Lektion 9.5UrformenKapitel 9 · Pulver und Keramik

Mikrowellensintern

Mikrowellen erhitzen das Teil von innen

Beim Mikrowellensintern wird ein gepresstes Pulverteil mit Mikrowellen statt mit heißen Ofenwänden erhitzt. Die Energie wird im Inneren des Materials absorbiert, sodass sich das ganze Teil auf einmal erwärmt, ähnlich wie eine Küchenmikrowelle Suppe von innen erhitzt. Das kann Sinterzyklen von vielen Stunden auf deutlich weniger verkürzen und das Gefüge des Materials feiner halten.

Mikrowellensintern · Ofenquerschnitt und ErwärmungsmusterDer Ofen links ist aufgeschnitten gezeichnet; das Bild rechts vergleicht, wo die Wärme in einem gewöhnlichen Ofen und in einem Mikrowellenofen entsteht. Die eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten.

So funktioniert es

Das Teil laden. Ein gepresstes Pulverteil (oft Keramik) wird in einen Isolierkasten gelegt, der Mikrowellen durchlässt, aber die Wärme hält. Stäbe aus Siliziumkarbid, Suszeptoren genannt (Materialien, die Mikrowellen gut absorbieren), stehen oft daneben.
Mikrowellen erzeugen. Ein Magnetron (die Röhre, die auch einen Küchenherd antreibt) erzeugt Mikrowellen, meist mit 2,45 GHz und mehreren Kilowatt. Ein Metallkanal namens Hohlleiter führt sie in eine geschlossene Metallkammer, wo sie hin- und herspringen.
Von innen erhitzen. Die Moleküle und Ladungen des Teils absorbieren die Wellen und wandeln sie im gesamten Volumen in Wärme um. Viele Keramiken absorbieren Mikrowellen kalt kaum, daher erhitzen die Suszeptoren sie zuerst, bis sie von selbst zu absorbieren beginnen („Hybrid“-Erwärmung).
Sintern und abkühlen. Bei Temperatur (zum Beispiel etwa 1.200–1.500 °C bei vielen Keramiken) verbinden sich die Partikel, und das Teil schrumpft und verdichtet sich wie bei jedem Sintern. Ein Pyrometer (ein berührungsloses Thermometer) überwacht die Temperatur, und die Leistung wird angepasst, dann kühlt das Teil im Kasten ab.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Vor allem Keramiken (Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Ferrite, Siliziumnitrid); auch Pulvermetallteile und einige Verbundwerkstoffe
Typische Teile: Zahnkronen aus Zirkonoxid, Keramikbauteile, Hartmetallspitzen, Forschungsproben
Bauteilgröße: Meist klein bis mittel: von einigen Gramm bis zu Teilen von einigen zehn Zentimetern Länge
Präzision: Wie bei anderem Sintern: Die Schrumpfung muss vorhergesagt werden; oft etwa ±0,5–1 % eines Maßes im gesinterten Zustand
Oberfläche: Im gesinterten Zustand wie das gepresste Teil; geschliffen oder poliert, wo nötig
Geeignete Losgröße: Laborarbeit, kleine Serien und einige kontinuierliche Industrielinien
Werkzeug- und Maschinenkosten: Kein Formwerkzeug (das Teil wird vorher geformt); Öfen von kleinen Laborgeräten bis zu Industrieanlagen für hunderttausende Dollar
Geschwindigkeit: Oft Minuten bis einige Stunden pro Zyklus, meist viel kürzer als in einem konventionellen Ofen für dasselbe Teil

Stärken und Grenzen

Stärken

Schnelles Erhitzen von innen, daher kürzere Zyklen
Weniger Energie wird für das Erhitzen der Ofenwände verschwendet
Feinere Körner, oft mit festeren Teilen
Kompakte Ausrüstung für kleine Labore und Praxen

Grenzen

Viele Materialien absorbieren kalt schlecht und brauchen Suszeptoren
Hotspots und „thermisches Durchgehen“ (eine Stelle, die immer schneller überhitzt) können Teile reißen lassen
Die Temperatur ist schwer zu messen und gleichmäßig zu regeln
Metalle reflektieren Mikrowellen, daher sind massive Metallteile schwerer zu behandeln

Wo es eingesetzt wird

ZahnmedizinSchnelles Sintern von Zirkonoxid-Kronen und -Brücken in Öfen in Praxisgröße
HochleistungskeramikAluminiumoxid, Siliziumnitrid und Ultrahochtemperaturkeramik für extreme Hitze
ElektronikFerrite und andere Elektrokeramiken
Additive FertigungSintern gedruckter Metall- und Keramikteile in Mikrowellenöfen
ForschungSchnelle Versuche mit neuen Keramik- und Verbundrezepturen

So erkennen Sie es

Meist sieht man es dem Teil nicht an: Es sieht aus wie jedes gesinterte Keramik- oder Metallstück.
Der Ofen verrät es: ein Metallkasten, von einem Hohlleiter gespeist, ohne glühende Heizelemente im Inneren.
Labor- und Maker-Teile sitzen oft in einem weißen Faserisolierkasten oder einem Siliziumkarbidtiegel.

Im Vergleich mit

Pulvermetallurgie9.1nutzt einen konventionellen Ofen, der über Stunden von außen nach innen heizt.Spark-Plasma-Sintern9.4erhitzt ebenfalls schnell von innen, aber mit elektrischem Strom durch eine Matrize und mit Druck.Sol-Gel-Verfahren9.6eine weitere Möglichkeit, feine Keramik herzustellen, ausgehend von einer Flüssigkeit statt einem Pulver.

Ansehen

National Science Foundation News · Warum Mikrowellenöfen die Keramikherstellung beschleunigen, mit Laboraufnahmen

Hunan WISE Microwave Technology Co., Ltd · Die Teile eines Industrieofens: Magnetrons, Hohlleiter, Kammer

The Virtual Foundry, Inc. · Die Suszeptor-Idee, mit 3D-gedruckten Metallteilen in einem Tiegel

CERAMBOT · Ein kleiner Mikrowellenbrennofen, der gedruckte Keramikteile brennt

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Sintern — allgemeiner Artikel zum Sintern mit einem Abschnitt zum Mikrowellensintern; die englische Wikipedia hat keinen eigenen Artikel
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

Das Mikrowellensintern erhitzt das Teil selbst, nicht die Ofenwände.
Das Erhitzen von innen ergibt kürzere Zyklen und feinere Körner.
Schlechte Absorption im kalten Zustand und Hotspots sind die Hauptprobleme, gelöst mit Suszeptoren und sorgfältiger Regelung.