Sintren uitgelegd: definitie, proces, typen en praktische toepassingen

Sintren is een brede familie van methoden die integrale en potentieel hoogst complexe delen vormen uit een breed scala aan materialen, door poeders en bindmiddelen te comprimeren en vervolgens te smelten. Het deel doorloopt twee stadia. Het eerste stadium maakt de vereiste vorm een zwak en slecht geïntegreerd, overgroot component. Het tweede stadium bakt dat component om het bindmiddelmateriaal te expelleren en zorgt ervoor dat de overgebleven deeltjes samensmelten en samengaan tot een volledig sterke onderdeel. Deze aanpak wordt wijdverspreid in metalen en keramiek, als een manier om complexe net-shape delen met grote mechanische eigenschappen te produceren via een laag per-deel-kost proces dat hoogst herhaalbaar is. Dit artikel definieert sintren, hoe het werkt, de typen sintren en de verschillende processen.

Wat is sintren?

Sintren is het proces van het eerst binden van poedervormen tot geïntegreerde vasten door comprimatie. De vorm wordt vervolgens verwarmd tot onder het smeltpunt van een van de poeders om thermische fusie toe te staan om deeltjes te binden. Dit verbrandt eventuele intermediaire bindmiddelen die eerder dienden om de vorm samen te houden en bindt de overige "groene" (d.w.z. ongesinterde) materialen. Dit proces vormt vaste objecten uit gepulverteerd metaal, keramiek of composietmaterialen.

Wanneer de gecomprimeerde-poederdelen worden verwarmd, waardoor deeltjes binden, consolideert het proces eventuele holtes. Dit resulteert in een dichtheid van bijna 100%, benaderend de eigenschappen van het hoofdmateriaal. Temperaturen voor verwerking worden nauwkeurig gecontroleerd. Om te smelten, moet het contactpunt net beginnen te smelten om de pre-fusievorm volledig te behouden terwijl ze als één lichaam samenvoegen. Figuur 1 toont voorbeelden van gesinterde delen:

Wat is de andere term voor sintren?

Een verscheidenheid aan termen wordt veel gebruikt om processen te beschrijven die essentieel sintren zijn. Deze omvatten poedermetallurgie, MIM (metal injection molding), consolidatie, caking en bakken. Poedermetallurgie is het proces van het persen of injecteren van metaalpoeders in vaste objecten. MIM injecteert daarentegen een metaalpoederslurry met een gesmolten polymere in een kunststofvormgereedschap. De polymere wordt vervolgens verbrand en de temperatuur wordt verhoogd om de deeltjes te laten samensmelten.

Consolidatie wordt wijd gebruikt in de keramische industrie om het vergelijkbare proces van persvormen van keramische poeders om vasten te vormen die vervolgens in de oven gekookt worden te beschrijven. Caking wordt gebruikt om het vormen van verschillende poederdeeltjes te beschrijven die samen binden om een vast "koekje" te vormen. Ten slotte beschrijft bakken de hitte-integratie van deeltjesgebaseerde vormen in de keramische industrie.

Wat is de oorsprong van sintren?

De oorsprong van sintren ligt in de prehistorie, aangezien alle gebakken keramiek essentieel gesinterde kleideeltjes zijn. De natte fusie van de kleideeltjes vormt de "groene" vorm, gevolgd door bakken, wat de discrete klodders natte klei integreert in een enkel, duurzaam item. Daarnaast vertegenwoordigen sommige metaalpoederdecoraties en het glaseren van aardewerk primitieve sintermethoden, waarbij glas en metalen geïnduceerd worden om van poeders tot vasten te smelten door de toepassing van hitte.

Modern sintren begon als een wetenschappelijke/commerciële activiteit met het werk van William Coolidge. Hij bereikte in 1909 buigzaam tungstenendraad door hete extrusie/trekking van de poedervormde billetten om lampfilamenten te maken die duurzamer waren dan voorheen.

Hoe werkt het sinterproces?

Sintren werkt in een driedelige proces:

1. Een primaire deelmengsel, met een bindmiddel, wordt gevormd tot de gewenste vorm. Het bindmiddel plakt het poeder samen om de vorm van het deel te maken. Dit bindmiddel kan water zijn, maar het is vaker een was of een polymere.
2. Wanneer het groene deel wordt gebakst, verdampt of verbrandt het bindmiddel.
3. De temperatuur stijgt vervolgens voldoende voor een van twee processen die essentieel identiek zijn om te gebeuren. Of de primaire deeltjes verwarmen genoeg om net te beginnen te smelten, waardoor de individuele deeltjes aan hun oppervlakken samensmelten, of een intermediair bindmiddel zoals brons smelt en koppelt tussen de deeltjes, waardoor de primaire component poeder in een onveranderde staat blijft.

Wat is het belang van het sinterproces?

Sinterprocessen zijn belangrijk in een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder:

1. Gebruikt om componenten van grote hardheid, zwaarte en precisie te produceren.
2. Gebruikt om ingewikkelde vormen en geometrieën te produceren die moeilijk te bereiken zijn met meer normale productiemethoden.
3. Voegt de eigenschappen van meerdere materialen samen, leverend de zwaarte van één component getrouwd met de slijtvasteheid van een ander.
4. Lagere gereedschapskosten voor het produceren van complexe delen en geometrieën. De complexiteit moet één keer geproduceerd worden in een primaire pers of vormgereedschap en nauwkeurig gereproduceerd in gebonden poeders.
5. Staat snelle massaproductie van componenten toe terwijl precisie en herhaalbaarheid behouden blijven.

Wat zijn de verschillende typen sintren?

Verschillende benvallingen vallen onder de brede titel van sintren, waaronder:

1. Vaste-stof sintren: Poedermateriaal wordt verwarmd tot een temperatuur net onder het smeltpunt. Dit bindt de deeltjes samen door atoondiffusie aan de korngrenzen.
2. Vloeistoffase sintren: Gebruikt de toevoeging van een kleine hoeveelheid van een oplosmiddel vloeistof aan het poeder om lage porositeit en binding te induceren. Deze vloeistof wordt vervolgens verdreven, meestal door verwarmen, om een geïntegreerd vast te creëren.
3. Reactief sintren: Gebruikt een chemische reactie van ten minste een van de fasen van poederdeeltjes tijdens verwarmen. Het verandert de chemie wat resulteert in deeltjeskoppeling in de chemisch veranderde massa.
4. Microgolf sintren: Een nieuwe benadering toegepast op keramiek. Hitte wordt geïnduceerd met microgolven, en wordt beweerd dat dit resulteert in snellere en meer complete integratie van de structuur.
5. Vonkplasma sintren: Gebruikt een elektrische stroom en fysieke compressie van het poeder om het poeder in een geheel te integreren.
6. Heet isostatisch pressen: Gebruikt hoge druk en hoge temperatuur toegepast op een poeder om de vereiste vorm te vormen en de deeltjes te laten samensmelten.
7. Koud sintren: Gebruikt een tijdelijk oplosmiddel en druk om polymere poeders in een vaste massa te consolideren.

Om meer te leren, raadpleeg onze complete gids over Typen Sintren.

Wat zijn enkele materialen die in sintren gebruikt worden?

Als een wijd spectrum van technieken, vindt sintren toepassing in een enorm bereik aan materialen. Deze worden hieronder opgesomd:

1. Metalen

Een breed scala aan metalen kan in sinerprocessen van verschillende typen gebruikt worden. Dit omvat ijzer, ijzer-koper, koperstalen, nikkelstalen, roestvrije stalen (300- en 400-series), hoogsterkte laaggelegeerde stalen (HSLA), medium- en hoogkoolstofstalen, en diffusie verhardbare stalen, messing, brons, en zacht ijzer magnetische legeringen. Al deze kunnen als groene delen worden gebouwd door 3D-printen en vervolgens gesinterd tot hoogwaardige, lage-porositeitsdelen van uitstekende eigenschappen. Metalen kunnen gesinterd worden door persen, vormgeven en injectievormen. Xometry biedt direct offertes aan voor direct metal laser sintering (DMLS), een metaallaser sinterproces.

Om meer te leren, raadpleeg onze complete gids over Metalloïden.

2. Keramiek

De meeste keramische processen worden beschouwd als sintren of dicht bij sintren. Een selectie van veelvoorkomend 3D (SLS of pasta gedeponeerd) geprint en vervolgens gesinterde keramieken zijn: alumina, aluminiumnitride, zirconiumdioxide, siliciumnitride, boornitride en siliciumcarbide. Keramiek wordt doorgaans gesinterd door compressie of persvormen.

3. Polymeren

Gesinterde polymeren vallen in twee categorieën: groot en klein deeltje sintren. Groot deeltje sintren met hoge porositeit wordt veel toegepast als filtraties en pneumatische dempermaterialen en als stroomdiffusiecontrollers. Deze omvatten polyethyleen, polypropyleen en polytetrafluoroethyleen. Klein deeltje gesinterde polymeren worden gebruikt in 3D-printen in processen zoals selectieve lasersinterning. Dit wordt gebruikt om geïntegreerde en hoogsterkte componenten met nabij-native materiaaleigenschappen en nabij-nul porositeit te produceren. Voorbeelden zijn polyamiden, polystyreen, thermoplastische elastomeren en polyether-ether ketonen. De populairste dienst van Xometry is de selectieve lasersinterning service. U kunt op elk moment een direct offerte krijgen.

Om meer te leren, raadpleeg onze complete gids over Polymeren.

4. Composieten

Sintren van composieten is een complexere groep processen, en verschillende materialen worden op verschillende manieren verwerkt. Wolframaat gebruikt wolfraam- en koolstofpoeders. Druk-hitte oxidatie transformeert de koolstof tot carbied. Dit koppelt het metaalpoeder, dat onveranderd blijft. Glas-, koolstof- en metaalvezels worden experimenteel in metaalpoedersinters opgenomen om eigenschappen te verbeteren. In sommige opzichten is de verwerking van koolstofvezel een sinteproces. Een lijmmatrix wordt gecomprimeerd en hitte geactiveerd om de koolstofcomponent te binden. Metaaloxidekeramieken worden experimenteel gecompositeerd met polymeren zoals PEEK om vormen van resistieve halfgeleiders te fabriceren. Sintren van composieten is sterk gevarieerd en kan bereikt worden door compressie, vormgeven en in beperkte gevallen injectievormen.

5. Glas

Verschillende glasmaterialen worden gebruikt in sinterprocessen, waaronder: keramische glazuurs, silicaglas, loodglas, alsook gesinterde glasplaten gemaakt van gesmolten silicaglaspoeder. Sintren van glas wordt doorgaans gedaan door compressievormen.

Wat zijn de stappen van het sinteproces?

Sintren bestaat uit een reeks stappen, elk eenvoudig maar vereist grote precisie in controle. De stappen omvatten:

1. Samenstelling: Voeg de vereiste primaire materialen en primaire koppelingsmiddelen toe en meng ze.
2. Compressie: Pers het poeder (slurry of droog) tot de vereiste vorm.
3. Verhitting: Verwarmen beoogt de verwijdering van het primaire koppelingsmiddel en fusie van het primaire materiaal in een lage-porositeit geheel.

Hoe lang duurt een sinteproces?

Het sinteproces duurt doorgaans slechts seconden om te voltooien. De na-vorm sinterstap kan echter enkele uren duren om te voltooien. Gesinterde fabricage van delen is een snel proces bij de meeste methoden. Poeders en primaire bindmiddels worden geperst, gevormd of injecteergevormd tot de ongerijpte, groene staat waarin ze overgroot, porieus en niet volledig gebonden zijn. Delen worden vervolgens warmtebehandeld om deeltjesbinding te induceren.

Met welke materialen wordt sintren gebruikt?

Sintren is een productieproces dat gebruikt wordt over veel materialen, waaronder:

1. Polymeren: Voor snelle prototyping, filter- en demperfabricage, en specialistische composietcomponenten.
2. Metalen: De meeste kleine metalen componenten zoals tandwielen en katrollen kunnen gemaakt worden door sintren. Grove metaalpoeders worden ook gesinterd om filters, dempers en olie-geladen lagers te maken.
3. Keramiek: Op enige maat worden de meeste keramieken geproduceerd door een vorm van sintren. In het bijzonder zijn zirconiumdioxide- en alumina-keramieken als opties in 3D-printen verschenen. Kleine onderdelen zoals tandwielen en lagers voor hoogtemperatuurbruik worden vaak gesinterd uit keramiek.

Welke soorten componenten worden geproduceerd door het sinteproces?

Componenten die geproduceerd worden door sintren worden hieronder opgesomd:

1. Autodeel zoals tandwielen en actuatoren.
2. Elektrische componenten zoals schakelapparatuur.
3. Snijgereedschappen van alle typen, voor frezen, boren en ahnen.
4. Luchtvaartcomponenten zoals brandstofklepcomponenten, actuatoren en turbinenschaufels.
5. Biomedische implantaten zoals prothesegewrichten.

Wat zijn de voordelen van het sinteproces?

Sintren biedt een verscheidenheid aan voordelen:

1. Het proces kan hoogst herhaalbare en nauwkeurige delen produceren.
2. De kosten van het opzetten van productie zijn gemakkelijk te amortiseren over grote productie.
3. Delen kunnen grote cosmetische resultaten bereiken en vereisen geen afwerkingsprocessen.
4. Niet-bewerkbare geometrieën voor massaproductie zijn gemakkelijk te bereiken.

Wat zijn de risico's van het sinteproces?

Enkele van de risico's van het sinteproces, waaronder:

1. Poederconsistentie kan variëren als niet goed gecontroleerd, wat krimp of algehele componenteneigenschappen wijzigt.
2. Initiële vormgevingsprocescontroles moeten precies zijn om consistente en herhaalbare resultaten te bereiken.
3. Na-vorming "kuur" processen zijn gevarieerd en vereisen zeer strakke controle om krimp precies in te stellen en vervorming te voorkomen.
4. De kosten van het opzetten van productie zijn hoog, dus als het product niet verkoopt, kan dit verspild zijn.
5. Productieprocesvariaties kunnen resulteren in zwakke en variabele delen.

Veelgestelde vragen over sintren

Is het sinteproces gevaarlijk?

Het hangt ervan af. Er is een wijd spectrum aan materialen en processen in de sintefamilie. Over het algemeen zijn de "groene" processen niet gevaarlijk, hoewel metaal- en keramische nano-deeltjes gerapporteerd worden als medische gevolgen voor het menselijk lichaam te hebben en met zorg behandeld moeten worden. De fusie-onderdeel van sintren is een hoge-temperatuur stadia die vaak het afdrijven of verbranden van polymere/was componenten omvat wat giftig en irritant kan zijn. Ventilatie is vereist alsook normale veiligheidsmaatregelen met hete en potentiëel ontvlambare verdampings/verbrandingsprocessen.

Welke veiligheidsmaatregelen moeten genomen worden bij het sinteproces?

Veiligheidsmaatregelen om in gedachten te houden bij sintren zijn hieronder opgesomd:

1. Draag geschikte beschermende uitrusting, om te beschermen tegen hitte en potentiële luchtgetragen gevaren.
2. Gebruik een goed geventileerde ruimte. Sintren kan rook en dampen produceren die als schadelijk moeten worden behandeld.
3. Volg veilige procedures voor het hanteren van materialen, aangezien sintepoeders gevaarlijk kunnen zijn.
4. Zoals bij alle hete processen, heb een brandblusser bij de hand en weet hoe je het moet gebruiken.

Is sintren hetzelfde als smelten?

Nee, sintren is niet hetzelfde als smelten. Sintren omvat specifiek niet het algemene smelten van het deel, maar past voldoende hitte toe om de deeltjes te laten samensmelten zonder ze te verflüssigen. Een overtollige hoeveelheid hitte, in het geval van polymere of metaaldelen, riskeren de structuur of vorm van het deel te beschadigen.

Is gesinterd metaal sterker?

Nee, gesinterde metaaldelen zijn niet sterker dan gesmeede of gefreesde voorraaddelen. Wanneer goed geproduceerd, kunnen gesinterde delen dezelfde sterkte bereiken als de gefreesde equivalenten.

Correct gesinterde metaaldelen nemen over het algemeen de meeste of alle mechanische eigenschappen van de primaire constituent aan. In het geval van roestvrije stalen, zullen MIM-delen doorgaans 80-90% van de vermoeidheidssterkte van gesmeede of gegoten delen bereiken vanwege grotere kristalkorngrootte en sporen porositeit die zwakte veroorzaken.

Is sintren hetzelfde als lassen?

Nee, sintren is niet hetzelfde als lassen. Hoewel de fusie van poederkorrels in een geheel vaak een vorm van lassen aan de contactpunten omvat, verschilt sintren wijd van elk proces dat onder de "lassen" vlag valt, aangezien lassen de volledige verflüssiging van het vulmateriaal en het basismateriaal bij het letselpunt omvat.

Dean McClements

Dean McClements is een B.Eng Honors afgestudeerde in Werktuigbouwkunde met meer dan twee decennia ervaring in de productie-industrie. Zijn professionele reis omvat significante rollen bij toonaangevende bedrijven zoals Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace en Hyster-Yale, waar hij een diep begrip ontwikkelde van engineering processen en innovaties.

Lees meer artikelen van Dean McClements