Sinterbasierte Additive Fertigung von Metallen

Wolfgang Kollenberg, WZR ceramic solutions GmbH

Dieser Beitrag ist leicht gekürzt in „Additive Fertigung“ im September 2021 erschienen.

Nicht nur für die Herstellung von Einzelteilen, sondern auch für die Serienfertigung hat der 3D-Druck Einzug in die Industrie gehalten. Neben Kunststoffen sind es vor allem Metalle die zum Einsatz kommen. Aus der Palette möglicher Verfahren ist Powder Bed Fusion die bekannteste und
verbreitetste Technologie. Die Verfahren der Additiven Fertigung lassen sich grundlegend in zwei Gruppen unterteilen:

• Verfahren mit selektiver Verfestigung, bei denen Ausgangsmaterial flächig in der x-y-Ebene vorliegt
• Verfahren mit selektiver Abscheidung, bei denen Material selektiv in der x-y-Ebene aufgebracht wird

Darüber hinaus kann man den Zustand des Ausgangsmaterials unterscheiden in flüssig, pulverförmig und fest. Darauf basierend kann eine Einteilung der Verfahren vorgenommen werden (Tabelle 1).

Die Terminologie für alle Begriffe der Additiven Fertigung ist in der ISO/ASTM DIS 52900:2018 verbindlich geregelt. Im Rahmen dieses Beitrages werden die Verfahren mit den englischen Bezeichnungen benannt. Darauf basieren auch die in Tabelle 1 widergegebene Begriffe für die Verfahren der Additiven Verfahren.

Ein weiteres Kriterium die Verfahren zu unterscheiden ist, ob es sich um einen direkten oder einen indirekten Prozess handelt. Bei direkten Prozessen erfolgt die Verfestigung des Materials unmittelbar mit der additiven Formgebung. Das bekannteste Beispiel ist Filament basierte Material Extrusion von Kunststoffen. Für Metalle sind das die als Powder Bed Fusion und Direct Energy Deposition bezeichneten Verfahren. Auch wenn weitere nachgeschaltete Prozesse benötigt werden, erfolgt die Verbindung der Partikel hier unmittelbar mit dem additiven Aufbau. Im Gegensatz dazu gibt es Verfahren, bei denen erst durch den späteren Sinterprozess die feste Verbindung der Partikel untereinander erfolgt. Diese Prozesse werden als Sinterbasierte Verfahren bezeichnet. Für Metalle sind hier insbesondere Binder Jetting und Material Extrusion zu nennen.

Die Beschreibung der genannten Prozesskategorien ist in Tabelle 2 jeweils mit einer Skizze, die den Prozess vereinfacht darstellt, aufgeführt. In diesem Beitrag werden neue Entwicklungen der Sinterbasierten Additiven Verfahren zur Herstellung metallischer Bauteile dargestellt.

Powder Bed Fusion:

Prozess, in dem Wärmeenergie gezielt Bereiche eines Pulverbetts schmilzt.

Directed Energy Deposition:

Prozess, in dem eine fokussierte Wärmeenergie (zum Beispiel ein Laser, Elektronenstrahl oder Plasmabogen) verwendet wird, um Materialien während des Auftragens durch Schmelzen zu vereinigen.

Binder Jetting:

Prozess, in dem ein flüssiges Bindemittel gezielt auf Pulvermaterialien aufgebracht wird, damit diese sich verbinden.

Material Extrusion:

Prozess, in dem Werkstoffe gezielt durch eine Düse oder Öffnung aufgetragen werden

Tabelle 2: Beschreibung einzelner Prozesskategorien nach DIN EN ISO/ASTM 52900 [1]

Binder Jetting

Nachdem in den letzten Jahren die Powder Bed Fusion Prozesse im Blickpunk standen, nimmt in letzter Zeit das Interesse für Binder Jetting deutlich zu. Beim Binder Jetting wird auf ein Binder lokal auf ein Pulver gedruckt. Der Binder sorgt für ein Verkleben der Partikel. Das umgebende lose Pulver stützt den Formkörper, sodass keine zusätzliche Stützstruktur notwendig ist. Besonders interessant erscheinen die schnelle Aufbaurate und die Übertragbarkeit der aus der Pulvermetallurgie, z.B. bei Press- oder MIM-Teilen, gewonnenen Erfahrungen. Einen Überblick zu Prozessparametern, Werkstoffen, Eigenschaften und Herausforderungen geben A. Mostafaei et al. [2].

Das zunehmende Interesse ist sicherlich auch auf das gestiegene Angebot kommerzieller Maschinen für Metal Binder Jetting zurückzuführen. Zu nennen sind hier im Wesentlichen: ExOne, HP, Desktop Metal und Digital Metal.

Maschinen sind die Voraussetzung für die industrielle Umsetzung, allerdings müssen auch Pulver und Binder sowie die passenden Druck- und Sinterparameter zur Verfügung stehen. Hier ist der Schritt vom Kauf einer Maschine bis zur Produktion von Bauteilen noch beachtlich und stellt für viele Unternehmen eine Hürde dar.

An die zu verarbeitenden Pulver sind grundlegende Anforderungen zu stellen: [3]

• Die Fließfähigkeit des Pulvers muss gut sein, um einen reproduzierbaren schichtweisen Auftrag im Bauraum zu gewährleisten.
• Die Packungsdichte im Pulverbett muss möglichst hoch sein, um eine hohe Grün- und Sinterdichte zu erzielen.
• Die Korngröße muss kleiner als die Lagen im Pulverbett sein.

An die Korngröße werden widersprüchliche Anforderungen gestellt: Einerseits nimmt das Fließverhalten mit steigender Korngröße zu, anderseits nimmt die Reaktivität der Partikel im Sinterprozess zu, je feiner sie sind. Um die Packungsdichte zu erhöhen, haben sich Mischungen unterschiedlicher Korngrößen bewährt. Eine gute Orientierungshilfe für die Verarbeitungsfähigkeit eines Pulvers im Drucker gibt der Hausner Faktor – das Verhältnis von Klopfdichte zu Schüttdichte. Gleichzeitig geben Schütt- und Klopfdichte eine Orientierung für die zu erwartende Gründichte, also die Dichte des Formkörpers vor dem Sintern. Ist diese zu niedrig wird auch eine entsprechend hohe Porosität nach dem Sintern nicht zu vermeiden sein.

Abbildung 1 zeigt zwei Zugproben aus Edelstahl 316L bzw. Bronze, die mittels Binder Jetting hergestellt wurden. Eingesetzt wurden das Pulver iPowder IP 316L (USD Powder GmbH) mit d50 = 8,6 µm und einer Hausner-Zahl von 1,63 und das Pulver CuSnP10 (USD Powder GmbH) mit d50 = 10,4 und einer Hausner-Zahl von 1,23. Die Proben wurden auf einem Drucker von 3d-figo hergestellt und bei 1250°C bzw. 760°C unter Stickstoff gesintert.

Abbildung 1: Prüfkörper aus Edelstahl und Bronze, hergestellt mittels Binder Jetting

Durch die Pulverauswahl und den Sinterprozess wird das Gefüge bestimmt. Dadurch ist es möglich auch poröse Metalle herzustellen, wie es beispielhaft in Abbildung 2 zu sehen ist.

Abbildung 2: Edelstahl 316 L mittels Binder Jetting hergestellt. Die Porosität kann durch den Sinterprozess der Anwendung entsprechend eingestellt werden.

Durch den Druckkopf sind grundlegende Anforderungen an die Tinten vorgegeben: Viskosität, Oberflächenspannung und Dichte müssen in einem definierten Rahmen eingehalten werden. Der Binder ist entscheidend für die resultierende Grünfestigkeit der Formkörper vor dem Sintern. Nur eine hohe Grünfestigkeit erlaubt das sichere und möglichst automatisierte Entpacken. Darüber hinaus muss aber auch die Wechselwirkung, insbesondere die Benetzung, zwischen Tinte und Pulver bewertet werden. Dies kann in Anlehnung an die Washburn-Methode [4] erfolgen. Der prinzipielle Aufbau einer Prüfvorrichtung ist in Abbildung 3 zu sehen. Während der Prüfung steigt die Flüssigkeit von unten nach oben im Pulver auf. Daraus resultiert eine Zunahme der Masse. Die graphische Darstellung der Masse2 in Abhängigkeit von der Zeit
zeigt einen linearen Anstieg bis zur Sättigung.

Abbildung 3: Prinzipieller Aufbau einer Prüfvorrichtung zur Messung der Oberflächenspannung an Pulver [1]

In Abbildung 4 ist das Ergebnis für drei unterschiedliche Tinten an einem 316L-Pulver dargestellt. Aber auch die Korngröße beeinflusst die Benetzung des Pulvers mit einer Tinte: Feinere Pulver werden wesentlich langsamer benetzt als gröbere (Abbildung 5). Die Betrachtung des Benetzungsverhaltens ist bedeutend für die korrekte Einstellung der Sättigung, d.h. der Menge und das Eindringen der aufzudruckenden Tinte. Eine Übersättigung führt zum „Ausbluten“ – die Kantenschärfe ist nicht mehr gewährleistet. Dringt die Tinte zu schnell ins Pulverbett ein, kommt es zu einer lagenweisen Anreicherung des Binders und letztlich zu Fehlern im Bauteil.

Tinten können außer dem Binder auch Partikel oder metall-organische Verbindungen enthalten [5]. Diese Zusätze ermöglichen eine weitere Dimension der Additiven Fertigung: Auf mikroskopische Ebene kann das Gefüge lokal modifiziert werden. Beispielsweise kann die Verschleißbeständigkeit von Metall durch die Zugabe keramischer Partikel gesteigert werden [6]. Durch die Zugabe von metallischen Partikeln oder metall-organischen Verbindungen besteht darüber hinaus die Möglichkeit, durch den nachfolgenden Sinterprozess Legierungen lokal zu modifizieren. Bauteile können auf diese Weise in verschiedenen Bereichen unterschiedliche – ihrer Beanspruchung angepasste – Eigenschaften aufweisen.

Neben der Auswahl von Pulver und Binder, ist die Festlegung der Prozessparameter – Lagendicke, Geschwindigkeit des Pulverauftrags, Art des Recoaters, Geschwindigkeit des Druckkopfes, Tropfengröße der Tinte, Trocknung und vieles mehr – entscheidend für eine stabile Produktion.

Material Extrusion

Bei diesem Verfahren wird das Ausgangsmaterial durch eine Düse strangförmig abgelegt. Es gibt verschiedene Ansätze in welcher Form das Ausgangsmaterial zugeführt wird: als Filament, als Granulat oder als plastische Masse. Die Oberfläche der Formkörper ist durch die Stränge geprägt. Für überhängende Strukturen ist der Einsatz von Stützstrukturen notwendig.

Der Einsatz von Filamenten ist bei Kunststoffen seit vielen Jahren Stand der Technik. Das Angebot an Maschinen ist sehr breit gefächert, von preiswerten Anlagen für den privaten Einsatz, bis hin zu Maschinen für die industrielle Produktion. Seit einigen Jahren werden Filamente angeboten, die metallische oder keramische Partikel in einer Polymermatrix enthalten. Das Verarbeitungsprinzip ist vergleichbar mit Kunststoffen: Hier werden die Thermoplaste aufgeschmolzen und als Strang abgelegt. Vor dem Sintern werden die organischen Bestandteile entfernt. Diesen Prozess bezeichnet man als Entbindern. Aufgrund des hohen organischen Anteils, muss dieser – wie man es von Metal Injection Molding (MIM) kennt – separat entfernt werden, bevor der Sinterprozess erfolgen kann. Prozessparameter die es zu optimieren gilt, sind: die Verarbeitungstemperatur, der Vorschub, die Lagenhöhe und die Orientierung des Bauteils und der notwendigen Stützstruktur. Der letzte Punkt ist unter zwei Aspekten von Bedeutung:

• Verfahrensbedingt sind die Eigenschaften der Formkörper deutlich anisotrop und daher muss die Orientierung den in der Anwendung wirksamen Kräften angepasst sein.
• Die Orientierung und der Anteil an Stützmaterial haben auch eine signifikante Auswirkung auf die Fertigungskosten

Die Anlehnung an den Spritzguss wird bei einer zweiten Variante noch stärker. Statt eines Filaments, wird der für MIM eingesetzte Feedstock genutzt. Für dieses Verfahren gibt wenige Maschinen, zu nennen sind AIM3D und 3d-figo. Der Feedstock wird einer beheizten Extruderschnecke zugeführt, dort soweit erwärmt, dass die Masse als Strang durch eine Düse gepresst und abgelegt werden kann [7]. Der Vorteil des Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Herstellung des Filaments eingespart wird und damit das Ausgangsmaterial deutlich günstiger ist. Die für die Fertigung zu optimierenden Prozessparameter entsprechen den in Bezug auf den Einsatz von Filamenten genannten.

Eine Alternative zu den genannten thermischen Prozessen stellt die Extrusion einer kaltplastischen Masse dar. Für keramische Werkstoffe ist Ton als ein klassisches Beispiel zu nennen. Durch Zugabe organischer Plastifizierer lassen sich aber auch Metallpulver zu einer verarbeitungsfähigen Masse aufbereiten. Maschinen, die kaltplastische Massen verarbeiten, werden beispielsweise von WASP und Zmorph angeboten. Der Anteil der organischen Bestandteile ist so gering, dass eine separate Entbinderung hier entfallen kann. Das vereinfacht den Prozess und reduziert die Kosten.

In Abbildung 6 ist eine Zugprobe aus 316L; das gleiche Pulver wurde auch für Binder Jetting eingesetzt.
Die Probe ist als Leichtbaustruktur designed und mit einer Anlage von WASP hergestellt.

Ein Vorteil bei der Verarbeitung von Pasten ist, dass auch sehr feine Pulver eingesetzt werden können, da die Fließfähigkeit – die für Binder Jetting zwingend ist – keine Rolle spielt.

Die Aufbereitung von kaltplastischen Massen kann mit unterschiedlichsten Pulvern und Pulvermischungen erfolgen. Dadurch ist eine hohe Flexibilität bei der Werkstoffauswahl gegeben. Auch Materialkombinationen sind sowohl in einer Masse als auch mit zwei Massen möglich.

Abbildung 7 zeigt ein Heizelement aus MoSi, das in einem Prozess gemeinsam mit Aluminiumoxid verarbeitet wurde. An der Materialgrenze ist nach dem Sintern kein Riss zu erkennen.

Die hier vorgestellten Verfahren eröffnen neue Möglichkeiten für die Additive Fertigung mit Metall. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass sie einen abschließenden Sinterprozess benötigen – im Gegensatz zu Powder Bed Fusion. Der Sinterprozess bietet allerdings auch Vorteile, insbesondere, wenn lokale Gefüge- und Eigenschaftsmodifizierungen vorgenommen werden. Beim Binder Jetting ist die hohe Aufbaurate als besonderer Vorteil zu nennen, bei Material Extrusion sind es geringe Investitionskosten und besondere Flexibilität bei der Materialauswahl.

Literatur
[1] W. Kollenberg, Additive Fertigung keramischer Komponenten. Vulkan, 2020.
[2] A. Mostafaei et al., “Binder jet 3D printing – Process parameters, materials, properties, and challenges,” Prog. Mater. Sci., no. June, p. 100707, 2020.
[3] W. Kollenberg, “Prüfkonzepte in der Additiven Fertigung,” in Conference Material Testing 2016, 2016, pp. 29–38.
[4] E. Washburn, “The Dynamics of Capillary Flow,” Phys. Rev., vol. 17, no. 3, pp. 273–283, 1921.
[5] W. Kollenberg, “Herstellung keramisch-metallischer Formkörper durch 3D-Drucken,” DE 10 2014 118 160 A1, 2014.
[6] W. Kollenberg, D. Polsakiewicz, and A. Oraschewski, “In-Situ Modified Al-Alloys by 3D-Printing,” in 2nd International Symposium Materials Science and Technology of Additive Manufacturing, 2016.
[7] W. Kollenberg and P. Schlautmann, “Brücke zwischen Pulverspritzguss und additiver Fertigung,” Konstruktion, no. 11, pp. 2–5, 2015.
[8] W. Kollenberg, “3D-Druck von verschiedenen anorganischen Materialien,” DE 10 2016 110 337 A1, 2016.