Spark Plasma Sintern mit hohem Durchsatz: Erste semikontinuierliche SPS-Anlage in Europa am Fraunhofer IFAM Dresden in Betrieb

Die Anforderungen an Techniken zur Herstellung von Werkstoffen aus Pulvern sind immens und wachsen stetig. Das Heißpressen ist hier ein etabliertes Verfahren, hat aber in den letzten Jahren in seiner modernen Form des Spark Plasma Sinterns (SPS) noch einmal erheblich an Bedeutung gewonnen.

Am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Dresden wird bereits seit mehreren Jahren zum Spark Plasma Sintern, dem auch international große Bedeutung gilt, intensiv geforscht. Da diese Technik erheblich schneller und wirtschaftlicher ist als vergleichbare Verfahren, steigt stetig das Interesse an anwendungsnaher Forschung und Entwicklung.

Dieser Nachfrage trägt das Fraunhofer IFAM Dresden Rechnung, indem die am Institut installierte einzige europäische Anlage in produktionsrelevanter Größe jetzt nochmals erweitert wurde: Anwendern steht damit ab sofort erstmals eine semikontinuierliche Hochdurchsatz-Anlage zur Verfügung.

Der Geschwindigkeitsvorteil beim SPS-Kurzzeitsintern wird dadurch erreicht, dass mit vielen kurzen Gleichstrompulsen die Wärme direkt im oder am Werkstoff erzeugt wird. Das Pulver, welches ohne Additive in einem Werkzeug verpresst wird, dient selbst als Heizwiderstand. So lassen sich nicht nur Heizraten von vielen hundert Grad pro Minute erreichen, sondern auch die Sinteraktivität wird durch die Strompulse wesentlich verstärkt. Die einzelnen elektrischen Pulse erreichen nur wenige Volt bei bis zu 60 000 A. So entstehen auf der Oberfläche der Pulverpartikel viel höhere Temperaturen als im Inneren. Die Zykluszeit reduziert sich erheblich, was eine hohe Produktivität und deutliche Energieeinsparungen mit sich bringt. Statt Stunden beim konventionellen Heißpressen reichen beim Kurzzeitsintern Sekunden oder wenige Minuten, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Die kurze Dauer der Wärmebehandlung verhindert starkes Kornwachstum und ungewollte Reaktionen, was das Spark Plasma Sintern zum geeigneten Verfahren für die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit schwierig einzustellenden Grenzflächen macht.

Hauptanwendungsgebiete sind insbesondere Hartmetalle, Diamantwerkzeuge, Sputtertargets, pulvermetallurgische Hochleistungs-Aluminiumlegierungen und Reibbeläge. Mit dem wachsenden Interesse an nano- und ultrafeinstrukturierten Massivwerkstoffen rückt das Kurzzeitsintern auch in der Energietechnik immer weiter in den Fokus.

Das Fraunhofer IFAM Dresden entwickelt in diesen Bereichen unter anderem kurzzeitsinterfähige Werkstoffpulver und Werkzeugeinsätze, die den besonderen Anforderungen der hohen Heizraten genügen. Ein spezieller Schwerpunkt ist die Entwicklung von diamanthaltigen Verbundwerkstoffen mit Metallmatrix, welche heute aus der Steinbearbeitung nicht mehr wegzudenken sind. Auch den hohen Anforderungen an die Herstellung dieser Werkstoffe kann mit Inbetriebnahme der ersten semikontinuierlichen Anlage für Kurzzeitsinterverfahren optimal begegnet werden.

Damit ist das Institut bestens gerüstet, die steigende Nachfrage nach anwendungsnaher Entwicklung zu befriedigen. Mit der erweiterten Anlage lässt sich ein wesentlich höherer Durchsatz verwirklichen, so dass noch näher am Endprodukt geforscht werden kann. Dies eröffnet Kunden die Möglichkeit zur Bemusterung von Kleinserien und die Durchführung realistischer Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen.