Sinteren uitgelegd:definitie, proces, typen en praktische toepassingen

Sinteren is een brede familie van methoden die integrale en potentieel zeer complexe onderdelen vormen uit een breed scala aan materialen, door poeders en bindmiddelen te comprimeren en vervolgens te smelten. Het onderdeel doorloopt twee fasen. De eerste fase maakt van de vereiste vorm een ​​zwak en slecht geïntegreerd, overmaats onderdeel. De tweede fase bakt dat onderdeel om het bindmiddelmateriaal uit te drijven en zorgt ervoor dat de resterende deeltjes samensmelten en samenvloeien tot een onderdeel met volledige sterkte. Deze benadering wordt steeds wijdverspreider in metalen en keramiek, als een manier om complexe netvormige onderdelen met geweldige mechanische eigenschappen te produceren door middel van een proces met lage kosten per onderdeel dat zeer herhaalbaar is. Dit artikel definieert sinteren, hoe het werkt, de soorten sinteren en de verschillende processen.

Wat is sinteren?

Sinteren is het proces waarbij poedervormen eerst door verdichting tot geïntegreerde vaste stoffen worden gebonden. De vorm wordt vervolgens verwarmd tot onder het smeltpunt van een van de poeders om thermische fusie mogelijk te maken om deeltjes te binden. Hierdoor wordt alle tussenliggende bindmiddelen weggebrand die voorheen dienden om de vorm bij elkaar te houden en werden de resterende “groene” (dat wil zeggen niet-gesinterde) materialen gebonden. Bij dit proces worden vaste voorwerpen gevormd uit metaalpoeder, keramiek of composietmaterialen.

Wanneer de samengeperste poederonderdelen worden verwarmd, waardoor deeltjes zich hechten, consolideert het proces eventuele holtes. Dit resulteert in een dichtheid van bijna 100%, die de eigenschappen van het hoofdmateriaal benadert. De temperaturen voor de verwerking worden nauwkeurig gecontroleerd. Om te versmelten moet het contactpunt nauwelijks smelten om de vorm van vóór het smelten volledig te behouden en tegelijkertijd als één geheel samen te smelten. Figuur 1 zijn voorbeelden van gesinterde onderdelen:

Wat is de andere term voor sinteren?

Er wordt vaak een verscheidenheid aan termen gebruikt om processen te beschrijven die in wezen sinteren zijn. Deze omvatten poedermetallurgie, MIM (metaalspuitgieten), consolidatie, aankoeken en bakken. Poedermetallurgie is het proces waarbij metaalpoeders in vaste voorwerpen worden gedrukt of geïnjecteerd. MIM daarentegen injecteert metaalpoederslurry met een gesmolten polymeer in een plastic vormgereedschap. Het polymeer wordt vervolgens weggebrand en de temperatuur wordt verhoogd om de deeltjes te laten samensmelten.

Consolidatie wordt veel gebruikt in de keramische industrie om het soortgelijke proces te beschrijven waarbij keramische poeders onder druk worden gevormd om vaste stoffen te vormen die vervolgens in de oven worden uitgehard. Aankoeken wordt gebruikt om de vorming van verschillende poederdeeltjes te beschrijven die aan elkaar worden gebonden om een ​​vaste “cake” te vormen. Ten slotte beschrijft bakken de warmte-integratie van op deeltjes gebaseerde vormen in de keramische industrie.

Wat is de oorsprong van sinteren?

De oorsprong van het sinteren ligt in de prehistorie, aangezien alle gebakken keramiek in wezen gesinterde kleideeltjes zijn. Door het nat samensmelten van de kleideeltjes ontstaat de ‘groene’ vorm, gevolgd door het bakken, waardoor de afzonderlijke klodders natte klei tot één duurzaam item worden geïntegreerd. Bovendien vertegenwoordigen sommige metaalpoederversieringen en het glazuren van aardewerk primitieve sintermethoden, waarbij glas en metalen door de toepassing van warmte worden aangezet om van poeders tot vaste stoffen te versmelten.

Het moderne sinteren begon als een wetenschappelijk/commercieel gebied met het werk van William Coolidge. Hij bereikte in 1909 nodulair wolfraamdraad door hete extrusie/trekken van de poedervormige knuppels om lampgloeidraden te maken die duurzamer waren dan voorheen.

Hoe werkt het sinterproces?

Sinteren werkt in drie fasen:

1. Een poedermengsel van het primaire deel, met een bindmiddel, wordt in de gewenste vorm gevormd. Het bindmiddel plakt het poeder aan elkaar om de vorm van het onderdeel te maken. Dit bindmiddel kan water zijn, maar is meestal een was of een polymeer.
2. Wanneer het groene gedeelte wordt gebakken, verdampt of verbrandt het bindmiddel. 
3. De temperatuur stijgt dan voldoende om een van de twee processen te laten plaatsvinden die in wezen identiek zijn. Ofwel worden de primaire deeltjes voldoende warm om net te beginnen smelten, waardoor de afzonderlijke deeltjes aan hun oppervlak samensmelten, of een tussenliggend bindmiddel zoals brons smelt en koppelt tussen de deeltjes, waardoor de kracht van de primaire component in een ongewijzigde staat blijft.

Wat is het belang van het sinterproces?

Sinterprocessen zijn belangrijk in een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder:

1. Wordt gebruikt om componenten met een grote hardheid, taaiheid en precisie te produceren.
2. Wordt gebruikt om ingewikkelde vormen en geometrieën te produceren die moeilijk te realiseren zijn met behulp van meer normale productiemethoden.
3. Voegt de eigenschappen van meerdere materialen samen, waardoor de taaiheid van het ene onderdeel wordt gecombineerd met de slijtvastheid van een ander onderdeel.
4. Goedkopere gereedschappen voor het vervaardigen van complexe onderdelen en geometrieën. De complexiteit moet één keer in een primaire pers of matrijs worden geproduceerd en nauwkeurig worden gereproduceerd in gebonden poeders.
5. Maak snelle massaproductie van componenten mogelijk met behoud van precisie en herhaalbaarheid.

Wat zijn de verschillende soorten sinteren?

Verschillende benaderingen vallen onder de brede titel sinteren, waaronder:

1. Sinteren in vaste toestand: Poedervormig materiaal wordt verwarmd tot een temperatuur net onder het smeltpunt. Hierdoor worden de deeltjes aan elkaar gebonden door atomaire diffusie aan de korrelgrenzen.
2. Sinteren in vloeibare fase: Gebruikt de toevoeging van een kleine hoeveelheid oplosmiddelvloeistof aan het poeder om lage porositeit en hechting te bewerkstelligen. Deze vloeistof wordt vervolgens, meestal door verwarming, verdreven, waardoor een geïntegreerde vaste stof ontstaat.
3. Reactief sinteren: Maakt gebruik van een chemische reactie van ten minste één van de fasen van poederdeeltjes tijdens verwarming. Het verandert de chemie, wat resulteert in deeltjeskoppeling in de chemisch veranderde massa.
4. Sinteren in de magnetron: Een nieuwe benadering toegepast op keramiek. Warmte wordt opgewekt met behulp van microgolven, en er wordt beweerd dat dit resulteert in een snellere en volledigere integratie van de structuur.
5. Sinteren met vonkplasma: Maakt gebruik van elektrische stroom en fysieke compressie van het poeder om het poeder tot een geheel te integreren.
6. Heet isostatisch persen: Er wordt gebruik gemaakt van hoge druk en hoge temperatuur op een poeder om de gewenste vorm te krijgen en de deeltjes te laten samensmelten.
7. Koud sinteren: Gebruikt een tijdelijk oplosmiddel en druk om polymeerpoeders tot een vaste massa te consolideren.

Raadpleeg onze volledige gids over soorten sinteren voor meer informatie.

Welke materialen worden gebruikt bij het sinteren?

Als breed spectrum aan technieken vindt sinteren toepassing in een groot aantal materialen. Deze staan hieronder opgesomd:

1. Metalen

Een breed scala aan metalen kan worden gebruikt in verschillende typen sinterprocessen. Dit omvat ijzer, ijzer-koper, koperstaal, nikkelstaal, roestvrij staal (serie 300 en 400), laaggelegeerd staal met hoge sterkte (HSLA), middelhoog en hoog koolstofstaal, en diffusiehardbaar staal, messing en brons, en magnetische legeringen van zacht ijzer. Deze kunnen allemaal als groene onderdelen worden gebouwd door 3D-printen en vervolgens worden gesinterd tot hoogwaardige, laag-porositaire onderdelen met uitstekende eigenschappen.  Metalen kunnen worden gesinterd door persen, gieten en spuitgieten. Xometry biedt direct offertes voor direct metal laser sintering (DMLS), een metaallasersinteringsproces.

Raadpleeg onze volledige gids over metalloïden voor meer informatie.

2. Keramiek

De meeste keramische processen worden beschouwd als sinteren of bijna sinteren. Een selectie van gewoonlijk 3D (SLS of met pasta afgezette) geprinte en vervolgens gesinterde keramieksoorten zijn:aluminiumoxide, aluminiumnitride, zirkoniumoxide, siliciumnitride, boornitride en siliciumcarbide. Keramiek wordt over het algemeen gesinterd door middel van compressie of persgieten.

3. Polymeren

Gesinterde polymeren vallen in twee categorieën:sinteren met grote en kleine deeltjes. Sinteren van grote deeltjes met hoge porositeit wordt vaak toegepast als filtratie- en pneumatische geluiddempermaterialen en als stroomdiffusieregelaars. Deze omvatten polyethyleen, polypropyleen en polytetrafluorethyleen. Gesinterde polymeren met kleine deeltjes worden gebruikt bij 3D-printen in processen zoals selectief lasersinteren. Dit wordt gebruikt om geïntegreerde en zeer sterke componenten te produceren met vrijwel oorspronkelijke materiaaleigenschappen en een porositeit van bijna nul. Voorbeelden zijn polyamiden, polystyreen, thermoplastische elastomeren en polyether-etherketonen. Het populairste proces van Xometry is de selectieve lasersinterservice. U kunt op elk gewenst moment direct een prijsopgave krijgen.

Raadpleeg onze volledige gids over polymeren voor meer informatie.

4. Composieten

Sinteren van composieten is een complexere groep processen en verschillende materialen worden op verschillende manieren verwerkt. Wolfraamcarbide maakt gebruik van wolfraam- en koolstofpoeders. Door druk-warmte-oxidatie wordt de koolstof omgezet in carbide. Hierdoor wordt het metaalpoeder gekoppeld, dat ongewijzigd blijft. Glas-, koolstof- en metaalvezels worden experimenteel opgenomen in metaalpoedersinters om de eigenschappen te verbeteren. In sommige opzichten is de verwerking van koolstofvezel een sinterproces. Een lijmmatrix wordt samengedrukt en door warmte geactiveerd om de koolstofcomponent te binden. Metaaloxide-keramiek wordt experimenteel samengesteld met polymeren zoals PEEK om vormen van resistieve halfgeleiders te vervaardigen. Het sinteren van composieten is zeer gevarieerd en kan worden bereikt door compressie, gieten en in beperkte gevallen spuitgieten.

5. Glas

Bij sinterprocessen worden verschillende glasmaterialen gebruikt, waaronder:keramische glazuren, silicaglas, loodglas, evenals gesinterde glasplaten gemaakt van gesmolten silicaglaspoeder. Sinteren van glas gebeurt doorgaans door middel van persgieten.

Wat zijn de stappen van het sinterproces?

Sinteren bestaat uit een reeks stappen, die elk eenvoudig zijn, maar grote precisie vereisen. De stappen omvatten:

1. Compositie: Voeg de benodigde primaire materialen en primaire koppelmiddelen toe en meng deze.
2. Compressie: Druk het poeder (slurry of droog) in de gewenste vorm.
3. Warmte: Verwarming heeft tot doel het verwijderen van het primaire koppelmiddel en het versmelten van het primaire materiaal tot een geheel met lage porositeit.

Hoe lang duurt een sinterproces?

Het sinterproces duurt doorgaans slechts enkele seconden. De voltooiing van de post-form-sinterstap kan echter enkele uren in beslag nemen. Gesinterde vervaardiging van onderdelen is bij de meeste methoden een snel proces. Poeders en primaire bindmiddelen worden geperst, gegoten of spuitgegoten tot de niet-uitgeharde, groene staat, in welk stadium ze te groot, poreus en niet volledig gebonden zijn. De onderdelen worden vervolgens met warmte behandeld om deeltjesbinding te bewerkstelligen.

Met welke materialen wordt sinteren gebruikt?

Sinteren is een productieproces dat voor veel materialen wordt gebruikt, waaronder:

1. Polymeren: Voor rapid prototyping, productie van filters en geluiddempers en gespecialiseerde composietcomponenten.
2. Metalen: De meeste kleine metalen onderdelen zoals tandwielen en katrollen kunnen door sinteren worden gemaakt. Grove metaalpoeders worden ook gesinterd om filters, geluiddempers en oliehoudende lagers te maken.
3. Keramiek: In zekere zin wordt het meeste keramiek vervaardigd door een vorm van sinteren. Met name keramiek uit zirkoniumoxide en aluminiumoxide verschijnen als opties bij 3D-printen. Kleine onderdelen zoals tandwielen en lagers voor gebruik bij hoge temperaturen worden vaak uit keramiek gesinterd.

Welke soorten componenten worden geproduceerd tijdens het sinterproces?

Componenten die door middel van sinteren worden geproduceerd, worden hieronder vermeld:

1. Auto-onderdelen zoals tandwielen en actuatoren.
2. Elektrische componenten zoals schakelapparatuur.
3. Alle soorten snijgereedschappen, voor frezen, boren en ruimen.
4. Luchtvaartcomponenten zoals brandstofklepcomponenten, actuatoren en turbinebladen.
5. Biomedische implantaten zoals prothetische gewrichten.

Wat zijn de voordelen van het sinterproces?

Sinteren biedt verschillende voordelen:

1. Het proces kan zeer herhaalbare en nauwkeurige onderdelen produceren.
2. De kosten voor het opzetten van de productie kunnen gemakkelijk worden afgeschreven over een grote productie.
3. Onderdelen kunnen geweldige cosmetische resultaten opleveren en vereisen geen afwerkingsprocessen.
4. Niet-bewerkbare geometrieën voor massaproductie zijn gemakkelijk te realiseren.

Wat zijn de risico's van het sinterproces?

Enkele risico's van het sinterproces, waaronder:

1. De consistentie van het poeder kan variëren als deze niet goed wordt gecontroleerd, waardoor de krimp of de algehele componenteigenschappen verandert.
2. Initiële procescontroles moeten nauwkeurig zijn om consistente en herhaalbare resultaten te bereiken.
3. Post-forming “uithardings”-processen zijn gevarieerd en vereisen zeer strenge controle om de krimp nauwkeurig in te stellen en vervorming te voorkomen.
4. De kosten voor het opzetten van de productie zijn hoog, dus als het product niet verkoopt, kan dit verspild worden.
5. Variaties in het productieproces kunnen resulteren in zwakke en variabele onderdelen.

Veelgestelde vragen over sinteren

Is het sinterproces gevaarlijk?

Het hangt ervan af. Er is een breed spectrum aan materialen en processen in de sinterfamilie. Over het algemeen zijn de ‘groene’ processen niet gevaarlijk, hoewel wordt gemeld dat metalen en keramische nanodeeltjes medische gevolgen hebben voor het menselijk lichaam en dat er met zorg mee moet worden omgegaan. Het fusiegedeelte van het sinteren is een fase bij hoge temperaturen waarbij vaak polymeer/wascomponenten worden weggedreven of verbrand, die giftig en irriterend kunnen zijn. Ventilatie is vereist, evenals normale veiligheidsmaatregelen bij hete en potentieel ontvlambare verdampings-/verbrandingsprocessen.

Welke veiligheidsmaatregelen moeten worden genomen bij het sinterproces?

Veiligheidsmaatregelen waarmee u rekening moet houden bij het sinteren vindt u hieronder:

1. Draag geschikte beschermende uitrusting om u te beschermen tegen hitte en mogelijke gevaren in de lucht.
2. Gebruik een goed geventileerde ruimte. Bij het sinteren kunnen dampen en dampen ontstaan die als schadelijk moeten worden beschouwd.
3. Volg veilige procedures voor het omgaan met materialen, aangezien sinterpoeders gevaarlijk kunnen zijn.
4. Net als bij alle hete processen dient u een brandblusser bij de hand te hebben en te weten hoe u deze moet gebruiken.

Is sinteren hetzelfde als smelten?

Nee, sinteren is niet hetzelfde als smelten. Bij sinteren gaat het specifiek niet om het algemeen smelten van het onderdeel, maar wordt er voldoende warmte toegepast om de deeltjes te laten samensmelten zonder ze vloeibaar te maken. Een teveel aan warmte, in het geval van polymeer- of metalen onderdelen, kan de structuur of vorm van het onderdeel beschadigen.

Is gesinterd metaal sterker?

Nee, gesinterde metalen onderdelen zijn niet sterker dan gesmede of machinaal bewerkte standaardonderdelen. Wanneer ze goed vervaardigd zijn, kunnen gesinterde onderdelen dezelfde sterkte bereiken als de machinaal bewerkte equivalenten.

Correct gesinterde metalen onderdelen nemen doorgaans de meeste of alle mechanische eigenschappen van het hoofdbestanddeel over. In het geval van roestvast staal bereiken MIM-onderdelen bijvoorbeeld doorgaans 80-90% van de vermoeiingssterkte van gesmeed of gegoten onderdelen vanwege de grotere kristalkorrelgrootte en sporenporositeit die zwakte veroorzaken.

Is sinteren hetzelfde als lassen?

Nee, sinteren is niet hetzelfde als lassen. Hoewel het samensmelten van poederkorrels tot een geheel vaak een vorm van lassen op de contactpunten met zich meebrengt, verschilt sinteren sterk van elk proces dat onder de vlag van 'lassen' valt, omdat bij lassen de volledige vloeibaarmaking van het vulmiddel en het oorspronkelijke materiaal op het laspunt betrokken is.

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