M2 Formung und Rheologie keramischer Suspensionen

Thema

Das rheologische Verhalten der Keramiksuspension vor dem Sintern ist Gegenstand dieses Modells und wird durch eines von zwei Modellen beschrieben: das Bingham-Modell oder das Herschel-Bulkley-Modell. Das Bingham-Modell beschreibt eine Suspension, die sich bis zum Überschreiten einer bestimmten Fließgrenze wie ein starrer Feststoff verhält und danach mit konstanter Viskosität fließt. Das Herschel-Bulkley-Modell hingegen beschreibt eine Suspension, die ebenfalls diese Schwelle überschreiten muss, um zu fließen, deren Viskosität nach Überschreiten jedoch nicht mehr konstant ist, sondern mit der Verformungsgeschwindigkeit variiert. Die Tatsache, dass die Suspension in beiden Modellen eine Fließgrenze überwinden muss, um zu fließen, führt dazu, dass sie sich sowohl wie ein ruhender Feststoff als auch wie eine Flüssigkeit in Bewegung verhält.

Die Rheologie der Suspension bestimmt die Qualität des aus der Formgebung gewonnenen Rohlings: Ist die Suspension zu flüssig, setzen sich die Keramikpartikel vor der Formgebung ungleichmäßig ab, was zu einem Rohling mit Packungsfehlern führt. Ist die Masse zu zähflüssig, füllt sie die Form nicht vollständig aus, wodurch Luftblasen im Rohling eingeschlossen werden. Nur in einem mittleren Bereich der Fließfähigkeit – weder zu flüssig noch zu zähflüssig – erreicht der Rohling die notwendige Qualität für die weitere Verarbeitung.

Innerhalb dieses geeigneten Bereichs ist das Gießverfahren eine der Techniken, mit denen der Rohling aus der Suspension geformt wird: Die Suspension wird in eine poröse Form gegossen, die das Wasser durch Kapillarwirkung aufnimmt. Während die Form Wasser aufnimmt, wächst von den Formwänden nach innen eine feste Wandstärke. Diese Wandstärkenzunahme bedeutet, dass das Gießverfahren direkt von diesem Wachstum abhängt: Je länger die Suspension in der Form verbleibt, desto dicker wird die Wand. Dieses Wachstum verlangsamt sich jedoch, da die bereits gebildete Wand den weiteren Wasserfluss aus dem Inneren des Rohlings in die Form behindert.

Die Extrusion ist die zweite Technik, mit der aus derselben Suspension ein Rohling geformt wird. Hierbei wird jedoch eine viskose Paste anstelle einer flüssigen Schlickermasse verwendet. Die Extrusion wird durch die Hagen-Poiseuille-Gleichung modelliert: Diese besagt, dass die Fließgeschwindigkeit der Paste durch die Extrusionsdüse direkt vom angelegten Druck und umgekehrt von der Viskosität der Paste sowie der Düsenlänge abhängt. Höherer Druck bzw. niedrigere Viskosität der Paste und geringere Düsenlänge führen zu einer höheren Fließgeschwindigkeit der extrudierten Paste; das Gegenteil führt zu einer geringeren Fließgeschwindigkeit.

Dieses Modell, mit der Rheologie der Keramiksuspension, mit der es geöffnet wurde, bewirkt, dass sowohl das Schlickergießen als auch die Extrusion – die beiden Techniken, die den Rohling aus dieser Rheologie formen – denselben Rohling für ein anderes Modell dieses Modells liefern, das die Keramiksinterung beschreibt: Die Verdichtung, die dieses andere Modell beschreibt, beginnt genau mit dem Rohling, den dieses Modell formt und dessen Qualität die Rheologie bestimmt, mit der es geöffnet wurde.

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