DE10320464B4 - Use of a molding compound for the production of sintered molded parts - Google Patents
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Abstract
Verwendung
einer Formmasse zur Herstellung von gesinterten Formteilen, enthaltend
ein sinterfähiges
pulverförmiges
Material und ein thermoplastisches Bindemittel auf der Basis von
Polyamid (PA),
wobei
die Formmasse einen Katalysator aufweist,
der die Entbinderung fördert
sowie zu einem Teil des gesinterten Formteils reagiert
dadurch
gekennzeichnet, dass
a) das Material aus Glaspulver und der
Katalysator aus NaOH und/oder KOH besteht oder
b) das Material
aus Aluminiumoxidpulver und der Katalysator aus saurem oder basischem
Aluminiumoxid besteht oder
c) das Material aus einer Nitridkeramik
und der Katalysator aus Amiden oder Aminen der Metalle, auf denen
die Nitride basieren, bestehen.Use of a molding composition for the production of sintered molded parts, comprising a sinterable powdery material and a thermoplastic binder based on polyamide (PA),
in which
the molding composition comprises a catalyst which promotes binder removal and reacts to a part of the sintered molding
characterized in that
a) the material consists of glass powder and the catalyst consists of NaOH and / or KOH or
b) the material consists of alumina powder and the catalyst of acidic or basic alumina or
c) the material consists of a nitride ceramic and the catalyst of amides or amines of the metals on which the nitrides are based exist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Verwendung einer Formmasse zur Herstellung von gesinterten Formteilen, enthaltend ein sinterfähiges pulverförmiges Material und ein thermoplastisches Bindemittel auf der Basis von Polyamid (PA) sowie einen Katalysator gemäß Anspruch 1.The The invention relates to a use of a molding composition for the production of sintered moldings containing a sinterable powdered material and a thermoplastic binder based on polyamide (PA) and a catalyst according to claim 1.
Formmassen zur Herstellung von Sinterstrukturen mittels pulvermetallurgischen Herstellungsverfahren enthalten neben einem sinterfähigen Materialpulver einen Binderanteil, mit dem eine erforderliche mechanische Stabilität eines aus der Formmasse geformten Grünkörpers vor einer Wärmebehandlung im Rahmen des Sinterprozesses einstellbar ist. Während der Binder vor oder bei dem eigentlichen Sinterprozess über verschiedene Verfahren, beispielsweise thermisch entfernt wird, sintert das Materialpulver zu einem festen Körper zusammen.molding compounds for the production of sintered structures by means of powder metallurgy Manufacturing process included in addition to a sinterable material powder a binder content with which a required mechanical stability of a From the molding compound shaped green body before a heat treatment is adjustable in the context of the sintering process. While the binder before or at the actual sintering process over various methods, for example thermally removed, Sinters the material powder into a solid body.
Die derzeit im industriellen Einsatz befindlichen bzw. in Forschungsprojekten verwendeten Bindersysteme beruhen zum überwiegenden Teil auf Wachs bzw. Polymer/Wachs-Mischungen, welche sich durch einfaches Aufheizen nahezu restlos aus den Grünkörper entfernen lassen. Ein entbinderter Grünkörper wird vor dem Sinterprozess im Allgemeinen Braunkörper genannt.The currently in industrial use or in research projects used binder systems are based predominantly on wax or polymer / wax mixtures which are easily heated remove almost completely from the green body to let. A debilitated green body becomes before the sintering process generally called brown body.
Aufgrund des insgesamt geringen Polymerisationsgrades der derzeit industriell eingesetzten Bindersysteme ist die Festigkeit sowohl der Formmassen sowie der hieraus hergestellten Grünkörper sehr begrenzt, was insbesondere bei der Herstellung von Mikroformkörpern und Mikrokomponenten zu unakzeptablen Ausschussraten führt. Auch für einen Einsatz in der Dickfilmtechnik, beispielsweise bei einer Leiterplattenherstellung in der Mikroelektronik, sind diese Formmassen ungeeignet, da sie bereits bei zu geringen Temperaturen schmelzen und eine exakte Strukturierung praktisch unmöglich machen.by virtue of the overall low degree of polymerization of currently industrial The binder systems used is the strength of both the molding compositions and the green body produced therefrom very limited, which in particular in the production of microforming bodies and microcomponents leads to unacceptable reject rates. Also for use in thick film technology, For example, in a printed circuit board manufacturing in microelectronics, are These molding compounds unsuitable, since they are already at low temperatures melt and make an exact structuring virtually impossible.
Zur Vermeidung der zuvor genannten Nachteile und zur Erweiterung des Anwendungsspektrums strebt man an, den Polymerisierungsgrad von Bindern signifikant zu erhöhen. Ein Weg zu diesem Ziel führt über einen Einsatz von thermoplastischen Polymeren als Bindersysteme, welche jedoch nur über eine katalytische Reaktion effektiv und rückstandsfrei aus dem Grünkörper entfernbar sind.to Avoiding the aforementioned disadvantages and to extend the The application spectrum is aimed at the degree of polymerisation of binders significantly increase. One way to this goal is via one Use of thermoplastic polymers as binder systems, which but only about a catalytic reaction effectively and residue-free from the green body removable are.
In
der
Bei der Herstellung von metallischen Sinterstrukturen sind aber säurehaltige Atmosphären bei der Entbinderung oft problematisch und daher unerwünscht, da das in der Formmasse eingesetzte metallische Materialpulver eine große spezifische Oberfläche und damit eine ausgeprägte Neigung zur Oxidation aufweist. Auch sind Verfahren mit säurekatalytischen Atmosphären aus gesundheitlichen Gründen nicht unproblematisch und erfordern entsprechend aufwendige Sicherheitsvorkehrungen. Zudem weisen die eingesetzten Polyoxymethylene (POM) eine begrenzte Festigkeit auf, welche beispielsweise für die Herstellung von mikrotechnischen Strukturen mit hohem Fließlängen- zu Wanddickenverhältnissen mit den hierfür üblichen Abformverfahren an seine Grenzen stößt.at However, the production of metallic sintered structures are acidic atmospheres in the debinding often problematic and therefore undesirable since the metallic material powder used in the molding compound size specific surface and thus a pronounced Has tendency to oxidation. Also, processes with acidic catalytic atmospheres not for health reasons unproblematic and require correspondingly elaborate safety precautions. In addition, the polyoxymethylenes (POM) used have a limited Strength, which, for example, for the production of microtechnical Structures with high flow-length to Wall thickness ratios with the usual for this Abformverfahren reaches its limits.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Verwendung einer Formmasse vorzuschlagen, welche die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht oder nur im deutlich geringeren Maße aufweist. Insbesondere soll die Formmasse eine größere mechanische Festigkeit aufweisen und in einer weniger problematischeren Atmosphäre rückstandsfrei entbinderbar sein.From that Based on the object of the invention, a use of a molding composition to propose, which does not have the disadvantages described above or only to a much lesser extent. In particular, should the molding compound a larger mechanical Have strength and residue in a less problematic atmosphere be debindable.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.The Task is solved by the features of the first claim. advantageous Embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Das wesentliche Merkmal der Erfindung betrifft die Verwendung eines thermoplastischen Binders auf der Basis von Polyamid (PA) (vorzugsweise Polycaprolactam) in der Formmasse, welche außer dem Binder mindestens noch aus einem sinterfähigen pulverförmigen Material und einem Katalysator besteht. Formmassen mit einem derartigen Binder lassen sich nicht nur gut verarbeiten, sondern weisen auch gegenüber Formmassen mit Bindern auf der Basis von POM eine um mindestens 20% erhöhte Festigkeit auf. Als geeignete Polyamide dienen dabei Polycaprolactame, Polyamid 6(E-Modul 3000 MPa, Streckspannung 80 MPa), Polyamid 6.6 (E-Modul 3000 MPa, Streckspannung 64 MPa) oder Polyamid 12. Da der Binder die bei einer Verarbeitung der Formmasse und anschließend des Grünkörpers auftretenden Temperaturen einerseits sicher überstehen muss und andererseits keine unerwünschten Formänderungen hervorrufen darf, stellt die Verwendung von Polyamiden eine vorteilhafte Erweiterung der Verarbeitungsmöglichkeiten von den mit einem derartigem Binder versehenen Formmassen dar. Damit dieser Vorteil für die Verarbeitung nicht durch Nachteile wieder eingeschränkt wird, ist der Binder mit Hilfe eines geeigneten exakt konfektionierten Katalysators, d.h. ohne einen thermisch gestützten Entbinderungsprozess entfernbar.The essential feature of the invention relates to the use of a thermoplastic binder based on polyamide (PA) (preferably polycaprolactam) in the molding composition, which consists of at least one sinterable powdery material and a catalyst in addition to the binder. Molding compounds with such a binder can not only be processed well, but also have a strength which is increased by at least 20% compared with molding compositions with binders based on POM. Polycaprolactams, polyamide 6 (modulus of elasticity 3000 MPa, yield stress 80 MPa), polyamide 6.6 (modulus of elasticity 3000 MPa, yield stress 64 MPa) or polyamide 12 serve as suitable polyamides. Since the binder forms the material used in the processing of the molding composition and then the Green body occurring temperatures must on the one hand safely survive and on the other hand must not cause undesirable changes in shape, the use of polyamides represents an advantageous extension of the processing capabilities of the molding compositions provided with such a binder. So that this advantage for processing is not limited by disadvantages, is the Binder with the help of a suitable exactly assembled catalyst, ie without a thermally supported Ent Binding process removable.
Dieser Vorgang der Entbinderung mit Hilfe ist optional auch in zwei Stufen durchführbar. Dabei erfolgt in einer ersten Stufe ein vorzugsweise druckloser chemischer Abbau des PA an den Stellen, wo dieses in direktem Kontakt mit dem Katalysator steht. Hierdurch entseht auch ein Porensystem in der PA-Fraktion des Grünkörpers, welches auf den weiteren Entbinderungsprozess fördernd wirkt. In einer optionalen zweiten Stufe wird die weitere Entbinderung allerdings durch eine thermische Prozess unterstützt, wobei es zu einer beschleunigten Zersetzung des PA kommt. Dabei ist zu beachten, dass die zweite Stufe der Entbinderung erst dann vorsehbar ist, wenn das Porensystem im Grünkörper einen bestimmten Volumenanteil eingenommen hat, ab dem mögliche Volumen einnehmenden Zersetzungsprodukte durch diese aufgenommen werden und nicht zu einer Zerstörung des Grün- bzw. Braunkörpers führen. Die für die zweite Stufe erforderlichen Temperaturen erreichen aber bei weitem nicht die Temperaturen, welche für eine ausschließlich thermische Entbinderung erforderlich wären.This Process of debinding with help is optional also in two stages feasible. In this case, in a first stage, a preferably depressurized chemical degradation of PA in the places where this in direct contact with the catalyst. This also creates a pore system in the PA fraction of the green body, which promotes the further debindering process. In an optional second stage, however, the further debindering by a supported by thermal process, there is an accelerated decomposition of the PA. It is too Note that the second stage of debindering is only then foreseeable is when the pore system in the green body one determined volume fraction, from the possible volume engaging decomposition products are absorbed by these and not to destruction of green or brown bodies to lead. The for but the second stage required temperatures reach far not the temperatures, which for a purely thermal Debinding would be required.
Die Formmassen weisen einen Katalysator auf, welcher einerseits ein Lokalpotential zur Elektronendichteverschiebung an mindestens einer Komponente des Binders aufweist, andererseits zu einen Teil des Produktes oder zu dem Werkstoff, aus welchem das Material besteht, reagiert. Er erscheint somit im gesinterten Bauteil, d. h. nach der Entbinderung und nach der Sinterung, in besonders vorteilhafter Weise nicht als zusätzliche Komponente und verlässt dabei auch das Bauteil nicht.The Molding compounds have a catalyst, which on the one hand a Local potential for electron density shift at least one Part of the binder, on the other hand, part of the Product or to the material of which the material is made, responding. It thus appears in the sintered component, i. H. to debinding and after sintering, in particularly advantageous Way not as additional Component and leaves while the component is not.
Der eingesetzte Katalysator stellt eine basische oder saure Modifikation des Materials dar. Der Katalysator bewirkt ferner in vorteilhafter Weise eine Erhöhung der Sinteraktivität des Materials, wodurch eine geringere Sintertemperatur zum Sintern vorzusehen ist. Dies bewirkt eine signifikante Reduzierung der Heizenergie für den Sinterprozess. Dieser Effekt ist durch eine sehr feine Partikelgröße mit entsprechender vergrößerter spezifischer Oberfläche des Katalysators noch verbesserbar. Ideal erweist sich eine Partikelgrößenverhältnis von Katalysator zu Materialpulver von eins zu zehn.Of the used catalyst provides a basic or acidic modification of the material. The catalyst also has an advantageous effect Way an increase the sintering activity of the material, resulting in a lower sintering temperature for sintering is to be provided. This causes a significant reduction in heating energy for the Sintering process. This effect is due to a very fine particle size with appropriate enlarged specific surface the catalyst can still be improved. Ideally, a particle size ratio of Catalyst to material powder from one to ten.
Ist das Material, welches in der Formmasse als Materialpulver vorliegt, im wesentlichen eine auf einem Metall basierende Nitridkeramik, besteht der Katalysator im wesentlichen aus Aminen oder Amiden dieser Metalle oder aus sauren oder basischen Derivaten der entsprechenden Metallsalze.is the material which is present in the molding composition as material powder, essentially a metal based nitride ceramic, the catalyst consists essentially of amines or amides of these Metals or from acidic or basic derivatives of the corresponding Metal salts.
In stark natriumhaltigen Gläsern eignet sich NaOH oder KOH oder ein Gemisch dieser Hydroxide als Katalysator.In strong sodium-containing glasses is suitable NaOH or KOH or a mixture of these hydroxides as Catalyst.
Bei einer mechanischen Legierung werden in der Formmasse mehrere unterschiedliche sinterfähige pulverförmige Materialien gemischt. Dabei entsteht eine Pulvermischung als Materialpulver, welche mindestens zwei Materialfraktionen enthält, wobei die Materialfraktionen Metalle, Metalllegierungen, Nicht-Oxidkeramiken oder Metalloxide sind.at A mechanical alloy in the molding material several different sinterable powdery Mixed materials. This results in a powder mixture as a material powder, which contains at least two material fractions, wherein the material fractions Metals, metal alloys, non-oxide ceramics or metal oxides are.
Der Formmasse kann zudem ein Thixotropierungsmittel zugesetzt werden, beispielsweise sehr feine Pulver (Nanopulver) oder Aerosile. Ferner kann der Formmasse eine Verarbeitungshilfe wie mindestens einer der Zusätze Entformungshilfe, Gleitmittel, Trennmittel oder Netzmittel zugefügt werden. Negative Einflüsse derartige Zusatzstoffe auf die Verarbeitungsfähigkeit zeigten sich in praktischen Versuchen erst oberhalb 10 Vol.% dieser Zusatzstoffe bezogen auf den Binderanteil. Zu hohe Anteile bewirken insbesondere eine reduzierte Festigkeit der Grünkörper oder führen zu unzulässig hohen Verformungen während des Entbinderungs- und Sinterprozesses.Of the In addition, a thixotropic agent can be added to the molding compound. For example, very fine powder (nanopowder) or aerosils. Furthermore, can the molding compound a processing aid such as at least one of the additives demolding aid, lubricant, Release agents or wetting agents are added. Negative influences such Additives to the processability were shown in practical experiments only above 10 vol.% Of these additives based on the binder content. Too high proportions cause in particular a reduced strength the green body or to lead too inadmissible high deformations during of the debinder and Sintering process.
Die Gewichtsanteile der einzelnen Komponenten in der Formmasse entfallen idealerweise zu 35 bis 95 Vol.% auf das sinterfähige pulverförmige Material, zu 5 bis 65 Vol.% auf das thermoplastische Bindemittel, sowie zu 0,01 bis 20 Vol.% auf den Katalysator. Grünkörper, welche aus einer derartigen Formkörpers hergestellt sind, weisen einerseits einen für einen anschließenden Sinterprozess erforderlichen Anteil an sinterfähigen pulverförmigen Material, andererseits aber eine für ein anschließendes Bearbeitungsverfahren ausreichende Festigkeit, d. h. einen mindestens erforderlichen Anteil an dem thermoplastischen Bindemittel auf. Ein Bearbeitungsverfahren der erwähnten Art ist ein beliebiges Umformverfahren für die Formmasse. Es umfasst mindestens einen Spritzgieß-, einen Extrusions- oder einen anderen Formgebungsverfahrensschritt, einen Verfahrensschritt aus der Dickschichttechnik zur flächigen oder selektiven Beschichtung von Substratoberflächen mit Schichten, vorzugsweise mit einer Schichtdicke zwischen 0,1 bis 1000 μm, auf einem Substrat, einen Vakuumumform-, einen Heißpräge- oder einen anderen Umformungsverfahrensschritt oder einen spangebenden oder elektroerodierenden Bearbeitungsschritt, wobei die Anforderungen an die thermomechanischen Eigenschaften der Formmasse in vorteilhafter Weise individuell über die Auswahl, Morphologie und quantitative Zusammensetzung der Formmasse einstellbar ist. Dabei muss die Formmasse nicht nur den Kriterien hinsichtlich der Umformung und ggf. eines Entformungsvorgang, sondern auch hinsichtlich einer Formstabilität bei einer Entbinderung, d. h. bei der Überführung von Grün- zu Braunkörper, sowie hinsichtlich einer Reproduzierbarkeit bei einem anschließenden Sinterprozess genügen.The Parts by weight of the individual components in the molding compound account ideally to 35 to 95 vol.% on the sinterable powdery material, to 5 to 65 vol.% Of the thermoplastic binder, as well as 0.01 to 20 vol.% On the catalyst. Green body, which produced from such a shaped body are on the one hand have a for a subsequent Sintering process required proportion of sinterable powdery material, on the other hand but one for a subsequent processing procedure sufficient strength, d. H. a minimum required proportion on the thermoplastic binder. A machining process the mentioned Art is any forming process for the molding material. It includes at least one injection molding, an extrusion or other shaping process step, a process step from the thick-film technology for flat or selective coating of substrate surfaces with layers, preferably with a layer thickness between 0.1 to 1000 microns, on a substrate, a Vakuumumform-, a hot stamping or another forming process step or a chipping or electro-eroding machining step, the requirements to the thermo-mechanical properties of the molding composition in an advantageous Way individually about the selection, morphology and quantitative composition of the molding material is adjustable. Here, the molding material not only the criteria in terms of forming and possibly a demolding, but also in terms of a dimensional stability in a debindering, d. H. in the transfer of Green to Brown body, and in terms of reproducibility in a subsequent sintering process suffice.
Die ideale Zusammensetzung hängt vor allem vom Pulvertyp und vom Katalysatorgehalt ab. Dabei bestimmt sich die Auswahl und die Morphologie durch die Partikelgröße des Katalysators und der davon abhängenden spezifischen Oberfläche sowie der daraus resultierenden Änderung der Viskosität. Bei geringer Partikelgröße und möglichst großer spezifischer Oberfläche (BET) erhält man eine maximale Aktivität des Katalysators. Diese muss jedoch eine möglichst scharfe Temperaturschwelle aufweisen, damit bei den Verarbeitungstemperaturen der Katalysator noch weitgehend inaktiv bleibt und erst bei höherer Temperatur (entbindern) aktiv wird.The ideal composition depends on al Lem on the powder type and the catalyst content. The selection and the morphology are determined by the particle size of the catalyst and the specific surface area dependent thereon, as well as the resulting change in the viscosity. With a small particle size and the largest possible specific surface area (BET), maximum activity of the catalyst is obtained. However, this must have the sharpest possible temperature threshold so that the catalyst remains largely inactive at the processing temperatures and only becomes active at higher temperatures (debindering).
Ein Verfahren zur Herstellung von Komponenten aus einer vorgenannten Formmasse umfasst mindestens eine Ur- oder Umformung der Formmasse zu einem Grünkörper mit einem Bearbeitungsverfahren mit einem oder mehreren Bearbeitungsschritten. Im Anschluss hieran erfolgt ein Überführen des Grünkörpers in einen Braunkörper durch katalytisches Entfernen des Binders, wobei bevorzugt durch einen katalytischen chemischen Abbau des Binders im Grünkörpervolumen ein offenes Porensystem im Braunkörper geschaffen wird. Es folgt die Sinterung des Braunkörpers, wobei dieser in die Komponente, d. h. den eigentlichen Formkörper als Endprodukt, überführt wird. Während des Aufheizens zum eigentlichen Sinterprozess erfolgt auch ein weiterer Abbau des Binders zur Herstellung des Braun- bzw. anschließend des Sinterkörpers. Hierdurch wird auch als ein weiterer positiver Effekt die Umwelt nicht zusätzlich durch mögliche Abbauprodukte des Binders belastet. Beim Einsatz von Polycaprolactam als Binder findet ein Abbau zu seinem Edukt Caprolactam statt, wodurch prinzipiell das Recycling des Binders ermöglicht wird. Ein Sinterprozess in einer reaktiven Atmosphäre ermöglicht oder beschleunigt dabei eine Umwandlung des Katalysators durch chemische Umwandlung in ein Produkt. Dieses integriert sich dabei in die Komponente bzw. das Bauteil, wodurch zusätzlich die eine Erhöhung der Dichte erzielbar ist.One Process for the preparation of components from one of the abovementioned Molding composition comprises at least one original or deformation of the molding composition to a green body with a processing method with one or more processing steps. This is followed by a transfer of the green body in a brownbody by catalytic removal of the binder, preferably by a catalytic chemical degradation of the binder in green body volume an open pore system in the brown body is created. It follows the sintering of the brown body, wherein this into the component, d. H. the actual shaped body as Final product is transferred. While the heating to the actual sintering process is also another Degradation of the binder for the preparation of the brown and then the Sintered body. As a result, the environment also becomes another positive effect not in addition through possible Degraded degradation products of the binder. When using polycaprolactam As a binder, degradation takes place to its educt caprolactam, which In principle, the recycling of the binder is made possible. A sintering process in a reactive atmosphere allows or thereby accelerates a conversion of the catalyst by chemical Transformation into a product. This integrates itself into the component or the component, which in addition the one increase the density is achievable.
Eine typische Anwendung umfasst das Herstellen von Präzisionsbauteilen, mikrostrukturierten Bauteilen oder Mikroteile durch Pulverspritzgießen aus Keramik mit komplexer Geometrie. Formmassen, welche die derzeit am Markt verfügbaren Bindersysteme auf Basis von Wachsen, Polyolefin-Wachsgemischen oder Polyacetalen enthalten, eignen sich zwar eine zuverlässige Entbinderung allein mit moderaten Temperatubehandlungen oder mit organischen Lösungsmitteln, begrenzen jedoch signifikant die Reproduzierbarkeit der hieraus hergestellten Grünkörper und Braunkörper. Durch die Verwendung von PA entsteht eine Formmasse, welche sowohl die Verarbeitungstemperaturen und die Verarbeitungszeiten des Spritzgussprozesses überdauert, bei einer Entformung den Grünkörper formstabil hält und sich auch nach der Entformung auch sauber entbindern lässt, d. h. alle Binderkomponenten katalytisch aus dem Grünkörper entfernen lassen. Dabei werden mit der Verwendung eines Katalysators der zuvor beschriebenen Art Temperatur und Zeit der Entbinderung gering gehalten, was zusätzlich zu insbesondere in einer Serienfertigung vorteilhaften Energieeinspareffekten führt und so signifikant Zeit und Kosten spart.A Typical application involves the manufacture of precision components, microstructured components or micro parts by powder injection molding of ceramics with complex Geometry. Molding compounds which are currently available on the market binder systems based on waxes, polyolefin-wax mixtures or polyacetals Although contain a reliable debindering alone with moderate temperature treatments or with organic solvents, however, significantly limit the reproducibility of this produced green body and Brown Body. The use of PA results in a molding compound which both the processing temperatures and the processing times of the injection molding process outlast at a demolding the green body dimensionally stable stops and can also be debindered clean after demolding, d. H. catalytically remove all binder components from the green body. there be with the use of a catalyst of the previously described Type temperature and time of debindering kept low, which in addition to especially in a mass production advantageous energy saving effects leads and saves time and costs significantly.
Eine weitere typische Anwendung bietet allgemein die Dickfilmtechnik zur Herstellung von ganzflächigen Schutzschichten oder mikrostrukturierter Schichtstrukturen insbesondere in der Mikroelektronik oder Mikrosensorik. Oft werden die Prozessschritte der Dickfilmtechnik mit einer Vielzahl von weiteren Prozessschritten zur Herstellung von Komponenten oder Systemen der Mikrotechnik kombiniert. Eine Verwendung der Formmasse erweitert die Möglichkeiten in einem Fertigungsablauf insbesondere bei Prozessen bei mit erhöhter Temperatur.A another typical application is generally the thick film technique for the production of full-surface Protective layers or microstructured layer structures in particular in microelectronics or microsensors. Often the process steps become the thick film technology with a multitude of further process steps for the production of components or systems of microtechnology combined. Use of the molding compound expands the possibilities in a production process especially in processes at elevated temperature.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert:The Invention will be explained in more detail with reference to the following embodiments:
Ausführungsbeispiel 1embodiment 1
Ein mikrostrukturierter Formkörper aus Aluminiumoxid, beispielhaft für eine Oxidkeramik, soll im Rahmen der Erfindung mit einem Spritzgießverfahren hergestellt werden. Die hierfür eingesetzte Formmasse besteht dabei zu 60 bis 85 Gew.% Aluminiumoxidpulver, zu 15 bis 40 Gew.% eines PA sowie zwischen 6 und 9 Gew.% eines Katalysators, beispielsweise saures oder basisches Aluminiumoxid zur Chromatographie. Die Herstellung der thermoplastischen Formmasse, d. h. das Vermischen, erfolgte in einem Doppelschneckenextruder, wobei zunächst der Binder bei einer Temperatur zwischen 240 bis 285°C aufgeschmolzen wurde. Das Aluminiumpulver sowie der Katalysator wurde im Verhältnis 10:1 kalt vorgemischt und dem heißen Binderstrom zugegeben, wobei sich ein Pulverfüllgrad von ca. 73 Gew.% einstellte. In den nachfolgenden Knet- und Mischungszonen wurde die Masse kompoundiert und anschließend auf eine Temperatur zwischen 150 und 250°C, vorzugsweise 180°C temperiert und für den Spritzgießprozess aus dem Doppelschneckenextruder entnommen.One microstructured shaped body from alumina, by way of example for an oxide ceramic, is intended in the frame of the invention are produced by an injection molding process. The one for this used molding composition consists of 60 to 85 wt.% Alumina powder, from 15 to 40% by weight of a PA and from 6 to 9% by weight of a catalyst, for example, acidic or basic alumina for chromatography. The preparation of the thermoplastic molding composition, d. H. mixing, took place in a twin-screw extruder, wherein the first Binder was melted at a temperature between 240 to 285 ° C. The Aluminum powder and the catalyst was in the ratio 10: 1 cold premixed and hot Binder stream added, with a Pulverfüllgrad adjusted of about 73 wt.%. In the subsequent kneading and mixing zones, the mass was compounded and subsequently tempered to a temperature between 150 and 250 ° C, preferably 180 ° C. and for the injection molding process taken from the twin-screw extruder.
Der anschließende Spritzgießprozess erfolgte mit einer Formmassentemperatur in der Spritzgießmaschine zwischen 260 und 270°C sowie einer Werkzeugtemperatur zwischen 60 und 90°C für makroskopische Bauteile. Formmassentemperatur und Werkzeugtempe ratur mussten beim Spritzgießen von Mikrostrukturen mit zunehmenden Miniaturisierungsgrad bis auf 290°C bzw. 100°C erhöht werden. Der Spritzgießprozess endete nach einem Abkühlvorgang mit dem Entfernen der Grünkörpers aus dem Werkzeugs.Of the subsequent injection molding was carried out with a molding compound temperature in the injection molding machine between 260 and 270 ° C and a tool temperature between 60 and 90 ° C for macroscopic Components. Molding compound temperature and mold temperature had to be at Injection molding of Microstructures are increased with increasing degree of miniaturization up to 290 ° C or 100 ° C. Of the injection molding ended after a cooling process with the removal of the green body the tool.
Zur Entbinderung, d.h. der Überführung des Grünkörpers in einen Braunkörper, durchläuft der Grünkörper abhängig vom pulverförmigen Werkstoff in einer inerten oder reaktiven Atmosphäre ein linear ansteigendes Temperaturprofil von 50 bis 310°C oder alternativ ein dreistufiges Temperaturprogramm mit zwei Haltetemperaturen, die erste oberhalb 210°C und die zweite bei ca. 250°C, sowie einer Endtemperatur bei ca. 310°C. Die Entbinderung dauerte je nach Größe der Bauteile und deren maximalen Querschnitte zwischen einer und 24 Stunden.to Debindering, i. the transfer of the green body in a brownbody, goes through the green body depends on powdery Material in a inert or reactive atmosphere, a linearly increasing Temperature profile from 50 to 310 ° C or alternatively a three-stage temperature program with two holding temperatures, the first above 210 ° C and the second at about 250 ° C, as well as a final temperature at approx. 310 ° C. The debinding took depending on the size of the components and their maximum cross-sections between one and 24 hours.
Die erste Haltestufe dient dabei insbesondere der Reaktion von Katalysator mit dem ihn umgebenden Binderanteil unter Bildung eines vorzugsweise offenen Porensystems. Die zweite Stufe gilt als Zwischenstufe, welche die Entbinderung moderat vorantreibt und so den Grünkörper bei der dritten Stufe entlastet. Sie ist insbesondere bei dickwandigen Grünkörpern oder bei filigranen Grünkörpern mit örtlich stark unterschiedlichen Querschnitten oder verzugsgefährdeten Geometrieübergängen erforderlich. Die zeitliche Ausdehnung der Haltestufen steigen im Allgemeinen mit der Bauteildicke, liegen zwischen 0,1 und 24 h und sind letztendlich experimentell sowie anhand von Erfahrungswerten festzulegen.The first holding stage is used in particular the reaction of catalyst with the binder portion surrounding it to form a preferably open pore system. The second stage is considered an intermediate, which the binder removal moderately pushes forward and so the green body relieved the third stage. It is especially in thick-walled green bodies or with filigree green bodies with locally strong different cross sections or distortion-prone geometry transitions required. The Time extension of the holding levels generally increase the component thickness, lie between 0.1 and 24 h and are ultimately determined experimentally and based on experience.
Im Rahmen einer Entbinderung eines Stückes eines Probekörpers mit einer anfänglichen Masse von 41,65 mg und einem Anteil von Aluminiumoxid und Katalysator (Inertanteil) von 73 Gew.% wurde mit einem Temperaturprogramm ausgehend von einer Starttemperatur von 25°C (Umgebungstemperatur) mit 5°C/min eine erste Haltetemperatur von 214°C angefahren, wobei bereits bei der Aufheizung ein Entbinderungsgrad von 4,9% (Bezug jeweils Gesamtbinderanteil im Grünkörper) erzielt wurde. Nach einer Haltezeit von 3h bei 214°C betrug der Entbinderungsgrad 17,4%, welcher sich bei einer anschließenden Temperaturerhöhung mit 1°C/min auf 249°C und einer Haltezeit von 3h bei dieser Temperatur auf 29,8% bzw. 46,8% erhöhte. Nach einer weiteren Temperaturerhöhung mit 1°C/min auf 304°C beobachtete man eine weitere Erhöhung des Entbinderungsgrades auf 62,8%, welcher sich nach weiteren 3h Haltezeit bei dieser Temperatur auf 89,5% einstellte. Die exakte Temperatur- und Gewichtserfassung erfolgte dabei mit einer Thermowaage in einem Heliumstrom von 100 ml/min. Die noch verbleibenden 10,5% des Binders lassen sich bei ca. 500°C in einer oxidativen Atmosphäre, beispielsweise Luft, ohne erkennbare Formänderung des Braunkörpers gegenüber dem Grünkörper entfernen.in the Deburring a piece of a specimen with an initial one Mass of 41.65 mg and a proportion of alumina and catalyst (Inertanteil) of 73 wt.% Was started with a temperature program from a starting temperature of 25 ° C (Ambient temperature) at 5 ° C / min a first holding temperature of 214 ° C started, where already when heating a debinding of 4.9% (reference each Total binder content in the green body) achieved has been. After a holding time of 3 hours at 214 ° C, the degree of binder removal was 17.4%, which in a subsequent increase in temperature with 1 ° C / min at 249 ° C and a holding time of 3h at this temperature to 29.8% or 46.8% increased. After a further increase in temperature at 1 ° C / min to 304 ° C observed one more raise the degree of debinding to 62.8%, which after another 3h Holding time at this temperature set to 89.5%. The exact one Temperature and weight measurement was carried out with a thermobalance in a helium stream of 100 ml / min. The remaining 10.5% The binder can be at about 500 ° C in an oxidative atmosphere, for example Air, with no apparent change in shape of the brown body across from remove the green body.
Im Anschluss an die vollständige Entbinderung erfolgte ein Sintern des Aluminiumoxid-Braunkörpers unter bekannten Sinterbedingungen, wobei der Katalysator mit in die gesinterte Komponente eingebunden wurde.in the Following the full Debinding was carried out by sintering the alumina lignite under sintering conditions known, wherein the catalyst with sintered in the Component was involved.
Ausführungsbeispiel 2embodiment 2
Ein mikrostrukturierter Formkörper aus Siliziumnitrid als typischer Vertreter der Nichtoxidkeramiken soll im Rahmen der Erfindung mit einem Spritzgießverfahren hergestellt werden. Die hierfür eingesetzte Formmasse besteht dabei zu 60 bis 85 Gew.% Siliziumnitridpulver, zu 15 bis 40 Gew.% eines PA sowie zwischen 6 und 9 Gew.% eines Katalysators in Form eines Derivats des Siliziumnitrids. Grundsätzlich sind für Siliziumnitrid jedoch auch Amino- und Amidosilane (z.B. BSA, Bistrimethylsilylacetamid), Disilazane (z.B. HMDS, Hexamethyldisilazan) sowie deren Metallsalze als Katalysatoren in Betracht. Die Herstellung der thermoplastischen Formmasse, d. h. das Vermischen, erfolgte in einem Doppelschneckenextruder, wobei zunächst der Binder bei einer Temperatur zwischen 180 bis 280°C aufgeschmolzen wurde. Das Siliziumnitridpulver sowie der Katalysator wurde im Verhältnis 10:1 kalt vorgemischt und dem heißen Binderstrom zugegeben, wobei sich ein Pulverfüllgrad von ca. 74 Gew.% einstellte. In den nachfolgenden Knet- und Mischungszonen wurde die Masse kompoundiert und anschließend auf eine Temperatur zwischen 150 und 250°C temperiert und für den Spritzgießprozess aus dem Doppelschneckenextruder entnommen.One microstructured shaped body made of silicon nitride as a typical representative of the non-oxide ceramics is to be made in the context of the invention with an injection molding. The one for this used molding material consists of 60 to 85 wt.% Silicon nitride powder, from 15 to 40% by weight of a PA and between 6 and 9% by weight of a catalyst in the form of a derivative of the silicon nitride. Basically for silicon nitride but also amino and amidosilanes (e.g., BSA, bistrimethylsilylacetamide), disilazanes (e.g., HMDS, hexamethyldisilazane) and their metal salts as catalysts into consideration. The preparation of the thermoplastic molding composition, d. H. mixing, carried out in a twin-screw extruder, wherein first the binder was melted at a temperature between 180 to 280 ° C. The silicon nitride powder and the catalyst were in the ratio 10: 1 cold premixed and hot Binder stream added, with a Pulverfüllgrad adjusted of about 74 wt.%. In the subsequent kneading and mixing zones, the mass was compounded and subsequently tempered to a temperature between 150 and 250 ° C and for the injection molding process taken from the twin-screw extruder.
Geeignete Katalysatoren für andere Nitridkeramiken, wie z.B. Aluminiumnitrid oder Titannitrid, sind Amine oder Amide der Metalle, auf denen die Nitride basieren. Alternativ eignen sich auch saures oder basisches Aluminiumoxid als Katalysator, wodurch ein Nitrid-Oxid-Kompositkeramik entsteht. Beispielsweise lassen sich auf diese Weise Sialon-Formkörper herstellen, wobei einem Siliziumnitridpulver ein derartiger Aluminiumoxidkatalysator zugegeben wird, wobei der Katalysatoranteil je nach gewünschter Sialonzusammensetzung bis über 40 Gew.% steigerbar ist.suitable Catalysts for other nitride ceramics, e.g. Aluminum nitride or titanium nitride Amines or amides of the metals on which the nitrides are based. alternative Also suitable are acidic or basic alumina as catalyst, whereby a nitride-oxide composite ceramics is formed. For example can be prepared in this way sialon moldings, with a Silicon nitride powder added to such an alumina catalyst is, wherein the proportion of catalyst depending on the desired sialon composition to about 40 wt.% Is increasable.
Der Spritzgießprozess erfolgte mit einer Formmassentemperatur zwischen 140 und 170°C und einer Werkzeugtemperatur, welche mindestens 10°C unter der Formmassentemperatur lag. Er endete nach einem Abkühlvorgang mit dem Entfernen der Grünkörpers aus dem Werkzeugs.Of the injection molding was carried out with a molding material temperature between 140 and 170 ° C and a Tool temperature, which is at least 10 ° C below the molding compound temperature was. He ended up after a cooling process with the removal of the green body the tool.
Die Entbinderung erfolgte mit dem gleichen dreistufigen Temperaturprogramm mit gleichen Parametern, wie konkret im Ausführungsbeispiel 1 angegeben. Auch der Grad der Entbinderung nach jeder Temperaturerhöhung und jeder Haltetemperatur entspricht im wesentlichen den Werten gemäß Ausführungsbeispiel 1, was auch darauf zurückzuführen ist, dass in beiden Ausführungsbeispielen ein während der Entbinderung inert verhaltenes Materialpulver sowie ein prinzipiell gleicher Binder vorlag und der Unterschied in der Entbinderung lediglich im Katalysator lag, welcher aber in beiden Ausführungsbeispielen die gleiche Wirkung auf den Binder aufwies. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel 1 erfolgte die Entbinderung der Nitride in Stickstoff anstatt in Helium.The binder removal was carried out with the same three-stage temperature program with the same parameters as specified concretely in Example 1. Also, the degree of debindering after each temperature increase and each holding temperature substantially corresponds to the values according to Embodiment 1, which is also due to the fact that in both embodiments, an inert during the binder removal behaved material powder and a principle the same binder was present and the difference in debinding only was in the catalyst, but which in both embodiments had the same effect on the binder. In contrast to the embodiment 1, the debinding of the nitrides was carried out in nitrogen instead of helium.
Im Anschluss an die vollständige Entbinderung erfolgte ein Sintern des Siliziumnitrid-Braunkörpers unter bekannten Sinterbedingungen, wobei der Katalysator mit in die gesinterte Komponente eingebunden wurde.in the Following the full Debinding was carried out by sintering the silicon nitride lignite body sintering conditions known, wherein the catalyst with sintered in the Component was involved.
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