Materialfreiheit des erfindungsgemäßen Schlickers sind die Einsatzgebiete nicht auf die vorangegangenen Auflistungen limitiert. Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren, Ausführungsbeispiele und Beschreibungen näher erläutert.

Alle dargestellten Merkmale und deren Kombinationen sind nicht nur auf diese Figuren und Ausführungsbeispiele und deren Ausgestaltungen begrenzt. Vielmehr sollen diese stellvertretend für weitere mögliche, aber nicht explizit als Ausführungsbeispiele dargestellte weitere Ausgestaltungen kombinierbar angesehen werden.

Figur 1:

In Figur 1 ist ein Wachspositivmodell eines nach Beispiel 5 herzustellenden Feingussbauteils (Figur 1, linkes Bild), das 3-fach mit einem erfindungsgemäßen keramischen Schlicker beschichtete Wachspositivmodell (Figur 1, mittleres Bild) und das fertige erfindungsgemäß hergestellte Feingussbauteil aus Gusseisen nach Abschlagen der erfindungsgemäß hergestellten Keramikform (Figur 1, rechtes Bild) zu sehen.

Figur 2:

Figur 2, linkes Bild, zeigt einen Querschnitt eines beschichteten Wachspositivmodells mit alternierend ungefärbten und gefärbten Schichten eines erfindungsgemäßen keramischen Schlickers. Insgesamt sind 4 Schichten und in der Mitte das Wachsstück zu sehen. Um die unterschiedlichen Schichten visuell sichtbar zu machen, wurde einem Teil des keramischen Schlickers im letzten Durchmischungsschritt eine Messerspitze Graphitpulver hinzugegeben. Anschließend wurde ein Wachsstück abwechselnd mit dem erfindungsgemäßen keramischen Schlicker ohne Graphitpulver und dem erfindungsgemäßen keramischen Schlicker mit Graphit- pulver beschichtet. In Figur 2 ist die Schichtdicke der einzelnen Schichten gut zu erkennen. Figur 2, rechtes Bild, zeigt eine aufgeschnittene erfindungsgemäß hergestellte Keramikform mit den unterschiedlich gefärbten Schichten. Fi gur 3 :

Figur 3 zeigt ein für das Brennen des erfindungsgemäßen keramischen Schlickers genutztes Temperaturprofil. Der keramische Schlicker wurde mit einer Lochplatte in 50 x 12 x 5 mm große Balken ausgeformt und anschließend bei 900 °C für 2 h, dem Temperaturprofil in Figur 3 folgend, gebrannt (Beispiel 1).

Fi gur 4 :

Figur 4 zeigt ein Wachspositivmodell (links) für einen Radialverdichter und den mithilfe des erfindungsgemäßen keramischen Schlickers gemäß Beispiel 11 und des Wachspositivmodells hergestellten Radialverdichter aus Zinn (rechts).

Fi gur 5 :

Figur 5 zeigt ein Wachspositivmodell für eine Tannenbaum- struktur und das mit dem erfindungsgemäßen keramischen Schlicker ummantelte Wachspositivmodell (links) und die mithilfe des erfindungsgemäßen keramischen Schlickers gemäß Beispiel 11 und des Wachspositivmodells hergestellte Tannenbaumstruktur aus Zinn (rechts).

Fi gur 6:

Figur 6 zeigt ein Wachspositivmodell für einen Radial- verdichter und das mit dem erfindungsgemäßen keramischen Schlicker ummantelte Wachspositivmodell (links) und den mithilfe des erfindungsgemäßen keramischen Schlickers gemäß Beispiel 12 und des Wachspositivmodells hergestellten Radialverdichter aus Zinn (rechts).

Fi gur 7 :

Figur 7 zeigt ein Wachspositivmodell für eine filigrane

Fingerstruktur (links) und die mithilfe des erfindungsgemäßen keramischen Schlickers gemäß Beispiel 12 und des Wachspositivmodells hergestellte filigrane Fingerstruktur aus Zinn (rechts).

Figur 8 :

Figur 8 zeigt ein gedrucktes Positivmodell aus PLA für einen Radialverdicher (links) und den mithilfe des erfindungsgemäßen keramischen Schlickers gemäß Beispiel 13 und des Positivmodells hergestellten Radialverdichters aus Zinn (rechts).

Figur 9 :

In Figur 9 sind drei gemäß Beispiel 14 hergestellte Gusskerne in unterschiedlichen Formen dargestellt.

Figur 10 :

In Figur 10 sind drei gemäß Beispiel 15 hergestellte Gusskerne in unterschiedlichen Formen dargestellt.

Figuren 11 und 12:

Die Figuren 11 und 12 stellen größere rissfreie Keramiken dar, die mit dem gemäß Beispiel 5 hergestellten keramischen Schlicker im Schlickerguss ausgeformt, bei Raumtemperatur getrocknet und anschließend gebrannt und gesintert wurden.

Figur 13 :

Figur 13 zeigt eine rissfreie Keramik aus α-Al₂O₃, hergestellt nach Beispiel 7.

Beispiele

Herstellung eines erfindungsgemäßen keramischen Schlickers: Beispiel 1:

24 Vol.-% eines α-Al₂O₃ Pulvers mit einer mittleren Teilchengröße von d_50,3 = 5,5 pm (der Wert von d₅₀ ist nach DIN 13320 als mittlere Partikelgröße definiert) wurden vorgelegt und in einer wässrigen Primärphase mit 5,7 Vol.-% kolloidalem Silica und 0,35 Vol.-% eines neutralen Salzes suspendiert. Die beiden Phasen wurden mit einem Dissolverrührer bei 800 rpm für 5 min vermischt. Anschließend wurden 2 Vol.-% einer mit der Primärphase nicht mischbaren Sekundärflüssigkeit , hier eine Fettsäure mit einem Siedepunkt von > 350 °C, bei 1000 rpm für weitere 5 min vermischt. Der keramische Schlicker zeigte nach DIN 53019-1 eine Fließgrenze von 80 Pa bei 20°C. Der keramische Schlicker wurde mit einer Lochplatte in 50 x 12 x 5 mm große Balken ausgeformt und anschließend bei 900 °C für 2 h, dem Temperaturprofil in Figur 3 folgend, gebrannt. Die abgekühlten Balken wiesen eine offene und durchgängige Porosität von 54 % (Archimedes' Prinzip, DIN EN 993-1), eine Permeabilität von 1,8 x IO^-14 m² (nach DIN 30911-6) sowie eine Biegefestigkeit von 4 MPa (4-Punkt-Biegeversuch nach DIN EN 843-1) auf.

Beispiele 2 - 9:

Weitere erfindungsgemäße keramische SchlickerZusammen- setzungen sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1: Beispielzusammensetzungen für erfindungsgemäße keramische Schlicker. Alle Vol.-%-Angaben beziehen sich auf die jeweilige GesamtZusammensetzung des keramischen Schlickers:

Herstellung von Feingussbauteilen:

Beispiel 10:

Ein handgemachtes Wachspositivmodell in T-Form aus Paraffin- wachs (Figur 1, linkes Bild) wurde im Abstand von 2 h durch Eintunken in einen erfindungsgemäßen keramischen Schlicker und Drehen in dem erfindungsgemäßen keramischen Schlicker und anschließendem Trocknen beschichtet. Dieser Vorgang wurde 3 - 4 Mal wiederholt. Ein beschichtetes Wachsstück ist in Figur 1, mittleres Bild, dargestellt. Nach Trocknen der letzten Schicht für insgesamt 4 h wurde die Keramikform bei 120 °C und Normaldruck in einem Trockenschrank entwachst. Anschließend wurde in die kalte erfindungsgemäß hergestellte Keramikform flüssiges Gusseisen mit einer Temperatur von 1450 °C gegossen. Das nach Abkühlen und Abschlagen der Keramikform erhaltene Feingussbauteil ist in Figur 1, rechtes Bild, dargestellt.

Beispiel 11:

Gegossene Wachspositivmodelle aus Paraffinwachs wurden im Abstand von 2 h durch Eintunken in einen erfindungsgemäßen keramischen Schlicker und Drehen in dem erfindungsgemäßen keramischen Schlicker und anschließendem Trocknen beschichtet. Dieser Vorgang wurde 3 - 4 Mal wiederholt. Nach Trocknen der letzten Schicht für insgesamt 4 h wurden die Keramikformen bei 120 °C und 1,2 bar in einem Schnellkochtopf entwachst. Anschließend wurden die Keramikformen bei 900 °C für 2 h gebrannt. Die vorgeheizten Keramikformen wurden bei einer Formtemperatur von 350 °C mit flüssigem Zinn gefüllt. Dieser Vorgang wurde mit unterschiedlichen Geometrien durchgeführt. Entsprechende Bilder sind in Figur 4 für 2 Radialverdichter und in Figur 5 für einen Tannenbaum dargestellt .

Beispiel 12:

Wachspositivmodelle aus Industriewachs für den Feinguss wurden im Abstand von 2 h durch Eintunken in den gemäß Beispiel 5 hergestellten keramischen Schlicker und Drehen in dem gemäß Beispiel 5 hergestellten keramischen Schlicker und anschließendem Trocknen beschichtet. Dieser Vorgang wurde 3 - 4 Mal wiederholt. Nach Trocknen der letzten Schicht für insgesamt 4 h wurden die Keramikformen bei 160 °C und 1,2 bar in einem Schnellkochtopf entwachst. Anschließend wurden die Keramikformen bei 900 °C für 2 h gebrannt. Die vorgeheizten Keramikformen wurden bei einer Formtemperatur von 350 °C mit flüssigem Zinn gefüllt. Dieser Vorgang wurde mit unterschiedlichen Geometrien durchgeführt. Entspre- chende Bilder sind in Figur 6 für einen Radialverdichter und in Figur 7 für eine filigrane Fingerstruktur dargestellt.

Beispiel 13:

Gedruckte Positivmodelle aus PLA (polylactic acid) wurden im Abstand von 2 h durch Eintunken in den gemäß Beispiel 5 hergestellten keramischen Schlicker und Drehen in dem gemäß Beispiel 5 hergestellten keramischen Schlicker und anschließendem Trocknen beschichtet. Dieser Vorgang wurde 3 - 4 Mal wiederholt. Nach Trocknen der letzten Schicht für insgesamt 4 h wurden die die beschichteten Positivmodelle bei 900 °C für 2 h gebrannt. Bei diesem Vorgang zersetzt sich das PLA. Die so entstandenen, vorgeheizten Keramikformen wurden bei einer Formtemperatur von 350 °C mit flüssigem Zinn gefüllt. Dieser Vorgang wurde mit unterschiedlichen Geometrien durchgeführt. Figur 8 zeigt einen Radialverdichter aus PLA und das nach dem Verfahren hergestellte Metallbauteil. Herstellung von Gusskernen:

Beispiel 14:

Der gemäß Beispiel 5 hergestellte keramische Schlicker wurde in eine eckige Form gegossen, getrocknet, ggf. bearbeitet und anschließend bei 1200 °C für 2 h gebrannt. Anschließend konnten die Keramiken erfolgreich als Gusskerne eingesetzt werden. Die Kerne ließen sich problemlos aus dem erstarrten Metallbauteil entfernen. In Figur 9 sind beispielhaft 3 Formen dargestellt.

Beispiel 15:

Der gemäß Beispiel 6 hergestellte keramische Schlicker eignet sich hervorragend für das 3D-Druck Verfahren. Der keramische Schlicker wurde in unterschiedlichen Geometrien auf eine 90 °C heiße Kordieritplatte gedruckt und anschließend bei 1400 °C für 2 h gesintert. Die hergestellten Keramiken haben eine offene Porosität von 45 % und eine Druckfestigkeit von 70 MPa. Figur 10 zeigt beispielhaft einige 3D-gedruckte Keramikbauteile. Diese Verfahren ist unter anderem geeignet, komplexe Gusskerne herzustellen.

Herstellung weiterer poröser Formkörper:

Beispiel 16:

Größere Keramiken (Figuren 11 und 12) wurden mit dem gemäß Beispiel 5 hergestellten keramischen Schlicker im Schlicker- guss ausgeformt, bei Raumtemperatur getrocknet und anschließend gebrannt und gesintert. Die Keramiken trocknen und überstehen die Temperaturbehandlung rissfrei.

Mit ihrer Mikrostruktur sind Sie zum Beispiel für den Einsatz als Feuerfestmaterilaien, Dämmstoffe oder als Sinterunterlagen geeignet. Beispiel 17:

In dieser Ausführungsform besteht die entstehende Keramik aus einem einzigen Material (in diesem Beispiel α-Al₂O₃). Auch diese Zusammensetzung trocknet rissfrei (Figur 13). In dieser Ausführungsform eignet sich der gemäß Beispiel 7 hergestellte keramische Schlicker für den 3D-Druck nach dem Binder Jetting Verfahren. Bei diesem Verfahren wird eine dünne Schicht aufgetragen und getrocknet. Anschließend wird mit einem Druckkopf ein Bindemittel (oft ein Harz) gezielt an gewünschten Stellen aufgebracht. Anschließend wird die nächste Schicht aufgetragen und erneut punktuell verklebt. Sobald die gewünschte Geometrie gedruckt worden ist, wird das nicht verklebte Material abgespült und es bleibt das 3D-gedruckte Bauteil übrig. In diesem Verfahren ist die Herausforderung das rissfreie Trocknen wasserbasierter Schlickerformulierungen.

Beispiel 18:

Der gemäß Beispiel 8 hergestellte keramische Schlicker auf Bariumtitanatbasis wurde bei 1150 °C für 2 h gesintert. Die resultierende Keramik hat eine vollständig offene Porosität von 50 %. Bariumt itanat ist insbesondere als „Energy harvesting material" bekannt und wird unter anderem als Sensor genutzt.

Beispiel 19:

Der gemäß Beispiel 9 hergestellte keramische Schlicker auf Kieselgurbasis wurde bei 1150 °C für 2 h gesintert und weist eine vollständig offene Porosität von 65 % auf. Diese Keramiken eignen sich hervorragend für den Einsatz in einem Bodenfeuchtesensor . Geräte und Methoden:

Die Fließgrenze und Viskosität wurden mit einem Haake MARS II Rheometer, Thermo Scientific, bestimmt.

Porositätsmessung: Archimedes Waage.

Permeabilitätsmessung: Drucknutsche mit Einsatz nach DIN 30911-6 .

Druckversuch und 4-Punkt-Biegeversuch : TA.XT Texture Analyser Plus, Stable Micro Systems.

Dissolverrührer : Dissolverrührer mit einem Durchmesser von 40 mm .

Trockenschrank: VT 6060 M, Thermo Scientific.

Materialien : a-Al₂O₃ Pulver: CT19FG, Almatis GmbH, CT1200SG, Almatis GmbH

ZrSiO₄ Pulver: Zirconium Silicate Micro 20 TDS, Alkroko GmbH

Bariumtitanat Pulver: Commercial grade barium titanium oxide (BT), 99 % (metals basis), Alfa Aesar

Kieselgur Pulver: Celite® Standard Super Cel®, VWR International GmbH

Paraffinwachs: Sasolwax 5205, Sasol GmbH

Industriewachs: ROMOCAST, Romonta

13 Gusseisen: EN-GJL-250 (Gusseisen mit Lamellengraphit)

Claims

Patentansprüche :

1. Keramischer Schlicker auf Basis einer Kapillarsuspension für den Feinguss, umfassend eine partikuläre Phase, eine Primärphase, enthaltend eine polare Primärflüssigkeit, und eine Sekundärphase, enthaltend eine nicht mit der Primärflüssigkeit mischbare Sekundärflüssigkeit, wobei entweder die Primärphase oder die Sekundärphase oder wobei sowohl die Primärphase als auch die Sekundärphase zusätzlich mindestens einen Binder enthalten, wobei der Anteil der partikulären Phase 10 - 70 Vol.- %, der Anteil der Primärflüssigkeit 15 - 81 Vol.-%, der Anteil der Sekundärflüssigkeit 1 - 15 Vol.-% und der Anteil des Binders 0,25 - 74 Vol.-%, jeweils bezogen auf die GesamtZusammensetzung des keramischen Schlickers, betragen.

2. Keramischer Schlicker nach Anspruch 1, wobei die polare Primärflüssigkeit der Primärphase ausgewählt ist aus Wasser, wässrigen Polysaccharidlösungen, wässrigen Lösungen mehrwertiger Alkohole, wässrigen Polymerlösungen oder geschmolzenen polaren Polymeren.

3. Keramischer Schlicker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sekundärflüssigkeit ausgewählt ist aus Ölen, geschmolzenen Wachsen oder geschmolzenen unpolaren Polymeren .

4. Keramischer Schlicker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die partikuläre Phase Oxide, Silicate, Carbide, Nitride oder Phosphate enthält.

5. Keramischer Schlicker nach Anspruch 4, wobei die partikuläre Phase Zirconium (IV)-silicat, Zirconium (IV)-oxid, Aluminium (III)-oxid, Aluminosilicate oder Silica (SiO2) enthält.

6. Keramischer Schlicker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mittlere Partikelgröße der partikulären Phase 0,1 - 150 pm beträgt.

7. Keramischer Schlicker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Binder kolloidales Silica, Tetraethylorthosilicat (TEOS), Ethylsilicat, Zirconium (IV)- Acetat, Ammonium-zirconium (IV)-carbonat, Geopolymere, Bentonit, Carboxymethylcellulose (CMC), Polyurethane, Polyacrylsäure, Polytetrafluorethylen, Kautschuk, Alginat oder Harz umfasst.

8. Keramischer Schlicker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Binder Fasern und/oder Polymere zugesetzt werden.

9. Keramischer Schlicker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Schlicker Additive, ausgewählt aus Dispergierhilfen, Elektrolyten, Säuren oder Basen als elektrostatische Stabilisatoren oder Entschäumern, zugesetzt werden .

10. Verfahren zur Herstellung mindestens einer Keramikform für den Feinguss und zur Herstellung mindestens eines Feinguss- bauteils, umfassend die folgenden Schritte:

A)Bereitstellen eines keramischen Schlickers auf Basis einer Kapillarsuspension gemäß einem der Ansprüche 1 - 9, eines Wachses, eines Thermoplasten oder eines Polymers mit einem jeweiligen Schmelzpunkt von 30 - 350 °C und eines geschmolzenen Feingusswerkstoffs;

B)Erstellen von mindestens einem Positivmodell des herzustellenden Feingussbauteils aus dem Wachs, dem Thermoplasten oder dem Polymer aus Schritt A);

C)Montieren des mindestens einen Positivmodells aus Schritt B) an einer Modelltraube;

D)Eintauchen der Modelltraube aus Schritt C) in den keramischen Schlicker aus Schritt A) und Beschichten der Modelltraube mit dem keramischen Schlicker;

E) Trocknen der jeweiligen in Schritt D) auf dem mindestens einen Positivmodell gebildeten Schicht des keramischen Schlickers;

F)Wiederholen der Schritte D) und E), bis die gewünschte Gesamtschichtdicke der jeweiligen Keramikform auf dem mindestens einen Positivmodell erreicht ist;

G)Entfernen des mindestens einen Positivmodells aus der jeweiligen Keramikform nach Schritt F);

H)Ausbrennen der nach Schritt G) erhaltenen mindestens einen Keramikform;

I)Gießen des geschmolzenen Feingusswerkstoffs in die mindestens eine Keramikform;

J)Abkühlen des in der mindestens einen Keramikform enthaltenen Feingusswerkstoffs;

K)Entfernen der mindestens einen Keramikform nach Erstarren des Feingusswerkstoffs;

L) Trennung des nach Schritt K) erhaltenen mindestens einen Feingussbauteils von der Modelltraube.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Trockenzeit in Schritt E) 0,5 - 5 h beträgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die jeweilige Schichtdicke einer Schicht nach dem Beschichtungs- und Trocknungsvorgang gemäß den Schritten D) und E) 0,3 - 3 mm beträgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 12, wobei die Schritte D) und E) 2 - 5 Mal wiederholt werden.

14. Verwendung des keramischen Schlickers auf Basis einer Kapillarsuspension gemäß einem der Ansprüche 1 - 9 für den Feinguss, Gipsguss, Sandguss oder Kunstguss, für die Herstellung von Hochleistungskomponenten, beispielsweise aus Metallen oder Metalllegierungen, oder in Zahnersatzverfahren.

15. Verwendung des keramischen Schlickers auf Basis einer

Kapillarsuspension gemäß einem der Ansprüche 1 - 9 für die Herstellung von Gusskernen, Schlichten, Knochenersatzmateria- lien, Sinterhilfsmitteln, Feuerfestmaterialien, thermischen Isolatoren, Isolatoren für elektrische Heizelemente, Turbinenschaufeldiffusionsbeschichtungen, Elektrolyten, Körper- schutzprodukten, abrasionsresistenten Düsen oder Feuchtigkeits- sensoren .