Development of the powder injection moulding process and evaluation of the property profile of short-fiber reinforced oxide-oxide-composites
Materials in Sintering Processes and Generative Manufacturing Processes
Final Report Abstract
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.
Publications
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