13 Sintermethoden uitgelegd:van conventioneel tot vonkplasma – een complete gids

Sinteren omvat het verwarmen en compacteren van een poedervormig materiaal om een vaste massa met gewenste eigenschappen te creëren. Er zijn meer dan een dozijn verschillende sintermethoden, elk met speciale voordelen en toepassingen. 

Dit omvat drukondersteund sinteren, dat de verdichting verbetert, conventioneel sinteren, een veelgebruikte techniek, en de geavanceerde Spark Plasma Sintering (SPS)-techniek, die bekend staat om zijn snelle en consistente resultaten. De automobiel-, ruimtevaart- en medische industrie zijn slechts enkele sectoren waarin deze typen worden gebruikt. 

In dit artikel worden 13 verschillende sintertechnieken besproken, evenals de methoden die het meest worden gebruikt in bepaalde industrieën.

1. Conventioneel Sinteren

Bij conventioneel sinteren, ook bekend als "vrij" of "drukloos" sinteren, wordt een poedercompact verwarmd zonder gebruik van externe druk. De compact wordt gevormd door druk uit te oefenen, en wordt vervolgens uit een matrijsholte verdreven. Boxovens kunnen grotere materialen zoals roestvrij staal sinteren, terwijl buisovens kleinere materialen zoals glas of keramisch poeder kunnen sinteren. De verwarmingselementen in beide soorten ovens zijn vaak siliciummolybdeenstaven. Boxovens zorgen voor stabielere omstandigheden, terwijl buisovens de lucht circuleren. In de praktijk van conventioneel sinteren wordt een temperatuur van ongeveer 1120 °C gebruikt voor het sinteren van meer dan 80% van de structurele poedermetaalcomponenten. 

Deze benadering omvat zowel materialen als methodologieën die een economisch levensvatbare manier hebben opgeleverd om metalen te vormen, waardoor ze bevredigende mechanische eigenschappen krijgen. Voor de massaproductie van diverse onderdelen hebben doosovens een breed scala aan toepassingen in een verscheidenheid aan industrieën, waaronder landbouw, gazon en tuin, en transport

2. Drukondersteund sinteren

Drukondersteund sinteren, ook wel heetpersen genoemd, combineert verhoogde temperaturen en uitgeoefende druk om de materiaalverdichting te verbeteren. Populaire drukondersteunde processen zijn onder meer vonkplasmasinteren (SPS) en heet isostatisch persen (HIP). Een kleinere poriegrootte en een verbeterde deeltjesherschikking worden mogelijk gemaakt door externe druk, wat de mechanische eigenschappen van het eindproduct verbetert. Deze methode is vooral gunstig voor materialen die op natuurlijke wijze moeilijk te verdichten zijn, zoals sommige keramieksoorten. Bovendien hebben de transformerende effecten van drukondersteund sinteren een aanzienlijk positief effect op materialen die zijn ontworpen voor toepassingen met hoge dichtheid.

3. Vonkplasmasinteren (SPS)

Met behulp van het geavanceerde proces dat bekend staat als Spark Plasma Sintering (SPS), kunnen deeltjes worden omgezet in vaste voorwerpen zonder ze eerst te smelten. Het past snel druk en warmte toe door gebruik te maken van gepulseerde gelijkstroom met hoge dichtheid en een gereguleerde omgeving. Met dit innovatieve proces kan SPS materialen combineren op een manier die andere technieken niet kunnen, waardoor sneller resultaten worden bereikt. 

SPS is aanpasbaar en geschikt voor een breed scala aan materialen, waaronder metalen, keramiek en nanomaterialen. Geavanceerde keramiek, thermo-elektrische halfgeleiders, intermetallische materialen en composieten zijn enkele voorbeelden van toepassingen. SPS is populair in de lucht- en ruimtevaart-, biomedische en energie-industrie en is voordelig voor het creëren van complexe vormen.

4. Heet isostatisch persen (HIP)

Heet isostatisch persen (HIP) is een transformatieve productiemethode waarbij gebruik wordt gemaakt van hoge druk (variërend van 100 tot 200 MPa) en verhoogde temperaturen om duurzame materialen te creëren. Het proces maakt gebruik van verpakte poeders die samenvloeien bij temperaturen boven de helft van hun absolute smeltpunt. Nauwkeurige atmosferische controle is een belangrijk onderdeel van HIP. Een inerte omgeving, waarbij vaak gebruik wordt gemaakt van zeer zuiver argon, is essentieel om de mechanische integriteit en levensduur van hoogwaardige componenten te beschermen. Door volledige verdichting, waardoor de interne porositeit wordt verminderd, produceert HIP componenten die bijna netvormig zijn en verbeterde mechanische eigenschappen hebben. Deze methode heeft een breed scala aan toepassingen, waaronder het elimineren van resterende porositeit van gesinterde producten, het repareren van gietfouten en het verdichten van componenten die zijn geproduceerd via poedermetallurgie of metaaladditieve productie.

5. Sinteren in de magnetron

Magnetronsinteren maakt gebruik van elektromagnetische golven om poedervormige materialen snel te verwarmen, waardoor snel en efficiënt sinteren mogelijk is, vaak zonder de noodzaak van externe druk. Het proces maakt gebruik van de unieke interactie tussen microgolven en diëlektrische deeltjes. Dit leidt tot interne verwarming en bevordert de vorming van homogene microstructuren. Deze interactie versnelt de diffusiesnelheden, waardoor zowel de verwerkingstijd als het energieverbruik effectief worden verminderd, waardoor sinteren in de magnetron een milieuvriendelijke en kosteneffectieve methode wordt. Keramiek, metaal-keramische composieten en keramiek afgeleid van polymeervoorlopers vinden toepassingen bij het sinteren in de magnetron. 

De term "keramiek afgeleid van polymeren" verwijst naar materialen die zijn gesynthetiseerd door polymeerstructuren om te zetten in keramiek door middel van gecontroleerde thermische processen. Een voorbeeld is siliciumcarbide afgeleid van polycarbosilaan. Ter vergelijking:vonkplasmasinteren (SPS) en microgolfsinteren delen het doel van snelle consolidatie, maar ze gebruiken verschillende mechanismen. 

SPS maakt gebruik van gepulseerde gelijkstroom en hogere drukken, terwijl bij het sinteren in de magnetron gebruik wordt gemaakt van elektromagnetische golven en doorgaans geen druk wordt uitgeoefend, wat verschillende routes biedt naar efficiënte materiaalconsolidatie.

6. Reactief sinteren

Reactief sinteren is een sinterproces waarbij poeders chemisch interageren, waardoor nieuwe fasen en verschillende microstructuren ontstaan. Deze methode maakt het mogelijk geavanceerde materialen te creëren met specifieke eigenschappen, zoals verhoogde hardheid en slijtvastheid. Een belangrijke toepassing is bijvoorbeeld het maken van keramische of intermetallische verbindingen, die op grote schaal worden gebruikt als snijgereedschap vanwege hun uitstekende taaiheid en snijcapaciteit. De unieke functie van reactief sinteren bij de productie van snijgereedschappen omvat de vorming van carbiden en andere verbindingen, waardoor de standtijd en nauwkeurigheid bij bewerkingen worden verbeterd.

7. Sinteren in vloeibare fase

Sinteren in de vloeibare fase is een sinterproces waarbij gebruik wordt gemaakt van een vloeibare fase om de binding van vaste deeltjes te versnellen. Snelle herschikking van deeltjes wordt in de eerste plaats veroorzaakt door capillaire krachten, en het proces van verdichting wordt versneld door de verbeterde diffusie van de vloeistof. Een mengsel van poeders, het smelten van een enkele component, de vorming van een eutecticum of het sinteren van een materiaal tussen de liquidus en solidus zijn allemaal mogelijke oorzaken van de vloeibare fase. Deze methode verhoogt de taaiheid van normaal brosse componenten door microstructuren te creëren met harde deeltjes in een ductiele matrix. De productie van snijgereedschappen en composieten met keramische matrix voor de lucht- en ruimtevaart zijn twee industrieën die profiteren van sinteren in de vloeistoffase. Voorbeelden van producten die met deze methode worden geproduceerd zijn elektrische contacten, olievrije lagers, hogetemperatuurturbines en soldeerpasta's.

8. Veldondersteunde sintertechnieken

Gelijkstroom (DC) of gepulseerde elektrische stromen worden gebruikt in veldondersteunde sintertechnieken, zoals vonkplasma-sinteren (FAST/SPS), om mallen en monsters te verwarmen door Joule-verwarming. Vergeleken met traditionele sintertechnieken leidt dit tot snelle opwarmsnelheden en kortere verwerkingsduur. De voordelen van FAST/SPS ten opzichte van conventioneel sinteren, waarbij poedermaterialen worden verwarmd tot net onder hun smelttemperatuur, omvatten het vermogen om een ​​breed scala aan materialen te sinteren, inclusief materialen met een laag smeltpunt of die gevoelig zijn voor barsten. Het zorgt voor een uniforme warmte- en drukverdeling en geeft het sinterproces een fijne controle door het gebruik van elektrische velden. Met deze methode kunnen materialen met opmerkelijke kwaliteiten worden geproduceerd met een grotere productie-efficiëntie en superieure mechanische eigenschappen. Het wordt gebruikt om verschillende metalen, keramische en functionele materialen te creëren.

9. Selectief lasersinteren (SLS)

Selectief lasersinteren is een additief productieproces waarbij gebruik wordt gemaakt van een lichtbundel met hoge intensiteit om opeenvolgende lagen poedervormige materialen te smelten en te verbinden om driedimensionale objecten te creëren. Deze methode biedt veel ontwerpflexibiliteit. Het is vooral handig voor snelle prototypes en productie van onderdelen met complexe geometrieën op verschillende gebieden, waaronder de automobiel-, ruimtevaart- en medische apparatuurindustrie.

10. Bevriezen Sinteren

Vriessinteren, ook wel vriesgieten genoemd, houdt in dat een vloeibare suspensie van poederdeeltjes wordt ingevroren en vervolgens een bevroren oplosmiddel onder verminderde druk wordt gesublimeerd. Dit leidt tot consolidatie en verdichting van de wanden, wat resulteert in een poreuze structuur met unidirectionele kanalen, die lijkt op de oplosmiddelkristallen. De techniek maakt gebruik van natuurlijke segregatieverschijnselen, waardoor keramische deeltjes zich ophopen tussen groeiende oplosmiddelkristallen, analoog aan opgeloste stoffen, en biologische entiteiten in pekelkanalen in zee-ijs. Sublimatie van het oplosmiddel onder omstandigheden van lage temperatuur en verminderde druk creëert porositeit die de gestolde oplosmiddelstructuur weerspiegelt. Tenslotte wordt het groene lichaam op conventionele wijze gesinterd om de macroporositeit te behouden terwijl de microporositeit van de keramische wanden wordt verwijderd. Dit unieke proces resulteert in sterk uitgelijnde structuren met gecontroleerde porositeit. Vriessinteren is gunstig voor het produceren van steigers in weefselmanipulatie en keramische materialen met gecontroleerde porositeit voor thermische isolatietoepassingen.

11. Flash-sinteren

Flash-sinteren is een snel consolidatieproces voor keramiek waarbij hoge elektrische velden worden toegepast tijdens het sinteren, wat leidt tot verdichting bij lagere temperaturen en kortere tijden in vergelijking met traditionele methoden zoals vonkplasma-sinteren (SPS) of veldondersteunde sintertechnieken (FAST). Bij flitssinteren wordt gebruik gemaakt van intense elektrische velden om het ionentransport en de diffusie van de korrelgrens te verbeteren, wat resulteert in een efficiënte verdichting. Het vindt toepassingen in industrieën zoals elektronica, ruimtevaart en energie. Voorbeelden hiervan zijn keramische condensatoren, thermo-elektrische materialen en vaste-oxidebrandstofcellen.

12. Zelfvoortplantende hogetemperatuursynthese (SHS)

Zelfpropagerende hogetemperatuursynthese (SHS), ook wel verbrandingssynthese genoemd, is een innovatieve techniek waarbij een exotherme reactie tussen poedercomponenten leidt tot snel sinteren. Op initiatief van een boog plant een verbrandingsgolf zich door het materiaal voort, waardoor een snelle sintering wordt bevorderd. Hoge temperaturen die door deze methode worden geproduceerd, veroorzaken sinteren, wat onderscheidende microstructuren en kenmerken produceert. SHS wordt gebruikt bij het verglaasen van nucleair afvalmateriaal zoals Synroc, een afvalvorm van de tweede generatie voor de verwijdering van hoogradioactief afval. In een onderzoek werd SHS gebruikt om zirkonoliet (CaZrTi2O7), een belangrijk Synroc-mineraal, effectief te synthetiseren, waarbij CuO en MoO3 als oxidanten en Ti als reductiemiddel werden gebruikt. Variaties in de TiO2/Ti-verhoudingen beïnvloedden de reactiviteit en de adiabatische temperatuur, waardoor de gesynthetiseerde monsters de vereiste dichtheid en Vickers-hardheid hadden.

13. Inductie Sinteren

Inductiesinteren is een techniek waarbij inductieverwarming wordt gebruikt voor het snel en nauwkeurig sinteren van poedercompacts. Deze gerichte verwarming verbetert de mechanische eigenschappen van het materiaal en verbruikt minder energie. Vanwege de effectiviteit en nauwkeurige temperatuurregeling is inductiesinteren voordelig voor bedrijven die magnetische materialen en metalen componenten produceren.

Er worden twee inductiesintermethoden besproken:de ene gebruikt een verwarmde geleidende container of matrijs (susceptor), en de andere induceert wervelstromen rechtstreeks in de compact wanneer deze in een spoel wordt geplaatst. Deze methoden maken snel en effectief sinteren mogelijk door de verwerkingstijd te verkorten en de energie-efficiëntie te garanderen. Voorbeelden van succesvol inductiesinteren waarbij metastabiele fasen behouden blijven, zijn materialen die nanokristallijn en fijnkorrelig zijn.

Wat is sinteren?

Sinteren omvat het verwarmen van poedervormige materialen, zoals metalen of keramiek, tot iets onder hun smeltpunt om ervoor te zorgen dat de deeltjes zich verenigen tot een vaste massa. Atoomdiffusie over deeltjesgrenzen heen creëert sterke bindingen. Succesvol sinteren vermindert de porositeit en verbetert eigenschappen, waaronder sterkte, thermische geleidbaarheid, elektrische geleidbaarheid en doorschijnendheid. 

Gecontroleerd sinteren versterkt materialen terwijl de porositeit onder bepaalde omstandigheden behouden blijft, zoals blijkt uit filters en katalysatoren die gasabsorberend moeten zijn. Atoomdiffusie verwijdert oppervlaktefouten in het poeder tijdens het proces, waarbij het van porievorming naar nekvorming gaat. De drijvende kracht achter de ontwikkeling van nieuwe vaste-vaste grensvlakken met lagere energie is de afname van vrije energie als gevolg van oppervlaktereductie. 

Door het bindingsoppervlak, de deeltjesgrootte en de dampdruk te beheersen, is een nauwkeurig beheer van de temperatuur en de korrelgrootte tijdens het sinteren mogelijk, wat een directe invloed heeft op de uiteindelijke materiaaleigenschappen. De impact van de temperatuur op de diffusie en de algehele proceskwaliteit is belangrijk. Figuur 1 is een schematisch diagram van het sinterproces:

Schema van het sinterproces.

Hoe kies je het beste type sinteren?

Om de beste sintermethode te kiezen, is het belangrijk om rekening te houden met de eigenschappen van de gespecificeerde materialen, gewenste producteigenschappen en productie-eisen. Gebruikelijke technieken omvatten conventioneel sinteren, veldondersteund sinteren en drukondersteund sinteren. Conventioneel sinteren is geschikt voor eenvoudige vormen, terwijl veldondersteund sinteren geschikt is voor complexe geometrieën en kortere verwerkingstijden oplevert. Heet isostatisch persen is ideaal voor het bereiken van een hoge dichtheid en uniformiteit in kritische componenten. Evalueer deze factoren om een weloverwogen beslissing te nemen.

Welk type sinteren wordt gebruikt in de auto-industrie?

Poedermetallurgie en selectief lasersinteren (SLS) zijn twee prominente sintertechnieken die in de auto-industrie worden gebruikt. SLS maakt gebruik van een krachtige laser om poedervormige polymeren of metaalpoeders laag voor laag samen te smelten, waardoor complexe componenten kunnen worden gemaakt. Deze aanpak heeft de voorkeur voor snelle prototyping, economische productie en ontwerpoptimalisatie. 

Poedermetallurgie daarentegen maakt gebruik van metalen die tot een fijn poeder zijn vermalen en deze vervolgens sinteren om complexe stukken te produceren. Deze methode is essentieel in veel autosystemen, waaronder elektronica, aandrijflijnen en thermisch beheer, vanwege de voordelen op het gebied van nauwkeurige toleranties, duurzaamheid en veelzijdigheid.

Welk type sinteren wordt gebruikt in de elektronische industrie?

In de elektronicasector is microgolfsinteren een selectief gebruikte procedure waarbij microgolfenergie wordt gebruikt om de fusie van metalen, composieten en keramiek te stimuleren. Deze methodologie versnelt en verbetert het sinteren en presteert in bepaalde toepassingen beter dan traditionele benaderingen zoals conventioneel sinteren. Het wordt gebruikt in specifieke elektronische onderdelen en gadgets, en profiteert van snellere verwerkingstijden en betere materiaalkwaliteiten. Halfgeleiders, condensatoren, weerstanden en geïntegreerde schakelingen vallen allemaal onder de categorie elektronische componenten en gadgets.

Welk type sinteren wordt gebruikt in de lucht- en ruimtevaartindustrie?

Drukondersteund sinteren (PAS) is een van de industriële processen die in de lucht- en ruimtevaartsector worden gebruikt. Het gaat om het uitoefenen van druk op het groene gedeelte tijdens het sinteren. Vergeleken met traditionele sintermethoden zonder druk resulteert PAS over het algemeen in een hogere materiaaldichtheid en een lagere porositeit. Hoogwaardige lucht- en ruimtevaartonderdelen, zoals motoronderdelen, structurele componenten en turbinebladen, kunnen allemaal worden vervaardigd met behulp van heet isostatisch persen (HIP), vonkplasmasinteren (SPS) of heetpersen, wat specifieke vormen van drukondersteund sinteren zijn.

Vereisen verschillende materialen verschillende sinterprocessen?

Ja, voor verschillende materialen kunnen verschillende sintermethoden nodig zijn, hoewel de meeste methoden kunnen worden gebruikt voor een overlappende reeks materialen. Het sinterproces is een belangrijke stap bij het maken van materialen, en verschillende materialen hebben verschillende vereisten en unieke eigenschappen die de selectie van de sintermethode beïnvloeden. Deze variaties zijn het gevolg van elementen zoals smeltpunten, elektrische geleidbaarheid en temperatuurgevoeligheid. De Spark Plasma Sintering (SPS)-techniek werkt bijvoorbeeld goed bij het werken met geleidende materialen zoals koper. Gepulseerde DC, gebruikt in SPS, maakt snelle en gerichte verwarming mogelijk terwijl de geleidbaarheid van het materiaal behouden blijft en overmatige korrelvorming wordt voorkomen. Aan de andere kant is drukloos sinteren, een traditionele methode die afhankelijk is van diffuse massabeweging tijdens sinteren bij hoge temperaturen, het meest geschikt voor niet-geleidende materialen zoals aluminiumoxide. Ook vereisen materialen met hoge smeltpunten, zoals wolfraamcarbide, gespecialiseerde methoden. Heet isostatisch persen (HIP) is bijzonder geschikt voor dergelijke gevallen, omdat het hoge druk en temperatuur combineert in een inerte gasomgeving om hoge dichtheden te bereiken en porositeiten te elimineren, waardoor de sterkte en duurzaamheid van het materiaal worden verbeterd.

Verschillen sintertypes wat betreft gewenste resultaten?

Ja, verschillende sintermethoden kunnen op maat worden gemaakt om verschillende gewenste resultaten te produceren. Elk sinterproces heeft specifieke kenmerken die de uiteindelijke eigenschappen en de kosten van het gesinterde materiaal beïnvloeden. Sinteren in de magnetron kan bijvoorbeeld zorgen voor een snelle verwarming, terwijl door druk ondersteund sinteren de materiaalverdichting kan bevorderen. De keuze van de methode hangt af van factoren zoals onderdeelontwerp, materiaalkeuze, serviceomstandigheden en productie-efficiëntie.

Hoe beïnvloedt de sintertechniek de resultaten van de impacttest van gesinterd materiaal?

De resultaten van impacttests kunnen sterk worden beïnvloed door het gekozen sinterproces. De dichtheid, porositeit en microstructuur van het materiaal kunnen variëren afhankelijk van de sintertechniek. Deze factoren hebben rechtstreeks invloed op de mechanische eigenschappen van het materiaal, zoals taaiheid en sterkte. Sinteren in de magnetron kan bijvoorbeeld leiden tot een meer uniforme microstructuur en verminderde porositeit, waardoor de slagvastheid wordt verbeterd. Een hogere sintertemperatuur bevordert de diffusiebinding, waardoor de resterende poriën boller worden en de mechanische eigenschappen verbeteren. Onderzoekers ontdekten dat bij een hogere sintertemperatuur de treksterkte van de componenten met 30% steeg, de buigvermoeidheidssterkte met 15% en de impactenergie met 50% toenam, wat een verbeterde taaiheid weerspiegelt. De slagsterkte neemt aanzienlijk toe met de sintertemperatuur, met een meer uitgesproken effect bij een hoger koolstofgehalte als gevolg van meer vastgehouden austeniet en bainiet.

Raadpleeg onze volledige gids over impacttests voor meer informatie.

Hoe beïnvloedt conventioneel en drukondersteund sinteren de elastische grens van gesinterde materialen?

Conventioneel sinteren kan resulteren in gesinterde materialen met lagere elastische grenzen, voornamelijk als gevolg van de persistentie van porositeit en gebreken aan korrelgrenzen. Door de verdichting te vergroten, de porositeit te verlagen en een sterkere korrelgrensbinding te bevorderen, verbetert drukondersteund sinteren de situatie aanzienlijk. Hierdoor hebben gesinterde materialen hogere elastische limieten. Toepassingen die verbeterde mechanische prestaties vereisen, vooral in termen van elastische vervormingsweerstand, profiteren het meest van drukondersteund sinteren.

Samenvatting

Dit artikel presenteerde de verschillende soorten sinteren, legde ze allemaal uit en besprak wanneer ze worden gebruikt. Neem voor meer informatie over sinteren contact op met een vertegenwoordiger van Xometry.

Xometry biedt een breed scala aan productiemogelijkheden, waaronder gieten en andere diensten met toegevoegde waarde voor al uw prototyping- en productiebehoeften. Bezoek onze website voor meer informatie of vraag een gratis en vrijblijvende offerte aan.

Disclaimer

De inhoud die op deze webpagina verschijnt, is uitsluitend voor informatieve doeleinden. Xometry geeft geen enkele verklaring of garantie van welke aard dan ook, expliciet of impliciet, met betrekking tot de nauwkeurigheid, volledigheid of geldigheid van de informatie. Eventuele prestatieparameters, geometrische toleranties, specifieke ontwerpkenmerken, kwaliteit en soorten materialen of processen mogen niet worden afgeleid als representatief voor wat externe leveranciers of fabrikanten via het netwerk van Xometry zullen leveren. Kopers die offertes voor onderdelen zoeken, zijn verantwoordelijk voor het definiëren van de specifieke vereisten voor die onderdelen. Raadpleeg onze algemene voorwaarden voor meer informatie.

Dean McClements

Dean McClements is afgestudeerd aan de B.Eng Honours in Werktuigbouwkunde en heeft meer dan twintig jaar ervaring in de productie-industrie. Zijn professionele carrière omvat belangrijke functies bij toonaangevende bedrijven zoals Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace en Hyster-Yale, waar hij een diep inzicht ontwikkelde in technische processen en innovaties.

Lees meer artikelen van Dean McClements