DE102018129162A1 - Process for producing a component from metal or materials from technical ceramics - Google Patents
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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.A method for producing a component from materials of technical ceramics or sintered metallurgical materials is proposed, with the following steps: First, a mixture of a binder and a ceramic or sintered metallurgical granulate is produced (100). This mixture must be suitable for the additive manufacturing of a green body from the mixture. If the mixture is available, a green body is produced by means of additive manufacturing (110). This is then isostatically compressed again in the green state or in a fully or partially debindered state or in a slightly sintered state (150). The post-compacted component is then sintered (180). By increasing the density before the actual sintering process (180) and the additional homogenization of the density distribution through isostatic pressing (150), higher sintered densities and significantly improved property values with regard to strength and other parameters can be achieved in the subsequent sintering process.
Description
Gebiet der ErfindungField of the Invention
Produkte aus Werkstoffen der technischen Keramik können heutzutage sehr gute und reproduzierbare Festigkeitswerte und andere Eigenschaften erreichen, die den Einsatz der keramischen Bauteile im Maschinenbau, in der Medizintechnik oder anderen Anwendungsgebieten ermöglich.Nowadays, products made from technical ceramics can achieve very good and reproducible strength values and other properties that enable the use of ceramic components in mechanical engineering, medical technology or other areas of application.
Bauteileigenschaften an der oberen Grenze der heute möglichen Werte lassen sich bei keramischen Bauteilen üblicherweise dadurch erreichen, dass keramische Pulver mit hoher chemischer Reinheit und mit einer besonders geringen Kristallitgröße hergestellt und verwendet werden. 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.Component properties at the upper limit of the values that are possible today can usually be achieved in ceramic components by producing and using ceramic powders with high chemical purity and with a particularly small crystallite size. These powders are processed into a green body with the lowest possible binder content under high pressures. One goal is to maintain a high green density and, due to the low binder content (<5%), to create as few or small pores as possible during the subsequent debinding.
Trotz eines höheren Gehaltes an organischen Bindern können auch mit dem Spritzgussverfahren hochwertige Bauteile hergestellt werden, wenn der Druck beim Spritzgießen entsprechend hoch ist.Despite a higher content of organic binders, high-quality components can also be produced using the injection molding process if the pressure during injection molding is correspondingly high.
Zur Herstellung solcher hochwertigen keramischen Bauteile werden vorzugsweise Verfahren wie uniaxiales Pressen oder kalt isostatisches Pressen eingesetzt.Processes such as uniaxial pressing or cold isostatic pressing are preferably used to produce such high-quality ceramic components.
Beim uniaxialen Pressen wird der Pressdruck nur in eine Richtung auf den Körper ausgeübt. Das uniaxiale Pressen benötigt einen hohen Aufwand für Werkzeuge.With uniaxial pressing, the pressing pressure is only exerted on the body in one direction. Uniaxial pressing requires a lot of tools.
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 elastische 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 optimierte Pressformen jeweils einen zusätzlichen Formenbau erfordern würden. Durch diese meist nur grobe Vorform ist je nach Geometrie des gewünschten Bauteils ein relativ hoher „Zerspanungs-Aufwand“ erforderlich, der zu entsprechenden Verlusten des eingesetzten keramischen Pulver-Materials führt.Isostatic pressing is a pressing process in which the pressing pressure acting on the component is the same in all directions. The isostatic process uses an elastic cover around the green body. Depending on the geometry, further processing of this compact by turning or milling is usually necessary. In the case of small batch sizes, mainly cylindrical molds are used as molds for the pressing process, since geometrically optimized molds would require additional mold construction. Due to this mostly rough preform, depending on the geometry of the desired component, a relatively high "machining effort" is required, which leads to corresponding losses of the ceramic powder material used.
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 Einzelfertigung hergestellt werden.Additive manufacturing processes, in particular various 3D printing processes, have been developed for the material classes plastic and metals in recent years until they are ready for series production. With these processes, both customer-specific individual parts (e.g. crowns and bridges made of CrCo alloys in the dental field) and sample parts ("fast prototyping") can be manufactured in one-off production.
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 Thermoplastdruck T3DP, das pulverbasierte Verfahren (Binder Jetting), das selektive Lasersintern (SLS), das Fused Filament Fabrication Verfahren (FFF) genannt.For some time now, attempts have been made to establish the 3D printing process for the ceramic material class with a large number of different manufacturing processes. Examples include the lithography process (LCM), the suspension-based process DLP, the thermoplastic printing T3DP, the powder-based process (binder jetting), the selective laser sintering (SLS), the fused filament fabrication process (FFF).
Mit den additiven 3D Verfahren für keramische Werkstoffe lassen sich wie bei metallischen oder thermoplastischen Werkstoffen hochkomplexe Strukturen herstellen, die mit anderen Produktionsverfahren nicht realisiert werden können.With additive 3D processes for ceramic materials, as with metallic or thermoplastic materials, highly complex structures can be produced that cannot be realized with other production processes.
Die im 3D Druck Verfahren hergestellten Körper aus keramischen Werkstoffen müssen durch Sintern bei geeigneten höheren Temperaturen unter Vollzug einer entsprechenden Volumen-Schwindung weiterverarbeitet werden. Eine Ausnahme davon sind Bauteile aus Siliciuminfiltriertem 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 werden.The bodies made of ceramic materials produced in the 3D printing process have to be further processed by sintering at suitable higher temperatures with a corresponding volume shrinkage. An exception to this are components made of silicon-infiltrated silicon carbide (SiSiC), also called reaction-bonded silicon carbide (RbSiC). These parts no longer experience any significant shrinkage during the actual sintering process, since the pores present after debinding are filled with molten silicon.
Das 3D-Drucken von Bauteilen führt zu Problemen beim anschließenden Sintern, da einerseits der hohe Binderanteil (von 20 - 40 Vol.%) nur sehr langsam ausgetrieben werden kann, und der nach der Entbinderung zurückbleibende Rohkörper einen entsprechend hohen Porenanteil 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 bestmöglicher Eigenschaftswerte sind aber Sinterdichten von > 99% erforderlich. Typische Fehlerbilder 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.The 3D printing of components leads to problems during the subsequent sintering, because on the one hand the high proportion of binder (from 20 - 40% by volume) can only be expelled very slowly and the raw body remaining after debinding has a correspondingly high proportion of pores. Debinding which is too fast can lead to crack formation during this process if the resulting gases from the debinding process cannot be discharged sufficiently quickly from the inside of the component through the molded body to the outside. Due to the high pore content after debinding, the component cannot be sintered during the subsequent sintering or only to a very limited extent to a homogeneous body with a very high density. Sintering densities of> 99% are required to achieve the best possible property values. Typical defects are crack formation due to rapid debinding or low mechanical parameters in the sintered state due to residual porosity. This effect occurs with 3-D printed ceramic components, the greater the wall thickness of the manufactured component.
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. The mechanical properties in the sintered ceramic final state of the components produced by means of the 3D printing process are below the customary values of high-performance ceramics required and required for a technical application as mechanical components, which are achieved with the conventional production processes mentioned above.
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 Al2O3 in verschieden Reinheitsgraden, Zirkonoxid ZrO2 mit verschiedenen Stabilisierungszusätzen sowie die Mischwerkstoffe ATZ (Alumina toughened Zirconia) oder ZTA (Zirconia toughened Alumina). Als Vertreter der Nichtoxid-Keramiken sei hier stellvertretend SSiC (Sintered Silicon Carbide) und Si3N4 (Sintered Silicon Nitride) genannt, jeweils in verschiedenen Reinheitsgraden und Phasenmodifikationen sowie mit verschiedenen Sinteradditiven.These considerations apply equally to components made of oxide-ceramic materials and to components made from non-oxide materials. Typical representatives of oxide ceramics include aluminum oxide Al 2 O 3 in various degrees of purity, zirconium oxide ZrO 2 with various stabilizing additives and the mixed materials ATZ (alumina toughened zirconia) or ZTA (zirconia toughened alumina). SSiC (Sintered Silicon Nitride) and Si 3 N 4 (Sintered Silicon Nitride) may be mentioned here as representatives of the non-oxide ceramics, each in different degrees of purity and phase modifications as well as with different sintering additives.
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.In the 3D printing process of ceramic materials, the powdery raw materials must be mixed with various additives in order to enable the respective printing process. The thermoplastic processes T3DP and FFF require particularly high proportions of additives. In the lithography process, due to the low binder content according to the literature, green densities of up to 55% and thus sintered densities of 99.4% are achieved. With other methods, these values are significantly lower.
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.In all known additive manufacturing processes, the ceramic powder is always brought into the desired shape without pressure or at low pressure. In combination with the high proportion of (mostly organic) additives, the production without external pressure after debinding of the manufactured components leads to a structure with a relatively high pore content and a low green density. These green bodies with a relatively low green density have a relatively high proportion of pores and can subsequently not or only to a very limited extent be processed into a ceramic body with a very high sintered density and very good mechanical properties.
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.Most other ceramic manufacturing processes (uniaxial pressing, isostatic pressing, high pressure casting, injection molding, etc.) work with high pressures during shaping and the lowest possible proportion of organic binders in order to achieve high sintered densities, a homogeneous and fine crystalline structure and good mechanical properties after the sintering process to reach.
Im
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 Wandstärken liegen aber im Bereich von 6 bis 35 mm.In contrast to the ceramic components that can already be produced using 3D printing processes, relatively solid components with wall thicknesses over 6 mm are required for many applications. These components are usually relatively solid and are in the size range from 20 x 20 x 20 mm to 300 x 300 x 300 mm. There are no complex internal structures, but the wall thicknesses range from 6 to 35 mm.
Stand der TechnikState of the art
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 einer linearen Brennschwindung von etwa 20%. Im hartgebrannten Zustand ist meistens noch eine Schleifbearbeitung erforderlich, um die geforderten Toleranzen und Oberflächengüten zu erreichen. Durch die bei einer solchen konventionellen Herstellung eines keramischen Maschinenbauteils erforderliche Zerspanung eines isostatisch gepressten Vollkörpers muss je nach Geometrie bis zu 80% des Keramikmaterials abgespant und entsorgt werden.Such solid ceramic parts are produced in the prior art by isostatic pressing of the raw powder and subsequent processing of the green body on lathes and milling machines. Then debinding and sintering take place with a linear shrinkage of about 20%. In the hard-fired state, grinding is usually still required to achieve the required tolerances and surface qualities. Due to the machining of an isostatically pressed solid body required in such a conventional manufacture of a ceramic machine component, depending on the geometry, up to 80% of the ceramic material has to be removed and disposed of.
In der
In der
Aufgabetask
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.The object of the invention is to provide a method which enables the production of solid components made of metal or materials of technical ceramics with sintered densities above 99%.
Lösungsolution
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstands des unabhängigen Anspruchs sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.This object is solved by the subject matter of the independent claim. Beneficial Developments of the subject matter of the independent claim are characterized in the subclaims. The wording of all claims is hereby incorporated by reference into the content of this description.
Die Verwendung der Einzahl soll die Mehrzahl nicht ausschließen, was auch im umgekehrten Sinn zu gelten hat, soweit nichts Gegenteiliges offenbart ist.The use of the singular is not intended to exclude the majority, which must also apply in the opposite sense, unless the contrary is disclosed.
Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.Individual process steps are described in more detail below. The steps do not necessarily have to be carried out in the order given, and the method to be described can also have further steps not mentioned.
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 additiver Fertigung erzeugt. Dieser wird anschließend zum Erreichen einer homogeneren Dichteverteilung 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.To solve the problem, a method with the following steps is proposed: First, a mixture of a binder and a ceramic or sintered metallurgical powder is produced. This mixture must be suitable for the additive manufacturing of a green body from the mixture. If the mixture is available, a green body is created by means of additive manufacturing. This is then isostatically compressed to achieve a more homogeneous density distribution and a higher green density. The redensification can take place in the green state or in partially or completely debindered or in a slightly sintered state. Then the densified component is sintered.
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.I.e. In order to achieve the goal of increasing the green density and reducing the porosity after the sintering process, green bodies produced according to the invention are post-compressed using an isostatic pressing process before the sintering process.
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 (Biege-bruch-)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 Werkstoffeigenschaften der Bauteile verbessert.
- - Das bei konventioneller Herstellung nötige spanende Abtragen von bis zu 80% des Materials 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.
- - By increasing the density before the actual sintering process and the homogenization of the density distribution, which is additionally achieved by isostatic pressing, higher sintered densities and significantly improved property values with regard to strength and other parameters can be achieved in the subsequent sintering process. This applies in particular to the (flexural strength) and the resulting values such as the resistance to temperature shock.
- - The additive manufacturing enables a very precise and material-saving production of the green body. The additive manufacturing enables a near-net-shape production of the raw body and accordingly less material is used.
- - The additional material densification before the sintering process improves the material properties of the components.
- - The machining removal of up to 80% of the material required in conventional production is avoided.
- - In the prior art, the mechanical characteristics of ceramic components produced by means of 3D printing processes are worse than the values of conventionally manufactured ceramic components. This is due, among other things, to greater porosity. This disadvantage is remedied by the further treatment according to the invention of the green bodies produced in additive manufacturing.
- - The use of the isostatic pressing process eliminates the time-consuming production of specific pressing tools for uniaxial pressing.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auf effiziente Weise Bauteile aus Werkstoffen der technischen Keramik oder der Sintermetalle hergestellt werden. Dazu zählen z.B. Ventilkörper, Ventilkegel Sitzringe, Ventilkugeln, Verschleißschutzhülsen oder ähnliches für eine Prozesssteuerung.With the method according to the invention, components can be produced efficiently from materials of technical ceramics or sintered metals. These include e.g. Valve body, valve cone seat rings, valve balls, wear protection sleeves or the like for process control.
Vorzugsweise 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.Isostatic pressing is preferably carried out in the form of nasostatic pressing. In order to protect the body produced in an additive process during the recompression from the penetration of the liquid pressure medium during the nasostatic pressing, it is preferably coated with an elastic sleeve in a watertight manner before the nasostatic pressing.
Dies kann auf besonders einfach Weise mittels einer Kunststoffhülle erfolgen, 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.This can be done in a particularly simple manner by means of a plastic sleeve that is evacuated. Commercial vacuuming methods are available for this purpose, by means of which the green body can be welded in a film in a watertight manner. The vacuum process is widely used in food technology, but can also be used for technical objects.
Ist das herzustellende Bauteil ring- oder rohrförmig, muss die elastische Hülle als doppelwandiger Schlauch ausgebildet werden.If the component to be manufactured is ring-shaped or tubular, the elastic sleeve must be designed as a double-walled hose.
Alternativ kann der in einem additiven Verfahren hergestellte Grünkörper vor dem isostatischen Pressen mit einem dehnungsfähigen Lack überzogen werden. Dazu eignen sich insbesondere dehnungsfähige Lacke auf Kunststoffbasis (z.B. Lacke auf Polyurethanbasis). Die schwierige Montage elastischer (i.d.R. wiederverwendbarer) Hüllen kann dann entfallen. Eine solche Lackierung kann in einem einfachen Tauchvorgang erfolgen.Alternatively, the green body produced in an additive process can be coated with an expandable lacquer prior to isostatic pressing. Elastic paints based on plastics (e.g. polyurethane-based paints) are particularly suitable for this. The difficult assembly of elastic (usually reusable) sleeves can then be omitted. Such painting can be done in a simple immersion process.
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. To prevent the varnish from carbonizing or burning during sintering and producing soot and smoke, which could affect the component, the varnish is preferably removed before sintering. This is preferably done by chemical dissolving.
Zur Verbesserung der Homogenität und Dichte des Bauteils wird der Grünkörpers nach der additiven Fertigung und vor dem isostatischen Nachverdichten vorzugsweise zumindest teilweises entbindert. Vorzugsweise wird der Binder fast vollständig entfernt.To improve the homogeneity and density of the component, the green body is preferably at least partially debinded after the additive manufacturing and before the isostatic post-compression. The binder is preferably removed almost completely.
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.In order to further increase the homogeneity and density of the component, the component can be deblocked a second time and further after compression, but before sintering.
Vor dem Sintern wird dieser Lack durch Pyrolyse oder mittels eines Lösemittels wieder entfernt werden. Als Lösemittel eignen sich je nach Art des verwendeten Lacks Wasser oder organische 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.Before sintering, this varnish will be removed again by pyrolysis or by means of a solvent. Depending on the type of paint used, water or organic solvents are suitable as solvents. The varnish is preferably removed by thermal treatment between 20 ° C and 650 ° C. In principle, this process corresponds to the "debinding" of the plasticizer / binder of the ceramic green body that has already been carried out. Debinding must, however, be carried out much more slowly, since the resulting gases have to escape from the component through very small pore channels, while the coating is only on the surface.
Damit die verschweißte Folie bzw. der Lack beim isostatischen Pressen nicht an den Kanten 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 übereinander eingesetzt.
- a) the outer edges of the component can have radii;
- b) the films are thick enough and stretchable enough to remain closed at the edges;
- c) the stretchable varnish is applied sufficiently thick;
- d) the paint is applied thicker at the edges; or
- e) a second layer of lacquer is applied or two elastic covers are used one above the other.
Beim Erhitzen des keramischen Grünkörpers werden im Bereich 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 Körpers und es entsteht ein Porenvolumen. Erst bei einer höheren Temperatur von (werkstoffabhängig) 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 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.When the ceramic green body is heated, the organic binders are driven out or oxidized and driven out in the range between room temperature and about 600 ° C. The component does not change its external shape, but is made easier by the escape of the substances. This reduces the macroscopic density of the body and creates a pore volume. The actual sintering process begins through liquid phase formation or solid-state diffusion only at a higher temperature (depending on the material) of around 800 - 1,000 ° C. During this sintering process, the entire body becomes smaller (ceramic shrinkage) and the pore volume is reduced. The macroscopically measurable density of the body increases. If one stops this sintering process shortly after the onset of shrinkage, one speaks of sintering.
When debinding and sintering, the ceramic component always has a state in which organic binder components have been completely expelled, but there is still no firm ceramic bond. Nevertheless, the component does not fall apart in the firing process.
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.The object is also achieved by a component which was produced using the method described and which has a pore fraction of less than 1% of the volume after sintering.
Verbleibt die Beschichtung zumindest teilweise auf dem Bauteil kann die verbleibende Beschichtung eine Funktion des Bauteils ermöglichen oder verbessern, insbesondere durch eine hydrophile oder oleophile oder elektrisch leitend oder elektrisch isolierend Eigenschaft der Beschichtung.If the coating remains at least partially on the component, the remaining coating can enable or improve a function of the component, in particular due to a hydrophilic or oleophilic or electrically conductive or electrically insulating property of the coating.
Das beschriebene Verfahren eignet sich u.a. zur Herstellung von Verschleißschutzhülsen, Ventilsitzringen, Ventilkörpern oder Ventilgehäuseteilen.The method described is suitable, among other things. for the production of wear protection sleeves, valve seat rings, valve bodies or valve housing parts.
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 umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle - nicht genannten - Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.Further details and features emerge from the following description of preferred exemplary embodiments in conjunction with the figures. The respective features can be implemented individually or in combination with one another. The possibilities for solving the task are not limited to the exemplary embodiments. For example, range specifications always include all - not mentioned - intermediate values and all conceivable subintervals.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den Figuren schematisch dargestellt. Im Einzelnen zeigt:
-
1A einen Ablaufplan des vorgeschlagenen Verfahrens; -
1B einen Ablaufplan des vorgeschlagenen Verfahrens; -
2 eine Verschleißschutzhülse; -
3 einen Sitzring für eine Kugel; -
4 eine Kugelumlaufhülse; und -
5 eine Verschleißschutzhülse.
-
1A a flowchart of the proposed procedure; -
1B a flowchart of the proposed procedure; -
2nd a wear protection sleeve; -
3rd a seat ring for a ball; -
4th a recirculating ball sleeve; and -
5 a wear protection sleeve.
Die
In Schritt
Für das „3D-Drucken“ werden je nach angewendetem Verfahren unterschiedliche Aufbereitungsformen des keramischen Rohstoffes und des Bindersystems erforderlich:
- - Filamente oder Pellets für Extrusionsverfahren
- - Pulver für Schmelzverfahren
- - Resin (Harz) & Wachs für Druckverfahren mit flüssigen Materialien
- - ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)
- - PLA (Polyactide - polyactid acid) - Polymilchsäure
- - Nylon (Polyamid)
- - PC (Polycarbonat)
- - PP (Polypropylen)
- - PVA (Polyvinylalkohol)
- - TPE (Thermoplastische Elastomere)
- - XT-Copolyester
- - Filaments or pellets for extrusion processes
- - Powder for melting processes
- - Resin (resin) & wax for printing processes with liquid materials
- - ABS (acrylonitrile butadiene styrene)
- - PLA (polyactide - polyactid acid) - polylactic acid
- - nylon (polyamide)
- - PC (polycarbonate)
- - PP (polypropylene)
- - PVA (polyvinyl alcohol)
- - TPE (thermoplastic elastomers)
- - XT copolyester
In Schritt
In Schritt
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.In
When debinding and sintering, the ceramic component always has a state in which organic binder components have been completely expelled, but there is still no firm ceramic bond. Nevertheless, the component does not fall apart in the firing process.
In Schritt
In Schritt
In Schritt
Im Schritt
In Schritt
In Schritt
In Schritt
Die
-
2 eine Verschleißschutzhülse; -
3 einen Sitzring für eine Kugel; -
4 eine Kugelumlaufhülse; und -
5 eine Verschleißschutzhülse.
-
2nd a wear protection sleeve; -
3rd a seat ring for a ball; -
4th a recirculating ball sleeve; and -
5 a wear protection sleeve.
Glossarglossary
additive Fertigungadditive manufacturing
Additive Fertigung, populär auch als 3D-Druck bezeichnet, bezeichnet Verfahren zur Fertigung 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 physikalischer Prozesse.Additive manufacturing, also popularly known as 3D printing, refers to processes for manufacturing components by means of point or layered construction. The production takes place on the basis of computer-aided models of the components made of formless (liquids, gels / pastes, powder etc.) or form-neutral (band, wire, sheet) material by means of chemical and / or physical processes.
Binderbinder
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 gleichmäßig mit dem Bindemittel benetzt werden.Binder or binder are substances that adhere added solids with a fine degree of division (e.g. powder). Binders are usually added to the fillers to be joined in liquid or pasty form. Both substances are mixed intensively so that they are distributed evenly and all particles of the filler are evenly wetted with the binder.
FFD-Verfahren (Fused Feedstock Deposition)FFD (Fused Feedstock Deposition) process
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.The main difference from the FFF process is that instead of filaments, granules are used as the raw material. This means that commercially available raw materials from the injection molding sector can be used.
Fused Filament FabricationFused 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 Druckerextruderkopf 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 Einbringen in ein plastifizierendes Filament können fast alle keramischen Werkstoffe verarbeitet werden. Es können relativ einfache und preisgünstige Druckmaschinen eingesetzt werden.Fused Filament Fabrication, or FFF for short, is a 3D printing process that uses an endless filament made of a thermoplastic material. A large spool feeds it through a movable, heated printer extruder head. Melted material is pressed out of the nozzle of the print head and placed on the growing workpiece. The head is moved under computer control to define the printing form. Typically, the head moves in layers, moving in two dimensions to deposit one horizontal plane at a time, before moving up slightly to start a new disk. In the FFF process, ceramic or sintered metallurgical powder has to be introduced into a filament beforehand. By inserting it into a plasticizing filament, almost all ceramic materials can be processed. Relatively simple and inexpensive printing machines can be used.
GrünkörperGreen body
Als Grünkörper oder Grünling bezeichnet man bei der Herstellung von Sinterwerkstücken einen ungesinterten Rohling, der sich noch 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.In the manufacture of sintered workpieces, a green body or green body is an unsintered blank that can still be processed. For example, it is powder bonded with binders. The green bodies are dimensioned in such a way that they almost get their final shape through the shrinkage when burning.
Isostatisches Nachverdichten oder PressenIsostatic post-compression or pressing
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 Prototypen und Fertigung in Kleinserien.Isostatic post-compression is a pressing process in which the pressing pressure acting on the component is the same in all directions. This method is well suited for small parts with high isotropy and uniform compression, and is also favorable for demanding prototypes and production in small series.
Nassisostatisches Nachverdichten oder PressenNasostatic post-compression or pressing
Nassisostatisches Nachverdichten ist isostatisches Nachverdichten, bei dem der Druck durch eine Flüssigkeit übertragen wird, vorzugsweise durch Wasser. Die den Pressling umhüllende Form wird vollständig in das Druckmedium (z.B. Wasser) eingetaucht und zum Entformen wieder aus dem Druckmedium herausgenommen.Nasostatic post-compression is isostatic post-compression, in which the pressure is transmitted through a liquid, preferably through water. The form enveloping the compact is completely immersed in the pressure medium (e.g. water) immersed and removed from the print medium for demolding.
D- Extrusions- VerfahrenD- extrusion process
Beim 3D-Extrusions-Verfahren wird die plastische keramische Masse mittels eines Extruders durch eine 3D-bewegliche Düse gepresst.In the 3D extrusion process, the plastic ceramic mass is pressed through an extruder through a 3D movable nozzle.
zitierte Literaturcited literature
zitierte Patentliteraturcited patent literature
-
US 2018/104743 A1US 2018/104743 A1 -
EP 1 534 461 B1EP 1 534 461 B1 -
EP 1 292 413 B1EP 1 292 413 B1
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 2018104743 A1 [0020, 0066]US 2018104743 A1 [0020, 0066]
- EP 1534461 B1 [0021, 0066]EP 1534461 B1 [0021, 0066]
- EP 1292413 B1 [0022, 0066]EP 1292413 B1 [0022, 0066]
Claims (15)
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