Schaum-Keramik in Großserie

Schaum-Keramik in Großserie

Keramische Schäume haben das Potenzial den Spagat zwischen den mannigfaltigen Anforderungen an Hochtemperatur-Isolation zu schlagen. Aus dieser Motivation gelang es Morgan Advanced Materials Haldenwanger GmbH ein kostengünstiges und großseriengeeignetes Verfahren zur Herstellung von Schaum-Keramik zu entwickeln. Auf dem Weg zur Großserie half die NETZSCH-Software KINETICS NEO.

Ein Projektbericht über die Entwicklung von Schaum-Keramik von Mirco Lang,

stellvertretender Entwicklungsleiter bei Morgan Advanced Materials Haldenwanger GmbH.

Mirco Lang

“Auf Basis der Untersuchungen mittels thermischer Analyse und KINETICS NEO konnte eine akkumulierte Zeitersparnis von 70% erreicht werden!” – Mirco Lang, Morgan Advanced Materials Haldenwanger GmbH

Morgan Advanced Materials Haldenwanger GmbH ist Hersteller technischer Keramik. Das Produktportfolio umfasst – angefangen vom klassischen Laborporzellan bis zur Funktionskeramik – eine breite Sparte an Produkten und Werkstoffen. Insbesondere Werkstoffe, welche im Extrusionsverfahren hergestellt werden, gehören zur Kernkompetenz des Unternehmens. Eine ausgeprägte Kundenorientierung bestimmt die Tätigkeit in Vertrieb und Forschung, sodass kundenspezifische Anforderungen und Problemstellungen in der Entwicklungstätigkeit selbstverständlich adaptiert werden. Der Marktanforderung nach robusten, hochfeuerfesten und chemisch beständigen Isolationsmaterialien kam bis dahin kein marktgängiges Produkt in Gänze nach. Keramische Schäume hatten das Potenzial den Spagat zwischen diesen Anforderungen zu schlagen. Aus dieser Motivation gelang es Morgan Advanced Materials Haldenwanger GmbH ein kostengünstiges und großseriengeeignetes Verfahren zur Herstellung geschäumter Keramik zu entwickeln (Abb. 1).

Abb. 1: Beispiele für Bauteile aus Schaumkeramik
Abb. 1: Beispiele für Bauteile aus Schaumkeramik (HALFOAM Alumina)

In  Zusammenarbeit mit den Kunden wurden die Materialeigenschaften kontinuierlich optimiert, sodass ein bestmögliches Produkt zur Marktreife gebracht werden konnte (Abb. 2).

Abb. 2: Hochtemperatur-Isolation im Vergleich
Abb. 2: Hochtemperatur-Isolation im Vergleich

Bei der Entwicklung der Schaum-Keramik waren dabei mehrere Hürden zu nehmen. Hergestellt im Gießverfahren mit anschließender Trocknung und der Konsolidierung über einen Sinterprozess, stellte vor allem das Sintern eine große Herausforderung dar. Mit verfügbaren Mitteln wurden eine thermogravimetrische Analyse, sowie eine Dilatometermessung an ungebrannten Probekörpern durchgeführt. Anhand dieser Ergebnisse wurde ein entsprechendes Sinterprogramm abgeleitet, bei dem thermische, chemische und kristallographische Effekte berücksichtigt wurden. Aufgrund der vermeintlich komplexen Reaktionen im Sinterprozess wurde ein konservatives Brennprogramm mit getrenntem Vor- und Endbrand erdacht. Die Gesamtzeit für die Sinterung war dadurch natürlich sehr lang.

Mit diesem Stand der Entwicklung traf ich Anfang 2016 auf der DKG Jahrestagung in Freiberg Alexander Frenzl von Netzsch. Unser Ansatz war zu diesem Zeitpunkt über eine Makro-TGA an größeren Proben Informationen zu dem Sinterverhalten des Materials zu erhalten. Meine erste Frage bezog sich somit auf die Verfügbarkeit eines solchen Gerätes bei Netzsch. Wir diskutierten Fragen zu Sinterverhalten von Keramiken und verschiedenen Einflüssen, sowie deren Analysemöglichkeiten. Alexander versprach mir das Thema mit in sein Team zu nehmen und Vorschläge für einen Lösungsansatz zu unterbreiten. Wenig später ergab sich die Gelegenheit Netzsch in Selb in Rahmen eines Arbeitstreffens zu besuchen und Elena Moukhina kennen zu lernen. Alexander hatte das Thema bereits intern diskutiert, sodass Elena sich einige Gedanken machen konnte. Sie stellte Ihre Arbeit an der Software KINETICS NEO vor, welches mit geeigneten Dilatometer- und TGA-Daten zur Sinteroptimierung genutzt werden kann. Alexander und Elena erklärten sich bereit das Material für uns zu untersuchen und eine Empfehlung für ein optimiertes Sinterprogramm zu geben. Entsprechende Muster ungebrannter Schaum-Keramik wurde Netzsch zur Verfügung gestellt. Doreen Rapp, Applikationsexpertin im Netzsch-Labor in Selb, erklärte sich bereit die für Elena notwendigen Untersuchungen durchzuführen. Anfang 2018 konnten dann die Ergebnisse aus Elenas und Doreens Arbeit diskutiert werden. Als Basis dienten Dilatometermessungen welche mit unterschiedlichen Heizraten angefertigt wurden. Anhand der abgeleiteten Sinterenthalpien konnten kritische und weniger kritische Bereiche erkannt werden. Im Resultat entstand eine Empfehlung für einen optimierten Endbrand, welche bezogen auf diesen Sinterschritt eine Zeitersparnis von 60% ermöglichte. Wir setzten die Empfehlung um und verifizierten erfolgreich die Ergebnisse anhand mehrerer Probebrände an Bauteilen in Produktionsgröße.

Alexander hatte daraufhin die Idee das Thema für die Präsentation der KINETICS NEO Software auf der Ceramitec 2018 zu nutzen. Wir unterstützten diese Idee sehr gerne, da an dieser Stelle nicht nur die sehr erfolgreiche Kooperation zwischen Netzsch und Morgan Advanced Materials Haldenwanger, sondern auch die Leistungsfähigkeit der Software sowie die Neuentwicklung des keramischen Schaums in den Fokus gerückt werden konnte (Abb. 3).

Ein zufriedenes “Optimierungsteam” zur Ceramitec 2018

Sollten Sie auch vor der Herausforderung stehen, einen Sinterprozess optimal in kürzester Zeit auslegen zu müssen, stehen Ihnen die Experten bei NETZSCH jederzeit zur Verfügung. Speziell für die Sinterprozessoptimierung steht ein Kontaktformular online zur Verfügung.

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