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Materalien

Metall-Keramik-Komposite

Metall-Keramik-Komposite

Das Fraunhofer-Zentrum HTL verfügt über die gesamte pulvermetallurgische Herstellkette, um Metallkomponenten zu entwickeln. Von der Pulveroptimierung über die Versatzaufbereitung, Formgebung und Wärmebehandlung bis zur Endbearbeitung können Eisen- und Nichteisenmetalle sowie Metall-Keramik-Komposite hergestellt werden. Der Fokus am HTL liegt auf additiven Fertigungsverfahren. Diese werden mit einem Pulverbett-Drucker im Binder-Jetting-Verfahren realisiert (vgl. Pulverbett-Verfahren). Auf diese Weise können Grünteile mit komplexer Geometrie hergestellt werden. Die Verdichtung erfolgt über Sinterprozesse oder die Infiltration von Metallschmelzenin die porösen Preformen.

Die Materialentwicklung beginnt mit der Auswahl geeigneter Komponenten. Hierfür stehen am HTL umfangreiche Material- und Thermodynamikdatenbanken zur Verfügung (vgl. Materialdesign). Mittels speziell entwickelter In-House-Software können die Materialeigenschaften mehrphasiger Metalle und Metall-Keramik-Komposite präzise vorhergesagt werden. Dies wird verwendet, um das Gefüge der Werkstoffe zu optimieren. Die Bauteilauslegung erfolgt mittels Finite-Elemente-Verfahren (vgl. Bauteildesign).

Speziell für den 3D-Druck werden fließfähige Pulver benötigt. Die Materialentwicklung beginnt deshalb häufig mit der Auswahl und Optimierung geeigneter Ausgangspulver. Hierzu werden Partikelform, Größenverteilung, Packungsdichte und Fließverhalten der Pulver, sowie deren Wechselwirkung mit dem Binder untersucht. Für die Formgebung stehen neben dem 3D-Druck auch herkömmliche Verfahren wie uniaxiales oder hydrostatisches Pressen zur Verfügung (vgl. Formgebung). Die Qualität von Grünkörpern wird mit speziellen In-House-Verfahren untersucht. Damit können beispielsweise Schwankungen der Porosität auf unterschiedlichen Größenskalen präzise gemessen werden.

Die Wärmebehandlung der Grünkörper erfolgt in der Regel in graphitbeheizten Öfen. Dabei können inerte oder reduzierende Atmosphären sowie Vakuum und Überdruck realisiert werden. Die Optimierung der Parameter bei der Wärmebehandlung erfolgt zielgerichtet mit speziellen ThermoOptischen Messverfahren (TOM). Dimensionsänderungen können u.a. während der Wärmebehandlung in einem speziellen Messofen, TOM_metal, erfasst werden, der mit bis zu 30 bar Überdruck oder mit einer reinen Wasserstoffatmosphäre betrieben werden kann (vgl. Wärmeprozesse). Bei der Wärmebehandlung kann ein niedrig schmelzendes Metall in die poröse Preform aus einem höher schmelzenden Metall, wie zum Beispiel Bronze in Stahl, oder aus einer Keramik, wie beispielsweise Kobalt in Wolframcarbid, infiltriert werden. Auch dieser Schmelzinfiltrationsprozess wird mit In-Situ-Messverfahren untersucht und optimiert.

Zur Endbearbeitung der Bauteile steht u.a. ein computergesteuertes fünfachsiges Bearbeitungszentrum am Fraunhofer-Zentrum HTL zur Verfügung. Die Material- und Bauteileigenschaften werden mit zerstörungsfreien Methoden, Materialprüfverfahren und Gefügeanalysen bewertet (vgl. Werkstoffprüfung). Mittels optischer und Rasterelektronenmikroskopie werden die Mikrostrukturen geätzter Proben analysiert und ihre Poren- und Korngrößenverteilung, -morphologie, Phasenanteile und Bindungsverhältnisse bestimmt. Außerdem charakterisieren wir das elastische und plastische Verhalten sowie die Versagensmechanismen bei unterschiedlichen Lastfällen.

Leistungsangebot:

  • Identifikation geeigneter Metalle bzw. Metall-Keramik-Komposite für kundenspezifische Fragestellungen
  • Auslegung von Bauteilen mittels FE-Verfahren
  • 3D-Druck von Preformen aus Fe-, Al-, Ti- or Ni-Basislegierungen bzw. keramischen Pulvern z.B. aus Al2O3, SiC oder WC
  • Infiltration der Preformen z.B. mit Bronze, Silizium oder Kobalt-Schmelzen
  • Ergänzend oder alternativ: Verdichtung durch Sinterprozesse in Standard- oder Spezialatmosphären
  • Optimierung der Ausgangspulver und der Formgebungsparameter
  • Optimierung von pulvermetallurgischen Wärmebehandlungsprozessen
  • Metallographische Gefügeanalyse
  • Zerstörungsfreie Bauteilprüfung
  • Mechanische Werkstoffprüfung
 

Hier finden Sie den Flyer

 

Metall-Keramik-Komposite