Forschungszentrum Karlsruhe
- Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7061
Keramische Massen für den Niederdruckspritzguss zur Herstellung von
Komponenten für die Mikroverfahrenstechnik
Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wurden für die endformnahe
Fertigung von keramischen Mikrobauteilen auf der Basis von Aluminiumoxid der
Einfluss der Feedstock-Zusammensetzung und deren Aufbereitung auf das Abform-
und Sinterverhalten untersucht. Neben der Herstellung und rheologischen
Bewertung der Feedstocks für die Formgebung keramischer Mikrobauteile konnte in
der vorliegenden Arbeit zum ersten Mal ein mehrschichtig und ausschließlich aus
Keramik aufgebauter, funktionsfähiger Mikrowärmeübertrager gefertigt werden,
dessen Leistungsfähigkeit in experimentellen Versuchsreihen untersucht und
bewertet wurde.
Die materialspezifischen Voraussetzungen zur
Herstellung komplexer, mikrofluidischer Keramikbauteile wurden systematisch
erarbeitet. Es wurden Feedstocks bestehend aus drei Al2O3-Pulvern bzw.
Al2O3-Pulvermischungen und verschiedenen Bindersystemen (Siliplast LP65 und
Brij 72/Paraffin) mit sehr hohen Feststoffgehalten hergestellt und rheologisch
bewertet. Auf die rheologischen Eigenschaften der Feedstocks konnte durch
Verwendung verschiedener Ausgangspartikelgrößen, durch Einsatz verschiedener
organischer Bindersysteme, durch die Änderung des Feststoffanteils und durch
Temperaturänderung Einfluss genommen werden.
Aus den Feedstocks beider Bindersysteme wurden
mikrostrukturierte Bauteile und filigrane Teststrukturen mit vergleichbar hoher
Abformgenauigkeit bei Aspektverhältnissen bis zu fünf hergestellt. Die
Bauteileigenschaften wie lineare Schwindung, Sinterdichte und Gefüge wurden an
gesinterten Referenzbauteilen untersucht. Dabei konnten Bauteile mit Dichten
bis zu 98% hergestellt werden. Die ermittelten Schwindungen betrugen bei einem
Feststoffgehalt von 74,8 Vol.-% nur 8,2%, bei 65,0 Vol.-% Feststoffgehalt 11,0
– 12,5%.
Der komplex aufgebaute, keramische
Gegenstrom-Mikrowärmeübertrager wurde geometrisch ausgelegt, und anhand von
vereinfachten Simulationsrechnungen wurde der theoretische
Wärmeübertrager-Wirkungsgrad abgeschätzt. Die Einzelkomponenten für die
Mikrowärmeübertrager wurden über das Heißgießen bzw. das
Niederdruckspritzgießen gefertigt.
Zum Aufbau komplexer, mikrofluidischer
Keramikbauteile wurden das Fügen von Grünbauteilen und das Fügen auf der Basis
gesinterter Bauteile erarbeitet. Bei der Entwicklung einer Grünfügetechnik
erwies sich ein Bindersystem als ungünstig, während mit dem zweiten eine
Grünfügemethode entwickelt wurde. In Tests zum Druckaufbau der grüngefügten
Mikrowärmeübertrager hielten die Fügestellen einem maximalen Druck von 5 bar stand.
Mikrowärmeübertrager, die aus gesinterten Bauteilen mit Hilfe von Glaslot
gefügt wurden, konnten als Prototypen eingesetzt und bei einem Systemdruck von
8 bar auf ihre Leistungsfähigkeit untersucht werden. Zur Integration der
Mikrowärmeübertrager in die Versuchsanlage wurde die Anschlusstechnik für die
Medienzuführung und –abführung erarbeitet. Der Mikrowärmeübertrager Typ
1, der aus zwei Kanalplatten pro Passage aufgebaut wurde, konnte zur Abkühlung
von 95°C warmem Wasser eingesetzt werden. Dabei wurden für einen
Kaltwasser-Massenstrom von 12,6 kg/h ein Wärmeübertragerwirkungsgrad von 0,19
und maximale Wärmedurchgangskoeffizienten bis 15 kW/m² K erreicht.
Ceramic
Feedstocks for Low-pressure Injection Moulding for the Fabrication of Components
Used in Micro Chemical Engineering
Abstract
For
the near net shape manufacturing of ceramic microcomponents, the influence of
composition and preparation on the shaping and sintering behaviour of alumina
feedstocks was investigated. In addition to the preparation and rheological
characterization of the feedstocks, for the first time multilayered, functional
micro heat exchangers were manufactured that were completely made of ceramics.
The performance of the micro heat exchangers was experimentally investigated
and evaluated.
The material
specific requirements for the manufacture of the complex, ceramic microfluidic
components were systematically developed. Feedstocks with high solid contents,
based on two different binder systems (Siliplast LP65 and Brij 72/Paraffin) and
three different alumina powders or powder mixtures, respectively, were prepared
and their rheological properties were studied. By varying particle size,
organic binder system, solid content and temperature, the rheological
properties of the feedstocks could be significantly modified.
From
feedstocks of both binder systems, micropatterned components and tiny, detailed
test patterns could be fabricated with comparable high moulding precision at
aspect ratios of up to five. The properties of the sintered components such as
linear shrinkage, density and microstructure were systematically investigated.
Ceramic micropatterned components with densities of up to 98% of the
theoretical density were obtained. Linear shrinkages of only 8.2% were
determined for feedstocks with a solid content of 74.8 vol%, and shrinkages of
11.0 – 12.5% were obtained for powder loadings of 65.0 vol%.
The complex
set-up of the ceramic counterflow heat exchangers was geometrically designed.
Moreover, on the basis of simplified computer simulations their theoretical
efficiency was estimated. The individual microstructured parts of the heat
exchangers were manufactured by using a low-pressure injection moulding
process.
Methods for joining
both, green bodies and sintered components were developed for the setup of
complex, microfluidic ceramic systems. During the development of a joining
method for green bodies only one binder system turned out to be suitable. Micro
heat exchangers based on joining of green bodies were successfully tested for
leaks up to a pressure of 5 bar. Other micro heat exchanger prototypes were
constructed by joining the sintered components with glass solder. These devices
withstood system pressures of up to 8 bar and were investigated regarding their
heat exchange performance. For the media supply and to integrate the heat
exchanger into a pilot plant set-up a suitable fluidic connection technique was
developed. The micro heat exchanger type 1, consisting of two microchannel
plates per passage, was successfully applied to the cooling of hot water
(approx. 95°C) by using cold water of approx. 11°C as coolant. A maximum
overall heat transfer coefficient of 15 kW/m² K and a heat exchanger efficiency
of 0.19 for throughputs up to 12.6 kg water/h were achieved.
VOLLTEXT
BIBLIOTHEK