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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


Pulver

Metall, Keramik, …

Binder

System aus mehreren Komponenten(meist organische Stoffe)

Feedstocks und deren Komponenten


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Feedstockkomponenten ‐ Pulver


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


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


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


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


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


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


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


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



Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

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Montanuniversität LeobenTel: +43 664 314 66 90

e‐mail: [email protected]

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