Das Druckgießen eignet sich hervorragend zur wirtschaftlichen Serienfertigung von Bauteilen mit komplexer Geometrie. Dabei werden nicht nur Aluminium und Magnesium verarbeitet, sondern auch Kupfer. Bei den für Kupferlegierungen nötigen Temperaturen von über 1000 °C sind selbst hochlegierte Warmarbeitsstähle nicht dauerhaft einsetzbar. Zu den hohen Temperaturen kommen noch hohe Drucke von über 1000 bar. Dadurch wird die Standzeit von Anlagenteilen und Formen deutlich reduziert.

Siliziumnitrid wird bereits heute wegen seiner hervorragenden Thermoschockbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit für verschiedene Anwendungen in der Aluminiumgießerei eingesetzt. Um die gesteigerten Anforderungen für den Kupfer-Druckguss zu erfüllen, entwickelt die QSIL Ingenieurkeramik GmbH (QSIL) zusammen mit ihren Projektpartnern optimierte Werkstoffe und Verfahren, die den wirtschaftlichen großserienfähigen Einsatz ermöglichen soll.

Die beschriebene Forschungsarbeit wurde durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert.

Trägersubstrate aus einkristallinem Aluminiumnitrid (AlN) sind ideal für die Abscheidung von halbleitenden (AlGaIn)N-Schichten, die u.a. als Basis für leistungsfähige und langlebige UV-Leucht- und Laserdioden gebraucht werden. Die großen Vorteile dieser Bauelemente kommen bislang jedoch nicht zum Tragen, da einkristalline AlN-Wafer nur sehr aufwändig und teuer an Forschungsinstituten für deren Eigenbedarf produziert werden können. Der wesentliche Grund hierfür ist das Fehlen geeigneter hochtemperatur- und korrosionsstabiler Tiegelmaterialien, welche sowohl den hohen Anforderungen des AlN-Einkristall-Züchtungsverfahrens als auch den wirtschaftlichen Vorgaben genügen. Im Projekt befassen sich deshalb die QSIL Ingenieurkeramik GmbH zusammen mit dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung in Berlin mit der Entwicklung von refraktären keramischen Werkstoffen und Kompositwerkstoffen sowie der zu ihrer Herstellung geeigneten Hochtemperatur-Verdichtungstechniken, mit dem Ziel, einsatzfähige Tiegelwerkstoffe und -komponenten für eine industrielle Fertigung von einkristallinen AlN-Wafern zu entwickeln.

Die beschriebene Forschungsarbeit wurde durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert.

In jüngster Zeit ist es gelungen, keramische Pulver als Füllstoff in Papier einzuarbeiten. Aus diesen präkeramischen Papieren können dann durch papiertechnische Verfahren Strukturen hergestellt werden, die anschließend zu entsprechenden Keramikstrukturen gesintert werden. So sind leichte und gleichzeitig steife Strukturen herstellbar, wie sie in Papier als Wellpappe jeder aus dem Alltag kennt.

Während es im Bereich der Oxidkeramiken bereits erste kommerzielle Produkte gibt (WZR ceramic solutions), ist das Potential der Nichtoxidkeramiken bisher nicht genutzt.

Die QSIL Ingenieurkeramik GmbH entwickelt deshalb mit ihren Partnern leichte und hochsteife Strukturen aus nichtoxidischen keramischen "Papieren", die mit ihrer hervorragenden Thermoschockbeständigkeit und Temperaturbeständigkeit helfen sollen, technische Prozesse sauberer, kontaminationsärmer, energiesparender und effizienter zu gestalten.

Das Projekt InnoForm verfolgte das Ziel, alternative Formwerkstoffe, insbesondere aus Keramik oder Hartstoffkompositen für das nicht-isotherme Blankpressen von Glasbauteilen zu etablieren. Eines der vielfältigen Anwendungsgebiete des nicht-isothermen Blankpressens ist die Herstellung von optischen Komponenten aus Glas in hoher Stückzahl, beispielsweise für kostengünstige LED-Beleuchtungsoptiken, bei denen eine besonders gute Beständigkeit gegenüber extremen Temperaturen und UV-Strahlung gefordert ist. In diesem Segment stellt vor allem die Standzeit der Werkzeuge eine kritische Erfolgsgröße dar, weil sie direkt die Stückkosten der gepressten Glasbauteile beeinflusst. Wie bei allen replikativen Verfahren kommt der Form und insbesondere den Formwerkstoffen dabei eine zentrale Bedeutung zu.

Für das nicht-isotherme Blankpressen wurden bisher ausschließlich Formen aus Stahl eingesetzt. Die begrenzte Härte, Festigkeit, Temperaturbeständigkeit sowie chemische Resistenz des Stahls führten jedoch bereits nach vergleichsweise kurzen Einsatzzeiten zu einem hohen Verschleiß, Nachpolieraufwand und schließlich zum totalen Ausfall der Form.

Im Rahmen des Projekts wurden verschiedene Keramiken bzw. Refraktärwerkstoffe hinsichtlich ihrer Eignung für das nicht-isotherme Blankpressen untersucht. Hierbei wurden nicht nur der reine Abformprozess, sondern auch der vorgelagerte Formenbau und die Auslegung keramischer Werkzeugsysteme gezielt betrachtet. Eine finale Evaluation aussichtreicher Werkstoffansätze erfolgte durch Abformversuche im technologischen bis hin zum Kleinserienmaßstab mit jeweils 5000 Presszyklen. Mit der besten Werkstoffvarianten konnten schließlich nicht nur eine um ein Vielfaches erhöhte Standzeit gegenüber Stahlformen, sondern auch signifikant gesteigerte Abformgenauigkeiten von P-V = 2 μm mit einer Wiederholgenauigkeit von ± 0,3 μm erzielt werden.

Die beschriebene Forschungsarbeit wurde durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert.

Trägersubstrate aus einkristallinem Aluminiumnitrid (AlN) sind ideal für die Abscheidung von halbleitenden (AlGaIn)N-Schichten, die u.a. als Basis für leistungsfähige und langlebige UV-Leucht- und Laserdioden gebraucht werden. Die großen Vorteile dieser Bauelemente kommen bislang jedoch nicht zum Tragen, da einkristalline AlN-Wafer nur sehr aufwändig und teuer an Forschungsinstituten für deren Eigenbedarf produziert werden können. Der wesentliche Grund hierfür ist das Fehlen geeigneter hochtemperatur- und korrosionsstabiler Tiegelmaterialien, welche sowohl den hohen Anforderungen des AlN-Einkristall-Züchtungsverfahrens als auch den wirtschaftlichen Vorgaben genügen.

Im geplanten Projekt befassen sich deshalb die QSIL Ingenieurkeramik GmbH (QSIL) zusammen mit dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) in Berlin mit der Entwicklung von refraktären keramischen Werkstoffen und Kompositwerkstoffen sowie der zu ihrer Herstellung geeigneten Hochtemperatur-Verdichtungstechniken, mit dem Ziel, einsatzfähige Tiegelwerkstoffe und -komponenten für eine industrielle Fertigung von einkristallinen AlN-Wafern zu entwickeln.

Die beschriebene Forschungsarbeit wurde durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert.

In dem Projekt wurde eine keramische Werkstoff- und Konstruktionslösung zur Substitution der bisherigen Graphit-Stütztiegel in der Hot Zone der mc-Si-Kristallzüchtung entwickelt, mit der eine signifikante Reduzierung des Verunreinigungs-Eintrags in die Si-Schmelze erreicht werden kann. Dies ermöglicht es, qualitativ hochwertigere Si-Wafer für die Photovoltaik herzustellen als bisher. Anhand der anwendungsspezifischen Anforderungen erfolgte zunächst Auswahl und Weiterentwicklung geeigneter Keramikwerkstoffe. In einem nächsten Schritt wurde ein modulares Stütztiegel-Konstruktionskonzept erarbeitet, welches die schrittweise Aufskalierung der entwickelten Technologie auf Technikum-Versuchsgrößen G1 und G2, sowie anschließend ein Upscaling auf industrielle Produktionsgrößen erlaubt. Anhand von Prototypen der Größe G1 konnten die positiven Ergebnisse der Vorab-Materialtests bestätigt werden.

Im Rahmen des Projektes wurden bei QSIL Schaumkeramiken mit einstellbarer Porosität als Graphitersatz für die Züchtung hochperfekter, defektarmer AlN-Einkristalle entwickelt. Die Arbeiten umfassten die Entwicklung geeigneter Technologien für die Urformgebung von Schaum-Vorkörpern, deren anschließende Sinterung als auch Versuche zur Variation von Porosität und Porenstruktur. Die finalen Schäume aus Tantalnitrid sind frei von Kohlenstoff, besitzen eine hohe chemische und thermische Stabilität im Bereich um 2200°C, einen relativ hohen elektrischen Widerstand. Sie wurden am IKZ zudem unter züchtungsnahen Bedingungen getestet, um daraus die für den geplanten Einsatz notwendigen Kriterien für die Keramik als Wärmeisolation und Graphitersatz zu evaluieren.

Beim Sintern von Si3N4 in Heißpressanlagen kommt es oft dazu, dass Kohlenstoff aus den Graphitwerkzeugen in die Keramik eindiffundiert. Die Kohlenstoffatome reagieren mit den glasartigen Sinteradditiven, sodass das Sinterverfahren, vor allem bei Additivsystemen mit höherer Viskosität, nicht zufriedenstellend durchgeführt werden können. Stattdessen entsteht ein poröser Randbereich, der anschließend aufwendig durch Hartnachbearbeitung entfernt werden muss. Darüber hinaus erschwert dieser Effekt die Herstellung von Keramiken mit hoher Reinheit bzw. mit einem sehr geringen Additivanteil (< 6 Gew.-%). In dem Projekt wurde daher eine Beschichtung für Heißpresswerkzeuge und Tiegelkomponenten entwickelt, die nicht nur als Antihaft-Schicht wirkt, sondern einen wirksamen Schutz gegenüber unerwünschten Diffusionseffekten und Randreaktionen darstellt.

Bei der wässrigen Verarbeitung reagieren Si3N4-Partikel mit Wasser. Diese Reaktion und ihre Folgen sind unerwünscht. Sie wirkt sich negativ auf die Verarbeitungsmöglichkeiten des Pulvers und Produkteigenschaften aus.

Zum Sintern von Si3N4-Keramiken sind oxidische Additive notwendig, die während der Sinterung eine die Siliziumnitird-Kristallite verbindende Glasphase bilden. Art und Menge der Additive sind entscheidend für die Eigenschaften der resultierenden Keramik.

Im Projekt wurden beim Projektpartner Si3N4-Partikel durch Aufbringen von oxidischen Additiven bzw. deren Vorläufern funktionalisiert, um dadurch die Partikel-Oberflächen zu passivieren und die Reaktion mit Wasser zu verlangsamen oder ganz zu verhindern. Ferner sollte sich durch die Funktionalisierung die Homogenität der Additivverteilung verbessern. Diese funktionalisierten Pulver wurden bei QSIL Ingenieurkeramik verarbeitet und untersucht. Von zwei Verfahrensrouten zur Funktionalisierung war die der „sauren Hydrolyse“ erfolgreich. Aus den entsprechenden Pulvermustern konnten über Schlickerguss Probekörper und Demonstratoren hergestellt werden, die dicht sinterten und ein im Verhältnis zum Stand der Technik defektärmeres Gefüge zeigten. Die Biegefestigkeitswerte der Prüfkörper aus den solcherart funktionalisierten Pulvern lag in jedem Fall höher als bei nach dem Stand der Technik hergestellten schlickergegossenen Prüfkörpern.