KERAMISCHE- - -"-~- . KERAMISCHE ZEITSCHRIFT 01/2010

KERAMISCHER RUNDBLICK

Erlangen

Symposium "Plastische undthermoplastische Formgebu ng"

Am 1. und 2. Dezember 2009 fand in der Stadthalle zu Erlangen dasalljährliche Herbstsymposium des Fachausschusses 3 "Verfahrens-technik" der DKG - diesmal zum Themenkreis "Plastische und

thermoplastische Formgebung" - statt, gemeinsam gestaltet mitdem "Expertenkreis Keramikspritzguss" der DKG. Unter Vorsitzvon Prof.A.Roosen (FA 3) und Dr. R. Lenk (Expertenkreis) wur-den folgende Schwerpunkte in Einzelbeiträgen präsentiert:Im Sinne eines Plenarvortrags behandelte R. Lenk, FraunhoferIKTS, Dresden, die produkt- und prozessorientierte Formgebungtechnischer Keramik am Beispiel von Extrusion und Spritzguss. Bei-de sind Fertigungsverfahren von hoher Produktivität und hohenAutomatisierungspotenzials, auch bei vor- und nachgelagertenProzessschritten. Ob plastische oder thermoplastische Formgebung,für beide Verfahren stehen übergreifende Fragestellungen, begin-nend bei der Auswahl geeigneter Binder für eine homogene Plastifi-zierung und Einstellung definierter rheologischer Parameter übereine ModelIierung und Simulation der Formgebungsprozesse bishin zur Zustandscharakterisierung mittels zerstörungsfreier Prüf-methoden. Nach beiden Verfahren werden hohe Umform grade zurAbformung keramischer Massen in Kavitäten komplexer Geometriegenutzt, um eine end form nahe oder -gerechte Fertigung auch beisehr filigran gestalteten Strukturen mit hoher Präzision zu ermög-lichen. Damit besteht ein hohes Potenzial als Treiber für Produkt-

innovationen, wie z.B. zur Integration unterschiedliGher Werkstoffebereits in der Formgebung zur Realisierung von Werkstoffverbun-den, Werkstoffpaarungen oder Gestaltung graduierter Werkstoff-übergänge (Bild 1).

Masseaufbereitung und CharakterisierungR. Bartusch, KI Keramik-Institut GmbH, Meißen, und F. Händle,

ECT GmbH, Mühlacker, charakterisierten die masseseitigen Voraus-setzungen für die Extrudierbarkeit keramischer Versätze wie folgt:. Homogenität, hoher Dispersionsgrad und ausreichende Plastizi-

tät/Bildsamkeit (Bild 2). Maximaler Partikeldurchmesser ,,;10% der kleinsten Spaltweite

von Extruder, Presskopf und Mundstück

Bild 1 .Spritzgegossener Werkstoffverbund AI,O,!ZTA (EU-STREP-Projekt

.CarCIM", FKZ TST S-G-2006-031462)

. Gute Entlüftbarkeit in der Vakuumkammer

. Vermeidung von Entmischungen und Bildung trockener Partikelbzw. Agglomerate während der Extrusion

. Gutes Gleitvermögen auf den die Masse berührenden Oberflä-chen der Maschinenkomponenten und Vermeidung jeglicher che-mischer Reaktionen mit diesen.

Zur Bewertung der der Extrusion vorausgehenden Aufbereitungs-prozesse wurde an Produktionsmassen auf Al2On TiOr und SiC-Basis eine Messmethode zur objektiven Ermittlung der erforderli-chen Mindest-Knetdauer mittels Kapillarrheometer ("CapillarCheck") entwickelt, da die in der Praxis dafür oft verwendeten Pe-netrometer zur Kontrolle der Massekonsistenz in vielen Fällen nicht

ausreichen. Erfahrungsgemäß ist der beste Extruder nicht in der La-ge, Unzulänglichkeiten oder Fehler aus vorgelagerten Verfahrens-schritten in der Aufbereitung von Arbeitsrnassen zu kompensieren.Die Qualität stranggepresster Erzeugnisse hängt entscheidend vomGeschwindigkeitsfeld und der Druckverteilung in der Strömung derPressmasse ab. Das Geschwindigkeitsfeld kann durch eine Optimie-rung der Presswerkzeuggeometrie, Pressmasseeigenschaften undden durch die Druck erzeugende Presse aufgeprägten Randbedin-gungen gesteuert werden.

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Definition "Plastizität" bzw. "Bildsamkeit'nach Th. HAASE

Plastizität oder Bildsamkeit Ist das Vermögen einer festen Substanz (fest imGegensatz zu flüssig) auf äußere Kräfte durch bleibende Formänderungen zureagieren, ohne dass dabei der Zusammenhang zwischen den die Substanz

bildenden Teilchen verlorengeht

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DKG-Sympoolum .",ng.n 01.10212.09 R. B.rtu"h!F. "'ndl.

Bild 2 .Definition der Begriffe .Plastizität" bzw. .Bildsamkeit. nach

Prof. Th. Haase

Nach H. Berger, Ziegelmundstückbau Braun GmbH, Friedrichs-hafen, und W. Hoffmann, SiCo-Solutions, Stuttgart, ist dafür dieSimulation ein Hauptinstrument. Der numerischen Simulationwird als rheologisches Modell das Bingham'sche Materialgesetz zu-grunde gelegt. Wichtig dabei ist, die Deformationsprozesse nichtnur als reine Schervorgänge zu beschreiben, sondern das Wandglei-ten der keramischen Masse mit einer von Feuchte, Wafldschubspan-nung und Wandstruktur (z.B. Oberflächengüte) abhängigen Wand-gleitgeschwindigkeit zu betrachten. Erst die Einbeziehung desWandgleitens in die Beschreibung des Fließverhaltens beschreibt dieRealität hinreichend genau. An praktischen Beispielen wird de-monstriert, wie sich Simulations rechnungen bei Verifikation der

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Bild 3 .Modular aufgebaute Vorformen und deren coextrudierte PZT-Mono-

filament-Komposite

Masseparameter zur Beschleunigung von Neuentwicklungen undderen fertigungsseitigen Umsetzung ausgewirkt haben.Aus der Erfahrung eines Produzenten, der jährlich bis zu 150 t Feed-stock für den Keramikspritzguss aufbereitet, berichtete K. Hajek,Inmatec Technologies GmbH, Rheinbach, über Anforderungen anKeramikpulver und Binder unter Beachtung nachfolgender thermi-scher Prozessschritte. Veranschaulicht wurde, wie mit einer optima-len Kombination von Pulver- und Binderkomponenten den Anfor-derungen und der Qualität zu fertigender Bauteile entsprochen wer-den kann.

Zur Verifizierung einer Formfüllsimulation stellte T. Moritz, Fraun-hofer IKTS, Dresden/Expertenkreis Keramikspritzguss, Ergebnissedes im Mai 2008 gegründeten Expertenkreises Keramikspritzguss(CIM) vor. Dieser stellt ein Netzwerk aus derzeit 13 Unternehmenund 2 Forschungseinrichtungen dar, die sich des Keramikspritzgie-ßens als innovativem, großserientauglichem keramischem Formge-bungsverfahren bedienen. Eine der gemeinsam zu bearbeitendenProblemstellungen ist die Fähigkeit kommerziell verfügbarer Simu-lationstools, kritische Bereiche der Formfüllung und den Einflussverschiedener Material- und Prozessparameter auf das Formfüllver-hahen exakt widerzuspiegeln. An einem zu diesem Zweck realisiertenTestwerkzeug wird in einem Ringversuch das Formfüllverhaltenzweierkommerzieller Al2ü3-Feedstocks mit unterschiedlichen Simu-

lationstools simuliert und mit dem realen Füllverhalten verglichen.Dazu dienen lichtmikroskopische Aufnahmen der Füllfronten derTestteileund Röntgen-CT-Aufnahmen an Grünkörpern sowie Mess-werte interner Drucksensoren. Die Wahl des der Simulation zugrun-de liegenden Modells ist von entscheidendem Einfluss auf den Reali-tätsbezug der Simulation. Besonders wertvolle Ergebnisse brachtedie Nutzung so genannter Markierungs-Feedstocks zum Nachstellenvon Tracerlinien im Vergleich mit Geschwindigkeitsvektoren undUntersuchung von dabei gespritzten Teilen mittels Röntgen-CT.

FormgebungIn einem Übersichtsbeitrag zum Extrudieren keramischer Massenkonzentrierte sich F. Händle, ECT GmbH, Mühlacker, auf folgendeGrundsatzfragen: wichtigste Determinanten für Extruder in der Ke-ramik; Einsatz und Grenzen der Extrusion im Vergleich zu anderenFormgebungsverfahren; Plastizität in der Keramik; die Bedeutungvon Verschleiß und Bewertung von Problemlösungen.Mittels thermoplastischem Coextrusionsprozess demonstrierten F.Clemens, M. Rojas Ismael und T. Graule, EMPA, Dübendorf,

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Bild<I. Schema des exper~mentellen Setups zur Herstellung von PZT-Fasern

über das Coextrusionsverfahren

Schweiz, die Erzeugung unidirektionaler Monofilament-Kompositeauf Basis von Pb(Zrx>Ti1-x)ü3und Russ unter Einbeziehung ver-schiedener Bindersysteme (Polyethylen, Polystyrol, Ethylen-Ethyl-acrylat und Isobutyl-Metacrylate). Es wurde dargestellt wie sich dieWechselwirkung zwischen den Polymeren und Keramikpartikelndurch die eingesetzten Bindersysteme ändert. Da es sich um eingleichzeitiges Extrudieren verschiedener Stoffe und nicht um eineUmmantel~ng handelt, müssen Fließverhalten und Wandgleiteigen-schaften beider Stoffsysteme aufeinander abgestimmt sein. Bei allenProzessschritten muss die Grenzfläche zwischen den unterschiedli-chen Werkstoffen erhalten bleiben. Die entwickelten Feedstocks zei-

gen ein unterschiedliches strukturviskoses Fließverhahen, weshalbnur in einem bestimmten Scherratenbereich erfolgreich coextru-diert werden kann. Für die Coextrusion können entweder komplexeMundstücksgeometrien oder Preformen eingesetzt werden und da-mit feine PZT-Fasern von 300 11mund auch PZT-Hohlfasern er-zeugt werden (Bilder 3-4).Die Spritzgießmaschinen und Werkzeuge für den Keramikspritz-guss der Fa. ARBURG GmbH + Co. KG,Loßburg, sind nach H. Wal-chef speziell für CIM und MIM ausgelegt bis hin zu vollautomati-schen Lösungen für die CIM-Produktion. Je nach zu verarbeiten-dem Feedstock und Bauteilgestaltung sind Schneckengeometrieund Werkzeug ausgelegt. Mit einer Werkzeug-Evakuierung könnenzahlreiche Probleme wie Lufteinschlüsse, Bindermigration oder Zu-schmieren von Entlüftungen vermieden werden; ebenso durchWerkzeugtemperierung mit :t 1 K Temperaturkonstanz kann einemBauteil-Verzug und Kleben des Feedstocks begegnet werden.M. von Witzleben, Inmatec Technologies GmbH, Rheinbach, undT. Moritz, Fraunhofer IKTS, Dresden, analysierten Anforderungenan die Feedstockentwicklung für das 2K-Spritzgießen. Der Bedarfan multifunktionalen keramischen Mehrkomponenten-Bauteilenbedingte die Entwicklung eines rationellen Formgebungsverfah-rens, das in den 1990er Jahren zu ersten Entwicklungen eines 2K-Spritzgusses führte mit ersten Bauteilserien um das Jahr 2000. Umgleichzeitig verschiedene Werkstoffkombinationen (Funktions-und Konstruktionswerkstoffe, leitende/nichtleitende; harte/dukti-le; Farbvariationen) zu einem Bauteil verarbeiten zu köimen, müs-sen die Feedstocks bezüglich Fließ-, Schwindungs- und Sinterver-halten so aufeinander abgestimmt sein, dass es über die gesamtetechnologische Kette zu keinerlei Werkstofftrennungen oder wech-selseitigen Beeinflussungen kommt. Die Beherrschung dieser Tech-nologie, die noch am Anfang ihrer potenziellen Möglichkeiten zur