Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Metall-Keramik-Verbunde wurden mittels Pulverspritzgießen hergestellt. Unter Anwendung der teilautomatisierten Verfahrensoptionen Mehrkomponentenspritzgießen und Inmould-Labelling, welches u. a. die Verwendung tiefgezogener Grünfolien beinhaltete, wurden hierzu 2K-Prüfkörpergeometrien (Zugstab, Biegebruchstab, Ringverbund) und 2K-Demonstratoren (Innenzahnrad, Fadenführer, Greifer) jeweils bestehend aus Stahl 17-4PH und ZrO2 (3%Y2O3), im Co-Sinterverfahren unter H2-Atmosphäre bei 1350°C, entwickelt. Schlüssel zur Darstellung schwindungskonformer ZrO2- und Stahl 17-4PH-Formgebungsmassen war der Angleich der Pulverpackungsdichte. Untersucht wurde neben der Werkstoff- und Gefügeausbildung das sich während dem Formgebungs- und Sinterprozess ausbildende Metall-Keramik-Interface sowie die sich bevorzugt in diesem Bereich manifestierenden Verbundeigenspannungen. Neben der stoffschlüssigen Versinterung beider Partner konnte eine Steigerung der Verbundfestigkeit durch Legierungsmodifikation unter Ausschluss technologischer Fehlerquellen erreicht und spezifiziert werden.

Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Metall-Keramik-Verbunde wurden mittels Pulverspritzgießen hergestellt. Unter Anwendung der teilautomatisierten Verfahrensoptionen Mehrkomponentenspritzgießen und Inmould-Labelling, welches u. a. die Verwendung tiefgezogener Grünfolien beinhaltete, wurden hierzu 2K-Prüfkörpergeometrien (Zugstab, Biegebruchstab, Ringverbund) und 2K-Demonstratoren (Innenzahnrad, Fadenführer, Greifer) jeweils bestehend aus Stahl 17-4PH und ZrO2 (3%Y2O3), im Co-Sinterverfahren unter H2-Atmosphäre bei 1350°C, entwickelt. Schlüssel zur Darstellung schwindungskonformer ZrO2- und Stahl 17-4PH-Formgebungsmassen war der Angleich der Pulverpackungsdichte. Untersucht wurde neben der Werkstoff- und Gefügeausbildung das sich während dem Formgebungs- und Sinterprozess ausbildende Metall-Keramik-Interface sowie die sich bevorzugt in diesem Bereich manifestierenden Verbundeigenspannungen. Neben der stoffschlüssigen Versinterung beider Partner konnte eine Steigerung der Verbundfestigkeit durch Legierungsmodifikation unter Ausschluss technologischer Fehlerquellen erreicht und spezifiziert werden.:1 Einleitung und Zielstellung .................................................................................................5 2 Stand der Technik ..............................................................................................................6 2.1 Metall-Keramische-Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde.....................................6 2.2 Werkstoffsystem ............................................................................................................6 2.2.1 Oxidkeramische Metall-Keramik-Verbunde.................................................................9 2.2.2 Nichtoxidkeramische Metall-Keramik-Verbunde........................................................15 2.3 Metall-Keramik-Interface..............................................................................................17 2.3.1 Stahl-Keramik-Komposite.........................................................................................21 2.3.2 Stahl-Keramik-Schichtverbunde................................................................................25 2.4 Konventionelle Verbindungs- und Fügetechnik.............................................................27 2.4.1 Kraft- und Formschluss.............................................................................................28 2.4.2 Lösbare Verbindungen .............................................................................................28 2.4.3 Nicht lösbare Verbindungen .....................................................................................29 2.4.4 Stoffschlüssige Verbindungen ..................................................................................30 2.5 Pulvertechnologische Verbindungs- und Fügetechnik ...................................................32 2.5.1 Co-Shaping..............................................................................................................34 2.5.2 Co-Firing..................................................................................................................38 2.6 Pulverspritzgießen........................................................................................................42 2.6.1 Prozesskette.............................................................................................................43 2.6.2 Werkstoffe...............................................................................................................45 2.6.3 Verfahrenscharakteristik...........................................................................................46 2.6.4 PIM in der industriellen Praxis ...................................................................................48 2.6.5 Mehrkomponentenspritzguss...................................................................................49 2.7 Prüfung und Spezifikation für spritzgegossene Metall-Keramik-Verbunde.....................52 2.7.1 zerstörende Prüfverfahren........................................................................................52 2.7.2 zerstörungsfreie Prüfverfahren .................................................................................55 2.7.3 Prädikative Methoden ..............................................................................................55 3 Experimenteller Teil..........................................................................................................57 3.1 Pulveranmusterung ......................................................................................................57 3.1.1 Feedstockherstellung und Charakterisierung ............................................................58 3.1.2 Grünfolienherstellung und Charakterisierung ...........................................................60 3.1.3 Thermische Analyse..................................................................................................62 3.2 Fertigungstechnologie..................................................................................................62 3.2.1 2-Komponentenpulverspritzgießen...........................................................................64 3.2.2 Folienhinterspritzen..................................................................................................64 3.2.3 Entbinderung und Sinterung ....................................................................................65 3.3 Werkstoff- und Verbundspezifikation...........................................................................66 3.3.1 Bestimmung der Dichte............................................................................................66 3.3.2 Dilatometrie.............................................................................................................66 3.5.2 Optische Interfaceanalyse.........................................................................................67 3.5.3 Mechanische Festigkeit ............................................................................................67 3.5.4 Röntgenographische Eigenspannungsanalyse ...........................................................68 4 Ergebnisdiskussion ...........................................................................................................70 4.1 Werkstoff- und Pulverauswahl .....................................................................................70 4.1.1 Untersuchungen zum Co-Sinterverhalten von Metall- und Keramikpulvern........................................................................................................78 4.1.2 Werkstoff- und Gefügeausbildung während der Co-Sinterung .................................85 4.2 Feedstock- und Bindersystem .......................................................................................92 4.2.1 Rheologische Eigenschaften .....................................................................................95 4.2.2 Thermisches Verhalten und Entbinderung ................................................................99 4.2.3 Verarbeitung von Feedstock und Grünfolie.............................................................101 4.3 Prüfkörperentwicklung...............................................................................................105 4.3.1 Gestaltungsoptionen..............................................................................................105 4.3.2 Verfahrensverifizierung ..........................................................................................106 4.3.3 Qualitative Bewertung der Verfahrensoption Inmould-Labelling..............................109 4.4 Werkstoffverbund.........................................................................................................112 4.4.1 Metall-Keramik-Interface........................................................................................112 4.4.2 Zugfestigkeit..........................................................................................................119 4.4.3 Verbundeigenspannungen .....................................................................................122 5 Zusammenfassung.........................................................................................................126 6 Literaturverzeichnis ........................................................................................................130 7 Abkürzungsverzeichnis...................................................................................................140 Anhang ................................................................................................................................141 A1 Spezifikation ZrO2-Feedstock Z1 .................................................................................142 A2 Spezifikation Stahl-17-4PH-Feedstock M1 ..................................................................143 A3 Rezeptur ZrO2-Folien ..................................................................................................144 A4 Rezeptur Stahl 17-4PH-Folien.....................................................................................145 A5 Prozessparameter – Spritzgießen (Bsp. Biegebruchstab 7x7x70mm)............................146 A6 Folienkonfektionierung – Bsp.- Demonstrator Greifer .................................................147 A7 Prozessautomatisierung – Bsp. Demonstrator Fadenführer..........................................148 A8 Spritzgegossene Demonstratoren – 2K-Spritzgießen...................................................149 A9 Spritzgegossene Demonstratoren – Inmould-Labelling................................................150 A10 Dilatometerschaubilder ..............................................................................................151 A11 Mikrozugproben ........................................................................................................152 A12 studentische Arbeiten ................................................................................................153

Ausgehend von der Anwendung von Folienhinterspritzprozessen für dekorative Zwecke wurde deren Nutzung für die Integration elektronischer Strukturen in Kunststoffbauteile untersucht. Die Herstellung der elektronischen Bauelemente erfolgte mittels verschiedener Druckverfahren mit elektrisch leitfähigen und dielektrischen Materialien auf Polycarbonatfolien. Im Fokus standen zum einen kapazitiv auslesbare Speicherstrukturen und zum anderen Elektrolumineszenzleuchten. Nach dem Druck wurden die bedruckten Folien z. T. verformt und hinterspritzt. In der Arbeit wird auf die Auswirkungen der Verform- und Hinterspritzprozesse eingegangen. Schwerpunktmäßig wird die elektronische bzw. optische Funktionalität der Bauelemente, die Beeinflussung durch Klimaveränderungen und die Haftfestigkeit der Folien betrachtet. Im Ergebnis konnten erstmals die Realisierbarkeit hinterspritzter elektronischer Bauelemente nachgewiesen sowie verschiedene Einflussfaktoren auf deren Funktionalität identifiziert werden. / Based on the application of film insert molding for graphic purposes, the utilization of this process for the integration of electronic devices into plastic components was examined. The manufacturing of the electronic devices was realized by applying electrical conductive and dielectric inks on polycarbonate foil by various printing processes. Capacitive data storage patterns and electroluminescent lamps are the main applications. The production sequence included the printing process, forming of the foil where required and back injection molding. The impact of forming and film insert molding was investigated. The electronic and/or optical functionality of the devices, the influence of ambient conditions like temperature or humidity and the adhesion strength of the foils were in the focus of the evaluation. As a result, the feasibility of film insert molded electronic devices could be verified and various impact factors could be identified for the first time.

Ausgehend von der Anwendung von Folienhinterspritzprozessen für dekorative Zwecke wurde deren Nutzung für die Integration elektronischer Strukturen in Kunststoffbauteile untersucht. Die Herstellung der elektronischen Bauelemente erfolgte mittels verschiedener Druckverfahren mit elektrisch leitfähigen und dielektrischen Materialien auf Polycarbonatfolien. Im Fokus standen zum einen kapazitiv auslesbare Speicherstrukturen und zum anderen Elektrolumineszenzleuchten. Nach dem Druck wurden die bedruckten Folien z. T. verformt und hinterspritzt. In der Arbeit wird auf die Auswirkungen der Verform- und Hinterspritzprozesse eingegangen. Schwerpunktmäßig wird die elektronische bzw. optische Funktionalität der Bauelemente, die Beeinflussung durch Klimaveränderungen und die Haftfestigkeit der Folien betrachtet. Im Ergebnis konnten erstmals die Realisierbarkeit hinterspritzter elektronischer Bauelemente nachgewiesen sowie verschiedene Einflussfaktoren auf deren Funktionalität identifiziert werden. / Based on the application of film insert molding for graphic purposes, the utilization of this process for the integration of electronic devices into plastic components was examined. The manufacturing of the electronic devices was realized by applying electrical conductive and dielectric inks on polycarbonate foil by various printing processes. Capacitive data storage patterns and electroluminescent lamps are the main applications. The production sequence included the printing process, forming of the foil where required and back injection molding. The impact of forming and film insert molding was investigated. The electronic and/or optical functionality of the devices, the influence of ambient conditions like temperature or humidity and the adhesion strength of the foils were in the focus of the evaluation. As a result, the feasibility of film insert molded electronic devices could be verified and various impact factors could be identified for the first time.