DE102018003864A1 - Verfahren zum Drucken und Sintern von Formkörpern welche aus metall- und keramikgefüllten Filamenten erzeugt werden - Google Patents

Verfahren zum Drucken und Sintern von Formkörpern welche aus metall- und keramikgefüllten Filamenten erzeugt werden Download PDF

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Abstract

Das erfindungsgegenständliche Verfahren bezieht sich auf den Druck und das anschließende Sintern von metall- oder keramikgefüllten Filamenten. Im einzelnen beschreibt das Verfahren die Spulenabwicklung des Filaments, die Gestaltung der Grenzzonen zwischen zwei zu druckenden Werkstoffen und eine Unterlage für das Werkstück im Sinterofen.

Description

  • Die erfindungsgegenständlichen Ideen beziehen sich auf eine neuartige generative Fertigungstechnologie, welche die Vorteile der generativen Fertigung mit einem Entbinderungs- und Sinterprozess kombiniert. Der Prozess besteht aus zwei Phasen - dem additiven Aufbau von Grünteilen aus extrusionsbasierten metall- oder keramikgefüllten Filamenten einerseits und dem anschließenden Entbindern, Sintern und Nachbearbeiten dieser Teile andererseits. Das den einzelnen Erfindungen zugrundeliegende Verfahren zeichnet sich im Vergleich zu pulverbasierten generativen Verfahren durch einfaches Materialhandling und niedrige Kosten aus.
  • Der erste Schritt des erfindungsgegenständlichen Verfahrens ist die Herstellung eines sogenannten Feedstocks. Zur Herstellung des Feedstocks wird zunächst Metall- oder Keramikpulver entsprechend der gewünschten Legierung miteinander vermengt. Anschließend werden thermoplastische Kunststoffe und Additive beigemischt und mit dem Pulvermix homogenisiert. In einem Extrusionsprozess wird diese Masse zu einem flexiblen Filament verarbeitet. Hierbei wird das Ausgangsmaterial in einem Extruder aufgeschmolzen, vor einer Förderschnecke verdichtet, über eine Düse zu einem Filament mit definierten (beispielsweise rundem) Querschnitt geformt und anschließend abgekühlt. In einer vorteilhaften Ausführung weist dieses Filament einen Querschnitt von 1 bis 3 mm auf.
  • In einem zweiten Verfahrensschritt wird dieses metall- oder keramikgefüllte Filament über einen Prozess der Schmelzschichtung zu einem frei definierbaren Körper modelliert. Das entstehende Formteil (Grünteil) besteht aus Metal- oder Keramikpulver und organischen Bindemitteln. Es zeigt die Geometrie des späteren finalen Bauteils in einem skalierten Maßstab, d.h. es verfügt über ein um den Bindemittelgehalt vergrößertes Volumen. Es hat in einer vorteilhaften Ausführung einen Anteil von ca. 2 bis 30 Prozent Binder und 70 bis 98 Prozent Metall- oder Keramikpulver. Es verfügt bei sachgerechter Herstellung über eine Festigkeit ähnlich thermoplastischer Kunststoffteile und eine homogene Pulververteilung mit oder ohne Ausrichtung der einzelnen Partikel.
  • Die erfindungsgegenständlichen Ideen beziehen sich auf die Handhabung und Förderung des metallgefüllten Filaments im 3D-Drucker sowie die Entnahme der fertigen Förmkörper. Die Ideen basieren auf den Besonderheiten des zuvor geschilderten neuartigen generativen Verfahrens: Da das metall- oder keramikgefüllte Filament im Gegensatz zu den heute hinlänglich bekannten Kunststoff-Filamenten, schwer und gleichzeitig mechanisch instabil ist sind für dessen Verarbeitung folgende besondere Vorkehrungen zu treffen:
    1. 1. Das auf einen Rolle aufgewickelte Filament kann aufgrund seiner geringen Festigkeit nicht von einer konventionellen Spule heruntergezogen werden ohne seinen Querschnitt zu verändern oder zu zerreißen. Die Abwickelspule muss daher konisch geformt und entsprechend der Querbewegung des Druckkopfes mitgelenkt werden um einen zu hohen Biegeradius des Filaments zwischen Spule und Druckkopf zu vermeiden.
    2. 2. Das abgewickelte Filament wird in einem flexiblen Rohr geführt um Beschädigungen und/oder zu enge Biegeradien zu vermeiden sowie ein Kühlmittel zwischen Rohrinnenseite und Filament zu befördern.
    3. 3. Bei Bauteilen mit unterschiedlichen lokalen Anforderungen können verschiedene Metalle mit ähnlichem Schmelzpunkt aber unterschiedlichen Eigenschaften über mehrere Druckköpfe in einem sogenannten Multimaterial-Bauteil kombiniert werden. Dies gilt auch für keramische Werkstoffe. Werden zwei oder mehrere verschiedene metall- oder keramikgefüllte Filamente in einem Formkörper verdruckt um die funktionalen Eigenschaften des Werkstücks zu optimieren treten beim Sinterprozess aufgrund des leicht abweichenden Schrumpfungsfaktoren häufig Risse in der Grenzzone auf. Dies kann erfindungsgemäß dadurch verhindert werden dass die Grenzzone zwischen zwei Werkstoffen verzahnt ausgeführt ist.
    4. 4. Werden zwei oder mehrere verschiedene metall- oder keramikgefüllte Filamente in einem Formkörper verdruckt um die funktionalen Eigenschaften des Werkstücks zu optimieren treten beim Sinterprozess aufgrund des leicht abweichenden Schrumpfungsfaktoren häufig Delaminationen in der Grenzzone auf. Dies kann erfindungsgemäß dadurch verhindert werden dass die Grenzzone zwischen zwei Werkstoffen verzahnt ausgeführt ist und die Zähne bzw. Randzone des weniger schrumpfenden Materials Hohlräume zum Ausgleich der Materialkompression enthalten.
    5. 5. Zur schnelleren Entnahme der gedruckten Bauteile wird der Drucker mit zwei Bodenplatten ausgestattet. Soll nun ein auf einer der beiden Bodenplatten gedruckter Formkörper abgenommen werden so fährt die Bodenplatte mit der gedruckten Struktur auf die Höhe des unteren Abschlusses der offenen Druckkammer während auf der zweiten Bodenplatte am oberen Abschluss der Druckkammer an einem anderen Formkörper weiter gedruckt wird.
    6. 6. Metallgefüllte Formkörper schrumpfen während des Sinterprozesses um bis zu 20 Prozent. Es muss daher für eine ausreichende Beweglichkeit der Werkstücke auf der Unterlage im Ofen sichergestellt sein. Wird eine mitsinternde Unterlage aus dem gleichen Material wie das Werkstück verwendet so verschweißt diese mit dem Werkstück und muss später aufwendig entfernt werden. Um dieses Probleme zu vermeiden sieht das erfindungsgegenständliche Verfahren folgende Maßnahmen vor: Zwischen Unterlage und Werkstück wird eine dünne Schicht Keramikpulver gedruckt, dessen Schmelzpunkt i.d.R. weit über dem von metallischen Werkstücken liegt. Durch diese Trennschicht lassen sich nach dem Sintervorgang Werkstück und Unterlage leicht wieder voneinander lösen.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 5 näher beschrieben. Es zeigen:
    • 1 das erfindungsgemäße Verfahren zur Abwicklung von metall- oder keramikgefülltem Filament auf konisch geformten Spulen welche in
    • Querrichtung des Druckvorgangs mitgelenkt werden können 2 das erfindungsgemäße System zum Sintern von metallgefüllten Formkörpern die aus mehr als einem metallischen oder keramischen Werkstoff bestehen und an der Grenzzone der beiden Werkstoffe durch eine Verzahnung zum Ausgleich von Materialkompression gekennzeichnet sind.
    • 3 das erfindungsgemäße System zum Sintern von metallgefüllten Formkörpern die aus mehr als einem metallischen oder keramischen Werkstoff bestehen und an der Grenzzone der beiden Werkstoffe durch eine Verzahnung und Hohlkammern zum Ausgleich von Materialkompression gekennzeichnet sind
    • 4 das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von separaten Bauteilen durch Schmelzschichten auf voneinander unabhängig höhenverstellbaren Bodenplatten
    • 5 das erfindungsgemäße Verfahren zur Lagerung von metallgefüllten Formkörper in einem Sinterofen auf Keramikpulver
  • In 1 findet sich ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems (A) zum Abspulen von metall- oder keramikgefüllten Filamenten (B) durch einen mit einer konischen Randzone (C) ausgestatteten Spulkörper (D) bei gleichzeitiger Auslenkung des Spulkörpers nach links und rechts
  • In 2 findet sich ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems zur Absetzen von gedruckten Bauteilen (A) bei dem unterschiedliche Filament-Materialien (B,C) über eine Verzahnung (D) miteinander verbunden werden
  • In 3 findet sich ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems zur Absetzen von gedruckten Bauteilen (A) beim dem unterschiedliche Filament-Materialien (B,C) über eine Verzahnung (D) und zusätzliche Hohlkörper (E) zum Ausgleich von Materialkompression miteinander verbunden werden
  • In 4 findet sich ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen 3D-Drucksystems (A) mit zwei oder mehr unabhängig voneinander höhenverstellbaren Bodenplatten (B) (C) welche synchronisiert oder asynchron in z-Achse bewegt werden können.
  • In 5 findet sich ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Lagerung von metallgefüllten Formkörper (A) in einem Sinterofen (B) auf einer Schicht Keramikpulver (C)

Claims (8)

  1. Verfahren zur Erzeugung eines Formkörpers im Schmelzschichtverfahren dadurch gekennzeichnet dass ein metall- oder keramikgefülltes Filament von einem Spulkörper mit konischer Randzone abgewickelt wird
  2. Verfahren zur Erzeugung eines Formkörpers im Schmelzschichtverfahren dadurch gekennzeichnet dass ein metall- oder keramikgefülltes Filament von einem Spulkörper abgewickelt wird welcher nach rechts und links ausgelenkt werden kann.
  3. Verfahren zur Erzeugung eines Formkörpers im Schmelzschichtverfahren dadurch gekennzeichnet dass ein metall- oder keramikgefülltes Filament von einem Spulkörper abgewickelt wird und dieses Filament in einem flexiblen Rohr geführt wird
  4. Verfahren zur Erzeugung eines Formkörpers im Schmelzschichtverfahren dadurch gekennzeichnet dass ein metall- oder keramikgefülltes Filament von einem Spulkörper abgewickelt wird und dieses Filament in einem flexiblen Rohr geführt wird welches zwischen Filament und Rohrinnenseite ein Kühlmedium enthält
  5. Verfahren zur Erzeugung eines Formkörpers im Schmelzschichtverfahren dadurch gekennzeichnet dass unterschiedliche metallische oder keramische Materialien in einem Formstück verbunden werden und die Grenzzone zwischen diesen Materialien verzahnt ausgeführt ist
  6. Verfahren zur Erzeugung eines Formkörpers im Schichtschmelzverfahren dadurch gekennzeichnet dass unterschiedliche metallische oder keramische Materialien in einem Formstück verbunden werden und die Grenzzone zwischen diesen Materialien verzahnt und mit Hohlräumen ausgeführt ist
  7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet dass Formkörper und Deckenstruktur auf jeweils zwei oder mehr voneinander unabhängig höhenverstellbaren Bodenplatten aufgesetzt werden
  8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet dass bei einem anschließenden Sinterprozess der Formkörper auf einer keramischen Trennschicht aufgelegt wird
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP3903967A1 (de) 2020-04-29 2021-11-03 Siemens Aktiengesellschaft Anordnung zur materialextrusion bei einer additiven fertigung eines dreidimensionalen druckobjekts
WO2021228306A1 (de) 2020-05-14 2021-11-18 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Elektromotorbauteil und verfahren zur herstellung eines elektromotorbauteils eines axialflussmotors, sowie axialflussmotor

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EP3903967A1 (de) 2020-04-29 2021-11-03 Siemens Aktiengesellschaft Anordnung zur materialextrusion bei einer additiven fertigung eines dreidimensionalen druckobjekts
WO2021228306A1 (de) 2020-05-14 2021-11-18 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Elektromotorbauteil und verfahren zur herstellung eines elektromotorbauteils eines axialflussmotors, sowie axialflussmotor

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