Teilprojekt A3: Prototypenfertigung

Entwicklung von Methoden zur beschleunigten und kostengünstigen Abformung von mikrostrukturierten Prototypen und Kleinserien aus Keramik.

Übersicht

Motivation

Ziel des Teilprojekts A3 ist die vertiefende Weiterentwicklung des Niederdruck-Spritzgießens (ND-Spritzgießen) zur prototypischen Herstellung von mikrostrukturierten Bauteilen aus keramischen Werkstoffen. In den bisherigen Projektzeiträumen stand die Feedstockentwicklung, auch unter Einbeziehung nanoskaliger Pulver, und die Verbesserung von Fertigungstoleranzen im Mittelpunkt der Untersuchungen.

  • Prozess-Gefüge- Eigenschaftsbeziehungen - Demonstratorkomponenten
    Ein wichtiger Aspekt der Arbeiten des Teilprojektes A3 ist die Bereitstellung von Prüfkörpern und Demonstratorkomponenten für andere Teilprojekte. In enger Kooperation mit den Teilprojekten D1 und D2 werden die Zusammenhänge zwischen folgenden Größen untersucht: Prozessparameter - Gefüge u. Oberflächenmorphologie - mikromechanische Eigenschaften. Ein wesentliches Ergebnis der Untersuchungen in Zusammenarbeit mit den charakterisierenden Teilprojekten D1 und D2 ist die Erkenntnis, dass die Biegefestigkeiten von niederdruckspritzgegossenen Mikrobauteilen aus ZrO2 Werte erreichen können (~4500 MPa), die nicht nur größer sind als von makroskopischen Bauteilen bekannt ist (~1200 MPa), sondern auch größer sind als nach dem Weibull-Größeneffekt zu erwarten wäre (~3400 MPa). Der Schlüssel zu solch hohen Festigkeit liegt darin, nach dem Formgebungsschritt noch vorhandene Defekte beim anschließenden Entbindern - vor allem im kritischen Bereich der Bauteiloberfläche - zu minimieren.
  • Integration des Reaktionssinterns zur Reduzierung der Sinterschwindung:
    Ein weiteres Ziel gilt der Verbesserung der Fertigungspräzision von Mikrobauteilen. Eine wesentliche Quelle für Maßweichungen stellt die während der Verdichtung stattfindende Sinterschwindung dar; daher soll die Sinterschwindung durch Verwendung eines Reaktionssinterprozesses deutlich reduziert werden. Erreicht werden kann dies z.B. durch einen dem Sintern vorgeschalteten Prozessschritt, in dem ein poröser Formkörper mit einer Gasphase unter Volumenzunahme reagiert. Die geringe Größe von Mikroteilen ist hierbei von Vorteil, da sie die von makroskopischen Bauteilen bekannte diffusionsbedingte Behinderung der Reaktionskinetik bei hohen Wandstärken vermeidet und bei stark exothermen Prozessen den Abtransport der Bildungswärme erleichtert. Aufgrund seiner ausgezeichneten mechanischen und tribologischen Eigenschaften und der optionalen Herstellungsmethode des Reaktionssinterns wurde Siliciumnitrid als geeigneter Werkstoff ausgewählt.
    Die gesamte Prozesskette für das gesinterte reaktionsgebundene Siliciumnitrid (SRBSN) ist in Bild 2 dargestellt. Das Hauptaugenmerk der Untersuchungen richtet sich vor allem auf den Einfluss der einzelnen Prozessparameter auf die Umsetzung des Siliciums zu Siliciumnitrid (Reaction Bonding) und auf das anschließende Sinterverhalten. Es wurde festgestellt, dass mit feinerer Korngröße des Ausgangspulvers sowohl die Si3N4-Bildung beschleunigt, als auch die Sinterschwindung erhöht wird. Weniger zu erwarten war, dass das eigentlich als Sinteradditiv eingesetzte Y2O3 bereits die Si3N4-Bildung im Temperaturbereich unterhalb 1400°C positiv beeinflusst. In Bild 3 ist dargestellt, wie sich die Porosität der Probekörper in Abhängigkeit von der Umsetzung von Si zu Si3N4 verringert und damit auch die zum Erreichen hoher Dichten notwendige Sinterschwindung.
    Bild 4 zeigt einige Demonstratorkomponenten die aus SRBSN hergestellt wurden; aufgrund der reduzierten linearen Schwindung von nur etwa 8% sind diese Teile trotz gleicher Ausgangsabmessungen größer als die entsprechenden Teile aus ZrO2.(~20% Schwindung).

Abbildungen

Bild 1: Komponenten des SFB-Demonstrators aus ZrO2; von oben nach unten: Turbinengehäuse, Sonnenrad, Rotor.

Bild 2: Verfahrensfließbild für die Herstellung von Bauteilen aus SRBSN.

Bild 3:

Bild 4: Demonstratorkomponenten aus gesintertem reaktionsgebundem Siliciumnitrid (SRBSN), (a) Hohlrad/Getriebegehäuse, (b) Sonnenrad mit trigonaler Welle, (c) Turbinengehäuse (d) Planetenrad.