Funkenplasmasintern (SPS)

Spark Plasma Sintering (SPS), auch bekannt als Field Assisted Sintering Technology (FAST), ist eine moderne Sintern Technik. Diese Methode hat die Art und Weise, wie pulverförmige Materialien zu dichten Feststoffen verdichtet werden, grundlegend verändert. SPS eignet sich nicht nur hervorragend für die schnelle Herstellung dichter Materialien, sondern auch für Produkte mit feinen Mikrostrukturen.

Marktberichte von Lucintel schätzten im vergangenen Jahr, dass der SPS-Markt bis 1.83 2030 Milliarden US-Dollar erreichen wird, mit einer Wachstumsprognose von jährlich etwa 6.2 % für die sechs Jahre von 6 bis 2024. Der Markt für Funkenplasmasintern spielt eine entscheidende Rolle in Branchen, in denen Leitfähigkeit, Festigkeit und thermische Stabilität im Vordergrund stehen. Diese Branchen werden in einem späteren Abschnitt näher erläutert.

Was ist Funkenplasmasintern?

Beim Funkenplasmasintern werden Tausende bis Zehntausende Ampere gepulster Gleichstrom (DC) zusammen mit einachsigem Druck eingesetzt, um pulverförmige Materialien zu verdichten. SPS ist nicht auf externe Wärmezufuhr angewiesen, sondern erzeugt intern Wärme. Dieser Prozess erfolgt durch das Durchleiten eines elektrischen Stroms durch das Material und/oder die Umgebung. Dies führt zu schnelleren Heizraten, schnellerer Verdichtung und niedrigeren Sintertemperaturen.

SPS ist einzigartig, da es Materialien bei höheren Geschwindigkeiten sintern kann und gleichzeitig die intrinsischen Eigenschaften und die feinere Kornstruktur des Pulvers erhält. Dank der Effizienz dieser Technik und des Fortschritts in der Materialwissenschaft steigt die Nachfrage branchenübergreifend.

Spark-Plasma-Sinterverfahren

Das Spark-Plasma-Sintern erfolgt üblicherweise im Vakuum oder in einer Umgebung mit kontrollierter Atmosphäre. Dies dient der Gewährleistung der Reinheit und der Vermeidung von Oxidation. Der SPS-Prozess umfasst typischerweise vier Hauptschritte.

Gasentfernung oder Vakuumerzeugung

Zunächst wird das pulverförmige Material in eine Graphit-Matrize und zwei Stempel gegeben (diese dient als Heizelement, wenn Strom hindurchfließt). Das Gas wird mithilfe einer Rotationsvakuum- und Diffusionspumpe aus der Vakuumkammer, in der sich die Matrize und die Stempel befinden, entfernt. Die Luft wird abgepumpt, um einen Druck von etwa 5-10 x 10 zu erreichen.^-3 Pa.

Druckanwendung.

Der Graphitsatz wird mittels der oberen und unteren Elektroden einem einachsigen Druck ausgesetzt. Der Druck beträgt bis zu 150 MPa und die Temperatur liegt bei etwa 2500^oDies gewährleistet eine schnelle Verdichtung der Materialien innerhalb eines kürzeren Zeitrahmens, minimierte Porosität, reduziertes Kornwachstum und die Bildung einer gleichmäßigen Struktur.

Joulesche Erwärmung

Der an die Matrize angelegte Gleichstrom (DC) ist gepulst, weist eine niedrige Spannung und eine hohe Intensität auf. Der Joule-Effekt erzeugt beim Durchfließen der Matrize und des Pulvers schnell Wärme mit einer Rate von 1000 K pro Minute. Diese lokale Erwärmung fördert eine schnelle Diffusion und Partikelbindung.

Frühere Studien gingen davon aus, dass das Funkenplasmasintern Pulver aufgrund der Funken- oder Plasmabildung zwischen den Pulvern schnell verdichten kann. Die Forschung hat jedoch inzwischen nahezu bestätigt, dass die SPS-Erwärmung auf der Joule-Wärme beruht, die durch den hohen Widerstand an den Kontaktstellen zwischen den Pulvern entsteht. Beim Funkenplasmasintern entstehen weder Funken noch Ionen, dennoch wurde der Name verwendet.

Kühlung:

Der Sinter wird in der Kammer der SPS-Maschine abgekühlt. Dieser Prozess kontrolliert den Erstarrungsprozess besser und verhindert die Entstehung von Rissen.

Materialien für SPS

Das Funkenplasmasintern kann eine Vielzahl von Materialien verarbeiten, insbesondere moderne Werkstoffe. Dank seiner Fähigkeit, bei relativ niedrigen Temperaturen und in kurzer Zeit schnell zu verdichten, ist es möglich, die wichtigsten Typen zu unterscheiden:

Keramik

Bei Keramik sorgt diese Technik für feinkörnige Strukturen, den Erhalt der mechanischen Festigkeit und verbessert Eigenschaften wie Härte und Verschleißfestigkeit.

• Zirkonoxid (ZrO₂) für Zahnimplantate und Schneidewerkzeuge.
• Siliziumkarbid (SiC) für Hochtemperatur-Motorkomponenten.
• Aluminiumoxid (Al₂O₃) für elektronische Substrate und Isolierkomponenten.

Metall

Insbesondere solche, die aufgrund ihrer hohen Schmelzpunkte oder Reaktivität mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu verarbeiten sind.

• Titan (Ti) und seine Legierungen für die Luft- und Raumfahrt und Bioimplantate.
• Wolfram (W) für Hochtemperaturanwendungen.
• Molybdän (Mo) für elektrische und hitzebeständige Teile.

Composite

SPS fertigt Verbundwerkstoffe mit einzigartigen Kombinationen von Eigenschaften wie Zähigkeit und Wärmeleitfähigkeit durch kontrolliertes Sintern mehrerer Phasen.

• Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (z. B. mit Keramikpartikeln verstärktes Aluminium).
• Verbundwerkstoffe mit Keramikmatrix (z. B. SiC-faserverstärkte Verbundwerkstoffe mit SiC-Matrix).

Vor- und Nachteile des Spark-Plasma-Sinterns.

SPS bietet bemerkenswerte Vorteile, wie einen kurzen Zeitrahmen, Energieeinsparungen usw. Es gibt jedoch auch gewisse Einschränkungen, wie Skalierbarkeitsprobleme, Temperaturinhomogenität usw. Wenn Sie diese verstehen, können Sie ihre Eignung für bestimmte Anwendungen besser beurteilen.

Die Vorteile umfassen:

• Niedrigere Sintertemperatur: SPS arbeitet bei Temperaturen, die 400–500°C niedriger sind als beim herkömmlichen Festphasensintern und 100–200°C niedriger als Heißpressen.

• Schnelle Heizrate: Die Heizrate kann mehrere zehn bis hundert Grad Celsius pro Minute erreichen, wodurch die thermischen Zyklen erheblich reduziert werden.

• Kurze Sinterzeit: Das Sintern ist in nur 5–10 Minuten abgeschlossen, im Vergleich zu mehreren Stunden bei herkömmlichen Methoden.

• Hoher Sinterdruck: SPS wendet einen Druck von einigen zehn MPa bis zu 1 GPa an, wodurch selbst schwer zu sinternde Materialien wie WC und SiC problemlos verdichtet werden können.

• Mikrostrukturkontrolle: Das Verfahren ermöglicht eine präzise Kontrolle der Mikrostruktur während des Sinterns.

• Kein Vorformen erforderlich: Pulver kann in einem Schritt direkt verdichtet und gesintert werden, wodurch eine Vorverdichtung entfällt.

Zu den Einschränkungen zählen:

• Hohe Kosten für die Wartung der Spark-Plasma-Sintermaschine und -Ausrüstung.
• Die Verwaltung oder Aufrechterhaltung der Sinterbedingungen für größere Maßstäbe kann eine große Herausforderung darstellen.
• Bei SPS besteht ein hohes Risiko für ungleichmäßige Mikrostrukturen, da es schwierig ist, innerhalb der kurzen Anstiegszeit eine gleichmäßig verteilte Temperatur aufrechtzuerhalten.

Anwendungen von SPS

SPS wird in zahlreichen Branchen eingesetzt, beispielsweise in der Automobilindustrie, der Elektronikindustrie usw.

• Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie: Aus ihnen werden Leichtbauteile mit hoher Festigkeit für Flugzeuge und Fahrzeuge hergestellt.
• Elektronik: Herstellung elektronischer Komponenten, insbesondere solcher für Hochtemperaturanwendungen.
• Energiespeicher: Wird zur Herstellung von Komponenten wie Elektroden für Festkörperbatterietechnologien verwendet.
• Biomedizinische Implantate: Herstellung kompatibler Biomaterialien und chirurgischer Implantate für orthopädische und zahnmedizinische Anwendungen.
• Zerspanungswerkzeuge und Hochleistungswerkstoffe: SPS wird zur Herstellung von verschleißfesten Hartwerkzeugen verwendet, die sich effizient zum Bohren, Schneiden und Bearbeiten eignen.

SPS vs. konventionelles Sintern

Einige keramische Matrixverbundstoffe sind schwer zu verdichten mit konventionelles pulvermetallurgisches Sintern aufgrund sehr starker kovalenter Bindungen in ihrer Kristallstruktur und niedriger Selbstdiffusionskoeffizienten. Das Funkenplasmasintern (SPS) bietet einen neuen Ansatz.

FAQ

1. Was ist der Unterschied zwischen SPS und Heißpressen?

SPS ist eine Art Heißpressverfahren. Der größte Unterschied zwischen SPS und herkömmlichem Heißpressen liegt in der Heizmethode. Beim SPS wird Gleichstrom verwendet, um die Pulververdichtung intermittierend durchzuführen, während beim Heißpressen herkömmliche elektrische Heizung zum Einsatz kommt.

2. Ist das Spark-Plasma-Sintern für die Massenproduktion geeignet?

Ja, es ist für mittlere bis große Produktionsmengen geeignet, insbesondere für kleine und mittelgroße Teile.

3. Wie wirkt sich SPS auf das Kornwachstum aus?

Obwohl SPS aufgrund niedriger Sintertemperaturen und hohem Druck für reduziertes Kornwachstum bekannt ist, kann es auch Kornwachstum verursachen. Dies geschieht üblicherweise in der Endphase des Sinterprozesses aufgrund von Spannungen, wie hohen Temperaturen oder Druckwechseln.