Sinterbasierte additive Fertigungsverfahren ist eine Kategorie von Produktionsverfahren zur indirekten additiven Fertigung (engl. , AM) von metallischen Bauteilen. Sie werden unter anderem angewendet, um Präzisionsteile mit hoher geometrischer Genauigkeit und Oberflächengüte für die Einzelteil- und Kleinserienfertigung herzustellen. Aktuelle Entwicklungsbemühungen konzentrieren sich auf die AM-Methoden Materialextrusion, Binder Jetting und Badbasierte Photopolymerisation, die eventuell auch das Potenzial haben, den Markt des Metallpulverspritzguss (MIM) für kleinere Stückzahlen in Anwendungen zu öffnen, bei denen die Amortisation der MIM-Werkzeugkosten eine kommerzielle Hürde darstellt. Der Artikel gibt einen Überblick über die Funktionsweise dieser drei jungen AM-Technologien und zeigt aktuelle Stärken und Schwächen auf, da jedes der Verfahren eine ganze Reihe komplexer Fertigungsschritte mit starken gegenseitigen Abhängigkeiten beinhaltet.
Einleitung
Die additive Fertigung ist der Oberbegriff für eine ganze Gruppe relativ junger Fertigungsverfahren, das in vielen Industriezweigen eine hohe Entwicklungs- und Anwendungsdynamik erfährt. Ausgehend von digitalen Modellen (CAD-Daten oder 3D-Scans) können mit AM hochkomplexe Teile im Schichtbauverfahren hergestellt werden. Gewisse Vorteile von AM gegenüber spanenden Verfahren, wie z. B. Herstellung von komplexen Geometrien und Freiformflächen oder Leichtbaustrukturen, führen zu einem besonderen Interesse an der additiven Fertigung von Metallen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Öl- und Gasindustrie, der Schifffahrt und der Automobilbranche sowie branchenübergreifend bei der Entwicklung neuer Produktionskonzepte mit werkzeugloser Fertigung.
Es gibt viele AM-Techniken für Metallpulver, die in schmelzbasierte und sinterbasierte Verfahren unterteilt werden können:
Schmelzbasierte Verfahren werden unter dem Begriff Pulverbettbasiertes Schmelzen (englisch:Powder bed fusion, PBF) zusammengefasst und umfassen das selektive Laserschmelzen (SLM/PBF-LB) und das Elektronenstrahlschmelzen (EBM/PBF-EB). Zu den sinterbasierten Verfahren gehören Materialextrusion (MEX), Polyjet Modeling (PJM) oder Metal Binder Jetting (MBJ) und Badbasierte Photopolymerisation (VP/LMM).
Für die Herstellung komplex geformter Metallteile haben die PBF-LB-Technologien eine schnelle Marktdurchdringung erzielt. Ein Laser mit hoher Leistungsdichte wird eingesetzt, um metallische Pulver aufzuschmelzen und so lokal miteinander zu verbinden. Das Verfahren eignet sich, um Prototypen und Serienteile mit komplexen Anforderungen, wie z. B. dünnen Wandstärken, Hinterschneidungen oder Kühlkanälen herzustellen oder auch ggf. einfache Bauteile in geringen Losgrößen zu fertigen. Aufgrund der Komplexität des Verfahrens, bei dem viele interagierende Fertigungsparameter die Qualität der Oberfläche und der mechanischen Eigenschaften beeinflussen, sind die Entwicklungsfortschritte zur Fertigung von kleinen metallischen Präzisionsteilen mit hohen Anforderungen an die Maßtreue und/oder die Oberflächengüte jedoch relativ gering.
Der Zusammenhang zwischen Pulvergröße, Laserstrahlleistung, Prozesszeit, Pulvermassenzufuhr, Strahlflecküberlappung und Schichtdicke erfordert viel Entwicklungsarbeit, um die Genauigkeit und Oberflächenqualität der Teile zu verbessern, insbesondere bei den in Druckrichtung unten liegenden Oberflächen. Da feinere Pulver in der Regel bessere Eigenschaften liefern, führen die Kosten und die Handhabung solcher Pulver, insbesondere unter Gesundheits- und Sicherheitsaspekten (feine Pulver sind selbstentzündlich, ihre Partikel lungengängig und können daher krebserregend sein) zu weiteren Hemmnissen bei der Verbreitung von L-PBF-Verfahren in der Präzisionsindustrie.
Verschärft werden diese Einschränkungen durch die Notwendigkeit von Stützstrukturen im L-PBF-Verfahren, die das Bauteil auf der Bauplattform fixieren, überhängende Strukturen stützen, Wärme ableiten und so einen thermischen Verzug der Teile verhindern. Da die für die Stützstrukturen verwendeten Materialien nach dem Druckprozess manuell entfernt werden müssen, kann die Nachbearbeitung der Bauteile zu einer erheblichen Erhöhung der Fertigungszeit und der Kosten führen. Um diese Einschränkungen zu überwinden, besteht ein neuer Ansatz darin, hochpräzise Teile durch sinterbasierte additive Fertigung herzustellen, bei der zunächst ein polymeres „Grünteil“ mit einem hohen Metallpulveranteil gedruckt wird. In aufeinander folgenden Schritten wird dann das Polymer entfernt und die Metallpartikel werden durch Wärmebehandlung Sintern in ein dichtes, metallisches Bauteil überführt.
Formgebung Die sinterbasierte additive Fertigung ist eine Weiterentwicklung von AM-Prozessen, die ursprünglich für Polymerteile entwickelt wurden. Diese werden mit Verarbeitungsschritten des Metallpulverspritzgießens (MIM) kombiniert. Hierbei zielen die sinterbasierten additive Fertigungsverfahren darauf ab, den Spritzgussschritt des MIM-Prozesses durch die additive Fertigung des Grünteils zu ersetzen und damit werkzeuglos zu arbeiten. Aktuelle Entwicklungsbemühungen konzentrieren sich auf die AM-Methoden der MaterialextrusionC. Burkhardt, P. Freigassner, O. Weber, P. Imgrund, S. Hampel: Fused Filament Fabrication (FFF) of 316L Green Parts for the MIM process. In: Proceedings EURO PM 2016, Barcelona. 2016.J. Gonzalez-Gutierrez, D. Godec, C. Kukla, T. Schlauf, C. Burkhardt, C. Holzer: Shaping, Debinding and Sintering of Steel Components via Fused Filament Fabrication. In: 16th Int. Scientific Conference on Production Engineering, CIM2017, Zagreb. 2017.C. Kukla, I. Duretek, S. Schuschnigg, J. Gonzalez-Gutierrez, C. Holzer: Properties for PIM Feedstocks Used in Fused Filament Fabrication. In: Proceedings EURO PM 2016, Barcelona. 2016. Binder Jetting und Vat-Polymerisation (Stereolithographie)P.J. Bartolo, J. Gaspar: Metal filled resin for stereolithography metal part. In: CIRP Annals – Manufacturing Technology. 57, 2008, S. 235–238M. Roumanie, A. Badev, S. Cailliet, D. Vincent, R. Laucournet: Manufacturing of Metal Parts by Stereolithography. In: Proceedings EURO PM 2017, Milano. 2017.G. Mitteramskogler, M. Schwentenwein, S. Seisenbacher, C. Burkhardt, O. Weber>: Lithographic Additive Manufacturing of Metal-Based Suspensions. In: Proceedings EURO PM 2017, Milano. 2017.G. Mitteramskogler, M. Schwentenwein, S. Seisenbacher, O. Weber, C. Gierl-Mayer, C. Burkhardt: Lithographic Additive Manufacturing of metalbased suspensions. In: Metal Additive Manufacturing. Bd. 4, Nr. 1, 2018, S. 131–134.G. Mitteramskogler, M. Schwentenwein, C. Burkhardt, N. Cruchley: Lithography-based Metal Manufacturing (LMM) of 316L Powder. In: Proceedings EURO PM 2018, Bilbao. 2018..
Herstellung der Grünteile durch Material Extrusion (MEX) mini|Material Extrusion (schematisch)
Die Materialextrusion (MEX), auch bekannt als Fused Deposition Modeling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF), ist heute, gemessen an der Anzahl der Maschinen weltweit, das beliebteste AM-Verfahren. Vorteile sind z. B. die niedrigen Maschinenkosten, die einfache Bedienung und der unkomplizierte Wechsel des Filamentmaterials, wobei bisher die geringe geometrische Präzision und die schlechte Oberflächenqualität im Vergleich zu anderen AM-Verfahren den Anwendungsbereich einschränken. ME verwendet typischerweise ein Endlosfilament aus einem thermoplastischen Material. Das Filament wird von einer Spule durch einen beheizten Druckerextruderkopf geführt, wie in der Abbildung rechts schematisch dargestellt. Das geschmolzene Material wird aus der Düse des Druckkopfes gepresst und auf das wachsende Werkstück aufgetragen. Der Kopf wird computergesteuert bewegt, um die gedruckte Form zu definieren. Normalerweise bewegt sich der Kopf in zwei Dimensionen (x,y), um jeweils eine horizontale Ebene abzuscheiden, bevor sich die Grundplatte nach unten bewegt (z), um eine neue Schicht zu beginnen. Die Geschwindigkeit des Extruderkopfes kann auch gesteuert werden, um die Abscheidung zu stoppen und zu starten und eine unterbrochene Ebene zu formen, ohne dass es zwischen den Abschnitten zu Fadenbildung oder unkontrolliertem Abtropfen kommt. Um metallische Grünteile auf Standard-ME-Druckern zu formen, wird speziell abgestimmtes metallbasiertes ME-Feedstock-Filamentmaterial mit einem Volumenanteil von ca. 50–60 % Pulver verwendet. Metallbasiertes Feedstock-Filament benötigt eine geeignete Viskosität und mechanische Eigenschaften, um auf dem ME-Drucker verarbeitet werden zu können. Aufgrund der höheren Temperaturleitfähigkeit des metallgefüllten Filaments im Vergleich zu „reinem“ Thermoplast muss der Druckkopf jedoch einen zuverlässigen Transport des erweichenden Materials durch die Druckdüse ermöglichen, um qualitativ hochwertige Druckergebnisse zu gewährleisten. Drucker mit Filamenttransporteinheiten, die sich sehr nahe an der beheizten Düse befinden, sind für den Druck von Metallfilamenten eventuell nicht geeignet und müssen modifiziert werden (z. B. Kühlung der Transportrollen oder Riemenantriebssysteme). Auch aufgrund der höheren Temperaturleitfähigkeit der Grünteile muss der Temperatur in der Druckkammer des Systems besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden, da eine ungleichmäßige Verteilung während des Formgebungsprozesses zu Verzug/Verwerfung der Grünteile aufgrund thermischer Spannungen führen kannC. Burkhardt, P. Freigassner, O. Weber, P. Imgrund, S. Hampel, Fused Filament Fabrication (FFF) of 316L Green Parts for the MIM process, Proceedings EURO PM 2016, Barcelona (2016). Temperaturgeregelte Druckkammern sind daher zu bevorzugen und können höhere Druckgeschwindigkeiten ermöglichen. Für einen zuverlässigen Druck sind auch die Viskosität, Flexibilität und die Oberfläche des Filaments wichtige Eigenschaften. Ist diese nicht geeignet, kann das Filament während des Transports brechen, wird nicht kontinuierlich transportiert und kann auch die Druckdüse verstopfen, was zu Geometrie- und Oberflächenfehlern oder einem Stau der Maschine führen kann. Düsendurchmesser und Schichtdicke bestimmen die Präzision des ME-Grünteils, wobei kleinere Werte zu einer höheren Präzision führen. Der minimale Düsendurchmesser wird durch die Pulverpartikelgröße und den Pulvervolumengehalt des Filaments begrenzt und liegt typischerweise zwischen 0,1 und 0,5 mm. Wie bei L-PBF muss auch bei MEX jede neue Schicht von der darunter liegenden Schicht gestützt werden, so dass größere Überhänge, Bohrungen und Brücken mit zusätzlichen Druckunterstützungsstrukturen unterstützt werden müssen, um einen erfolgreichen Druck zu gewährleisten. Verwendet der Drucker einen Multidruckkopf, können die Stützstrukturen aus einem anderen (nicht-metallischen) Material hergestellt werden. In diesem Fall müssen sie jedoch vor dem Sintern entfernt werden.
Herstellung der Grünteile durch Metal Binder Jetting (MBJ)
mini|Metal Binder Jetting (schematisch) Beim (MBJ, engl.) werden Metallteile durch selektiven Tintenstrahldruck (Inkjet-Drucktechnologie) eines flüssigen Bindemittels in ein Pulverbett hergestellt, wie in der Abbildung dargestellt. Die ausgestoßenen Bindemitteltröpfchen benetzen die Pulverpartikel und verbinden sie zu einer zusammenhängenden Schicht. Durch Auftragen einer neuen Pulverlage wird der Prozess Schicht für Schicht wiederholt, bis das Grünteil fertig gedruckt ist. Wie andere Inkjet-Drucktechnologien zeichnet sich MBJ dabei durch einen hohen Durchsatz aus.
Die Aushärtung des Binders erfolgt durch Wärmeeinbringung bei niedriger Temperatur (70 °C), daher wird das Risiko eines Verzugs während des Drucks als gering eingeschätzt. Allerdings konnten bisher keine Studien zu diesem Thema gefunden werden. Das Pulverbett dient als Träger für die Grünlinge, so dass keine zusätzlichen Stützstrukturen bei Überhängen etc. benötigt werden und mehrere Lagen von Teilen im selben Druckauftrag gedruckt werden können.