Mikrospezifische Festigkeitssteigerung von keramischen Mikrobiegebalken durch Oberflächendefektausheilung während der thermischen Entbinderung

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Miniaturisierte Bauteile aus Keramik finden in Anwendungen der Mikrosystemtechnik, Medizintechnik und des Maschinenbaus, bei denen besondere Anforderungen an mechanische, chemische, thermische und tribologische Eigenschaften gestellt werden, stetig wachsende Beachtung. Zirkoniumdioxid (ZrO2), das über Mikro-Pulverspritzgießen (μ-PIM) zu präzisen Mikrobauteilen mit komplizierter Bauteilgeometrie verarbeitet werden kann, wird vielen dieser Anforderungen gerecht. Während sich für eine Großserienfertigung das Hochdruckspritzgießen (HPIM) eignet, stellt das Niederdruckspritzgießen (LPIM), auch Heißgießen genannt, eine geeignete Alternative für die Herstellung von Prototypen und Kleinserien dar. In dieser Arbeit wurden Untersuchungen zu den mechanischen Eigenschaften von gesinterten Mikrobalkenproben (200 x 200 x 1200 µm³) aus heißgegossenen ZrO2-Paraffinwachs-Formmassen durchgeführt. Dabei wurde beobachtet, dass die Bruchspannung mit dem Kantenradius der Mikrobiegebalken korreliert. Es wurden unterschiedliche Prozessparameter identifiziert, welche die Formänderung der Mikroproben während der thermischen Entbinderung beeinflussen und zu der beobachteten Kantenverrundung führen. Anhand von Beobachtungen des Entbinderungsvorgangs in Echtzeit konnte auf den Probenoberflächen ein dünnflüssiger Binderfilm nachgewiesen werden, der als Ursache für die Ausheilung von Oberflächendefekten gesehen wird. Es wird vermutet, dass unter Einwirkung unterschiedlicher Parameter wie Dispergatorgehalt, Entbinderungsunterlage, Temperaturführung während der Entbinderung und Oberflächenspannung des Binders angesichts eines hohen Oberflächen-zu-Volumen Verhältnisses eine Ausheilung von oberflächennahen Defekten stattfindet, was zu einer außergewöhnlichen mikrospezifischen Festigkeitssteigerung der Mikrobiegebalken führt. Die tatsächlichen Bruchspannungen finden sich in guter Übereinstimmung mit den Werten, welche sich aus Modellbetrachtungen unter Berücksichtigung der Änderung des Trägheitsmoments des Probenquerschnitts aufgrund der Kantenverrundung ergeben. Unter Berücksichtigung einer möglichen Entkopplung der Geometrieveränderung von der Ausheilung von oberflächennahen Defekten stellt die Festigkeitssteigerung durch Oberflächendefektausheilung eine vielversprechende sowie aussichtsreiche Möglichkeit dar die mechanischen Eigenschaften von keramischen und metallischen Mikrobauteilen, welche über das μ-PIM hergestellt werden, gezielt zu verbessern.