DE102022207112A1 - Process for the additive manufacturing of a component using a metal-plastic powder mixture - Google Patents
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Abstract
Die vorgeschlagene Lösung betrifft insbesondere ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils (B), bei dem ein pulverförmiges Druckmaterial schichtweise aufgebracht wird.Als Druckmaterial wird ein Metall-Kunststoff-Pulvergemisch mit einem Metallanteil (10) und einem Kunststoffanteil (11) genutzt. Nach einem Aufbringen des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs wird durch Wärmeeintrag wenigstens lokal ein Kunststoffanteil des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs verdampft wird, bevor ein wenigstens lokal verbliebener Metallanteil (10) des aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs - zur Bildung eines Abschnitts mit fester Metallstruktur (4, 4A-4E) für das herzustellende Bauteil (B) - durch Wärmeeintrag verbunden wird.The proposed solution relates in particular to a method for the additive manufacturing of a component (B), in which a powdery printing material is applied in layers. A metal-plastic powder mixture with a metal component (10) and a plastic component (11) is used as the printing material. After the metal-plastic powder mixture has been applied, a plastic portion of the metal-plastic powder mixture is evaporated at least locally by heat input, before an at least locally remaining metal portion (10) of the applied metal-plastic powder mixture - to form a section with a solid metal structure ( 4, 4A-4E) for the component to be manufactured (B) - is connected by heat input.
Description
Die vorgeschlagene Lösung betrifft insbesondere ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils.The proposed solution relates in particular to a method for the additive manufacturing of a component.
Es ist weithin bekannt, bei der additiven Fertigung eines Bauteils pulverförmiges Druckmaterial zu verwenden und das Bauteil schichtweise aufzubauen. Das pulverförmige Druckmaterial wird hierbei auf einer Druckplattform einer 3D-Druckeinrichtung schichtweise aufgebracht. Typischerweise ist es nicht ohne Schwierigkeiten, ein Bauteil additiv zu fertigen, das anteilig sowohl aus einem Kunststoffmaterial als auch aus einem Metall bestehen soll. Hierbei spielt insbesondere eine Rolle, dass Schmelzpunkte von Kunststoff und Metall vergleichsweise weit auseinanderliegen. Um einen Festkörper oder einen Festkörperabschnitt für das herzustellende Bauteil aus Metall auszubilden, wird metallisches Druckmaterial geschmolzen oder gesintert. Die hierfür notwendigen Temperaturen übersteigen dann aber die Schmelztemperatur des Kunststoffes teilweise erheblich, sodass bereits aufgebrachtes Kunststoffmaterial unter Umständen zerstört wird.It is widely known to use powdered printing material in the additive manufacturing of a component and to build the component in layers. The powdered printing material is applied in layers on a printing platform of a 3D printing device. Typically, it is not without difficulties to additively manufacture a component that should consist of both a plastic material and a metal. What plays a particular role here is that the melting points of plastic and metal are comparatively far apart. In order to form a solid body or a solid body section for the metal component to be produced, metallic printing material is melted or sintered. However, the temperatures required for this then sometimes considerably exceed the melting temperature of the plastic, so that plastic material that has already been applied may be destroyed.
Es liegt damit der vorliegenden Lösung die Aufgabe zugrunde, Verbesserungen für die additive Fertigung eines Bauteils aus Metall und Kunststoff bereitzustellen.The present solution is therefore based on the task of providing improvements for the additive manufacturing of a component made of metal and plastic.
Diese Aufgabe wird sowohl mit einem Verfahren des Anspruchs 1 oder 14 als auch durch eine 3D-Druckvorrichtung des Anspruchs 15 oder eine Verwendung des Anspruchs 17 gelöst.This object is achieved both with a method of claim 1 or 14 and by a 3D printing device of claim 15 or a use of claim 17.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorgeschlagenen Lösung ist vorgesehen, als Druckmaterial ein Metall-Kunststoff-Pulvergemisch mit einem Metallanteil und einem Kunststoffanteil zu nutzen. Nach einem Aufbringen des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs wird durch Wärmeeintrag wenigstens lokal der Kunststoffanteil verdampft (und damit lokal entfernt), bevor ein wenigstens lokal verbliebener Metallanteil des aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs durch Wärmeeintrag verbunden wird.According to a first aspect of the proposed solution, it is intended to use a metal-plastic powder mixture with a metal component and a plastic component as the printing material. After the metal-plastic powder mixture has been applied, the plastic component is at least locally evaporated by heat input (and thus locally removed) before an at least locally remaining metal component of the applied metal-plastic powder mixture is connected by heat input.
Ein Grundgedanke der vorgeschlagenen Lösung ist hier folglich der Ansatz, ein Metall-Kunststoff-Pulvergemisch zu nutzen, um in einem Druckprozess Metallbestandteile und Kunststoffbestandteile gemeinsam aufzubringen, dann aber im Anschluss einen Kunststoffanteil durch Verdampfung zu entfernen, sodass verbliebenes Metall (zur Bildung eines Abschnitts mit fester Metallstruktur für das herzustellende Bauteil) verbunden, d.h., zum Beispiel geschmolzen oder gesintert, werden kann. Durch die Verdampfung des Kunststoffanteils kann dabei lokal begrenzt der Metallanteil frei gelegt werden. Mit anderen Worten wird durch eine z.B. lokal begrenzte, gezielte Verdampfung des Kunststoffanteils des aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs ausschließlich Metall enthaltendes Pulver ohne Kunststoff zur Verfügung gestellt werden, sodass zum Beispiel in einem nachfolgenden Prozessschritt der lediglich lokal verbliebene Metallanteil geschmolzen oder gesintert werden kann, ohne dass hierbei Kunststoff mit verschmolzen oder mitgesintert wird.A basic idea of the proposed solution is the approach of using a metal-plastic powder mixture to apply metal components and plastic components together in a printing process, but then subsequently removing a plastic component by evaporation, so that remaining metal (to form a section with solid metal structure for the component to be manufactured), i.e., for example melted or sintered. By evaporating the plastic portion, the metal portion can be exposed in a localized manner. In other words, through, for example, locally limited, targeted evaporation of the plastic portion of the applied metal-plastic powder mixture, only metal-containing powder without plastic will be made available, so that, for example, in a subsequent process step, the metal portion that only remains locally can be melted or sintered, without plastic being melted or sintered.
Grundsätzlich kann ein wenigstens lokales, insbesondere ein nur lokales d.h. lokal begrenztes Verdampfen des Kunststoffanteils erst nach einem Aufbringen mehrerer (mindestens zweier) Schichten des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs erfolgen und hierbei insbesondere in mehreren aufgebrachten Schichten. Ein Kunststoffanteil wird folglich in einer derartigen Ausführungsvariante erst verdampft, nachdem mehrere Schichten von Metall-Kunststoff-Pulvergemisch ausgebracht wurden. Ein Verdampfen des Kunststoffanteils kann hierbei auch schichtweise, d. h. Schicht für Schicht, oder aber über mehrere Schichten hinweg erfolgen.In principle, an at least local, in particular only local, i.e. locally limited, evaporation of the plastic component can only take place after several (at least two) layers of the metal-plastic powder mixture have been applied, and in particular in several applied layers. In such an embodiment variant, a plastic portion is therefore only evaporated after several layers of metal-plastic powder mixture have been applied. The plastic component can also evaporate in layers, i.e. H. Layer by layer, or over several layers.
In wenigstens einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass vor der Verbindung des wenigstens lokal verbliebenen Metallanteils an demjenigen Bereich (einer oder mehrerer Schichten) des aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemisches, in dem der Kunststoffanteil in einem ersten Prozessschritt für die Bildung einer Metallstruktur verdampft wurde, wenigstens eine Zusatzschicht des Metall-Kunststoff-Pulvergemisches aufgebracht wird. Das Aufbringen wenigstens einer Zusatzschicht des Metall-Kunststoff-Pulvergemisches kann dabei einem Schrumpfungsausgleich dienen. So ist durch die Verdampfung des Kunststoffanteils - gegebenenfalls in einem definierten und lokal begrenzten Bereich und im Vergleich zu angrenzenden Bereichen - weniger Material vorhanden. Durch Aufbringung einer oder mehrerer Zusatzschichten des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs kann eine entsprechende Reduktion in der Schichtdicke wieder ausgeglichen werden. In diesem Zusammenhang kann ferner vorgesehen sein, dass die Verbindung des Metallanteils in einem nachfolgenden zweiten Prozessschritt erfolgt, und zwar erst nachdem zuvor in der wenigstens einen aufgebrachten Zusatzschicht der Kunststoffanteil ebenfalls verdampft wurde. Derart kann der Metallanteil der Zusatzschicht in dem zweiten Prozessschritt ebenfalls mit verbunden werden. So dann beispielsweise ein Metallanteil einer oder mehrerer aufgebrachter Zusatzschichten ebenfalls mit aufgeschmolzen oder mitgesintert werden, um eine größere Metallstruktur zu erzeugen. Die wenigstens eine (zusätzliche) aufgebrachte Zusatzschicht kann dabei hinsichtlich des Volumens ihres Metallanteils so bemessen sein, dass das Volumen des verdampften Kunststoffmaterials ausgeglichen wird.In at least one embodiment variant, it is provided that before the at least locally remaining metal portion is connected to that region (one or more layers) of the applied metal-plastic powder mixture in which the plastic portion was evaporated in a first process step to form a metal structure, at least an additional layer of the metal-plastic powder mixture is applied. The application of at least one additional layer of the metal-plastic powder mixture can serve to compensate for shrinkage. As a result of the evaporation of the plastic content - possibly in a defined and locally limited area and in comparison to adjacent areas - less material is present. By applying one or more additional layers of the metal-plastic powder mixture, a corresponding reduction in the layer thickness can be compensated for. In this context, it can also be provided that the connection of the metal component takes place in a subsequent second process step, only after the plastic component has also previously been evaporated in the at least one additional layer applied. In this way, the metal portion of the additional layer can also be connected in the second process step. For example, a metal portion of one or more applied additional layers can also be melted or sintered in order to create a larger metal structure. The at least one (additional) additional layer applied can be dimensioned in terms of the volume of its metal content in such a way that that the volume of the evaporated plastic material is equalized.
Für die Verdampfung des Kunststoffanteils wird beispielsweise eine erste Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge verwendet, während zur Verbindung des Metallanteils eine zweiten Laserstrahlung einer zweiten Wellenlänge verwendet wird, wobei die zweite Wellenlänge kleiner ist als die erste Wellenlänge. Hierbei wird sich zunutze gemacht, dass je nach Wellenlänge ein Kunststoffmaterial und einen Metall typischerweise unterschiedlich stark Laserstrahlung absorbieren. So absorbiert beispielsweise ein Kunststoffmaterial, insbesondere ein Polymer, Laserstrahlung niedrigerer Wellenlänge (zum Beispiel ≤ 1 µm) deutlich schlechter als ein Metall. Gleichzeitig wird Laserstrahlung größerer Wellenlänge (zum Beispiel ≥ 6 µm oder ≥ 8 µm) von einem Metall reflektiert und mithin nicht absorbiert, während ein Kunststoffmaterial, insbesondere ein Polymer, gegebenenfalls durch hierin vorgesehene Additive, solche Laserstrahlung absorbiert. So kann dann beispielsweise mithilfe einer ersten Laserstrahlung, die von einem ersten Laser, zum Beispiel einem CO2-Laser, mit größerer Wellenlänge erzeugt wird, Kunststoffmaterial gezielt verdampft werden, während die entsprechende erste Laserstrahlung den Metallanteil des aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemisch kaum oder nicht beeinflusst. Weiterhin kann durch Laserstrahlung niedrigerer Wellenlänge, zum Beispiel grüne oder blaue Laserstrahlung erzeugt durch einen zweiten Laser, die von einem Kunststoffmaterial nicht absorbiert wird, aber von dem Metall, eine Verbindung des Metallanteils durch Schmelzen oder Sintern erreicht werden.For example, a first laser radiation of a first wavelength is used to evaporate the plastic portion, while a second laser radiation of a second wavelength is used to connect the metal portion, the second wavelength being smaller than the first wavelength. This takes advantage of the fact that, depending on the wavelength, a plastic material and a metal typically absorb laser radiation to different degrees. For example, a plastic material, in particular a polymer, absorbs laser radiation of a lower wavelength (for example ≤ 1 µm) significantly worse than a metal. At the same time, laser radiation with a longer wavelength (for example ≥ 6 µm or ≥ 8 µm) is reflected by a metal and therefore not absorbed, while a plastic material, in particular a polymer, absorbs such laser radiation, optionally through additives provided herein. For example, with the help of a first laser radiation that is generated by a first laser, for example a CO 2 laser, with a longer wavelength, plastic material can be vaporized in a targeted manner, while the corresponding first laser radiation hardly or significantly reduces the metal content of the applied metal-plastic powder mixture unaffected. Furthermore, laser radiation of a lower wavelength, for example green or blue laser radiation generated by a second laser, which is not absorbed by a plastic material but is absorbed by the metal, can be used to achieve a connection of the metal portion by melting or sintering.
In einer Ausführungsvariante ist für den Kunststoffanteil des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs ein Kunststoffmaterial vorgesehen, das unter Einschluss einer hieran angrenzenden Metallschmelze verascht. So ist beispielsweise ein Polymer als Kunststoffmaterial vorgesehen, gegebenenfalls durch Zusatz entsprechender Additive, dass unter der Wirkung der hohen Temperaturen einer angrenzenden Metallschmelze für die Erzeugung einer Metallstruktur auf Basis des Metallanteils in einem an die Metallschmelze angrenzenden Bereich verascht sodass über einen an die Metallschmelze angrenzenden Aschebereich eine thermische Isolierung der Metallschmelze gegenüber angrenzenden, bereits gedruckten Bereichen des Bauteils erreicht wird.In one embodiment variant, a plastic material is provided for the plastic portion of the metal-plastic powder mixture, which incinerates while including an adjacent metal melt. For example, a polymer is provided as a plastic material, optionally by adding appropriate additives, which is ashed under the effect of the high temperatures of an adjacent molten metal to produce a metal structure based on the metal content in an area adjacent to the molten metal, thus over an ash area adjacent to the molten metal thermal insulation of the molten metal from adjacent, already printed areas of the component is achieved.
Grundsätzlich kann das Metall-Kunststoff-Pulvergemisch Metall-Kunststoff-Partikel aufweisen, insbesondere aus Metall-Kunststoff-Partikeln bestehen. Hierbei ist zumindest ein Teil des Metallanteils des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs durch eine Vielzahl von Metallkernen der Metall-Kunststoff-Partikel gebildet, während zumindest ein Teil des Kunststoffanteils des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs durch Kunststoffmäntel gebildet ist, die jeweils einen Metallkern umhüllen. Es ist folglich eine Vielzahl von Metall-Kunststoff-Partikeln vorgesehen, die jeweils einen Metallkern mit umhüllendem Kunststoffmantel aufweisen. Die Nutzung entsprechender Metall-Kunststoff-Partikel erleichtert das Aufbringen von Metall und Kunststoff aufweisenden Druckmaterials in einem einzigen Druckprozess, wobei über die vorgeschlagene Lösung und die hierbei vorgesehene unterschiedliche weitere Behandlung des Kunststoffanteils einerseits und des Metallanteils andererseits in nachfolgenden Prozessschritten gewünschte Kunststoff- und Metallstrukturen für das herzustellende Bauteil ausgebildet werden können.In principle, the metal-plastic powder mixture can have metal-plastic particles, in particular consist of metal-plastic particles. Here, at least a portion of the metal portion of the metal-plastic powder mixture is formed by a plurality of metal cores of the metal-plastic particles, while at least a portion of the plastic portion of the metal-plastic powder mixture is formed by plastic jackets, each of which encloses a metal core. A large number of metal-plastic particles are therefore provided, each of which has a metal core with an enveloping plastic jacket. The use of corresponding metal-plastic particles facilitates the application of printing material containing metal and plastic in a single printing process, with the proposed solution and the different further treatment of the plastic portion on the one hand and the metal portion on the other hand being used in subsequent process steps to create desired plastic and metal structures for the component to be manufactured can be formed.
In einer Ausführungsvariante wird mit dem verbundenen Metallanteil eine Metallstruktur für das herzustellende Bauteil gebildet und zusätzlich vorgesehen, zumindest lokal einen Kunststoffanteil des aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs nicht zu verdampfen, sondern zu verbinden, insbesondere durch Schmelzen, Sintern oder Polymerisation. In einer solchen Ausführungsvariante ist folglich vorgesehen, nicht nur eine wenigstens lokal zusammenhängende Metallstruktur aus dem ursprünglich pulverförmig vorliegenden Metallanteil für das herzustellende Bauteil auszubilden, sondern auch eine Kunststoffstruktur auszubilden, in der keine Verbindung des pulverförmigen Metallanteils erfolgt. Dies schließt beispielsweise eine Variante ein, bei der Metallkerne aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs unverbunden in der Kunststoffstruktur eingebettet werden und zwischen den Metallkernen lediglich geschmolzenes, gesintertes oder polymerisiertes Kunststoffmaterial vorliegt. Metallkerne sind dann folglich in der Kunststoffstruktur eingebettet, aber untereinander nicht verbunden. Eine Kunststoffstruktur des Bauteils kann beispielsweise durch eine ausgehärtete Polymermatrix gebildet seinIn one embodiment variant, a metal structure for the component to be produced is formed with the connected metal portion and it is additionally provided not to evaporate, at least locally, a plastic portion of the applied metal-plastic powder mixture, but to connect it, in particular by melting, sintering or polymerization. In such an embodiment variant, it is therefore provided not only to form an at least locally coherent metal structure from the originally powdery metal portion for the component to be produced, but also to form a plastic structure in which no connection of the powdery metal portion occurs. This includes, for example, a variant in which metal cores of applied metal-plastic powder mixture are embedded unconnected in the plastic structure and only melted, sintered or polymerized plastic material is present between the metal cores. Metal cores are then embedded in the plastic structure, but are not connected to each other. A plastic structure of the component can be formed, for example, by a hardened polymer matrix
Eine gezielte Verbindung des pulverförmigen Kunststoffanteils zur Bildung einer festen Kunststoffstruktur kann dabei wie vorstehend erläutert durch entsprechende Laserstrahlung erfolgen. Hierbei kann neben einem Schmelzen oder Sintern auch eine (weitere) Polymerisation vorgesehen sein, insbesondere bei einem bereits ein Polymer enthaltenen Metall-Kunststoff-Pulvergemisch. Unter einer Polymerisation wird hierbei insbesondere verstanden, dass eine Polymerisation durch Laserlicht derart angeregt wird, dass ein Molekulargewicht des entstehenden Polymers größer ist als das Molekulargewicht der Ausgangsstoffe, die beispielsweise auf Kunststoffmäntel der aufgebrachten und mithin schichtweise aufgedruckten Metall-Kunststoff-Partikel zurückgehen. Für eine Polymerisation kann der Kunststoffanteil durch ein thermoplastisches Polymer gebildet sein, bei dem kürzere Polymerketten zu längeren verknüpft werden. Eine Aktivierung des Mechanismus kann hierbei entweder durch die mit der Laserstrahlung eingebrachte Energie unmittelbar erfolgen oder durch wenigstens ein in dem Kunststoffanteil enthaltenes Additiv, das durch die Laserstrahlung aktiviert wird und als Verketter wirkt. Weiterhin sind duroplastische Polymere verwendbar, hierbei insbesondere in Verbindung mit Photoaktivatoren, wie sie beispielsweise bei Harzen für den Stereolithografie-3D-Druck (SLA) Verwendung finden.A targeted connection of the powdery plastic component to form a solid plastic structure can be carried out using appropriate laser radiation, as explained above. In addition to melting or sintering, (further) polymerization can also be provided, especially in the case of a metal-plastic powder mixture that already contains a polymer. Polymerization here is understood in particular to mean that polymerization is stimulated by laser light in such a way that a molecular weight of the resulting polymer is greater than the molecular weight of the starting materials, which are due, for example, to plastic jackets of the metal-plastic particles that have been applied and therefore printed in layers. For polymerization, the plastic portion can be formed by a thermoplastic polymer, in which shorter polymer chains are linked to form longer ones. An activation of the The mechanism can either be carried out directly by the energy introduced with the laser radiation or by at least one additive contained in the plastic component, which is activated by the laser radiation and acts as a linker. Thermoset polymers can also be used, particularly in conjunction with photoactivators, such as those used in resins for stereolithography 3D printing (SLA).
Die Additive zur Verkettung können in beiden Fällen thermisch oder über eine Photoreaktion aktiviert werden.In both cases, the additives for linking can be activated thermally or via a photoreaction.
In einer Ausführungsvariante werden für das herzustellende Bauteil durch verbundene Metallanteile aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs Ankerstrukturen gebildet, die in dem fertiggestellten Bauteil in einen - durch miteinander verbundene Kunststoffanteile gebildeten - Kunststoffabschnitt eingebettet sind. Die Ankerstrukturen werden mit einer nachfolgend erzeugten Metallstruktur aus weiteren, ebenfalls untereinander verbundenen Metallanteilen verbunden, sodass die Metallstruktur und die Ankerstrukturen einen in Kunststoffmaterial verankerten metallischen Festkörper bilden. So hintergreift dann beispielsweise eine Ankerstruktur an dem fertiggestellten Bauteil einen Abschnitt aus Kunststoffmaterial, um die Metallstruktur verzugfrei während des Fertigungsprozesses zu erzeugen und in dem Kunststoffmaterial bestimmungsgemäß positioniert und arretiert zu halten. Durch eine erste Ausbildung von Ankerstrukturen, an die dann beispielsweise nachfolgend eine Metallstruktur aufgeschmolzen wird, lässt sich ein Verzug während der Herstellung minimieren oder sogar gänzlich vermeiden. Die zunächst hergestellten Ankerstrukturen sind dabei in ihren Abmessungen kleiner als die herzustellende Metallstruktur, die über die Ankerstrukturen in dem Kunststoffmaterial zusätzlich formschlüssig fixiert ist.In one embodiment variant, anchor structures are formed for the component to be produced by connected metal components applied metal-plastic powder mixture, which are embedded in the finished component in a plastic section - formed by connected plastic components. The anchor structures are connected to a subsequently created metal structure made of further metal components that are also interconnected, so that the metal structure and the anchor structures form a metallic solid body anchored in plastic material. For example, an anchor structure on the finished component engages behind a section made of plastic material in order to produce the metal structure without distortion during the manufacturing process and to keep it positioned and locked in the plastic material as intended. By first forming anchor structures, onto which a metal structure is then melted, for example, distortion during production can be minimized or even completely avoided. The dimensions of the anchor structures initially produced are smaller than the metal structure to be produced, which is additionally fixed in a form-fitting manner via the anchor structures in the plastic material.
Beispielsweise kann mit verbundenen, ursprünglich pulverförmigen Metallanteilen in dem herzustellenden Bauteil mindestens ein Metalleinleger, mindestens eine Leiterbahn oder mindestens eine Schaltung gebildet werden. Im Zuge der vorgeschlagenen Lösung können somit entsprechende Bauteile aus einem Kunststoff, insbesondere einem Polymer, mit entsprechenden metallischen Komponenten vergleichsweise einfach gedruckt werden. Durch den entsprechend der vorgeschlagenen Lösung verbesserten 3D-Druckprozess lassen sich Bauteile mit metallischen Komponenten herstellen, insbesondere mit vergleichsweise komplexen Geometrien, ohne dass es hierfür spezieller Werkzeuge, insbesondere Gussformen bedürfte.For example, at least one metal insert, at least one conductor track or at least one circuit can be formed with connected, originally powdery metal components in the component to be produced. In the course of the proposed solution, corresponding components made of a plastic, in particular a polymer, can be printed comparatively easily with corresponding metallic components. The 3D printing process, which has been improved in accordance with the proposed solution, allows components with metallic components to be produced, in particular with comparatively complex geometries, without the need for special tools, in particular casting molds.
Die vorstehend erläuterte Nutzung von Laserstrahlung unterschiedlicher Wellenlänge für die Verbindung aufgedruckten Kunststoffmaterials und aufgedruckten Metalls, ist offensichtlich unabhängig von der eingangs beschriebenen Verdampfung eines aufgebrachten Kunststoffanteils zur Schaffung eines Bereichs, in dem lediglich noch ein pulverförmiger Metallanteil vorliegt, der dann z.B. kunststoffmaterialfrei geschmolzen oder gesintert werden kann. Dementsprechend sieht ein weiterer hiervon unabhängiger Aspekt der vorgeschlagenen Lösung ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils vor, bei dem ein Kunststoffmaterial und ein Metall zum schichtweisen Aufbau des Bauteils genutzt werden und für die Ausbildung einer Kunststoffstruktur (und mithin eines ersten Festkörperabschnitts) aus aufgebrachtem Kunststoffmaterial eine erste Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge verwendet wird, während zur Ausbildung einer Metallstruktur (und damit eines zweiten Festkörperabschnitts) aus aufgebrachtem Metall eine zweite Laserstrahlung einer zweiten Wellenlänge verwendet wird, die kleiner ist als die erste Wellenlänge.The above-explained use of laser radiation of different wavelengths for the connection of printed plastic material and printed metal is obviously independent of the initially described evaporation of an applied plastic component to create an area in which only a powdery metal component is present, which can then be melted or sintered without plastic material, for example can. Accordingly, a further independent aspect of the proposed solution provides a method for the additive manufacturing of a component, in which a plastic material and a metal are used to build up the component in layers and for the formation of a plastic structure (and therefore a first solid body section) from applied plastic material first laser radiation of a first wavelength is used, while a second laser radiation of a second wavelength, which is smaller than the first wavelength, is used to form a metal structure (and thus a second solid section) from applied metal.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorgeschlagenen Lösung ist es dabei nicht unmittelbar zwingend, dass das Kunststoffmaterial und das Metall über ein Metall-Kunststoff-Pulvergemisch aufgebracht werden, das jeweils von einem Kunststoffmantel umhüllte Metallkerne umfasst. Dies wird jedoch grundsätzlich als vorteilhaft erachtet, um sich auch die vorstehend erläuterten Vorteile des ersten Aspekts der vorgeschlagenen Lösung zunutze machen zu können.According to the second aspect of the proposed solution, it is not immediately mandatory that the plastic material and the metal are applied via a metal-plastic powder mixture, each of which comprises metal cores encased in a plastic jacket. However, this is generally considered advantageous in order to be able to take advantage of the advantages of the first aspect of the proposed solution explained above.
Die vorgeschlagene Lösung umfasst ferner eine 3D-Druckeinrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils, die sich für die Durchführung eines der vorgeschlagenen Verfahren eignet. Insbesondere kann eine vorgeschlagene 3D-Druckeinrichtung zur Verwendung eines Metall-Kunststoff-Pulvergemischs mit einem Metallanteil und einem Kunststoffanteil als Druckmaterial eingerichtet sein und ferner eingerichtet sein, nach einem Aufbringen des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs durch Wärmeeintrag wenigstens lokal einen Kunststoffanteil des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs zu verdampfen, bevor mit der 3D-Druckeinrichtung ein wenigstens lokal verbliebener (nicht verdampfter) Metallanteil des aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs durch einen Wärmeeintrag (zum Beispiel in einem nachfolgenden Prozessschritt und unter Verwendung eines anderen Lasers als für die Verdampfung des Kunststoffanteils) verbunden wird, insbesondere geschmolzen oder gesintert wird.The proposed solution further includes a 3D printing device for the additive manufacturing of a component, which is suitable for carrying out one of the proposed methods. In particular, a proposed 3D printing device can be set up to use a metal-plastic powder mixture with a metal component and a plastic component as a printing material and can also be set up to at least locally produce a plastic component of the metal-plastic material after the metal-plastic powder mixture has been applied by applying heat. To evaporate the powder mixture before an at least locally remaining (not evaporated) metal portion of the applied metal-plastic powder mixture is connected to the 3D printing device by heat input (for example in a subsequent process step and using a different laser than for the evaporation of the plastic portion). is, in particular melted or sintered.
Ferner wird es als grundsätzlich vorteilhaft erachtet, ein Metall-Kunststoff-Pulvergemisch in einem additiven Fertigungsprozess einzusetzen, das Metall-Kunststoff-Partikel mit jeweils einem Metallkern und einem den Metallkern umhüllenden Kunststoffmantel aufweist, insbesondere aus entsprechenden Metall-Kunststoff-Partikeln besteht. In der Praxis wird ein entsprechendes Metall-Kunststoff-Pulvergemisch bei der additiven Fertigung eines Bauteils bisher nicht genutzt.Furthermore, it is considered fundamentally advantageous to use a metal-plastic powder mixture in an additive manufacturing process, which has metal-plastic particles, each with a metal core and a plastic jacket surrounding the metal core, in particular made of ent speaking metal-plastic particles. In practice, a corresponding metal-plastic powder mixture has not yet been used in the additive manufacturing of a component.
Insbesondere wird in diesem Zusammenhang als vorteilhaft erachtet, wenn der Kunststoffmantel durch ein Polymer gebildet ist. Die Nutzung eines Polymers bietet sich dabei insbesondere mit Blick auf die zu einem Metall verschiedenen Absorptionsfähigkeiten in Abhängigkeit von einer Wellenlänge erzeugter und auf das jeweilige Material treffender Laserstrahlung an. So kann durch Laserstrahlung einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs gezielt lediglich der Polymeranteil oder der Metallanteil des aufgebrachten Pulvers erwärmt werden.In particular, it is considered advantageous in this context if the plastic jacket is formed by a polymer. The use of a polymer is particularly suitable in view of the different absorption abilities of a metal depending on a wavelength of laser radiation generated and hitting the respective material. Laser radiation of a specific wavelength or a specific wavelength range can be used to specifically heat the polymer portion or the metal portion of the applied powder.
Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung.The attached figures illustrate exemplary possible embodiment variants of the proposed solution.
Hierbei zeigen:
-
1 mehrere Schichten additiv aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs mit Metall-Kunststoff-Partikeln; -
2 ein Absorption-Wellenlängen-Diagramm für unterschiedliche Werkstoffe unter Hervorhebung zweier Laser und deren Wellenlänge für unterschiedliche Materialien eines Metall-Kunststoff-Pulvergemischs; -
3A bis3F unterschiedliche Phasen bei einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Verfahrens, bei dem unter Nutzung der beiden unterschiedlichen Laser der2 in einer 3D-Druckervorrichtung Kunststoffstrukturen und Metallstrukturen für ein herzustellendes Bauteil erzeugt werden; -
4 ein hergestelltes Bauteil, bei dem eine oberflächenseitig zugängliche Metallstruktur über Ankerstrukturen in einer Polymermatrix verankert ist.
-
1 several layers of additively applied metal-plastic powder mixture with metal-plastic particles; -
2 an absorption wavelength diagram for different materials highlighting two lasers and their wavelength for different materials of a metal-plastic powder mixture; -
3A until3F different phases in an embodiment variant of a proposed method in which using the two different lasers2 Plastic structures and metal structures are produced in a 3D printer device for a component to be produced; -
4 a manufactured component in which a surface-accessible metal structure is anchored in a polymer matrix via anchor structures.
Die
Mit den Metall-Kunststoff-Partikeln 1 wird in einem Druckprozess in jeder Schicht S1, S2 und S3 sowohl ein Metallanteil über die Metallkerne 10 als auch ein Kunststoffanteil über die Kunststoffmäntel 11 auf einer Druckplattform der 3D-Druckervorrichtung aufgebracht. Es wird folglich mit den Kunststoffmänteln 11 ein Kunststoffmaterial gleichzeitig mit den Metallkernen 10 aufgedruckt. Das Kunststoffmaterial für die Kunststoffmäntel 11 kann hierbei beispielsweise durch ein Polymer gebildet sein. Im Folgenden wird dann auch von einem Polymermantel 11 gesprochen werden.With the metal-plastic particles 1, both a metal component via the metal cores 10 and a plastic component via the plastic jackets 11 are applied to a printing platform of the 3D printer device in a printing process in each layer S1, S2 and S3. Consequently, a plastic material is printed on the plastic jackets 11 at the same time as the metal cores 10. The plastic material for the plastic jackets 11 can be formed, for example, by a polymer. In the following we will also speak of a polymer jacket 11.
Wie anhand des Diagramms D der
Ein zweiter Laser LM erzeugt wiederum eine Laserstrahlung geringerer Wellenlänge, vorliegend zum Beispiel im Bereich von 0,4-0,6 µm. Beispielsweise handelt es sich bei dem zweiten Laser LM um einen Laser zu Erzeugung grünen oder blauen Laserlichts. Laserstrahlung dieser kleineren Wellenlänge wird von einem Metall gut absorbiert und ist damit zu dessen Erwärmung geeignet. Das Polymermaterial der Polymermäntel 11 ist für Laserlicht dieser Wellenlänge aber durchsichtig. Über die unterschiedlichen Laser LP und LM können somit in einer 3D-Druckervorrichtung Metallkerne 10 und Polymermäntel 11 bereits aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs selektiv verbunden, vorliegend insbesondere geschmolzen oder gesintert (oder im Fall des Polymermaterials auch (weiter) polymerisiert) werden.A second laser LM in turn generates laser radiation of a lower wavelength, in the present case for example in the range of 0.4-0.6 µm. For example, the second laser LM is a laser for generating green or blue laser light. Laser radiation of this smaller wavelength is well absorbed by a metal and is therefore suitable for heating it. However, the polymer material of the polymer jackets 11 is transparent to laser light of this wavelength. Using the different lasers LP and LM, metal cores 10 and polymer jackets 11 of already applied metal-plastic powder mixtures can be selectively connected in a 3D printer device, in the present case in particular melted or sintered (or in the case of the polymer material also (further) polymerized).
Die
In einem ersten Bereich G1 wird der Laser LP mit geringerer Leistung betrieben, um Polymermaterial der Polymermäntel 11 zu schmelzen, zu sintern oder (weiter) zu polymerisieren, sodass sich die einzelnen Polymermäntel 11 untereinander verbinden und eine geschlossene Polymerstruktur 3 entsprechend der
Für den an den Bereich G1 angrenzenden Bereich G2 wird mithilfe des Lasers LP Polymermaterial der Polymermäntel 11 schichtweise verdampft. Hierfür wird der Laser LP mit größerer Leistung betrieben als für die Erzeugung der Polymerstruktur 3 im Bereich G1. Die Verdampfung der Polymermäntel 11 im Bereich G2 führt letztlich entsprechend der
Durch die Verdampfung der Polymermäntel 11 ist dabei aber das Volumen der entsprechenden Schichten S1, S2 und S3 um das Volumen der Polymermäntel 11 reduziert und mithin das Druckmaterial lokal geschrumpft. Um die Schrumpfung auszugleichen werden entsprechend der
Anschließend wird entsprechend der
Grundsätzlich ist auch eine Variante denkbar, bei der das eingesetzte Polymermaterial solcher Art ist, dass es in der Umgebung der mithilfe des Lasers LM erzeugten Metallschmelze verascht und dann die derart erzeugte Asche eine thermische Isolierung zu der Metallschmelze bereitstellt. Derart kann beispielsweise auch ein bereits zuvor hergestellter Abschnitt aus Kunststoffmaterial respektive eine entsprechende Kunststoffstruktur 3 im Bereich G1 gebildet werden, die zumindest lokal unter dem Einfluss der nachfolgend erzeugten Metallschmelze verascht, um eine thermische Isolierung zu der Metallschmelze für die zu erzeugende Metallstruktur 4 zu bilden.In principle, a variant is also conceivable in which the polymer material used is of such a type that it ashes in the environment of the molten metal generated using the laser LM and then the ash generated in this way provides thermal insulation from the molten metal. In this way, for example, a previously produced section of plastic material or a corresponding plastic structure 3 can be formed in the area G1, which ashes at least locally under the influence of the subsequently produced molten metal in order to form thermal insulation from the molten metal for the metal structure 4 to be produced.
Mit der erzeugten Metallstruktur 3 kann in dem fertiggestellten Bauteil B beispielweise einen Metalleinleger, eine Leiterbahn oder eine Schaltung definiert sein.With the metal structure 3 produced, a metal insert, a conductor track or a circuit, for example, can be defined in the finished component B.
In der
Grundsätzlich können die unterschiedlichen Laser LM und LP für die selektive weitere Bearbeitung der Metall- und Kunststoffanteile in dem die Metall-Kunststoff-Partikel 1 enthaltenen Druckmaterial zeitlich versetzt und damit in unterschiedlichen Prozessphasen Laserstrahlung erzeugen und hierbei insbesondere eine Verbindung der jeweiligen Kunststoffmäntel 11 oder Metallkerne 10 untereinander schichtweise bewirken. In principle, the different lasers LM and LP can generate laser radiation at different times for the selective further processing of the metal and plastic components in the printing material containing the metal-plastic particles 1 and thus in different process phases and in particular a connection of the respective plastic jackets 11 or metal cores 10 each other in layers.
Es kann aber auch eine entsprechende Verbindung über mehrere Schichten hinweg vorgesehen sein.However, a corresponding connection can also be provided across several layers.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- Pulverpowder
- 1010
- Metallkernmetal core
- 100100
- ZusatzschichtenAdditional layers
- 1111
- PolymermantelPolymer jacket
- 33
- Polymerstruktur / PolymerabschnittPolymer structure/polymer section
- 4, 4E4, 4E
- MetallstrukturMetal structure
- 4A-4D4A-4D
- AnkerstrukturAnchor structure
- DD
- AbsorptionsdiagrammAbsorption diagram
- G1, G2, G3G1, G2, G3
- BereichArea
- LM, LPLM, LP
- LaserLaser
- S1, S2, S3S1, S2, S3
- Schichtlayer
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