Kontrolliertes Entbindern in Mikrowellen unterstützten Thermoprozessanlagen

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Förderinsitutionen:AiF / DKG
AiF-Nr.: 14 473 BR
Arbeitsgruppe:Ofenbau
Bearbeiter:Dipl.-Ing. M. Reichmann
E-Mail:Markus [dot] Reichmannatiwtt [dot] tu-freiberg [dot] de
Projektpartner:TU Dresden

Die Entbinderung von Keramiken als Vorbereitung auf die Sinterung ist einer der zeitlich und energetisch aufwendigsten Prozessschritte in der Keramikherstellung. Dieser Prozessschritt bestimmt bei nicht wenigen Keramiken die möglichen Durchsätze und die Qualität des Produktes. Bei zu schneller Entfernung des Binders kann es zum Verzug des Rohlings, zum Festigkeitsverlust der Binderbrücken und zu Mikrorissen bis zur vollständigen Zerstörung des Rohlings kommen. Ursachen sind in nahezu allen Fällen zu hohe Temperaturgradienten im Material. Weiter kann das Ende des Entbinderungsprozesses nicht zweifelsfrei festgestellt werden. Wird der Binder nicht vollständig entfernt, können beim anschließenden wesentlich schneller ablaufenden Sinterprozess ähnliche Schädigungen auftreten. Zur Vermeidung solcher Szenarien werden sehr geringe Aufheizgeschwindigkeiten und lange Haltezeiten gewählt.
 

Anlage
Abbildung 1

Durch den Einsatz von Mikrowellentechnik kann die Prozesszeit in Thermoprozessanlagen oft drastisch reduziert werden. Bis heute wurde dies nur im kleinen Maßstab durchgeführt. Mit der im Projekt entwickelten und gebauten Anlage erreichen diese Öfen eine Größe, die sie für die industrielle Kleinserienfertigung interessant machen (Abbildung 1). Dabei wird weniger Energie bei gleich bleibender Produktqualität verbraucht. Dazu ist es notwendig, die bestehende Ofentechnik für die Mikrowellenanwendung anzupassen. Im ersten Teil des Projektes wurde als Ergebnis von Simulationen und Vorversuchen ein geeignetes Konzept für einen Mikrowellenentbinderungsofen erarbeitet. Es wurden ein Heißverschlusssystem und ein Hochfrequenzteiler für diese besonderen Anforderungen entwickelt und gebaut.

Zur Online-Kontrolle des Entbinderungszustandes wird ein Fourier-Transformations-Infrarotspektroskop (FTIR) verwendet, das die Zusammensetzung des Prozessgases überwacht. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die FTIR-Messtechnik sehr gut geeignet ist, um Entbinderungsvorgänge zu optimieren, da hiermit Einblicke in die zugrunde liegenden Freisetzungsmechanismen ermöglicht werden. Anhand der auftretenden Reaktionsprodukte und Zwischenprodukte kann auf die für den jeweiligen Binderbestandteil optimalen Temperaturbereich geschlossen werden. In den durchgeführten Versuchen wurde erfolgreich gezeigt, dass diese Information in Verbindung mit der Ende-Erkennung dieser Temperaturphasen genutzt werden kann, die Prozessdauer des Entbinderns deutlich zu reduzieren. Eine Integration in die Ofensteuerung ist möglich, aber sehr aufwendig, da die Zusammensetzung der Ofenatmosphäre stark von der Art des Materials, der Beladungsdichte und der individuellen Charakteristik des Ofens abhängt. Der damit verbundene Aufwand, die zur Prozessregelung geeignete Information automatisch aus den Spektren zu extrahieren, rechtfertigt den Einsatz dieses Messverfahrens in der Praxis deshalb nur im Ausnahmefall.

Diagramm Entbinderungszeit von ZnO-Keramiken
Abbildung 2

Durch den Einsatz dieser Techniken und des neuen Ofenkonzepts kann die Entbinderungszeit von z.B. ZnO-Keramiken drastisch reduziert werden (Abbildung 2). Neben der Zeitreduktion von 65 h auf 24 h (Entbinderng) wird eine etwas höhere Sinterdichte erreicht. Zudem gestattet diese Hybridtechnik Energieeinsparungen von 20-30 %.