Ziel der Entwicklung
Bisher steht das pulverbettbasierte Schmelzen mittels Laserstrahl (powder bed fusion - PBF) im Fokus der additiven Fertigung von metallischen Bauteilen. Aufgrund der geringen Bauraten und vor allem der kostenintensiven Anlagentechnik werden Alternativen zum PBF gefordert. Geringere Investitionskosten bei höheren Bauraten weist die Gruppe der Materialextrusions-Verfahren (material extrusion - MEX) auf. Um diese Prozesskategorie für weitere Werkstoffgruppen, bisher stehen die Kunststoffe im Fokus, nutzbar zu machen, findet derzeit ein Übergang von reinen Polymer-Werkstoffen hin zu metall- beziehungsweise keramik-gefüllten Kunststoff-Filamenten statt. Dies ist möglich, indem ein Bindersystem mit Partikeln gefüllt beziehungsweise Pulver mit dem Binder gemischt und anschließend „gedruckt“ wird. In einem nachfolgenden Schritt, nach der eigentlichen Formgebung, ist dann die Festigkeit durch Entfernen des Binders und Zusammensintern der Partikel herzustellen. Ziel des Vorhabens war es, die Einflussfaktoren des Entbinderns und Sinterns auf die resultierenden Werkstoffeigenschaften mittels Materialextrusion additiv gefertigter metallischer Komponenten zu bestimmen. Ausgehend von den wissenschaftlich abgesicherten Erkenntnissen werden daraus einzuhaltende Randbedingungen und Vorgehensweisen abgeleitet.
Vorteile und Lösungen
Der Lösungsansatz bestand aus zwei wesentlichen Elementen. Zum einen ist dies die Übertragung von bisher vorliegenden Erkenntnissen zum Entbindern und Sintern entlang der Metallpulverspritzgießen-Prozesskette (MIM) auf den Bereich der additiven Fertigung. Zum anderen wurden Experimente und Untersuchungen durchgeführt, um die Unterschiede zum MIM herausarbeiten zu können. Im Ergebnis konnten Parametersätze und Handlungsempfehlungen entwickelt werden, die eine hohe geometrische Reproduzierbarkeit und gute Ergebnisse bezüglich der mechanischen Eigenschaften im Bereich des Vollmaterials gewährleisten. Anhand der betrachteten Werkstoffe konnten zudem Grenzen der vorhandenen Anlagentechnik aufgezeigt werden, welche Anknüpfungspunkte für weiterführende Entwicklungsarbeiten bieten. Das Projekt ist insgesamt als Erfolg zu werten, da anhand der umfangreichen Untersuchungen eine breite Wissensbasis aufgebaut werden konnte, auf deren Grundlage das Metallextrusionsverfahren weiterentwickelt werden kann.
Zielgruppe und Zielmarkt
Mit dem Forschungsvorhaben wurde ein grundlegendes Verständnis für die Technologiekette der additiven Fertigung im Metallextrusionsverfahren erarbeitet und die technologisch relevanten Randbedingungen evaluiert. Damit wurde die Basis geschaffen, um den Prozess gemeinsam mit interessierten kleinen und mittelständischen Unternehmen anwendungsspezifisch weiterzuentwickeln und damit die Palette der additiven Fertigungstechnologien um ein weiteres Verfahren zu erweitern. Besonders vorteilhaft, vor allem für kleine Unternehmen, dürften sich hierbei die im Vergleich zu anderen additiven Verfahren deutlich geringeren Investitionskosten in die Anlagentechnik zur Formgebung auswirken. Mit dem Projekt konnte gezeigt werden, dass die Formgebung mit einem konventionellen Fused Deposition Modeling-Drucker (FDM) umsetzbar ist. Dementsprechend hoch ist das Potential zur Umsetzung im industriellen Umfeld. Anwender profitieren auch davon, dass im Forschungsvorhaben bewusst mit frei verfügbarer Anlagentechnik und Werkstoffen gearbeitet wurde. Die Ergebnisse sind somit nicht an einen festen Gesamtprozess beziehungsweise ein Anlagensystem gekoppelt wie es beispielsweise von Markforged vertrieben wird. Die industrielle beschriebene Umsetzung von Teilschritten der Technologieketten ist damit gewährleistet.
