Keramisches Spritzgussverfahren

Beschreibung

Stand der Technik:

[0001] Die Erfindung geht aus von einem keramischen Spritzgussverfahren nach der Gattung des Hauptanspruches, bzw. der Nebenansprüche 8 und 11.

[0002] Aus dem Stand der Technik ist das keramische Spritzgussverfahren zur Herstellung endkonturfertiger, keramischer Formteile mit geringen Taktzeiten und hohen Stückleistungen bekannt. Bei diesen Verfahren wird der keramischen Masse ein thermoplastischer Kunststoff beigemischt, sodass hierdurch die Formgebung der keramischen Spritzgussteile im Wesentlichen der Formgebung von Kunststoff-Spritzgussteilen entspricht. Die so hergestellte Mischung aus Kunststoff und Keramik wird zunächst auf 150 °C bis 250 °C aufgeheizt, sodass der Kunststoffanteil der Mischung flüssig wird, bevor sie unter hohem Druck in eine gekühlte Spritzgussform eingespritzt wird. Nach dem Spritzvorgang erstarrt der Kunststoff, und der abgekühlte Formling hat eine ausreichende Festigkeit, um problemlos entformt und weiterbehandelt zu werden. Hierbei ist nun aber erforderlich, dass die so hergestellten Formlinge in einem langwierigen thermischen, katalytischen oder lösungsmittelgestützten Entbindungsprozess vom Kunststoff befreit werden. Da sich zur Bindung der feinkörnigen keramischen Massebestandteile ein sehr hoher Volumenanteil an Kunststoff in der Kunststoff-Keramik-Mischung befindet, entstehen bei der Entbinderung hochporöse Formteile, deren Volumen sich deshalb beim nachfolgenden Sinterprozess stark verkleinert, sodass im Material der Formteile Spannungen entstehen, die zu Rissen und inneren Gefügeschäden führen können. Zur Vermeidung solcher Schädigungen sind schonende und sehr viel Zeit in Anspruch nehmende Entbindungs- und Brennintervalle erforderlich. Bspw. kann bei dickwandigen Formteilen eine solche Entbindung zur Vermeidung von Schwindungsrissen mehrere Wochen dauern. Zudem ist es erforderlich, die dabei ausgasenden und unverbrannten Kunststoffe, die mit den Rauchgasen den Ofen verlassen, mit Hilfe einer Nachbrennung zu beseitigen.

[0003] Bei einem anderen aus dem Stand der Technik bekannten keramischen Spritzgussverfahren wird der keramischen Masse ein wasserlösliches Bindemittel beigemischt, das im Anschluss an den Spritzgießvorgang teilweise mit Wasser aus dem Formling herausgewaschen werden kann. In den Bereichen des ausgewaschenen Bindemittels ergeben sich hierbei Kanalstrukturen, die beim folgenden Sintern der Keramik eine verbesserte Sauerstoffzufuhr ins Bauteilgefüge ermöglichen und ebenfalls zu einer starken Verkleinerung des Keramikteiles und zu Spannungen im Keramikmaterial führen. Reste des Bindemittels führen beim sich anschließenden keramischen Brand zudem zur Bildung von Schwelgasen mit Anteilen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, die eine zusätzliche Reinigung dieser beim Brennprozess austretenden Rauchgase erforderlich machen.

Die Erfindung und ihre Vorteile:

[0004] Das keramische Spritzgussverfahren gemäß der Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches und der Nebenansprüche 8 und 11 hat demgegenüber die Vorteile, dass beim Sintern der keramischen Formteile der Prozess der Entbinderung vollkommen entfällt und beim Sintervorgang keine Poren und Kanäle wie beim konventionellen Spritzguss mit Thermoplasten auftreten, die zu einer starken Verringerung der Volumens der Keramikteile und damit zu erhöhten Spannungen im Keramikmaterial führen. Beim erfindungsgemäßen Spritzgussverfahren entfällt zudem eine Reinigung der Rauchgase wegen fehlender ausgasender Kunststoffe und der damit verbundenen Bildung von Schwelgasen.

[0005] Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Formling nach der Formgebung in der Spritzgussform in einem konventionellen Trockner auf einen Restfeuchtegehalt von weniger als 1% getrocknet. Das Auftreten von Schwelgasen beim nachfolgenden Sinterprozess wird durch die nicht vorhandene Organik im zu brennenden Spritzgussteil vollständig vermieden.

[0006] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Spritzgussform zur Beschleunigung des Aushärtens der Mischung aufgeheizt.

[0007] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden das Wasserglas und die keramische Masse in einem Volumenverhältnis von 1 bis 12 Teilen Wasserglas auf 100 Teile keramische Masse insb. in einem Volumenverhältnis von 5 Teilen Wasserglas auf 100 Teile keramische Masse gemischt. Erfahrungsgemäß ergeben sich mit diesen Volumenverhältnissen die qualitativ besten Keramikprodukte.

[0008] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Aushärtmedium CO₂-Gas bzw. eine gasförmige oder eine flüssige Säure verwendet. Das Aushärten findet hiermit vor dem Sinterprozess und ohne Materialschwund statt.

[0009] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden Alkylsilikonharze und die keramische Masse in einem Volumenverhältnis von 1 bis 11 Teilen Alkylsilikonharz auf 100 Teile keramische Masse insb. in einem Volumenverhältnis von 7 Teilen Alkylsilikonharz auf 100 Teile keramische Masse gemischt. Dies ermöglicht ein sehr schnelles Aushärten bei einer problemlos realisierbaren Temperatur der Spritzgussform.

[0010] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Geliermittel und die keramische Masse in einem Volumenverhältnis von 0,5 bis 13 Teilen Geliermittel auf 100 Teile keramische Masse, vorzugsweise in einem Volumenverhältnis von 8 Teilen Geliermittel auf 100 Teile keramische Masse gemischt. Bei der nachfolgenden Temperaturbehandlung einer Mischung mit diesem Volumenverhältnis ergeben sich erfahrungsgemäß die besten Resultate.

[0011] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Spritzgussform während- oder nach dem Spritzgussvorgang unter elektrische Spannung gesetzt, was ein Ablösen der Formteile aus der Spritzgussform sehr erleichtert.

[0012] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Spritzgussform durchgehende Kanäle in ihren materialberührenden Flächen auf, wodurch diese Innenflächen der Spritzgussform zur schnellen Kontaktierung und Aushärtung der Spritzgussteile mit Gas belüftet oder mit einer Säure benetzten werden können, wodurch dann die Verfestigungsreaktion mit der Spritzgussmasse stattfindet und mit denen ebenfalls nach der Verfestigung der Spritzgussteile durch eine Belüftung der Kanäle mit Luft ein Ausstoß der Formteile aus der geöffneten Spritzgussform erfolgen kann.

[0013] Nach weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung sind die produktberührenden Flächen in der Spritzgussform aus Gips oder aus Kunststoff mit einer porösen Materialstruktur oder aus einem Gips-Metallverbund oder aus einem Kunststoff-Metallverbund hergestellt, durch welche die Spritzgussformen belüftbar werden.

[0014] Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen entnehmbar.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele:

[0015] Einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Spritzgussverfahrens werden im Folgenden näher beschrieben.

[0016] Bei jedem der im Folgenden näher erläuterten Spritzgussverfahren liegt zunächst Anmachwasser vor, in das das Binde- oder Reaktionsmittel eingemischt wird und das dann anschließend mit den keramischen Rohstoffen homogen vermischt wird und dann als fertige Spritzgussmasse nach dem Einspritzen in die Spritzgussform durch thermische- oder Fällungsreaktionen verfestigt. Diese bei der Verfestigung ablaufende anorganische Polymerisation oder Fällungsreaktion findet innerhalb der Materialmatrix statt, ohne dass dabei der Einsatz von thermisch zu schmelzenden Bindemitteln, wie bspw. von Trägerkunststoffen, erforderlich wäre. Der auf diese Weise hergestellte Formling weist eine ausreichende Festigkeit auf, um zur Herstellung eines Endproduktes weiterverarbeitet zu werden.

Beispiel 1:

[0017] Der keramischen Masse wird als Bindemittel Wasserglas beigemischt, sodass das Volumenverhältnis von Wasserglas zur restlichen keramischen Masse 1 % bis 12 %, vorzugsweise 5 % beträgt. Wasserglas ist eine wässrige Alkalisilikat-Lösung im vorliegenden Fall bevorzugterweise auf der Basis von Natrium oder Kalzium, dass es sich in die keramischen Masse gut einmischen lässt.

[0018] Im weiteren Verlauf des Verfahrens wird die Mischung aus keramischer Masse und Wasserglas einer Spritzgussmaschine zugeführt, wobei diese Mischung bereits während der Einspritzens in die Spritzgussform, oder in der Spritzgussform selber einem CO₂-Gas oder einer gasförmigen oder flüssigen Säure ausgesetzt wird, was zu einer weitgehenden Aushärtung der Mischung führt. Chemisch ist dieser Aushärteprozss mit einer Ausfällung von SiO₂ verbunden. Hierbei kann noch eine erhebliche Beschleunigung des Aushärteprozesses bewirkt werden, wenn der Mischung in der Spritzgussform noch zusätzlich Wärme zugeführt wird, indem die Spritzgussform beheizt wird.

[0019] Vor dem nachfolgenden Brand wird der aus Keramik und Wasserglas bestehende Formling insoweit getrocknet, dass sich ein Restfeuchtegehalt von weniger als 1% ergibt.

Beispiel 2:

[0020] Der keramischen Masse wird als Bindemittel Alkylsilikonharz beigemischt, sodass das Volumenverhältnis von Alkylsilikonharz zur restlichen keramischen Masse 1% bis 11%, vorzugsweise 7% beträgt.

[0021] Im weiteren Verlauf des Verfahrens wird diese letztere Mischung in eine auf 100 °C bis 200 °C aufgeheizte Spritzgussform gespritzt, wodurch eine sehr schnelle Verfestigung des Harzanteiles dieser Mischung eintritt, sodass der Formling problemlos der Spritzgussform entnommen und weiterverarbeitet werden kann.

Beispiel 3:

[0022] Als Bindemittel wird der keramischen Masse ein wasserlösliches Geliermittel, wie bspw. Agarose, ein aus Algen hergestelltes Polymer, beigemischt, sodass das Volumenverhältnis von Geliermittel zur keramischen Masse 0,5% bis 13%, vorzugsweise 8% beträgt.

[0023] Im weiteren Verlauf der Verfahrens wird diese letztere Mischung erhitzt, um anschließend in eine abgekühlte Spritzgussform eingespritzt zu werden.

[0024] Der eigentliche Spritzgießvorgang kann hierbei dadurch verbessert werden, dass die Spritzgussform unter elektrische Spannung gesetzt wird, was bewirkt, dass der Formling leichter aus der Spritzgussform abgelöst werden kann. Dieser Effekt wird auch erreicht, wenn die Spritzgussform belüftbare Flächen aus porösen Material, wie bspw. einem Sintermetall aufweist, um die Innenfläche der Form mit Luft zu belüften.

[0025] Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Spritzgussform außer aus Metall auch aus Gips, aus einem Kunststoff mit poröser Materialstruktur, aus einem Gips-Metallverbund oder aus einem Kunststoff-Metallverbund herzustellen, was zu einer Verbesserung des erfindungsgemäßen Spritzgussverfahrens beiträgt.

[0026] Die nach den obigen Verfahren hergestellten Formlinge werden anschließend auf die gleiche Weise gesintert, wie es bei konventioneller Silikatkeramik üblich ist, sodass hier nicht näher darauf eingegangen wird.

[0027] Alle in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Ansprüche

1. Keramisches Spritzgussverfahren mit folgenden Verfahrensschritten:

- Herstellung einer flüssigen oder plastischen keramischen Masse mit einem Bindemittel;

- Einspritzen der Mischung in die Spritzgussform einer Spritzgießmaschine und Herstellung eines Formlings;

- Sintern des Formlings in einem Sinterofen;

dadurch gekennzeichnet,

- dass als Bindemittel Wasserglas, d.h., eine wässrige Alkalisilikat-Lösung auf Natrium- oder Kalziumbasis verwendet wird;

- dass die Mischung zum Zweck des Aushärtens beim Einspritzen in die Spritzgussform und/oder bei der Formgebung in der Spritzgussform einem Aushärtmedium ausgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formling nach der Formgebung in der Spritzgussform konventionell wie Silikatkeramik auf einen Feuchtegehalt von weniger als 1% getrocknet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussform zur Beschleunigung des Aushärtens der Mischung aufgeheizt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserglas und die keramische Masse in einem Volumenverhältnis von 1 bis 12 Teilen Wasserglas auf 100 Teile keramische Masse gemischt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserglas und die keramische Masse in einem Volumenverhältnis von 5 Teilen Wasserglas auf 100 Teile keramische Masse gemischt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Aushärtmedium CO₂-Gas verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Aushärtmedium eine gasförmige oder eine flüssige Säure verwendet wird.

8. Keramisches Spritzgussverfahren mit folgenden Verfahrensschritten:

- Herstellung einer flüssigen oder plastischen keramischen Masse;

- Herstellung einer Mischung aus der keramischen Masse und einem Bindemittel;

- Einspritzen der Mischung in die Spritzgussform einer Spritzgießmaschine und Herstellung eines Formlings;

- Sintern des Formlings in einem Sinterofen;

dadurch gekennzeichnet,

- dass als Bindemittel Alkylsilikonharz verwendet wird;

- dass die Mischung zum Zweck des Aushärtens in eine auf 100°C bis 200°C aufgeheizte Spritzgussform eingespritzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkylsilikonharz und die keramischen Masse in einem Volumenverhältnis von 1 bis 11 Teilen Alkylsilikonharz auf 100 Teile keramische Masse gemischt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkylsilikonharz und die keramische Masse in einem Volumenverhältnis von 7 Teilen Alkylsilikonharz auf 100 Teile keramische Masse gemischt werden.

11. Keramisches Spritzgussverfahren mit folgenden Verfahrensschritten:

- Herstellung einer flüssigen oder plastischen keramischen Masse;

- Herstellung einer Mischung aus der keramischen Masse und einem Bindemittel;

- Einspritzen der Mischung in die Spritzgussform einer Spritzgießmaschine und Herstellung eines Formlings;

- Sintern des Formlings in einem Sinterofen;

dadurch gekennzeichnet,

- dass als Bindemittel ein Geliermittel, wie bspw. Agarose verwendet wird;

- dass die Mischung zum Zweck des Aushärtens zunächst aufgeheizt wird und anschließend in eine gekühlte Spritzgussform eingespritzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Geliermittel und die keramische Masse in einem Volumenverhältnis von 0,5 bis 13 Teilen Geliermittel auf 100 Teile keramische Masse gemischt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Geliermittel und die keramische Masse in einem Volumenverhältnis von 8 Teilen Geliermittel auf 100 Teile keramische Masse gemischt werden.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussform während des Spritzgießvorganges unter elektrische Spannung gesetzt wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussform durchgehende Kanäle in ihren produktberührenden Flächen aufweist.

16. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussform aus Gips hergestellt ist.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussform aus Kunststoff mit einer porösen Materialstruktur hergestellt ist.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussform aus einem Gips- oder Kunststoff-Metallverbund hergestellt ist.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussform aus einem gehärteten Stahl hergestellt ist.