Lektion 9.4UrformenKapitel 9 · Pulver und Keramik

Spark-Plasma-Sintern (SPS)

Pulsierender Strom erhitzt eine gepresste Graphitmatrize in Minuten

Beim Spark-Plasma-Sintern (SPS) wird Pulver in einer Graphitmatrize gepresst, während ein riesiger pulsierender elektrischer Strom hindurchfließt. Die Matrize heizt sich selbst auf, sodass das Pulver in Minuten statt Stunden zu einem dichten Feststoff wird. Labore nutzen es, um neue Werkstoffe herzustellen, etwa extrem harte Keramiken, die sich in gewöhnlichen Öfen kaum verdichten lassen.

Foto: Raihan.Rumman, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Spark-Plasma-Sintern · Pressensäule, Stromkreis, VerdichtungDie Pressensäule ist aufgeschnitten gezeichnet; das Bild rechts zeigt, was in der Matrize geschieht und was herauskommt. Die eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten.

So funktioniert es

Die Matrize füllen. Pulver wird in eine Graphitmatrize (ein dickes Rohr) zwischen zwei Graphitstempel gefüllt. Die Matrize ist meist mit Graphitfolie ausgekleidet, damit sich das Teil löst.
Einsetzen und abpumpen. Der Matrizenstapel kommt zwischen die wassergekühlten Stempel einer Presse in einer Kammer. Die Luft wird abgepumpt (Vakuum) oder durch Argon ersetzt, damit der heiße Graphit und das Pulver nicht verbrennen.
Pressen und Strom leiten. Die Stempel pressen mit typischerweise 30–100 MPa, während ein Netzteil pulsierenden Gleichstrom, Tausende Ampere bei wenigen Volt, durch den Graphit schickt. Die Matrize heizt sich von innen durch elektrischen Widerstand auf, wie ein Toasterdraht, mit 100 °C pro Minute oder mehr. Trotz des Namens gibt es meist weder Funken noch Plasma.
Kurz halten. Nach typischerweise 5–10 Minuten bei Spitzentemperatur (oft 1.000–2.000 °C, je nach Material) verbinden sich die Teilchen, und die Poren werden herausgepresst. Der Stempel fährt nach unten, während das Pulver schrumpft, woran man erkennt, wann es dicht ist.
Abkühlen und auswerfen. Bei abgeschaltetem Strom ziehen die wassergekühlten Stempel die Wärme schnell ab. Die dichte Scheibe wird aus der Matrize gedrückt, und ihre Graphithaut wird vor dem Schneiden oder Nachbearbeiten abgeschliffen.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Keramiken (Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Boride), Hartmetalle, Wolfram und andere hochschmelzende Metalle, Thermoelektrika, Verbundwerkstoffe, sehr feine Pulver
Typische Teile: Scheiben und einfache Blöcke: Sputtertargets, Panzerplatten, Rohlinge für Schneidwerkzeuge, Forschungsproben
Bauteilgröße: Meist Scheiben von 10–50 mm im Labor; Industriemaschinen fertigen Teile bis zu einigen Hundert Millimetern Durchmesser
Präzision: Im gesinterten Zustand roh: Der Durchmesser ist durch die Matrize festgelegt, die Dicke weniger genau; die endgültigen Toleranzen entstehen durch Schleifen
Oberfläche: Eine graue Graphithaut, die anschließend abgeschliffen oder poliert wird
Geeignete Losgröße: Einzelstücke bis kleine Serien: Forschung, Prototypen und Spezialteile
Werkzeug- und Maschinenkosten: Graphitmatrizen sind Verbrauchsmaterial und kosten etwa einige zehn bis einige hundert Dollar; Maschinen reichen von einigen Hunderttausend Dollar (Labor) bis zu Millionen (Industrie)
Geschwindigkeit: Typischerweise 10–30 Minuten pro Durchlauf plus Abkühlen, jeweils ein Teil oder ein kleiner Stapel

Stärken und Grenzen

Stärken

Sehr schnell: Minuten statt Stunden
Hält die Körner (die winzigen Kristalle im Material) sehr fein, was es fester oder sogar transparent machen kann
Verdichtet schwer sinterbare Materialien wie Boride und Carbide, oft ohne Zusätze
Kann Schichten aus verschiedenen Materialien in einem Durchlauf verbinden

Grenzen

Nur einfache Formen: Scheiben, Blöcke, kurze Zylinder
Kleine Teile und geringer Ausstoß pro Maschine
Graphitwerkzeuge begrenzen den Druck auf etwa 100 MPa und können Kohlenstoff in die Oberfläche eintragen
Die Temperatur kann bei großen Teilen oder bei nicht leitenden Pulvern ungleichmäßig sein

Wo es eingesetzt wird

ForschungslaboreNeue Keramiken, Legierungen und Verbundwerkstoffe; schnelle Versuche mit vielen Rezepturen
ElektronikThermoelektrische Materialien, Sputtertargets für Dünnschichtbeschichtung
Verteidigung und LuftfahrtPanzerung aus Borcarbid, Keramiken für extreme Hitze
WerkzeugeRohlinge für Schneidwerkzeuge und Hartmetallteile
OptikTransparente Keramiken wie Spinell-Fenster, meist im Forschungsmaßstab

So erkennen Sie es

Flache Scheiben oder kurze Zylinder mit genau der Form einer runden Matrize.
Eine graue Graphithaut an unfertigen Teilen.
Geschliffene Flächen an fast jedem fertigen Teil, da SPS-Teile selten so verwendet werden, wie sie herauskommen.

Im Vergleich mit

Heißisostatisches Pressen9.3presst mit Gas von allen Seiten und beherrscht komplexe Formen, aber ein Zyklus dauert Stunden.Pulvermetallurgie9.1presst kalt und sintert dann in einem separaten Ofen; pro Teil weit günstiger, aber weniger dicht.Mikrowellensintern9.5heizt ebenfalls von innen für mehr Tempo, aber mit Mikrowellen statt Strom und ohne Druck.

Ansehen

Prof. Neha Gupta · Das Prinzip: pulsierender Strom durch eine Graphitmatrize unter Druck

Haoyuevac · Ein echter Laborlauf, bei dem die Matrize beim Aufheizen glüht

ThermalTechnology1 · Eine Industrieanlage: Kammer, Pressensäule und Steuerung

Taylor Sparks · Wofür SPS in der Industrie genutzt wird und wo seine Grenzen liegen

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Spark-Plasma-Sintern — andere Namen (FAST, PECS), Aufheizraten und Materialien; überwiegend Text
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

SPS erhitzt Matrize und Pulver direkt mit einem großen pulsierenden Strom, während es presst.
Minuten statt Stunden halten die Körner fein und machen harte Materialien dicht.
Es ist ein Labor- und Spezialverfahren für einfache Scheiben und Blöcke, keine Massenfertigung.