Einfluss von Fließhilfsmitteln auf den Binder-Jetting-Prozess

Abstract

Das Binder-Jetting ist ein neuartiges, additives Fertigungsverfahren, bei dem Metallpulver schichtweise durch einen Binder verfestigt wird. Der dadurch erzeugte Grünling wird anschließend zu voller Dichte gesintert. Für eine ausreichende Verdichtung im Sinterprozess ist eine möglichst hohe Grünteildichte notwendig. Zudem werden dadurch die Festigkeit des Grünteils gesteigert und Schwindung und Verzug im Bauteil während des Sintervorgangs reduziert. Die Grünteildichte wird maßgeblich über die Pulvereigenschaften beeinflusst. In der vorliegenden Dissertation wird der Einfluss von Fließhilfsmitteln auf die Prozesskette und insbesondere die Grünteildichte untersucht. Anhand der Pulverversuche wird gezeigt, dass bereits existierende Theorien zur Wirkweise von Fließhilfsmitteln in Schüttgütern auf Metallpulver übertragbar sind. Dies ist unabhängig von der Partikelmorphologie. Die Fließhilfsmittel werden durch den Mischprozess aufgebrochen und anschließend fein auf der Metallpulveroberfläche adsorbiert. Versuche zur Sättigung der Fließhilfsmittel im Pulver zeigen, dass ein Belegungsgrad der Metallpulveroberfläche mit Nanopartikeln im Bereich von 20 % - 25 % für eine Verbesserung der Fließ- und Packungseigenschaften der Pulver sorgt. Der Belegungsgrad ist abhängig vom Mischprozess, der spezifischen Oberfläche der Pulver, der Sättigung an Fließhilfsmitteln und deren Eigenschaften. Mit zielführenden Parametern wird die Schüttdichte um bis zu 49 % und die Klopfdichte um bis zu 15 % gesteigert. Anhand von Druckversuchen wird deutlich, dass die verbesserte Fließfähigkeit der Pulver die Dichte des Pulverbettes im Prozess verbessert (bis zu 18 %), wodurch auch die Grünteildichte erhöht wird (bis zu 13 %). Damit sind Grünteildichten möglich, die oberhalb der Klopfdichte der unmodifizierten Pulver liegen. Des Weiteren wird ein starker Einfluss der Klopfdichte auf die prozessrelevanten Dichten deutlich. Der Belegungsgrad der Fließhilfsmittel auf der Metallpulveroberfläche wird als wichtiger Parameter für den Druckprozess identifiziert. Tiefergehende Analysen zeigen, dass die Zugabe von Fließhilfsmitteln in geringen Mengen (0,10 Gew.-% - 0,25 Gew.-%) keinen negativen Effekt hat. Eine Übersättigung der Fließhilfsmittel im Pulver (0,50 Gew.-%) hat jedoch einen negativen Einfluss auf die Pulver-Binder-Interaktion, wodurch die Oberflächenqualität der Grünteile und die Grünteilfestigkeit negativ beeinflusst werden (-57 %). Abschließend zeigen Sinterversuche, dass durch Zugabe von Fließhilfsmitteln eine höhere Sinterdichte erreicht wird. Die Sinterkinetik und die Legierungszusammensetzung werden durch die Fließhilfsmittel nicht beeinflusst.