Bauteile aus Aluminiumstaub, Bild: TU Wien

Das Ausgangsprodukt der komplizierten Bauteile ist feines Pulver. Aluminiumstaub wird mit einer Trägersubstanz vermischt und dann gepresst. Am Ende wird das Teil bei hoher Temperatur gesintert. Bild: TU Wien

Komplizierte Metallteile stellt man heute gerne in Metallpulver-Spritzgussverfahren her: Metallpulver wird mit Kunststoff versetzt, in Form gepresst und bei hohen Temperaturen zu einem soliden Metallwerkstück zusammengebacken – diesen Prozess bezeichnet man als „Sintern“. Bei Stahl oder Titan funktioniert das schon lange sehr gut, für Aluminium war diese Technik bisher allerdings nicht geeignet. Nun gelang es aber an der TU Wien, ein pulvermetallurgisches Verfahren für Aluminium zu entwickeln, mit dem sich nun auf materialsparende Weise komplex geformte Bauteile herstellen lassen. Besonders interessant ist das für Branchen, in denen Gewichteinsparung eine Rolle spielt – von der Automobilindustrie bis zur Weltraumtechnik.

Vom Pulver zum soliden Metall

Gepresster Grünling, Bild: TU Wien
Links der gepresste "Grünling", rechts das gesinterte Endprodukt. Bild: TU Wien

Am Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU Wien forscht man seit vielen Jahren an Sinter-Technologien und arbeitet sehr erfolgreich mit einigen der weltweit führenden Firmen auf diesem Gebiet zusammen. „Das Ausgangsmaterial sind feine Metallpartikel, die mit dem Sauerstoff der Luft reagieren und daher meist mit einer dünnen Oxidschicht überzogen sind“, erklärt der Chemiker Christian Gierl-Mayer

Um das Metallpulver fluide und formbar zu machen, wird es zunächst mit einer Trägersubstanz aus Kunststoff vermischt und in eine vorgefertigte Form gespritzt. So entsteht ein Rohwerkstück, der sogenannte „Grünling“, den man dann in Spezialöfen erhitzt. Dabei wird die Trägersubstanz entfernt, und bei hoher Temperatur wird die Oxidschicht reduziert. Die Metallkörnchen kommen in direkten Kontakt und verbinden sich zu einem festen Metallkörper.

Chemiker Christian Gierl-Mayer, Bild: TU Wien
Der Chemiker Christian Gierl-Mayer arbeitet seit vielen Jahren an Sinter-Technologien. Bild: TU Wien

Wenn man dabei allerdings Aluminium verwendet, hat man ein Problem: Die Oxidschicht um die Aluminiumpartikel lässt sich nämlich erst bei sehr hohen Temperaturen entfernen. Gleichzeitig hat das Aluminium aber einen relativ niedrigen Schmelzpunkt, der die maximale Sintertemperatur begrenzt. Es ist daher unmöglich die Oxidschicht zu entfernen, bevor das gesamte Metallstück geschmolzen ist.

Auch die Trägersubstanz, in der das Metallpulver gebunden ist, wird durch thermische Prozesse entfernt, die erst bei erhöhten Temperaturen ablaufen. Durch das Überlappen der Temperaturbereiche der Binderentfernung mit dem Sintern werden Rückstände des Bindemittels in das gesinterte Werkstück miteingebaut, wenn man Aluminium mit derselben Technik verarbeitet wie andere Metalle.

Der Trick liegt in der Umgebungsatmosphäre

An der TU Wien gelang es nun, eine Lösung für dieses Problem zu finden: Entscheidend ist, im Sinterofen die richtige Atmosphäre zu schaffen. Normalerweise verwendet man eine sauerstoffarme Umgebung, um das vollständige Oxidieren eines Metallpulvers zu verhindern. Bei Aluminium hingegen ist eine sauerstoffreiche Atmosphäre nützlich: „Die Aluminiumoxidschicht der Partikel ist so dicht, dass sie die Partikel vor dem vollständigen Oxidieren schützt, gleichzeitig hilft der Sauerstoff beim Verbrennen der Kohlenstoffanteile des Bindematerials“, erklärt Gierl-Mayer

Sinterofen in der TU Wien, Bild: TU Wien
Chemiker Christian Gierl-Mayer schafft für die komplizierten Teile die richtige Atmosphäre im Sinterofen. Für Aluminium ist eine sauerstoffreiche Atmosphäre nützlich. Bild: TU Wien

Nach diesem ersten Schritt ersetzt man die Sauerstoffatmosphäre durch Stickstoff und erhöht die Temperatur weiter. Mit Hilfe von Magnesium wird die Aluminiumoxidschicht schließlich aufgebrochen, eine flüssige Phase entsteht und die Aluminiumpartikel werden zu einem soliden Metallstück gesintert.

„Durch dieses Verfahren gelingt es uns, die beiden Prozessschritte zu trennen, und jetzt erstmals vollständig ablaufen zu lassen: Das Entfernen der Kohlenstoffrückstände und das Sintern der Aluminiumpartikel“, erklärt Christian Gierl-Mayer. Das Verfahren wurde bereits mit Unterstützung des Forschungs- und Transfersupports der TU Wien zum Patent angemeldet.

Komplizierte Formen herstellen

Das pulvermetallurgische Verfahren erlaubt es, komplizierte Formen herzustellen, die auf andere Weise gar nicht oder nur mit großem Aufwand realisierbar sind. Das pulverförmige Ausgangsmaterial ist relativ billig, dadurch kann man bei überschaubaren Kosten auch relativ große Bauteile produzieren. In der Massenproduktion werden damit im Vergleich zur üblichen Fertigung erhebliche Material- und Gewichtseinsparungen von bis über 50% möglich.

Industrielle Einsatzmöglichkeiten für die neue Aluminium-Sintertechnik gibt es viele. „Sinterverfahren mit anderen Metallen haben sich industriell in vielen Bereichen bereits durchgesetzt, gerade österreichische Firmen gehören in diesem Bereich weltweit zu den führenden Unternehmen“, sagt Gierl-Mayer. Durch seine geringe Dichte ist speziell Aluminium für viele Anwendungen besonders interessant – etwa dort, wo es wichtig ist, Gewicht zu sparen, wie im Autobau oder in der Luft- und Raumfahrttechnik. Aber auch für Werkzeugmaschinen oder Uhren könnte die Aluminium-Sintertechnik neue Möglichkeiten eröffnen.

Spritzgussteile, Bild: TU Wien
Die neue Technik ermöglicht die Herstllung von Aluminium-Bauteilen mit komplizierter Geometrie. Bild: TU Wien