Sintern

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Heute ist Freitag, der 20. September 2019.

Gesintertes Eisenerz

Allgemeines

Sintern gehört zu dem Fertigungsverfahren Urformen. Es dient zur Herstellung oder Veränderung von Stoffen bzw. Werkstoffen. Hierbei werden feinkörnige, keramische oder metallische Stoffe oft unter erhöhtem Druck erhitzt. Um die Gestalt (Form) des Werkstückes beizubehalten, bleiben die entstandenen Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponenten. In der Regel kommt es zu einer Schwindung, da es zu einer Verdichtung der Partikel des Ausgangsmaterials kommt und die Porenräume aufgefüllt werden. Aus einem fein- oder grobkörnigen, ungebrannten Rohling entsteht durch die Temperaturbehandlung des Sinterns ein festes Werkstück, das in einem vorangegangenen Prozessschritt, beispielsweise mittels Extrusion, geformt wurde. Erst durch diese Temperaturbehandlung erhält das Sintererzeugnis seine endgültigen Eigenschaften, wie Härte, Festigkeit oder Temperaturleitfähigkeit, die im jeweiligen Einsatz erforderlich sind.

Vor- und Nachteile

Vorteile:

  • Zusammenbringen von Ausgangsstoffen, die sich auf andere Weise nur sehr schwer oder gar nicht zu einem neuen Werkstoff verbinden lassen
  • hohe Materialausnutzung
  • hohe Maß- und Formgenauigkeit


Nachteile:

  • vereinzelt kann durch Porosität reduzierte Festigkeit entstehen
  • höhere Kosten für Pulver und Pulvergemische
  • Einschränkungen in der Formgebung (Hinterschneidungen, Gewinde)

Sintervorgang

Der Sintervorgang lässt sich in drei Phasen unterteilen, die sich aber in der Praxis nicht von einander trennen lassen.

1. Anfangsphase

In der Anfangsphase ist die Sichtbarkeit der ursprünglichen Teilchen noch gegeben. Durch Brückenbildung und Kornwachstum entsteht zwischen den Pulverteilchen der erste Zusammenhalt. Es erfolgt eine geringe Schwindung und es kommt zur Verdichtung des Rohlings.

2. Mittlere Phase

Ein zusammenhängender Porenraum wird erschaffen und die Erkennbarkeit der einzelnen Teilchen lässt nach.

3. Spätphase

In der Spätphase kommt es dann zur Festigkeit der Sinterkörper, da der Porenraum verringert und in zunehmendem Maße von außen zugänglich wird (geschlossene Poren). Es erfolgt eine vollständige Verdichtung der Pulverpartikel.

Wenn eine sehr hohe Maßgenauigkeit erforderlich ist, erfolgt in manchen Fällen nach dem letzten Vorgang noch ein Kalibrieren des Werkstückes, da sie nicht durch reines Sintern erreicht wird, aufgrund des nicht exakt berechenbaren Volumenverlustes. Dies erfolgt, durch nochmalige Pressung des quasi fertigen Werkstückes in eine Form, unter hohem Druck. Somit ist eine hohe Maßhaltigkeit gewährleistet.

Pressarten

Trockenpressen

Mit einem Wassergehalt des Rohstoffes weniger als 7 %, eignet sich das Trockenpressen vor allem zur Herstellung großer Stückzahlen (Serienfertigung), da die entsprechenden Formwerkzeuge sehr teuer sind. Zu den Vorteilen dieser Pressart gehören gute Reproduzierbarkeit (Wiederholbarkeit), hohe Maßgenauigkeit und ein automatischer Prozessablauf. Nachteile sind die aufwändige Pulveraufbereitung. Hinzu kommt, dass Unterschiede in der Dichte des Formteils entstehen können bzw. Lunker (Hohlräume) und Einschränkungen in der zu fertigenden Bauteilgeometrie.

Feuchtpressen

Bei diesem Pressvorgang entsteht eine geringere Festigkeit des Formteiles, aber eine gleichmäßigere Dichteverteilung als beim Trockenpressen. Somit eignet sich das Feuchtpressen auch für komplizierte Geometrien. Jedoch ist bei einem Wassergehalt des Rohstoffes von über 12 % eine Trocknung des Rohlings erforderlich.

Isostatisches Pressen

Dieses Pressen eignet sich sehr gut für kleine Teile mit gleichmäßiger Verdichtung, anspruchsvolle Prototypen und Kleinserienfertigung, da in alle Richtungen gleich großer Pressdruck herrscht.

Uniaxiales Pressen

Diese Methode wird zur Herstellung plattenförmiger Körper verwendet und hat sich zu einem großserientauglichen Verfahren entwickelt. Anders als beim isostatischen Pressen wird der Pressdruck nur in eine Richtung auf den Körper ausgeübt. Öle und Wachse als Presshilfsmittel verbessern hierbei die Verdichtbarkeit und Gleitfähigkeit des Pulvers. Bei einem zu hohen Pressdruck kann es beim Herauslösen des Rohlings zu lokalen Zugspannungen kommen, die Risse im Rohling beim Erreichen des Gleichgewichtszustandes bilden können.

Erzeugnisse/Endprodukte

Aluminiumschaum

Die Sintertechnik wird in vielen Bereichen genutzt. Viele Materialien lassen sich durch Sintern verformen, obwohl sie zunächst keine Formgebung zuzulassen scheinen. Die Technik eignet sich vor allem zur Großserienfertigung metallischer Form- und Fertigteilen aus Keramik (sowohl technischer als auch mineralischer Form), pulverförmigen Metallen und Kunststoffen. Außerdem kommt sie in der Automobilindustrie (z.B. bei der Herstellung von Lagern, Bauteilen für Motoren und Getriebe), sowie in der Zahntechnik und bei der Werkzeugherstellung zum Einsatz. Darüber hinaus ist das Sintern im Bereich der Nanotechnologie zu finden. Es können auch Hohlkugelstrukturen (Metallschäume) durch Sintern metallpulverbeschichteter Styroporkügelchen hergestellt werden. Sie finden z.B. in der Akustik zur Schallabsorption (Schalldämpfung) Verwendung. Die Bereiche der Anwendungsmöglichkeiten von Sinterformteilen erweitern sich ständig durch die Entwicklung und Optimierung neuer Metallpulver.

Spezialverfahren

Spark Plasma Sintering (SPS)

Vorgang des SPS-Verfahrens

Unter Verwendung pulsierenden Gleichstroms im Bereich einiger Kiloampere und niedriger Spannung eignet sich das SPS-Verfahren besonders zur Kompaktierung von Materialkombinationen, die sich mit herkömmlichen Sinterverfahren nicht erreichen lassen. Zunächst wird das Materialpulver in einen hohlzylinderartigen Graphittiegel gefüllt und durch zwei Graphitstempel, welche dem Tiegel angepasst sind, vorverdichtet. Nun wird der Tiegel in die SPS-Maschine eingebaut und der Sintervorgang kann unter Vakuum oder Schutzgas erfolgen. Dadurch, dass Gleichstrom durch das Pulver geleitet wird, entsteht durch den Widerstand Wärmeleistung und das Pulver heizt sich von innen auf, bis die Partikel miteinander verschmelzen. Vorteile dieses Verfahrens sind kurze Prozesszeiten im Bereich unter 30 Minuten, sowie der Einsatz in der Nanotechnologie und diese dann auf makroskopischer Skala zu übertragen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten in der Material- und Energietechnik.

Selektives Lasersintern (SLS)

3D Drucker

Das Lasersintern, das zum 3D-Druck-Verfahren gehört, ermöglicht eine sehr freie Formgebung für das Werkstück, da der pulverförmige Ausgangsstoff in Schichten aufgetragen wird, das sogenannte " Slicen " mittels vorliegender CAD-Daten des Bauteils. Durch die Laserstrahlen können dreidimensionale Geometrien erzeugt werden, die sogar Hinterschneidungen am Formteil zulassen. Aufgrund des hohen maschinellen Aufwandes entstehen Prozesszeiten die von Stunden bishin zu Tagen (Abhängig von der Genauigkeitsanforderung) reichen. Das Verfahren eignet sich für kleine Stückzahlen komplizierter Teile und Prototypen. Als Laser kommen zum Einsatz CO2-Laser, Nd:YAG-Laser oder ein Faserlaser.

Vorgang des SLS-Verfahrens

Beim Vorgang wird das Pulver vollflächig in einer Dicke von 0,001 bis 0,02 mm auf eine Bauplattform mit Hilfe einer Rakel (Abstreichholz) aufgetragen. Durch Ansteuern des Laserstrahls werden die Pulverschichten schrittweise in vertikaler Richtung, anhand der Konturen des Bauteils, in das Pulverbett gesintert. Die Pulverzufuhr erfolgt dadurch, dass eine Pulverplattform angehoben wird. Zum Schluss wird die Bauplattform leicht abgesenkt und eine neue Schicht aufgetragen bis der entsprechende Rohling entsteht.

Literatur

  • Schatt, W.: Sintervorgänge - Grundlagen (VDI Verlag, Düsseldorf 1992)
  • Exner, H.E.: Grundlagen von Sintervorgängen (Bornträger, Berlin/Stuttgart 1978)
  • Schatt, W.; Wieters, K.-P.; Kieback, B.: Pulvermetallurgie (Springer Verlag, Berlin/Heidelberg 2007)
  • Fischer, U.; Gomeringer R.; u.a.: Tabellenbuch Metall 45. Auflage (Verlag Europa Lehrmittel, Haan-Gruiten 2011)

Weblinks

Quellen


--Marc Schröder 20:04, 19. Sep. 2013 (CEST)