Projekt 16668/01

Entwicklung und Optimierung eines Verfahrens zum konturnahen Pressen von Kohlenstoffkolben für Verbrennungsmotoren

Projektträger

SINTEC Keramik GmbH & Co. KG
Romantische Str. 18
87642 Halblech
Telefon: 08368/9101-11

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Versuche haben gezeigt, dass Graphitkolben hinsichtlich Treibstoff und Ölverbrauch eine deutliche Verbesserung bei Verbrennungsmotoren bringen und dass der Schadstoffausstoß um 30% - 70% reduziert werden kann. Die Firma Sintec hat bereits diesen Werkstoff mit entsprechenden Festigkeitswerten im Prinzip entwickelt und will nun im Rahmen dieses Projektes eine Automatisierung des Pressverfahrens entwickeln, so dass eine Serienfertigung der Teile möglich sein wird.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden1. Dotierung von Sinterzusätzen: Hier gilt es, entsprechende Dotierstoffe in die Pulver einzuarbeiten, ohne dass dadurch die Eigenschaften des Werkstoffes verschlechtert werden.
2. Pulveraufbereitung: Wegen der hohen Feinheit der Mesophasenpulver ist eine Aufarbeitung zur Rieselfähigkeit notwendig.
3. Dummypressen: Um die Eignung der Schritte 1 und 2 abzusichern, werden die Teile gepresst und anschließend zu Fertigteilen versintert. Nur am Fertigteil können Fehler im Rohstoff erkannt werden.
4. Entwicklung einer Pressmatrize: Das Pressen solcher Teile muss in speziellen Pressmatrizen entwickelt werden, da die Wandstärken sehr unterschiedlich sind und die Geometrie selbst sehr komplex ist.
5. Entlüftung der Pulver während des Pressvorganges: Bei dem angedachten Pressverfahren ist die Entlüftung des sehr voluminösen feinen Pulvers ein entscheidender Zeitfaktor, welcher optimiert werde muss.
6. Pressdynamik und Kommissionierung der Presse: Im Rahmen des Projektes wird ein entsprechendes Werkzeug für eine entsprechende Presse entwickelt und die Pressparameter empirisch ermittelt, welche anschließend über FEM Kalkulationen ab-gesichert werden sollen.
7. Dosierung der Pulver in der Pressmatrize: Nachdem die Pulver trotz Agglomerierung schwierig zu dosieren sind, muss bei einer Formschlüssigkeit, sprich volumenkonstanter Presstechnik, die automatische Dosierung der Pulver mit einer sehr hohen Reproduzierbarkeit gewährleistet werden. Diese Erfahrungen sind heute nicht Stand der Technik.
8. Sintern und Charakterisierung: Sämtliche Entwicklungsschritte können erst am Fertigprodukt, also dem gesinterten Produkt beurteilt und charakterisiert werden. Entsprechend müssen die Bauteile vor der Charakterisierung durch eine bekannte Hochtemperaturbehandlung gesintert und graphitiert werden.


Ergebnisse und Diskussion

Die Zugabe der im Projekt verwendeten Sinterzusätze bzw. Presshilfsmittel führte zu einer verbesserten Druckverteilung im Pulver auf Grund einer homogeneren Pulververteilung im Presswerkzeug. Dies führte in allen Fällen zu rissfreien Sinterkörpern. Leider verschlechterten jedoch jegliche Additive die späteren, physikalischen Eigenschaften der Kolben.
Durch eine gezielte Pulveraufbereitung sollte das automatische Befüllen einer industriell zu betreibenden Presse ermöglicht werden. Eine hierfür erforderliche Rieselfähigkeit des Pulvers konnte nicht erreicht werden, ohne das Pressverhalten des Pulvers und/oder die Sintereigenschaften des Grünkörpers merklich zu verschlechtern. Verantwortlich hierfür war hauptsächlich die Verringerung der sinteraktiven Oberfläche des Mesophase-Pulvers, die durch die Zugabe von Dispersionsmittel zur Umstrukturierung der einzelnen Mesophase-Partikelpakete bewirkt wurde.
Zur Herstellung der Kolbengrünlinge wurden zwei unterschiedliche Pressmethoden verfolgt. Dies waren das druck-/weggesteuerte, monoaxiale Verpressen und das isostatische Verpressen nach dem Dry-Bag-Verfahren. Der hohe Kompressionsfaktor des Mesophase-Pulvers von >3,3 machte es notwendig, für beide Methoden geeignete Presswerkzeuge zu entwickeln.
Im Falle des monoaxialen Pressens konnten Formkörper verpresst werden, die anschließend rissfrei gesintert werden konnten. Eine geeignete, automatisierte Befüllungsstrategie für diesen Presstyp konnte bis zum Ende dieses Projektes nicht gefunden werden. Zudem erforderte dieses Verfahren sehr komplexe Presswerkzeuge, was sich als sehr zeit- und kostenintensiv erwiesen hat. Eine Rentabilität in Bezug auf das Pressen ist demnach nur für hohe Stückzahlen ( ca. > 500.000) gewährleistet.
Im Falle des isostatischen Pressens nach dem Dry-Bag-Verfahren konnte nach dem Überwinden zahlreicher Dichtschwierigkeiten des Presssystems ein hochmodulares Presswerkzeug entwickelt werden, welches eine ausreichende Flexibilität bezüglich der Modifikation komplexer Geometrien und somit auch der Kolbendimensionierungen gewährleistet. Es konnten einsatzfähige, für 2-Takt-Motoren geeignete Kolben, hergestellt werden. Die zu erwartenden Fixkosten lassen Klein- wie auch Großserien von Kolben zu, was eine gezielte Markteinführung positiv unterstützt. Außerdem konnte für die isostatische Presse eine Befüllungsmimik entwickelt werden, die auch mit rieselunfähigem Pulver ein automatisches Befüllen einer Presse ermöglicht.


Fazit

Die einzelnen durchgeführten Aufgabenstufen haben im Rahmen dieses Projektes gezeigt, dass sich eine Pulveraufbereitung mit dem Ziel der Verbesserung des Verpressens und/oder der physikalischen Eigenschaften nach Sinterung mit dem verwendeten Mesophase-Pulver nachteilig auswirkt. Bezüglich eines wirtschaftlichen Verpressens von Mesophase-Pulver ist auf der Basis der durchgeführten Untersuchungen das isostatische Verpressen (Dry-Bag-Verfahren) zu favorisieren. Es lässt eine marktorientierte Modellflexibilität zu und ermöglicht einen überschaubaren Kostenrahmen im Produktionsmaßstab.