Werkstoffe und Verfahren

Kompetenzen

Gefügebild einer Siliciumnitridkeramik für die Werkstoffoptimierung.
© IKTS

Gefügebild einer Siliciumnitridkeramik für die Werkstoffoptimierung.

Werkstoffentwicklung

 

Werkstoffentwicklung am Fraunhofer IKTS bedeutet überwiegend Weiterentwicklung, Optimierung und Veredelung kommerziell verfügbarer keramischer Rohstoffe für den jeweiligen Anwendungsfall. Das Wissen um das Zusammenspiel von keramischen Rohstoffen, Additiven und ihres Sinterverhaltens ist essentiell, um das Gefüge hinsichtlich der gewünschten Eigenschaften gezielt einzustellen. Innovative Werkstoffe erfordern in vielen Fällen auch die chemische Synthese der Phasen oder die Verwendung von chemischen Vorläuferverbindungen. Das Fraunhofer IKTS nutzt die Vielfalt dieser Precursoren, um sie zu Funktionsmaterialien in Form von Schichten, Nanopartikeln oder Bulkmaterialien umzuwandeln.

Granulat (Hohlkugelstruktur) eines ZnO‐Katalysators für die Gasreinigung.

Granulat (Hohlkugelstruktur) eines ZnO‐Katalysators für die Gasreinigung.

Pulvertechnologie und Zwischenprodukte

 

Das Fraunhofer IKTS stellt maßgeschneiderte Pulver für keramische und metallische Werkstoffe oder Verbundmaterialien her. Ziel sind homogene Produkte mit wohldefinierten Eigenschaften wie Pressverhalten, Fließeigenschaften und Struktur sowie elektrische, magnetische oder katalytische Funktionen. Auf der Basis des Anforderungsprofils werden Pulver und Additive ausgewählt, homogenisiert, zerkleinert, klassiert und als Suspension, Trockenmischung oder Granulat konfektioniert. Laborergebnisse lassen sich dabei anhand bewährter Routinen in den Pilotmaßstab übertragen. Zahlreiche Materialien sind am Fraunhofer IKTS in Form von Pasten und Tinten für Beschichtungstechnologien wie Sieb-, Gravur-, Inkjet- oder Aerosoldruck verfügbar. Dazu werden die Pulver entsprechend der Anwendung ausgewählt, in Suspensionen überführt und deren technologisches Verhalten während der Schichtbildungsprozesse optimiert.

Prägen von keramischen Grünfolien.

Prägen von keramischen Grünfolien

Formgebung

 

Das Fraunhofer IKTS erarbeitet Fertigungskonzepte basierend auf nahezu allen Möglichkeiten der keramischen Formgebung. Pulvertechnologische Verfahren wie uniaxiales und isostatisches Trockenpressen werden am IKTS auf hohem Niveau und mit hohem Durchsatz betrieben und ständig weiterentwickelt. Der 1K- und 2K-Spritzguss sowie Mikrospritzguss als thermoplastische Formgebung wird insbesondere für neuartige Werkstoffkombinationen genutzt. Mit dem 3D-Druck lassen sich hauptsächlich kleine und mittlere Stückzahlen realisieren. In voller Bandbreite ist die Extrusion vertreten, um unter anderem Multikanalelemente, Wabengeometrien und Röhren aus Struktur- und Funktionskeramiken herzustellen. Flächige keramische Halbzeuge, zum Beispiel für die Multilayerkeramik und keramische Mikrosystemtechnik, können mit der am Institut vorhandenen Foliengießtechnik auf höchstem Niveau hergestellt und weiterverarbeitet werden. Als besondere Kompetenz bietet das Fraunhofer IKTS die Verbindung zwischen keramischer Folientechnik und klassischen Verfahren wie dem Spritzguss an. Mit der Dickschichttechnik können Bauteile funktionalisiert werden. Abgerundet wird das Gebiet der Suspensionsformgebung mit innovativen Methoden wie Elektrophorese, Gelcasting oder Gefriergießen. Alle Verfahren stehen grundsätzlich sowohl für Entwicklungsaufgaben als auch für Direktaufträge zur Verfügung.

Anlage zum Warm‐ oder Heißpressen von keramischen und metallischen Pulvern sowie Kohlenstoffwerkstoffen.

Anlage zum Warm‐ oder Heißpressen von keramischen und metallischen Pulvern sowie Kohlenstoffwerkstoffen.

Wärmebehandlung und Sintern

 

Das Fraunhofer IKTS beherrscht die Modellierung und Untersuchung des Entbinderungs- und Sinterverhaltens von Werkstoffen und Bauteilen unter Nutzung modernster Messtechnik. Darauf aufbauend werden Wärmebehandlungsprozesse im Labor- und Technikumsmaßstab ausgelegt, durchgeführt und optimiert. Im Haus steht eine breite Palette von Anlagen für die Wärmebehandlung bis zu Temperaturen von 2500 °C bereit. Es kann unter unterschiedlichsten Atmosphären gearbeitet werden (Hochvakuum, oxidierend, inert, reduzierend), ebenso mit Sondergasen und druckunterstützten Verfahren (heißisostatisches Pressen, Gasdrucksintern, FAST/SPS, Heißpressen). Darüber hinaus werden spezielle Techniken wie Reaktionsbindung und Cofiring beherrscht.

Fräsen von keramischen Bauteilen.

Fräsen von keramischen Bauteilen.

Grün- und Finishbearbeitung

 

Im Bereich der Grün- und Finishbearbeitung werden wirtschaftliche Bearbeitungskonzepte für Zerspanung, Schleifen, Läppen und Polieren von keramischen Bauteilen entwickelt und angeboten. Dies reicht von keramikgerechten Spann- und Handhabungstechniken bis zur Auswahl ultraharter Hochleistungsschneidstoffe samt zugehöriger Bearbeitungsparameter. Das Fraunhofer IKTS verfügt dazu über eine hochmoderne Anlagentechnik.

Entwicklung und Herstellung von Fügegläsern und ‐elementen sowie Metallloten.

Entwicklung und Herstellung von Fügegläsern und ‐elementen sowie Metallloten.

Fügen

 

Keramische Komponenten erfüllen oft nur einen Teil der gewünschten Eigenschaftsmatrix im Bauteil oder System. Am Fraunhofer IKTS werden daher Technologien und Werkstoffe entwickelt, die eine stoffschlüssige Verbindung unterschiedlicher Materialien für eine gemeinsame Aufgabe oder Funktion ermöglichen. Das Spektrum reicht von thermisch zyklisierbaren Fügungen über vakuumdichte Durchführungen mit Al2O3-Isolatoren, die Metallisierung von Oxid- und Nitridkeramiken bis zu hochtemperaturstabilen Verbindungen für Carbid- und Nitridkeramiken. Eine besondere Rolle spielen kristallisierende Glaslote und Reaktivlote an Luft. Solche Fügeverbindungen werden häufig mit Hilfe von einfach applizierbaren Pasten und Grünfolien realisiert, die das Fraunhofer IKTS anwendungsgerecht liefert.