© Fraunhofer

FORMGEBUNG KOMPLEXER BAUTEILGEOMETRIEN – TEIL 1, SPRITZGUSS

Dr. Tassilo Moritz

© Fraunhofer

Formgebung

Keramik entsteht beim Sintern durch

Materialtransportprozesse, die in einer Pulverpackung

initiiert werden

- durch hohe Temperatur

- durch geringe Teilchengrößen (Sinteraktivität)

- bei geringen Abständen zwischen den Teilchen

Keramik wird pulvertechnologisch hergestelltQuelle: IKTS

© Fraunhofer

Formgebung

Quelle: IKTS

Pulvertechnologie

© Fraunhofer

Formgebung

Geometrie,

Bauteilgröße

und Stückzahl ...

Werkstoffliche Vielfalt Quelle: IKTS

sind technologische

Herausforderungen

Formgebung keramischer Bauteile

© Fraunhofer

Formgebung

Aufbereitung

Formgebung

Sintern

Bearbeitung

Mahlen, Homogenisieren, Granulieren

Ausheizen, Sintern, Infiltrieren

Grünbearbeitung (z.B. Fräsen, Drehen)

Endbearbeitung (Schleifen, Polieren)

Pressen, Plastische und Gießformgebung

Prozesskette der Pulvertechnologie

© Fraunhofer

Formgebung

Wie bringe ich die Keramik in Form?

Es werden sehr feine Ausgangspulver verwendet. Die

Ausgangspulver liegen als undefinierte Agglomerate

vor.

Es müssen dichte und homogene Pulverpackungen

erreicht werden.

Dicht: damit Sintern überhaupt möglich ist.

Homogen: damit keine Eigenschaft schwächenden

Defekte im Gefüge auftreten.

Um Nachbearbeitungsaufwand bei der Keramik zu

begrenzen muss die Formgebung endformnah sein.

Formgebung keramischer Bauteile

Quelle: IKTS

© Fraunhofer

FormgebungPressformgebung

(trockene Formgebung)(Thermo-)plastische

Formgebung

Gießformgebung

(nasse Formgebung)

• Uniaxiales Pressen

• Isostatisches Pressen

• Einformen,

Überformen

• Extrudieren

• Niederdruckspritzguss

• Hochdruckspritzguss

• Schlickergießen

• Foliengießen

• Gelcasting

• Direct Coagulation

Casting

• Elektrophorese

• Zentrifugalgießen

• Druckgießen …

Additive Fertigung

• Pulverbasierte Verfahren

SLS – Selective Laser Sintering3D-Pulverbettdruck

LOM – Laminated ObjectManufacturing

• Suspensionsbasierte VerfahrenLCM – Lithography Based CeramicManufacturing3DTP - Thermoplast-basierter 3D-DruckFDM – Fused Deposition Modelling

© Fraunhofer

Formgebung

Pressformgebung

(trockene Formgebung)

(Thermo-)plastische

Formgebung

Gießformgebung

(nasse Formgebung)

Dispersionsmittel

Kraft

© Fraunhofer

Formgebung

Quelle:

?

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Thermoplastische Formgebung für

komplex geformte Bauteile

mittlere bis hohe Stückzahlen

Bohrungen

Hinterschneidungen

Gewinde

dünne Wandstärken

feinkörnige Pulver

kleinste Abmessungen Source: IKTS

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Seit wann gibt es den Keramikspritzguss?

U.S. Patent von Karl Schwartzwalder, 1938

„a refractory body and method of making same“

Deutsches Patent von Klinger, 1940

„a method of producing spark plugs by injecting a ceramic compound

with addition of organic binders into a mould by application of pressure“

Quelle:

Der Pulverspritzguss ist dem Kunststoffspritzguss

entlehnt.

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Mixing KneadingPowder

+

Binder

Feedstock Rheological Measurements

Injection Moulding Weighing Computed tomography

Weighing

Computed tomography

Computed tomography

Visual inspection

Extraktion Catalytic

Debinding

Thermal

Debinding

Sintering

Finishing

Prozesskette

Pulverspritzguss

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Definitionen

Feedstock spritzgießfähiges oder extrudierfähiges keramisches Granulat (Pulver-Binder-Compound)

Binder thermoplastisches System, das dem anorganischen Pulver plastische Eigenschaften verleiht

PIM Powder Injection Moulding (Pulverspritzgießen)

CIM Ceramic Injection Moulding (keram. Spritzgießen)

MIM Metal Injection Moulding (Metallspritzgießen)

Entbindern Entfernung der thermoplastischen Organik aus dem Bauteil

Grünling gespritztes Bauteil

Braunling entbindertes Bauteil

Rohling gesintertes Bauteil Quelle:

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Definitionen

Agglomerate Ansammlung von Pulverpartikeln im Submikronbereich,

müssen bei der Aufbereitung zerteilt werden. Die

Agglomerate sind eine Folge der Reduktion der

Oberfläche der Pulverpartikel durch Aneinanderhaften.

Basis für das Zusammenhalten der Pulverpartikel sind

van der Waalskräfte etc.

Thermoplaste Thermoplaste sind Kunststoffe, die sich unter

Temperatureintrag reversibel verformen lassen. Sie

bestehen aus organischen Kohlenstoffketten,

Beispiele sind Polyethylen oder Polypropylen

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Feedstockherstellung

Vorgehensweise:

applikationsbezogene Auswahl des Basis-Pulvers: Oxid, Nitrid, Carbid ...

Auswahl von Art und Menge der Binderkomponenten: maßgeschneidert auf das

Pulver

Homogenisierung und Dispergierung der einzelnen Komponenten

Einstellung eines Feststoffgehalts von ca. 55 – 65 Vol.-%

Pulver + Binder Homogenisierung Feedstock

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Feedstockherstellung – Anforderungen an das Bindersystem

• Ermöglichung der Plastifizierung unplastischer, nicht bildsamer Materialien für

den Spritzguss

• Gewährleistung einer Verspritzbarkeit durch spezielle rheologische

Eigenschaften

• Gewährleistung der Entformbarkeit und Handhabbarkeit der gespritzen

Bauteile

Wirkung: thermoplastisches Erweichungs- und Erstarrungsverhalten

Beispiele: PE, PP, PS, PE-VA, PE-A, PP-A, PBMA-E-VA, Paraffin,

Carnaubawachs, Bienenwachs, Naphtalen, Acetanilin, Antipyrin, Öle, Stearin,

Olein, Esther, Phtalinester, Polyoxymethylen (POM), Epoxidharz, Furanharz,

Wachse

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Beispiel: INMATEC

Basisbindersystem Licomont der Firma eMBe Products & Service GmbH

Binder bestehend aus: Polyolefinwachsen mit Zugabe von Additiven

(Änderung der Fließeigenschaften, Erhöhung der Grünfestigkeit,…)

Binder und Additive können in unterschiedlichsten Mischungsverhältnissen mit

dem Pulver compoundiert werden, je nach Anforderung hinsichtlich der

Eigenschaften des Feedstocks

Entbinderung wässrig und thermisch

Quelle:

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Beispiel BASF SE:

BASF Catamold® (kommerziell erhältlich)

Bei der BASF SE fertig hergestellter Feedstock

Metall- und Keramikfeedstocks erhältlich

Spezialbinder mit eigenem Entbinderungsverfahren:

Bei 110-140°C im Entbinderungsofen mithilfe eines Katalysators

Thermische Entbinderung in salpetersäurehaltiger Atmosphäre

spezielle Entbinderungs-Ausstattung erforderlich

Feedstockherstellung – Anforderungen an das Bindersystem

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Rohstoffauswahl:

Abhängig von den Anforderungen an die Verarbeitbarkeit des Feedstocks, den geforderten Werkstoffeigenschaften, dem Einsatzzweck und Ort des Bauteils, dessen Beanspruchungen,....

Idealfall:

• Partikelgröße zwischen Submikron bis 40 µm

• abgerundete Partikelform (nassgemahlen), keine Plättchen

• frei von Organik (sonst evtl. Wechselwirkungen)

• mehrmodulare Verteilung

Feedstockherstellung – Anforderungen an das keramische Pulver

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Feedstockherstellung – Anforderungen an das keramische Pulver

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Feedstockherstellung

Kneter

Diskontinuierliches Verfahren

Durch Drehzahl vorgegebene Friktion an Schaufeloberflächen oder

Knettroginnenseite, sehr geringer Eintrag an Scherenergie

Entleerung manuell oder durch Austragsschnecke (ungenaue Granulierung,

hoher Verschleiß)

Geringer Durchsatz

Schlechter Temperatureintrag

Ergebnis: schlecht homogenisierter Feedstock

mit schlechter Dosierbarkeit

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Feedstockherstellung

Doppelschneckenextruder

Kontinuierliche Feedstockherstellung

Reproduzierbare Qualität des Feedstocks

Sehr gut in Spritzgießmaschine zu dosierendes Granulat

Hoher Abrieb im Vergleich zu anderen

Aufbereitungsaggregaten

Schonender Eintrag von Fasern möglich

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Feedstockherstellung

Doppelschneckenextruder - Prinzip

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Scherwalzenextruder

Kontinuierlicher Prozess

Homogenisierung durch Scherwirkung im Knet über dem Walzenspalt

Scherung von Produkt gegen Produkt minimaler Abrieb

Reproduzierbare Qualität des Feedstocks

Sehr gut zu dosierendes Granulat für die Spritzgießmaschine

Feedstockherstellung

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Feedstockherstellung

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Für diesen Vergleich wurden zwei chemisch identische Pulver-Binder-

Mischungen auf Basis von Aluminiumoxid verwendet. Einer wurde mittels

Kneter, der andere mittels Scherwalzenextruder aufbereitet.

Ergebnis:

Vergleich Kneter- und Scherwalzenfeedstock

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Numbers of Shots

Pre

ss

ure

(b

ar)

Pressure at the sw itching point - Kneader-Feedstock

Pressure at the sw itching point - Shear roll-feedstock

145

150

155

160

165

170

175

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Number of shots

Tem

pera

ture

(°C

)

Kneader-Feedstock Shear roll -Feedstock

Umschaltspritzdruck Massetemperatur

Vergleich Kneter- und Scherwalzen-Feedstock

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Kneter-Feedstock

• Nicht aufgebrochene Agglomerate

• Inhomogenitäten

• Entstehung von Friktionswärme, Überhitzen des Werkzeuges beim

Einspritzen

Scherwalzen-Feedstock

• Vollständig ummantelte Partikel

• Besseres Fließverhalten

• Reproduzierbarkeit

Bei gleichem

Bindergehalt!

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Feedstockcharakterisierung

Drehmomentrheometer

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Feedstockcharakterisierung

Hochdruckkapillarviskosimeter

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

korrigierte Scherrate [s^-1]

Sch

erv

isko

sit

ät

[Pa*s

]

Beta-Calutherm_LD650_5_47Vol%

Beta-Calutherm_LD650_5_50Vol%

Beta-Calutherm_LD650_1_47Vol%

Scherviskositäten der Feedstocks mit unterschiedlichen Feststoffgehalt und Zusammensetzung

optimaler Verarbeitungsbereich

Feedstockcharakterisierung

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Feedstockcharakterisierung

Aufschluss über das Spritzverhalten gibt der Test

auf der Spritzgießmaschine in Form von Formfüllstudien

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Spritzgießen

Typische

Spritzgießmaschine

der Firma Arburg

Zuhaltekraft: 80t (12-300t)

Schussgewicht: ca. 0,018g – 800g

Zylindergarnitur verschleißfest

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Granulat einfüllen

Einzug

Kompression

Dosierung

Masse einspritzen

Masse abkühlen

Werkzeug öffnen

Bauteil auswerfen

Bauteil entnehmen

Restkühlzeit 10-300s

Stufenweise

Temperaturerhöhung

Werkzeug

Handling

Schnecke

Spritzgießen - Prozessschema

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Spritzgießen – Werkzeugbau

3-Platten-Werkzeug

DüsenseiteAuswerferseite

Backen-Werkzeug

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Entbinderung

Prinzip:

Beim Entbindern werden die thermoplastischen organischen Bestandteile aus

dem Bauteil entfernt – wässrig und/oder thermisch oder katalytisch.

Nutzung spezieller Entbinderungsöfen:

Ein Sinterofen kann im unteren Temperaturbereich nicht so genau

steuern/regeln, wie ein spezieller Entbinderungsofen. Außerdem würde die

austretende Organik die Heizelemente des Sinterofens schädigen.

Knieendoprothese grün und gesintert

Schwierigkeit der Entbinderung dickwandiger

Teile oder Teile aus sehr feinteiligen Pulvern

mit engen Porenkanälen

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Entbinderung

1. Wässriges Entbindern oder Extraktionsentbinderung (CO2, org. LM)

Wasserlösliche Bestandteile werden herausgelöst

Lösen von außen nach innen

Kanalporen zur Oberfläche werden gebildet ( notwendig für den

nachfolgenden thermischen Entbinderschritt)

Dauer abhängig von Korngrößenverteilung, Feststoffanteil und Wandstärke des

Bauteils

Durchschnittliche Dauer: 24 Stunden bis zu 3 Tage

Durchführung im zirkulierenden Wasserbad

Temperiertes bewegtes Leitungswasser

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Entbinderung

Extraktionsentbinderung in überkritischem CO2

Überkritische Flüssigkeiten besitzen hohes

Lösevermögen Herauslösen organischer

Binderbestandteile möglich

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Entbinderung

2. Thermisches Entbindern

Im Anschluss an das wässrige Entbindern

Austreiben der Organik von innen nach außen

Besonders genaue Temperatursteuerung erforderlich

Sehr langsame Aufheizraten

Dauer bauteilabhängig (12h bis 55h möglich)

Thermischer

Entbinderungs-

Zyklus

Von °C

auf °C

mit K / h

Trocknen 4 Stdn mit 80 °C

80 145 20

145 155 5

155 160 2

Halten 4 Stdn bei 160 °C

160 170 2 – 5

170 220 10

220 300 20

Halten 2 Stdn bei 300 °C

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Entbinderung

Entbinderungsverhalten

Licomont

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Entbinderung

100 °C

200 °C

250 °C

150 °C

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Entbinderung

Ergebnis

Es bleiben ca. 1,5 Gew.-% des Binders im Bauteil zurück.

Gewährleistet eine handhabbare Stabilität des Bauteils, die das Umsetzen in

den Sinterofen ermöglicht

Ohne Restbinderanteil: nur das Pulvergerüst würde zurückbleiben, Bauteil

würde zusammenfallen Abhilfe: Ansinterung während Entbinderung

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Entbinderung

Konz. HNO3

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Entbinderungsfehler

Überfahren der exothermen Reaktionen

Aufheizen der Ofenatmosphäre

Risse in den Bauteilen

„Sprengung“ der Bauteile

Langsamer Entbindern

Zu schnelles Entbindern dickwandiger Bauteile

ebenfalls Entstehung von Rissen

Wasserlösliche Binderkomponenten werden nicht bis ins Bauteilinnere gelöst

keine Kanalporen, die das Austreten der Gase beim thermischen Entbindernermöglichen

Langsamer Entbindern

Verwendung eines ungeeigneten Ofens mit

ungenügender Ventilation und ungenauer Steuerung

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Sinterung

Entbindern Sintern

MKS Kunststoffspritzguss GmbH

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Spritzgussbauteile

Handyoberschalen Geschirr: Arburg-Tasse, Quelle: Arburg

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Spritzgussbauteile

LEDs für Autos, transparente Keramik, Quelle: Internet Quelle:

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Spritzgussbauteile

Fadenführer, Textilindustrie,

Quelle:

Uhrengehäuse, Schmuckindustrie,

Quelle: Emil Bröll GmbH

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Haupttrends im CIM

Miniaturisierung Multifunktionalisierung

Mehrkomponenten CIM Kombination MIM-CIM Inmould labeling

Quelle: Fraunhofer IKTSQuelle: Fraunhofer IKTSQuelle: Fraunhofer IKTS

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Quelle: Fraunhofer IKTS

Kombination unterschiedlicher Eigenschaftenin einem Bauteil, z. B.:

hart / duktil elektrisch leitfähig / elektrisch isolierend magnetisch / nicht magnetisch porös / dicht Wärme leitend / hitzebeständig preiswert / teuer transparent / opak

Quelle: Fraunhofer IKTS

Multifunktionalisierung

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Materialien mit annähernd gleichem thermischen Ausdehnungs-koeffizienten

vergleichbare Bindersysteme

Sinterfähigkeit der Pulver unter denselben Bedingungen (Gasatmosphäre, Temperatur, Druck)

vergleichbares Schwindungsverhalten der Pulver

vergleichbare Volumenbeladung der Feedstocks für genauen Abgleich der Schwindung

Komplexität des Spritzgießens wird mehr als verdoppelt!

Spritzguss – Verfahrensvarianten

Mehrkomponentenspritzgießen

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Spritzguss – Verfahrensvarianten

MehrkomponentenspritzgießenOption 1: Drehteller

additive Methodealternativ: Indexplatte, Kernzug

Option 2: Intervalleinheit

sequentielle Methode (entweder simultan oderseriell)

Mehrkomponentenspritzgießen – Vielfältige Verfahren zur Herstellung komplexer Spritzteile, Anwendungsinformation Arburg GmbH&Co.KG, 1-28 (2008)

Eckardt H. (1990): Mehrkomponentenspritzgießen, Neue Werkstoffe und Verfahren beim Spritzgießen, VDI-Verlag

Drehtellerwerkzeug Kernzugwerkzeug

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Quelle: Fraunhofer IKTS

Design: Robert Bosch GmbH

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

Al2O3

ZTA

ATZ

sh

rin

ka

ge

[%

]

temperature [°C]

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

-13,0

-12,8

-12,6

-12,4

-12,2

-12,0

-11,8

-11,6

-11,4

-11,2

co

ntr

actio

n [

%]

temperature [°C]

ATZ

ZTA

Al2O

3

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Spannung[V] ErreichteTemperatur [°C]

11 1040

12 1100

13 1230

Ansprechzeit: 3 s Quelle: Fraunhofer IKTS

Keramische Glühkerze (2K-Niederdruckspritzguss)

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Materialien mit vergleichbarem thermischem Ausdehnungskoeffizienten

Vergleichbare Bindersysteme(TEC, Entbinderungsverhalten)

Sinterfähigkeit der Pulver unter derselben Gasatmosphäre und Temperatur

Vergleichbares Schwindungsverhalten (Schwindungsbeginn und -rate)

Vergleichbare Feststoffbeladung der Feedstocks zur präzisen Abstimmung der Gesamtschwindung

Stahl 17-4 PH und Partially Stabilized Zirconia

Mechanische Verklammerung oder Mikroverzahnung

Formschluss

Stoffschluss über chemische Bindung

Bindemechanismen in Metall-Keramik-Werkstoffverbundbauteilen

Kombination MIM-CIM

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIMKombination MIM-CIM

Quelle: Fraunhofer IKTS

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Herstellung und Strukturierung von metallischen und keramischen Grünfolien

Functionally Graded Materials (FGM)

Bauteilverbunde

Fadenführer, Textilindustrie, Quelle: Fa. Rauschert

Inmould-Labeling

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Inmould-Labeling

Schließen +

Einspritzen

Öffnen + Auswerfen

IML-Werkzeug

µ-strukturierter Formeinsatz

Metall oder

Keramik Film

PIM-Feedstock enthält Pulver 1Ehemaliger Film enthält Pulver 2

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Inmould-Labeling

mikrostrukturierte Folie

Quelle: KIT

Grünling, ZrO2-gefüllte Folien und Feedstocks

ehemalige Trennlinie

Folie

Feedstock

Quelle: KIT

Folie

Keramik-Feedstock

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Spritzguss – Bauteilfehler

häufige Spritzgießfehler Parameter zur Beeinflussung von Fehlern

Bindenähte

Lufteinschlüsse

Vakuolen

Einfallstellen

Risse

Binderseparationen

Freistrahl

Überspritzungen

Bauteilgewicht

unscharfe Ecken

kalte Pfropfen

Kaltverschiebungen

Einspritzgeschwindigkeit

Umschaltpunkt

Nachdruck

Zuhaltekraft

Werkzeugtemperatur

Zylindertemperatur

Kühlzeit

Dosiergeschwindigkeit

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Spritzguss – Bauteilfehler

Freistrahlbildung:

Schlangenförmige Abbildung auf der Bauteiloberfläche

Massestrang füllt ohne vollständige Wandhaftung in einem undefinierten Füllvorgang die

Kavität

Abkühlen der Oberfläche des Massestranges

Restliche Schmelze kann keine homogene

Verbindung mehr eingehen

Einspritzgeschwindigkeit senken,

Massetemperatur erhöhen

Einfallstellen Einfallstellen

© Fraunhofer

Keramikspritzguss - CIM

Danke für die Aufmerksamkeit