Promotion 23.
Promotion 23. Anwenderforum Additive Produktionstechnologie ▶ INDIREKTE, ADDITIVE FERTIGUNGSVERFAHREN IM TREND Lithografie-basierte additive Fertigung von Metallen Eine ständig steigende Zahl additiver Fertigungsverfahren führt aus Anwendersicht zu einer zunehmenden Verwirrung. Während anfangs vor allem direkte additive Verfahren, bei welchen Bauteile direkt aus dem Ausgangsmaterial hergestellt werden, weit verbreitet waren, rücken in den letzten Jahren vermehrt indirekte Verfahren, bei welchen Bauteile über einen Grünteilzustand zweistufig hergestellt werden, in den Fokus. Autor: Dr. Andreas Baum, Geschäftsführer Abbildung 1: Arbeitsraum mit Materialvorrat (A), beheizter Klinge (B) sowie Bauplattform (C); Belichtungsprozess (D) und simultane Belichtung einer Schicht mit unterschiedlichen Bauteilen. Abbildung 2: Feedstock-Block mit innenliegenden Grünteilen (A); thermische Verflüssigung des Feedstock-Blocks zur Extraktion der Grünteile (B) sowie Grünling und Sinterteil im Vergleich. Bild: Metshape Bild: Metshape flüssig und kann mithilfe einer beheizten Klinge (B in Abb. 1) gleichmäßig und dünnschichtig (typischerweise zwischen 35 und 50 μm) auf die Bauplattform (C in Abb. 1) aufgetragen werden. Diese wird dann mit UV-Licht belichtet. In den belichteten Bereichen vernetzt das Photopolymer und hält so das Metallpulver in Form (D in Abb. 1). Auf diese Weise werden schichtweise Grünteile hergestellt, die sich am Ende des Druckauftrags innerhalb eines Feedstock- Blocks befinden (A in Abb. 2). Um die Grünteile aus dem Mate - rialblock zu extrahieren, wird der nicht belichtete Feedstock in einem Ofen bei ca. 50 °C verflüssigt. Das abgeschmolzene Material wird aufgesammelt und kann wiederverwendet werden. Die verbleibenden Grünteile (Abb. 2c) werden im Ultraschallbad oder mithilfe eines Air-Brush-Systems gereinigt, um Rückstände des nicht belichteten Materials zu entfernen. Sintern der Bauteile Unter den indirekten feststoffbasierten Verfahren ist die Materialextrusion durch Fused Filament Fabrication, das auch als Fused Deposition Modeling bekannt ist, am weitesten verbreitet. Deutliche bessere Bauteilqualitäten lassen sich aber mittels Binder Jetting erreichen. Dabei wird in ein Pulverbett ein flüssiger Binder gespritzt, der die Pulverpartikel lokal bindet. Lithografiebasierte Technologie Noch bessere Oberflächenqualitäten und sehr hohe Auflösungen ermöglicht eine neue indirekte additive Fertigungstechnologie, basierend auf dem Grundprinzip der Stereolithografie: das sogenannte Lithography-based Metal Manufacturing (LMM). Diese Technologie zur Herstellung von metallischen Bauteilen ist eine Kombi - nation und Weiterentwicklung der Prozesse der Vat-Polymerisation und des Metallspritzgießens (MIM). Dabei wird das Ausgangsmaterialgemisch aus Metallpulver und einem Photopolymer (Feedstock) in einem Materialreservoir (A in Abb. 1) gespeichert. Der Feedstock hat bei Raumtemperatur eine „butterartige“ Konsistenz. Bei Erwärmung wird er Die thermische Entbinderung des Photopolymers und das Sintern der Bauteile auf eine Enddichte zwischen 96 und 99 % erfolgen in einem zweistufigen Verfahren in einem MIM-Sinterofen unter Schutzatmosphäre. Die gesinterten Teile sind ca. 20 % kleiner als die gedruckten Grünlinge, wobei der genaue Sinterschwindungsfaktor von der verwendeten Materialzusammensetzung abhängt. Der Faktor selbst ist sehr gut reproduzierbar, wobei die Schwindung in allen ■ drei Dimensionen ähnlich ist. Metshape GmbH www.metshape.de 32 additive April 2020
Promotion 23. Anwenderforum Additive Produktionstechnologie ▶ ANSÄTZE ZUR STEIGERUNG DER BAUTEILLEISTUNG MITTELS ADVANCED COMPACTION TECHNOLOGY Verbesserung der Genauigkeit, Dichte und Reproduzierbarkeit Binder-Jetting hat sich als ein etabliertes 3D-Druck-Verfahren zur Herstellung hochwertiger Bauteile erwiesen. Dank seiner Gestaltungsfreiheit können bahnbrechende Ideen verwirklicht werden. Aufgrund der hohen Druckgeschwindigkeit und wenigen Prozessschritten ist Binder-Jetting die einzige 3D-Druck-Technik, welche für die Serienfertigung geeignet ist. Autor: Yunus Baltali, Regional Sales Manager gleichmäßig verteilt werden kann. Dieser Ansatz trägt zu einer homogenen Pulverschicht über das gesamte Pulverbett bei. Auftragen Eine frisch aufgetragene Pulverschicht mit einer mittleren Teilchengröße von ungefähr 9 μm wird mit einer wasserlöslichen Lösung, dem Binder, behandelt und mit einer Infrarot-Heizquelle gehärtet. Das wird sukzessiv wiederholt, bis das Objekt seine Form annimmt. Diese Form, die als Grünling bezeichnet wird, muss anschließend in einem Ofen ausgehärtet, entpulvert und in einem Sinterofen gesintert werden. Metallpartikel werden dabei zu einem hochdichten Objekt verschmolzen. Die Dichte des Sinterteils hängt von der Qualität des Grünlings ab. Je feiner das Pulver ist, desto dichter ist das endgültige Metallbauteil. Diese feinen Pulver sind jedoch am schwierigsten zu verarbeiten. Wenn das Pulver auf eine Oberfläche aufgetragen wird, Bild: Exone Ein mittels Binder-Jetting hergestellter Motorblock. Jobbox X1 25PRO: 400 Laufräder aus 316L. kann es zu Staubbildung und Verklumpungen kommen. Je größer die Oberfläche des Druckobjekts ist, desto schwieriger ist es, eine einheitliche Druckumgebung zu schaffen. Um dieses Problem zu lösen, wurde von ExOne die Advanced Compaction Technology (ACT) entwickelt, die aus drei Prozessschritten besteht: Dosieren, Auftragen und Verdichten. Dosieren Um feinste Pulver ohne Verklumpungen oder Pulverwolken großflächig zu verteilen, wurde eine Dosiereinheit mit Ultraschall-Anreger eingesetzt. Dieses Ultraschallelement vibriert, während es sich schnell über die Spannweite eines Pulverbetts bewegt. So kann sichergestellt werden, dass eine vorab definierte Menge Pulver Bild: Exone Die Rändelwalze ist mit einem speziellen Muster ausgestattet, um die Reibung mit der Pulveroberfläche zu erhöhen. Diese spezielle Kontaktfläche hilft, Pulver in einer bestimmten Höhe gleichmäßig aufzunehmen und zu verteilen. Verdichten Der letzte Schritt ist die Verdichtung des gleichmäßig verteilten Pulvers. Das Ziel ist es, die Partikel zu kompaktieren, sodass eine möglichst hohe und gleichmäßige Packungsdichte herrscht. Branchenführende Teiledichte Das System von ExOne zum präzisen Verteilen und Kompaktieren von feinem Pulver bietet eine branchenführende Teiledichte und Wiederholbarkeit an, die für den 3D-Produktionsdruck erforderlich ist. Das Triple ACT-System von ExOne erreicht Dichten von 97 % oder mehr, abhängig vom Material und der vom Kunden gewünschten Dichte, die jetzt mit dem Triple ACT-System von ExOne und anderen Prozesssteuerungen präzise eingewählt werden können. Darüber hinaus beträgt die Variabilität der Teiledichte über die gesamte Baufläche jetzt 0,3 % und ist somit eine ■ Verbesserung. ExOne GmbH www.exone.com additive April 2020 33
