Generative Fertigung von Sinterglaskörpern für Glasdurchführungen durch 3D-Drucken

Nicolai, Katja

Dieses Buch behandelt die erstmalige Ergänzung des Herstellungsprozesses von Glasdurchführungen durch den Einsatz eines generativen Verfahrens zur Fertigung von Rohlingen für Sinterglaskörper sowie die Anpassung der vor- und nachgelagerten Prozessschritte an die dadurch veränderten Bedingungen. Damit sollte der herkömmliche Prozessschritt „Pressen“ hinsichtlich Kosten- und Zeiteinsparung im Rahmen von Kleinserien ersetzt werden. Der 3D-Druck von Glaspulver für technische Anwendungen war ein Novum. Die erforderliche Dichte und Porosität der Sinterglaskörper wurde über eine geeignete Korngrößenverteilung der Ausgangsmaterialien erreicht. Die durch 3D-Druck hergestellten Sinterglaskörper erfüllen die erforderlichen Qualitätsparameter bei der Verwendung für Glasdurchführungen und entsprechen dem Stand der Technik nach dem Einschmelzen. Es konnte eine stabile Prozesskette für die Herstellung von Glasdurchführungen mit 3D-gedruckten Rohlingen für Sinterglaskörper abgeleitet werden.

This work treats the first time complement of the production of glass - metal - feedthroughs by the use of an additive process for rapid manufacturing of blanks for sintered glass bodies as well as the adaptation of the upstream and downstream process steps to the resultant change in conditions. With this the conventional process step "pressing" should be replaced in terms of cost and time savings and as part of small series. The selected additive process was powder bed 3D printing (3DP). The 3DP of glass powders in technical applications was a novelty, so that experiences in the field of ceramics allowed the introduction to the problem and their development for glass. The challenge was to maintain comparable properties of the blanks for sintered glass bodies despite the differences between the two shaping processes pressing and 3DP. The shaping- pressure used in pressing is not available in 3DP. Required density and porosity have to be achieved by a suitable particle size distribution of the starting materials. Development of a processing method for glass powder and a binder system of liquid and solid components were important contributions to that. Glass powder with particle size distributions from < 165 µm with 20 % to 30 % fines (2 - 3 µm) made the best results. The shrinkage of the blanks of sintered glass bodies during the binding and sintering process was 18 % to 20 %. It depends on geometry and allowed the accurate setting of the required CAD data (* .stl). The minimum wall thickness reached by 3DP of glass rings of powder with above - mentioned properties was 0.8 mm. The porosity of the sintered glass bodies produced by 3DP compared with those of the conventional pressing method was 25 % - 40 % to 22 % and the density 1.7 g / cm³ to 2 g / cm³. These differences had to be compensated by adjusting the dimensions of the blanks in respect of the following sealing process and the desired properties. Both production methods have form tolerances of 1 to 2 %. The sintered glass bodies produced by 3DP meet the required quality parameters for glass - metal - feedthroughs and correspond to state of the art after sealing. Based on these results, a stable process chain was given to manufacture glass - metal - feedthroughs with 3DP manufactured blanks for sintered glass bodies.

Die Arbeit behandelt die erstmalige Ergänzung des Herstellungsprozesses von Glasdurchführungen durch den Einsatz eines generativen Verfahrens zur Fertigung von Rohlingen für Sinterglaskörper sowie die Anpassung der vor- und nachgelagerten Prozessschritte an die dadurch veränderten Bedingungen. Damit sollte der herkömmliche Prozessschritt „Pressen“ hinsichtlich Kosten- und Zeiteinsparung im Rahmen von Kleinserien ersetzt werden. Bei dem ausgewählten generativen Verfahren handelte es sich um den 3D - Pulverbettdruck. Der 3D - Druck von Glaspulver für technische Anwendungen war ein Novum, so dass Erfahrungswerte aus dem Bereich der Keramik den Einstieg in die Problematik und deren Weiterentwicklung für Glas ermöglichten. Die Herausforderung bestand darin, trotz der Unterschiedlichkeit der beiden Formgebungsverfahren Pressen und 3D - Pulverbettdruck vergleichbare Eigenschaften der Rohlinge für Sinterglaskörper zu erhalten. Der beim Pressen verwendete Druck für die Formgebung ist beim 3D - Pulverbettdruck nicht vorhanden. Die erforderliche Dichte und Porosität muss über eine geeignete Korngrößenverteilung der Ausgangsmaterialien erreicht werden Glaspulver mit Korngrößenverteilungen ab < 165 µm mit 20 % bis 30 % Feinanteilen (2 – 3 µm) hatten die günstigste Anordnungsmöglichkeit der Pulverbestandteile. Mit dem entwickelten Temperaturprogramm für den Entbinder- und Sinterprozess wurde durch Modellierung und Optimierung die vollständige Zersetzung der Binderbestandteile sichergestellt. Die Porositäten der durch 3D - Pulverbettdruck hergestellten Sinterglaskörper im Vergleich zu denen aus dem herkömmlichen Presseverfahren betrugen 25 % – 40 % zu 22 % und die Dichten 1,7 g/cm³ zu 2 g/cm³. Im Hinblick auf spätere Einschmelzungen konnten die Differenzen durch Anpassung der Abmessungen der Rohlinge ausgeglichen werden. Beide Herstellungsverfahren haben Formtoleranzen von 1 bis 2 %. Die durch 3D - Pulverbettdruck hergestellten Sinterglaskörper erfüllen die erforderlichen Qualitätsparameter bei der Verwendung für Glasdurchführungen und entsprechen dem Stand der Technik nach dem Einschmelzen. Ausgehend von diesen Ergebnissen konnte eine stabile Prozesskette für die Fertigung von Glasdurchführungen mit generativ gefertigten Rohlingen für Sinterglaskörper abgeleitet werden.

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Nicolai, Katja: Generative Fertigung von Sinterglaskörpern für Glasdurchführungen durch 3D-Drucken. Ilmenau 2017. Universitätsverlag Ilmenau.

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