Weiterentwicklung des Vakuumheißgießens

Weiterentwicklung des Vakuumheißgießens

Das Vakuumheißgießen ist ein vielseitiges Verfahren zur Herstellung von technischer Keramik. Im Gegensatz zum keramischen Spritzguss, der erst im Rahmen von Großserien wirtschaftlich relevant wird, eignet sich das Vakuumheißgießen insbesondere für Kleinserien, Prototypen und Machbarkeitsstudien. Die Gründe hierfür liegen einerseits in der kostengünstigen Herstellung der eingesetzten Silikonformen sowie ihrer langen Nutzungsdauer und andererseits an der Wiederaufschmelzbarkeit der verwendeten thermoplastischen Masse, dem sog. Feedstock.

Üblicherweise werden diese Feedstocks mithilfe von Intensivmischern, Knetern oder Dissolvern hergestellt. Da bei diesen Aufbereitungsverfahren i.d.R. Mischwerkzeuge aus Stahl genutzt werden, kann es während der Herstellung des Feedstocks zu Metallabrieb kommen. Dieser Metallabrieb kann dann als leichte, oder auch stärkere Graufärbung des Feedstocks zu Tage treten. Zudem stellt Metallabrieb aber vor allem eine chemische Verunreinigung der Keramik dar, welche elektrische und mechanische Eigenschaften entscheidend beeinträchtigt und zusätzlich als rote Punkte auf der Oberfläche der gesinterten Bauteile sichtbar werden kann. Trotz dieser negativen Auswirkungen auf die Güte keramischer Endprodukte, wird dieses Thema in der Fachliteratur eher selten diskutiert.

Aufgrund dieser Problematik hat WZR die Herstellung der Feedstocks entscheidend weiterentwicklt, sodass in der gesamten Herstellungskette keine metallischen Werkzeuge zum Einsatz kommen. Das entwickelte Verfahren bedient sich hierbei einer Nasshomogenisierung, wie sie auch üblicherweise für die Herstellung von keramischem Schlicker verwendet wird. Keramisches Pulver und Bindersystem werden dabei in einer Kunststoff-Mahltrommel mittels Keramik-Mahlkugeln in einer Kugelmühle homogenisiert. Auf diese Weise kann metallischer Abrieb gar nicht erst entstehen.

Zusätzlich werden bei diesem Prozess die Agglomerate des eingesetzten Keramikrohstoffs durch die fallenden Mahlkugeln aufgeschlossen, wodurch die gesamte Pulveroberfläche mit dem Bindersystem benetzt werden kann. Dies führt wiederum zu einem sehr homogenen Feedstock, welcher vor dem eigentlichen Gießprozess im Vakuumheißgießschrank noch einmal evakuiert wird, um Porenbildung im späteren Bauteil vermeiden zu können.

Für die internen Abläufe bietet das neuentwickelte Verfahren Vorteile hinsichtlich Herstelldauer, Reinigungsaufwand und Personaleinsatz.

Bisher hat WZR das neue Aufbereitungsverfahren für Al2O3-Keramiken umgesetzt. Nach dem Sintern wird ein porenfreies Gefüge und eine Bauteiloberfläche ohne optische Verunreinigungen erhalten. Hergestellte Proben konnten eine 4-Punkt-Biegefestigkeit von bis zu 400 MPa erreichen.

Mit diesen Eigenschaften kann WZR jetzt Bauteile für hochwertige Anwendungen im Maschinenbau und Elektrobereich anbieten, die bisher nicht bedient werden konnten.

Da bei WZR alle relevanten 3D-Druckverfahren für Keramik genutzt werden, kann der direkte Vergleich hinsichtlich Materialeigenschaften, Oberflächengüte und Maßhaltigkeit gezogen werden. Das kann wie folgt zusammengefasst werden:

  • Vorteile Vakuum-Heißgießen
    • Die Materialeigenschaften von 99,7% Al2O3 entsprechen denen von Bauteilen aus Serienverfahren. Bauteile aus dem VPP-Prozess zeigen hier ähnlich gute Eigenschaften, Aluminiumoxidbauteile können im Binder Jetting-Prozess derzeit noch nicht dicht gesintert angeboten werden, deshalb ist hier die Festigkeit deutlich geringer.
    • Die Materialeigenschaften im Vakuum-Heißgießen sind homogen. Im Gegensatz dazu wird bei 3D-Druckverfahren immer wieder in z-Richtung eine geringere Festigkeit und eine höhere Schwindung gefunden.
    • Vakuum Heißgießen hat eine Oberflächengüte, die mit derzeit keinem 3D-Druck-Verfahren erreicht werden kann. Rauigkeiten (Ra-Wert) von unter 1µm werden problemlos erreicht, Detaillierungen von unterhalb 10µm können dargestellt werden.
  • Nachteile Vakuum-Heißgießen
    • Es handelt sich um ein formgebundenes Verfahren. Die Form wird von einem Urmodell abgegossen, was einen zeitlichen Vorlauf von ca. 2 Wochen bedeutet. Es entstehen zusätzliche Kosten für Urmodell und Form, die auf die Anzahl herzustellender Teile umgelegt wird. Bei Stückzahl 1 erhöht es massiv Lieferzeit und Kosten
    • Die Geometriefreiheit der Keramik ist begrenzt, da die Entformbarkeit gegeben sein muss

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