Anwendungen von Metall-L-PBF

Anwendungen von L-PBF

L-PBF mit branchenübergreifenden Anwendungen

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) ist heute die am weitesten industrialisierte Metall-AM-Technologie. Nachdem frühe Anwender in der Medizintechnik und der Luft- und Raumfahrtindustrie die Eignung von L-PBF für Endverbrauchsteile bewiesen haben, haben Unternehmen aus allen Branchen in den letzten Jahren weitere Anwendungsfälle identifiziert.

L-PBF kann zur Herstellung komplexer Geometrien von einigen Millimetern bis hin zu Abmessungen von fast 1 m verwendet werden. Jüngste Produktivitätsfortschritte und die zunehmende Automatisierung nachfolgender Prozessschritte machen L-PBF immer geeigneter für Anwendungen in höheren Stückzahlen. Die Technologie hat daher ein breites Anwendungsspektrum, das Prototypen, Endverbraucherkomponenten, Werkzeuge und Ersatzteile umfasst.

Bildquelle: EOS GmbH

Katalytische Reaktoren

Anwender

Addcat

Industrie

Industriell

Material

Edelstahl

Technologie

Laser Powder Bed Fusion

Einstufung

Nicht qualifiziertes Endteil

Luftreinigungskomponente. Der 3D-Druck bietet freie Designmöglichkeiten, um die Struktur eines katalytischen Reaktors vollständig zu optimieren und geht über Designs hinaus, die mit herkömmlichen Verfahren erstellt wurden. Dadurch kann AddCat den katalytischen Prozess verbessern und die Luftreinigung in einem kleineren Reaktorvolumen effizienter und zuverlässiger machen. Bildquelle: AddCat

Streustrahlenraster

Anwender

Dunlee

Industrie

Medizintechnik

Material

Wolfram

Technologie

Laser Powder Bed Fusion

Einstufung

Qualifiziertes Endteil

Das Streustrahlenraster aus reinem Wolfram wird auf den CT-Detektoren angebracht, um die Bildqualität durch die Unterdrückung von Streustrahlung zu verbessern. Durch die additive Fertigung ist es möglich, 100 Mikrometer dicke Wände mit einer Positionsgenauigkeit von 25 Mikrometern zu drucken. Möglichkeit zum Drucken hochpräziser und dünner Wände (100 Mikrometer). Bildquelle: Dunlee

ARNO-Schneidwerkzeug

Anwender

Rosswag GmbH

Industrie

Werkzeug- und Formenbau

Material

Werkzeugstahl

Technologie

Laser Powder Bed Fusion

Einstufung

Werkzeuge und Vorrichtungen

Schneidwerkzeug-Innovation von ARNO und Rosswag mit patentiertem, in Serie gefertigtem Kühlmittelführungsdesign. Das additiv gefertigte Nutwerkzeug liefert Kühlmittel direkt an die Schneidzone der Wendeplatte und unter die Werkzeugflanke, um ein hocheffizientes Abstechen, Einstechen und Nutdrehen zu ermöglichen. Dies führt zu finanziellen und technischen Vorteilen durch eine erhöhte Standzeit der Wendeschneidplatte und eine höhere Prozesssicherheit. Bildquelle: Rosswag GmbH.

Hydraulischer Ventilblock

Altes vs. neues Design

Anwender

Airbus

Industrie

Luftfahrt

Material

Edelstahl

Technologie

Laser Powder Bed Fusion

Einstufung

Qualifiziertes Endteil

Ziel war es, einen konventionell gefertigten Hochdruck-Hydraulikventilblock durch einen additiv gefertigten zu ersetzen. Das Bauteil wird von LIEBHERR AEROSPACE hergestellt und in einem AIRBUS A380 eingesetzt.

Die primäre Flugsteuerungskomponente bringt den Spoiler eines Flugzeugs bei Start und Landung in die gewünschte Position und muss daher höchsten Qualitätsansprüchen genügen.

Das Originalbauteil wird aus einem geschmiedeten Block mit mehreren Bohrungen und Montagevorgängen hergestellt. Dies führt zu einer begrenzten Gestaltungsfreiheit und langen Vorlaufzeiten.

Autoklav für Hochdruckanwendungen

Anwender

BASF SE

Industrie

Industriell

Material

Edelstahl

Technologie

Laser Powder Bed Fusion

Einstufung

Qualifiziertes Endteil

Der Autoklav mit integrierten Temperierkanälen ist nach der europäischen Druckgeräterichtlinie (2014/68/EU) Kategorie III zertifiziert. Der Betriebsdruck beträgt 225 bar. Der Autoklav verfügt über einen mehr als zwei Meter langen Innenkanal für Temperierflüssigkeit, der sich um die Behälterwand windet. Das AM-Design ermöglicht schnellere Temperaturzyklen, eine bessere Regulierung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung sowie eine optimierte Temperierung des Bauteils. Das Bauteil wird mit L-PBF aus einer Edelstahllegierung hergestellt. Bildquelle: BASF SE.

Energiedurchführung

Anwender

Festo AG & Co. KG

Industrie

Industriell

Material

Aluminium

Technologie

Laser Powder Bed Fusion

Einstufung

Nicht qualifiziertes Endteil

Das Teil überträgt und verteilt Druckluft. Vorteil durch additive Fertigung ist die wirtschaftliche Substitution kostspieliger Strangpressteile. Bildquelle: Festo AG & Co. KG

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Sinterbasierte AM-Technologien und Prozesskette

Sinterbasierte AM – ein Technologieüberblick

Viele verschiedene Drucktechnologien – ein Sinterprozess

Die sinterbasierten AM-Technologien (SBAM) haben, wie der Name schon sagt, den Sinterprozess gemeinsam. Dabei wird der bedruckte Grünling zu einem dichten Teil verfestigt und erhält seine endgültigen Eigenschaften. Der Grünling kann mit verschiedenen Technologien vorab gedruckt werden. Allen gemeinsam ist, dass Metallpulver durch ein Bindemittel in die gewünschte Form gebunden wird. Zu den bekanntesten Drucktechnologien gehören Binder Jetting und Filament Material Extrusion.

In diesem Abschnitt erfahren Sie alles über die sinterbasierte AM  Prozesskette und erhalten Sie einen Überblick über die verschiedenen Drucktechnologien.

Ziel und Aufbau dieses Kurses

Dieser Kurs richtet sich an Ingenieure, Designer und andere Fachleute, die eng mit sinterbasierten AM-Technologien arbeiten. Ziel ist es, die wichtigsten Aspekte abzudecken, die es Ingenieuren und Designern ermöglichen, die Möglichkeiten und technischen Grenzen der Drucktechnologien und des Sinterprozesses vollständig zu erfassen, um bei der Technologieauswahl und dem Teiledesign erfolgreich zu sein. Neben dem Durchlaufen des Kurses von Anfang bis Ende kann dieser Kurs auch als... dienen ständige Wissensquelle während der Arbeit an AM-Projekten. 

Der Kurs gliedert sich in die folgenden Abschnitten.

Dieser Abschnitt beginnt mit einem Überblick über die Sinterbasierte AM-Prozesskette und sein Drucktechnologien, gefolgt von einem Tief in die Technologie eintauchen in die wichtigsten Aspekte der BJT-Technologie ein, gefolgt von einem genaueren Blick auf die Entbindern und Sintern Schritt auch inklusive Sintersimulation.

Der zweite Abschnitt gibt einen Überblick über die verschiedenen Materialien die verfügbar sind sowie Teileeigenschaften die mit dem BJT-Prozess und typischen Methoden dafür erreicht werden können Qualitätskontrolle. Schließlich noch einige Gemeinsamkeiten Mängel im BJT-Prozess werden vorgestellt. 

Der letzte Abschnitt fungiert als Leitfaden für Designer. Neben einer allgemeinen Beschreibung des Prozesses beim Design für die additive Fertigung werden umsetzbare Einschränkungen und Richtlinien für den BJT-Prozess bereitgestellt. Im letzten Abschnitt werden mehrere davon vorgestellt Designbeispiele aus unterschiedlichen Branchen. 

Was Sie in diesem Abschnitt finden

Sinterbasierte AM-Prozesskette

Vom digitalen Modell bis zum fertigen Teil

Datenaufbereitung

Simulation zur Kompensation der Verformung während des Sinterschritts, Verschachtelung von Teilen und Definition von Druckparametern

Drucken

Durch verschiedene Druckverfahren werden unterschiedliche Ausgangsstoffe wie Metallpulver, Filamente, Pellets oder Dispersionen zu Grünteilen verarbeitet

Auspacken

Das Auspacken zerbrechlicher Grünteile muss sorgfältig erfolgen und ist in der Regel ein manueller Vorgang.

Entbinderung

Beim Entbindern wird das Bindemittel entfernt, wodurch ein brauner Teil entsteht

Sintern

Um die strukturelle Integrität eines Metallteils zu erreichen, ist ein Sinterprozess erforderlich. Die Pulverpartikel verschmelzen zu einer kohärenten, festen Struktur durch einen Massentransport, der auf atomarer Ebene erfolgt und durch Diffusionskräfte angetrieben wird.

Der braune Teil schrumpft um ca. 13-21 % in jede Richtung.

Die Prozesskette sinterbasierter Technologien unterscheidet sich von anderen AM-Technologien. Besonders die Nachdruckprozesse (Entbindern und Sintern) sind entscheidend, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen.

Technologieprinzip

Wie funktioniert Binder Jetting?

Binder Jetting ist eine pulverbasierte additive Fertigungstechnologie, bei der ein flüssiger Polymerbinder selektiv auf das Pulverbett aufgetragen wird, die Metallpartikel bindet und einen Grünkörper bildet.

Das Metallpulver wird in einer typischen Schichtdicke von 40 µm bis 100 µm auf eine Bauplattform aufgetragen. Anschließend trägt ein modifizierter 2D-Druckkopf einen Binder punktuell auf das Pulverbett auf. Je nach Maschinentechnik erfolgt parallel für jede Schicht und/oder am Ende des gesamten Aufbaus ein Aushärte- bzw. Aushärtungsprozess des Bindemittels. Während des In-situ-Härtungsprozesses wird eine Wärmequelle verwendet, um das Bindemittel zu verfestigen und einen festen Polymer-Metallpulver-Verbund zu bilden.

Funktionsprinzip des Binder Jetting

Anschließend fährt die Bauplattform um eine Schichtdicke nach unten und es wird eine neue Pulverschicht aufgetragen. Auch hier wird das flüssige Bindemittel in den erforderlichen Bereichen der nächsten Schicht abgelagert und ausgehärtet, um den Grünkörper zu bilden. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das komplette Teil gedruckt ist. Nach Abschluss des gesamten Druckvorgangs müssen die Teile aus dem „Pulverkuchen“, also dem umgebenden losen, aber verdichteten Pulver, entfernt werden. Um das überschüssige Pulver besser vom Grünkörper zu entfernen, werden häufig Bürsten oder eine Strahlpistole mit Luftdruck eingesetzt.

Um ein dichtes Metallteil zu erzeugen, muss der gedruckte Grünkörper in einem Entbinderungs- und Sinterprozess nachbearbeitet werden. Ähnlich wie beim Metallspritzgussverfahren werden BJT-Teile in einen Hochtemperaturofen gegeben, wo das Bindemittel ausgebrannt und die verbleibenden Metallpartikel zusammengesintert werden. Das Sintern führt zu einer Verdichtung des 3D-gedruckten Grünkörpers zu einem Metallteil mit hohen Dichten von 97 % bis 99,5%, abhängig vom Material.

Drucktechnologien

Metallbinderspritzen

Binder Jetting ist eine pulverbasierte additive Fertigungstechnologie, bei der ein flüssiger Polymerbinder selektiv auf das Pulverbett aufgetragen wird, die Metallpartikel bindet und einen Grünkörper bildet.

Das Metallpulver wird in einer typischen Schichtdicke von 40 µm bis 100 µm auf eine Bauplattform aufgetragen. Anschließend trägt ein modifizierter 2D-Druckkopf einen Binder punktuell auf das Pulverbett auf. Je nach Maschinentechnik erfolgt parallel für jede Schicht und/oder am Ende des gesamten Aufbaus ein Aushärte- bzw. Aushärtungsprozess des Bindemittels. Während des In-situ-Härtungsprozesses wird eine Wärmequelle verwendet, um das Bindemittel zu verfestigen und einen festen Polymer-Metallpulver-Verbund zu bilden.

Funktionsprinzip des Binder Jetting

Material Extrusion

Binder Jetting ist eine pulverbasierte additive Fertigungstechnologie, bei der ein flüssiger Polymerbinder selektiv auf das Pulverbett aufgetragen wird, die Metallpartikel bindet und einen Grünkörper bildet.

Das Metallpulver wird in einer typischen Schichtdicke von 40 µm bis 100 µm auf eine Bauplattform aufgetragen. Anschließend trägt ein modifizierter 2D-Druckkopf einen Binder punktuell auf das Pulverbett auf. Je nach Maschinentechnik erfolgt parallel für jede Schicht und/oder am Ende des gesamten Aufbaus ein Aushärte- bzw. Aushärtungsprozess des Bindemittels. Während des In-situ-Härtungsprozesses wird eine Wärmequelle verwendet, um das Bindemittel zu verfestigen und einen festen Polymer-Metallpulver-Verbund zu bilden.

Funktionsprinzip des Binder Jetting

Formschlammabscheidung

Binder Jetting ist eine pulverbasierte additive Fertigungstechnologie, bei der ein flüssiger Polymerbinder selektiv auf das Pulverbett aufgetragen wird, die Metallpartikel bindet und einen Grünkörper bildet.

Das Metallpulver wird in einer typischen Schichtdicke von 40 µm bis 100 µm auf eine Bauplattform aufgetragen. Anschließend trägt ein modifizierter 2D-Druckkopf einen Binder punktuell auf das Pulverbett auf. Je nach Maschinentechnik erfolgt parallel für jede Schicht und/oder am Ende des gesamten Aufbaus ein Aushärte- bzw. Aushärtungsprozess des Bindemittels. Während des In-situ-Härtungsprozesses wird eine Wärmequelle verwendet, um das Bindemittel zu verfestigen und einen festen Polymer-Metallpulver-Verbund zu bilden.

Funktionsprinzip des Binder Jetting

Metallselektives Lasersintern

Binder Jetting ist eine pulverbasierte additive Fertigungstechnologie, bei der ein flüssiger Polymerbinder selektiv auf das Pulverbett aufgetragen wird, die Metallpartikel bindet und einen Grünkörper bildet.

Das Metallpulver wird in einer typischen Schichtdicke von 40 µm bis 100 µm auf eine Bauplattform aufgetragen. Anschließend trägt ein modifizierter 2D-Druckkopf einen Binder punktuell auf das Pulverbett auf. Je nach Maschinentechnik erfolgt parallel für jede Schicht und/oder am Ende des gesamten Aufbaus ein Aushärte- bzw. Aushärtungsprozess des Bindemittels. Während des In-situ-Härtungsprozesses wird eine Wärmequelle verwendet, um das Bindemittel zu verfestigen und einen festen Polymer-Metallpulver-Verbund zu bilden.

Funktionsprinzip des Binder Jetting