3D-Print Material Tribology 10 Tribologie + Schmierungstechnik · volume 71 · eOnly special issue 2/ 2024 Die Eignung dieser Werkstofffamilie für den Einsatz in dynamischen Dichtungen konnte optimiert werden durch verbesserte physikalische Eigenschaften und Rezepturen. So wurden die Werkstoffgefüge auf die Anwendung abgestimmt, Korngrößen und Korngrößenverteilungen angepasst oder Additive wie zum Beispiel Graphitpartikel eingebracht. Auch wenn durch die Konstruktionen und den Einsatz von Siliciumcarbidkeramiken die Leistungsfähigkeit der Gleitringdichtungen enorm gesteigert werden konnte, so DOI 10.24053/ TuS-2024-0029 1 Einleitung Siliciumcarbidwerkstoffe, gesintert aber auch reaktionsgebunden, werden häufig in axialen Gleitringdichtungen als „Tribowerkstoff“ eingesetzt. 3D-gedrucktes Siliciumcarbid als Gleitringwerkstoff Gert Wahl, Philipp Gingter, Sebastian Liebisch* Ringe aus gefügeoptimiertem, reaktionsgebundenem Siliciumcarbid werden häufig in axialen Gleitringdichtungen eingesetzt. Es wird ein 3D-gedrucktes, reaktionsgebundenes Siliciumcarbid vorgestellt. Der neue Werkstoff unterscheidet sich herstellungsbedingt in seiner Mikrostruktur, ermöglicht jedoch die Darstellung sehr viel komplexerer Geometrien und damit auch eine aufwendigere Gestaltung von Dichtungsringen. Aus diesem Grund wurden erste vergleichende Tests auf einem Gleitringdichtungsprüfstand durchgeführt, und es wurde das Verhalten unter Mangelschmierung getestet. Die Ergebnisse werden präsentiert. Eine erste Modellstudie wird vorgestellt mit dem Potential, Ringe mit zusätzlichen Funktionalitäten herzustellen; ein einfacher Modellring mit inneren Strukturen, mit Strömungskanälen wird gezeigt. Erste Ideen für Zusatzfunktionen werden zur Diskussion gestellt und müssen natürlich von Dichtungskonstrukteuren bewertet werden hinsichtlich ihres Potentials, aufwendige Metall-Keramikkonstruktionen zu vereinfachen, und die daraus resultierenden Probleme zu eliminieren. Sie haben das Potential zum Problemlöser. Der 3D-Druck von Siliziumcarbid als möglicher Problemlöser wird vorgestellt. Schlüsselwörter Technische Keramik, Siliciumcarbid, additive Fertigung, komplexe Geometrien, axiale Gleitringdichtung, p * v-Werte, Gleitringe, Zusatzfunktionen 3D-Printed Reaction Bonded Silicon Carbide as a Ring Material in Axial Face Seals Reaction bonded silicon carbide is well known for use as axial seal faces. The properties have been optimized in order to improve the performance of dynamic seals. 3D-printed silicon carbide will be introduced. The new material allows forming much more complicated shapes and seal ring designs. The new material shows a different structure compared to compression molded reaction bonded silicon carbide due to the special manufacturing process. Therefore, first comparative tests of seal-rings under marginal lubricated conditions have been performed. The results are presented and the possible use of 3Dprinted silicon carbide in the sealing technology is discussed. A first fundamental design study implies the potential of producing seal rings with an additional functionality. A simplified model of a seal ring with internal structures is shown and some ideas will be shared whether additional benefit could be achieved. Keywords Technical ceramic, silicon carbide, additive manufacturing, complex shapes, axial face seals, p * v-values, seal faces, additional functions Kurzfassung Abstract * Dr. Dipl.-Chem. Gert Wahl (federführender Autor) Schunk Kohlenstofftechnik GmbH, Heuchelheim Dr.-Ing. Philipp Gingter Sebastian Liebisch Schunk Ingenieurkeramik GmbH, Willich sind doch die Ausführungsformen durch keramiktypische Eigenschaften eingeschränkt. Der keramische Prozess und die aufwendige Bearbeitung lassen keine beliebigen Geometrien zu. Jede Dichtungskonstruktion muss keramikgerecht ausgeführt werden, nicht nur um der hohen Sprödigkeit Rechnung zu tragen, sondern auch beispielsweise um die niedrigen Ausdehnungskoeffizienten zu beherrschen, und ein Fügen mit Metallteilen der Dichtungen möglich zu machen. Moderne 3D-gedruckte Siliciumcarbidwerkstoffe ermöglichen nun neue, komplexere Geometrien und Ausführungen. 2 Siliciumcarbidwerkstoffe in Dichtungstests Siliciumcarbidwerkstoffe zeichnen sich durch hohe Härte und Verschleißbeständigkeit aus. Darüber hinaus sind vorteilhafte Eigenschaften in der Anwendung als Dichtungsring deren Steifigkeit, die ausgesprochen gute Wärmeleitfähigkeit und die überlegene Dimensionsstabilität. Da Siliciumcarbid keine Trockenlaufeigenschaften besitzt, ist jedoch die Lauffähigkeit unter Bedingungen der Mangelschmierung sehr begrenzt. Dabei verhalten sich Siliciumcarbidwerkstoffe, abhängig von deren Struktur, bezüglich ihrer Notlaufeigenschaften sehr unterschiedlich. Laufversuche in Gleitringdichtungen unter Druck und Temperatur erlauben es, die Eigenschaft der Lauffähigkeit unter schwierigen Bedingungen zu quantifizieren. Bild 1 zeigt einen möglichen Testaufbau. Die Testbedingungen in dem vorliegenden Hochdruckprüfstand waren wie folgt: Als Medium wurde demineralisiertes Wasser verwendet, also eine Flüssigkeit mit bekannt schlechter Schmierfähigkeit. Die Gleitgeschwindigkeit betrug 9,3 m/ s, Der Entlastungsfaktor der verwendeten Dichtungen war 0,79. Die Temperatur konnte während des Versuchsablauf von Raumtemperatur bis auf 95 °C, der Mediumdruck von 5 auf 100 bar gesteigert werden. Der beschriebene Versuchsaufbau und die Erhöhung von Druck und Temperatur über die Versuchsdauer machen es möglich, Zustände der Mangelschmierung zu generieren. Mit zunehmender Mangelschmierung kommt es, abhängig von der verwendeten Paarung, zu Festkörperreibung der nicht trockenlauffähigen Siliciumcarbidringe, und es werden Leistungsspitzen des Prüfstands beobachtet. Bild 2 zeigt den Verlauf von Druck und Temperatur während der Tests. 3D-Print Material Tribology 11 Tribologie + Schmierungstechnik · volume 71 · eOnly special issue 2/ 2024 DOI 10.24053/ TuS-2024-0029 Bild 1: Hochdruckgleitringdichtungsprüfstand Bild 2: Messzyklus Bei Auftreten von Leistungsspitzen ist der Test beendet. Werkstoffpaarungen mit guten Notlaufeigenschaften zeigen keine Leistungsspitzen, oder diese treten zumindest erst unter höheren Drücken und Temperaturen auf. Somit ist die Laufzeit eines Tests gleichbedeutend mit den dann erreichten Temperaturen und Drücken ein Maß für die tribologische Eignung der betreffenden Paarung unter Mangelschmierung. Bild 3 zeigt die Ergebnisse einer ungeeigneten und einer sehr gut geeigneten Werkstoffpaarung. 3D-Print Material Tribology 12 Tribologie + Schmierungstechnik · volume 71 · eOnly special issue 2/ 2024 Der Versuch mit einer Ringpaarung aus feinkörnigem, dichtgesinterten Siliciumcarbid musste nach einer Stunde abgebrochen werden, während ein graphithaltiges Siliciumcarbid den kompletten Zyklus durchlief. In Bild 4 sind einige Ergebnisse von Siliciumcarbidwerkstoffen mit unterschiedlichen Gefügemerkmalen zusammengestellt. Die Werkstoffgefüge beeinflussen offensichtlich maßgeblich das Notlaufverhalten in der Dichtung. Die Gefüge der Werkstoffe mit dem schlechtesten (links) und dem besten Notlaufverhalten (rechts) in Bild 5 machen DOI 10.24053/ TuS-2024-0029 Bild 3: Unterschied zwischen Werkstoffpaarungen Bild 4: Unterschiedliche Werkstoffpaarungen das wahrscheinlich. Das rechts dargestellte Gefüge zeigt einen hohen Graphitanteil, also sehr unterschiedlich harte Phasen und ist deutlich gröber strukturiert. 3 3D-Druck reaktionsgebundenen Siliciumcarbids - Gestaltungsmöglichkeiten und Produktionsprozess Bei der Konstruktion mit konventionell gefertigtem Siliciumcarbid sind nicht alle Geometrien möglich; sei es bedingt durch den keramischen Prozess im Allgemeinen und der Formgebung im Speziellen (Bild 6) und / oder durch die aufwendige Schleifbearbeitung dieses ausgesprochen harten Werkstoffs. Den Herstellungsprozess der Rohlinge zeigt Bild 6. Der Herstellungsprozess des neuen, 3D-gedruckten Siliciumcarbids, von IntrinSiC ® , unterscheidet sich in erster Linie durch dessen Formgebungsprozess. Der 3D-Druck eines reaktionsgebundenen Siliciumcarbids nutzt ein Pulverbettverfahren (Bild 7) Bild 8 zeigt den Druckbereich, die sogenannte „Job Box“ mit unterschiedlichen Teilen, die simultan gedruckt werden können. Auch wenn bei dem neuen Werkstoff lediglich die Formgebung eine andere ist, nämlich durch 3D-Druck erfolgt, sind die Gestaltungsmöglichkeiten der Teile hiermit enorm. 3D-Print Material Tribology 13 Tribologie + Schmierungstechnik · volume 71 · eOnly special issue 2/ 2024 DOI 10.24053/ TuS-2024-0029 Bild 5: Gefügemerkmale Bild 6: Der Herstellungsprozess - reaktionsgebundenes SiC Bild 7: 3D-Druck mittels Pulverbettverfahren Bild 8: „Job Box“, 700 x 750 x 1500 mm 3D-Print Material Tribology 14 Tribologie + Schmierungstechnik · volume 71 · eOnly special issue 2/ 2024 DOI 10.24053/ TuS-2024-0029 Die Beispiele in Bild 9 zeigen, welch komplexe Geometrien im 3D-Druckverfahren hergestellt werden können. 4 Physikalische Eigenschaften 3D-gedruckten, reaktionsgebundenen Siliciumcarbids (RBSiC - reaction bonded silicon carbide) In Bild 10 sind die physikalischen Eigenschaften des gedruckten Siliciumcarbids zusammengestellt. Die Werte erreichen nahezu das Niveau des herkömmlich gefertigten Materials, wie es für Dichtungsringe eingesetzt wird. Lediglich die Kornstruktur, das Gefüge ist etwas gröber. Bild 11 zeigt zum Vergleich die physikalischen Daten zweier reaktionsgebundener Siliciumcarbidwerkstoffe (SiSiC) für Gleitringe. Der zweite Werkstoff enthält ca. 15 % Graphit (SiSiC-C). Bild 9: Gestaltungsmöglichkeiten, IntrinSiC ® Bild 10: Physikalische Eigenschaften und Werkstoffgefüge 3D-RBSiC 5 Dichtungstest des gedruckten Werkstoffs auf dem Hochdruckprüfstand Wie in Kapitel 2 deutlich wurde, sind ausreichend gute physikalische Eigenschaften eine notwendige, aber noch keine hinreichende Bedingung für einen möglichen Einsatz eines Siliciumcarbidwerkstoffs in tribologischen Anwendungen. Das Laufverhalten verschiedener Werkstoffe unter Mangelschmierung unterschied sich beträchtlich und konnte mit Gefügeeffekten erklärt werden. Im Folgenden war zu untersuchen, ob das 3D-gedruckte Siliciumcarbid in tribologisch belasteten Anwendungen eingesetzt werden kann, oder ob die Gleitflächen aus den bewährten Werkstoffen bestehen müssen. Die Laufeigenschaften des neuen 3D-gedruckten Siliciumcarbids unter Mangelschmierung wurden hierzu auf dem oben in Kapitel 2 beschriebenen Hochdruckgleitringdichtungsprüfstand getestet. Erste Ergebnisse des Laufverhaltens zeigt Bild 12 in der Paarung mit einem herkömmlichen SiSiC, wie es in solchen Anwendungen erfolgreich eingesetzt wird. Bild 13 zeigt das Ergebnis mit Ring und Gegenring aus gedrucktem SiC. Es konnten keine Leistungsspitzen über die gesamte Testdauer beobachtet werden, die zu einem Versuchsab- 3D-Print Material Tribology 15 Tribologie + Schmierungstechnik · volume 71 · eOnly special issue 2/ 2024 DOI 10.24053/ TuS-2024-0029 Bild 11: Physikalische Eigenschaften zweier „Tribo“-Siliciumcarbidwerkstoffe Bild 12: Laufeigenschaften 3D-gedruckten RBSiC vs. „Tribo“-RBSiC Bild 13: Laufeigenschaften 3D-gedruckten RBSiC vs. 3D-gedrucktes RBSiC IntrinSiC ® / RBSiC IntrinSiC ® / IntrinSiC ® 3D-Print Material Tribology 16 Tribologie + Schmierungstechnik · volume 71 · eOnly special issue 2/ 2024 6 Gestaltungsmöglichkeiten - Dichtungsringe Im Kapitel 3 / Bild 9 wurden Bauteile mit komplexen Geometrien vorgestellt. Nahezu alle denkbaren Formen und Größen scheinen möglich unter Anwendung des neuen 3D-Druckverfahrens. DOI 10.24053/ TuS-2024-0029 bruch geführt hätten. Diese hervorragenden Ergebnisse dürften mit der vergleichsweise groben Kornstruktur zusammenhängen, sowie ggf. damit, dass es sich um einen zweiphasigen Werkstoff aus Siliciumcarbid und wenig freiem Silicium handelt. Obwohl das Gefüge offensichtlich die Schmierung der Dichtung mit Medium unterstützt, kam es zu keiner unzulässigen Leckage. Bild 14: RBSiC mit Strömungskanälen Bild 15: RBSiC mit Strömungskanälen Wie in Kapitel 5 vorgestellt, ist auch das Laufverhalten erfolgversprechend für den Einsatz gedruckten Siliciumcarbids in Gleitringdichtungen. Jede Dichtungskonstruktion sollte möglichst einfach gestaltet sein. Dabei ist es oft eine Herausforderung, Metallteile und keramische Dichtungsringe zu fügen. Die unterschiedliche thermische Ausdehnung von Metall und Siliciumcarbidkeramik bedingt einen Fügeprozess mit der Gefahr, dass die Planheit der Dichtflächen leidet und die Funktion der Dichtung ggf. nicht mehr optimal gegeben ist. Im Falle von gefügten Teilen kann zudem der Wärmeübergang behindert sein. Welche Vorteile sind durch den Einsatz von 3D-gedrucktem Siliciumcarbid zu erwarten? Ein Siliciumcarbid, welches in komplexen Geometrien hergestellt werden kann, sollte dem Dichtungskonstrukteur neue Freiheitsgrade eröffnen, einfachere Konstruktionen mit weniger Bauteilen ermöglichen, die dann gegebenenfalls gar zusätzliche Funktionen übernehmen könnten. Es soll in der Zukunft untersucht werden, inwieweit vollkeramische Ringe Metall-Keramik-Verbunde ersetzen und damit deren bekannten Probleme eliminieren können - keine Verwerfungen der Gleitflächen und ungehinderte Abführung von Reibwärme. Der 3D-Druckprozeß sollte es gar erlauben, Siliciumcarbidteile mit inneren Hohlstrukturen herzustellen, und mittels derer zusätzliche Funktionen zu übernehmen. Bild 14 zeigt die Zeichnung eines Modellrings mit inneren Strukturen / Strömungskanälen, welcher für Demonstrationszwecke hergestellt wurde. In Bild 15 ist eine Röntgenaufnahme besagten Rings zu sehen. 7 Zusatznutzen In Dichtungen erzeugte Reibwärme begrenzt deren Belastbarkeit; Kühlkanäle könnten helfen, die Reibwärme an ein Kühlmedium abzuführen. Die Dichtung könnte aber nicht nur gekühlt, sie könnte, je nach Aufgabenstellung, temperiert werden. Ungünstige Temperaturverteilung kann zu Deformationen führen und die Spaltgeometrie negativ beeinflussen. Ist es möglich, die Temperaturverteilung durch Wärmeüberträger in entsprechend angeordneten Kanälen zu steuern, werden 3D-gedruckte Ringe zu Problemlösern. Erste Simulationen zeigen, dass dies mit solchen Strukturen möglich sein sollte - Bild 16. Diverse Zusatzfunktionen wie Temperatursteuerung, aktive Kühlung, Einstellung der Dichtspaltgeometrie etc. 3D-Print Material Tribology 17 Tribologie + Schmierungstechnik · volume 71 · eOnly special issue 2/ 2024 DOI 10.24053/ TuS-2024-0029 Bild 16: Wärmeverteilung und Einstellung der Dichtspaltgeometrie 3D-Print Material Tribology 18 Tribologie + Schmierungstechnik · volume 71 · eOnly special issue 2/ 2024 Die neuen Gestaltungsmöglichkeiten erlauben, keramische Dichtringe mit Zusatzfunktionen auszustatten, welche bedeutenden Mehrwert im Einsatz als Dichtungsring in axialen Dichtungen generieren können. Versuche auf einem Hochdruckprüfstand in demineralisiertem Wasser zeigten, dass der neue Werkstoff selbst gute tribologische Eigenschaften aufweist, also als ein „Tribo“-Werkstoff eingesetzt werden kann. Als reaktionsgebundener Siliciumcarbidwerkstoff kann der 3Dgedruckte Werkstoff mit bewährten „Tribo“-RBSiC- Werkstoffen verbunden werden. Komplexe Geometrien 3D-gedruckt mit bewährter Tribo-Gleitfläche sind eine weitere Option der neuen Technologie. Initial publication: 68/ 1 DOI 10.24053/ TuS-2024-0029 sollten es möglich machen, die Funktion und Leistungsfähigkeit einer Dichtung zu verbessern durch Steuerung der Mediumviskosität, dessen Schmierfähigkeit, des Leckageverhaltens der Dichtung mit dem Ziel gesteigerter p x v-Werte. Wir freuen uns auf Gespräche darüber und Ideen von Seiten der Spezialisten und Dichtungshersteller. 8 Zusammenfassung und Fazit Der 3D-Druck von Siliciumcarbidkeramiken eröffnet ganz neue Gestaltungsmöglichkeiten und die Darstellung von Ringgeometrien höherer Komplexität. Ein einfacher Ringprototyp mit inneren Strukturen, durchströmten Kanälen, wurde hergestellt, und in einer Studie konnte der Effekt auf die Gleitflächengeometrie simuliert werden.