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Dies ist der erste Teil eines Artikels mit einer eingehenden Beschreibung des
Vakuum-Entbindern und Vakuumsintern. Sie werden Gelegenheit haben,
Ihr Wissen zu diesem Thema zu erweitern. Schritt für Schritt möchte ich Ihnen das
nötige Fachwissen vermitteln, damit Sie die vor Ihnen liegenden Herausforderungen
erfolgreich meistern können. Ich möchte Ihnen auch einige nützliche Tipps dazu geben,
wie Sie für Ihre Anwendung die besten Entscheidungen treffen, um sicherzustellen,
dass Sie ein perfektes Sintern erzielen.
Vorteile des Vakuumsintern
Komponenten, die gesintert werden müssen, sind häufig empfindlich und kompliziert
und können bei der Herstellung leicht beschädigt werden. Das Sintern umfasst die
Wärmebehandlung von Materialpulver, um eine einwandfreie Verschmelzung
der einzelnen Partikel sicherzustellen. Diese interpartikuläre Verbindung wird durch
die atomare Diffusion gewährleistet, die durch hohe Temperaturen
thermodynamisch begünstigt wird. Diese Behandlung dient im Wesentlichen dazu, eine
hohe Qualität des Endmaterials zu erzielen, insbesondere in puncto Dichte, Porosität
und mechanische Festigkeit. Die Eigenschaften des Endprodukts, insbesondere die
Oberflächengüte und die mechanischen Eigenschaften, können durch das Sintern
in einem Vakuumofen verbessert werden. Damit werden eine Reduzierung der
Oxidation der einzelnen Partikel und ein anschließendes verbessertes Verschmelzen
garantiert.
Das Pressen von Metallpulvern, das Metallpulverspritzgießen
(MIM-Verfahren), das 3D-Drucken und andere vergleichbare
Technologien können in großem Maße von der besseren Qualität und Flexibilität des
Vakuumsinterns profitieren.
Das Sintern in einem Vakuum ist eine effektive Methode zur Herstellung von Komponenten
mit besonderen Formen, denn dadurch wird der Aufwand der maschinellen Nachbearbeitung
in erheblichem Maße reduziert. Das sind die Vorteile des Vakuumsinterns
im Überblick:
- Saubere glänzende Teile
- Hervorragende Qualität
- Weniger Mängel
- Einfache Instandhaltung
- Flexibilität der Produktion
Entbindern: Der erste kritische Schritt beim Sintern
Damit wir in die Phase des Sintern ohne Mängel eintreten können, muss das Werkstück
zunächst entbindert werden. Die erste Entscheidung betrifft also das Verfahren zum
Entbindern der Werkstücke. Durch das Entbindern wird das primäre
Bindemittel von der geformten Komponente entfernt. Typischerweise wird das Entbindern
in mehreren Schritten durchgeführt, und das Werkstück durchläuft mehr als einen
Zyklus, um sicherzustellen, dass möglichst viel von dem Bindemittel
vor dem Sintern entfernt wird. Das genaue Verfahren hängt von der Art des verwendeten
Bindemittels ab. Abgesehen von Bindemitteln, für die es spezifische
Verfahren gibt, handelt es sich bei den meisten um Wärmebehandlungen, denen möglicherweise
eine Vorbehandlung im Wasser vorausgeht.
Dann stellt sich die Frage, ob man das Entbindern im gleichen
Ofen wie das anschließende Sintern durchführen sollte oder ob man einen spezifischeren
Ofen dafür nutzen sollte. Hier kann keine eindeutige Antwort gegeben werden, denn
es müssen gleich mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Dazu gehören unter anderem
die Anforderungen des Reinigungsverfahrens, die Zerbrechlichkeit der Werkstücke,
der Einsatz von menschlicher Arbeitskraft, Produktionsanforderungen, Energieverbrauch
und die erforderliche Verfahrensatmosphäre. Alle diese Faktoren spielen bei der
Beantwortung der Frage, ob das Entbindern und das Sintern in demselben Ofen
durchgeführt werden sollten, eine wichtige Rolle. Ich möchte nun näher
auf die einzelnen Faktoren eingehen.
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Entbindern und Sintern: Wie man den idealen Ofen auswählt
- Anforderungen des Reinigungsverfahrens Grundsätzlich kann
man sagen, dass das Entbindern und das Sintern gewissermaßen in Konflikt zueinander
stehen. Das Entbindern ist nämlich eigentlich ein „schmutziges“
Verfahren, was bedeutet, dass alle Substanzen, mit Ausnahme des Metallpulvers,
das wir zum Verschmelzen bringen wollen, unvermeidbar ihren Weg in den Ofen
finden. Dagegen muss das Sintern in einer möglichst reinen
Umgebung stattfinden, und alle Substanzen, wieder mit Ausnahme des Metallpulvers,
können die Eigenschaften des Produkts negativ beeinflussen. Wie wir später sehen
werden, gibt es hocheffektive Techniken, um diesen Konflikt aufzulösen und beide
Behandlungen im selben Ofen durchzuführen. Vor diesem Hintergrund sollten Sie
also prüfen, welche Vorgehensweise für Ihre Anwendung am besten geeignet ist.
Falls das von Ihnen verwendete Bindemittel besonders „schwierig“
ist oder falls Ihre Anwendung eine überdurchschnittlich hohe Reinheit erfordert,
kann es erforderlich sein, oder zumindest ratsam, das Entbindern in einem separaten
Ofen durchzuführen.
- Zerbrechlichkeit der Werkstücke Man sollte auf jeden Fall
daran denken, dass die Werkstücke nach dem Entbindern extrem zerbrechlich sind,
und dass sie beim Transport von einem Ofen in den anderen aufgrund von Vibrationen
zerbrechen können. Dieses Problem kann jedoch einfach gelöst werden, indem ein
Vorsintern im Entbinderofen durchgeführt wird (wobei dieser
Ofen in der Lage sein muss, die erforderlichen Temperaturen zu erreichen, also
höhere als beim Entbindern).
- Geplanter Einsatz von menschlicher Arbeitskraft Wenn das Entbindern
in demselben Ofen wie das Sintern durchgeführt werden kann, bietet das den Vorteil,
dass keine menschliche Arbeitskraft zum Transport der Werkstücke von einem Ofen
in den anderen eingesetzt werden müssen. Gerade bei hohen Produktionsanforderungen
kann dieser Vorteil extrem wichtig sein, denn dabei könnte man den Ofen abends
beladen, das Entbindern und Sintern könnte die Nacht über durchgeführt
werden und am nächsten Morgen könnten die fertigen Werkstücke entnommen werden,
ohne dass dafür eine Nachtschicht erforderlich wäre. Andererseits, bei einem
nur geringen Produktionsvolumen, das auch tagsüber erledigt werden kann, und/oder
falls das Personal ohnehin aus anderen Gründen im Dienst sein muss, verliert
dieser Vorteil an Relevanz.
- Produktionsanforderungen Falls die Produktion so überschaulich ist, dass
sie auch mit einem einzigen kleinen Ofen erledigt werden kann, könnte die Anschaffung
eines separaten Ofens für das Entbindern eine übermäßige finanzielle
Belastung darstellen. Dabei muss berücksichtigt werden, dass unter einem bestimmten
Limit die Kosten des Ofens durch die Verringerung des Nutzvolumens nicht weiter
reduziert werden können. Bei einer hohen Produktion, oder falls die Produktion
beträchtlich ansteigt, könnte die Anschaffung eines Entbinderofens finanziell
durchaus sinnvoll sein, denn diese Öfen sind beim Vergleich mit dem Nutzvolumen
zweifellos kostengünstiger. Falls der Einsatz von zwei Öfen vorgesehen ist,
sollte man bei der Auswahl der Ofenkapazitäten unbedingt berücksichtigen, dass
das thermische Entbindern länger dauern kann, als das Sintern.
Falls beispielsweise das Entbindern doppelt so lange dauert wie das Sintern,
dann sollte auch die Kapazität des Entbinderofens doppelt so
hoch sein, um etwaige Engpässe zu vermeiden. Ebenso wie die Volumenverhältnisse
muss auch das Verhältnis zwischen einzelnen Längen studiert werden, um den Transport
der Ladung von einem Ofen zum anderen zu ermöglichen.
- Energieverbrauch Sofern alle anderen Bedingungen gleich bleiben, ist es
offensichtlich, dass die aufeinanderfolgende Durchführung beider Verfahren in
demselben Ofen in puncto Energieeinsparungen Vorteile bringen
würde. Denn beim Einsatz von zwei Öfen müssten die Werkstücke zunächst im Entbinderofen
abgekühlt und dann im Sinterofen wieder erhitzt werden. Man sollte jedoch berücksichtigen,
dass die im Entbinderofen verbrauchte Energie von der im Sinterofen
verbrauchten Energie beträchtlich abweichen kann. Lassen Sie uns als Beispiel
einen typischen Heißwandofen zum Entbindern nehmen, mit einer Retorte, in der
die Ladung bearbeitet wird, wobei der Widerstand extern angebracht ist und mit
einer substanziellen Schicht aus feuerfestem Keramikmaterial. Wenn wir seinen
Verbrauch mit dem eines Graphitsinterofens vergleichen, werden
wir wohl zu dem Ergebnis kommen, dass der Verbrauch bei beiden etwa gleich ist.
Das oben angeführte Argument könnte also hier zutreffen. Wenn wir jedoch einen
Metallsinterofen haben, und falls der Partialdruck während des Entbindern hoch
ist, dann wäre der Energieverbrauch des Metallsinterofens höher,
aufgrund der eingeschränkten Effizienz der Metallabschirmung beim Vorhandensein
einer Konvektion.
- Erforderliche Verfahrensatmosphäre Bei vorigen Kommentaren
haben wir spekuliert, dass Entbinderöfen beträchtlich teurer sind als
Sinteröfen. Das ist sicherlich richtig, falls die Verfahrensatmosphäre
inert ist (typischerweise Vakuum, Argon oder Stickstoff). Falls jedoch eine
Atmosphäre mit entzündlichen Gasen erforderlich ist, wie zum Beispiel
Wasserstoff, könnten die erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen
dazu führen, dass die Kostendifferenz an Relevanz verliert, und dass die anderen
Punkte zugunsten der Durchführung beider Verfahren in einem Ofen überwiegen
würden.
Haben Sie noch weitere Fragen zum Entbindern? Für Fragen stehe ich Ihnen sehr
gerne zur Verfügung. Ebenso gerne kann ich Ihnen noch weitere Informationen und
Tipps zum Entbindern und Sintern bereitstellen.
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Metallpulverspritzgießen (MIM-Verfahren), das 3D-Drucken
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