DE102014018081A1 - Process and plant for the additive production of metal parts by means of an extrusion process - Composite Extrusion Modeling (CEM) - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur additiven Fertigung metallischer Bauteile, das sogenannte Composite-Extrusion-Modeling, vorzugsweise für geschlossene Hohlstrukturen aus Metallen bestehend aus der Kombination der Phasen des additiven Erzeugen eines Grünteils (b) und des Erhitzens des Grünteils (b) zum Entbindern und Sintern der Metallteilen, wobei ein Kompositmaterial mittels eines Extruders (7) kurzzeitig plastifiziert und selektiv auf die Bauplattform (12) in Form eines extrudierten Materialfadens zweidimensional aufgetragen, abgekühlt und danach der zweidimensionale Auftrag und das Abkühlen des extrudierten Materialfadens bis zur Fertigstellung des Grünteils (b) fortgesetzt wird und nach Fertigstellung das Grünteil (b) von der Bauplattform (b) entfernt und in an sich bekannter Weise entbindert und gesintert wird. Die Anlage zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einer dreidimensional verfahrbaren Kinematik, aus einer Bauplattform (12) und aus an der dreidimensional verfahrbaren Kinematik angeordneten einem oder mehreren Extruder (7), wobei der Extruder (7) aus einem mechanischen Antrieb (1), einem beheizten Gehäuse (2) und einer am beheizten Gehäuse (2) angeordneten, auswechselbaren Düse (3) besteht.The invention relates to a method and a plant for the additive production of metallic components, the so-called composite extrusion modeling, preferably for closed hollow structures of metals consisting of the combination of the phases of the additive generation of a green part (b) and the heating of the green part (b). for binder removal and sintering of the metal parts, wherein a composite material by means of an extruder (7) plasticized briefly and two-dimensionally applied to the building platform (12) in the form of an extruded material thread, cooled and then the two-dimensional application and cooling of the extruded material thread until the completion of the Green part (b) is continued and after completion of the green part (b) of the building platform (b) removed and debind in a conventional manner and sintered. The plant for carrying out the method consists of a three-dimensional movable kinematics, from a construction platform (12) and arranged on the three-dimensional kinematics one or more extruder (7), wherein the extruder (7) from a mechanical drive (1), a heated housing (2) and one on the heated housing (2) arranged, replaceable nozzle (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur additiven Fertigung metallischer Bauteile, das sogenannte Composite-Extrusion-Modeling.The invention relates to a method and a plant for the additive production of metallic components, the so-called composite extrusion modeling.

Die additive Fertigung von Metallteilen stellt immer noch eine kostspielige und komplexe Alternative zur herkömmlichen Fertigung (Urformen, Spanen etc.) dar. Dennoch findet sie in größeren Betrieben der Branchen Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie und Medizintechnik Anwendung. Dies liegt vor allem daran, dass die additive Fertigung eine nie dagewesene Konstruktionsfreiheit ermöglicht:

  • • komplexe Formen mit Hinterschneidungen,
  • • biologische Strukturen bis hin zu eins zu eins Kopien menschlicher Knochenstrukturen,
  • • Leichtbauteile mit Gitter oder Wabenstrukturen,
  • • thermisch beanspruchte, strömungsführende Teile (z. B. Raketentriebwerksteile)
The additive manufacturing of metal parts is still a costly and complex alternative to conventional manufacturing (prototyping, machining, etc.). Nevertheless, it is used in larger companies in the aerospace, automotive and medical industries. This is mainly due to the fact that additive manufacturing allows unprecedented design freedom:
  • • complex shapes with undercuts,
  • • biological structures down to one to one copies of human bone structures,
  • • lightweight components with mesh or honeycomb structures,
  • • thermally stressed, moving parts (eg rocket engine parts)

Im Bereich der additiven Fertigungsverfahren haben sich in den vergangenen 30 Jahre verschiedene Verfahren etabliert, die vor allem nach der Art und Weise der Schichtgenerierung in Verbindung mit dem Ausgangsmaterial zu unterscheiden sind.

  • • das Aushärten eines UV-empfindlichen Harzes
  • • das Verfestigen eines Pulverbettes durch Bindemittel
  • • das Aufschmelzen und Erstarren eines Pulverbettes durch Laser- oder Elektronenstrahlen
  • • das Aufschmelzen und Erstarren eines Kunststoffdrahtes durch eine beheizte Düse
In the field of additive manufacturing processes, various processes have been established in the past 30 years, which are to be distinguished in particular by the manner of layer generation in connection with the starting material.
  • • the curing of a UV-sensitive resin
  • • the solidification of a powder bed by binders
  • • the melting and solidification of a powder bed by laser or electron beams
  • • the melting and solidification of a plastic wire through a heated nozzle

Die wichtigsten additiven Fertigungsverfahren sind die Stereolithographie (STL), das 3D-Printing (3DP), das Selektive Lasersintern (SLS), das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) und das Fused Deposition Modeling (FDM). Die Stereolithographie wurde erstmals in der US 45 75 330 A offenbart. Bei diesem Verfahren wird eine Bauplattform um eine bestimmte Schichtdicke in ein Bad aus flüssigem UV-aushärtbarem Harz getaucht. Mittels eines UV-Lasers wird die erste Schicht des Bauteils auf der Bauplattform verfestigt. Die Schritte des Absenkens und des Verfestigens des Bauteils werden im Nachfolgenden wiederholt und so „wächst” das Bauteil von unten nach oben auf der Bauplattform. Das Verfahren weist sehr gute Detaillierungen und Oberflächenqualitäten auf, ist aufgrund der verwendeten Harze aber hauptsächlich für Anschauungsmodelle und Muster geeignet.The most important additive manufacturing processes are Stereolithography (STL), 3D Printing (3DP), Selective Laser Sintering (SLS), Electron Beam Melting (EBM) and Fused Deposition Modeling (FDM). Stereolithography was first used in the US 45 75 330 A disclosed. In this process, a build platform is dipped by a certain layer thickness into a bath of liquid UV-curable resin. By means of a UV laser, the first layer of the component is solidified on the building platform. The steps of lowering and solidifying the component are repeated below, and so the component "grows" from bottom to top on the build platform. The method has very good detailing and surface qualities, but due to the resins used is mainly suitable for illustrative models and patterns.

Das eigentliche 3D-Printing beschreibt ein Verfahren, bei dem eine Schicht eines pulverförmigen Ausgangsmaterials (Polymere, Keramik, Metall, Sand) mit einem Rakel auf einer Bauplattform aufgetragen wird. Anschließend verfährt ein Druckkopf, ähnlich dem eines Tintenstrahldruckers über dem Pulver und sprüht selektiv ein Bindemittel in das Pulver um die Kontur und Füllung des Bauteils zu verfestigen. Diese beiden Vorgänge wiederholen sich, bis das Bauteil fertiggestellt ist.The actual 3D printing describes a process in which a layer of a powdery starting material (polymers, ceramics, metal, sand) is applied with a doctor blade on a building platform. Next, a printhead, similar to that of an inkjet printer, travels over the powder and selectively sprays a binder into the powder to solidify the contour and filling of the component. These two processes are repeated until the component is completed.

Weitere pulververarbeitende Verfahren sind die Sinter- und Schmelzverfahren, die entweder mit einem Laser (SLS, SLM) die Konturen der Bauteile im Pulverbett verfestigen, oder aber mit einem Elektronenstrahl (EBM). Der Schichtauftrag des metallischen Pulvers erfolgt dabei ähnlich wie beim 3D-Printing in einem abgeschlossenen Bauraum, der vakuumiert wird und unter Schutzgas steht. Die hochenergetischen Strahlen werden entweder über Spiegelmechaniken oder durch Elektromagneten auf dem Pulverbett entlangbewegt. Dabei wird das Pulverbett lokal aufgeschmolzen und verfestigt anschließend wieder.Other powder processing methods are the sintering and melting processes, which solidify the contours of the components in the powder bed either with a laser (SLS, SLM), or with an electron beam (EBM). The layer application of the metallic powder is similar to the 3D printing in a closed space, which is vacuumed and is under protective gas. The high-energy rays are moved either by mirror mechanisms or by electromagnets on the powder bed. The powder bed is locally melted and then solidifies again.

Beim SLM- und EBM Verfahren ist der Energieeintrag dabei so hoch, dass sehr dichte Bauteile mit bis zu 99% der Dichte des Vollmaterials entstehen. Beim SLS-Verfahren werden die einzelnen Pulverpartikel lediglich versintert, was zu einem poröseren Bauteil führt.In the SLM and EBM process, the energy input is so high that very dense components with up to 99% of the density of the solid material arise. In the SLS process, the individual powder particles are merely sintered, resulting in a more porous component.

Die Bauteile der Schmelzverfahren weisen sehr gute mechanische Eigenschaften auf, die Verfahren zählen jedoch bedingt durch die hohen Anschaffungskosten (Laser und Spiegelmechanik) und Materialpreise und die wartungsintensive Technik zu den teuersten Verfahren. Zudem sind die Anlagen oft bis zu 200× größer als der eigentliche Bauraum und bei der Arbeit mit Metallpulvern besteht grundsätzlich die Gefahr von Staubexplosionen und Metaltbränden.The components of the melting process have very good mechanical properties, but the processes are due to the high cost (laser and mirror mechanics) and material prices and the maintenance-intensive technology among the most expensive processes. In addition, the systems are often up to 200 × larger than the actual installation space and when working with metal powders, there is always the risk of dust explosions and metal fires.

Ein weiteres thermisches Verfahren ist das Fused Deposition Modeling Verfahren. Es wird in der US 51 21 329 A beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein thermoplastischer Kunststoffdraht durch eine beheizte Düse gepresst und bildet durch Bewegen der Bauplattform und/oder des Extruders die einzelnen Schichten des Bauteils auf der Bauplattform ab. Die zweite und alle weiteren Schichten werden dabei jeweils auf die darunter liegende Struktur gedruckt Im Gegensatz zu den anderen Verfahren entstehen Bauteile hier freigeformt und sind nicht von unverfestigtem Material umgeben.Another thermal process is the fused deposition modeling process. It will be in the US 51 21 329 A described. In this process, a thermoplastic plastic wire is forced through a heated die and, by moving the build platform and / or extruder, forms the individual layers of the component on the build platform. The second and all further layers are printed on the underlying structure. In contrast to the other methods, components are formed free form and are not surrounded by unconsolidated material.

Die Verfahren, die zur Fertigung von Metall- und Keramikteilen geeignet sind, arbeiten mit Metallpulvern sind teuer und erfordern besondere Schutzmaßnahmen. Es ist darauf zu achten, dass es zu keinem Zeitpunkt zu einer Verblasung von Pulver und damit zu einer Staubexplosion und einem Metallbrand kommen darf. Der Bauraum muss nach einem Druckprozess von losem Pulver befreit werden und auch am Bauteil selbst haftet noch eine Pulverkruste, die mit zusätzlichen Geräten entfernt werden muss. Bedingt durch den Schichtaufbau ist der gesamte Bauraum um das eigentliche Bauteil und auch Hohlstrukturen im Bauteil mit losem Pulver gefüllt.The processes which are suitable for the production of metal and ceramic parts work with metal powders are expensive and require special protective measures. It is important to ensure that there is no time to blow powder and thus a dust explosion and a metal fire. The installation space must be freed of loose powder after a printing process and also on the component itself still adheres a powder crust, which must be removed with additional equipment. Due to the layer structure is the entire space around the actual component and also hollow structures in the component filled with loose powder.

Es gibt bereits Ansätze, neue additive Fertigungsverfahren für die Verarbeitung von metallischen oder keramischen Bauteilen zu etablieren. In der WO 2000 051 809 A1 wird das sogenannte Paste-Polarisation-Verfahren offenbart. Dieses ähnelt in seiner Arbeitsweise der Stereolithographie, mit dem Unterschied, dass als Ausgangsmaterial kein flüssiges UV-sensibles Harz sondern eine Paste verwendet wird. Die Paste besteht aus 35–60% Metall- oder Keramikpartikeln und einem UV-sensiblen Harz. Das Harz dient als Bindemittel und sorgt für die Festigkeit des Bauteils nach dem Druckprozess. Das Verfahren wurde allerdings nicht kommerzialisiert.There are already approaches to establish new additive manufacturing processes for the processing of metallic or ceramic components. In the WO 2000 051 809 A1 the so-called paste-polarization method is disclosed. This is similar in its mode of operation of stereolithography, with the difference that the starting material is not a liquid UV-sensitive resin but a paste is used. The paste consists of 35-60% metal or ceramic particles and a UV-sensitive resin. The resin serves as a binder and ensures the strength of the component after the printing process. However, the process has not been commercialized.

Ein weiteres Hybrid-Verfahren, das die Erzeugung von Metallteilen mittels bekannter additiver Fertigungsverfahren ermöglicht, wird in der DE 10 2005 056 260 B4 beschrieben. Dabei wird das 3D-Printing Verfahren eingesetzt, um Bindemittel in metallisches oder keramisches Pulver zu injizieren. Der Schichtaufbau erfolgt auf dieselbe Weise wie beim 3D-Printing. Nach dem Druckprozess sorgt das ausgehärtete Bindemittel für die Festigkeit im sogenannten Grünteil, durch anschließendes Ausbrennen des Binders in einem Ofen und Versinterung der Metall- oder Keramikpartikel entsteht ein festes Metallteil, das jedoch aufgrund des hohen Binderanteils eine geringe Dichte aufweist. Das Verfahren lässt sich ebenfalls zur Erzeugung von Sandformen und Gusskernen verwenden. Das Verfahren hat weiterhin den Nachteil der hohen Anschaffungskosten, welche eine breitere Verwendung hemmen.Another hybrid process which enables the production of metal parts by means of known additive manufacturing processes is described in US Pat DE 10 2005 056 260 B4 described. The 3D printing process is used to inject binders into metallic or ceramic powder. Layering is done in the same way as 3D printing. After the printing process, the cured binder provides the strength in the so-called green part, by subsequent burning out of the binder in an oven and sintering of the metal or ceramic particles creates a solid metal part, which has a low density due to the high binder content. The method can also be used to produce sand molds and cores. The method further has the disadvantage of high acquisition costs, which inhibit wider use.

Die genannten Verfahren haben zudem den Nachteil, dass keine geschlossenen Hohlstrukturen erzeugt werden können, und nicht verfestigtes Material aus dem Bauteilinneren und der Umgebung des Bauteils manuell entfernt werden muss. Des Weiteren ist bei der Fertigung von Metall- und Keramikteilen mittels 3DP weiterhin der anspruchsvolle Umgang mit dem pulverförmigen Ausgangsmaterial zu beachten.The said methods also have the disadvantage that no closed hollow structures can be produced, and non-solidified material from the component interior and the environment of the component must be removed manually. Furthermore, when manufacturing metal and ceramic parts by means of 3DP, the demanding handling of the powdered starting material must also be taken into account.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus, in einem Bindemittel gebundenen Metall- und/oder Keramikpartikeln ist das Pulverspritzgießen. Dabei werden mittels Spritzgießen Formteile aus pulverhaltigem Material hergestellt. Ein sogenannter Feedstock wird in einer Plastifiziereinheit mit einer Schnecke durch Wärmeleitung von außen her über am Plastifizierzylinder angebrachte Heizbänder sowie aufgrund Dissipation in der Schmelze beim Durchmischen im Schneckenzylinder aufgeschmolzen. Der Feedstock besteht aus einem definierten Volumenanteil Pulver und einem Volumenanteil Binderkomponente. Das Verhältnis von Pulver- zu Binderanteil beeinflusst die Fließeigenschaften und bestimmt die Schwindung des Bauteils beim SinternAnother method of producing molded parts from metal and / or ceramic particles bound in a binder is powder injection molding. In this case, molded parts are produced from powdered material by injection molding. A so-called feedstock is melted in a plasticizing unit with a screw by heat conduction from the outside via heating bands attached to the plasticizing cylinder and due to dissipation in the melt during mixing in the screw cylinder. The feedstock consists of a defined volume fraction of powder and a volume fraction of binder component. The ratio of powder to binder content influences the flow properties and determines the shrinkage of the component during sintering

Die DE 10 2007 019 100 A1 betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen einer spritzgießfähigen Masse in einer Spritzgießmaschine, die eine mit einer Schnecke versehene Plastifiziereinheit, eine Einspritzeinheit, eine Maschinensteuerung und ein Werkzeug mit einer Kavität aufweist, wobei in die Kavität spritzgießfähige Masse eingespritzt werden kann und wobei die spritzgießfähigen Masse aus mindestens einer Pulverkomponente und mindestens einer Binderkomponente besteht. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Spritzgießmaschine Die Binderkomponente wird im Plastifizierzylinder schmelzflüssig, während die Pulverkomponente im festen Aggregatzustand bleibt. Nach dem Spritzgießprozess werden die gespritzten Teile gesintert. Der Feedstock wird vor der Verarbeitung auf der Spritzgießmaschine in Compoundiereinrichtungen homogenisiert.The DE 10 2007 019 100 A1 relates to a method for injection molding an injection moldable mass in an injection molding machine comprising a screwed plasticizing unit, an injection unit, a machine control and a tool having a cavity, wherein injection moldable mass can be injected into the cavity, and wherein the injection moldable mass comprises at least one of Powder component and at least one binder component consists. The invention further relates to an injection molding machine. The binder component becomes molten in the plasticizing cylinder while the powder component remains in the solid state of aggregation. After the injection molding process, the sprayed parts are sintered. The feedstock is homogenized in compounding equipment on the injection molding machine prior to processing.

Der Nachteil bei diesem Verfahren ist der Einsatz von Formwerkzeugen, in das Feedstock-Material eingespritzt wird und dort auch aushärtet. Mit diesem Verfahren sind keine freiformbaren Bauteile zu fertigen, da es sich hierbei um kein additives Fertigungsverfahren handelt.The disadvantage of this method is the use of molds, is injected into the feedstock material and cures there. With this method, no free-formable components are to be produced, since this is not an additive manufacturing process.

Weiterhin wird in der Keramischen Zeitschrift 04/2014 Seite 235 ein FDM-Verfahren zur Herstellung von Grünlingen aus keramischen Werkstoffen beschrieben, wobei eine Keramik-Masse in eine Injektionsspitze gefüllt und diese über x-, y- und z-Achsen verfahren wird, während der Kolben der Injektionsspritze die Masse aus der Düse der Spritze fördert. Hier wird kein Schmelzfaden sondern eine kalte plastische Masse über eine Düse extrudiert und abgelegt.Furthermore, in the ceramic Magazine 04/2014 page 235 describes an FDM process for producing green compacts from ceramic materials, wherein a ceramic mass is filled into an injection tip and this is moved over x-, y- and z-axes, while the piston of the hypodermic syringe promotes the mass from the nozzle of the syringe , Here, no hot melt but a cold plastic mass is extruded through a nozzle and stored.

Dieses Verfahren dient der Herstellung von Grünlingen aus Keramikmassen, aber nicht der Herstellung von Bauteilen. Dazu sind die Oberflächen zu uneben. Mit dem Verfahren können nur endkonturnahe Halbzeuge zur anschließenden Grün- oder Weißbearbeitung hergestellt werden.This method is used to produce green compacts from ceramic masses, but not the production of components. In addition, the surfaces are too uneven. With the method, only near-net shape semi-finished products for subsequent green or white processing can be produced.

Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist es bisher nicht möglich, metallische, freiformbare Bauteile mit einer hohen Dichte oder geschlossene Hohlstrukturen aus Metall, geringer Schwindung und somit mit einer hohen Festigkeit mittels additiven thermoplastischen Verfahren, wie dem FDM-Verfahren zu fertigen. Hohe Anschaffungs- und Materialkosten, Wartungskosten, die Größe der Anlagen und die Komplexität der Verfahren stellen einen weiteren Nachteil der bisher offenbarten technischen Lösungen der additive Fertigung dar. Weiterhin war es mit den bekannten technischen Lösungen nicht möglich freiformbare Bauteile mit FDM-Verfahren herzustellen, deren Ausgangsmaterial ein Kompositmaterial aus thermoplastischen Bindemittel und einem hohen Metallpartikelanteil, beispielsweise handelsüblichen Feedstock-Materialien ist.With the solutions known from the prior art, it has hitherto not been possible to produce metallic, free-formable components with a high density or closed hollow structures made of metal, low shrinkage and thus with a high strength by means of additive thermoplastic processes, such as the FDM process. High acquisition and material costs, maintenance costs, the size of the systems and the complexity of the methods constitute a further disadvantage of the hitherto disclosed technical solutions of additive manufacturing. Furthermore, it was not possible with the known technical solutions to produce freeformable components using FDM methods Starting material Composite material of thermoplastic binder and a high metal particle content, for example, commercial feedstock materials.

Aufgabe der Erfindung ist ein neues additives Verfahren zur Erzeugung von Metallteilen aus Kompositmaterial mit thermoplastischen Binder und Metallpartikel bereitzustellen. Das neue Verfahren soll durch deutlich niedrigere Kosten und ein besseres Verhältnis von Bauraum zu Anlagengröße auch für kleine und mittelständische Unternehmen attraktiv sein. Hierdurch kann die Art und Weise der Produktentwicklung und der Innovationsförderung im Gesamten verbessert werden. Bauteile sollen frei auf der Bauplattform erzeugt werden, wodurch keine manuelle Entfernung von ungebundenem Material bzw. Reinigung des Bauraumes erforderlich sein wird. Des Weiteren soll das Verfahren nur Materialien in gebundener Form verarbeiten um die Gefahr einer Staubexplosion zu verhindern und die Notwendigkeit von Vakuum und Schutzgas während des Druckprozesses zu vermeiden.The object of the invention is to provide a novel additive process for the production of metal parts made of composite material with thermoplastic binder and metal particles. The new process should also be attractive for small and medium-sized companies due to significantly lower costs and a better ratio of installation space to system size. This can improve the overall way product development and innovation promotion. Components should be generated freely on the construction platform, whereby no manual removal of unbound material or cleaning of the installation space will be required. Furthermore, the process should only process materials in bonded form to prevent the risk of dust explosion and to avoid the need for vacuum and inert gas during the printing process.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren und eine Anlage zur additiven Fertigung von Metallteilen mittels eines Extrusionsverfahrens bestehend aus zwei Phasen, dem additiven Erzeugen des Grünteils (Phase 1-a) mittels eines Extruders, (7) angeordnet auf einer dreidimensionalen Kinematik (8) und dem nachträglichen Entbindern und Sintern des Bauteils in einem Ofen (b) gelöst. In Phase 1 wird ein Kompositmaterial, bestehend aus einem thermoplastischen Bindemittel und Metallpartikeln, der sogenannte Feedstock, welcher in fester Form als Granulat oder Sticks mit einem Metallanteil höher als 70% vorliegt, mittels eines Extruders (7) kurzzeitig plastifiziert und selektiv auf die Bauplattform (12) in Form eines extrudierten Materialfadens zweidimensional aufgetragen. Nachdem Kontur und Füllung der ersten Schicht aufgetragen wurden und abgekühlt sind, folgt das Einstellen der Schichtstärke entweder über ein Anheben des Extruders oder Absenken der Bauplattform (12) um die Schichtstärke (dz). Die Schritte des Extrudierens einer neuen Schicht und des Verfahrens der Bauplattform (12) oder des Extruders (7) in z-Richtung werden wiederholt, bis das Grünteil (10) fertiggestellt wurde. Dabei wird lediglich der thermoplastische Binder plastifiziert, der für die Festigkeit des Grünteils (10) sorgt.The object of the invention is achieved by a method and a plant for the additive production of metal parts by means of an extrusion process consisting of two phases, the additive production of the green part (phase 1-a) by means of an extruder, ( 7 ) arranged on a three-dimensional kinematics ( 8th ) and the subsequent binder removal and sintering of the component in an oven (b). In phase 1, a composite material consisting of a thermoplastic binder and metal particles, the so-called feedstock, which is present in solid form as granules or sticks with a metal content higher than 70%, by means of an extruder ( 7 ) plasticized for a short time and selectively onto the construction platform ( 12 ) in the form of an extruded material thread two-dimensionally applied. After the contour and filling of the first layer have been applied and cooled, the adjustment of the layer thickness follows either by raising the extruder or by lowering the building platform ( 12 ) around the layer thickness (dz). The steps of extruding a new layer and the process of building platform ( 12 ) or the extruder ( 7 ) in z-direction are repeated until the green part ( 10 ) was completed. In this case, only the thermoplastic binder is plasticized, for the strength of the green part ( 10 ).

In der zweiten Phase wird das Grünteil (10) aus dem Gerät entnommen und in einen herkömmlichen Sinterofen (9) für metallische Bauteile positioniert. Durch die thermische Einwirkung wird zunächst das Bindemittel aus dem Bauteil gelöst (c). Durch weitere Erhitzung bilden die Metallpartikel an ihren Kontaktstellen sogenannte Sinterhälse. Das heißt die Körner verschmelzen miteinander und gehen eine feste Bindung ein. Nach abgeschlossenem Sinterprozess kann das fertige Bauteil aus dem Ofen entnommen werden (d). Aufgrund des gelösten Bindemittels kommt es zu einem definierten Volumenverlust des Bauteils (e).In the second phase, the green part ( 10 ) are removed from the apparatus and placed in a conventional sintering furnace ( 9 ) for metallic components. Due to the thermal action, the binder is first released from the component (c). As a result of further heating, the metal particles form so-called sintering necks at their contact points. That is, the grains fuse together and form a strong bond. After completion of the sintering process, the finished component can be removed from the oven (d). Due to the dissolved binder, there is a defined volume loss of the component (e).

In einer weiteren Ausführung der Erfindung werden durch einen zweiten Extruder, angeordnet auf der dreidimensionalen Kinematik Stützstrukturen (11) beispielsweise aus demselben thermoplastischen Material erzeugt, was bereits als Bindemittel im Kompositmaterial verwendet wird.In a further embodiment of the invention, support structures (FIG. 2) are arranged by a second extruder arranged on the three-dimensional kinematics. 11 ) produced, for example, from the same thermoplastic material, which is already used as a binder in the composite material.

Das Entbindern des Grünteils (b) kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung entweder nur durch thermische Einwirkung oder durch chemische und thermische Einwirkung vorgenommen werden.The debinding of the green part (b) can be carried out according to a further embodiment of the invention either only by thermal action or by chemical and thermal action.

Die Anlage zur Durchführung des Verfahrens zur additiven Fertigung von Metallteilen mittels eines Extrusionsverfahrens – Composite Extrusion Modeling (CEM) – besteht aus einem oder mehreren Extruder, die starr an eine in x-, y-, oder z-Achse bewegbarer und an die Steuerung eines 3D-Druckers angeschlossenen Kinematik der Anlage zur Erzeugung der dreidimensionalen Bauteilstruktur frei wählbar montiert ist. Die Bewegungen des Extruders (7) erfolgen über die x-, y- und z-Achse der Kinematik, wobei die Bauplattform (12) unbeweglich oder über eine Kombination aus der Bewegung des Extruders (7) mit der Bewegung der Bauplattform (12) in den entsprechenden Achsen ausgeführt ist.The plant for carrying out the process of additive manufacturing of metal parts by means of an extrusion process - Composite Extrusion Modeling (CEM) - consists of one or more extruders which are rigidly movable on an x-, y-, or z-axis and the control of a 3D printer attached kinematics of the system for generating the three-dimensional component structure is mounted freely selectable. The movements of the extruder ( 7 ) take place via the x-, y- and z-axis of the kinematics, whereby the construction platform ( 12 ) immobile or via a combination of the movement of the extruder ( 7 ) with the movement of the building platform ( 12 ) is executed in the corresponding axes.

Der Extruder (7) besteht aus einem mechanischen Antrieb (1), einem beheizten Gehäuse (2) und aus einer am beheizten Gehäuse (2) befestigten auswechselbaren Düse (3), wobei das beheizte Gehäuse (2) mit dem mechanischen Antrieb (1) über geeignet Mittel zum Transport des Kompositmaterials vom mechanischen Antrieb (1) zum beheizten Gehäuse (2) versehen ist.The extruder ( 7 ) consists of a mechanical drive ( 1 ), a heated housing ( 2 ) and from a heated housing ( 2 ) mounted replaceable nozzle ( 3 ), wherein the heated housing ( 2 ) with the mechanical drive ( 1 ) via suitable means for transporting the composite material from the mechanical drive ( 1 ) to the heated housing ( 2 ) is provided.

In weiteren Ausführungen der Erfindung ist der mechanische Antrieb (1) als Stopfschnecke oder als Zellrad (14) oder als Antriebsräder (15) ausgebildet.In further embodiments of the invention, the mechanical drive ( 1 ) as a stuffing screw or as a cell wheel ( 14 ) or as drive wheels ( 15 ) educated.

In einer Auslegung der Erfindung ist das geeignet Mittel zum Transport des Kompositmaterials als Schlauch ausgebildet.In one embodiment of the invention, the suitable means for transporting the composite material is designed as a hose.

Das Kompositmaterial in Form eines Granulats, grobkörnigen Pulvers oder Sticks wird mittels des mechanischen Antriebs (1) in das beheizten Gehäuse (2) gefördert, verdichtet und plastifiziert sowie durch eine auswechselbare Düse (3) extrudiert. Die Bestückung des mechanischen Antriebes (1) kann dabei entweder aus dem vollen Erfolgen (4), durch eine Überdruckleitung (5) oder eine entsprechende Dosiereinrichtung (6).The composite material in the form of granules, coarse powder or sticks is by means of the mechanical drive ( 1 ) in the heated housing ( 2 ), compacted and plasticized and by a replaceable nozzle ( 3 ) extruded. The assembly of the mechanical drive ( 1 ) can either be from full success ( 4 ), by an overpressure line ( 5 ) or a corresponding metering device ( 6 ).

Die Erfindung soll nun anhand eines Beispiels näher erläutert werden wobei die 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens, die 2 eine Skizze des Extruders, die 3 eine Skizze des Extruders mit den Möglichkeiten seiner Befüllung, die 4 eine Skizze zu einer Stützstruktur, die 5 einen mechanischen Antrieb (1) als Zellrad (14) ausgebildet und die 6 einen mechanischen Antrieb (1) als Antriebsräder (15) ausgebildet darstellen, wobei: The invention will now be explained in more detail with reference to an example wherein the 1 a schematic representation of the method, the 2 a sketch of the extruder, the 3 a sketch of the extruder with the possibilities of its filling, the 4 a sketch of a support structure that 5 a mechanical drive ( 1 ) as a cellular wheel ( 14 ) trained and the 6 a mechanical drive ( 1 ) as drive wheels ( 15 ), wherein:

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
mechanischer Antriebmechanical drive
22
beheiztes Gehäuseheated housing
33
Düsejet
44
Schüttungfill
55
ÜberdruckzufuhrOverpressure supply
66
Dosiereinheitdosing
77
Extruderextruder
88th
x-y-z Kinematikx-y-z kinematics
99
Sinterofensintering furnace
1010
Grünteilgreen part
1111
Stützstruktursupport structure
1212
Bauplattformbuilding platform
1313
StickStick
1414
Zellradbucket wheel
1515
Antriebsräderdrive wheels

Hierzu wurde der speziell für diesen Zweck konstruierte Extruder (7), bestehend aus einer Stopfschnecke als mechanische Antrieb (1), einem beheizten Gehäuse (2), an dem eine Düse (3) angeordnet ist gefertigt, wobei die Stopfschnecke als mechanischer Antrieb (1) mit dem beheizten Gehäuse (2) über eine Dosiereinheit (6) verbunden und mit einem kommerziellen Metall-Kunststoff-Kompositmaterial, bestehend aus POM als thermoplastischem Bindemittel und Edelstahl-Partikeln mit einem Anteil von 93% am Kompositmaterial bestückt ist. Das Material liegt beispielsweise als Granulat vor welches für gewöhnlich im Pulverspritzguss als sogenannter Feedstock verwendet wird. Es wird eine optimale Temperatur von 240°C und eine Extrusionsgeschwindigkeit von umgerechnet 10 mm/s eingestellt. Der Extruder wurde senkrecht auf einer XYZ-Portalkinematik installiert und an die Steuerung eines 3D-Druckers angeschlossen. Über die Steuerung wurde dann auf die Bauplattform (12) eine zweidimensionale fadenförmige Struktur des Materials aufgetragen und ausgehärtete. Danach wurde der Extruder in der Schichtdicke (dz) in z-Achse nach oben verfahren und erneut die fadenförmige Materialstruktur über die Düse (3) des Extruders (7) auf die vorhandenen Struktur auf der Bauplattform (12) aufgetragen und ausgehärtet. Dies wird so lange wiederholt bis das Bauteil als Grünteil (10) vorliegt. Nach der Fertigstellung des Grünteils (10) wird es von der Bauplattform (12) entfernt und in einem Sinterofen (9) vom Bindemittel entbindert und durch weitere Erhitzung bilden die Metallpartikel an ihren Kontaktstellen sogenannte Sinterhälse. Das heißt, die Körner verschmelzen miteinander und gehen eine feste Bindung ein. Nach abgeschlossenem Sinterprozess kann das fertige Bauteil aus dem Ofen entnommen werden Aufgrund des gelösten Bindemittels kann es zu einem definierten Volumenverlust des Bauteils kommen.For this purpose, the specially designed for this purpose extruder ( 7 ), consisting of a plug screw as a mechanical drive ( 1 ), a heated housing ( 2 ), to which a nozzle ( 3 ) is arranged, wherein the plug screw as a mechanical drive ( 1 ) with the heated housing ( 2 ) via a dosing unit ( 6 ) and equipped with a commercial metal-plastic composite material consisting of POM as a thermoplastic binder and stainless steel particles with a share of 93% of the composite material. The material is for example in the form of granules, which is usually used in powder injection molding as a so-called feedstock. It is set an optimum temperature of 240 ° C and an extrusion rate of 10 mm / s. The extruder was installed vertically on an XYZ portal kinematics and connected to the controller of a 3D printer. About the controller was then on the build platform ( 12 ) applied a two-dimensional thread-like structure of the material and cured. Thereafter, the extruder was moved in the layer thickness (dz) in the z-axis upwards and again the thread-like material structure through the nozzle ( 3 ) of the extruder ( 7 ) on the existing structure on the build platform ( 12 ) applied and cured. This is repeated until the component as a green part ( 10 ) is present. After the completion of the green part ( 10 ), it is executed by the build platform ( 12 ) and in a sintering furnace ( 9 ) are debind from the binder and by further heating form the metal particles at their contact points so-called sintering necks. That is, the grains fuse together and form a strong bond. After completion of the sintering process, the finished component can be removed from the oven. Due to the dissolved binder, a defined volume loss of the component can occur.

Die Grünteilfestigkeit entspricht dabei der des thermoplastischen Bindemittels und ist damit ausreichend um das Bauteil unbeschadet von der Bauplattform zu entfernen. Da es sich bei dem Material beispielsweise um ein Standardgranulat für den Pulverspritzguss handelt, ist die Machbarkeit der Nachbearbeitung des Grünteils mittels eines Sinterofens gewährleistet. Von diesem Punkt an unterscheidet sich das Verfahren faktisch nicht von dem Sinterprozess im Pulverspritzguss.The green part strength corresponds to that of the thermoplastic binder and is thus sufficient to remove the component without being damaged by the build platform. Since the material is, for example, a standard granulate for powder injection molding, the feasibility of reworking the green part by means of a sintering furnace is ensured. From this point on, the process does not in fact differ from the sintering process in powder injection molding.

Die Erfindung ermöglicht es komplexe Bauteile aus hoch-festen keramischen oder metallischen Materialien zu erzeugen z. B. Edelstahl, die eine Dichte von 98% des Vollmaterials entsprechen. Dabei ist das Verfahren um ein vielfaches günstiger als vergleichbare additive Fertigungsverfahren und hat ein deutlich besseres Verhältnis von Bauraum zu Anlagengröße. Durch die Möglichkeit interne Hohlstrukturen zu erzeugen, können völlig neue Konstruktionselemente im Bereich des Leichtbaus entwickelt werden. Beispielsweise Teile mit geschlossenen Oberflächen und internen Waben- und Gitterstrukturen. Durch die niedrigen Kosten des Verfahrens werden diese Leichtbauteile günstiger und damit einer breiteren Anwendergruppe zugänglich gemacht. Bedingt durch die Tatsache, dass während des Druckprozesses (Phase 1) nur der thermoplastische Anteil des Kompositmaterials plastifiziert wird, liegt das Metall oder Keramikpulver zu keinem Zeitpunkt in ungebundener Form vor, wodurch die Gefahr einer Staubexplosion gebannt ist. Der Druckprozess kann aus diesem Grund in Umgebungsatmosphäre stattfindet und benötigt keine Schutzausrüstung. Die Anlagen zur Erzeugung der Bauteile in Phase 1 sind verhältnismäßig klein und besitzen eine robuste Mechanik, dadurch ist das Verfahren ebenfalls für den mobilen Einsatz geeignet. Der Schichtaufbau von thermoplastischem Material ist ebenfalls für die Schwerelosigkeit geeignet.The invention makes it possible to produce complex components from high-strength ceramic or metallic materials z. As stainless steel, which correspond to a density of 98% of the solid material. The process is many times cheaper than comparable additive manufacturing processes and has a much better ratio of space to size. Due to the possibility of creating internal hollow structures, completely new construction elements in the field of lightweight construction can be developed. For example, parts with closed surfaces and internal honeycomb and lattice structures. Due to the low cost of the process these lightweight components are cheaper and thus made available to a wider group of users. Due to the fact that during the printing process (phase 1) only the thermoplastic portion of the composite material is plasticized, the metal or ceramic powder is never present in unbound form, whereby the risk of a dust explosion is banned. The printing process can therefore take place in ambient atmosphere and does not require any protective equipment. The systems for producing the components in phase 1 are relatively small and have a robust mechanism, thus the method is also suitable for mobile use. The layer structure of thermoplastic material is also suitable for weightlessness.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Zeitschrift 04/2014 Seite 235 [0017] Journal 04/2014 page 235 [0017]

Claims (10)

Verfahren zur additiven Fertigung von freiformbaren Metallteilen mittels eines Extrusionsverfahrens bestehend aus der Kombination der Phasen des additiven Erzeugens eines Grünteils (b) und des Erhitzens des Grünteils (b) zum Entbindern und Sintern der Metallteile, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompositmaterial mittels eines oder mehrerer Extruder (7) kurzzeitig plastifiziert und selektiv auf die Bauplattform (12) in Form eines extrudierten Materialfadens zweidimensional aufgetragen, abgekühlt und danach das zweidimensionale Auftragen und Abkühlen des extrudierten Materialfadens bis zur Fertigstellung des Grünteils (b) fortgesetzt wird, wobei nach Fertigstellung das Grünteils (10) von der Bauplattform (12) entfernt und in an sich bekannter Weise entbindert und gesintert wird.Process for the additive production of freeformable metal parts by means of an extrusion process consisting of the combination of the phases of the additive production of a green part (b) and the heating of the green part (b) for debindering and sintering of the metal parts, characterized in that a composite material by means of one or more extruders ( 7 ) plasticized for a short time and selectively onto the construction platform ( 12 two-dimensionally in the form of an extruded material thread, cooled, and then the two-dimensional application and cooling of the extruded material thread is continued until the completion of the green part (b), after which the green part (FIG. 10 ) from the build platform ( 12 ) is removed and debind in a conventional manner and sintered. Verfahren zur additiven Fertigung von Metallteilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompositmaterial aus einem thermoplastischen Bindemittel und Metallpartikel besteht und in fester Form vorliegt.Process for the additive production of metal parts according to claim 1, characterized in that the composite material consists of a thermoplastic binder and metal particles and is present in solid form. Verfahren zur additiven Fertigung von Metallteilen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompositmaterial als Granulat, grobkörniges Pulver oder als Stick mit einem Metallanteil höher als 70% vorliegt.Process for the additive production of metal parts according to claim 1 and 2, characterized in that the composite material is present as granules, coarse-grained powder or as a stick with a metal content higher than 70%. Verfahren zur additiven Fertigung von Metallteilen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem thermoplastischen Bindemittel des Kompositmaterials Stützstrukturen (11) hergestellt werden.Process for the additive production of metal parts according to claims 1 to 3, characterized in that support structures (of the thermoplastic binder of the composite material) 11 ) getting produced. Verfahren zur additiven Fertigung von Metall- und/oder Keramikteilen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Entbindern des Grünteils (10) durch thermische Einwirkung oder durch chemische und/oder thermische Einwirkung erfolgt.Process for the additive production of metal and / or ceramic parts according to claim 1 to 4, characterized in that the debindering of the green part ( 10 ) by thermal action or by chemical and / or thermal action. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, bestehend aus einer dreidimensional verfahrbaren Kinematik, aus einer Bauplattform (12) und aus an der dreidimensional verfahrbaren Kinematik angeordneten ein oder mehreren Extruder (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Extruder (7) aus einem mechanischen Antrieb (1) für das zu extrudierende Kompositmaterial, einem beheizten Gehäuse (2) und aus einer am Gehäuse (2) angeordneten, auswechselbaren Düse (3) besteht, wobei das beheizte Gehäuse (2) über geeignete Mittel zum Transport des Kompositmaterials mit dem mechanischen Antrieb (1) verbunden ist.Plant for carrying out the method according to claims 1 to 5, consisting of a three-dimensionally movable kinematics, from a building platform ( 12 ) and arranged on the three-dimensional moveable kinematics one or more extruder ( 7 ), characterized in that the extruders ( 7 ) from a mechanical drive ( 1 ) for the composite material to be extruded, a heated housing ( 2 ) and one on the housing ( 2 ), replaceable nozzle ( 3 ), wherein the heated housing ( 2 ) via suitable means for transporting the composite material with the mechanical drive ( 1 ) connected is. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das geeignete Mittel zum Transport des Kompositmaterials vom mechanischen Antrieb (1) zum beheizten Gehäuse (2) als ein Schlauch ausgebildet ist.Installation according to claim 6, characterized in that the suitable means for transporting the composite material from the mechanical drive ( 1 ) to the heated housing ( 2 ) is formed as a hose. Anlage nach Anspruch 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Antrieb (1) als Stopfschnecke oder als Zellrad (14) oder als Antriebsräder (15) ausgebildet ist.Plant according to claim 6 to 7, characterized in that the mechanical drive ( 1 ) as a stuffing screw or as a cell wheel ( 14 ) or as drive wheels ( 15 ) is trained. Anlage nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass am mechanischen Antrieb (1) für das zu extrudieren Kompositmaterial eine Überdruckleitung (5) oder eine Dosiereinrichtung (6) zur Bestückung mit in fester Form vorliegenden Kompositmaterial in Form von thermoplastischen Bindemittel und Metallpartikel angeordnet sind.Plant according to claim 6 to 8, characterized in that on the mechanical drive ( 1 ) for the composite material to be extruded, an overpressure line ( 5 ) or a metering device ( 6 ) are arranged for placement in solid form composite material in the form of thermoplastic binder and metal particles. Anlage nach Anspruch 6 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass an der dreidimensional verfahrbaren Kinematik oder an der Bauplattform (12) ein oder mehrere Extruder angeordnet sind.Plant according to claim 6 to 7, characterized in that on the three-dimensionally movable kinematics or on the building platform ( 12 ) One or more extruders are arranged.
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