Umformen thermoplastischer Keramikfolien

Branchenübergreifend wächst der Bedarf an hoch beanspruchten Komponenten für die Hochleistungselektronik und Mobilitätselektrifizierung. Immer wichtiger werden in diesem Bereich funktionalisierbare und temperaturbeständige Komponenten, wie Schaltungsträger oder Gehäuse. Hierfür eignen sich insbesondere Bauteile aus Keramik. Bei der Herstellung dünnwandiger Keramikteile über das Pressen von Halbzeugen mit anschließender Grünbearbeitung entsteht mit dem Abtrag jedoch ein hoher Materialverlust. Alternativ können über Multilayertechnologie Folien gestapelt und laminiert werden – doch auch hier ist durch den aufwändigen Konfektionierungsprozess der Materialausnutzungsgrad gering.

Wirkmedienbasiertes Umformen

Gemeinsam mit dem Fraunhofer IWU hat das Fraunhofer IKTS ein Verfahren zur Herstellung dreidimensional geformter, dünnwandiger Keramikbauteile entwickelt. Es nutzt die temperaturabhängige reversible Erweichung und Erstarrung von Thermoplasten, um in der Umformung bis zu 80 % Material einzusparen. Das keramische Pulver wird dafür mit einem thermoplastischen Bindersystem gemischt und über Extrusion zu Endlosbändern verarbeitet (Abb. 1). Anschließend wird die flexible Grünfolie in einem beheizten Werkzeug platziert und mit dem Wirkmedium Stickstoff beaufschlagt, dies wird Hydroforming genannt (Abb. 2). Die Folie wird in die Matrize des Werkzeugs gedrückt, formt sie ab und kann nach dem Abkühlen entnommen werden. Der Binder wird entfernt und das Keramikteil über Sintern fertiggestellt.

Im Prozess bestimmen das thermomechanische Verhalten des Binders und der Feststoffgehalt die Umformbarkeit der Folie. Diese müssen so eingestellt werden, dass bei Verarbeitungstemperatur eine hohe Dehnung erreicht wird, ohne Mikrodefekte zu erzeugen. Bei einer präzisen Temperaturführung ist es gelungen, defektfreie Bauteile zu fertigen (Abb. 3). Das thermoplastische Verhalten der keramischen Grünfolien erlaubt auch eine Übertragung von anderen Formgebungsverfahren, z. B. das Thermoformen von Kunststoff.