Kategorie: Additive Fertigung

Teil 1: Perspektiven durch heiß-isostatisches Pressen

Pulvermetallurgische Herstellung

Pulvermetallurgisch hergestellte Bauteile (PM) sind im Bereich des Motorenbaus, bei Getriebeteilen sowie im Werkzeug- oder Formenbau etabliert. Beim konventionellen Pressen und Sintern werden wasserverdüste, spratzige Metallpulver mit Additiven und weiteren Legierungselementen gemischt und in Pressformen zu Grünkörpern verdichtet, die bereits annähernd die endgültige Form aufweisen (near netshape). Während der Festphasensinterung unter Vakuum, Inertgas oder reduzierenden Atmosphären verbinden sich die Pulverpartikel durch Diffusion und stellen das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften ein. Pressen und Sintern wird als ein kostengünstiges Herstellungsverfahren für hohe Stückzahlen eingesetzt. Auch der Metallpulverspritzguss (MIM) ermöglicht Serienfertigung, typischerweise jedoch für kleine, komplex geformte Teile mit hoher Oberflächengüte und Maßhaltigkeit. Sehr feine Metallpulver werden mit thermoplastischen Bindern versetzt und unter erhöhten Temperaturen und hohem Druck in Spritzgusswerkzeuge gepresst. Die Grünteile werden thermisch oder chemisch entbindert und unter starker Sinterschwindung gesintert. Für Anwendungen, die herausragende mechanische Eigenschaften oder harte Werkstoffe erfordern, die durch Spanen, Schmieden oder Gießen nicht verarbeitet werden können, wird auf das Verfahren des heiß-isostatischen Pressens (HIP) zurückgegriffen. Kapseln, welche die Bauteilgeometrie abbilden, werden hierbei aus Stahlblech geschweißt, mit sphärischem, gasverdüstem Metallpulver gefüllt, evakuiert, verschlossen und bei hohen Temperaturen und Drücken zu voller Dichte konsolidiert. Zuletzt wird die Kapsel, die nur als Hilfsmittel zur Verdichtung genutzt wurde, entfernt. Weiterlesen

Abbildung 1: Prinzipaufbau einer Maschine des
Laserstrahlschmelzens

Chancen und Herausforderungen der additiven Fertigung

Additive Fertigungsverfahren gewinnen in den letzten Jahren zunehmend an Be­deutung. Als Gründe hierfür sind die wirtschaftliche und flexible Produktion kleiner Losgrößen, der Wegfall des Bedarfs an Bearbeitungswerkzeugen sowie die Realisierbarkeit von komplexen und bionischen Geometrien zu nennen. Zahlreiche Unternehmen setzen den schichtweisen Bauteilaufbau bereits zur Fertigung von Prototypen oder zur Fertigung von komplexen Funktionsbauteilen in Kleinserie ein. Dadurch werden Produktionskosten gesenkt, der Produktentstehungsprozess beschleunigt und neue Geschäftsfelder erschlossen. Die Anwendung additiver Fertigungsverfahren ist auch mit Herausforderungen verbunden. So erschwert insbesondere die prozessbedingt hohe Oberflächenrauigkeit metallbasierter additiver Fertigungsverfahren deren breite industrielle Anwendung. Die mit der notwendigen Bauteilnachbearbeitung einhergehenden Kosten können sich aufgrund der häufig sehr zeitaufwendigen und manuellen Tätigkeiten auf bis zu einem Drittel der bauteilbezogenen Gesamtkosten belaufen. Daher müssen die verfahrensspezifischen Gestaltungsprinzipien bei der Bauteilkonstruktion berücksichtigt werden und geeignete Nachbearbeitungsverfahren anwendungsspezifisch ausgewählt werden, um eine hohe Bauteilqualität und Produktivität der Nachbearbeitung zu erzielen. Weiterlesen

Abbildung 1: Vergleich der pulverbasierten additiven Fertigungsverfahren SLS und InkJet

Mit additiven Fertigungsverfahren lassen sich aus virtuellen Modellen hochkomplexe, auf konventionellem Wege nicht herstellbare Bauteile werkzeuglos fertigen. Neben dem hohen Maß an Design- und Gestaltungsfreiheit ermöglichen diese Verfahren insbesondere die Realisierung individualisierter Produkte. Da einerseits die Verarbeitung anwendungsrelevanter technischer Kunststoffe möglich ist, andererseits die Prozessstabilität und die Reproduzierbarkeit der Bauteileigenschaften sich stetig verbessert und die Outputraten steigen, entwickelt sich die Additive Fertigung derzeit rasant von Rapid Prototyping hin zu Rapid Manufacturing Technologien. Maßgeblich beteiligt an diesem Wandel sind pulverbasierte additive Fertigungsverfahren. Merkmal dieser Verfahren ist der schichtweise Aufbau des Bauteils in einem Pulverbett. Die Bauteilherstellung erfolgt durch Auftragen einer dünnen Kunststoffpulverschicht auf ein Pulverbett und das anschließende lokale Verschmelzen der Pulverpartikel unter Wärmeeinwirkung. Schicht für Schicht werden so dreidimensionale Bauteile erzeugt. Das Pulverbett dient dabei gleichzeitig als Stützmaterial. Sind alle Schichten erstellt, wird das Pulverbett mit den Bauteilen abgekühlt, das lose Pulver abgetrennt und anteilig wiederverwendet. Weiterlesen

Abbildung 1: : Bauraum und Designvorschlag

Additive Fertigung und Topologieoptimierung versprechen eine nachhaltige und ressourcenschonende Realisierung und Fertigung hochkomplexer Bauteile, um dies zu erreichen müssen jedoch konstruktive, als auch verfahrenstechnische Aspekte beachtet werden. Der vorliegende Artikel beschäftigt sich mit dem Einfluss der Supportstrukturen auf Materialeffizienz und Dauer des Fertigungsprozesses. Weiterlesen