Prozessstabilität und Bauteilauslegung im Binder Jetting Prozess

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Motivation

Binder-Jetting (BJT) 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 BJT ähnelt der des Metallpulverspritzguss (MIM), einem in der Industrie etablierten Serienproduktionsverfahren für komplexe Bauteile. Für Kleinserien ist MIM aufgrund hoher Werkzeugkosten jedoch unwirtschaftlich. Die Forschungsinstitute IWM und IFAM Bremen zeigten im Vorgängerprojekt „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 BJT-Prozesses ist allerdings die Streuung charakteristischer Eigenschaften in Abhängigkeit der Bauraumposition, des Pulverzustandes und verschiedener MBJ-Anlagen.

Zielsetzung

• Durchführung einer Sensitivitätsanalyse zum Einfluss von Pulver und Prozessparametern auf positionsabhängige Sinterdichte und Angabe einer maximalen Streuung
• Ermittlung von Festigkeitsdaten zur konstruktiven Auslegung mechanisch belasteter Komponenten unter Berücksichtigung der Anisotropie
• Erarbeitung realisierbarer Zielgrößen der Qualitätssicherung für:
  • Form- und Lagetoleranzen
  • Rundheit von Durchmessern
  • Oberflächenqualität
• Erhöhung der Vorhersagegenauigkeit der Sintersimulation bzw. Angabe einer erwarteten Vorhersagegenauigkeit

Projektinhalte

• Probenherstellung entlang der Prozesskette (BJT, Curing, Entbindern, Sintern, (opt. HIP), Wärmebehandlung
  • 17-4 PH (1.4548, X5CrNiCuNb17-4-4)
  • Ferro-Titanit Nikro 128 (≈ 30 wt% TiC in Fe-Matrix)
• Nachbehandlung der Funktionsflächen
• Metallografische Analysen (Porosität, Porenbänder, Gründichte, Oberflächenrauheit)
• Mechanische Untersuchungen (Grünfestigkeit, Härte, Zugversuche, Schlagbiegeversuche, Schwingversuche, Biegeversuche)
• Sintersimulation unter Berücksichtigung der Reibung und Schwerkraft und Validierung mittels GOM-Messungen

Partner

• Fraunhofer IFAM Bremen
• Fachverband Pulvermetallurgie

Projektbegleitender Ausschuss

Arburg, Assonic, Bleistahl, PVA TePla, ExOne, headmade materials, Krämer Engineering, Deutsche Edelstahlwerke, Miba, MIMPlus, OTEC, Carbolite Gero, tricumed, PHA Werkstofftechnik, Zimmer Group

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Fördernummer: 21421