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25.09.2017
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Entwicklung von Feedstockkomponenten für den Metallpulverspritzguss
Project funded by the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Grant Agreement n°636881
Dr. Christian KuklaMontanuniversität Leoben
REProMag Symposium27.09.2017
Entwicklung von Feedstockkomponenten für den Metallpulverspritzguss
Einleitung
Feedstocks und deren Komponenten
Bindersysteme und Anforderungen dafür
Vorgehen bei Feedstockentwicklung
Zusammenfassung
Inhalt
25.09.2017 2REProMag – Entwicklung von Feedstockkomponenten für den Metallpulverspritzguss
25.09.2017
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Urformen aus dem pulverförmigen Zustand
Feedstock als Teil eines Gesamtsystems
Bezug zu Verfahren: Spritzgießen (Hoch‐, Niederdruck) oder weitere
Binder wird im Laufe des Prozesses gezielt verändert
Einleitung
25.09.2017 3REProMag – Entwicklung von Feedstockkomponenten für den Metallpulverspritzguss
Pulver
Metall, Keramik, …
Binder
System aus mehreren Komponenten(meist organische Stoffe)
Feedstocks und deren Komponenten
25.09.2017 4REProMag – Entwicklung von Feedstockkomponenten für den Metallpulverspritzguss
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Feedstockkomponenten ‐ Pulver
25.09.2017 5REProMag – Entwicklung von Feedstockkomponenten für den Metallpulverspritzguss
Quelle: H.C. Starck Quelle: www.globalsources.com
Werkstoffe
Metalle• Fe Legierungen• Stähle(316L, 42CrMo4,...)• Hartmetalle (WC/Co)• Nichteisenmetalle (Ti, W, Au, ...)
Keramik• Oxidkeramik (Al2O3, ZrO2)• SiC, SiN, AlN, …
Herstellung
Gasverdüst
Wasserverdüst
Chemisch hergestellt
Mechanisch hergestellt
Korngröße: < 20 - 30 m
Passende Korngrößenverteilung: hohe Packungsdichte
Möglichst rund
niedriger Preis
Keine Agglomeration
Haftung zwischen den Körnern (Braunfestigkeit)
Keine Explosionsgefahr
Dichte Körner mit glatter Oberfläche
Gute Haftung zum Bindersystem (Oberfläche: chemisch, Morphologie)
Werkstoffvielfalt
Feedstockkomponenten ‐ Pulver
REProMag – Entwicklung von Feedstockkomponenten für den Metallpulverspritzguss
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Mehrkomponentensystem aufgrund vielfältiger Anforderungen
Feedstockkomponenten ‐ Binder
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Quelle: da Silva/Minho
REProMag – Entwicklung von Feedstockkomponenten für den Metallpulverspritzguss
Niedrige Viskosität der Binderkomponenten
Hoher Füllgrad (typisch um 60 vol%)
Gute Haftung zum Pulver
Gute Benetzung um bei niedrigen Scherraten gute Mischqualitäten zu erzielen
Stabilität während des Mischens (kein Abbau, Ausgasen, Vernetzung)
Gute Lagerstabilität
Geringer Energieverbrauch
Anforderungen an Binder ‐Mischen
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Breites Verarbeitungsfenster, gute Formfüllung
als Granulat verfügbar
keine Pulver‐Binder‐Entmischung (gute Haftung zum Pulver)
keine Haftung zum Werkzeug (gute Entformung)
hohe Grünfestigkeit
thermische/chemische Stabilität beim Spritzgießen
konstante Qualität von Batch zu Batch
kostengünstig
Rezyklierbarkeit von Ausschuss und Angüssen
Anforderungen an Binder ‐ Spritzgießen
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Einfache, schnelle und vollständige Entbinderung
Keine toxischen oder korrosiven Abbauprodukte
niedriger Asche‐ bzw. Metallischer Rest
Braunfestigkeit, Formstabilität
Zersetzung über der Spritzgusstemperatur
Breites Entbinderungsfenster
Möglichkeit der selektiven Entbinderung einzelner Komponenten
umweltfreundliche Entbinderung
Anforderungen an Binder ‐ Entbindern
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Hauptkomponente
Spritzgießbarkeit
Backbone
Zusammenhalt des Pulvers bis zum Sintern
Zusatzstoffe
Haftvermittler (Pulver – Binder) Fließfähigkeit …
Binder ‐ Zusammensetzung
Quelle: da Silva/Minho
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Polyolefin/Wachs-Mischungen
Polyolefine: PE, PP Wachse: Paraffine, PE-/PP-Wachse, Carnauba, …
Thermoplast
POM PMMA, PS, PLA, CAB, …
Sonstige
Zellulosederivate, Stärke, Agar (Polysaccharid) Wasser Duroplaste …
Binder ‐ Zusammensetzung
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Bindersystem Entbindern
Wachs/Polymer thermisch, Lösungsmittel
nur Wachse CO2, thermisch, ...
Polymere katalytisch, thermisch
Duroplaste, Agar,... thermisch, trocknen, ...
Binder ‐ Entbinderung
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Quelle: Wen, Cao, Gabbitas, Zhang, Edmonds
Met. Mat.Trans A, 2012
Binder –Zersetzung
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Zu viel Binder• Inhomogenitäten• anisotrope Schwindung• lange Entbinderung
Zu wenig Binder• sehr hohe Viskosität• Lunker• Risse
Optimum• Pulver in Punktkontakt
• keine Lunker
Binder Pulver Lunker
Mischen – optimale Binderkonzentration
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Mischen – Kritischer Pulveranteil
KritischerPulveranteil
unendlich
Pulveranteil
Relative Viskosität
Fehler
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Kritischer <‐> optimaler Pulveranteil (German: ~5%)
<‐> Einfluss auf die Schwindung
Messung
Drehmoment am Kneter
TTQ (Fläche unter Drehmoment/Zeit‐Kurve)
Viskosität (HDKR; Einfluss der Scherung)
Dichte
apparent flow activation energy Ea (Minimum)
Praxistests (z.B. an Spritzgießmaschine mit definiertem Werkzeug)
Mischen – Kritischer Pulveranteil
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Vorgehen bei Feedstockentwicklung
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Klärung
Werkstoff Entbinderungsstrategie Feedstockherstellung (Mengen, wer?, Anlagen, …)
Auswahl Bindersystem
Herstellung erster Rezepturen
Test Verarbeitbarkeit Test Entbinderungsverhalten …
Upscaling
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MischenPlasticorder PL 2000, Brabender
Antrieb
Normalkraft,Drehmoment
D = 8‐25 mm
H ≈ 1,5 mm
RheometerMCR501, Anton Paar
Oszillatorischer Modus
MULVorgehen bei Feedstockentwicklung
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Herstellung der Feedstocks
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Compounding: Doppelschneckenextruder
1. Mischen des Binders
2. Herstellung des Feedstocks
Kneter (Brabender GmbH & Co. KG, Germany)
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Feedstock ist ein komplexes System mit vielfältigen Anforderungen
Klärung der Frage ‚Make or buy?‘
Eigenentwicklung bietet zusätzliche Möglichkeiten im PIM‐Prozess
Zusammenfassung
REProMag – Entwicklung von Feedstockkomponenten für den Metallpulverspritzguss
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e‐mail: [email protected]
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