Poröse Keramik-Vakuumspannfutter, auch poröse Keramikspannfutter genannt, bestehen hauptsächlich aus einer mikroporösen Keramikschicht und einem Stützrahmen. Dabei handelt es sich um Vakuumspannvorrichtungen, die eine gleichmäßige Unterdruckadsorption durch miteinander verbundene Porenkanäle im Mikrometer- oder Submikrometerbereich erreichen. Unter den verschiedenen Keramikmaterialien ist Aluminiumoxidkeramik aufgrund seiner Vorteile wie guter chemischer Stabilität, starker Korrosionsbeständigkeit, hoher Temperaturbeständigkeit, hoher mechanischer Festigkeit, ausgezeichneter Verschleißfestigkeit, guter Dimensionsstabilität und hoher Kosteneffizienz eines der am häufigsten verwendeten Materialien für die Herstellung poröser Keramik-Vakuumspannfutter.
Im Vergleich zu herkömmlichen gerillten oder perforierten Spannfuttern können poröse Keramik-Vakuumspannfutter eine gleichmäßigere Unterdruckverteilung über die gesamte Adsorptionsoberfläche erreichen und so Spannungskonzentrationen und Oberflächendepressionen vermeiden, die durch übermäßige lokale Adsorption verursacht werden. Dadurch werden Verformungen und lokale Beschädigungen dünner Bleche durch „Einsaugen in Rillen“ deutlich reduziert. Diese Eigenschaft verschafft ihnen einen entscheidenden Vorteil bei der Präzisionsbearbeitung dünner, flacher Werkstücke wie Siliziumwafern und Glasscheiben und macht sie besonders für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Ebenheit, gleichmäßige Kraftverteilung und Bearbeitungsstabilität geeignet.
Keramik-Vakuumspannfutter ermöglichen die Aufnahme und Klemmung des Werkstücks durch Vakuum-Unterdruck; Daher hat die Luftdurchlässigkeit des Materials einen entscheidenden Einfluss auf die Arbeitseffizienz des Spannfutters und eine durchgehende -Porenstruktur ist die Grundlage für die Erzielung einer stabilen Luftdurchlässigkeit. Gleichzeitig erfordern Vakuumspannfutter in der Praxis neben einer guten Luftdurchlässigkeit auch eine hohe mechanische Festigkeit, eine hervorragende Verschleißfestigkeit, eine gute Dimensionsstabilität und eine hohe Genauigkeit der Oberflächenbearbeitung. Darüber hinaus sollte das Material in einigen Anwendungsszenarien auch über geeignete elektrostatische Ableitungsfähigkeiten verfügen, um die elektrostatische Ansammlung wirksam zu verhindern und die negativen Auswirkungen der elektrostatischen Entladung auf die Oberflächenqualität des Werkstücks, die Bearbeitungsgenauigkeit und die Geräteleistung zu reduzieren.
Es gibt verschiedene Methoden zur Herstellung von durch Poren atmungsaktiver Keramik, darunter Extrusionsformen, Gefriertrocknung, Imprägnierung mit organischem Schaum, Partikelpackung, Zugabe von Porenbildnern, Gelguss, 3D-Druck und mehr. Welche eignen sich besser für den Einsatz in Vakuumspannfuttern?
01 Pore-Forming Agent-Methode
Aluminiumoxidpulver wird mit organischen oder anorganischen Porenbildnern vermischt und geformt. Beim Sintern zersetzen oder verbrennen die Porenbildner und hinterlassen Poren. Zu den häufig verwendeten Porenbildnern gehören Stärke, Zellulose, Petrolkoks, Saccharose, PS-Mikrokügelchen, organische Fasern, PMMA-Mikrokügelchen, Kohlenstoffpulver, Paraffinwachs usw.
02 Gelgussmethode
Das Gelgussverfahren ist eine wichtige Technik zur Bildung poröser Keramiken, die in den 1990er Jahren vom Oak Ridge National Laboratory in den USA vorgeschlagen wurde. Bei dieser Methode werden einer Keramikaufschlämmung organische Monomere, Vernetzer, Katalysatoren und Initiatoren zugesetzt. Durch In-Polymerisation wird ein dreidimensionales Polymernetzwerk gebildet, das die Keramikpartikel in der Aufschlämmung immobilisiert und so einen nahezu -endförmigen-förmigen keramischen Grünkörper erzeugt. Basierend auf der Art des verwendeten Lösungsmittels kann das Gelgussverfahren in zwei Kategorien unterteilt werden: wässriges Gelgießen und nicht-wässriges Gelgießen.
03 3D Druckmethode
Die Bedeutung des 3D-Drucks für die Herstellung poröser Keramiken liegt vor allem im Wandel von der „passiven Porenbildung“ hin zu „aktiv gestalteten Porenstrukturen“. Der 3D-Druck ermöglicht eine direkte Kontrolle über die Morphologie, Größe, Verteilung und Konnektivität von Poren durch digitale Modellierung und schichtweise-schichtweise additive Fertigung und ermöglicht so die synergetische Gestaltung sowohl der makroskopischen Struktur als auch der mikroskopischen Porenarchitektur poröser Keramiken.
Forscher haben den FDM-3D-Druck (Fused Deposition Modeling) in Kombination mit einem Co-{1}}Sinter-Integrationsprozess genutzt, um Spannfutter aus poröser Aluminiumoxidkeramik herzustellen. Bei dieser Methode wird ein Verbundwerkstoff, der Aluminiumoxidpulver, Sinterhilfsmittel und Kohlenstofffasern enthält, Schicht für Schicht in einer Richtung gedruckt, wodurch sich die Kohlenstofffasern entlang des Druckpfads ausrichten. Anschließend wird das Material senkrecht zur Druckbahn in Scheiben geschnitten. Nach dem Entbindern und Sintern entsteht eine Struktur mit gleichmäßig ausgerichteten, länglichen Poren. Darüber hinaus wird die poröse Keramikschicht durch Trockenpressen, isostatisches Pressen und Co-Sintern integral mit einem Substrat aus hochreinem Aluminiumoxid verbunden. Die Ergebnisse zeigen, dass die mit dieser Methode hergestellten Spannfutter einen hohen Gasfluss und eine hohe Grenzflächenbindungsfestigkeit auch unter Bedingungen mit einer Porosität von etwa 38 % bis 40 % beibehalten.
04 Gefriertrocknungsmethode
Die Gefriertrocknungsmethode ist eine Technik zur Herstellung poröser Keramik, bei der ein Lösungsmittelgefrier- und Sublimationsprozess zum Aufbau von Porenstrukturen genutzt wird. Sein Kern besteht darin, gefrorene Lösungsmittelkristalle als temporäre Vorlagen zu verwenden und durch Partikelabstoßung und anschließende Sublimationsentfernung poröse Strukturen zu erzeugen.
Es wurde eine Vakuumspannlösung entwickelt, die auf Gefrierguss- und Sublimationstrocknungsprozessen zur Herstellung einer gerichteten, durch die Poren gerichteten porösen Adsorptionsschicht basiert. Diese Methode nutzt unidirektionales Gefrieren, um Porenkanäle zu induzieren, die senkrecht zur Adsorptionsoberfläche ausgerichtet sind. Diese Kanäle werden dann mit einer Grundplatte mit Rillen kombiniert und abgedichtet, wodurch ein poröser Vakuumhalter entsteht, der sich durch kleine Porengrößen, geringen Strömungsverlust, gleichmäßige Adsorption und Eignung für Betriebsbedingungen auszeichnet, bei denen der Adsorptionsbereich nicht vollständig abgedeckt ist.