Direkte und indirekte Fertigungsmethoden zur Herstellung zellularer keramischer Filter

Abstract

Keramische Kreuzkanalfilter können mit unterschiedlichen Verfahren hergestellt werden. Generative Fertigungsverfahren für keramische Werkstoffe eignen sich sehr gut für die Herstellung solcher komplexer Geometrien. Diese Verfahren haben unterschiedliche Vor- und Nachteile, jedoch können sie derzeit nicht für eine Massen-produktion dieser Filter eingesetzt werden. Die Kreuzkanalfilter können aber auch über Gelgießen und eine verlorene Wachsform hergestellt werden, wodurch eine Verfahren für hohe Stückzahlen zur Verfügung steht. In der vorliegenden Arbeit sind sowohl das Gelgießen als auch ein lithographisches Verfahren zur Fertigung von Kreuzkanalfiltern angewendet worden.<br />Die Wachsformen für den Gelgießprozess können über verschiedene Verfahren hergestellt werden. Für eine Designevaluierung können erste Prototypen der Formen über einen generativen Prozess aufgebaut werden.<br />Damit wurden Filter mit Wandstärken bis zu 0,4 mm hergestellt, aber die maximale Größe der Form ist durch das Auftreten von thermischen Spannungen im generativen Fertigungsprozess und die langsame Baugeschwindigkeit begrenzt. Designänderungen können jedoch rasch durchgeführt werden und erste Prototypen sind schnell und kostengünstig verfügbar. Da sich die Ein- und Auslasskanäle des Filters nicht schneiden, lässt sich die Form auch durch Stapeln von zwei unterschiedlichen Wachsplatten, die entweder gefräst oder spritzgegossen werden, herstellen. Beim Fräsen können zwar in kurzer Zeit erste große Filter erzeugt werden, jedoch ist auch dieses Verfahren relativ langsam und die er-zielbaren Wandstärken des Filters sind mit 0,6 mm begrenzt.<br />Beim Spritzgießen sind die Kosten und die Dauer für die Herstellung eines Spritzgusswerkzeuges sehr hoch, jedoch ist die Verarbeitungsgeschwindigkeit gegenüber den anderen Verfahren ungleich höher, womit ein massentauglichen Verfahren zur Verfügung steht. Diese Wachsformen werden dann mit einem keramischen Gelgießschlicker befüllt und nach dessen Verfestigung abgeschmolzen. Prinzipiell können für das Gelgießen alle keramischen Materialien verwendet werden, jedoch wurde in dieser Arbeit nur rekristallisiertes Siliziumkarbid, das in den meisten Dieselpartikelfilter Anwendung findet, eingesetzt.<br />Rekristallisiertes Siliziumkarbid sintert schwindungsfrei in einem Gasphasenprozess unter Einfluss von Entbinderungsatmosphäre, Sintertemperatur, Korndurchmesser der bimodal verteilten Partikel und deren Mischungsverhältnis. Besonders interessant ist der Einfluss des Grobkorndurchmessers auf die Versinterung und damit folglich auf die mechanischen und thermischen Eigenschaften. Um eine Abschätzung der Abhängigkeit der makroskopischen Festigkeit vom Grobkorndurchmesser zu erhalten, ist ein einfaches analytisches Modell zur Sinterhalsbildung mit unterschiedlichen Annahmen zum Abscheidemechanismus der Gasphase aufgestellt worden. Die Annahmen dieses Modells werden auch auf das Gibson-Ashby-Modell für offenpo-rige Schäume übertragen und im Experiment überprüft. Aus den ermittelten Messwerten kann geschlossen werden, dass ein ungleichmäßiger Abscheidemechanismus dominiert und das analytische Modell zur Sinterhalsbildung eine besser Übereinstimmung mit den Messwerten liefert als das Gibson-Ashby-Modell. Weitere mechanische und thermische Eigenschaften von rekristallisiertem Siliziumkarbid sind ermittelt worden, die für den Einsatz als Dieselpartikelfilter wichtig sind.<br />Die direkte Strukturierung von Keramiken über lithographische Verfahren haben den Vorteil, dass komplexe Bauteile ohne Verwendung eines Werkzeuges hergestellt werden können. Da diese Verfahren ein photosensitives Harz benötigen, darf der keramische Füllstoff nicht zuviel Licht absorbieren, da ansonsten keine Strukturierung möglich ist.<br />Rekristallisiertes Silizium-karbid kann deswegen für die Anwendungen nicht eingesetzt werden, weswegen Cordierit, ein zweiter wichtiger Werkstoff für die Erzeugung von Dieselpartikelfilter, verwendet worden ist. Da bei der Strukturierung über das Digital Light Processing-Verfahren relativ große Kräfte auf das Bauteil wirken, ist das Design des Kreuzkanalfilters gegenüber dem Gelgießen leicht modifiziert worden. Der direkt strukturierte Cordierit ist hinsichtlich seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften charakterisiert und mit denen von gegossenem Cordierit verglichen worden.<br />