Entwicklung eines Formgebungsverfahrens für holzwerkstoffbasierte Grünkörper zur Herstellung biogener SiC-Keramiken

Status

abgeschlossen

Kurzfassung

In vorausgegangenen Projekten konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, SiC-Keramiken auf Basis spezieller Holzwerkstoffe herzustellen. Die Eigenschaften der so erzeugten Keramiken entsprechen bei spezieller Zusammensetzung der Grünkörper (Holzwerkstoffe) denen auf herkömmliche Weise (z.B. Sintern) hergestellter Keramiken. Neben dem Vorteil diese Materialien weitgehend aus nachwachsenden Rohstoffen herstellen zu können, zeichnete sich zusätzliches Potential für die Realisierung von komplex geformten SiC-Bauteilen ab, wie sie mit klassischen Verfahren nicht möglich sind. Voraussetzung für diese bisher nicht realisierbaren Bauteilformen sind geeignete Formgebungsverfahren für die Grünkörper. Holzwerkstoffe werden herkömmlicherweise im Flachpressverfahren hergestellt. Die Motivation des vorliegenden Forschungsvorhabens war es, Formgebungsverfahren zu finden, die sich für die Grünkörperherstellung aus Holz und Bindemitteln eignen.

Ziel des vorliegenden Projektes war es, verschiedene bewährte Formgebungsverfahren wie Formpressen oder Extrudieren dahingehend zu untersuchen, ob sie sich für die Herstellung von Grünkörpern für die SiC-Herstellung eignen. Eine weitere vielversprechende Möglichkeit, komplex geformten SiC-Keramiken zu realisieren, besteht auch darin, die als Zwischenstufe nötigen Kohlenstoffkörper vor einer Silizierung spanend zu bearbeiten. Daher war ein Inhalt des Projektes, Grünkörper in einer hierfür nötigen Größe durch Upscaling der bisherigen Ergebisse herzustellen.

Basierend auf der aktuellen Produktions- und Formgebungsmethode zur Herstellung von Grünkörpern wurden neue Formgebungsverfahren recherchiert und definiert. Darauf aufbauend wurde versucht diese Verfahren anzuwenden. Um diese Verfahren anwenden zu können wurde es notwendig auch weitere Rohmaterialien einzusetzen um die Prozesse zu ermöglichen. Die veränderten Zusammensetzungen und Formgebungsverfahren der Grünkörper machten es notwendig, die Grünkörper auch zu charakterisieren. Dazu wurden Produktionsparameter variiert und die Eigenschaften der Grünkörper analysiert. Die wesentlichen Eigenschaften des Karbonkörpers ‚Dimensionsveränderung‘ und ‚Karbonausbeute, wurde für die Produktionseinstellungen und Rohstoffkombinationen analysiert.

Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist weitere Verfahren zur Herstellung von Grünkörpern für die SiC- Keramiken anzuwenden und dass die erzeugten Grünkörper auch den Anforderungen der Weiterverarbeitung genügen. Dafür wurden auch die wesentlichen Prozess- und Rohstoff-Parameter analysiert.

Es wurde aber auch festgestellt, dass das angestrebte Formgebungsverfahren zur Herstellung von 3D Vollkörpern und 3D Hohlkörpern, das Spritzgießen, im Zuge dieses Projekts noch nicht gelöst werden konnte. Hier wird empfohlen ein anderes Verfahren, eventuell das 3D Drucken oder andere Methoden des Rapid Prototyping, zu untersuchen.

Auf Basis der entwickelten Verfahren zur Herstellung von SiC- Keramiken ist es möglich Bauteile mit größeren Dimensionen kostengünstig herzustellen. Damit werden Anwendungen für diese biogenen Materialien möglich, die bisher aufgrund von geometrischen Einschränkungen nicht denkbar waren. So könnten die starken SiC Platten für Schamotte von Müllverbrennungsanlagen oder sonstige industriellen Verbrennungsöfen eingesetzt werden. Die Ergebnisse der up-scaling-Versuche mit planar gepressten Holzwerkstoffen aus den bewährten Holz-Bindemittelmischungen und der anschließenden erfolgreichen Karbonisierung ermöglichen die Herstellung komplex geformter Bauteile durch spanende Bearbeitung. Hierfür zeigen die untersuchten Festigkeitseigenschaften der Grün- und C-Körper ausreichend hohe Werte. Somit sind eine Vorbearbeitung des Holzwerkstoffs und eine Endkonturbearbeitung des Kohlenstoffs möglich. Einsatzbereiche für diese durch anschließende Silizierung erzeugten, komplex geformten SiC-Bauteile liegen vor allem im Bereich verschleißfester Bauteile im Maschinenbau (z.B. Mühlen, gleitbeanspruchte Teile)

Die Herstellung von SiC Keramiken mit komplexer Geometrie, wie z.B. Rohre, ist auf Basis der Erkenntnisse des Projekts ebenfalls möglich. Die größte Herausforderung hierfür lag in der Herstellung von weiter-verarbeitbaren Granulaten, die Voraussetzung zum Extrudieren und Spritzgießen der Hol-Bindemittel-Mischungen. Hierfür wurden mehrere geeignete Verfahren untersucht. Damit können Anwendungen im Bereich Wärmetauscher oder für Rohre im Industrieanlagenbau mit aggressiven Medien erschlossen werden. Spezielle Hülsen für abriebfeste Bauteile im Maschinenbau sind mit diesem Verfahren ebenso denkbar und möglich.

Projektleiter

Priv. Doz. FH Prof. Dr. Alexander Petutschnigg
Fachhochschule Salzburg GmbH

Projektmitarbeiter

Fachhochschule Salzburg GmbH

• FH Prof. Dr. Olaf Treusch
• Dipl.-Ing. Josef Lohr
• DI(FH) Dr. Stefanie Wieland MSc.
• DI(FH) Dr. Gernot Standfest

Projekt- und Kooperationspartner

• DI Albin von Ganski
  SGL Carbon GmbH

Fachhochschule Salzburg GmbH
Priv. Doz. FH Prof. Dr. Alexander Petutschnigg
Urstein Süd 1
5412 Puch/Salzburg
E-Mail: alexander.petutschnigg@fh-salzburg.ac.at
Tel.: +43 (0)50-2211-2011
Web: www.fh-salzburg.ac.at