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DE102005058118A1 - Method for producing ceramic components, in particular casting molds - Google Patents

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DE102005058118A1
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DE
Germany
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suspension
binder
heat treatment
casting
green compact
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102005058118A
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German (de)
Inventor
Khanh Dr. Pham-Gia
Martina Schwarz
Martin Schäfer
Berit Dr. Wessler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen von keramischen Bauteilen, wobei der Grünling mittels eines Stereolithographieverfahrens aus einer Suspension von Keramikpartikeln hergestellt wird. Zu diesem Zweck weist diese Suspension einen mittels Strahlung aushärtbaren Binder auf, der beispielsweise mit einem Laser lokal ausgehärtet wird. Anschließend wird der Grünling einer Wärmebehandlung unterzogen, um den Binder aus dem Grünling zu entfernen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Suspension im Wesentlichen lösungsmittelfrei ist und die zur Verarbeitung mittels Stereolithographie erforderliche geringe Viskosität durch eine Variation der Konzentration eines Dispergators für die Keramikpartikel beeinflusst wird. Hierdurch lassen sich thermisch beanspruchte Bauteile aus der Keramik herstellen, die aufgrund ihrer hohen Dichte auch eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen. Als keramisches Bauteil lässt sich beispielsweise eine Form (11) mit einem Kern (13) herstellen.The invention relates to a method for producing ceramic components, the green compact being produced from a suspension of ceramic particles by means of a stereolithography method. For this purpose, this suspension has a radiation-curable binder which is cured locally, for example with a laser. The green body is then subjected to a heat treatment in order to remove the binder from the green body. It is provided according to the invention that the suspension is essentially solvent-free and the low viscosity required for processing by means of stereolithography is influenced by varying the concentration of a dispersant for the ceramic particles. In this way, thermally stressed components can be produced from the ceramic, which due to their high density also have a high temperature resistance. For example, a mold (11) with a core (13) can be produced as a ceramic component.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Bauteils, bei dem ein Grünling aus einer mindestens 45 Vol-% keramisches Pulver enthaltenden Suspension mit einer organischen, aushärtbaren Komponente als Binder gewonnen wird, indem die Suspension durch lokales Einbringen von Strahlungsenergie unter Ausbildung der geometrischen Struktur des Grünlings ausgehärtet wird und der Grünling der Suspension entnommen und einer Wärmebehandlung zur Entfernung des Binders zugeführt wird, wobei die Temperatur unterhalb der Sintertemperatur liegt aber hoch genug ist, damit eine thermische Zersetzung der organischen Bestandteile des Grünlings erfolgt.The The invention relates to a method for producing a ceramic Component in which a green body from a suspension containing at least 45% by volume of ceramic powder with an organic, hardenable Component is obtained as a binder by passing the suspension through local introduction of radiant energy to form the geometric Structure of greenware hardened and the green taken from the suspension and a heat treatment for removal supplied to the binder is, wherein the temperature is below the sintering temperature but high enough for thermal decomposition of the organic components of the green body he follows.

Das eingangs beschriebene Verfahren kann beispielsweise der US 6,117,612 entnommen werden. Ziel ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Grünlingen für keramische Bauteile zur Verfügung zu haben, bei dem der Grünling mit einem Rapid Prototyping-Verfahren, z. B. dem Verfahren der Stereolithographie, hergestellt werden kann. Anwendungsbereiche für dieses Verfahren finden sich nicht nur beim Prototypenbau sondern auch in Kleinserien, bei denen sich die Herstellung von Formen für den Grünling nicht lohnt.The method described above may, for example, the US 6,117,612 be removed. The aim is to have a process for the production of green compacts for ceramic components available, in which the green compact with a rapid prototyping method, eg. B. the method of stereolithography, can be produced. Areas of application for this process can be found not only in prototype construction but also in small series, where the production of molds for the green product is not worthwhile.

Um die mit Keramikpartikeln hergestellten Suspensionen mit Füllgraden über 40 Vol-% an Keramikpartikeln mit Rapid Prototyping-Verfahren verarbeiten zu können, müssen diese eine genügend geringe Viskosität aufweisen. Gemäß der US 6,117,612 wird die Viskosität dadurch herabgesetzt, dass die Suspension, die auch Bestandteile eines aushärtbaren Harzes zur Er zeugung einer vorläufigen Bindung im Grünling aufweisen muss, auf wässriger Basis hergestellt wird. Das Wasser dient somit als Verdünnung für das an sich zähflüssige Harz, so dass die zu verarbeitende Suspension trotz des hohen Füllgrades an Keramikpartikeln genügend fließfähig bliebt, um durch Rapid Prototyping prozessiert zu werden.In order to be able to process the ceramic particle-produced suspensions with fill levels above 40% by volume of ceramic particles by means of rapid prototyping methods, they must have a sufficiently low viscosity. According to the US 6,117,612 the viscosity is reduced by the fact that the suspension, which must also contain components of a thermosetting resin for the generation of a preliminary bond in the green compact, is prepared on an aqueous basis. The water thus serves as a dilution for the per se viscous resin, so that the suspension to be processed, despite the high degree of filling of ceramic particles remains sufficiently fluid to be processed by rapid prototyping.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen von keramischen Bauteilen aus Grünlingen anzugeben, bei dem die Grünlinge mit einem Rapid Prototyping-Verfahren hergestellt werden können und die Anwendung des Rapid Prototyping-Verfahrens vergleichsweise unproblematisch erfolgen kann.The The object of the invention is a method for manufacturing of ceramic components from green bodies indicate, in which the greenlings with a rapid prototyping process can be produced and the application of the rapid prototyping method comparatively can be done without problems.

Diese Aufgabe wird mit dem eingangs geschilderten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Suspension im Wesentlichen lösungsmittelfrei ist, wobei die Viskosität der Suspension durch Variation der Konzentration eines Dispergators auf weniger als 20.000 mPa·s verringert wird und wobei es sich bei dem keramischen Bauteil um ein thermisch beanspruchtes Bauteil handelt. Nach der Erfindung wird die Viskosität der Suspension also über die Konzentration des zugebenen Disperpators eingestellt, wodurch eine Einstellung der geforderten Viskosität von weniger als 20.000 mPa·s erreicht werden kann. Mit dieser Viskosität ist eine Verarbeitung der Suspension beispielsweise in handelsüblichen Stereolithographie-Anlagen möglich.These The object is achieved with the initially described method according to the invention thereby solved, that the suspension is substantially solvent-free, wherein the viscosity the suspension by varying the concentration of a dispersant less than 20,000 mPa · s is reduced and wherein it is the ceramic component to is a thermally stressed component. After the invention is the viscosity the suspension over adjusted the concentration of the added Disperpators, thereby achieved a setting of the required viscosity of less than 20,000 mPa · s can be. With this viscosity is a processing of the suspension, for example, in commercial Stereolithography systems possible.

Auf eine Zugabe von Verdünnungsmitteln wie Wasser oder auch organischen Lösungsmitteln kann bei der erfindungsgemäßen Suspension verzichtet werden. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die Zugabe von Lösungsmitteln zur Verringerung der Viskosität die Verarbeitbarkeit der so erzeugten Suspensionen einschränkt. Durch den Energieeintrag in die Suspension zur Erzeugung der gewünschten dreidimensionalen Struktur kann es nämlich lokal zum Verdampfen von Lösungsmitteln in der Suspension kommen mit dem Effekt, dass dort die Viskosität der Suspension ansteigt. Hierdurch wird jedoch das angestrebte Ergebnis, einen Grünling mit einem hohen Füllgrad an keramischen Partikeln herzustellen, gefährdet. Der hohe Füllgrad ist jedoch insbesondere bei keramischen Bauteilen mit hoher thermischer Beanspruchung erforderlich, damit das aus dem Grünling zu erzeugenden Bauteil eine genügende Dichte aufweist.On an addition of diluents like Water or organic solvents can in the suspension according to the invention be waived. It has become shown that the addition of solvents to reduce the viscosity limits the processability of the suspensions thus produced. By the energy input into the suspension to produce the desired Namely, it can evaporate locally because of its three-dimensional structure of solvents in the suspension come with the effect that there is the viscosity of the suspension increases. As a result, however, the desired result, a Greenfinch with a high degree of filling on ceramic particles, endangered. The high degree of filling is but especially for ceramic components with high thermal Stress required so that the component to be produced from the green compact a sufficient one Has density.

Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Grünling für ein Gusswerkzeug hergestellt wird. Gusswerkzeuge werden mit schmelzflüssigen Werkstoffen beaufschlagt, woraus sich die Anforderung einer hohen Temperaturbeständigkeit ergibt. Daher eignen sich keramische Werkstoffe in besonderem Maße für die Herstellung von Gussformen. Mit Hilfe von Rapid Prototyping-Verfahren wie der Stereolithographie können vorteilhaft ohne größeren Aufwand Grünlinge für komplexe Gehäusestrukturen hergestellt werden. Es ist auch die Herstellung verlorener Formen möglich, wobei für eventuell auszubildende Innenkonturen keine Kerne notwendig sind.According to one Embodiment of the method is provided that the green compact for a casting tool will be produced. Casting tools are made with molten materials which raises the requirement for high temperature resistance results. Therefore, ceramic materials are particularly suitable for the production of molds. With the help of rapid prototyping methods like the Stereolithography can advantageous without much effort green compacts for complex housing structures getting produced. It is also the production of lost forms possible, being for possibly trainee inner contours no cores are necessary.

Allerdings kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der Grünling selbst als Gusskern ausgeführt sein, der ohne eine vorhergehende Sinter-Wärmebehandlung oder nach einer nicht abgeschlossenen Sinter-Wärmebehandlung zur Verwendung vorgesehen ist. Wenn man einen Grünling bzw. einen lediglich unvollständig gesinterten Grünling als Kern verwendet, so ist die nachträgliche Zerstörung des Kernes nach erfolgtem Gussvorgang vorteilhaft wesentlich vereinfacht. Der Grünling muss lediglich eine genügende Stabilität aufweisen, um den Gießprozess heil zu überstehen. Vor diesem Hintergrund kann entschieden werden, wie weit der Sinterprozess vorange trieben soll, bzw. ob der Sinter-Prozess nicht erforderlich ist.Indeed can according to a further embodiment of the invention, the green body itself be designed as a casting core, that without a previous sintering heat treatment or after one completed sintering heat treatment for Use is provided. If you have a green or one only incomplete sintered green compact used as a core, so is the subsequent destruction of the Kernes advantageous after the casting process substantially simplified. The greenling just needs a sufficient stability exhibit the casting process to survive safely. Against this background it can be decided how far the sintering process should drive before, or if the sintering process is not required is.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Bauteil als Gussform mit den Gusskern ersetzenden Innenstrukturen in einem Stück hergestellt wird. Dies wird vorteilhafterweise durch die Charakteristik des Herstellungsprozesses beispielsweise mittels Stereolithographie ermöglicht, da der schichtweise Aufbau des Grünlings auch die Erzeugung komplexer Innenstrukturen ermöglicht. Bei der Zerstörung der den Gusskern ersetzenden Innenstrukturen wird gewöhnlich jedoch auch die Form zerstört werden, so dass es sich bei dieser Ausgestaltung der Erfindung um verlorene Formen handelt.Another embodiment of the invention provides that the component is produced in one piece as a casting mold with internal structures replacing the casting core. This is advantageously made possible by the characteristics of the manufacturing process, for example by means of stereolithography, since the layered structure of the green compact also enables the creation of complex internal structures. In the destruction of the casting core replacing inner structures, however, the mold will usually be destroyed, so that in this embodiment of the invention are lost forms.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Gusskern oder die Innenstrukturen der Gussform mit einem Hohlraum hergestellt werden. Dieser Hohlraum lässt sich vorteilhaft ebenfalls ohne größere Probleme beispielsweise mittels Stereolithographie herstellen. Der Hohlraum erleichtert beim Entformen des Gussteils die Zerstörung des Gussteils und vor allem die Entfernung des zerstörten Gusskernmaterials aus der im Gussteil entstandenen Kavität.According to one particular embodiment of the invention it is provided that the Casting core or the internal structures of the mold with a cavity getting produced. This cavity can also be advantageous without major problems for example, produce by stereolithography. The cavity facilitates the demolition of the casting when removing the casting Casting and especially the removal of the destroyed Gusskernmaterials the cavity formed in the casting.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Gusswerkzeug nach dem Abschluss der Wärmebandlung einem Gussprozess zugeführt wird, bevor es auf Raumtemperatur abgekühlt ist. Hierbei kann eine Abkühlung bis zu der gewünschten Temperatur des Gusswerkzeuges für den Gießprozess abgewartet werden. Verfahrenstechnisch ergibt sich der Vorteil, dass die Gussform für den nachfolgenden Gussprozess dann nicht vorgewärmt werden muss. Hierdurch ist eine Energieeinsparung möglich. Außerdem wird das Risiko verringert, dass aufgrund einer Abkühlung und nachfolgender Erwärmung der Gussform Fehler wie Spannungen, Risse oder Verzug auftreten.Especially It is advantageous if the casting tool after completion of the Heat treatment one Fed casting process before it has cooled to room temperature. This can be a Cooling up to the desired Temperature of the casting tool for the casting process to be awaited. Technically, there is the advantage that the mold for then the subsequent casting process does not have to be preheated. This is an energy saving possible. Furthermore The risk is reduced due to a cooling and subsequent heating the mold may encounter errors such as tensions, cracks or distortion.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird als Dispergator ein Alkylolammmoniumsalz eine Copolymeren mit sauren Gruppen verwendet. Hierbei handelt es sich um einen so genannten sterischen Dispergator, welche eine wirksame Separation der Pulverpartikel voneinander herbeiführt. Dies wird erreicht, indem sich die langkettigen Polymermoleküle des Dispergators als Trennschicht zwischen den einzelnen Pulverpartikeln wirken. Hierdurch wird auch die Beweglichkeit der Pulverpartikel zueinander gewährleistet wodurch die Fließfähigkeit der Suspension erhalten bleibt. Damit lässt sich die geforderte geringe Viskosität erreichen. Alkylolammmoniumsalze von Copolymeren mit sauren Gruppen werden beispielsweise durch die Firma Byk Chemie GmbH unter dem Handelsnamen Disperbyk 154, Disperbyk 180 oder Disperbyk 190 angeboten.According to one particular embodiment of the invention is a dispersant Alkylolammmoniumsalz used a copolymer having acidic groups. This is a so-called steric dispersant, which causes an effective separation of the powder particles from each other. This is achieved by the long-chain polymer molecules of the dispersant act as a separating layer between the individual powder particles. As a result, the mobility of the powder particles to each other guaranteed whereby the fluidity of the Suspension is maintained. This can be the required low viscosity to reach. Alkylolammmoniumsalze of copolymers having acidic groups for example, by the company Byk Chemie GmbH under the trade name Disperbyk 154, Disperbyk 180 or Disperbyk 190 offered.

Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die oben genannten Dispergatoren in einer Konzentration zwischen 2 und 5 Masse-% zugegeben werden. Es hat sich gezeigt, dass in diesem Konzentrationsbereich die Viskosität vorteilhaft durch gezielte Variationen der Konzentrationen eingestellt wird kann, ohne dass die Konzentration des Dispergators andere Eigenschaften der Suspension negativ beeinflusst.When Advantageously, it has been found, if the above Dispersants in a concentration between 2 and 5% by weight added become. It has been shown that in this concentration range the viscosity is advantageously adjusted by targeted variations of the concentrations can, without the concentration of the dispersant other properties negatively affected by the suspension.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn als Binder ein Acrylatharz zum Einsatz kommt. Acryltharze haben im Vergleich zu ebenfalls in Frage kommenden Epoxidharzen den Vorteil, dass sie eine geringere Viskosität aufweisen. Infolgedessen lässt sich auch für die Suspension eine verhältnismäßig geringere Viskosität erreichen. Allerdings muss bei der Verwendung von Acrylatharzen auch ein Photoinitiator zum Anstoßen der Aushärtungsreaktionen zugesetzt werden. Bei Bestrahlung der Suspension mit UV-Strahlung werden aus dem Photoinitiator freie Radikale gebildet, welche anschließend eine Polymerisation der Acrylatmonomere initiieren. Bei Verwendung beispielsweise eines UV-Lasers mit der Wellenlänge von 365 Nanometern kann ein flüssiger Photoinitiator der Firma Ciba Ltd. mit dem Handelsnamen Darocur 4265 verwendet werden.Farther it is advantageous if an acrylic resin is used as binder comes. Acrylic resins have in comparison to also eligible epoxy resins the advantage that they have a lower viscosity. Consequently let yourself also for the suspension achieve a relatively lower viscosity. However, when using acrylate resins, a photoinitiator must also be used for toasting the curing reactions be added. Upon irradiation of the suspension with UV radiation are formed from the photoinitiator free radicals, which subsequently a Initiate polymerization of the acrylate monomers. For example, when using a UV laser with the wavelength of 365 nanometers can be a liquid Photoinitiator from Ciba Ltd. with the trade name Darocur 4265 be used.

Eine zusätzliche Viskositätsverringerung lässt sich vorteilhaft erreichen, wenn die Partikel des keramischen Pulvers vor dem Einbringen in die Suspension mit dem des Dispergator beschichtet werden. In diesem Fall wird der Dispergator nicht direkt der Suspension zugesetzt, sondern die mit dem Dispergator beschichteten Partikel gewährleisten das Einbringen des Dispergators in der Suspension. Die Beschichtung der Pulverteilchen mit dem Dispergator hat den Vorteil, dass dieser sich beim Einbringen der Partikel in die Suspension bereits an seinem Wirkungsort befindet. Dies verhindert beispielsweise ein Verklumpen der Pulverpartikel während des Einbringens in die Suspension. Außerdem wird so der optimale Wirkungsgrad der Dispergatormoleküle gewährleistet.A additional Viscosity reduction can be achieve advantageous when the particles of ceramic powder coated before being introduced into the suspension with that of the disperser become. In this case, the dispersant does not become the suspension directly added, but with the dispersant coated particles guarantee the introduction of the dispersant in the suspension. The coating The powder particles with the disperser has the advantage that this when introducing the particles into the suspension already at his Place of action is located. This prevents, for example, clumping the powder particles during of introduction into the suspension. In addition, so is the best Ensures efficiency of Dispersatormoleküle.

Ein besonders geeignetes Verfahren zum Aushärten des Binders ist das Stereolithographieverfahren. Hierbei kann vorteilhaft auf eine bewährte Technologie zurückgegriffen werden. Die eingestellten Viskositäten in den zu verarbeitenden Suspensionen gewährleisten dabei vorteilhaft, dass die Erzeugung von Grünlingen ohne Modifikation mit handelsüblichen Stereolithographie-Anlagen erfolgen kann.One A particularly suitable method for curing the binder is the stereolithography method. This can be used advantageously on a proven technology become. The adjusted viscosities in the processed Ensure suspensions advantageous in that the production of green compacts without modification with commercial Stereolithography systems can be done.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Wärmebehandlung zur Entfernung des Binders unter Abschluss von Sauerstoff bei Temperaturen bis zu 600°C erfolgt. Durch den Abschluss von Sauerstoff während der Wärmebehandlung wird das Entfernen des Binders, auch Entbinderung genannt, vorteilhaft besonders schonend durchgeführt. Es wird nämlich verhindert, dass eine Oxidation der Binder bestandteile in dem Grünling erfolgt. Aufgrund einer solchen exothermen Reaktion würde ansonsten thermische Energie frei, welche durch lokale Überhitzung des Grünlings zu Spannungen, Rissen, Delaminationen und Verzügen führen könnte.According to a particular embodiment of the method, it is provided that the heat treatment to remove the binder with completion of oxygen at temperatures up to 600 ° C. By the conclusion of oxygen during the heat treatment, the removal of the binder, also called debinding, advantageously carried out particularly gently. It is namely prevented that an oxidation of the binder components takes place in the green compact. Due to such an exothermic reaction, thermal energy would otherwise be released, which could lead to tensions, cracks, delaminations and delays due to local overheating of the green body.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Wärmebehandlung zur Entfernung des Binders in sauerstoffhaltiger Atmosphäre bei Temperaturen bis zu 1150°C erfolgt. Diese Wärmebehandlung ist besonders vorteilhaft der letztgenannten nachgelagert. Die Entbinderung in sauerstoffhaltiger Atmosphäre hat nämlich den Vorteil, dass diese effektiver vonstatten geht und daher bei kürzeren Behandlungszeiten höhere Entbinderungseffekte erzielt. Wird die Entbinderung unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre erst in einem nachgelagerten Schritt angewendet, so ist die Konzentration des Binders im Grünling durch den ersten Entbinderungsschritt bereits so stark gefallen, dass lokale Überhitzungseffekte im Grünling ausgeschlossen werden können. Die genannten Qualitätsprobleme können daher nicht mehr auftreten.Farther It is beneficial if the heat treatment for removing the binder in an oxygen-containing atmosphere at temperatures up to 1150 ° C takes place. This heat treatment is particularly advantageous downstream of the latter. The debinding in an oxygen-containing atmosphere has namely the Advantage that this is more effective and therefore shorter treatment times higher Debinding effects achieved. Is the debinding under oxygenated the atmosphere only applied in a subsequent step, so is the concentration of the binder in the green already fallen so much by the first debinding step, that local overheating effects in the green can be excluded. The mentioned quality problems can therefore no longer occur.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigenFurther Details of the invention are described below with reference to the drawing described. Show it

1 schematisch den Temperaturverlauf bei der Entbinderung gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und 1 schematically the temperature profile during debindering according to an embodiment of the method according to the invention and

2 ein keramisches Gehäusebauteil, welches gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist. 2 a ceramic housing component, which is produced according to an embodiment of the method according to the invention.

Im Folgenden werden beispielhaft die Verfahrensparameter angegeben, die für die Herstellung eines Grünlings erfolgreich verwendet wurden. Hierzu hat der herzustellende Grünling als Schichtmodell mit einer Schichtdicke zwischen 20 und 200 μm als digitaler Datensatz vorgelegen.in the The method parameters are given below by way of example. the for the production of a green body successfully used. For this, the manufactured green has as Layered model with a layer thickness between 20 and 200 μm as digital Dataset available.

Bei der Herstellung der Suspensionen wurde ein kommerziell erhältliches Al2O3-Pulver (Aluminiumoxid) mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 0,8 μm verwendet. Alternativ können auch Pulver von Zirkonoxid (ZrO2) oder Siliziumoxid (SiO2) verwendet werden. Mit Schmelzpunkten von 1720°C (SiO2), 2050°C (Al2O3) und 2480°C (ZrO2) sind diese keramischen Werkstoffe hochtemperaturbeständig und eignen sich daher auch zur Verwendung als Gussformen für hochschmelzende Werkstoffe (beispielsweise Metalle).In the preparation of the suspensions, a commercially available Al 2 O 3 powder (alumina) having a mean particle diameter of 0.8 μm was used. Alternatively, powders of zirconia (ZrO 2 ) or silica (SiO 2 ) may also be used. With melting points of 1720 ° C (SiO 2 ), 2050 ° C (Al 2 O 3 ) and 2480 ° C (ZrO 2 ) these ceramic materials are resistant to high temperatures and are therefore suitable for use as molds for refractory materials (such as metals).

Um einen Füllgrad der Suspension an Keramikpartikeln von größer als 45 Vol-% zu erreichen und dabei eine verhältnismäßig niedrige Viskosität von kleiner als 20000 mPa·s zu gewährleisten, wurden die Keramikpartikel vor der Beimengung in die Suspension mit dem sterischen Dispergator der Firma Byk Chemie GmbH mit dem Handelsnamen Disperbyk 180 beschichtet. Um hierbei einen optimalen Dispergierungseffekt zu erzielen, wurde der Dispergator in einem Lösungsmittel gelöst und anschließend mit dem Pulver homogenisiert. Diese Suspension wurde im Trockenschrank bei 60 bis 80°C getrocknet bis das gesamte Lösungsmittel verdampft war. Das getrocknete Pulver wurde zusätzlich gemahlen und gesiebt.Around a degree of filling to achieve the suspension of ceramic particles of greater than 45% by volume and while a relatively low Viscosity of less than 20,000 mPa · s to ensure, the ceramic particles were in the suspension before admixture with the steric dispersant from Byk Chemie GmbH with the Trade name Disperbyk 180 coated. In order to have an optimal dispersing effect To achieve the dispersant was dissolved in a solvent and then with homogenized to the powder. This suspension was in a drying oven at 60 to 80 ° C dried until all the solvent had evaporated. The dried powder was additionally ground and sieved.

Im nächsten Schritt wurde das vorbehandelte Keramikpulver einem Acrylatharz zugegeben und durch intensives Rühren dispergiert. Diese Suspension wurde zusätzlich mit einer Kugelmühle gemahlen, um eventuell verbleibende Aglomarate von Keramikpartikeln zu zerstören. Die so hergestellten Suspensionen sind auch über einen Zeitraum von mehreren Wochen stabil.in the next Step, the pretreated ceramic powder was an acrylate resin added and by intensive stirring dispersed. This suspension was additionally ground with a ball mill to any remaining Aglomarate of ceramic particles to destroy. The thus prepared suspensions are also over a period of several weeks stable.

Bei einem Einsatz von 4 Masse-% des bereits genannten Dispergators ergab sich bei einem Füllgrad an Keramikpartikeln von 45 Vol-% eine Viskosität 2000 mPa·s. Aufgrund der verhältnis mäßig geringen Viskosität der Suspensionen konnte der Füllgrad an Keramikpulver auf bis zu 55 Vol-% gesteigert werden, ohne dass die maximal zulässige Viskosität von 20000 mPa·s überschritten wurde (der angegebene Dispergatoranteil ist auf die Masse des verwendeten Keramikpulvers bezogen).at an input of 4% by mass of the already mentioned dispersant at a degree of filling of ceramic particles of 45% by volume a viscosity of 2000 mPa · s. Due to the ratio moderately low viscosity the suspensions could the degree of filling be increased to ceramic powder to 55% by volume, without the maximum allowable viscosity exceeded 20,000 mPa · s was (the specified dispersant content is based on the mass of Ceramic powder covered).

Vor der Herstellung des Grünlings in einer Stereolithographie-Anlage wurde der Photoinitiator Darocur 4265 der Firma Ciba Ltd. zugegeben. Der Anteil an Photoinitiator bezogen auf die Suspensionsmenge kann zwischen 0,3 und 2 Masse-% liegen, wobei die optimale Menge in Bezug auf die aktuelle Zusammensetzung der Suspension experimentell jeweils zu ermitteln ist. Die Laserleistung für den Aushärtungsprozess wurde zwischen 5 und 14 mW variiert. Die Aushärtungstiefe lag bei 100 bis 500 μm. Hiermit ließen sich Schichtdicken zwischen 50 und 100 μm erreichen.In front the production of the green body in a stereolithography plant was the photoinitiator Darocur 4265 of the company Ciba Ltd. added. The proportion of photoinitiator based on the amount of suspension can be between 0.3 and 2% by mass lie, with the optimal amount in relation to the current composition the suspension is to be determined experimentally in each case. The laser power for the curing was varied between 5 and 14 mW. The hardening depth was 100 to 500 μm. Herewith could reach layer thicknesses between 50 and 100 microns.

Der nächste Schritt der Entbinderung (Entfernung des Bindemittels) ist in 1 schematisch dargestellt. Es wurde eine zweistufige Entbinderungstechnik entwickelt. Zuerst wurde der Grünling mit einem K pro Minute in N2-Atmosphäre bis 600°C (T1) erwärmt und diese Temperatur eine Stunde gehalten. Dieser Verfahrensschritt dauerte ungefähr 10 Stunden (t1). In einem zweiten Schritt wurden die Proben bis zu einer Temperatur von 1150°C (T2) in Luft oder in O2-Atmosphäre weiter aufgeheizt und diese Temperatur ebenfalls eine Stunde gehalten. Der zweite Behandlungsschritt wurde ebenfalls nach ungefähr 10 Stunden abgebrochen (t2) wobei der Grünling anschließend auf Raumtemperatur abkühlte. Entbinderungsfehler wie Verzug, Risse, Delamination und dergleichen konnten mit diesem zweistufigen Verfahren vermieden werden.The next step in debinding (binder removal) is in 1 shown schematically. A two-step debinding technique has been developed. First, the green compact was heated at K per minute in N 2 atmosphere to 600 ° C (T 1 ), and this temperature was maintained for one hour. This process took approximately 10 hours (t 1 ). In a second step, the samples were further heated up to a temperature of 1150 ° C. (T 2 ) in air or in an O 2 atmosphere, and this temperature was also maintained for one hour. The second treatment step was also stopped after about 10 hours (t 2 ), after which the green compact cooled to room temperature. Debinding errors such as distortion, cracks, delamination and the like could be avoided with this two-step process.

Eine anschließende Sinterung erfolgte in an sich bekannter Weise bei 1800°C in H2-Atmosphäre. Die fertig gestellte Ke ramik ereichte 99,8% der theoretischen Dichte, so dass das Keramikgefüge kaum Poren beinhaltete.Subsequent sintering took place in known manner at 1800 ° C in H 2 atmosphere. The finished ceramic reached 99.8% of the theoretical density, so that the ceramic structure contained hardly any pores.

Weitere Versuche zur Herstellung von Grünlingen ergaben weitere mögliche Variationen der oben angegebenen Verfahrensparametern. Anstelle des bereits erwähnten Acrylatharzmonomers 4017 kann auch das Acrylatharzmonomer 4006 der Cognis GmbH verwendet werden. Dieses weist jedoch eine höhere Viskosität auf, weswegen geringere Füllgrade an Keramikpulver erreicht werden. Die Prozessparameter bei der Stereolithographie können innerhalb der folgenden Bereiche auf dem jeweiligen Anwendungsfall optimiert werden: Eindringtiefe zwischen 150 und 400 μm, Laserleistung zwischen 2 mW und 13 mW (verwendet wurde ein He-Cd-Laser mit 325 nm Wellenlänge), Fokussierbereich der Laserstrahlung zwischen 45 und 90 μm und Scanngeschwindigkeit zwischen 50 und 200 mm/s. Die stereolithographisch gewonnenen Strukturen können zusätzlich noch einer Bestrahlung mit UV-Licht ausgesetzt werden, um eine verbesserte Aushärtung des Binders zu erreichen.Further Attempts to produce green bodies yielded more possible Variations of the above-mentioned process parameters. Instead of already mentioned Acrylate resin monomer 4017 may also include the acrylate resin monomer 4006 of Cognis GmbH be used. However, this has a higher viscosity, therefore lower filling levels Ceramic powder can be achieved. The process parameters in stereolithography can within the following areas on the particular application to be optimized: Penetration depth between 150 and 400 μm, laser power between 2 mW and 13 mW (using a 325 nm He-Cd laser) Wavelength), Focusing range of laser radiation between 45 and 90 μm and scanning speed between 50 and 200 mm / s. The stereolithographically obtained structures can in addition be exposed to an irradiation with UV light in order to improve curing to reach the binder.

In 2 ist beispielhaft ein Gusswerkzeug dargestellt, welches mit dem geschilderten Verfahren aus Keramikpulver hergestellt wurde. Dieses ist rechts und links der eingezeichneten Bruchlinie in zwei Varianten ausgeführt. Das Gusswerkzeug besteht aus einer Form 11, die eine Kavität 12 für das zu erzeugende Gussteil aufweist. Das Material der Form 11 ist Aluminiumoxid. Die Kavität 12 wird im Innenraum durch einen Kern 13 begrenzt, welcher mittels einer geeigneten Aufnahme 14 in die Form 11 eingelegt werden kann. Zu diesem Zweck muss die Form in nicht näher dargestellter Weise teilbar ausgefügt sein, damit sich der Kern 13 in die Form 11 einlegen lässt.In 2 an example of a casting tool is shown, which was produced with the described method of ceramic powder. This is executed to the right and left of the broken line in two variants. The casting tool consists of a mold 11 that a cavity 12 for the casting to be produced. The material of the form 11 is alumina. The cavity 12 is in the interior through a core 13 limited, which by means of a suitable recording 14 into the mold 11 can be inserted. For this purpose, the mold must be divisible in a manner not shown, so that the core 13 into the mold 11 can be inserted.

Alternativ hierzu kann anstelle des Kernes 13 auch eine Innenstruktur 15 vorgesehen werden, die einteilig mit der restlichen Form 12 hergestellt wird. Aufgrund der Eigenschaft des stereolithographischen Herstellungsverfahrens ist es nämlich möglich, die Form inklusive aller abzubildender Hinterschneidungen in einem Stück herzustellen. Daher ist unter der Voraussetzung, dass es sich um eine verlorene Form handelt, die Form 11 gemäß der Variante links der Bruchlinie auch ohne Formteilung herstellbar.Alternatively, instead of the core 13 also an interior structure 15 be provided, which is integral with the rest of the form 12 will be produced. In fact, due to the nature of the stereolithographic manufacturing process, it is possible to manufacture the mold in one piece, including all the undercuts to be imaged. Therefore, assuming that it is a lost form, the shape 11 according to the variant left of the fracture line can also be produced without shaping division.

In der Innenstruktur 15 bzw. dem Kern 13 ist weiterhin ein Hohlraum 16 vorgesehen, der nach Erzeugung des Gussstücks in der Kavität 12 eine Zerstörung des Kerns 13 bzw. der Innenstruktur 15 erleichtert. Die Entfernung des Kernes kann zusätzlich erleichtert werden, wenn dieser nicht gesintert wird, sondern als Grünkörper in die Form 11 eingelegt wird. Die Struktur ist dann leichter zu zerstören, weil die Haftung der Keramikpartikel untereinander nur begrenzt ist.In the inner structure 15 or the core 13 is still a cavity 16 provided after the production of the casting in the cavity 12 a destruction of the core 13 or the internal structure 15 facilitated. The removal of the core can be further facilitated if it is not sintered, but as a green body in the mold 11 is inserted. The structure is then easier to destroy, because the adhesion of the ceramic particles with each other is limited.

Claims (13)

Verfahren zum Herstellen eines keramischen Bauteils, bei dem – ein Grünling aus einer mindestens 45 Vol-% keramisches Pulver enthaltenden Suspension mit einer organischen, aushärtbaren Komponente als Binder gewonnen wird, indem die Suspension durch lokales Einbringen von Strahlungsenergie unter Ausbildung der geometrischen Struktur des Grünlings ausgehärtet wird und – der Grünling der Suspension entnommen und einer Wärmebehandlung zur Entfernung des Binders zugeführt wird, wobei die Temperatur unterhalb der Sintertemperatur liegt aber hoch genug ist, damit eine thermische Zersetzung der organischen Bestandteile des Grünlings erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension im Wesentlichen lösungsmittelfrei ist, wobei die Viskosität der Suspension durch Variation der Konzentration eines Dispergators auf weniger als 20000 mPa·s verringert wird und wobei es sich bei dem keramischen Bauteil um ein thermisch beanspruchtes Bauteil handelt.A method for producing a ceramic component, in which - a green compact is obtained from a suspension containing at least 45% by volume of ceramic powder with an organic, curable component as binder, by hardening the suspension by locally introducing radiant energy to form the geometric structure of the green compact and - the green compact is taken from the suspension and fed to a heat treatment to remove the binder, the temperature being below the sintering temperature but high enough for thermal decomposition of the organic constituents of the green compact, characterized in that the suspension is substantially solvent-free wherein the viscosity of the suspension is reduced by varying the concentration of a dispersing agent to less than 20,000 mPa · s, and wherein the ceramic component is a thermally stressed component. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünling für ein Gusswerkzeug (11, 13) hergestellt wird.A method according to claim 1, characterized in that the green compact for a casting tool ( 11 . 13 ) will be produced. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünling als Gusskern (13) ausgeführt wird, der ohne eine vorhergehende Sinter-Wärmebehandlung oder nach einer nicht abgeschlossenen Sinter-Wärmebehandlung zur Verwendung vorgesehen ist.A method according to claim 2, characterized in that the green compact as a casting core ( 13 ), which is intended for use without a preceding sintering heat treatment or after an incomplete sintering heat treatment. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Gussform (11) mit den Gusskern (13) ersetzenden Innenstrukturen (15) in einem Stück hergestellt wird.A method according to claim 2, characterized in that the component as a casting mold ( 11 ) with the casting core ( 13 ) replacing interior structures ( 15 ) is made in one piece. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gusskern (13) oder die Innenstrukturen (15) der Gussform mit einem Hohlraum (16) hergestellt werden.Method according to claim 3 or 4, characterized in that the casting core ( 13 ) or the internal structures ( 15 ) of the mold with a cavity ( 16 ) getting produced. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gusswerkzeug (11, 13) nach dem Abschluss der Wärmebehandlung einem Gussprozess zugeführt wird, bevor es auf Raumtemperatur abgekühlt ist.Method according to one of claims 2 to 5, characterized in that the casting tool ( 11 . 13 ) after completion of the heat treatment is fed to a casting process, before it has cooled to room temperature. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Dispergator ein Alkylolammmoniumsalz eines Copolymeren mit sauren Gruppen verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the dispersant used is an alkylolammonium salt of a Copolymers with acidic groups is used. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dispergator mit einer Konzentration zwischen 2 und 4 Masse-% zugegeben wird.Method according to claim 7, characterized in that the dispersant has a concentration between 2 and 4% by mass is added. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Binder ein Acrylatharz zum Einsatz kommt, wobei der Suspension weiter ein Photoinitiator zum Anstoßen der Aushärtungsreaktion zugesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the binder used is an acrylate resin, the suspension further comprising a photoinitiator for initiating the curing reaction is added. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Partikel des keramischen Pulvers vor dem Einbringen in die Dispersion mit dem Dispergator beschichtet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the particles of the ceramic powder before coated in the dispersion with the dispersing agent become. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aushärten des Binders ein Stereolithographieverfahren angewendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that for curing the binder is a stereolithography method is applied. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung zur Entfernung des Binders unter Abschluss von Sauerstoff bei Temperaturen bis zu 600°C erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the heat treatment for removal of the binder with completion of oxygen at temperatures up to 600 ° C he follows. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung zur Entfernung des Binders in sauerstoffhaltiger Atmosphäre bei Temperaturen bis zu 1150°C erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the heat treatment for removing the binder in an oxygen-containing atmosphere at temperatures up to 1150 ° C he follows.
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