EP4341022A1 - Verfahren zur herstellung einer druckerdüse - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer druckerdüse

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Publication number
EP4341022A1
EP4341022A1 EP21728837.2A EP21728837A EP4341022A1 EP 4341022 A1 EP4341022 A1 EP 4341022A1 EP 21728837 A EP21728837 A EP 21728837A EP 4341022 A1 EP4341022 A1 EP 4341022A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
weight
nozzle
steel
powder
alloy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21728837.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
André MITTELSTÄDT
Christian STERTZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schunk Sintermetalltechnik GmbH
Original Assignee
Schunk Sintermetalltechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schunk Sintermetalltechnik GmbH filed Critical Schunk Sintermetalltechnik GmbH
Publication of EP4341022A1 publication Critical patent/EP4341022A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/001—Austenite
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    • C21D2211/005—Ferrite
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a printer nozzle that dispenses molten material, in particular a printer nozzle for FFF printing, having a nozzle body with a receiving section and an outlet section that is in particular in the shape of a cone or truncated cone.
  • FFF Field Fused Filament Fabrication
  • FDM Field Deposition Modeling
  • the object of the present invention is to provide a method for producing a printer nozzle through which molten material is dispensed, in particular a printer nozzle intended for filament 3D printing, which can be produced inexpensively using a wear-resistant material.
  • the nozzle opening ie the tip area, should be able to be manufactured with high quality in order to achieve good printing results.
  • the nozzle body is produced by injection molding of metal-containing powder and sintering.
  • the metal powder injection molding process known as MIM is used to combine injection molding, which is known from plastics technology, with sintering, so that it is possible to use wear-resistant materials that could cause problems with mechanical processing without any problems. to use, wherein the printer nozzle produced itself has a high surface quality, especially inside the nozzle. There is also the possibility of changing the design by changing the injection mold, so that there is freedom of design. The manufacturing tolerances are small due to the injection molding technology.
  • the nozzle openings can also be produced with sharp edges without any problems.
  • the nozzle channel extending in the longitudinal direction of the nozzle body can be formed by a tool dome which has a conical shape on the outlet section side.
  • nozzle channel it is not absolutely necessary for the nozzle channel to pass through the face area of the nozzle body. Rather, desired outlet opening diameters can be produced by mechanical processing, in that layers are removed starting from the distal region of the outlet section. The same applies in the event that a continuous nozzle channel is already formed during the spraying process.
  • the invention provides in a development that should be emphasized that the nozzle body is produced at least in sections by two-component injection molding.
  • the area of the inner channel that runs conically at least in sections on the opening side is produced as the first area in a first injection molding process and the remaining area as the second area of the nozzle body in a second injection molding step, with the first area consisting of a material that can be more wear-resistant than that of the second area .
  • plastics such as PLA (polyactide), ABS (acrylonitrile butadiene styrene copolymer), TPU (thermoplastic polyurethane) or PETG (polyethylene terephthalate), to name just a few suitable plastics, can be printed without any problems.
  • plastics such as PLA (polyactide), ABS (acrylonitrile butadiene styrene copolymer), TPU (thermoplastic polyurethane) or PETG (polyethylene terephthalate), to name just a few suitable plastics
  • PLA polyactide
  • ABS acrylonitrile butadiene styrene copolymer
  • TPU thermoplastic polyurethane
  • PETG polyethylene terephthalate
  • a green body is removed from the tool and binder is removed to produce a brown body.
  • the brown body is then sintered, it being possible for the green body and/or the brown body and/or the sintered body, in particular the green body, to be machined in order to provide the desired final geometries after sintering.
  • a metal powder based on iron material is used as the metal powder.
  • a material from the group of unalloyed steel, low-alloy case-hardening steel, higher-alloy fenitic steel, austenitic steel can be used.
  • the proportion of carbon should be between 0.1% by weight and 1.3% by weight.
  • low-alloy steel contains the following alloying elements in % by weight:
  • the preferred alloy composition of the metal powder in % by weight for low-alloy steel is:
  • the proportion by weight of carbon should be between 0.01% to 2.5%, with at least 12% of at least one of the elements chromium or nickel being included.
  • a higher-alloy steel should have a composition in % by weight:
  • Balance Fe and unavoidable impurities containing at least 12% by weight of at least one of the elements Cr or Ni.
  • the preferred alloy composition in % by weight is:
  • the sintered body is subjected to heat treatment, in particular hardening such as case hardening, tempering, carbonitriding, nitriding.
  • Heat treatment processes for ferritic steels are known to those skilled in the art and are carried out according to specified parameters depending on the material used.
  • case hardening carburizing or carbonitriding during annealing in the austenitic area
  • tempering consisting of hardening and tempering
  • Subsequent tempering to relieve the stresses is also common in case hardening.
  • the area subjected to high abrasion may contain a metal powder whose base material is cobalt or nickel.
  • the corresponding wear-resistant first area contains hard particles such as oxides, carbides, nitrides and/or PCD.
  • the proportion of hard particles in wt. % is preferably dependent on the
  • oxides e.g. B. A1 2 O 3 , Y 2 O 3 , 0.1 - 5.0% nitrides, z. B.BN, 0.1 - 5.0%
  • a nozzle according to the invention is produced in such a way that a different material is used in the heavily stressed area, i.e. in particular in the area of the inner channel, than in the remaining area of the nozzle, it is provided that an iron-based alloy, as has been described above, is used as the base material, is used for the area that is not heavily stressed, and for the stressed area, a cobalt-based or nickel-based alloy is preferably used as the second component.
  • the second component used is one with the following composition in % by weight:
  • a nickel-based alloy is used as the second component, this preferably has the following composition in % by weight:
  • the powder used is preferably one that contains 50% by weight to 80% by weight metal powder and 20% by weight to 50% by weight binder.
  • Methacrylates aniline, water, mineral oil, agar, glycerol, polyvinyl butyryl, polybutyl methacrylate, cellulose, oleic acid, phthalate, paraffin, wax, especially camauba wax, ammonium, polyacrylate, diglyceride stearates and oleates, glyceryl monostearate, isopropyl -T itanates, lithium stearates, monoglycerides, formaldehyde, octyl acid phosphates, olefin sulfonates, phosphate esters, acid fatty alcohol esters, stearic acid, zinc stearates can be used.
  • a binder which contains the following components: a) 10% by weight to 50% by weight polyamide, b) 40% by weight to 80% by weight acid fatty alcohol ester and c) 2% to 20% by weight of an organic acid.
  • the invention is also characterized by a printer nozzle produced according to method steps of the type previously explained.
  • the invention is also characterized by the use of a printer nozzle of the type previously described for filament 3D printing.
  • pure plastic or filled plastic in particular plastic filled with ceramics, renewable raw materials such as wood, and/or plastic-coated metal, is printed by means of the printer nozzle.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a printer head in detail
  • Fig. 2, 3 embodiments of printer nozzles.
  • FIG. 1 shows a section of a printer head 10 intended for FFF printing, by means of which molten plastic, which is optionally filled, is applied in layers a substrate is applied in order to produce a body in the additive process according to a 3D model.
  • the printer head has a printer nozzle 12 manufactured according to the invention, which is screwed into a heating block 14 .
  • the printer nozzle 12 merges into a plastic thread leading section 25, which is surrounded by a heat sink 16 from the heating block 14.
  • the distance between the heater block 14 and the heat sink 16 serves as a heat interrupter.
  • the printer nozzle 12 consists of a nozzle body, which in turn has a receiving section 20 with an external thread for screwing into the section 14 and an outlet section 22 having the shape of a cone or a truncated cone with a nozzle opening 24 through which the plastic 25 is discharged.
  • a nozzle channel 26 runs inside the nozzle 12, i.e. the nozzle body, which tapers conically towards its distal end, i.e. towards the nozzle outlet opening 24 (section 27), as is self-explanatory from the graphic representation.
  • the nozzle 12 is manufactured using metal injection molding and sintering.
  • metal powder of a suitable alloy is kneaded with a binder to form a homogeneous powder mixture and heated.
  • the metal mixture - the feedstock - is processed in the injection molding process. To do this, the feedstock is injected into a closed mold at high pressure. The mold is completely filled and the feedstock is plasticized.
  • pressures of between 100 bar and 2000 bar, preferably between 400 bar and 1000 bar, are used.
  • the temperatures are between 80°C and 280°C, preferably between 100°C and 150°C.
  • the tool into which the feedstock is injected at high pressure should have a temperature between 10°C and 150°C, especially between 25°C and 35°C.
  • a so-called green compact is removed from the tool in order to then debind it, e.g. thermally, chemically or catalytically, so that the nozzle 12 is then available as a brown compact.
  • Debinding can preferably be carried out in a temperature range between 40.degree. C. and 60.degree.
  • Sintering then takes place at high temperatures to achieve a precision molded part.
  • a hardening or tempering process can then be carried out.
  • the nozzle 12 can optionally be used immediately after sintering or hardening.
  • mechanical processing which can in principle take place in every step of the process, e.g. the green compact, the brown compact or the sintered component can be mechanically processed.
  • machining For post-processing of the printer nozzle or the nozzle bore, which should preferably have a diameter of between 0.2 mm and 0.6 mm depending on the embodiment, the following should be mentioned: machining,
  • Wire erosion if necessary surface grinding, in particular of the end of the nozzle, i.e. the stop surface and the end of the thread, and if necessary vibratory grinding.
  • Standard M6 printing nozzles with a diameter of 0.2 mm, 0.4 mm and 0.6 mm are preferably produced using the method according to the invention.
  • Iron material in particular should be mentioned as a suitable base material for the metal powder.
  • Unalloyed steel, low-alloy case-hardening steel, higher-alloy ferritic steel or austenitic steel can be used.
  • corresponding areas 29 in particular the inner channel 26 in the area of the nozzle outlet 24 can be made of a material that has e.g. cobalt or nickel as the base material, with hard particles such as oxides, carbides, nitrides and/or polycrystalline diamond being admixed.
  • the feedstock to be sprayed should contain, in particular, 50 to 80% by weight of metal powder and 20 to 50% by weight of binder.
  • the inner channel 26 can be formed in the injection mold by means of a mandrel, the outer geometry of which corresponds to the inner geometry of the inner channel, the shrinkage during debinding and in particular during sintering being taken into account.
  • the nozzle 122 can have internal channels of different diameters, indicated by lines 124, 126, 128, which open into openings 130, 132, 134, which have different diameters.
  • an internal channel of 1.75mm diameter bounded by line 124 or one of 2.85mm diameter bounded by line 126 opens into 0.25mm diameter orifice 130, at 132 with a diameter of 0.4mm or in the 132 with a diameter of 0.6mm.
  • FIG. 1 An alternative formation of nozzle outlet openings of different diameters is to be illustrated in FIG.
  • layers are removed starting from the exit section 222 of the nozzle 200 from the face area 227 in order to achieve nozzle openings of different diameters, the inner channel 226 being the same for all openings, but the length of the conical section 228 depending on the ones removed layers varied.
  • this has an opening 230 which is, for example, 0.25 mm. If a layer 232 is removed, the opening is enlarged according to the angle of inclination of the conical section 228, so that a Nozzle opening 234 of, for example, 0.40 mm results. If a further layer 236 is removed, a larger outlet opening of, for example, 0.60 mm is produced.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer schmelzflüssiges Gut abgebenden Druckerdüse (12, 122, 200) aufweisend einen Düsenkörper mit einem Aufnahmeabschnitt (20) und einem insbesondere eine Kegel- oder Kegelstumpfform aufweisenden Austrittsabschnitt (22, 222), gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte - Spritzgießen von Metall enthaltendem Pulver und - Sintern.

Description

Beschreibung Verfahren zur Herstellung einer Drackerdüse
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer schmelzflüssiges Gut abgebenden Druckerdüse, insbesondere Druckerdüse für FFF-Druck, aufweisend einen Düsenkörper mit einem Aufhahmeabschnitt und einem insbesondere eine Kegel- oder Kegelstumpfform aufweisenden Austrittsabschnitt.
Unter den Bezeichnungen FFF (Fused Filament Fabrication) und FDM (Fused Deposition Modeling) wird ein Filament 3 D-Druck- V erfahren verstanden, bei dem Kunststofffaden geschmolzen werden, um sodann Schichten eines 3D-Modells auf ein Substrat aufzubringen. Nach Erstarren einer Schicht werden weitere Schichten aufgetragen, so dass letztendlich ein dem 3D-Modell entsprechender Körper entsteht.
Grundlegendes Prinzip dieses Verfahrens ist z.B. der EP 0 833 2237 Bl zu entnehmen. Die zum Drucken des geschmolzenen Kunststoffs verwendeten Düsen werden nach dem Stand der Technik aus einem Vollkörper durch spanende Bearbeitung hergestellt. Als preiswertes Material kommt Messing in Frage, das jedoch für härtere Druckmaterialien den V erschleißanforderungen nicht dauerhaft genügt. Daher gibt es auch Düsen aus gehärtetem Stahl, nicht rostendem Stahl oder Düsen mit einem Einsatz aus polykristallinem Diamant (PKD) (WO 2020/239165 Al), um eine hohe Standzeit zu erzielen. Einsatz und Düsenkörper sind separate Bauteile, die stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Druckerdüse, über die schmelzflüssiges Gut abgegeben wird, insbesondere eine Druckerdüse bestimmt für den Filament 3D-Druck zur Verfügung zu stellen, die kostengünstig unter Einsatz eines verschleißfesten Werkstoffs hergestellt werden kann. Dabei soll die Düsenöffnung, also der Spitzenbereich mit hoher Qualität hergestellt werden können, um gute Druckergebnisse zu erzielen. Zur Lösung einer oder mehrerer Aspekte ist vorgesehen, dass der Düsenkörper durch Spritzgießen von Metall enthaltendem Pulver sowie Sintern hergestellt wird.
Erfindungsgemäß wird das als MIM- V erfahren bekannte Metallpulverspritzgießverfahren benutzt, um das Spritzgießen, das aus der Kunststofftechnik bekannt ist, mit dem Sintern zu kombinieren, so dass die Möglichkeit besteht, auch problemlos verschleißfeste Werkstoffe, die bei einer mechanischen Bearbeitung zu Problemen fuhren könnten, zu verwenden, wobei die hergestellte Druckerdüse selbst eine hohe Oberflächenqualität, insbesondere im Inneren der Düse aufweist. Auch besteht die Möglichkeit, durch Änderung des Spritzgießwerkzeuges das Design zu ändern, so dass eine Designfreiheit gegeben ist. Die Herstellungstoleranzen sind durch die Spritzgießtechnologie gering.
Auch sind problemlos die Düsenöffhungen scharfkantig herstellbar.
Dabei kann der sich in Längsrichtung des Düsenkörpers erstreckende Düsenkanal durch einen Werkzeugdom gebildet werden, der austrittsabschnittseitig eine Konusform aufweist.
Es ist nicht zwingend erforderlich, dass der Düsenkanal den S timbereich des Düsenkörpers durchsetzt. Vielmehr können durch mechanisches Bearbeiten, indem Schichten ausgehend vom distalen Bereich des Austrittsabschnitts abgetragen werden, gewünschte Austrittsöffnungsdurchmesser hergestellt werden. Gleiches gilt für den Fall, dass beim Spritzvorgang bereits ein durchgehender Düsenkanal ausgebildet wird.
Ist nach dem Stand der Technik, wie dieser der WO 2020/239165 Al zu entnehmen ist, zum Erzielen einer hohen Verschleißfestigkeit des Düsenaustritts ein gesonderter Einsatz erforderlich, der sodann mit dem Düsenkörper zu verbinden ist, so sieht die Erfindung in hervorzuhebender Weiterbildung vor, dass der Düsenkörper zumindest abschnittsweise durch Zwei-Komponenten-Spritzgießen hergestellt ist. Dabei wird der zumindest abschnittsweise konusförmig öffnungsseitig verlaufende Bereich des Innenkanals als ersten Bereich in einem ersten Spritzvorgang und verbleibender Bereich als zweiter Bereich des Düsenkörpers in einem zweiten Spritzschritt hergestellt, wobei der erste Bereich aus einem Material besteht, das verschleißbeständiger als das des zweiten Bereichs sein kann. Somit ist sichergestellt, dass auch bei Verwendung gefüllter Kunststoffe und solcher, die eingekapseltes Metall oder gegebenenfalls PKD enthalten, diese mit einer Druckerdüse gedruckt werden können, die eine hohe Standzeit aufweist, gleichzeitig der Herstellungsprozess jedoch recht einfach ist. Ein Zusammensetzen von Komponenten ist nicht erforderlich. Eine Kontur mit engen Toleranzen ist erzielbar.
Problemlos kann mit der erfindungsgemäßen Druckerdüse schmelzflüssige und gegebenenfalls gefüllten Kunststoffe, d.h. Kunststoffe wie PLA (Polyactide), ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymers), TPU (thermoplastisches Polyurethan) oder PETG (Polyethylenterephthalat), um nur einige geeignete Kunststoffe zu nennen, die z.B. mit Metall, Holz, PKD, Keramik gefüllt sein können, gedruckt werden.
Nach dem Spritzgießen wird dem Werkzeug ein Grünkörper entnommen, der zur Herstellung eines Braunkörpers entbindert wird. Der Braunkörper wird sodann gesintert, wobei der Grünkörper und/oder der Braunkörper und/oder der gesinterte Körper, insbesondere der Grünkörper, mechanisch bearbeitet werden kann, damit nach dem Sintern gewünschte Endgeometrien zur Verfügung zu stellen.
Als Metallpulver wird insbesondere ein solches auf Eisenwerkstoffbasis benutzt. Dabei kann ein Werkstoff aus der Gruppe unlegierter Stahl, niedrig legierter Einsatzstahl, höher legierter fenitischer Stahl, austenitischer Stahl verwendet werden.
Gelangt ein niedrig legierter Stahl als Basiskomponente zum Einsatz, so sollte der Anteil von Kohlenstoff zwischen 0,1 Gew.-% und 1,3 Gew.-% betragen.
Insbesondere bei niedrig legiertem Stahl sind nachstehende Legierungselemente in Gew.-% enthalten:
0,1 - 1,3% C 0 - 2 % Si 0 - 1 % Mn
0 - 2 % Cr 0 - 0,5% Mo 0 - 8 % Ni
Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen. Als bevorzugte Legierungszusammensetzung des Metallpulvers in Gew.-% ist für niedrig legierten Stahl anzugeben:
0,7 - 1,1% C 0,0 - 0,4 % Si
0,2 - 0,5 % Mn 1,3 - 1,7 % Cr
Rest Fe und unvermeidbare V erunreinigungen. Hinsichtlich höher legiertem Stahl sollte der Gewichtsanteil von Kohlenstoff zwischen 0,01 % bis 2,5 % betragen, wobei zumindest 12 % von zumindest einem der Elemente Chrom oder Nickel enthalten sind.
Insbesondere sollte ein höher legierter Stahl eine Zusammensetzung in Gew.-% aufweisen:
0,01 - 2,5% C 0 - 3 % Si 0 - 3 % Mn 0 - 40 % Cr 0 - 3% Mo
0 - 45 % Ni
Rest Fe und unvermeidbare V erunreinigungen, wobei wenigstens 12 Gew.-% von mindestens einem der Elemente Cr oder Ni enthalten sind.
In Bezug auf höher legierten Stahl ist als bevorzugte Legierungszusammensetzung in Gew -% zu nennen:
0,1 - 0,6% C 0,0 - 0,2 % Si
18 - 23 % Ni 22 - 28 % Cr 1,0 - 1,6% Nb
Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen. Besteht die Möglichkeit, den gesinterten Körper, gegebenenfalls nach einer mechanischen Nachbearbeitung, unmittelbar einzusetzen, so ist erfindungsgemäß auch die Möglichkeit gegeben, dass der gesinterte Körper, gegebenenfalls nach mechanischer Bearbeitung, einer Wärmebehandlung unterzogen wird, insbesondere einem Härten wie Einsatzhärten, Vergüten, Karbonitrieren, Nitrieren.
W ärmebehandlungsverfahren für ferritische Stähle sind dem Fachmann bekannt und werden entsprechend dem verwendeten Werkstoff nach vorgegebenen Parametern ausgeführt. Je nach Werkstoff kann ein Einsatzhärten (Aufkohlen oder Karbonitrieren während des Glühens im austeni tischen Gebiet) oder ein Vergüten (bestehend aus Härten und Anlassen) durchgeführt werden. Auch beim Einsatzhärten ist ein nachfolgendes Anlassen zum Abbau der Spannungen üblich. Der Bereich, der einem hohen Abrieb ausgesetzt wird, kann ein Metallpulver enthalten, dessen Basiswerkstoff Kobalt oder Nickel ist. Insbesondere ist auch vorgesehen, dass der entsprechende verschleißfeste erste Bereich Hartpartikel, wie Oxide, Karbide, Nitride und/oder PKD, enthält. Bevorzugterweise beträgt der Anteil an Hartpartikeln in Gew.-% in Abhängigkeit von der
Art:
Karbide, z. B. WC, 1 - 50 %
Oxide, z. B. A12O3, Y2O3, 0,1 - 5,0 % Nitride, z. B. BN, 0,1 - 5,0 %
Wird eine erfmdungsgemäße Düse derart hergestellt, dass in dem stark beanspruchten Bereich, also insbesondere im Bereich des Innenkanals, ein anderer Werkstoff als im übrigen Bereich der Düse verwendet wird, ist vorgesehen, dass eine Eisenbasislegierung, wie diese zuvor beschrieben worden ist, als Basiswerkstoff, für den Bereich benutzt wird, der nicht stark beansprucht wird, und für den beanspruchten Bereich als zweite Komponente bevorzugterweise eine Kobaltbasis- oder Nickelbasislegierung verwendet wird. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass im Falle einer Kobaltbasislegierung als zweite Komponente eine solche nachstehender Zusammensetzung in Gew.-% verwendet wird:
0 - 2,0% C 0 - 3,5 % Si
0 - 2,5 % Mn
6 - 35 % Cr 0- 31% Mo 0 - 5 % Ni 0- 10 %W
Rest Co und unvermeidbare V erunreinigungen.
Wird als zweite Komponente eine Nickelbasislegierung eingesetzt, so weist diese bevorzugterweise nachstehende Zusammensetzung in Gew.-% auf:
0- 0,15% C 10-25 % Cr 3 - 10% Mo 0 - 6,5 % Al 0 - 1 % Ti 0 - 5 % Nb
Rest Ni und unvermeidbare V erunreinigungen.
Unabhängig hiervon ist vorgesehen, dass Metallpartikel mit einer numerischen Metallpartikelgrößenverteilung D90 = 50 μm, insbesondere D99 = 40 μm, verwendet werden, also Partikel, von denen 90 % eine Größe gleich oder kleiner 50 μm, insbesondere 99 % eine Größe gleich oder kleiner 40 μm auf weisen.
B evorzugterweise wird als Pulver ein solches verwendet, das 50 Gew.-% bis 80 Gew.-% Metallpulver und 20 Gew.-% bis 50 Gew.-% Binder enthält.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass als Binder zumindest ein Material aus der Gruppe Polyamid, Polyoxymethylen, Polycarbonat, Styrol-Acrylnitril-Copolymerisat, Polyimid, natürliches Wachs und Öl, Duroplast, Cyanate, Polypropylene, Polyacetate, Polyethylene, Ethylen-Vinyl-Acetate, Polyvinyl-Alkohole, Polyvinyl-Chloride, Polystyrol, Polymethyl-
Methacrylate, Anilin, Wasser, Mineralöl, Agar, Glycerin, Polyvinyl-Butyryl, Polybutyl- Methacrylat, Cellulose, Ölsäure, Phthalat, Paraffin, Wachs, insbesondere Camauba-Wachs, Ammonium, Polyacrylat, Diglycerid- Stearate und -Oleate Glyceryl-Monostearate, Isopropyl-T itanate, Lithium-Stearate, Monoglyceride, Formaldehyde, Octyl-Säure- Phosphate, Olefin-Sulfonate, Phosphatester, S äurefettalkoholester, Stearinsäure, Zinkstearate verwendet werden kann.
Beispielhaft, gleichwohl hervorzuheben ist, dass ein Binder verwendet wird, der nachstehende Bestandteile enthält: a) 10 Gew.-% bis 50 Gew.-% Polyamid, b) 40 Gew.-% bis 80 Gew.-% S äurefettalkoholester und c) 2 Gew.-% bis 20 Gew.-% einer organischen Säure.
Die Erfindung zeichnet sich auch aus durch eine Druckerdüse hergestellt nach Verfahrensschritten zuvor erläuterter Art. Auch zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Verwendung einer Druckerdüse zuvor beschriebener Art für den Filament 3D-Druck. Dabei ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass reiner Kunststoff oder gefüllter Kunststoff, insbesondere mit Keramik, nachwachsendem Rohstoff, wie Holz, und/oder kunststoffumtanteltes Metall gefüllter Kunststoff, mittels der Druckerdüse gedruckt wird.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Druckerkopfs im Ausschnitt und
Fig. 2, 3 Ausführungsformen von Druckerdüsen.
In Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines Druckerkopfes 10 bestimmt für FFF-Druck dargestellt, mittels dessen schmelzflüssiger Kunststoff, der gegebenenfalls gefüllt ist, schichtweise auf ein Substrat aufgetragen wird, um entsprechend einem 3D-Modell einen Körper im additiven Verfahren herzustellen. Der Druckerkopf weist eine erfindungsgemäß hergestellte Druckerdüse 12 auf, die in einen Heizblock 14 eingeschraubt ist. Die Druckerdüse 12 geht in einen Kunststofffaden führenden Abschnitt 25 über, der beab standet vom Heizblock 14 von einem Kühlkörper 16 umgeben ist. Der Abstand zwischen Heizblock 14 und Kühlkörper 16 dient als Hitzeunterbrecher.
In der Fig. 1 sind beispielhaft mehrere Schichten 17 dargestellt, die sukzessiv aufeinander aufgetragen werden, wobei auf einer erstarrten Schicht eine nächste Schicht aus flüssigem Kunststoff aufgetragen wird.
Die Druckerdüse 12 besteht aus einem Düsenkörper, der seinerseits aus einem Aufhahmeabschnitt 20 mit Außengewinde zum Einschrauben in den Abschnitt 14 und einen eine Kegel- oder Kegelstumpfform aufweisenden Austrittsabschnitt 22 mit Düsenöffnung 24 aufweist, über den der Kunststoff 25 ausgegeben wird.
In Längsachsenrichtung und die Längsachse koaxial umgebend verläuft innerhalb der Düse 12, also des Düsenkörpers ein Düsenkanal 26, der sich zu seinem distalen Ende, also zur Düsenaustrittsöffnung 24 hin konisch verjüngt (Abschnitt 27), wie sich auch selbsterklärend aus der zeichnerischen Darstellung ergibt.
Hergestellt wird die Düse 12 unter Verwendung des Metallpulverspritzgießens und Sintern. Dabei wird Metallpulver geeigneter Legierung mit einem Binder zu einer homogenen Pulvermischung verknetet und erwärmt.
Zur Herstellung der Metallmischung, also des Feedstocks gelangen die V erfahrensschritte zur Anwendung:
- Chargieren der metallischen und organischen Komponenten, - Erwärmung, Durchmischung, Scherung zu einer homogenen Masse,
Austrag und ggf. Zerkleinerung zu einem spritzgussfähigen Granulat. Die Metallmischung - der Feedstock - wird im Spritzgießprozess verarbeitet. Hierzu wird der Feedstock in ein geschlossenes Werkzeug bei hohem Druck gespritzt. Die Form wird komplett ausgefüllt und der Feedstock plastifiziert.
Beim Spritzgießen kommen Drücke zwischen 100 bar und 2000 bar, vorzugsweise zwischen 400 bar und 1000 bar, zur Anwendung. Die Temperaturen belaufen sich zwischen 80 °C und 280 °C, vorzugsweise zwischen 100 °C und 150 °C.
Das Werkzeug, in das der Feedstock bei hohem Druck gespritzt wird, sollte eine Temperatur zwischen 10 °C und 150 °C, insbesondere zwischen 25 °C und 35 °C, aufweisen.
Nach dem Abkühlen wird aus dem Werkzeug ein sogenannter Grünling entnommen, um diesen sodann z.B. thermisch, chemisch oder katalytisch zu entbindem, so dass sodann die Düse 12 als Bräunling zur Verfügung steht.
Das Entbindem kann vorzugsweise in einem T emperaturbereich zwischen 40 °C und 60 °C durchgeführt werden.
Zur Erzielung eines Präzisionsformteils erfolgt sodann bei hohen Temperaturen ein Sintern. Anschließend kann ein Härten bzw. V ergütungsprozess durchgeführt werden.
In Abhängigkeit von dem Material aus dem die Druckdüse 12 im Spritzgießprozess hergestellt wird, erfolgt ein Sintern im T emperaturbereich zwischen 1150 °C und 1350 °C.
Da beim Spritzgießen eine kontumahe Herstellung ermöglicht wird, kann gegebenenfalls die Düse 12 nach dem Sintern bzw. Härten unmittelbar eingesetzt werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, eine mechanische Bearbeitung vorzunehmen, die grundsätzlich in jedem Schritt des Verfahrens erfolgen kann, also z.B. kann der Grünling, der Bräunling oder das gesinterte Bauteil mechanisch bearbeitet werden.
Zur Nachbearbeitung der Druckerdüse bzw. der Düsenbohrung, die je nach Ausführungsform einen Durchmesser bevorzugterweise zwischen 0,2 mm und 0,6 mm aufweisen sollte, sind zu nennen: spanende Bearbeitung,
Laserbohrung,
Drahterosion, ggf. Flachschleifen insbesondere des Düsenendes, d.h. der Anschlagfläche und des Gewindeendes sowie ggf. Gleitschleifen.
Bevorzugterweise werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Standard M6 Druckdüsen mit einem Durchmesser 0,2 mm, 0,4 mm und 0,6 mm hergestellt.
Als geeignetes Basismaterial für das Metallpulver ist insbesondere Eisenwerkstoff zu nennen. Dabei kann unlegierter Stahl, niedrig legierter Einsatzstahl, höher legierter ferritischer Stahl oder austenitischer Stahl verwendet werden.
Auch besteht die Möglichkeit, im Wege eines Zweikomponentenspritzens Bereiche der Düse 12 besonders verschleißfest auszubilden. Hierzu können entsprechende Bereiche 29, insbesondere der Innenkanal 26 im Bereich des Düsenaustritts 24 aus einem Material hergestellt werden, der als Basiswerkstoff z.B. Kobalt oder Nickel aufweist, wobei Hartpartikel wie Oxide, Carbide, Nitride und/oder polykristalliner Diamant zugemischt sein können.
Unabhängig hiervon sollte die numerische Partikelgrößenverteilung der Metallpartikel betragen D90 = 50 μm, insbesondere D99 = 40 μm. Dies bedeutet, dass anzahlmäßig 90% der Partikel kleiner oder gleich 50 μm bzw. 99% der Partikel gleich oder kleiner 40 μm sind.
Der zu spritzende Feedstock sollte insbesondere 50 bis 80 Gew.-% Metallpulver und 20 bis 50 Gew.-% Binder enthalten.
Als Binder kommt zumindest ein Material aus der Gruppe Polyamid, Polyoxymethylen, Polycarbonat, Styrol-Acrylnitril-Copolymerisat, Polyimid, natürliches Wachs und Öl, Duroplast, Cyanate, Polypropylene, Polyacetate, Polyethylene, Ethylen-Vinyl-Acetate, Polyvinyl-Alkohole, Polyvinyl-Chloride, Polystyrol, Polymethyl-Methacrylate, Anilin Wasser, Mineralöl, Agar, Glycerin, Polyvinyl-Butyryl, Polybutyl-Methacrylat, Cellulose, Ölsäure, Phthalat, Paraffin, Wachs, insbesondere Camauba-Wachs, Ammonium, Polyacrylat, Diglycerid-Stearate und -Oleate Glyceryl-Monostearate, Isopropyl-Titanate, Lithium- Stearate, Monoglyceride, Formaldehyde, Octyl-Säure-Phosphate, Olefin- Sulfonate, Phosphatester, Säurefettalkoholester, Stearinsäure, Zinkstearate in Frage.
Der Innenkanal 26 kann in dem Spritzgießwerkzeug mittels eines Doms gebildet werden, dessen Außengeometrie der Innengeometrie des Innenkanals entspricht, wobei die Schrumpfung während des Entbindems und insbesondere des Sinters berücksichtigt wird.
Dabei besteht die Möglichkeit, den Düsenkörper im Spritzgießverfahren mit Innenkanal und Düsenöffnung herzustellen, wobei für unterschiedliche Düsenöffhungen unterschiedliche Dome Verwendung finden, wie sich aus der Fig. 2 ergibt.
So kann die Düse 122 durch Linien 124, 126, 128 angedeutet Innenkanäle unterschiedlicher Durchmesser aufweisen, die in Öffnungen 130, 132, 134 münden, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Ein Innenkanal mit einem Durchmesser von 1,75mm, der von der Linie 124 oder einer mit einem Durchmesser von 2,85mm, der von der Linie 126 begrenzt ist, mündet z.B. in der Öffnung 130 mit einem Durchmesser von 0,25mm, in der 132 mit einem Durchmesser von 0,4mm oder in der 132 mit einem Durchmesser von 0,6mm. Ferner ist es möglich, auch Innenkanäle anderer Innendurchmesser, die von der Linie 128 angedeutet sind, abzubilden.
Eine alternative Bildung von Düsenaustrittsöffhungen unterschiedlicher Durchmesser soll durch die Fig. 3 verdeutlicht werden. Um unterschiedliche Öffiiungsdurchmesser zu erzielen, werden von dem Austrittsabschnitt 222 der Düse 200 vom Stimflächenbereich 227 ausgehend Schichten abgetragen, um Düsenöffhungen unterschiedlicher Durchmesser zu erzielen, wobei der Innenkanal 226 für alle Öffnungen gleich ist, jedoch die Länge des konischen Abschnitts 228 in Abhängigkeit von den abgetragenen Schichten variiert.
In der Grundgestaltung des Düsenkörpers 200 weist dieser eine Öffnung 230 auf, die z.B. 0,25 mm beträgt. Wird eine Schicht 232 abgetragen, so wird die Öffnung entsprechend dem Neigungswinkel des konischen Abschnitts 228 vergrößert, so dass sich eine Düsenöffnung 234 von z.B. 0,40 mm ergibt. Wird eine weitere Schicht 236 abgetragen, so wird eine größere Austrittsöffnung von z.B. 0,60 mm erzeugt.
Nachstehend wird an einem Beispiel der Herstellungsprozess einer erfindungsgemäßen Druckerdüse beschrieben, mit der ein zähflüssiger Feedstock in ein geschlossenes Werkzeug einer Spritzgießmaschine gespritzt wird:
Dabei sind sowohl Wertbereiche als auch bevorzugte Temperaturen zu nennen, die sodann anspruchsmäßig erfasst werden.

Claims

Ansprüche Verfahren zur Herstellung einer Druckerdüse
1. Verfahren zur Herstellung einer schmelzflüssiges Gut abgebenden Druckerdüse (12, 122, 200), insbesondere Druckerdüse für FFF-Druck, aufweisend einen Düsenkörper mit einem Aufhahmeabschnitt (20) und einem insbesondere eine
Kegel- oder Kegelstumpfform aufweisenden Austrittsabschnitt (22, 222), gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte
Spritzgießen von Metall enthaltendem Pulver und Sintern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass nach dem Spritzen zur Verfügung stehender Grünkörper entbindert und so zur Verfügung stehender Braunkörper gesintert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Grünkörper und/oder der Braunkörper und/oder der gesinterte Körper, insbesondere der Grünkörper, mechanisch bearbeitet wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Düsenkörper zumindest abschnittsweise durch Zweikomponentenspritzgießen hergestellt wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass ein sich in Längsrichtung des Düsenkörpers erstreckender Innenkanal (26, 226) ausgebildet wird, der austrittsabschnittsseitig eine Konusform aufweist.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Austrittsabschnitt durch Abtragen von Schichten (232, 236) mechanisch bearbeitet wird, ausgehend vom distalen Bereich des Austrittsabschnitts (222) zur Erzielung eines gewünschten Austrittsöffhungsdurchmessers.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Spritzgießen unter Verwendung eines Werkzeugs mit Werkzeugdom durchgefuhrt wird, dessen Geometrie zumindest herzustellendem Innenkanal (26,
226), insbesondere herzustellendem Innenkanal und Austrittsöffnung (24, 130, 230), entspricht.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass durch das Zweikomponentenspritzgießen ein erster Bereich (29) des Düsenkörpers, der vorzugsweise zumindest abschnittsweise konusförmig verlaufenden Bereich (27) des Innenkanals (26) begrenzt, und ein zweiter Bereich hergestellt werden, wobei für den ersten Bereich ein Material benutzt wird, das verschleißbeständiger als das des zweiten Bereich ist.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass als Pulver ein Pulver auf Eisenwerkstoffbasis verwendet wird.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass als Eisenbasiswerkstoff zumindest ein Werkstoff aus der Gruppe unlegierter
Stahl, niedrig legierter Einsatzstahl, höher legierter femtischer Stahl, austenitischer Stahl verwendet wird.
11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass als niedrig legierter Stahl ein solcher mit zumindest 0,1 Gew.-% bis 1,3 Gew.-% Kohlenstoff, insbesondere ein solcher mit den Legierungselementen in
Gew.-%
0,1- 1,3% C 0 - 2 % Si 0 - 1 % Mn
0-2% Cr 0 - 0,5% Mo 0-8 %Ni
Rest Fe und unvermeidbare V erunreinigungen, verwendet wird.
12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass als höher legierter Stahl ein solcher mit einem Anteil in Gew.-% an Kohlenstoff zwischen 0,01 % bis 2,5 % und zumindest 12 % von mindestens einem der Elemente Chrom, Nickel enthalten sind, insbesondere ein solcher mit den Legierungselementen
0,01 -2,5% C 0-3 %Si
0 - 3 % Mn 0-40% Cr 0 - 3% Mo 0-45 % Ni Rest Fe und unvermeidbare V erunreinigungen, wobei wenigstens 12% von mindestens einem der Elemente Cr oder Ni enthalten sind, verwendet wird. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass ein niedrig legierter Stahl mit einer Legierungszusammensetzung des Metallpulvers in Gew.-% verwendet wird:
0,7- 1,1% C 0,0 - 0,4 % Si 0,2 -0,5% Mn 1,3 - 1,7 % Cr
Rest Fe und unvermeidbare V erunreinigungen.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass ein höher legierter Stahl mit einer Legierungszusammensetzung des Metallpulvers in Gew.-% verwendet wird:
0,1 -0,6% C 0,0 - 0,2 % Si 18-23 % Ni 22 - 28 % Cr 1,0 -1,6% Nb
Rest Fe und unvermeidbare V erunreinigungen.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der gesinterte Körper, gegebenenfalls nach mechanischer Bearbeitung, einer Wärmebehandlung unterzogen wird, insbesondere einem Härten, wie Einsatzhärten, Vergüten, Karbonitrieren, Nitrieren.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass als Pulver für den ersten Bereich (29) der Druckerdüse (12, 122, 200) ein solches mit einem Werkstoff auf der Basis aus der Gruppe Kobalt, Nickel verwendet wird.
17. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass dem Basiswerkstoff, insbesondere dem für den ersten Bereich (29) der Druckerdüse (12, 122, 200), Hartpartikel wie Oxide, Karbide, Nitride und/oder PKD zugemischt wird bzw. werden.
18. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass Hartpartikel in Gew.-% der Mischung Hartpartikel und Basiswerkstoff verwendet wird bzw. werden:
Karbide, z.B. WC, 1 - 50 %
Oxide, z.B. A12O3, Y2O3, 0,1 - 5,0 %
Nitride, z.B. BN, 0,1 - 5,0 %. 19. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass Metallpartikel einer numerischen Metallpartikelgrößenverteilung D90 = 50 μm, insbesondere D99 = 40 μm, verwendet werden. 20. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass als Pulver ein solches verwendet wird, das 50 Gew.-% bis 80 Gew.-% Metallpulver und 20 Gew.-% bis 50 Gew.-% Binder enthält. 21. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass als Binder zumindest ein Material aus der Gruppe Polyamid, Polyoxymethylen, Polycarbonat, Styrol-Acrylnitril-Copolymerisat, Polyimid, natürliches Wachs und Öl, Duroplast, Cyanate, Polypropylene, Polyacetate, Polyethylene, Ethylen-Vinyl-Acetate, Polyvinyl-Alkohole, Polyvinyl-Chloride, Polystyrol, Polymethyl-Methacrylate, Anilin, Wasser, Mineralöl, Agar, Glycerin, Polyvinyl-Butyryl, Polybutyl-Methacrylat, Cellulose, Ölsäure, Phthalat, Paraffin, Wachs, insbesondere Camauba-Wachs, Ammonium, Polyacrylat, Diglycerid- Stearate und -Oleate Glyceryl-Monostearate, Isopropyl-T itanate, Lithium-Stearate, Monoglyceride, Formaldehyde, Octyl-Säure-Phosphate, Olefin- Sulfonate,
Phosphatester, S äurefettalkoholester, Stearinsäure, Zinkstearate verwendet wird.
22. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 21, d a du r c h g e k e nn z e i chn e t , dass ein Binder verwendet wird, der nachstehende Bestandteile enthält: a) 10 Gew.-% bis 50 Gew.-% Polyamid, b) 40 Gew.-% bis 80 Gew.-% Säurefettalkoholester und c) 2 Gew.-% bis 20 Gew.-% einer organischen Säure.
23. Druckerdüse (12, 122, 200) hergestellt nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche.
24. Verwendung einer Druckerdüse (12, 122, 200) nach Anspruch 23 für den Filament 3D-Druck (FFF-Druck).
25. Verwendung nach Anspruch 24, wobei reiner Kunststoff oder gefüllter Kunststoff, insbesondere mit Keramik, nachwachsendem Rohstoff, wie Holz, und/oder kunststoffummantelten Metall gefüllter Kunststoff, mittels der Druckerdüse (12, 122, 200) gedruckt wird.
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