Doppelschneckenextruder
Final Report Abstract
Untersuchung des wasserbasierten Bindersystems für den Pulverspritzguss von Mesophasen- Kohlenstoffpulver: Graphitformteile sind in ihrer Geometrie und Stückzahl stark begrenzt, da diese ausschließlich durch spanende Verfahren aus einfach geformten Halbzeugen hergestellt werden können. Am ZMP wurde im Rahmen des Projekts Carbotec ein Pulverspritzguss-Prozess für die Herstellung komplexer Graphitformteile entwickelt, bei dem das standardmäßig zum Pressen verwendete pulverförmige Rohmaterial verwendet wird. Hierfür wurden / werden mit dem Doppelschneckenextruder Formmassen hergestellt und mittels Heißabschlag der Strang zu einem spritzgießfähigem Granulat verarbeitet. Für ein Grundlegendes Verständnis des Binders bestehend aus Agar und Wasser, wurde das Agar-Wasser-Verhältnis, der Pulvervolumengehalt und der Additivgehalt variiert und zahlreiche Feedstocks hergestellt. Es zeigte sich ein direkt proportionaler Zusammenhang zwischen Agargehalt und erreichter Braundichte (getrocknet) und Sinterdichte, d.h. je höher der Agargehalt, desto dichter und fester die Proben. Begrenzt wird der Agargehalt durch die viskositätssteigernde Wirkung (abnehmendes Fließlänge) und die Zunahme von Entbinderungsdefekte, da das Agar bei der thermischen Zersetzung in gasförmige Zersetzungsprodukte zerfällt und somit bei gleichzeitig sinkender Porosität der Gasdruck zunimmt. Das Additiv Kaliumtetraborat sorgt für eine deutliche Steigerung der Gelstärke des Agar und somit zu einem größerem Trocknungsschwund, einer höheren Braundichte und einem besseren Versintern der dichter gepackten Partikel. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse konnte im Folgenden durch Verstärkung des Binders mit Kaliumtetraborat der Gesamtbindergehalt reduziert und sukzessiv die Thermoprozessierung beschleunigt werden. Erst durch die hohen Heizraten werden die schwach sinterfähigen Kohlenstoffpartikel dicht versintert, da so die temporäre Entstehung schmelzflüssiger Phasen aktiviert wird. Es können nun komplex geformte Kohlenstoffproben hergestellt werden, die sehr ähnliche Eigenschaften wie kommerzielle hochfeste Feinstkorngraphite aufweisen, das Material jedoch homogener ist und die Eigenschaften weniger streuen. In dem durch die Bayerische Forschungsstiftung (BFS) geförderten Projekt „Endkonturnahe Kohlenstoff- Formteile“ wurden und werden zusammen mit einem Partner aus der Industrie die Grundlagen für die Herstellung erster Prototypen eines Wälzlagerkäfigs aus Kohlenstoff geschaffen. Des Weiteren wurden Formmassen für die Lehrstühle „Werkstoffkunde und Technologie der Metalle“ (WTM) und „Glas und Keramik“ hergestellt. Pulverspritzguss von Zahnimplantaten aus Titan: Am ZMP wurden und werden derzeit verschiedene Titanbauteile, wie z.B. Zahnimplantate (Projekt im Rahmen des Medical Valley EMN), im Pulverspritzguss hergestellt. Die dafür eingesetzten Feedstocks wurden mit dem Doppelschneckenextruder in Kombination mit dem Heißabschlag gemischt und zu Granulat weiterverarbeitet. Die spritzgießfähigen Granulate unterscheiden sich in Pulverart, -gehalt und der jeweiligen Binderzusammensetzung, die in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Kunststofftechnik (LKT) optimiert wird. Mit Hilfe des Doppelschneckenextruders können somit auch kleine Feedstock-Chargen mit unterschiedlicher Zusammensetzung hergestellt und der Einfluss einzelner Komponenten auf die späteren Bauteileigenschaften untersucht werden. Dies bietet im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Feedstocks einen erheblichen Vorteil, da hier in der Regel eine Mindestmenge abgenommen werden muss und nur Formmassen basierend auf erprobten, zertifizierten Bindersysteme frei verkäuflich sind. Bisher wurden sowohl TiAl6V4-Feedstocks als auch Feedstocks basierend auf Titanhydrid mit dem Doppelschneckenextruder am ZMP gemischt. Die so erzeugten Formmassen wurden im Spritzguss zu Bauteilen (Dentalimplantaten) und Proben für die mechanische Charakterisierung weiterverarbeitet. Zukünftig sollen weitere Systeme basierend auf Titan und Titanlegierungen untersucht werden. Dabei ist der Doppelschneckenextruder ein wichtiges technisches Gerät zur Herstellung des eigenen Feedstocks.
Publications
- Net-Shape Processing of Graphite via Powder Injection Molding of Mesophase Carbon with Tailored Binder Strength. Carbon Conference 2009, Biarritz
Sommer, Rottmair, Singer
- Optimizing Mechanical Properties of Injection Moulded Graphite Parts using a Two Phase Mesophase Carbon Powder System. Carbon Conference 2009, Biarritz
Sommer, Rottmair, Singer
- High Cycle Fatigue of Injection Moulded Carbon. Carbon Conference 2012, Krakau
Sommer, Kellermann, Singer
