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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
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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, [email protected]
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