Forschung und Entwicklung

Aktuelle Forschungsarbeiten

Möglichkeiten und Grenzen des Fügens von Sinterkeramiken und -metallen im Grünlingsstadium

Keramik- oder metallgefüllte Kunststoffe werden heute in zunehmendem Maße zur Herstellung von Sinterbauteilen eingesetzt, wobei der Kunststoff die Aufgabe hat, eine Verarbeitung auf gängigen Spritzgießmaschinen zu ermöglichen. Das Pulverspritzgießverfahren eignet sich in besonderem Maße für die Serienfertigung keramischer und auch metallischer Bauteile mit komplexer Geometrie.
Anwendungsbeispiele sind in der Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie und in der Elektrotechnik zu finden.

Bild 1: Power injection Molding

Die Prozeßkette beim Pulverspritzgießen gliedert sich in mehrere Prozeßschritte. In der Aufbereitungsphase wird das keramische oder metallische Pulver mit einem thermoplastischen Binder (meist auf Polyolefin- oder Polyacetal- Basis) gemischt. Dieser mit ca. 70 Volumenprozent hochgefüllte Kunststoff kann dann im Spritzgießverfahren verarbeitet werden. Das so produzierte Formteil wird als Grünling bezeichnet und muß im folgenden Prozeßschritt vom Binder befreit werden. In dieser sogenannten Debinderphase wird der Grünling über ein vorgegebenes Temperaturprogramm auf ca. 600° erhitzt und der Kunststoff ausgetrieben. In dieser Phase wird das Formteil Braunling genannt. Die eigentliche Herstellung des keramischen oder metallischen Bauteils erfolgt dann im Sinterprozeß bei Temperaturen von bis zu 1800°C. Auf diese Weise entsteht ein kompaktes Bauteil, das eine Dichte von 98% bis 99% des theoretischen Wertes des eingesetzten Grundmaterials besitzt.

Durch den Einsatz des Kunststoffes als Verarbeitungshilfsmittels liegt es nahe, den hergestelten Grünling vor dem Debinderprozeß zu fügen, um Formteile herzustellen, die im Spritzgießprozeß aus geometrischen Gründen nicht herstellbar sind. So besteht die Möglichkeit, geometrisch komplexe Formteile kostengünstig zu fertigen, die sonst nur durch einen hohen verfahrenstechnischen Aufwand hergestellt werden könnten. Dieser hohe Aufwand begründet sich in der schwierigen Nachbearbeitung der hochfesten und oft spröden Formteile.

Ziel des beantragten Forschungsvorhaben ist es, die Möglichkeiten und Grenzen des Fügens von Sinterkeramiken und -metallen im Grünlingsstadium zu ermitteln. Als Fügeverfahren sollen in diesem Forschungsprojekt das Kleben und Schweißen auf ihnre Eignung zum dauerhaften Verbinden nicht nur im Grünlingsstadium, sondern auch über den Debinder- und Sinterprozeß hinaus, untersucht werden. Das angestrebte Forschungsergebnis ist die Erstellung einer Funktionsmatrix, die die verfahrenstechnische Machbarkeit und die Grenzen der untersuchten Fügeverfahren gegeneinander abgrenzt und so die Eignung eines Fügeverfahrens in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff (Füllstoff) und des Füllstoffgehaltes für den Anwender verdeutlicht.

Ein wichtiger Beitrag ist die Nutzung des Verarbeitungshilfsstoffes (Kunststoff) nicht nur für die Herstellung von Bauteilen im Pulverspritzgießverfahren, sondern auch für das Verbinden dieser Bauteile, die bis heute mit relativ aufwendigen Mitteln erst nach dem Debinder - und Sinterprozeß weiterverarbeitet werden.

In ersten Voruntersuchungen wurden aus einer laufenden Produktion Grünlinge in Tassenform entnommen, die dann getrennt und mit Hilfe eines Heizspiegel partiell erwärmt und geschweißt wurden. Anschließend wurden aus der Schweißnaht Proben entnommen und mit dem Grünling verglichen. Das Ergebnis dieser Voruntersuchungen ist nachfolgend dargestellt. Man erkennt, abgesehen von den Poren, die auf eine mangelnde Prozeß- und Temperaturoptimierung beim Sintern zurückzuführen sind, daß es während des Flüssigphasensinterns zu einer Ausheilung von Schweißnahtinhomogenitäten kommt. So besteht die Möglichkeit, komplexe dreidimensionale Bauteile ohne strukturelle Fehler in den Fügenähten herzustellen.

Bild 2&3: Mikroskopische Aufnahmen einer nicht gesinterten und einer gesinterten Fügenaht

Da zur Zeit in diesem Bereich weder praktische Ergebnisse noch theoretische Erkenntnisse vorliegen, werden durch dieses Forschungsvorhaben die Grundlagen zum Einsatz der untersuchten Fügeverfahren ermittelt und so die Möglichkeiten geschaffen, auf diese in anderen Bereichen schon etablierten Fügeverfahren zurückzugreifen.

Forschungstätigkeit

Im Rahmen eines durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung (AiF) geförderten Forschungsprojektes werden Untersuchungen zum direkten und indirekten Mikrowellenschweißen durchgeführt. Als Ergebnis dieses Projektes sollen Material- Kennwerte sowie mathematische Zusammenhänge vorliegen, die eine Aussage über die Erwärmungssituation in verschiedenen Materialien und Material-Füllstoff- Kombinationen zulassen. Weiterhin sollen Aussagen über die Eignung der Materialien und Material-Füllstoff- Kombinationen als Zusatzwerkstoff für das indirekte Verfahren gemacht werden.

Schweißen von glasfaserverstärkten Kunststoffen am Beispiel Polyamid

Um einem thermoplastischen Werkstoff eine gewünschte Eigenschaftskombination zu geben, wird er durch Zugabe von Zusatzstoffen modifiziert. Beim Heizelementschweißen derartiger Werkstoffe ist eine Tendenz dahingehend zu beobachten, daß dia auf die Streckspannung des Werkstoffes bezogene Schweißnahtfestigkeit mit zunehmendem Anteil an Zusatzstoffen abnimmt. Die Abbildung fasst die Ergebnisse einer Parameterstudie beim Heizelementschweißen von glasfaserverstärktem Polyamid 6 zusammen.

Bild 4: Streckspannung, Schweißnahtfestigkeit und Schweißfaktor

Dargestellt ist die im Kurzzeitversuch erhaltene maximale Schweißnahtfestigkeit bei optimierten Prozeßparametern. Vergleichend dazu ist die Streckspannung und der aus Schweißnahtfestigkeit und Streckspannung des Polyamids berechnete Kurzzeit- Schweißfaktor f(Z) angegeben. Ursache der  Festigkeitsdifferenz zwischen der Schweißnaht und der Streckspannung der ungeschweißten Bezugsprobe ist die durch Fließvorgänge während des Fügeprozesses zwangsläufig hervorgerufene Umlenkung von Glasfasern quer zur Belastungsrichtung der Schweißnaht.

Bild 5: Querorientierung von Glasfasern

Die publizierten Ergebnisse zeigen, daß für gefüllte und verstärkte Materialsysteme ein werkstoffspezifischer Grenzwert bezüglich der maximal zu erreichenden Schweißnahtfestigkeit existiert, das trotz umfangreicher Variation der Prozeßbedingungen nicht überschritten werden kann. Die Prozeßbedingungen, mit denen dieser Grenzwert erreicht wird, können nicht durch Einhaltung allgemeingültiger Optimierungskriterien festgelegt werden, sondern müssen durch experimentelle Untersuchungen werkstoffspezifisch bestimmt werden.

Einfluß des Heizelementschweißprozesses auf die Spannungsrißbildung

In der KfZ- Heckleuchtenfertigkeit wird die Abdeckung aus PMMA mit einem Gehäuse aus ABS und Heizelementschweißen verbunden. Eine nicht selten auftretende Ausschuß- bzw. Versagensursache ist die Bildung von Spannungsrissen.

Bild 6: Spannungsrisse an geschweißter Heckleuchte

Als Hauptverursacher wird der Heizelementschweißprozeß angesehen, da die Schweißung eine erneute Materialbelastung der zu verbindenden Fügeteile darstellt. Durch den Fügevorgang werden Eigenspannungen in die Heckleuchte induziert, die später unter Medieneinfluß, wie beispielsweise Waschflüssigkeit, zur Bildung von Spannungsrissen führen können. Die bisherigen Untersuchungsergebnisse haben gezeigt, daß der Heizelementschweißprozeß als Hauptverursacher der Spannungen angesehen werden kann, wobei jedoch konstruktionsbedingte Kerben den Ort der Rißentstehung darstellen. Um den Einfluß der Prozeßbedingungen beim Heizelementschweißen detaillierter untersuchen zu können, wurden aus den Materialien PMMA, PC und ABS Kunststoffplatten mit den Abmessungen 130 x 70 x 3 mm gespritzt. Diese Platten wurden miteinander verschweißt und anschließend mit einem oberflächenaktiven Medium, in diesem Fall Methanol, benetzt und die auftretenden Risse in Abhängigkeit von den Prozeßparametern ausgewertet. Parallel hierzu wurde mit Hilfe von spannungsoptischen Verfahren der Spannungshaushalt an den geschweißten PC-Platten quantifiziert, wobei der Einfluß der Wiedererwärmung sehr deutlich wird. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen können der Tabelle entnommen werden.

Bild 7: Spannungsoptische Aufnahme einer erwärmten PMMA Platte Tabelle 1: Einfluß der Prozeßparameter