{"id":93919,"date":"2020-08-15T12:00:00","date_gmt":"2020-08-15T12:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/industry-science.com\/?post_type=article&p=93919"},"modified":"2024-04-16T16:32:13","modified_gmt":"2024-04-16T14:32:13","slug":"additive-manufacturing-of-metallic-and-ceramic-components-use-of-material-extrusion-especially-the-use-of-filaments-for-sintering-processes","status":"publish","type":"article","link":"https:\/\/industry-science.com\/en\/articles\/additive-manufacturing-of-metallic-and-ceramic-components-use-of-material-extrusion-especially-the-use-of-filaments-for-sintering-processes\/","title":{"rendered":"Additive Manufacturing of Metallic and Ceramic Components"},"content":{"rendered":"\n

Die Entwicklung und der Einsatz additiver Verfahren zur Herstellung metallischer Komponenten erfolgte in den letzten zehn Jahren meist auf Basis des pulverbettbasierten Schmelzens mittels Laser oder Elektronenstrahlen. Diese haben mehrere Nachteile, so sind die Anforderungen und der Preis des Pulvers und auch der Anlagen durch den Einsatz von leistungsstarken Lasern bzw. der f\u00fcr Elektronenstrahlanwendungen notwendigen Vakuumtechnik sehr hoch. Zudem weisen die hergestellten Teile ein Schwei\u00dfgef\u00fcge auf, wodurch meist eine zus\u00e4tzliche W\u00e4rmebehandlung notwendig wird. Beim Einsatz dieser Verfahren im industriellen Umfeld m\u00fcssen durch das Hantieren mit Pulvern entsprechende arbeitssicherheitstechnische Vorkehrungen getroffen werden.<\/p>\n\n

Zur Vermeidung der genannten Nachteile stellt die Materialextrusion, auch bekannt unter Fused Depositioning Modeling (FDMTM) oder Fused Filament Fabrication (FFF), zur Herstellung von Gr\u00fcnteilen, die erst durch die nachfolgenden Prozessschritte Entbindern und Sintern zu rein metallischen bzw. keramischen Bauteilen werden, eine wirtschaftliche Alternative dar [1]. Diese Produktionstechnologie wird auch als SDS-Prozesskette (Shaping-Debinding-Sintering) bezeichnet [2] und wurde erstmals als FDMet in den 1990ern eingef\u00fchrt [3, 4].<\/p>\n\n

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\"Shaping-Debinding-Sintering\"
Bild 1: Shaping-Debinding-Sintering.<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
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Da das Entwickeln entsprechender Bindersysteme f\u00fcr Metallpulver ein schwieriges Unterfangen darstellt und die Materialextrusion durch Patente gesch\u00fctzt war [5-7], geriet die Materialextrusion f\u00fcr Metalle in Vergessenheit. Heutzutage sind 3D-Drucker mit Filamenten sehr weit verbreitet und kosteng\u00fcnstig und sie stehen f\u00fcr die Industrie in verschiedenen Ausf\u00fchrungen zur Verf\u00fcgung; aufgrund des niedrigen Preises und mit kleinen Baugr\u00f6\u00dfen auch f\u00fcr den privaten Gebrauch. Auf dieser Basis entstand neues Interesse an der Produktion von Metall- und Keramikteilen mittels Materialextrusion.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n

Anlagenaufbau und Druckprozess<\/h2>\n\n

Der Filamentdruck geh\u00f6rt zu der Technologie der Materialextrusion der additiven Fertigung.<\/p>\n\n

In der D\u00fcse wird das Material aufgeschmolzen und durch die Kraft, welche der F\u00f6rdermechanismus aufbringt, aus der D\u00fcse gef\u00f6rdert [8]. Wenn eine Schicht abgeschlossen wurde, wird die Plattform um eine Schichtdicke nach unten – alternativ der Kopf um eine Schichtdicke nach oben – gefahren und die n\u00e4chste Schicht kann produziert werden. Beim Ablegen der Schmelze verschwei\u00dft sie mit den schon abgelegten Str\u00e4ngen und bildet ein m\u00f6glichst homogenes Bauteil. Da die Bauraumtemperatur unter der Schmelztemperatur liegt, erstarrt der abgelegte Strang und verfestigt sich dadurch und bildet durch den schichtweisen Aufbau eine dreidimensionale Struktur [9]. Falls n\u00f6tig werden St\u00fctzstrukturen aus einem anderen Werkstoff mitverarbeitet, die nach dem Druckprozess direkt oder w\u00e4hrend des Entbinderns entfernt werden k\u00f6nnen. Dieses Verfahren erm\u00f6glicht die Produktion komplex geformter Bauteile ohne Werkzeug.<\/p>\n\n

Je nach den Werkstoffeigenschaften (Spr\u00f6digkeit, Elastizit\u00e4t, \u2026) k\u00f6nnen unterschiedliche Extrusionsk\u00f6pfe gew\u00e4hlt werden, wobei die F\u00f6rdermechanismen wie folgt eingeteilt werden [10].<\/p>\n\n

Es gibt unterschiedliche Bauarten von den Anlagen, wobei die kartesischen Bauformen in der \u00dcberzahl sind. Dabei bewegt sich die D\u00fcse meist parallel zur Bauplattform (x-, y-Richtung) und das Material kann selektiv entlang computergenerierter Pfade abgelegt werden.<\/p>\n\n

Beim Filamentdruck stehen zwei unterschiedliche Varianten zur Verf\u00fcgung: die erste und h\u00e4ufiger genutzte hat den F\u00f6rdermechanismus direkt an der D\u00fcse, w\u00e4hrend die zweite den Mechanismus unbeweglich hat und das Filament durch einen Schlauch zur beweglichen D\u00fcse gef\u00f6rdert wird, dadurch sind aber spr\u00f6dere Materialien kaum zu verarbeiten.<\/p>\n\n

F\u00fcr die Programmierung gibt es unterschiedliche Softwarehersteller und es k\u00f6nnen verschiedenste Prozessparameter eingestellt werden, welche einerseits den Zeitbedarf, die Genauigkeit und die Festigkeit beeinflussen k\u00f6nnen. Die wichtigsten Parameter sind die Temperaturen der D\u00fcse, der Bauplattform und des Bauraums. Die Schichtdicke bestimmt einerseits die Aufl\u00f6sung in die z-Richtung, aber auch die Produktionszeit. Die Geschwindigkeiten m\u00fcssen immer auf das Material angepasst werden, da das komplexe Zusammenspiel vom Aufschmelzen und Ablegen stark davon beeinflusst wird.<\/p>\n\n

Besonders bei der Produktion mit Feedstocks stellen die Materialien eine gro\u00dfe Herausforderung dar, da die hohen F\u00fcllgrade den Kunststoff spr\u00f6de machen, dadurch sind nur kleine Biegungen der Filamente m\u00f6glich und die erh\u00f6hte Viskosit\u00e4t [11] verlangt eine st\u00e4rkere Kraft des Filaments in der D\u00fcse, damit das Material extrudiert werden kann.<\/p>\n\n

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\"Extrusionsbasierte
Bild 2: Extrusionsbasierte Verfahren mit unterschiedlichen F\u00f6rderprinzipien.<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
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Daher muss es eine gewisse Festigkeit aufweisen. <\/p>\n\n\n\n

W\u00e4hrend der Verarbeitung des Materials darf es zu keinen Entmischungen kommen und die Schmelze muss homogen auf das Bauteil aufgebracht werden, da jeder Fehler der in diesem Schritt erfolgt in den weiteren Bearbeitungsschritten, wie dem Entbindern und Sintern, nicht mehr beseitigt werden kann. Weiter ist zu beachten, dass beim SDS-Prozess das Bauteil beim Sintern um ca. 15 % schwindet.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n

Werkstoffe und Filamente<\/h2>\n\n

Die f\u00fcr die Materialextrusion eingesetzten Werkstoffe, hochgef\u00fcllte Kunststoffe, sind den beim Pulverspritzguss eingesetzten Materialien, den sogenannten Feedstocks, \u00e4hnlich [12]. Das Bindersystem besteht dabei aus mehreren Komponenten und sollte f\u00fcr kompakt zu sinternde Bauteile zwischen 45 vol. % und 65 vol. % Pulver enthalten. Der Pulvergehalt sollte f\u00fcr eine optimale Sinterung m\u00f6glichst hoch sein, h\u00e4ngt aber zus\u00e4tzlich vom Formgebungsprozess und der Korngr\u00f6\u00dfe des Pulvers ab. Ein Vorteil der Materialextrusion gegen\u00fcber den pulverbettbasierten Verfahren ist es, dass am Markt erh\u00e4ltliche Pulver verwendet werden k\u00f6nnen, wie sie auch f\u00fcr den Pulverspritzguss verf\u00fcgbar sind. Damit steht f\u00fcr die Materialextrusion eine breite Materialbasis zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n\n

F\u00fcr die Feedstockentwicklung werden Kneter verwendet, die kleine Mischvolumina erm\u00f6glichen. F\u00fcr gr\u00f6\u00dfere Mengen werden Feedstocks f\u00fcr Filamente auf Doppelschneckenextrudern hergestellt. In unserem Fall steht daf\u00fcr eine Anlage der Fa. Leistritz Extrusionstechnik GmbH zur Verf\u00fcgung. F\u00fcr die Herstellung von Filamenten verwenden wir einen Einschneckenlaborextruder der Fa. Dr. Collin GmbH. Der D\u00fcsendurchmesser der Filamente betr\u00e4gt \u00fcblicherweise 1,75 mm. Nach der D\u00fcse wird das Filament auf einem F\u00f6rderband abgelegt, mittels Laser vermessen und danach auf die Spule f\u00fcr den Filamentdrucker aufgewickelt. Die Konstanz des Durchmessers und die Ovalit\u00e4t des Filaments sind f\u00fcr einen hochqualitativen Druckvorgang von entscheidender Bedeutung, da die Anlagen \u00fcber die L\u00e4nge des Filaments gesteuert werden.<\/p>\n\n

\"Anlage
Bild 3: Anlage der Materialextrusion.<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n

Entbindern und Sintern<\/h2>\n\n

Je nach Zusammensetzung des Bindersystems stehen verschiedene Arten des Entbinderns zur Verf\u00fcgung. Der Binder kann entweder einstufig durch thermische Zersetzung oder in zwei Stufen entfernt werden. Beim zweistufigen Verfahren kann die erste Stufe durch das Aufl\u00f6sen eines Teils des Binders mit L\u00f6semitteln – organische L\u00f6semittel oder Wasser – oder durch chemische Zersetzung katalytisch erfolgen. Die zweite Stufe beruht immer auf thermischer Zersetzung. Die zweistufige Vorgehensweise erlaubt einen wesentlich k\u00fcrzeren thermischen Entbinderungsschritt.<\/p>\n\n

Wir setzen \u00fcblicherweise Filamente ein, welche mit organischen L\u00f6sungsmitteln, wie beispielsweise Cyclohexan oder n-Heptan, entbindert werden k\u00f6nnen. Das organische L\u00f6sungsmittel diffundiert von au\u00dfen in das Bauteil und l\u00f6st nach und nach die l\u00f6slichen Binderkomponenten aus dem Gr\u00fcnk\u00f6rper, wobei das Konzentrationsgef\u00e4lle der Binderkonzentration im L\u00f6sungsmittel die treibende Kraft darstellt. Dieser Prozess l\u00e4sst sich durch Erh\u00f6hung der Entbinderungstemperatur deutlich beschleunigen. Zur\u00fcck bleibt nach einiger Zeit ein offenporiges Ger\u00fcst, bestehend aus den Metallpartikeln, die punktuell durch das Ger\u00fcstpolymer, auch Backbone genannt, verbunden sind. Dies verleiht dem entstandenen Braunk\u00f6rper f\u00fcr die weiteren Prozessschritte eine ausreichende Stabilit\u00e4t.<\/p>\n\n

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\"Filamentspulen,
Bild 4: Filamentspulen, unten Metall- und oben Keramikpulver gef\u00fcllte Feedstocks.<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
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Die Braunk\u00f6rper werden anschlie\u00dfend auf keramischen Sinterunterlagen platziert und thermisch entbindert und gesintert. Hierzu dienen Hoch-temperatur\u00f6fen, die es erm\u00f6glichen unter definiertem Druck (Vakuum bis hin zu Normaldruck), definierter Atmosph\u00e4re (O2, H2, N2, Ar) und exakt gesteuertem Temperaturverlauf thermisch zu entbindern und zu sintern.<\/p>\n\n\n\n

Aus dem zun\u00e4chst offenporigen Braunk\u00f6rper entsteht so ein metallischer oder keramischer K\u00f6rper, der bis nahe zur vollst\u00e4ndigen Dichte gesintert werden kann. Die treibende Kraft beim Sintervorgang ist die Oberfl\u00e4chenenergie der eingesetzten Pulverpartikel, die durch den Sinterprozess drastisch reduziert wird. Beim Sintervorgang n\u00e4hern sich die Pulverpartikel deutlich einander an und es kommt zum sogenannten Sinterschrumpf. Das Sinterteil schrumpft meistens gleichm\u00e4\u00dfig in allen Raumrichtungen, wobei der lineare Sinterschrumpf oft im Bereich von 15-20 % liegt.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n

Erzielbare Bauteile<\/h2>\n\n

Sinterteile, die aus der Materialextrusion resultieren, verf\u00fcgen \u00fcber ein \u00e4hnliches Gef\u00fcge wie PIM-Sinterk\u00f6rper, weisen jedoch eine etwas gr\u00f6\u00dfere Restporosit\u00e4t auf [12]. Um die Oberfl\u00e4chenqualit\u00e4t der gedruckten Bauteile zu verbessern, k\u00f6nnen verschiedene Nachbearbeitungsverfahren schon im Gr\u00fcnzustand (nach dem Druck, aber noch vor dem Entbindern und Sintern) eingesetzt werden [13]. Mittels Lasergl\u00e4tten k\u00f6nnen bei Wahl der richtigen Parameter, die f\u00fcr dieses additive Verfahren typischen Drucklinien komplett gegl\u00e4ttet werden. Dies f\u00fchrt zu einer sehr gleichm\u00e4\u00dfigen Oberfl\u00e4che der Teile, sowohl im Gr\u00fcnzustand als auch nach dem Sintern. Es ist auch denkbar, die Einheit f\u00fcr das Lasergl\u00e4tten direkt im Drucker zu integrieren, um so eine kosteng\u00fcnstige L\u00f6sung f\u00fcr die Oberfl\u00e4chenqualit\u00e4t von gedruckten Teilen zu finden.<\/p>\n\n

\"Grünlinge
Bild 5: Gr\u00fcnlinge aus Keramik- und Metallfeedstocks [14].<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n

Am Lehrstuhl f\u00fcr Kunststoffverarbeitung in Leoben wurden bereits unterschiedliche Stahl-, Titan-, Nickel- und Kobaltbasislegierungen, NdFeB und auch Keramiken wie z. B. ZrO2, Al2O3 und Strontiumferrit zu Filamenten verarbeitet und verdruckt.<\/p>\n\n

In Bild 5 und 6 sind mittels Materialextrusion hergestellte Komponenten dargestellt. Wie zu erkennen, bleibt die Oberfl\u00e4chenstruktur und die Geometrie des Gr\u00fcnlings im Sinterteil vollst\u00e4ndig erhalten. Einerseits ist dies von Vorteil, da dieses Verfahren die Herstellung endformnaher Bauteile erm\u00f6glicht, andererseits besteht die Gefahr, dass eventuelle Druckfehler oder unerw\u00fcnschte Oberfl\u00e4chenrauigkeiten auch im Sinterteil noch vorhanden sind.<\/p>\n\n

\"Grünteile
Bild 6: Gr\u00fcnteile und gesinterte Zugpr\u00fcfk\u00f6rper.<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n

Zusammenfassung<\/h2>\n\n

Die hier pr\u00e4sentierte Materialextrusion kann zur Herstellung von metallischen und keramischen Komponenten mit komplexer Form eingesetzt werden. Dabei stehen f\u00fcr das Verfahren momentan Filamente in verschiedenen Materialien zur Verf\u00fcgung (Metalle und Keramiken). Mithilfe des SDS-Prozesses (Shaping, Debinding, Sintering) werden die aus hochgef\u00fcllten Kunststofffilamenten gedruckten Gr\u00fcnk\u00f6rper in metallische\/keramische Komponenten \u00fcberf\u00fchrt.<\/p>\n\n

\u00dcber die Materialextrusion k\u00f6nnen wie auch beim PIM-Verfahren endkonturnahe Teile hergestellt werden, wobei die Sinterk\u00f6rper im Vergleich zu den Gr\u00fcnk\u00f6rpern eine lineare Schwindung von 15-20 % aufweisen. Die Sinterk\u00f6rper verf\u00fcgen \u00fcber ein gleichm\u00e4\u00dfiges Gef\u00fcge mit etwas erh\u00f6hter Porosit\u00e4t im Vergleich zu PIM-Bauteilen, wobei die einzelnen Filamente im Querschnitt nicht mehr als solche zu erkennen sind. Um qualitativ sehr gute Teile herzustellen, muss der Druckprozess entsprechend gef\u00fchrt werden.<\/p>\n\n

Dieser Beitrag entstand auf Basis verschiedener Projekte: Repromag (Horizon 2020 GA No. 636881), Ceramfacturing (Horizon 2020 GA No. 678503) und 3D-MultiMat (\u00d6sterreichische Forschungsf\u00f6rderungsgesellschaft, FFG und BMVIT \u201eProduktion der Zukunft\u201c 875650).<\/em><\/p>\n

Bibliography <\/h2>[1] Nestle, N.; Hermant, M.; Schimdt, K; 2016. Mixture for use in a fused filament fabrication process ( WO002016012486A1).\r
[2 ] Kukla, C.; Duretek, I.; Schuschnigg, S.; Gonzalez-Gutierrez, J.; Holzer, C.: Properties for PIM Feedstocks Used in Fused Filament Fabrication. In: World PM2016 Proceedings: EPMA, 2016, Hamburg.\r
[3] Agarwala, M. K.; van Weeren, R.; Bandyopadhyay, A.; Safari, A.; Danforth, S. C.; Priedeman, W. R: Filament Feed Materials for Fused Deposition Processing of Ceramics and Metals. In: Bourell, D. L., Beamen, J. J.; Marcu,s H. L.; Crawford, R. H., Barlow, J. W.; editors. Solid Freeform Fabrication Proceedings 1996, University of Texas at Austin.\r
[4] Agarwala, M. K.; van Weeren, R.; Bandyopadhyay, A.; Whalen, P. J.; Safari, A.; Danforth, S. C: Fused Deposition of Ceramics and Metals: An Overview. In: Bourell, D. L., Beamen, J. J.; Marcus, H. L.; Crawford, R. H., Barlow, J. W.; editors. Solid Freeform Fabrication Proceedings 1996, University of Texas at Austin.\r
[5] Danforth, S. C.; Agarwala, M. K.; Bandyopadhyay, A.; Langrana, N.; Jamalabad, V. R.; Safari, A. u. a.: Solid freeform fabrication methods (US5738817). 1998.\r
[6] Danforth, S. C.; Agarwala, M. K.; Bandyopadhyay, A.; Langrana, N.; Jamalabad, V. R.; Safari, A. u. a.: Solid freeform fabrication methods (US5900207). 1999.\r
[7] Crump, S.: Apparatus and method for creating three-di- mensional objects (US 5121329 A). 1989.\r
[8] Gebhardt, A.; Kessler, J.; Thurn, L.: 3D-Drucken. Carl Hanser Verlag, M\u00fcnchen 2016.\r
[9] Gibson, I.; Rosen, D.; Stucker, B.: Additive Manufacturing Technologies. 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing, Springer, 2. Auflage, New York 2015.\r
[10] Valkenaers, H.; Vogeler, F.; Ferraris, E.; Voet, A.; Kruth, J. P.: A Novel Approach to Additive Manufacturing: Screw Extru- sion 3D-Printing. In: Azcarate, S.; Dimov, S.; editors. Proceedings of the 10th International Conference on Multi-Material Micro Manufacture, San Sebastian, Spain, 8-10 October 2013; San Sebastian, Spain 2013.\r
[11] Gonzalez-Gutierrez, J.; u. a.: Models to Predict the Viscosity of Metal Injection Molding Feedstock Materials as Function of their Formulation, Metals 6 (2016) 6, S. 129.\r
[12] Gonzalez-Gutierrez, J.; Beulke Stringari, G.; Emri, I.: Powder Injection Molding of Metal and Ceramic Parts. In: Wang, J.; editor; Some Critical Issues for Injection Molding, IntechOpen; Rijeka; 2012; S. 65\u201386.\r
[13] Burkhardt, C.; Freigassner, P.; Weber, O.; Imgrund, P.; Hampel, S.: Fused Filament Fabrication (FFF) of 316L Green Parts for the MIM process. World PM2016 Congress and Exhibition, Hamburg, 9.-13. October. EPMA, 1-7. Hamburg 2016.\r
[14] Holzer, C.: Polymer Processing, 50 years Department of Polymer Engineering and Science. Leoben, Austria 2020.<\/div>

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