Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchungen zu Prozessstabilität und Bauteilauslegung für den Metal-Binder-Jetting-Prozess

Metal-Binder-Jetting (MBJ) ist ein additives Verfahren, bei dem Binder lokal in schichtweise aufgebrachtes Metallpulver eingebracht wird. Die generierten Grünteile werden anschließend entbindert und gesintert. Im Gegensatz zu strahlbasierten additiven Verfahren können auch harte Werkstoffe verarbeitet und prinzipiell höhere Stückzahlen oder große, komplexe Bauteile wirtschaftlich hergestellt werden.

Die Prozesskette beim MBJ ähnelt der des Metallpulverspritzguß (MIM), einem in der Industrie etablierten Serienproduktionsverfahren für komplexe Bauteile. Für Kleinserien ist MIM aufgrund hoher Werkzeugkosten jedoch unwirtschaftlich. Die Forschungsstellen IWM und IFAM zeigten im Projekt „3DP für MIM“ (Fördernr.19733 N), dass bei optimierten MBJ-Parametern und Wärmebehandlung des Stahls X5CrNiCuNb17-4 die MIM-Normwerte für Härte, Zugfestigkeit und Dehngrenze erreicht werden. Eine Herausforderung für den industriellen Einsatz des MBJ-Prozesses ist allerdings die Streuung charakteristischer Eigenschaften in Abhängigkeit der Bauraumposition, des Pulverzustandes und verschiedener MBJ-Anlagen.

Im beantragten Anschlussvorhaben soll daher der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die Grün- bzw. Sinterteildichte evaluiert werden, um Ansätze zur Reduzierung der Streuung umzusetzen. Zielgrößen für die Qualitätssicherung wie die maximale Dichtestreuung, Form- und Lagetoleranzen und die Rundheit werden erarbeitet. Gleichzeitig soll die Vorhersagegenauigkeit der Sintersimulation erhöht werden. Umfassende Messreihen ermitteln Festigkeitsdaten für die konstruktive Auslegung schwingend belasteter Komponenten, unter Berücksichtigung der durch die schichtweise Bauteilherstellung bedingten Anisotropie der Eigenschaften. Basierend auf diesen Ergebnissen können KMU sowohl die für MIM vorhandene Wissensbasis über das Sintern als auch die entsprechende Anlagentechnik nutzen, um mittels MBJ das Angebot hinsichtlich Prototypen- und Kleinserienfertigung komplexer Bauteile zu erweitern.

Ergebniszusammenfassung:

Aufbauend auf dem Vorgängerprojekt 3DP für MIM, hatte das nun abgeschlossene Vorhaben das Ziel die Prozessstabililtät im Metall Binder Jetting Prozess (MBJ) zu erhöhen und so die resultierende Streuung mechanischer Bauteileigenschaften zu reduzieren. Hauptsächlich wurde dafür der typische ausscheidungshärtende MIM-Werkstoff 17-4PH untersucht.

Für die industrielle Anwendbarkeit des MBJ als wirtschaftliche Ergänzung für die Kleinserienfertigung durch den Metallpulverspritzguss (MIM) wurden Einflussgrößen auf die Grün- und Sinterteildichte in einer Sensitivitätsstudie erarbeitet. Von insgesamt fünf verschiedenen für MIM geeigneten Ausgangspulvern war dabei nur ein Pulver auch für MBJ gut verarbeitbar. Das ideale Pulver sollte hohe Sphärizität, geringen Feinanteil unter 1 µm (Vermeidung Agglomeration), und eine enge Partikelgrößenverteilung (d90=20,3µm und d10= 4,6 µm) aufweisen. Zu einem robusten Prozess ohne Schichtverschiebung oder Rissbildung aber scharfen Kanten nach Entpulverung tragen geringe Schichtdicken (<90µm), mittlere Pulverbettdichten (54-55 %) und Wabenstrukturen bei.

Vier Nachbearbeitungsverfahren (Handpolitur, Rundschleifen, Gleitschleifen und Elektropolitur) ergaben prozessübergreifend die erwünschten Rauheiten Ra unterhalb 0,3 µm. Die eingebrachten axialen Druckeigenspannungen schwanken stark von -120 MPa (E-Politur) bis -590 MPa (Gleitschleifen) und bieten darüber eine Möglichkeit die Schwingfestigkeit von Bauteilen effektiv zu verbessern. Selten auftretende Porenbänder bedingen jedoch weiterhin einzelne negative Ausreißer in der Härte, Schlagzähigkeit, Kennwerten aus dem Zug- und Schwingversuch. Mögliche Ursachen sind Rakelfehler oder verstopfte Düsen.

Rege Diskussionen bei Projekttreffen und Interessensbekundung an Folgeprojekten zeigt, dass die Firmen an einer 3DP-Fertigung als Innovation im eigenen Unternehmen weiterhin interessiert sind. Konkrete Bauteile hierfür sind alle Bauteile, die derzeit in Kleinserie mittels MIM gefertigt werden.