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)
- • 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
- • 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
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
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
Ein weiteres Hybrid-Verfahren, das die Erzeugung von Metallteilen mittels bekannter additiver Fertigungsverfahren ermöglicht, wird in der
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
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
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, (
In der zweiten Phase wird das Grünteil (
In einer weiteren Ausführung der Erfindung werden durch einen zweiten Extruder, angeordnet auf der dreidimensionalen Kinematik Stützstrukturen (
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 (
Der Extruder (
In weiteren Ausführungen der Erfindung ist der mechanische Antrieb (
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 (
Die Erfindung soll nun anhand eines Beispiels näher erläutert werden wobei die
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 (
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
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- WO 2000051809 A1 [0011] WO 2000051809 A1 [0011]
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Zeitschrift 04/2014 Seite 235 [0017] Journal 04/2014 page 235 [0017]
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