Zetamix im Labor: Sintern mit Mikrowellen

Sintern kann auf einen Herstellungsprozess verweisen, bei dem pulverförmige Materialien verdichtet und erhitzt werden, um eine feste Masse zu bilden. Beim 3D-Druck bezieht sich das Wort Sintern jedoch auch auf das Nachsintern - einen zusätzlichen Schritt, der erforderlich ist, um dem 3D-gedruckten Teil seine endgültigen mechanischen Eigenschaften zu verleihen, insbesondere bei Verwendung von Metall- oder Keramikfilamenten. In diesem Zusammenhang folgt das Sintern in der Regel auf das Entbinden (Entfernen des Bindungspolymers) und beinhaltet das Erhitzen des 3D-gedruckten Teils auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Materials, um alle Hohlräume und Poren zu beseitigen. Die Metall- oder Keramikpartikel werden miteinander verschmolzen, wodurch die Porosität verringert und die Dichte und Festigkeit des Teils erhöht werden. Der Sinterprozess wird in der Regel in einer kontrollierten Umgebung durchgeführt, wie zum Beispiel einem Ofen oder spezialisierten Sinteranlagen.

Bild 1: Ein Teil in einem Sinterofen platziert. Quelle: Zetamix.

Es gibt eine Reihe von Sintermethoden, wie zum Beispiel konventionelles Sintern (Festkörpersintern), sinterfreies Sintern, Hochdruck-Sinterung (HIP), Funkenplasma-Sintern (SPS), elektrisch unterstütztes Sintern und Mikrowellen-Sintern. Letzteres verwendet Mikrowellenstrahlung, um das Material schnell und gleichmäßig zu erhitzen. Die elektromagnetischen Wellen interagieren direkt mit dem Material und erzeugen durch molekulare Anregung Wärme. Das Mikrowellen-Sintern kann die Verarbeitungszeit verkürzen, energieeffizientes Sintern ermöglichen und wird häufig für Keramik und einige Metallpulver verwendet.

Mikrowellen-Sintern vs. konventionelles Sintern

Es gibt eine Reihe von Unterschieden, die konventionelles Sintern von Mikrowellen-Sintern unterscheiden:

• Heizmethoden: Beim konventionellen Sintern wird die Wärme hauptsächlich von externen Heizelementen erzeugt und dann über die Leitung an das Material übertragen. Im Gegensatz dazu verwendet das Mikrowellen-Sintern elektromagnetische Wellen, um die Moleküle des Materials direkt durch seine dielektrischen Eigenschaften anzuregen. Die elektromagnetischen Wellen dringen in das Material ein und verursachen eine schnelle und volumetrische Erwärmung von innen.
• Heizrate und Zeit: Im Gegensatz zur konventionellen Strahlungsheizung, die Stunden oder sogar Tage dauern kann, erzielt das Mikrowellen-Sintern durch volumetrische Erwärmung in nur wenigen Minuten die gewünschten Ergebnisse.
• Temperaturgleichmäßigkeit: Das Mikrowellen-Sintern kann eine gleichmäßigere Temperaturverteilung ermöglichen, da die Mikrowellenenergie vom Material gleichmäßiger absorbiert wird, was zu reduzierten Temperaturgradienten und verbesserter Temperaturgleichmäßigkeit führt.
• Energieeffizienz: Das Mikrowellen-Sintern ist im Allgemeinen energieeffizienter als das konventionelle Sintern. Da die Mikrowellen das Material direkt erhitzen, gibt es weniger Energieverlust durch Leitung und Strahlung. Diese Effizienz kann zu geringerem Energieverbrauch und geringeren Kosten des Sinterns beitragen.
• Porosität und Mikrostruktur: Die schnelle Erwärmung und kürzere Verarbeitungszeiten beim Mikrowellen-Sintern können die Größe, Verteilung und Morphologie von Poren im Material beeinflussen.
• Anwendbarkeit: Das Mikrowellen-Sintern ist zwar auch für Metalle, Keramik und Verbundwerkstoffe anwendbar, bietet jedoch besonders für Materialien mit hohen dielektrischen Verlusten und einer guten Reaktion auf die Mikrowellenheizung Vorteile.

Bild 2: Design der Sinterzelle. Quelle: Zetamix.

Ein Merkmal, das das Mikrowellen-Sintern einzigartig macht, ist der Einsatz von Suszeptoren, insbesondere wenn das gesinterte Material eine geringe dielektrische Verlustleistung aufweist oder eine verbesserte Heizeffizienz und Temperaturgleichmäßigkeit erfordert. Suszeptoren sind speziell ausgewählte Materialien, die in der Lage sind, Mikrowellenenergie zu absorbieren und in Wärme umzuwandeln. Sie werden strategisch im Sinterungssystem platziert, um den Heizprozess zu verbessern. Suszeptoren sind in der Regel Materialien mit hoher dielektrischer Verlustleistung, was bedeutet, dass sie eine hohe Kapazität haben, Mikrowellenstrahlung zu absorbieren und zu dissipieren. Übliche Materialien, die als Suszeptoren verwendet werden, sind Graphit, Siliziumkarbid, Bornitrid und bestimmte Metalloxide.

Das Experiment

Zirkonia, auch bekannt als Zirkondioxid oder Zirkoniumoxid (ZrO2), wird aufgrund seiner vergleichsweise geringen dielektrischen Verluste und geringen Absorption von Mikrowellenenergie nicht häufig als Suszeptor verwendet. Dennoch entschied sich das französische CRISMAT-Labor, das auf Kristallographie und Materialwissenschaften spezialisiert ist, dafür, das Zetamix White Zirconia Filament für den 3D-Druck und den Test von Zirkonia-Suszeptoren für das Mikrowellen-Sintern zu verwenden.

Das Projekt, das unter der dreifachen Aufsicht des CNRS, der ENSICAEN und der Universität Caen Normandie entwickelt wurde, untersucht die Synthese und Optimierung der funktionalen und strukturellen Eigenschaften von keramischen Materialien, aber auch die Verbesserung des Sinterprozesses und die Entwicklung innovativer Formgebungsverfahren.

Die spezifische Technologie, die verwendet wird, ist das Flash-Mikrowellen-Sintern, auch bekannt als Spark Plasma Sintern (SPS). Diese fortschrittliche Sintertechnik vereint die Vorteile der Mikrowellenheizung und des elektrisch unterstützten Sinterns. Es handelt sich um eine schnelle und effiziente Methode zur Verdichtung von Pulvern zu festen Materialien, typischerweise Keramik, Metalle oder Verbundwerkstoffe, mit verbesserten Eigenschaften.

Additive Fertigung und Zetamix als Rettung

Damit das Flash-Mikrowellen-Sintern durchgeführt werden kann, muss das Material eine vollständige Verdichtung in weniger als 60 Sekunden durchlaufen. Um die erforderliche Temperatur und Heizraten zu erreichen, ist eine präzise Kontrolle der thermischen Gradienten erforderlich. Um dies zu erreichen, hat das Labor eine Kaskadenstrategie entwickelt, die zwei verschiedene Suszeptormaterialien umfasst: Siliziumkarbid (SiC) und Zirkonia (ZrO2).

Bild 3: Hotspot ohne Suszeptor vs. homogene Erwärmung mit gedruckten Suszeptoren. Quelle: Zetamix.

Der Prozess ist wie folgt: Er beginnt mit der Mikrowellenheizung von SiC-Platten, die anschließend Wärme an Zirkonia-Blöcke und -Zylinder abgeben. Dieser sequentielle Wärmeübergang ermöglicht das schnelle Sintern jedes Materials innerhalb weniger Sekunden. Jedoch kann dieser Prozess sehr anspruchsvoll sein und möglicherweise zu Beschädigungen der Probe durch thermische Gradienten führen. Um dieses Problem zu mindern und thermische Abkühleffekte zu minimieren, ist es entscheidend, dass der Zirkonia-Suszeptor exakt zur Probe passt. Eine maßgeschneiderte Zylinderform von externen Quellen zu bestellen, ist äußerst kostspielig, wodurch das Labor gezwungen ist, alternative Lösungen wie Additive Fertigung zu erforschen.

Bild 4: Mit Zetamix-Filament gedruckte Zirkonia-Suszeptoren. Quelle: Zetamix.

Durch die Integration der Flexibilität und Formvielfalt, die durch das Fused Filament Fabrication (FFF) ermöglicht wird, und den einzigartigen Eigenschaften der Zetamix-Filamente hat das CRISMAT-Labor seine Ziele erfolgreich erreicht und Suszeptoren hergestellt, die genau auf die spezifische Probe für das Sintern zugeschnitten sind. Auf diese Weise hat die additive Fertigung erneut die kostenseitigen Barrieren, die häufig mit der traditionellen Fertigung einhergehen, überwunden und zur Förderung der Wissenschaft beigetragen.