Entwicklung des Pulverspritzgießprozesses und Bewertung des Eigenschaftspotentials von kurzfaserverstärkten Oxid-Oxid-Komposite
Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zielsetzung war die Entwicklung einer Prozesskette, mit der oxidische kurzfaserverstärkte Keramikbauteile mit erhöhter Zähigkeit und akzeptabler Festigkeit hergestellt werden können. Im Rahmen der Feedstockentwicklung wurden Pulver-Faser Mischungen in unterschiedlichen Verhältnissen erzeugt und mit einem konventionellen Binder versetzt wobei der Feststoffanteil stets bei 50 Vol.% lag. Sowohl die Drehmomentkurven im Messkneter als auch Viskositätsmessungen ergaben eine prinzipielle Verarbeitbarkeit durch Pulverspritzgießen auch bei Faseranteilen von bis zu 50 Vol.%. Dabei reduzierten sich die mittleren Faserlängen auf ca 200 – 300 µm. Spritzgegossene Grünlinge verschiedener Geometrie wurden unter variierenden Parametern gesintert. Dabei ergab sich erwartungsgemäß eine steigende Dichte (bis ≥ 60% theor. Dichte) bei höherer Sintertemperatur, allerdings führte ein steigender Faseranteil offenbar zu einer wachsenden Kompaktierungsbehinderung. Zur Erforschung des Einflusses der scherinduzierten Faserorientierung wurde ein Durchströmungsformeinsatz konstruiert und hergestellt, mit dem die Scherzone sukzessive über den gesamten Probenquerschnitt ausgedehnt werden konnte. Die Orientierungsprofile wurden mittels CT bestimmt und höhere Sinterdichten im Vergleich zu konventionell spritzgegossen Proben festgestellt. Die mechanische Charakterisierung ergab für vollorientierte Probekörper ab etwa 40 Vol.% Fasern tendenziell die angestrebte Erhöhung der Bruchdehnung, allerdings bei relativ niedrigen Festigkeiten. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die angestrebte Entwicklung der CMC-PIM Prozesskette realisiert und das erste Probebauteile charakterisiert werden konnten. Zu erwartende Effekte während des Verarbeitungsprozesses wie die Reduzierung der Faserlängen und die Behinderung der Sinterkompaktierung konnten verifiziert werden. Die im konventionellen Pulverspritzgießen nicht oder störend auftretende Partikelorientierung wurde erstmals gezielt eingestellt um das Eigenschaftsprofil zu verbessern. Die Bruchcharakteristik derartiger Probekörper konnte so in Richtung auf ein quasiduktiles Verhalten positiv beeinflusst werden. Somit korrelierten die Ergebnisse der mechanischen Charakterisierung mit theoretischen Betrachtungen aus der Literatur. Themen für zukünftige Forschungsvorhaben sind die Untersuchung und weitere Steigerung der Kompaktierbarkeit in Abhängigkeit vom Orientierungsgrad bis zur Annäherung an das WIC-Konzept. Für die Simulation von Herstellprozess und Eigenschaftsprofil ist an eine Kopplung von Füllkalkulation und Orientierungsberechnung zu denken.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Process Development for the Ceramic Injection Molding of Oxide Chopped-fiber reinforced Aluminum Oxide. Key Engineering Materials 2017, 742, 231-237
Tülümen, M.; Hanemann, T.; Hoffmann, M.; Oberacker, R.; Piotter, V.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.742.231) - Process development for the powder injection molding of short fiber reinforced ceramic-matrix-composites. ECerS 2017: 15th Conference & Exhibition of the European Ceramic Society 2017, Budapest, Ungarn, 9th - 14th July 2017, 122
Tülümen, M.; Piotter, V.; Hanemann, T.; Oberacker, R.; Ehreiser, B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.5445/IR/1000060264) - J. Japan Society Powder and Powder Metallurgy 2018, 65, 7, 427-430
Piotter, V.; Plewa, K.; Oberacker, R.; Tülümen, M.; Wagner, J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.2497/jjspm.65.427) - Processing of Short-fibre Ceramic Matrix Composites by CIM. Powder Injection Moulding International 2018, 12, 1, 4-6
Piotter, V.; Klein, A.; Tülümen, M.; Ehreiser, B.; Oberacker, R.
- Investigation of Feedstock Preparation for Injection Molding of Oxide-Oxide Ceramic Composites. J. Manuf. Mater. Process. 2019, 3, 9
Tülümen, M.; Hanemann, T.; Piotter, V.; Stenzel, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/jmmp3010009) - Investigation of the processing behavior of non-spherical particles. Proc. of Euro PM 2019 Conference, Maastricht, 13. - 17.10.2019. ISBN: 978-I-899072-51-4
Piotter, V.; Klein, A.; Plewa, K.; Tülümen, M.; Walter, H.
- Process development for the ceramic injection molding of oxide chopped fiber reinforced CMCs. Key Engineering Materials 2019, 809, 148-152
Tülümen, M.; Piotter, V.; Hanemann, T.; Oberacker, R.; Ehreiser, B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.809.148)
