Sintern erklärt:Definition, Prozess, Typen und praktische Anwendungen

Beim Sintern handelt es sich um eine breite Methodenfamilie, mit der durch Komprimieren und anschließendes Verschmelzen von Pulvern und Bindemitteln integrale und möglicherweise hochkomplexe Teile aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden. Der Teil durchläuft zwei Phasen. In der ersten Stufe wird die erforderliche Form zu einem schwachen und schlecht integrierten, übergroßen Bauteil. In der zweiten Stufe wird diese Komponente gebacken, um das Bindemittel auszutreiben und die verbleibenden Partikel miteinander zu verschmelzen und zu einem vollfesten Teil zu verschmelzen. Dieser Ansatz verbreitet sich zunehmend in der Metall- und Keramikindustrie, da er eine Möglichkeit bietet, komplexe Endformteile mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften durch einen Prozess mit niedrigen Stückkosten und hoher Wiederholgenauigkeit herzustellen. In diesem Artikel werden das Sintern, seine Funktionsweise, die Arten des Sinterns und die verschiedenen Prozesse definiert.

Was ist Sintern?

Beim Sintern handelt es sich um den Prozess, bei dem zunächst Pulverformen durch Verdichtung zu integrierten Feststoffen verbunden werden. Anschließend wird die Form auf einen Wert unterhalb des Schmelzpunkts eines der Pulver erhitzt, um eine thermische Verschmelzung der Partikel zu ermöglichen. Dadurch werden sämtliche Zwischenbindemittel, die zuvor dazu dienten, die Form zusammenzuhalten, weggebrannt und die verbleibenden „grünen“ (d. h. ungesinterten) Materialien werden miteinander verbunden. Bei diesem Prozess entstehen feste Objekte aus Metallpulver, Keramik oder Verbundwerkstoffen.

Wenn die komprimierten Pulverteile erhitzt werden, wodurch sich die Partikel verbinden, verfestigt der Prozess etwaige Hohlräume. Dies führt zu einer Dichte von nahezu 100 %, was den Eigenschaften des Hauptmaterials nahe kommt. Die Verarbeitungstemperaturen werden präzise gesteuert. Beim Verschmelzen darf der Kontaktpunkt kaum schmelzen, um beim Zusammenfügen als ein Körper die Form vor dem Verschmelzen vollständig beizubehalten. Abbildung 1 zeigt Beispiele für Sinterteile:

Was ist der andere Begriff für Sintern?

Zur Beschreibung von Prozessen, bei denen es sich im Wesentlichen um Sintern handelt, werden üblicherweise verschiedene Begriffe verwendet. Dazu gehören Pulvermetallurgie, MIM (Metallspritzguss), Konsolidierung, Zusammenbacken und Brennen. Bei der Pulvermetallurgie werden Metallpulver in feste Gegenstände gepresst oder injiziert. MIM hingegen spritzt eine Metallpulveraufschlämmung mit einem geschmolzenen Polymer in ein Kunststoffformwerkzeug. Anschließend wird das Polymer verbrannt und die Temperatur erhöht, um die Partikel zu verschmelzen.

Konsolidierung wird in der Keramikindustrie häufig verwendet, um den ähnlichen Prozess des Pressformens von Keramikpulvern zu Feststoffen zu beschreiben, die dann im Ofen ausgehärtet werden. Unter Zusammenbacken versteht man die Bildung verschiedener Pulverpartikel, die sich zu einem festen „Kuchen“ verbinden. Schließlich beschreibt Brennen die Wärmeintegration partikelbasierter Formen in der Keramikindustrie.

Was ist der Ursprung des Sinterns?

Die Ursprünge des Sinterns liegen in der Vorgeschichte, da alle gebrannten Keramiken im Wesentlichen aus gesinterten Tonpartikeln bestehen. Durch die nasse Verschmelzung der Tonpartikel entsteht die „grüne“ Form, gefolgt vom Brennen, bei dem die einzelnen Klumpen nassen Tons zu einem einzigen, haltbaren Gegenstand zusammengefügt werden. Darüber hinaus stellen einige Metallpulverdekorationen und das Glasieren von Keramik primitive Sintermethoden dar, bei denen Glas und Metalle durch die Anwendung von Wärme von Pulver zu Feststoffen verschmelzen.

Mit der Arbeit von William Coolidge begann das moderne Sintern als wissenschaftlich-kommerzielles Gebiet. Im Jahr 1909 stellte er durch Heißextrudieren/Ziehen der pulverförmigen Knüppel duktilen Wolframdraht her, um Lampenfäden herzustellen, die haltbarer als zuvor waren.

Wie funktioniert der Sinterprozess?

Das Sintern erfolgt in einem dreistufigen Prozess:

1. Eine Primärteil-Pulvermischung mit einem Bindemittel wird in die gewünschte Form gebracht. Der Haftvermittler klebt das Pulver zusammen, um die Form des Teils zu erhalten. Dieses Bindemittel kann Wasser sein, häufiger ist es jedoch ein Wachs oder ein Polymer.
2. Beim Brennen des Grünteils verdampft oder verbrennt das Bindemittel. 
3. Die Temperatur steigt dann so weit an, dass einer von zwei im Wesentlichen identischen Prozessen abläuft. Entweder erhitzen sich die Primärteilchen so stark, dass sie gerade erst beginnen zum Schmelzen, wodurch die einzelnen Partikel an ihren Oberflächen verschmelzen, oder ein Zwischenbindemittel wie Bronze schmilzt und verbindet sich zwischen den Partikeln, wodurch die Primärkomponentenleistung in einem unveränderten Zustand zurückbleibt.

Welche Bedeutung hat der Sinterprozess?

Sinterprozesse sind in einer Vielzahl von Anwendungen wichtig, darunter:

1. Wird zur Herstellung von Bauteilen mit großer Härte, Zähigkeit und Präzision verwendet.
2. Wird zur Herstellung komplizierter Formen und Geometrien verwendet, die mit normalen Herstellungsmethoden nur schwer zu erreichen sind.
3. Führt die Eigenschaften mehrerer Materialien zusammen und vereint die Zähigkeit einer Komponente mit der Abriebfestigkeit einer anderen.
4. Kostengünstigere Werkzeuge zur Herstellung komplexer Teile und Geometrien. Die Komplexität muss einmal in einer Primärpresse oder einem Formwerkzeug hergestellt und in gebundenen Pulvern genau reproduziert werden.
5. Ermöglichen Sie eine schnelle Massenproduktion von Komponenten bei gleichzeitiger Beibehaltung von Präzision und Wiederholbarkeit.

Welche verschiedenen Arten des Sinterns gibt es?

Unter dem Oberbegriff Sintern fallen verschiedene Ansätze, darunter:

1. Festkörpersintern: Pulverförmiges Material wird auf eine Temperatur knapp unter dem Schmelzpunkt erhitzt. Dadurch werden die Partikel durch Atomdiffusion an den Korngrenzen miteinander verbunden.
2. Flüssigphasensintern: Durch Zugabe einer kleinen Menge einer Lösungsmittelflüssigkeit zum Pulver wird eine geringe Porosität und Bindung erreicht. Diese Flüssigkeit wird dann im Allgemeinen durch Erhitzen ausgetrieben, um einen integrierten Feststoff zu erzeugen.
3. Reaktives Sintern: Nutzt eine chemische Reaktion mindestens einer der Phasen von Pulverpartikeln während des Erhitzens. Es verändert die Chemie, was zu einer Partikelkopplung in der chemisch veränderten Masse führt.
4. Mikrowellensintern: Ein neuartiger Ansatz für Keramik. Mithilfe von Mikrowellen wird Wärme induziert, und es wird behauptet, dass dies zu einer schnelleren und vollständigeren Integration der Struktur führt.
5. Funken-Plasma-Sintern: Verwendet elektrischen Strom und physikalische Kompression des Pulvers, um das Pulver zu einem Ganzen zu integrieren.
6. Heißisostatisches Pressen: Dabei werden hoher Druck und hohe Temperaturen auf ein Pulver ausgeübt, um die erforderliche Form zu bilden und die Partikel zu verschmelzen.
7. Kaltsintern: Verwendet ein vorübergehendes Lösungsmittel und Druck, um Polymerpulver zu einer festen Masse zu verfestigen.

Weitere Informationen finden Sie in unserem vollständigen Leitfaden zu den Sinterarten.

Welche Materialien werden beim Sintern verwendet?

Als breites Spektrum an Techniken findet das Sintern in einer Vielzahl von Materialien Anwendung. Diese sind unten aufgeführt:

1. Metalle

In Sinterprozessen verschiedener Art kann eine breite Palette von Metallen verwendet werden. Dazu gehören Eisen-, Eisen-Kupfer-, Kupferstähle, Nickelstähle, rostfreie Stähle (Serie 300 und 400), hochfeste niedriglegierte Stähle (HSLA), Stähle mit mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt sowie diffusionshärtbare Stähle, Messing und Bronze sowie magnetische Weicheisenlegierungen. All dies kann im 3D-Druck als Grünling hergestellt und dann zu hochwertigen Teilen mit geringer Porosität und hervorragenden Eigenschaften gesintert werden.  Metalle können durch Pressen, Formen und Spritzgießen gesintert werden. Xometry bietet sofortige Angebote zum direkten Metall-Laser-Sintern (DMLS), einem Metall-Laser-Sinterverfahren.

Weitere Informationen finden Sie in unserem vollständigen Leitfaden zu Metalloiden.

2. Keramik

Die meisten Keramikprozesse werden entweder als Sintern oder als sinternah angesehen. Eine Auswahl üblicherweise 3D-gedruckter (SLS oder Pastenauftragung) und anschließend gesinterter Keramiken sind:Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zirkonoxid, Siliziumnitrid, Bornitrid und Siliziumkarbid. Keramik wird im Allgemeinen durch Kompression oder Pressformen gesintert.

3. Polymere

Gesinterte Polymere lassen sich in zwei Kategorien einteilen:Sintern mit großen und kleinen Partikeln. Das Sintern großer Partikel mit hoher Porosität wird üblicherweise als Filter- und pneumatische Schalldämpfermaterialien sowie als Strömungsdiffusionsregler eingesetzt. Dazu gehören Polyethylen, Polypropylen und Polytetrafluorethylen. Gesinterte Polymere mit kleinen Partikeln werden im 3D-Druck in Prozessen wie dem selektiven Lasersintern verwendet. Daraus werden integrierte und hochfeste Bauteile mit nahezu nativen Materialeigenschaften und einer Porosität nahe Null hergestellt. Beispiele sind Polyamide, Polystyrol, thermoplastische Elastomere und Polyetheretherketone. Das beliebteste Verfahren von Xometry ist das selektive Lasersintern. Sie können jederzeit ein sofortiges Angebot dazu einholen.

Weitere Informationen finden Sie in unserem vollständigen Leitfaden zu Polymeren.

4. Verbundwerkstoffe

Das Sintern von Verbundwerkstoffen ist eine komplexere Gruppe von Prozessen und verschiedene Materialien werden auf unterschiedliche Weise verarbeitet. Wolframcarbid verwendet Wolfram- und Kohlenstoffpulver. Durch Druck-Hitze-Oxidation wird der Kohlenstoff in Karbid umgewandelt. Dadurch wird das Metallpulver gekoppelt, das unverändert bleibt. Zur Verbesserung der Eigenschaften werden versuchsweise Glas-, Kohlenstoff- und Metallfasern in Metallpulversinterprodukte eingearbeitet. In mancher Hinsicht handelt es sich bei der Verarbeitung von Kohlefaser um einen Sinterprozess. Eine Klebematrix wird komprimiert und durch Hitze aktiviert, um die Kohlenstoffkomponente zu verbinden. Metalloxidkeramiken werden experimentell mit Polymeren wie PEEK zusammengesetzt, um Formen von Widerstandshalbleitern herzustellen. Das Sintern von Verbundwerkstoffen ist sehr vielfältig und kann durch Komprimieren, Formen und in begrenzten Fällen durch Spritzgießen erreicht werden.

5. Glas

Bei Sinterprozessen werden verschiedene Glasmaterialien verwendet, darunter keramische Glasuren, Quarzglas, Bleiglas sowie gesinterte Glasplatten aus Quarzglaspulver. Das Sintern von Glas erfolgt im Allgemeinen durch Formpressen.

Was sind die Schritte des Sinterprozesses?

Das Sintern besteht aus einer Reihe von Schritten, von denen jeder einfach ist, aber eine große Präzision bei der Steuerung erfordert. Die Schritte umfassen:

1. Zusammensetzung: Fügen Sie die erforderlichen Primärmaterialien und Primärkopplungsmittel hinzu und mischen Sie sie.
2. Komprimierung: Pressen Sie das Pulver (brei oder trocken) in die gewünschte Form.
3. Hitze: Ziel des Erhitzens ist die Entfernung des primären Haftvermittlers und die Verschmelzung des Primärmaterials zu einem Ganzen mit geringer Porosität.

Wie lange dauert ein Sinterprozess?

Der Sintervorgang dauert in der Regel nur wenige Sekunden. Der Schritt des Sinterns nach dem Formen kann jedoch mehrere Stunden dauern. Die gesinterte Herstellung von Teilen ist bei den meisten Verfahren ein schneller Prozess. Pulver und Primärbindemittel werden bis zum ungehärteten, grünen Zustand gepresst, geformt oder spritzgegossen. In diesem Stadium sind sie übergroß, porös und nicht vollständig gebunden. Anschließend werden die Teile wärmebehandelt, um eine Partikelbindung herbeizuführen.

Mit welchen Materialien wird gesintert?

Sintern ist ein Herstellungsprozess, der bei vielen Materialien zum Einsatz kommt, darunter:

1. Polymere: Für Rapid Prototyping, Filter- und Schalldämpferherstellung und spezielle Verbundkomponenten.
2. Metalle: Die meisten kleinen Metallkomponenten wie Zahnräder und Riemenscheiben können durch Sintern hergestellt werden. Grobe Metallpulver werden auch gesintert, um Filter, Schalldämpfer und ölgefüllte Lager herzustellen.
3. Keramik: In gewisser Weise werden die meisten Keramiken durch Sintern hergestellt. Als Optionen für den 3D-Druck erscheinen insbesondere Zirkonoxid- und Aluminiumoxidkeramiken. Kleine Teile wie Zahnräder und Lager für den Hochtemperatureinsatz werden häufig aus Keramik gesintert.

Welche Arten von Bauteilen werden durch den Sinterprozess hergestellt?

Nachfolgend sind Komponenten aufgeführt, die durch Sintern hergestellt werden:

1. Automobilteile wie Getriebe und Aktuatoren.
2. Elektrische Komponenten wie Schaltanlagen.
3. Schneidwerkzeuge aller Art, zum Fräsen, Bohren und Reiben.
4. Luft- und Raumfahrtkomponenten wie Kraftstoffventilkomponenten, Aktuatoren und Turbinenschaufeln.
5. Biomedizinische Implantate wie Gelenkprothesen.

Was sind die Vorteile des Sinterprozesses?

Sintern bietet eine Reihe von Vorteilen:

1. Der Prozess kann hochgradig wiederholbare und genaue Teile produzieren.
2. Die Kosten für den Produktionsaufbau amortisieren sich leicht gegenüber einer Großproduktion.
3. Teile können großartige kosmetische Ergebnisse erzielen und erfordern keine Nachbearbeitung.
4. Nicht bearbeitbare Geometrien für die Massenproduktion sind problemlos realisierbar.

Welche Risiken birgt der Sinterprozess?

Zu den Risiken des Sinterprozesses gehören:

1. Die Pulverkonsistenz kann variieren, wenn sie nicht gut kontrolliert wird, wodurch sich die Schrumpfung oder die Gesamteigenschaften der Komponenten verändern.
2. Anfängliche Steuerungen des Umformprozesses müssen präzise sein, um konsistente und wiederholbare Ergebnisse zu erzielen.
3. Nachformungs-„Härtungs“-Prozesse sind vielfältig und erfordern eine sehr strenge Kontrolle, um die Schrumpfung präzise einzustellen und Verformungen zu verhindern.
4. Die Kosten für den Aufbau einer Produktion sind hoch. Wenn sich das Produkt also nicht verkauft, kann es verschwendet werden.
5. Variationen im Produktionsprozess können zu schwachen und variablen Teilen führen.

Häufig gestellte Fragen zum Sintern

Ist der Sinterprozess gefährlich?

Es kommt darauf an. In der Sinterfamilie gibt es ein breites Spektrum an Materialien und Verfahren. Im Allgemeinen sind die „grünen“ Prozesse ungefährlich, obwohl Metall- und Keramik-Nanopartikel Berichten zufolge medizinische Folgen für den menschlichen Körper haben und mit Vorsicht gehandhabt werden müssen. Der Schmelzvorgang beim Sintern ist ein Hochtemperaturschritt, bei dem häufig Polymer-/Wachsbestandteile ausgetrieben oder verbrannt werden, die giftig und reizend sein können. Bei heißen und potenziell entzündlichen Verdunstungs-/Verbrennungsprozessen ist eine Belüftung sowie normale Sicherheitsvorkehrungen erforderlich.

Welche Sicherheitsvorkehrungen sollten beim Sinterprozess getroffen werden?

Nachfolgend sind die beim Sintern zu beachtenden Sicherheitsvorkehrungen aufgeführt:

1. Tragen Sie geeignete Schutzausrüstung, um sich vor Hitze und möglichen Gefahren durch die Luft zu schützen.
2. Verwenden Sie einen gut belüfteten Bereich. Beim Sintern können Dämpfe entstehen, die als gesundheitsschädlich eingestuft werden sollten.
3. Befolgen Sie sichere Verfahren für den Umgang mit Materialien, da Sinterpulver gefährlich sein können.
4. Halten Sie wie bei allen heißen Prozessen einen Feuerlöscher bereit und wissen Sie, wie man ihn benutzt.

Ist Sintern dasselbe wie Schmelzen?

Nein, Sintern ist nicht dasselbe wie Schmelzen. Beim Sintern kommt es nicht zum allgemeinen Schmelzen des Teils, sondern es wird ausreichend Wärme zugeführt, um die Partikel zu verschmelzen, ohne sie zu verflüssigen. Bei Polymer- oder Metallteilen besteht bei übermäßiger Hitze die Gefahr, dass die Struktur oder Form des Teils beschädigt wird.

Ist Sintermetall stärker?

Nein, Sintermetallteile sind nicht stärker als geschmiedete oder bearbeitete Originalteile. Bei guter Herstellung können gesinterte Teile die gleiche Festigkeit erreichen wie die bearbeiteten Äquivalente.

Korrekt gesinterte Metallteile übernehmen im Allgemeinen die meisten oder alle mechanischen Eigenschaften des Primärbestandteils. Bei rostfreien Stählen beispielsweise erreichen MIM-Teile im Allgemeinen 80–90 % der Ermüdungsfestigkeit von Schmiede- oder Gussteilen, da die größere Kristallkorngröße und Spurenporosität zu Schwächen führen.

Ist Sintern dasselbe wie Schweißen?

Nein, Sintern ist nicht dasselbe wie Schweißen. Während das Verschmelzen von Pulverkörnern zu einem Ganzen häufig eine Form des Schweißens an den Kontaktpunkten beinhaltet, unterscheidet sich das Sintern stark von jedem Prozess, der unter den Begriff „Schweißen“ fällt, da beim Schweißen die vollständige Verflüssigung des Füllstoffs und des nativen Materials am Schweißpunkt erfolgt.

Dean McClements

Dean McClements hat einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau mit Auszeichnung und über zwei Jahrzehnte Erfahrung in der Fertigungsindustrie. Sein beruflicher Werdegang umfasst wichtige Positionen bei führenden Unternehmen wie Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace und Hyster-Yale, wo er ein tiefes Verständnis für technische Prozesse und Innovationen entwickelte.

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