Wie man einen Keramikfilter herstellt

Die Herstellung eines keramischen Hochleistungsfilters hängt in erster Linie von der Polymerschwamm-Replikationstechnik. Bei diesem industriellen Verfahren wird ein netzartiger, offenzelliger Polyurethanschaum mit einer thixotropen Keramikaufschlämmung (in der Regel Siliziumkarbid, Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid) imprägniert. Nachdem der Schaumstoff gründlich beschichtet und überschüssiges Material entfernt wurde, um Verstopfungen zu vermeiden, wird die Einheit getrocknet und streng kontrolliert gebrannt. Während der Sinterphase brennt der innere Polymerschaum vollständig ab und hinterlässt ein keramisches Abbild mit einem präzisen Netz miteinander verbundener Hohlräume. Diese Struktur ermöglicht den Durchfluss des geschmolzenen Metalls, schließt Verunreinigungen ein und glättet die Strömungsturbulenzen.

Die Technik hinter keramischen Schaumstofffiltern

Bei der Herstellung poröser Keramik für die Filtration von Metallschmelzen geht es nicht nur um die Formgebung von Ton. Es handelt sich um eine präzise chemisch-thermische Herausforderung. Unter ADtech, Die Herstellung keramischer Filter ist für uns ein Gleichgewicht zwischen Rheologie (Fließen der Materie) und Thermodynamik.

Ziel ist es, eine Struktur zu schaffen, die extremen Wärmeschocks - die oft in Sekundenschnelle von Raumtemperatur auf über 1500 °C ansteigen - standhält, ohne zu brechen. Um dies zu erreichen, muss die Fertigungslinie die Variablen bis auf Mikron-Ebene kontrollieren.

Warum die Schwamm-Replikationsmethode dominiert

Es gibt zwar auch andere Methoden wie das direkte Schäumen oder die Zugabe von Porenbildnern zu einer festen Mischung, aber die Schwammreplikationsmethode bleibt der Industriestandard. Sie bietet die beste Kontrolle über die Porengröße (gemessen in PPI oder Pores Per Inch) und die Gesamtporosität. Diese Methode gewährleistet, dass das Endprodukt die mechanische Festigkeit besitzt, um dem ferrostatischen Druck des geschmolzenen Metalls standzuhalten.

Schritt 1: Auswahl und Aufbereitung von Rohstoffen

Die Grundlage eines jeden hochwertigen Filters ist das Pulver. Wir können nicht einfach allgemeines Keramikpulver verwenden. Die Partikelgrößenverteilung (PSD) muss berechnet werden, um eine dichte Packung während des Sinterns zu gewährleisten.

Die Aggregate

Die Wahl des Aggregats bestimmt die Anwendung des Filters.

• Siliziumkarbid (SiC): Wird hauptsächlich für Eisen- und Kupferlegierungen verwendet. Es hat eine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit.

• Aluminiumoxid (Al2O3): Ideal für die Aluminiumfiltration. Es ist chemisch stabil und widersteht der Korrosion durch geschmolzenes Aluminium.

• Zirkoniumdioxid (ZrO2): Erforderlich für Stahlanwendungen mit Temperaturen über 1600°C.

Die Bindemittel und rheologischen Wirkstoffe

Der “Klebstoff”, der die Keramikpartikel vor dem Brennen zusammenhält, ist entscheidend. Wir verwenden eine Kombination aus Phosphatbindemitteln oder kolloidalem Siliziumdioxid. Das Geheimnis für eine perfekte Beschichtung liegt jedoch in der rheologische Modifikatoren. Diese Zusatzstoffe steuern die Viskosität des Schlamms. Wenn der Schlamm zu dick ist, verstopft er die inneren Poren. Ist er zu dünn, läuft er vom Schwamm ab, was zu einem schwachen Filterskelett führt, das unter dem Druck des geschmolzenen Metalls zusammenbricht.

Tabelle 1: Materialzusammensetzung und Anwendungsmatrix

Grundmaterial	Hauptkomponente	Feuerungstemperatur (°C)	Primäre Anwendung	Widerstandsfähigkeit gegen thermische Schocks
Tonerde	Al₂O₃ (>85%)	1100 – 1350	Aluminium-Legierungen	Gut
Siliziumkarbid	SiC (>70%)	1150 – 1450	Eisen, Grauguss, Bronze	Ausgezeichnet
Zirkoniumdioxid	ZrO₂ (>95%)	1600 – 1700	Kohlenstoffstahl, rostfreier Stahl	Hoch
Mullit	3Al₂O₃-2SiO₂	1300 – 1500	Bügeleisen mit niedrigerer Temperatur	Mäßig

Schritt 2: Die kritische Slurry-Vorbereitung

Diese Stufe unterscheidet einen mittelmäßigen Filter von einem ADtech-Premiumfilter. Die Aufbereitung des Schlamms ist ein mehrstufiger Mischprozess.

Mischungsprotokolle

1. Trockenes Mischen: Die keramischen Pulver und festen Zusatzstoffe werden getrommelt, um eine homogene Verteilung der Partikelgrößen zu gewährleisten.

2. Flüssiger Zusatz: Wasser wird selten allein verwendet. Wir verwenden eine Mischung aus Wasser, Entschäumern und Dispergiermitteln. Die Flüssigkeit wird dem Pulver langsam und unter hoher Scherkraft zugegeben.

3. Entlüftung: Luftblasen in der Aufschlämmung sind fatal. Wenn eine Luftblase eine Tasche in der Keramikbeschichtung bildet, entsteht eine Schwachstelle, die reißt, wenn geschmolzenes Metall darauf trifft. Wir verwenden Vakuumentlüftungskammern, um mitgerissene Gase aus dem Schlicker zu entfernen, bevor er überhaupt den Schwamm berührt.

Thixotropie-Kontrolle

Die Aufschlämmung muss thixotrop. Das bedeutet, dass sie flüssig wird, wenn sie bewegt wird (während des Beschichtungsprozesses), sich aber schnell verfestigt, wenn sie ruht. Diese Eigenschaft sorgt dafür, dass die Keramik nach der Beschichtung des Schwamms an den Strängen des Schaumstoffs bleibt und nicht nach unten tropft und sich am Boden des Filters sammelt.

Schritt 3: Vorbereitung des Trägers (der Schwamm)

Der Polyurethanschaum (PU) dient als Opfervorlage. Er bestimmt den PPI des Endprodukts.

Schneiden und Inspektion

Die großen Brötchen aus PU-Schaum werden in die von der Gießerei benötigten Maße geschnitten, z. B. 7×7 Zoll oder 23×23 Zoll.

Entscheidende Prüfung: Der Schaum muss “netzförmig” sein. Das heißt, die Zellmembranen (Fenster) zwischen den Schaumstoffstreben müssen vollständig offen sein. Wenn der Schaum geschlossene Fenster (glitzernde Oberflächen) hat, kann der Keramikschlamm nicht eindringen, was zu einem verstopften Filter führt. Wir verwenden thermische Retikulationskammern, um die verbleibenden Zellmembranen im Rohschaum aufzusprengen.

Schritt 4: Imprägnierung und Entfernung von Überschüssen

Dies ist das physikalische Herzstück des Prozesses “Herstellung eines Keramikfilters”.

Das Eintauchen

Die geschnittenen Schaumstoffstücke werden in die vorbereitete Aufschlämmung eingetaucht. In einer automatisierten Anlage wird der Schaumstoff während des Eintauchens mehrmals durch Kolben komprimiert. Durch dieses wiederholte Zusammendrücken und Entspannen wird die Luft aus dem Schwamm gepresst und der schwere Keramikschlamm in jeden Hohlraum gesaugt.

Walzenpressen (Voreinstellung der Porosität)

Ein eingeweichter Schwamm ist im Wesentlichen ein Schlammblock. Er hat keinerlei Porosität. Um die offene Struktur wiederherzustellen, wird der nasse Schaumstoff durch voreingestellte Walzen geführt.

1. Lücke Abstand: Der Abstand zwischen den Walzen bestimmt, wie viel Gülle auf den Streben verbleibt.

2. Druck: Zu viel Druck schadet den empfindlichen Schaumstoffbändern. Zu wenig lässt die Poren verstopfen.

3. Luftsprengen: Bei Filtern mit hohem PPI (wie 50 oder 60 PPI) reichen Walzen allein nicht aus. Wir setzen Präzisionsluftdüsen ein, die Druckluft durch den nassen Filter blasen, um auch die kleinsten Pfade zu reinigen, ohne die Beschichtung von den Streben abzulösen.

Schritt 5: Kontrollierte Trocknung

Sie können einen nassen Filter nicht in einen Ofen werfen. Das Wasser muss langsam verdampfen. Wenn sich das Wasser in der Keramikbeschichtung schnell in Dampf verwandelt, wird die Beschichtung von innen nach außen gesprengt (Abplatzungen).

• Tunneltrockner: Die Filter laufen durch feuchtigkeitskontrollierte Tunnel.

• Temperaturgradient: Wir beginnen mit niedrigen Temperaturen (40 °C) und hoher Luftfeuchtigkeit, erhöhen allmählich die Wärme und senken die Luftfeuchtigkeit. Dadurch wird die Feuchtigkeit aus der Mitte des Filters an die Oberfläche transportiert.

• Dauer: Dieser Vorgang dauert in der Regel 12 bis 24 Stunden, je nach Dicke des Filters.

Schritt 6: Sintern und die Abbrandphase

Durch den Brennvorgang entsteht der endgültige keramische Verbund. Dies geschieht in Hochtemperatur-Tunnelöfen oder Herdwagenöfen.

Stufe A: Verflüchtigung (die Rauchphase)

Zwischen 300°C und 600°C beginnt sich der Polyurethanschwamm im Inneren der Keramikbeschichtung zu zersetzen. Dies ist ein heikler Moment. Der Schwamm muss sich in Gas verwandeln und durch die poröse Keramikbeschichtung entweichen, ohne sich so stark auszudehnen, dass die ungebrannte Schale Risse bekommt. ADtech-Öfen verwenden in diesem Bereich eine sauerstoffreiche Atmosphäre, um eine saubere Verbrennung des Polymers zu gewährleisten.

Stufe B: Bildung einer keramischen Verbindung

Wenn die Temperatur über 1000 °C steigt, werden die Sinterhilfsmittel in der Aufschlämmung aktiviert. Die einzelnen Pulverpartikel beginnen zu verschmelzen.

• Für Siliziumkarbid: Das Siliziumdioxid-Bindemittel erzeugt eine glasartige (glasartige) Bindung, die die SiC-Partikel zusammenhält.

• Für Tonerde: Es kommt zur Festkörpersinterung, bei der die Korngrenzen verschmelzen.

Stufe C: Kühlung

Die Abkühlung muss ebenso langsam erfolgen wie die Erwärmung. Schnelles Abkühlen führt zu thermischen Spannungen. Die Filter werden über mehrere Stunden auf Raumtemperatur abgekühlt, um ihre strukturelle Integrität zu erhalten.

Abschnitt 7: Qualitätskontrolle und Leistungsmetriken

Die Herstellung des Filters ist nur die halbe Miete. Vor dem Versand an eine Gießerei muss seine Leistung überprüft werden.

Physische Inspektion

Automatisierte Bildverarbeitungssysteme überprüfen jeden Filter. Sie suchen nach:

• Verstopfte Poren: Bereiche, in denen die Gülle die Lücke überbrückt und nicht gereinigt hat.

• Risse: Haarrisse durch Trocknung.

• Abmessungen: Sicherstellen, dass der Filter perfekt in den Gusskanal passt.

Zerstörende Prüfung

Aus jeder Charge ziehen wir Stichproben zur Vernichtung.

1. Kaltstauchfestigkeit: Wir zerkleinern den Filter, um zu messen, wie viel Gewicht er aushalten kann. Ein Standardfilter mit den Maßen 50x50x22 mm sollte einem erheblichen Druck standhalten.

2. Thermoschock-Test: Wir erhitzen den Filter auf 1200 °C und legen ihn in kaltes Wasser. Er muss unversehrt bleiben. Wenn er zerspringt, wird die Charge zurückgewiesen.

Tabelle 2: Häufige Defekte und Herstellungsursachen

Defekt Typ	Erscheinungsbild	Grundlegende Ursache in der Fertigung
Blinde Poren	Massive Keramik, die den Luftstrom blockiert	Zu hohe Viskosität der Gülle; Unzureichende Lufteinblasung
Web-Cracks	Kleine Risse an den Streben	Zu schnelle Trocknung; Probleme mit der Migration des Bindemittels
Geringe Stärke	Zerbröselt leicht	Zu niedrige Sintertemperatur; Schlechtes Bindemittelverhältnis
Kernschwärzung	Dunkle Mitte nach dem Brennen	Unvollständiger Ausbrand des Schwamms (Sauerstoffmangel im Ofen)

Fallstudie: Lösung des Schrottproblems in Vietnam

Kunde: Mittelständische Aluminiumgießerei

Standort: Hai Phong, Vietnam

Datum: März 2023

Die Herausforderung:

Die Gießerei stellte komplizierte Motorradmotorenteile her. Aufgrund von nichtmetallischen Einschlüssen und Oxidschichten in den Gussteilen wies sie eine Ausschussrate von 22% auf. Zur Filtration wurde ein einfaches Glasfasernetz verwendet, das unter der Hitze größerer Güsse schmolz und versagte.

Die ADtech-Lösung:

Wir analysierten die Anforderungen an die Gießtemperatur (720°C) und die Durchflussmenge. Wir haben sie von Geweben auf ADtech Alumina Ceramic Foam Filter (40 PPI) umgestellt.

1. Platzierung: Wir haben das Anschnittsystem neu gestaltet, um die starren Keramikfiltermedien unterzubringen.

2. Auswahl: Wir haben uns für 40 PPI entschieden, um feine Oxide zu erfassen, ohne die Fließgeschwindigkeit einzuschränken, die zum Füllen der Form vor der Verfestigung erforderlich ist.

Das Ergebnis:

Innerhalb von 30 Tagen nach der Einführung sank die Ausschussrate von 22% auf 7%. Die keramische Struktur glättete den Metallfluss und reduzierte die Turbulenzen (die mehr Oxide verursachen). Der Kunde berichtete von saubereren Bearbeitungsoberflächen und geringerem Werkzeugverschleiß in der Folgezeit.

Warum “hausgemachte” Filter scheitern

In Suchanfragen wird häufig nach der Herstellung von Keramikfiltern zu Hause gefragt. Hobbyisten können dies zwar versuchen, aber die Ergebnisse halten selten geschmolzenem Metall stand.

1. Beschränkungen des Ofens: Die meisten Hobbyöfen verfügen nicht über die präzise Steuerung der Atmosphäre, die erforderlich ist, um den PU-Schaum abzubrennen, ohne dass die Schale zerbricht.

2. Gülle-Chemie: Ohne industrielle Dispergiermittel trennen sich hausgemachte Schlämme. Die schweren Partikel sinken ab und hinterlassen einen schwachen Belag an der Oberseite des Filters.

3. Sicherheitsrisiko: Wenn ein selbstgebauter Filter während des Gießens versagt, kann die Form überlaufen oder aufgrund von Feuchtigkeitsrückhaltung explodieren. Für die industrielle Sicherheit sind zertifizierte ADtech-Filter die einzige brauchbare Option.

Technische Daten für ADtech-Filter

Bei der Bestellung oder Herstellung von Filtern hilft das Wissen um die Standardspezifikationen bei der Auswahl der richtigen Maschinen oder Produkte.

Tabelle 3: ADtech Standard-Produktionsspezifikationen

Eigentum	Tonerde (Al2O3)	Siliziumkarbid (SiC)	Zirkoniumdioxid (ZrO2)
Porendichte (PPI)	10, 20, 30, 40, 50, 60	10, 20, 30, 40	10, 20, 30
Porosität (%)	80 – 90%	80 – 85%	75 – 85%
Schüttdichte (g/cm³)	0.35 – 0.55	0.35 – 0.50	0.80 – 1.0
Druckfestigkeit	> 1,0 MPa	> 1,2 MPa	> 1,5 MPa
Maximale Arbeitstemperatur	1200°C	1500°C	1700°C

Erweiterte Überlegungen: Ökologische Produktion

Die moderne Produktion erfordert die Beachtung der Umweltauswirkungen. Bei ADtech konzentrieren wir uns auf:

• Recycling überschüssiger Gülle: Das Abtropfen aus der Imprägnierphase wird aufgefangen, auf seine Dichte hin überwacht und wieder in den Mischer eingeleitet.

• Wäscher-Systeme: In der Abbrandphase werden Isocyanate aus dem Polyurethanschaum freigesetzt. Wir setzen Hochtemperatur-Nachverbrennungsanlagen und Wäscher ein, um diese Gase zu neutralisieren, bevor sie den Schornstein der Fabrik verlassen.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

Hier finden Sie die häufigsten Fragen zur Herstellung und Anwendung von Keramikfiltern.

1. Aus welchem Material besteht der “Schwamm” im Inneren des Filters hauptsächlich?

Der Innenschwamm besteht aus netzförmigem Polyurethanschaum (PU). Er wurde gewählt, weil er bei hohen Temperaturen sauber verbrennt (sich verflüchtigt) und nur sehr geringe Ascherückstände im Inneren der Keramikstruktur hinterlässt.

2. Wie kontrollieren Sie die Porengröße des Keramikfilters?

Die Porengröße wird ausschließlich durch den PPI-Wert (Pores Per Inch) des als Basis verwendeten PU-Schaums bestimmt. Wenn wir von einem Schwamm mit 30 PPI ausgehen, wird der endgültige Keramikfilter ungefähr 30 PPI haben, obwohl die Beschichtungsdicke die Öffnungsgröße leicht verringert.

3. Kann ich diese Filter zum Filtern von Wasser verwenden?

Der Mechanismus ist zwar ähnlich, aber Metallurgiefilter sind für geschmolzenes Metall konzipiert. Ihre Poren sind zu groß, um Bakterien oder feine Sedimente im Wasser aufzufangen. Für Wasserfilter wird in der Regel mikroporöse Keramik mit Öffnungen im Submikrometerbereich verwendet, die in einem anderen Pressverfahren hergestellt wird.

4. Was passiert, wenn die Sintertemperatur zu niedrig ist?

Wenn die Temperatur zu niedrig ist, bildet sich die keramische Verbindung nicht vollständig aus. Der Filter sieht dann zwar korrekt aus, hat aber eine geringe mechanische Festigkeit. Er wird wahrscheinlich zerbröckeln oder weggespült werden, wenn er vom starken Strom des geschmolzenen Metalls getroffen wird.

5. Warum sind manche Filter rosa und andere grau?

Die Farbe gibt das Material an. Rosa oder weiß bedeutet in der Regel Tonerde (für Aluminium). Grau oder schwarz weist normalerweise auf Siliziumkarbid (für Eisen/Kupfer) hin. Gelblich oder hellbraun deutet in der Regel auf Zirkoniumdioxid (für Stahl) hin.

6. Wie lange dauert der Herstellungsprozess?

Vom Mischen des Schlamms bis zur abschließenden Qualitätskontrolle dauert der Zyklus etwa 3 bis 4 Tage. Darin sind die notwendigen Ruhezeiten für den Schlicker, die langsamen Trocknungskurven und der lange Brennzyklus berücksichtigt.

7. Wie lange ist die Haltbarkeit eines Keramikschaumfilters?

Wenn sie in einer trockenen Umgebung gelagert werden, können sie jahrelang halten. Da Keramik jedoch hygroskopisch ist (sie nimmt Feuchtigkeit aus der Luft auf), empfehlen wir, sie innerhalb von 1 bis 2 Jahren zu verwenden oder sie vor der Verwendung im Ofen zu trocknen, wenn sie in feuchter Umgebung gelagert wurden.

8. Kann der Keramikfilter wiederverwendet werden?

Nein. Nach der Verwendung im Metallguss ist der Filter mit erstarrtem Metall und eingeschlossenen Verunreinigungen gefüllt. Er wird Teil des Gießereiabfalls (Anschnittsystem) und wird in der Regel wieder eingeschmolzen (wobei die Keramik als Krätze nach oben schwimmt) oder entsorgt.

9. Was bedeutet “Thermoschock” in diesem Zusammenhang?

Unter Thermoschock versteht man die schnelle Ausdehnung, die durch den Temperaturunterschied zwischen dem kalten Filter (25°C) und dem geschmolzenen Metall (700°C - 1500°C) verursacht wird. Der Herstellungsprozess muss sicherstellen, dass die Keramik einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, um diesen sofortigen Temperaturanstieg zu überstehen.

10. Warum sollten Sie sich für ADtech-Filter und nicht für billigere Konkurrenzprodukte entscheiden?

Billige Filter weisen oft “blinde Poren” (interne Verstopfungen) oder schwache Skelette auf, die brechen und das Gussteil verunreinigen. ADtech verwendet eine automatische Imprägnierung und strenge Brennkurven, um sicherzustellen, dass jeder Filter gleichbleibende Durchflussraten und strukturelle Integrität aufweist.

Schlussfolgerung

Mastering wie man einen Keramikfilter herstellt ist eine Konvergenz von Materialwissenschaft und mechanischer Präzision. Es erfordert eine exakte Rheologie des Schlickers, um den Schaum zu beschichten, ohne ihn zu verstopfen, und eine präzise thermische Profilierung, um die Keramik zu sintern, ohne dass sie bricht. Für Gießereien ist die Qualität des Filters entscheidend für die Qualität des endgültigen Gussteils.

Unter ADtech, haben wir dieses Verfahren verfeinert, um Filtrationslösungen anzubieten, die die Ausbeute verbessern und den Ausschuss reduzieren. Ganz gleich, ob Sie Aluminium für die Luft- und Raumfahrt oder Maschinen aus schwerem Eisen gießen, ein professionell hergestellter Filter ist der sicherste Weg zur Qualität.