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.
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
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
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.
Airbus
Luftfahrt
Edelstahl
Laser Powder Bed Fusion
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.
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.
Das Teil überträgt und verteilt Druckluft. Vorteil durch additive Fertigung ist die wirtschaftliche Substitution kostspieliger Strangpressteile. Bildquelle: Festo AG & Co. KG
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.
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.
Simulation zur Kompensation der Verformung während des Sinterschritts, Verschachtelung von Teilen und Definition von Druckparametern
Durch verschiedene Druckverfahren werden unterschiedliche Ausgangsstoffe wie Metallpulver, Filamente, Pellets oder Dispersionen zu Grünteilen verarbeitet
Das Auspacken zerbrechlicher Grünteile muss sorgfältig erfolgen und ist in der Regel ein manueller Vorgang.
Beim Entbindern wird das Bindemittel entfernt, wodurch ein brauner Teil entsteht
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.
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.
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.
Bei klassischen Binder-Jetting-Systemen, wie sie von EXONE oder DIGITAL METAL vertrieben werden, wird das flüssige Bindemittel mit einem einzigen Druckkopf selektiv aufgetragen. Dies bedeutet, dass die Breite des Druckkopfes nicht die gesamte Breite des Pulverbetts abdeckt. Daher bewegt sich der Druckkopf mehrmals in xy-Richtung über das Pulverbett, um den Druckbereich vollständig abzudecken und den Polymerbinder zu verteilen.
Die SINGLE PASS JETTING-Technologie wurde von DESKTOP METAL und HEWLETT PACKARD entwickelt. Die Breite des Druckkopfes deckt die gesamte Breite des Pulverbetts ab. Wenn der Druckkopf über das Pulverbett fährt, wird aus mehr als 30.000 kleinen Düsen Bindemittel freigesetzt und die gesamte Pulverschicht wird in einem Durchgang selektiv in Bindemittel eingetaucht. Der Prozess ist bidirektional, was bedeutet, dass die Bindemittelablagerung in beide Bewegungsrichtungen des Druckkopfes erfolgt. Durch diese Modifikationen wird die Druckgeschwindigkeit deutlich erhöht.
Eine ähnlich schnelle Technologie ist das METAL JET-Verfahren von HEWLETT PACKARD. In einem Durchgang wird ein flüssiges Druckmittel auf die Pulverschicht aufgetragen und anschließend teilweise verdampft, um das Bindepolymer um das Metallpulver herum zu bilden. Nach Abschluss des Drucks ist eine zusätzliche Aushärtung erforderlich, um die volle Stabilität des Grünkörpers zu erreichen.
3DEO kombiniert das Binder-Jetting-Verfahren mit einem anschließenden Bearbeitungsprozess. Anders als bei herkömmlichen Binder-Jetting-Verfahren wird der Binder nicht nur punktuell, sondern auf die gesamte Pulverschicht aufgetragen. Nach dem Aushärten der gesamten Schicht wird alle paar Schichten durch einen Fräsvorgang die Bauteilgeometrie geformt, indem die Bauteilkontur aus dem Binder-Pulver-Verbund herausgeschnitten wird.
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.
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.
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.
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.