3D-Druck im SDS-Verfahren: Herstellung metallischer Grünkörper mittels FDM/Material Extrusion (ME)

J. Maurath, O. Weber, C. Burkhardt REProMag Symposium

27.09.2017

Project funded by the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Grant Agreement n°636881

• Motivation

• Das SDS-Verfahren

• Filamente für ME

• Entbindern und Sintern

• Gefüge

• Möglichkeiten der Nachbearbeitung

• Zusammenfassung

Überblick

2 3D-Druck im SDS-Verfahren: Herstellung metallischer Grünkörper mittels FDM/Material Extrusion (ME)

• Feedstock-basierte 3D-Druckverfahren im Vergleich zu anderen Verfahren (z.B. Selektives Laser Schmelzen):

• Leicht verfügbare Metallpulver

• Kostengünstiger Drucker

• Homogenes Gefüge

• Spannungsfrei

• Andere Feedstock-basierte Verfahren liefern noch keine zufriedenstellende Qualität

Motivation

3

Quelle: EOS GmbH

3D-Druck im SDS-Verfahren: Herstellung metallischer Grünkörper mittels FDM/Material Extrusion (ME)

Insgesamt ist ME ein vielversprechendes und kostengünstiges Verfahren

Quelle: wbk, KIT Quelle: Arburg

• SDS: Shaping – Debinding - Sintering

Das SDS-Verfahren

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Alternativ: Additive Fertigung

Grünkörper

Material Extrusion

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• Extrusion dünner Filamente, die durch schichtweisen Auftrag einen 3-dimensionalen Körper ergeben

Hage Sondermaschinenbau

3D-Druck im SDS-Verfahren: Herstellung metallischer Grünkörper mittels FDM/Material Extrusion (ME)

• Einsatz herkömmlicher MIM-Feedstocks nicht möglich

• Spröde

• Nicht fließfähig

• Nicht dosierbar

• Rohmaterialien für ME in Form von zylindrischen, auf Spulen gewickelten Filamenten

Filamente

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• Anforderungen an Filamente für ME:

• Flexibel

• Reißfest

• Gleichmäßiger Durchmesser (typ.: 1,75 mm)

• Glatte Oberfläche

• Gutes Fließverhalten

Anforderungen an Filamente

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• Compoundieren der Komponenten

• Extrusion eines gleichmäßigen Filaments am Einschneckenextruder + Aufwickeln auf Spulen

Filamentherstellung

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Feedstockentwicklung durchgeführt an Montanuniversität Leoben (MUL)

Qu

elle

: MU

L

Qu

elle

: MU

L

Qu

elle

: MU

L

• Metalle:

• Edelstähle (316L, 17-4 PH)

• Titanlegierungen (Ti6Al4V)

• Andere Nichteisenmetalle (Kupfer, Bronze)

• Hartmagnete (NdFeB)

• Verschiedene keramische Materialien

Alle Werkstoffe die sinterbar sind und sich somit für MIM bzw. CIM eignen sind über Material Extrusion zu verarbeiten

Werkstoffe

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Entbindern

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• Großteil der organischen Binderbestandteile werden beim Entbindern entfernt:

• Lösemittelextraktion, katalytische oder thermische Zersetzung

• Hauptbestandteil des organischen Binders wird mit Lösungsmitteln (z.B. n-Heptan, Cyclohexan) extrahiert

• Zurückbleibendes Gerüstpolymer sorgt für Stabilität

Entbinderung

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Thermisches Entbindern und Sintern

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• Vorentbinderte Grünkörper werden in Hochtemperaturöfen thermisch entbindert und gesintert

• Thermische Zersetzung der verbliebenen organischen Binderkomponenten (Gerüstpolymer, Additive)

• Sintern des Braunkörpers bei Ts ~ 0,8 Tschmelz

Thermisches Entbindern und Sintern

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3D-Druck im SDS-Verfahren: Herstellung metallischer Grünkörper mittels FDM/Material Extrusion (ME)

• Sinterschrumpf (15 – 20%) durch sich annähernde Partikel, i.d.R isotrop

• Gedruckte Oberfläche des Grünkörpers bleibt vollständig im Sinterteil erhalten

Sintern

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Grünkörper

Sinterteil

Grünkörper Sinterteil

10 mm

3D-Druck im SDS-Verfahren: Herstellung metallischer Grünkörper mittels FDM/Material Extrusion (ME)

• Gedruckte Sinterkörper verfügen über ähnliches Gefüge wie MIM-Teile

• Restporosität bei additiv gefertigten Bauteilen leicht erhöht, besonders im Randbereich

Gefüge

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Material Extrusion

Beispiel: 316L – 1.4404

500 µm

Metallpulverspritzguss

ρtyp > 7,90 g/cm³

500 µm

ρ = 7,64 g/cm³

3D-Druck im SDS-Verfahren: Herstellung metallischer Grünkörper mittels FDM/Material Extrusion (ME)

• Drucklinien bleiben erkennbar, wenn Druckparameter nicht optimal gewählt

• Jedoch sehr gute Versinterung einzelner Filamente an Brührungspunkten

Gefüge

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1 mm 500 µm

3D-Druck im SDS-Verfahren: Herstellung metallischer Grünkörper mittels FDM/Material Extrusion (ME)

• Nachbearbeitung von Sinterteilen im gesinterten Zustand

• Hoher Energieaufwand

• Struktur z.T. auch nach Oberflächenbearbeitung vorhanden (z.B. nach Gleitschleifen)

• Idee: Nachbearbeitung des Grünlings

• Geringerer Energieaufwand

• Schneller, da weiches Material

Oberflächenbearbeitung

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gleitgeschliffen

as sintered Grünling

3D-Druck im SDS-Verfahren: Herstellung metallischer Grünkörper mittels FDM/Material Extrusion (ME)

Unbehandelte Oberfläche eines Filamentdrucks. Einzelne Filamente deutlich erkennbar. (316L – 1.4404)

Oberfläche - Schleifen

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1 mm 1 mm

Nachbearbeitete Oberfläche: geschliffen mit Sandpapier (#1000) im Grünzustand

• Druckstruktur bleibt an Oberflächen deutlich erkennbar

• Nachbearbeitung von Grünkörpern bereits mit einfachen Methoden möglich

3D-Druck im SDS-Verfahren: Herstellung metallischer Grünkörper mittels FDM/Material Extrusion (ME)

Oberfläche - Sandstrahlen

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Oberfläche des Grünlings für 25 sec mit Quarzsand gestrahlt

Oberfläche des Grünlings für 25 sec gestrahlt Druckfehler werden deutlich sichtbar

1 mm 1 mm

• Sandstrahlen von Grünkörpern kann erfolgreich sein

• Aber: tieferliegende Druckfehler können auch deutlich sichtbar werden!

• Oberfläche kann mit Hilfe von Lasern sehr leicht nachbearbeitet werden:

• Lokales aufschmelzen des Binders Glättung durch Oberflächenspannung

Oberfläche - Laserglätten

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1 mm

Oberfläche im Grünzustand lokal geglättet mit Beschriftungslaser (Trumpf Trumark 5020). Oberflächenrauheit ~ 1 - 1,5 µm

3D-Druck im SDS-Verfahren: Herstellung metallischer Grünkörper mittels FDM/Material Extrusion (ME)

1 mm

Flächige Glättung mittels Laser im Grünzustand

Gezielte Oberflächenstrukturierung

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1 mm

Oberfläche im Grünzustand strukturiert mittels Beschriftungslaser

1 mm

Laserglättung im Grünzustand ermöglicht Ausheilung von Druckfehlern, die stark zuvor sichtbar waren.

• Gezielte Ausheilung von oberflächlichen Druckfehlern und Strukturierung bieten großes Potential u.a. für Bereiche Schmuck und Medizintechnik

• Material Extrusion (ME) ist eine kostengünstige und vielversprechende Alternative zu anderen 3D-Druckverfahren

• ME von Grünkörpern, über die Schritte Entbindern und Sintern wird der gedruckte Grünkörper in ein metallisches Bauteil überführt

• Verfahren für eine Vielzahl an Materialien einsetzbar:

• Edelstähle, Titanlegierungen, Keramik,..

• Oberfläche kann durch Nachbearbeitungsschritte im Grünling einfach optimiert werden:

• Schleifen

• Laserstrukturieren/-glätten

Zusammenfassung

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Kontakt: Johannes Maurath, jMaurath@obe.de

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Project funded by the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Grant Agreement n°636881

Herzlichen Dank auch an:

Die Europäische Kommission für die Förderung des Horizon 2020 Projekts REProMag (N°636881)

Dr. J. Gonzalez-Gutierrez und Dr. C. Kukla von der Montanuniversität Leoben, Abteilung Kunststofftechnik für die Feedstockentwicklung