Qualitätsstabile Pilotproduktion von Polymerkeramik-Spritzgießgranulate

Polymerkeramische Werkstoffe werden dann eingesetzt, wenn plastische Formgebung für komplizierte Formen gefordert ist, aber die thermische Stabilität von Kunststoffen nicht ausreicht. Die am Fraunhofer IKTS entwickelten Polymerkeramiken bestehen aus keramischen Füllstoffen und siliciumorganischen Polymeren, wobei sich die Polymere durch thermische Behandlung in keramikähnliche Strukturen umwandeln lassen. Polymerkeramiken können durch verschiedene plastische Formgebungsmethoden (z. B. Spritzguss) verarbeitet werden und sie zeichnen sich durch eine hohe thermische Stabilität (Einsatztemperaturen bis über 600 °C), geringe Schwindung und hohe Formstabilität aus. Relevante Materialeigenschaften (z. B. elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, dielektrische Eigenschaften) und Verarbeitungsparameter können durch die Auswahl geeigneter funktioneller Füllstoffe und Bindersysteme anwendungsspezifisch angepasst werden.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet besteht in der hermetischen und korrosionsbeständigen Hausung von Temperatursensoren für die Überwachung und Steuerung von Maschinen und Antrieben (Einsatzbereich 200 bis 800 °C). Dafür werden durch Spritzgussverarbeitung von Polymerkeramik-Granulaten (Abb. 1) komplex geformte Gehäuse erzeugt, welche zusätzlich konstruktive und mechanische Funktionen übernehmen (Abb. 2). Entsprechende Anwendungen, z. B. für die Automobilindustrie, wurden vor allem mit dem Industriepartner UST Umweltsensortechnik GmbH in Geschwenda entwickelt und von diesem im Industriemaßstab umgesetzt.

Um die Produktion beim Industriepartner zu gewährleisten, müssen industrienahe Verfahren zur Herstellung von polymerkeramischen Spritzgussgranulaten verfügbar sein. Diese wurden am Fraunhofer IKTS auf Basis einer Scherwalzenkompaktierung mit einem Produktionsausstoß von bis zu 60 kg/h entwickelt. Für eine industrielle Verwertung ist außerdem ein auf den Herstellungsprozess zugeschnittenes Qualitätsmanagementsystem erforderlich. Dafür wird z. B. chargenbezogen die Fließfähigkeit über eine Messknetung zur Bestimmung des Drehmoments bei Verarbeitungstemperatur (Abb. 3) und die Biege- und Zugfestigkeit an spritzgegossenen Prüfkörpern ermittelt und dem Anwender in Form eines Werkszeugnisses zur Verfügung gestellt. Im Rahmen von Pilotfertigungsvereinbarungen beliefert das Fraunhofer IKTS industrielle Partner bereits seit über 25 Jahren mit polymerkeramischen Spritzgießgranulaten in stabiler Qualität.