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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Pulvertechnologie

Anlagentechnik und Prozesse

Nasschemische Formgebungsverfahren

Unter nasschemischen Formgebungsverfahren werden vorwiegend Technologien verstanden, bei welchen eine Suspension, eine Paste oder ein Schlicker auf der Basis von Pulverpartikeln zu Bauteilen, Strukturen oder Beschichtungen prozessiert werden. Ebenfalls unter diese Rubrik fallen die Techniken, welche ein Sol verarbeiten.
Das IEK-1 verfügt über eine breite Palette an Dick- und Dünnschichtverfahren die sowohl zur Herstellung von ebenen als auch dreidimensional strukutrierten und einerseits dichten wie auch porösen Strukturen dienen.
Neben der Anlagentechnik sind auch die Methoden zur Charakterisierung der flüssigen Vorstufen und auch der Schichten und Bauteile verfügbar. Zu nennen sind hier u.a. Partikelgrößenanalyse, BET-Oberfläche, rheologische Eigenschaften, Topographie, Licht-, konfokale und Rasterelektronenmikroskopie, Röntgendiffraktometrie usw.
Nach der Herstellung der Strukturen bzw. deren Beschichtung stehen auch diverse Trocknungs- und Sintertechnologien zur Verfügung (Öfen bis 2000°C; Luft, Vakuum, Inertgase).

Powder Injection Moulding

2-Komponentenspritzgussanlage: Fabrikat Arburg, 370U 2K allrounder 700-100-100; Verarbeitung von zwei Spritzgussmassen in einer Anlage durch Anwendung eines geeigneten Werkzeugs mit zwei Kavitäten.

Anlagentechnik - Metal Injection Moulding

Heißisostatisches Pressen

Hersteller: EPSI, max. Temperatur: 2000°C, max. Druck: 350 MPa, max. Abmessungen: Ø = 150 mm, h = 400 mm, Druckgase: Ar, N2, Ar/O2 (20 Vol% O2), Heizelemente: Graphit, Mo, Kanthal

Anlagentechnik - Heißisostatisches Pressen

Folien- und Mikrofoliengießen

Foliengießbank komplette AnlageTechnikums-Foliengießbank; komplette Anlage

Foliengießbank Laser-SchichtdickenmessungTechnikums-Foliengießbank; Laser-Schichtdickenmessung auf der Grünfolie

Mittels des Foliengießens können je nach Anlage zweidimensional ausgedehnte kontinuierliche Strukturen unterschiedlicher Gießdicken erzeugt werden. Die Sinterdicken liegen im Bereich von ca. 5 bis 1000 µm. Das Verfahren dient unter anderem zur Herstellung von Substraten für die Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) und Gastrennmembrane.
Anlagen: Technikumsanlage der Firma SAMA; Mikrofoliengießbank: in Beschaffung

Siebdruck

Mittels des Siebdruckens können keramische und metallische Schichten in Dicken von ca. 10 bis 100 µm auf porösen oder dichten Substraten aufgetragen werden.

Derzeit wird es verwendet, um Funktionsschichten der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (Anode, Elektrolyt, Kathode) und Zwischenschichten (mesoporöse Schichten) für die Membrantechnologie herzustellen.

Siebdrucker der Firma EkraSiebdrucker der Firma Ekra

Detailbild eines Siebdruckers der Firma EkraDetailansicht eines Siebdruckers der Firma Ekra

Rollbeschichten

Beim Rollbeschichten werden kontinuierlich ebene Bauteile über Walzen mit einer Paste beschichtet. Erzielbare Schichtdicken liegen zwischen 10 und 100 µm. Anwendungsgebiete sind ebenfalls die Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) und die Gastrennmembranen.

RollbeschichtungsanlageAnlage: Reverse Roll Coater der Firma Mathis

Nasspulverspritzen

Mittels des Nasspulverspritzens (engl. wet powder spraying, kurz: WPS) können ebene, runde und auch dreidimensionale strukturierte (nicht hinterschnittene) Bauteile mit Schichten belegt werden. Das WPS -Verfahren kann Schichtdicken zwischen 5 und ca. 150 µm erzeugen (Mehrfachbeschichtung). Derzeit werden beispielsweise die metallischen Interkonnektoren der Hochtemepratur-Brennstoffzelle mit Schutz- und Kontaktschichten über WPS beschichtet.

Tintenstrahldrucken

Prozess: TintenstrahldruckenProzess: Direct Inkjet Printer LP50 der Firma PixDro

Beim Tintenstrahldrucken wird eine Suspension, eine Lösung oder ein Sol über einen Druckkopf mit einer Vielzahl an Düsen auf ein Substrat beschichtet.

Es eignet sich vorwiegend für sehr dünne Schichten (< 1µm) und kann nur ebene Bauteile beschichten.

Anlage: Befüllung des Tintenstrahldruckers Anlage: Direct Inkjet Printer LP50 der Firma PixDro

Vakuumschlickergießen

Das Vakuumschlickergießen basiert auf einem Filtrationsprozess, d.h. ebene, poröse Substrate können mittels einer Suspension beschichtet werden. Das Lösungsmittel wird durch einen auf der Gegenseite anliegenden Unterdruck durch das poröse Substrat gesogen, während die Pulverpartikel einen Filterkuchen auf dem Substrat bilden. Die funktionale Schicht wird anschließend durch einen Sinterprozess erzeugt. Typische Schichtdicken liegen bei 5 bis 20 µm. Anlagen: mehrere Eigenbauten für diverse Substratgrößen bis 200 x 200 mm².

Schleuder- und Tauchbeschichtung

SchleuderbeschichterSchleuderbeschichter

Beim Schleuderbeschichten (spin coating) werden ebene Strukturen mittels eines Sols oder einer Suspension über Rotation des zu beschichtenden Bauteils beschichtet. Erzielbare Schichtdicken liegen in der Regel unter 2 µm. Beim Tauchbeschichten (dip coating) wird das Bauteil entweder vertikal in eine Suspension/ein Sol oder durch eine Teilkreis-Bewegung in das Beschichtungsmedium getaucht. Auch dieses Verfahren eignet sich hauptsächlich für mikrometerdünne Schichten.

Tauchbeschichtungsanlage: vertikale Tauchbeschichtungsanlagevertikale Tauchbeschichtungsanlage

Warmpressen

Anlage: Eigenbau für Bauteilgrößen bis 350x350mmWarmpresse für Bauteile bis 350 x 350 mm²

Warmpressen wird im IEK-1 zum Verdichten und Formgeben von Pulvern, die mit einem Binder umhüllt sind, verwendet. Die Pressdrücke liegen im Bereich von 1 MPa, die Temperaturen um 100 °C. Es können ebene, relativ dicke Bauteile, welche als Substrate oder Unterlagen dienen können hergestellt. Die Substratdicke liegt zwischen 1 und 4 mm. Es wird zur Herstellung von Substraten für Hochtemperatur-Brennstoffzellen und Membransubstraten verwendet. Anlage: Eigenbau für Bauteilgrößen bis 350x350mm

Spezielle Charakterisierungsmethoden

Schlickerrheologie

Viskosimeter MCR 301 der Firma Anton Paar mit Zylinder-, Platte-Platte und Kegel-Platte Systemen; Heizeinheit

 

Bauteil- und Schichttopographie

Laser-Topograph CT 300 (Sonderbau) der Firma CyberTechnologies. Beidseitiger Lasertopograph zur Bestimmung von Schichtdicken, Bauteilkrümmungen und Rauhigkeiten; diverse Laserdetektoren der Firma Keyence

 

Konfokales Mikroskop

Konfokales Mikroskop VK 9700 der Firma Keyence

  

Sinteranlagen (Schutzgas/Vakuum)

Hersteller: Thermal Technology, max. Temperatur 1650°C, max. Abmessungen 300x 300x300 mm³, Schutzgas Ar, H2, Ar/H2, Vakuum, Absaugvorrichtung zum Entbindern, Heizelemente Mo.
Hersteller Fa. Gero, HV-HTK 25 Mo/16-2G, max. Temperatur 1600°C, max. Abmessungen 250x400x250 mm3, Schutzgas Ar, Vakuum, Absaufvorrichtung zum Entbindern, Heizelemente Mo.

Anlagentechnik - Sinteröfen Schutzgas/Vakuum

Substrat- und Schichtmaterialien (Auswahl)

  • Oxidkeramiken
    z. B. ZrO2, Y2O3-ZrO2, NiO, Perowskite wie z.B. La-Sr-Mn-, La-Sr-Fe-Co- und Ba-Sr-Co-Fe-Oxide, Spinelle
  • Metalle
    z. B. Crofer22APU, Ni, Edelstähle

Im Institut verfügbare Substrat- und SchichtherstellungsverfahrenIEK-1 verfügbare Substrat- und Schichtherstellungsverfahren in Abhängigkeit von der Zieldicke

(APS: atmosphärisches Plasmaspritzen, CVD: chemische Gasphasenabscheidung, HVOF: Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, IJP: Tintenstrahldrucken, PVD: physikalische Gasphasenabscheidung, RC: Rollbeschichten, SP: Siebdruck, SPS: Suspensionsplasma-spritzen, TC: Foliengießen, VPS: Vakuumplasmaspritzen, VSC: Vakuumschlickergießen, WPS: Nasspulverspritzen)


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