MoldJet: Additives Fertigungsverfahren beschleunigt den Prozess

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3D-Druckverfahren, auch additive Fertigungsverfahren genannt, sind mittlerweile aus der modernen Teileproduktion nicht mehr wegzudenken. Ob im Kunststoff- oder Metallbereich, für den Prototypenbau oder die Serienfertigung, es stehen diverse Fertigungsverfahren zur Verfügung. Doch worin unterscheiden sich diese? In einem Punkt herrscht Einigkeit, nämlich dass es keinen Allrounder gibt, der jede Anwendung ideal bedienen kann. Das Beispiel 'MoldJet-Verfahren' zeigt dies deutlich.

MoldJet: Auf der einen Seite gibt es Fertigungsverfahren, die auf eine spezielle Anwendung oder Anforderung besonders ausgerichtet sind. Andere wiederum decken ein vergleichsweise großes Bauteilspektrum ab, ohne in den Randbereichen herauszustechen. Auch über die Frage, welche Rolle generative Fertigungsprozesse gegenüber konventionellen Verfahren beispielsweise aus den Bereichen Trennen und Fügen einnehmen, lässt sich streiten. Werden additive Fertigungsverfahren die konventionelle Fertigung ablösen?

Additive Fertigung: Schneller zum Ziel

Hier ist oft eher die gegenseitige Ergänzung anstelle der Substitution zu beobachten. Die ressourcenschonende Fertigung von Halbzeugen mittels 3D-Druck und einem anschließenden Finishing-Prozess findet häufig Anwendung.

Eines haben die modernen additiven Fertigungsverfahren jedoch gemein: im Vergleich zu den konventionellen Fertigungsverfahren ist deren Entwicklungsgeschichte deutlich kürzer und daher ist das Potenzial bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Damit sind diese in vielen Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen wie auch dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM Gegenstand der täglichen Arbeit.

MoldJet-Verfahren: Elektronen- oder Laserstrahl dient als gebündelte Energiequelle

Im Innovation Center Additive Manufacturing, kurz ICAM, in Dresden werden Entwicklungen sowohl für strahlbasierte als auch für sinterbasierte additive Fertigungsverfahren für den metallischen Bereich durchgeführt. Bei strahlbasierten Prozessen dient ein Elektronen- oder Laserstrahl als gebündelte Energiequelle. Dieser wird fokussiert auf ein Pulverbett gerichtet und verschmilzt die Pulverpartikel an dieser Stelle miteinander. Bei sinterbasierten additiven Fertigungsverfahren wird zunächst ein sogenannter Grünkörper gedruckt, der aus einem Feedstock mit organischen Binder besteht, der die metallischen Partikel miteinander verklebt. Dieser Grünkörper wird anschließend in einem Sinter­ofen thermisch entbindert und gesintert. Die Pulverpartikel verbinden sich durch Erhitzen in der Ofenatmosphäre miteinander und es entsteht ein dichtes Metallbauteil.

Das Fraunhofer IFAM führt Entwicklungen für das Elektronenstrahlschmelzen (PBF-EB), das Laserstrahlschmelzen (PBF-LB), den 3D-Siebdruck, das Lithography-based Metal Manu­facturing (LMM), das Gelcasting-Verfahren, den Filamentdruck, das Binder Jetting sowie das MoldJet-Verfahren durch. Die Tätigkeiten beziehen sich sowohl auf die Entwicklung neuer und Anpassung bestehender Feedstocksysteme, die Prozessentwicklung rund um den Druckprozess und die Wärmebehandlung (Entbinderung, Sinterung) sowie der Untersuchung zugehöriger Post-Processing-Schritte. Die Entwicklungen erfolgen im Rahmen von Projekten mit Industriepartnern aus sämtlichen Branchen, wie Automotiv, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik oder auch dem klassischen Maschinen- und Vorrichtungsbau.

Durchgehende digitale Dokumentation der Prozesskette

Aus den unterschiedlichen Anwendungen ergibt sich dadurch ein Anforderungsprofil für die Serienfertigung an die Prozesse. Diese sollten mit möglichst hoher Produktivität bei gleichzeitiger Flexibilität hinsichtlich der Bauteilgeometrien erfolgen. Die flexible Skalierung der Bauteilstückzahl ist häufig wünschenswert. Dabei kann die Fertigung von Ersatzteilen für den Eigenbedarf oder die Lohnfertigung im Mittelpunkt stehen. Nicht nur eine hinreichende Bauteilgenauigkeit, sondern insbesondere eine möglichst hohe Wiederholgenauigkeit werden angestrebt. Zur Erreichung einer hohen Produktivität ist meist eine Automatisierung der Prozessschritte unabdingbar. Sowohl der Druckprozess als auch nachgelagerte Prozessschritte wie Handling oder Transport sollten bestenfalls bedienerfrei vonstattengehen.

Idealerweise erfolgt eine datengetriebene Prozessbeschreibung. Über virtuelle Schnittstellen sollten Eingangsdaten wie vorbereitete Baujobs in die Anlage transferiert werden können. Prozessdaten wie Einstellparameter oder Anlagenbedingungen sollten digital erfasst, in die Steuerung rückgekoppelt, aber auch für weitere Prozessschritte wie eine vorrausschauende Qualitätsbetrachtung, sogenanntes „Predictive Quality“, genutzt werden können.

Daraus ergibt sich eine durchgehende digi­tale Dokumentation der Prozesskette, was insbesondere für regulierte Märkte wie die Luft- und Raumfahrtindustrie oder auch die Medizintechnik von großer Bedeutung ist. Nicht zuletzt stehen hohe Anforderungen an den Arbeitsschutz oder auch den ressourcenschonenden Umgang mit Einsatzmaterialien im Vordergrund. Insbesondere letzteres stellt einen großen Vorteil in der additiven Fertigung dar. Dem hinzu kommen neue Möglichkeiten für Designansätze. Leichtbaustrukturen in Integralbauweise oder irregulär geformte, innenliegende Kanäle lassen sich realisieren.

MoldJet: Gedrucktes Realteil digital erfassen und als digitalen Zwilling ablegen

Am Beispiel des MoldJet-Verfahrens kann die Umsetzung der genannten Punkte sehr gut veranschaulicht werden. Der Verfahrensablauf sieht zwei wesentliche generative Prozessschritte vor. Mit mehreren Inkjet-Druckköpfen wird die Form als Negativ für das gewünschte Bauteil aus einem wachsähnlichen Polymer lagenweise hergestellt. Dabei wird die verwendete Kunststofftinte tröpfchenweise in hoher Auflösung (2.400 x 1.800 dpi) auf das Substrat aufgetragen. Nach der Herstellung der ersten Lage erfolgt das Befüllen der Kavitäten mit Metallpulverpaste. In dieser Paste befindet sich die Ziellegierung für das spätere Bauteil. Anders als bei der Formherstellung wird die Paste nicht über Tröpfchen appliziert, sondern in die jeweilige Lage der Form per Schlitzdüse aufgetragen, abgerakelt und anschließend kurz getrocknet. Durch Wiederholen dieses Ablaufs wird das Bauteil schichtweise (25 bis 200 µm) hergestellt.

Herstellung der Bauteile mit hundertprozentiger Materialausnutzung

Mit jeder gedruckten Lage erfolgt innerhalb der Anlage eine kameragestützte Inspektion, bei der geprüft wird, ob Druckfehler zu erkennen sind. Sollte dies der Fall sein, können die Unregelmäßigkeiten über eine mechanische Bearbeitung direkt in der Anlage abgetragen und die letzte Lage erneut gedruckt werden. Mit dieser Bildaufnahme jeder Lage kann zudem das gedruckte Realteil digital erfasst und als digitaler Zwilling abgelegt werden. Damit können auch die oben beschriebenen Prozessschritte zur vorausschauenden Qualitätskontrolle ohne Zeitverlust in den Prozess integriert werden. Mit Abschluss des Druckvorgangs wird das Formmaterial durch Abschmelzen außerhalb der Anlage von den Bauteilen gelöst.

Die Bauteile werden abschließend in einem Industrieofen in einem Durchlauf thermisch entbindert und zu einem dichten Metallbauteil (≥ 99 %) gesintert .Die Verfahrensschritte in der MoldJet-Anlage erfolgen auf sechs verschiedenen Bauplattformen, sogenannte Trays (L 400 mm x B 240 mm x H 120 mm), welche simultan arbeiten können. Dabei könne sowohl pro Tray als auch unter den Trays diverse Bauteilgeometrien gleichzeitig hergestellt werden. Es wird jeweils nur so viel Form- und Pastenmaterial verbraucht, wie tatsächlich auch benötigt wird. Damit kann bei der Herstellung der Bauteile eine hundertprozentige Materialausnutzung erreicht werden. Die folgende Tabelle zeigt die Erfüllung der Anforderungen an die Serienfertigung im MoldJet-Verfahren.

Am Beispiel des MoldJet-Verfahrens zeigt sich, dass neben den sehr bekannten metallischen AM-Verfahren wie dem Laserstrahlschmelzen (PBF-LB) inzwischen auch weitere industriereife Verfahren für die Serienfertigung existieren. Dabei hängt die Auswahl des geeigneten Verfahrens sowohl von der Anwendung, aber auch von den kundenspezifischen Bedürfnissen wie Bauteilstückzahl pro Geometrie, Dienstleistung oder Ersatzteilfertigung für den Eigenbedarf ab.

Autor Dipl.-Ing. Robert Teuber ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich additive Fertigung am Fraunhofer IFAM und Dr.-Ing. Thomas Studnitzky ist Gruppenleiter sinterbasierte additive Fertigung am Fraunhofer IFAM.

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