Restentbinder-/Sinterofen
Final Report Abstract
Die Arbeitsgruppe von Professor Singer befasst sich mit der Fertigung von Bauteilen aus Titan- und Superlegierungen über pulvermetallurgischen Spritzguss. Die Prozessfenster werden experimentell bestimmt und modellmäßig beschrieben. In diesem Rahmen wird der Ofen für das Entbindern und Sintern eingesetzt. Im Rahmen eines ersten Projektes im Verbund Therapiesysteme des Spitzenclusters Medical Valley (Europäische Metropolregion Nürnberg) wurden die Herstellbarkeit und Optimierung von Pulverspritzguss-Komplettimplantaten für die Dentalchirurgie untersucht. Bislang benötigen die meist zweiteiligen Dentalimplantate nach ihrem Einsetzten eine vier- bis sechswöchige belastungsfreie Einheilzeit, in der der Patient stark bezüglich seiner Nahrungsaufnahme aber auch in seiner üblichen sozialen Interaktion beeinträchtigt werden kann. Zusätzlich kann es durch diese Zweiteiligkeit am Übergang von Gingiva zum Knochen zu einer Spaltbildung kommen, welche wiederum durch ständige Bakterienbesiedelung den marginalen Knochenabbau beschleunigen kann, was wiederum zu einem vorzeitigen Verlust des Implantats führen könnte. Ziel des Vorhabens war die Erforschung eines besonders wirtschaftlichen auf dem Pulverspritzguss basierenden Herstellungsverfahrens zur Fertigung einteiliger Komplettimplantate für die Dentalchirurgie. Die Außengeometrie des Implantats sollte dabei parabolisch sein, da dies zusammen mit einer rauen Oberfläche ein äußerst rasches Einheilen und damit eine zeitnahe Belastbarkeit des Implantats ermöglicht. Durch die Materialkombination von Titan für das Implantat und weißem Zirkonoxid für das Abutment werden die Vorteile des hervorragenden Einwachsverhaltens durch die erprobten Eigenschaften des Titans mit den ästhetischen, da farblich dem Zahnschmelz ähnlichen Zirkonoxids verbunden. Ebenso weist das Zirkonoxid optimale Oberflächenbeschaffenheiten für den Gingivabereich auf. Die definierte und spaltfreie Verbindung des Komplettimplantats vor dem Einsetzen in den Knochen eliminiert damit das bisherige Problem von zweiteiligen Implantaten, bei denen durch das Fügen im Mund eine nicht optimale Verbindung hingenommen werden muss. In dem Projekt wurden die Zirkonoxidkeramik und das Titan bezüglich ihrer Einsatzbereiche in der Dentalimplantologie untersucht und anschließend als Feedstock im Pulverspritzgießverfahren verarbeitet. An Basisuntersuchungen wurden zuerst unterschiedliche Fügestrategien erprobt und bezüglich Machbarkeit und Erreichbarkeit der Ziele Spaltfreiheit, mechanische Belastbarkeit und Ästhetik evaluiert. Anschließend wurden einzelne Fügestrategien weiter verfolgt bzw. entsprechende Demonstratoren entwickelt, hergestellt und geprüft sowie geometrisch optimiert. Es zeigte sich, dass eine Verbindung von Zirkonoxid- mit Titanbauteilen durch ein gemeinschaftliches Sintern oder Aufsintern (z.B. bei 1300°C unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre) nicht unter Erfüllung des Ziels „Ästhetik“ möglich war. Es kam hier immer zu einer Grau- bis Schwarzfärbung des Zirkonoxidbauteils. Beim Fügen unter erhöhten Temperaturen (z.B. 400°C - 600°C unter Luft) kam es zu einer irreversiblen Schädigung des Titanbauteils, sodass auch diese Fügevariante nicht weiter verfolgt wurde. Schließlich wurden die Fügeverfahren „Einpressen“ und „Verschrauben“ ausgewählt und je zwei unterschiedliche Fügegeometrien für die Demonstratoren entwickelt. Bei den mechanischen Tests erreichen die durch Einpressen gefügten Demonstratoren die deutlich besseren Ergebnisse, sodass diese, basierend auf einer Versagensanalyse der Demonstratoren, nochmals geometrisch optimiert wurden. Die optimierten Demonstratoren konnten schließlich Maximalbelastungen von über 500 N sowie 25000 Schwingspielen zwischen 20 N und 280 N ohne Versagen standhalten. In zwei laufenden Projekten wird die Herstellung von Turbinenbauteilen über Pulverspritzguss untersucht. Diesmal geht es um Nickelbasislegierungen und nicht um Titan wie oben. Die prozesstechnischen Arbeiten stehen noch am Anfang; es geht insbesondere um die Frage, ob die Konsolidierung so geführt werden kann, dass es zu einer deutlichen Kornvergröberung kommt. Die hier vorgesehenen Nickelbasislegierungen sollen bei sehr hohen Temperaturen eingesetzt werden, bei denen Korngrenzengleiten die Zeitstandeigenschaften beeinträchtigt. Die normal bei pulvermetallurgischen Spritzguss gegebenen Korngrößen sind so fein, dass sie keine guten Kriechfestigkeiten gewährleisten. Über spezielle Konsolidierungsstrategien wie HIP oder rasches Aufheizen auf sehr hohe Temperaturen soll eine Kornvergröberung erreicht werden.
Publications
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"High Cycle Fatigue of Titanium Fabricated by Metal Injection Moulding (MIM)" Euro PM2013 Congress & Exhibition, Proceedings Volume 1, 2013, 345-350
K. Horke, R. F. Singer
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"Influence of sintering conditions on tensile and high cycle fatigue behaviour of powder injection moulded Ti-6Al-4V at ambient and elevated temperatures" Powder Metallurgy, 57 (4), (2014) 283-290
K. Horke, B. Ruderer, R. F. Singer
