DE102018004248A1 - Herstellung von Spezialfilamenten mit hohem Füllgrad an Metall- und Keramikpulvern für Single- und Multimaterial-Bauteile aus Metall und/oder Keramik über den 3D-Druck - Google Patents

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Abstract

Herstellung von Spezialfilamenten mit hohem Füllgrad an Metall- und Keramikpulvern für Single- und Multimaterial-Bauteilen aus Metall und/oder Keramik über den 3D Druck.Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von speziellen Kunststofffilamenten mit einem hohen Füllgrad an metallischen und/oder keramischen Pulvern für 3D Drucker im Schmelzschichtverfahren. Die Erfindung betrifft ebenso die Herstellung von Single- und Multimaterialbauteilen aus Metall und/oder Keramik mithilfe speziell angepasster Materialkompositionen in den Filamenten.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von speziellen Kunststofffilamenten mit einem hohen Füllgrad an metallischen und/oder keramischen Pulvern für 3D Drucker im Schmelzschichtverfahren. Die Erfindung betrifft ebenso die Herstellung von Single- und Multimaterialbauteilen aus Metall und/oder Keramik mithilfe speziell angepasster Materialkompositionen in den Filamenten.
  • Die Herstellung metallischer Bauteile erfolgt entweder durch mechanische Bearbeitung, durch ein geeignetes Urformverfahren, dem Feinguss oder in den letzten Jahren zunehmend durch das Metal Injection Moulding (MIM) oder in der letzten Zeit verstärkt auch durch additive Verfahren wie dem selektiven Laserschmelzen (SLM) u.a..
  • Bei dem Urformverfahren „Metal Injection Moulding(MIM) oder Ceramic Injection Moulding(CIM)“ werden Compounds (sogenannte Feedstocks) aus verschiedenen Kunststoffen und Wachsen und einem hohen Metall- oder Keramikpulveranteil (bis zu 65 Gew.%) hergestellt und in einer Spritzgießmaschine, wie sie auch für den Kunststoffspritzguss verwendet wird, zu einem Bauteil geformt. Dazu wird eine Form (Spritzgießwerkzeug) benötigt, die bis zu 100.000€ und mehr kosten kann.
  • Die so hergestellten Bauteile (Grünlinge) werden anschließend in einem Lösemittelbad bei ca. 45°C entbindert, d.h. ein großer Teil des Kunststoffes oder Wachses wird herausgelöst. Danach erfolgt eine Sinterung (Brennen) bei hohen Temperaturen in einem Sinterofen unter Schutzgas oder Luft (bei vielen Keramiken).
  • Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen insbesondere darin, dass Bauteile mit höchster Formkomplexität hergestellt und der gewünschte Werkstoff, z.B. Stähle, Edelstähle, Bunt und Edelmetalle, Leichtmetalle (Titan), Schwer- und Hartmetalle, Superlegierungen, Oxid und Nichtoxidkeramiken u.v.a. frei ausgewählt werden können. In vielen Fällen ist keine Nacharbeit notwendig. Passungen müssen allerdings i.d.R. gerieben oder gehont werden. Die Materialeigenschaften sind mit mechanisch hergestellten Bauteilen vergleichbar.
  • Der Nachteil besteht darin, dass dieses Verfahren aufgrund des teuren Werkzeuges erst bei Stückzahlen oberhalb 10.000 bis 50.000 Stück per anno wirtschaftlich ist.
  • Additive Fertigungsverfahren wie das SLM könnten hier Abhilfe schaffen. Diese sind in den letzten Jahren weit fortgeschritten, so dass heute auch qualitativ hochwertige Bauteile und Komponenten aus verschiedenen Metallen gedruckt werden können. Zahlreiche beispielhafte Anwendungen aus der Luftfahrtindustrie und Medizintechnik, verdeutlichen, dass additive Fertigungsverfahren bei der Herstellung von Serienteilen völlig neue Möglichkeiten hinsichtlich Produktdesign, Effizienz, Geschwindigkeit und Flexibilität bieten. Allerdings unterliegt das SLM auch einer Reihe von Einschränkungen, die Verfahrensbedingt auch nicht behoben werden können. So ist es z.B. nicht möglich geschlossene Hohlräume abzubilden. Des Weiteren beschränkt sich metallphysikalisch bedingt, die Materialpalette auf wenige ausgewählte Werkstoffe. Kupfer, Hart- und Schwermetalle und vor allem Kohlenstoffstähle aber auch Keramik sind derzeit nicht verarbeitbar. Darüber hinaus sind insbesondere Materialkombinationen nicht möglich.
  • Durch die Entwicklung von Spezialfilamenten für das „3D Metal Printing“ bietet sich erstmals die Möglichkeiten diese Nachteile aufzulösen und Bauteile aus metallischen und keramischen Materialien oder Kombinationen derselben mit geschlossenen Hohl- und Gitterstrukturen zu fertigen. Ebenso können alle sinterbaren Werkstoffe ohne Einschränkungen verarbeitet werden. Das trifft auch auf Materialkombinationen, wie Metall-Metall, Keramik- Keramik aber auch Metall-Keramik Verbunde zu.
  • Die erfindungsgegenständlichen Ideen beziehen sich sowohl auf die Herstellung der Metall- und Keramikfilamente in ihrer, den Anforderungen des Verfahrens angepassten Zusammensetzung als auch auf das spezielle Herstellungsverfahren, das die Einstellung der geforderten Eigenschaften erst ermöglicht.
  • Grundsätzlich bestehen die Spezialfilamente aus einer Mischung von feinsten anorganischen Pulvern, wie zum Beispiel Metall- oder Keramikpulvern oder einer Mischung davon und einen organischen Binder, der sich wiederum aus verschiedenen Organika zusammensetzt In der Regel besteht das Filament zu 70 - 98% aus anorganischen Bestandteilen und zu 2 - 30% aus organischem Binder.
  • Im Gegensatz zu den bekannten Kunststofffilamenten, weisen die Spezialfilamente, eine Reihe von grundsätzlich verschiedenen Eigenschaften auf, die bei der Rezepturfindung berücksichtigt werden müssen.
  • Aufgrund des hohen Metall- oder Keramikpulveranteils weisen die Filamente gegenüber reinem Kunststoff eine deutlich erhöhte Wärmeleitfähigkeit auf. (auch Keramik kann eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, was wenig bekannt ist). Die Wärmeleitfähigkeit wiederum beeinflusst sowohl das Aufschmelzverhalten im Bereich der Extruderdüse als auch das Verhalten des Filaments im gekühlten Bereich des Extruders.
  • Gleiches gilt für das Abkühlverhalten des extrudierten Filaments auf dem Druckbett. Durch die, aufgrund des hohen anorganischen Anteils erhöhte Wärmekapazität, verändert sich das Abkühlverhalten derart, dass, das sowohl eine ausreichende Stabilität des gedruckten Grünteils als auch die Verschmelzung der einzelnen Schichten in Z aber auch in X und Y Richtung gewährleistet sein muss. Dies wird durch die Einstellung einer speziellen Filamentrezeptur realisiert.
  • Bei den meisten additiven Fertigungsverfahren werden technologiebedingt meist in Z-Richtung, d.h. in Aufbaurichtung des zu fertigenden Bauteils niedrigere Festigkeit- und andere physikalische und chemische Eigenschaften beobachtet. Der Grund dafür ist insbesondere bei den Schmelzschichtverfahren, das ungenügende (unvollständige verschmelzen der Schichten untereinander. Diesem wichtigen Aspekt gilt es bei der Rezepturfindung Rechnung zu tragen.
  • Die mechanischen Eigenschaften sollte so bemessen sein, dass das Filament eine Ausreichende Festigkeit (Elastizität) und Härte aufweist, um durch einem speziell entwickelten Antrieb (siehe Patentanmeldung DE 10 2017 003 495.8 ) exakt gefördert werden zu können.
  • Schmelzschichtverfahrentypisch wird das Filament mithilfe eines Antriebsystems (Steppermotor - Extrudervorschubrändel - Hotend) durch die Vorschubeinrichtung gefördert und an der beheizten Düse des Hotends aufgeschmolzen. Die dafür benötigten Temperaturen liegen in der Regel deutlich über denen des Filamentherstellungsprozesses. In vielen Fällen kann es hier zu Entmischungserscheinungen kommen, d.h. das sich der anorganische vom organischen Teil des Compounds separiert und zu einer Verstopfung der Düse und/oder zu irreversiblen Anisotropie im gedruckten Bauteil kommt. Diesem Umstand muss ebenso in der Rezeptur oder im Herstellungsverfahren Rechnung getragen werden.
  • Für die spätere Qualität des Bauteils hinsichtlich seiner geometrischen Gestalt, seiner mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften ist eine höchstmögliche Homogenität des Ausgangsgemisches(Compounds), d.h. die gleichmäßige Verteilung der einzelnen anorganischen und organischen Komponenten zueinander in den Filamenten von wesentlicher Bedeutung. Die kann nur durch die Entwicklung eines speziellen Herstellungsverfahrens und den verwendeten Einzelkomponenten erreicht werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102017003495 [0015]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Filamentherstellung von Metallen oder Keramiken oder einer Mischung davon, wobei das Filament aus einem anorganischen pulverförmigen Stoff oder Stoffgemisch und einem organischem Binder, wiederum als Stoff oder Stoffgemisch besteht und die Anteile 70 - 98 % Anorganik und 2 - 30 % Organik betragen.
  2. Verfahren zur Filamentherstellung, wobei die Organik aus einer Mischung von verschiedenen Polymeren bzw. CoPolymeren, die teilkristallin oder amorph sein können, z.B. Polyacrylate, verschiedenen Weichmachern, die bei RT fest oder flüssig sein können, z.B. Parabene und verschiedenen Zusatzstoffen, z.B. Fettsäuren, besteht.
  3. Verfahren zur Filamentherstellung, wobei die Polymere polar sind und diese dadurch eine optimal mögliche Bildung, insbesondere zu Metalloberflächen eingehen und dadurch eine Viskositätsverbesserung stattfindet.
  4. Verfahren zur Filamentherstellung, wobei die verwendeten Polymere teilkristallin oder amorph sein können und sich durch unterschiedlichen Schmelzbereich, Glasumwandlungstemperatur, Schmelzviskosität, Schmelzvolumenindex und Scherviskosität unterscheiden.
  5. Verfahren zur Filamentherstellung, wobei durch die Mischung von Polymeren, die sich in ihrer Scherviskosität und weiterer Eigenschaften unterscheiden, die Elastizität und Viskosität der Filamente eingestellt wird.
  6. Verfahren zur Filamentherstellung, wobei die Parabene flüssig oder fest sein können und sich durch ihren unterschiedlichen Schmelzbereich unterscheiden.
  7. Verfahren zur Filamentherstellung, wobei die Zusatzstoffe, z.B. Fettsäuren, sich durch die Anzahl der in der Kette enthaltenen Kohlenstoffatome und dem Schmelzbereich unterscheiden.
  8. Verfahren zur Filamentherstellung, wobei der Anteil der organischen Stoffe untereinander zur Erzielung der geforderten Filamenteigenschaften variiert.
  9. Verfahren zur Filamentherstellung, wobei die organischen Stoffe bei erhöhten Temperaturen entweder in verschiedenen Alkoholen, z.B. Ethanol oder in Ketonen, z.B. Aceton oder in Hexanen oder in Ethylacetat oder in Wasser oder einer Mischung davon löslich sind.
  10. Verfahren zur Filamentherstellung, wobei die organischen Komponenten zuerst in einem Mischer intensiv vermischt und danach die anorganischen Pulver oder Pulvergemisch bei erhöhten Temperaturen zugeführt, anschließend abgekühlt und extrudiert werden und dass dadurch die praktisch höchstmögliche Homogenität erzielt wird.
  11. Verfahren zur Filamentherstellung, wobei eine oder mehrere Komponenten der Organik bei erhöhten Temperaturen an oder mit den Metalloberflächen reagieren und eine Bildung organischer Salze oder eine Verkürzung der Molekülketten stattfinden kann und damit eine Viskositätsänderung.
  12. Verfahren zur Filamentherstellung, wobei die Rezepturen der Filamente für die Herstellung von Multimaterialbauteilen so angepasst werden, dass praktisch gleiche Extrusionstemperaturen verwendet werden können, um die Schmelzschichten in X, Y und Z Richtung vollständig zu verbinden.
DE102018004248.1A 2018-01-10 2018-05-28 Herstellung von Spezialfilamenten mit hohem Füllgrad an Metall- und Keramikpulvern für Single- und Multimaterial-Bauteile aus Metall und/oder Keramik über den 3D-Druck Withdrawn DE102018004248A1 (de)

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