Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur additiven Fertigung metallischer Bauteile, das sogenannte Composite-Extrusion-Modeling. The invention relates to a method and a system for the additive manufacturing of metal components, the so-called composite extrusion modeling.

Die additive Fertigung von Metallteilen stellt immer noch eine kostspielige und komplexe Alternative zur herkömmlichen Fertigung (Urformen, Spanen etc.) dar. Dennoch findet sie in größeren Betrieben der Branchen Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie und Medizintechnik Anwendung. The additive manufacturing of metal parts still represents a costly and complex alternative to conventional manufacturing (foundry, machining, etc.). However, they found in larger companies the aerospace, automotive and medical applications. Dies liegt vor allem daran, dass die additive Fertigung eine nie dagewesene Konstruktionsfreiheit ermöglicht: This is mainly because that the additive manufacturing enables unprecedented design freedom:

• • komplexe Formen mit Hinterschneidungen, • complex shapes with undercuts,
• • biologische Strukturen bis hin zu eins zu eins Kopien menschlicher Knochenstrukturen, • biological structures up to one to one copies of human bone structures,
• • Leichtbauteile mit Gitter oder Wabenstrukturen, • lightweight components with lattice or honeycomb structures,
• • thermisch beanspruchte, strömungsführende Teile (z. B. Raketentriebwerksteile) • thermally stressed, flow-conducting parts (eg. B. rocket engine parts)

Im Bereich der additiven Fertigungsverfahren haben sich in den vergangenen 30 Jahre verschiedene Verfahren etabliert, die vor allem nach der Art und Weise der Schichtgenerierung in Verbindung mit dem Ausgangsmaterial zu unterscheiden sind. In the field of additive manufacturing process, various methods have been established over the past 30 years that can be distinguished mainly by the way of the layer generation in conjunction with the feedstock.

• • das Aushärten eines UV-empfindlichen Harzes • the curing of a UV-sensitive resin
• • das Verfestigen eines Pulverbettes durch Bindemittel • solidifying a powder bed by binder
• • das Aufschmelzen und Erstarren eines Pulverbettes durch Laser- oder Elektronenstrahlen • the melting and solidification of a powder bed by laser or electron beams
• • das Aufschmelzen und Erstarren eines Kunststoffdrahtes durch eine beheizte Düse • the melting and solidification of a plastic wire by a heated nozzle

Die wichtigsten additiven Fertigungsverfahren sind die Stereolithographie (STL), das 3D-Printing (3DP), das Selektive Lasersintern (SLS), das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) und das Fused Deposition Modeling (FDM). The most important additive manufacturing processes are stereolithography (STL), 3D printing (3DP), selective laser sintering (SLS), the electron beam melting (EBM) and Fused Deposition Modeling (FDM). Die Stereolithographie wurde erstmals in der Stereolithography was first in the US 45 75 330 A US 45 75 330 A offenbart. disclosed. Bei diesem Verfahren wird eine Bauplattform um eine bestimmte Schichtdicke in ein Bad aus flüssigem UV-aushärtbarem Harz getaucht. In this method, a build platform is immersed to a certain thickness in a bath of liquid UV-curable resin. Mittels eines UV-Lasers wird die erste Schicht des Bauteils auf der Bauplattform verfestigt. By means of a UV laser, the first layer of the component is solidified on the build platform. Die Schritte des Absenkens und des Verfestigens des Bauteils werden im Nachfolgenden wiederholt und so „wächst” das Bauteil von unten nach oben auf der Bauplattform. The steps of lowering and solidification of the component to be repeated hereinafter and thus "grow" the part from the bottom up on the build platform. Das Verfahren weist sehr gute Detaillierungen und Oberflächenqualitäten auf, ist aufgrund der verwendeten Harze aber hauptsächlich für Anschauungsmodelle und Muster geeignet. The method has very good detailing and surface qualities, but because of the resins used mainly for display models and patterns.

Das eigentliche 3D-Printing beschreibt ein Verfahren, bei dem eine Schicht eines pulverförmigen Ausgangsmaterials (Polymere, Keramik, Metall, Sand) mit einem Rakel auf einer Bauplattform aufgetragen wird. The actual 3D printing describes a method in which a layer of a powdery raw material (polymers, ceramics, metal, sand) is applied with a doctor blade on a build platform. Anschließend verfährt ein Druckkopf, ähnlich dem eines Tintenstrahldruckers über dem Pulver und sprüht selektiv ein Bindemittel in das Pulver um die Kontur und Füllung des Bauteils zu verfestigen. Then moves a print head, similar to an inkjet printer on the powder and a binder sprayed selectively into the powder around the contour and filling the component to solidify. Diese beiden Vorgänge wiederholen sich, bis das Bauteil fertiggestellt ist. These two processes are repeated until the component is completed.

Weitere pulververarbeitende Verfahren sind die Sinter- und Schmelzverfahren, die entweder mit einem Laser (SLS, SLM) die Konturen der Bauteile im Pulverbett verfestigen, oder aber mit einem Elektronenstrahl (EBM). More powder processing method, the sintering and melting process, either with a laser (SLS, SLM) solidifying the contours of the components in the powder bed, or with an electron beam (EBM). Der Schichtauftrag des metallischen Pulvers erfolgt dabei ähnlich wie beim 3D-Printing in einem abgeschlossenen Bauraum, der vakuumiert wird und unter Schutzgas steht. The application rate of the metal powder is carried out similarly to the 3D printing in a closed space, which is vacuumed and under protective gas. Die hochenergetischen Strahlen werden entweder über Spiegelmechaniken oder durch Elektromagneten auf dem Pulverbett entlangbewegt. The high-energy beams are moved along either mirror mechanisms or by electromagnets on the powder bed. Dabei wird das Pulverbett lokal aufgeschmolzen und verfestigt anschließend wieder. The powder bed is locally melted and then solidified again.

Beim SLM- und EBM Verfahren ist der Energieeintrag dabei so hoch, dass sehr dichte Bauteile mit bis zu 99% der Dichte des Vollmaterials entstehen. When SLM and EBM method of energy input here is so high that very tight components with up to 99% of the density of the solid material formed. Beim SLS-Verfahren werden die einzelnen Pulverpartikel lediglich versintert, was zu einem poröseren Bauteil führt. The SLS method, the individual powder particles are only sintered, resulting in a porous component.

Die Bauteile der Schmelzverfahren weisen sehr gute mechanische Eigenschaften auf, die Verfahren zählen jedoch bedingt durch die hohen Anschaffungskosten (Laser und Spiegelmechanik) und Materialpreise und die wartungsintensive Technik zu den teuersten Verfahren. The components of the fusion have very good mechanical properties, but the procedures are due to the high cost (laser and mirror mechanism) and material prices and the high-maintenance technology to the most expensive method. Zudem sind die Anlagen oft bis zu 200× größer als der eigentliche Bauraum und bei der Arbeit mit Metallpulvern besteht grundsätzlich die Gefahr von Staubexplosionen und Metaltbränden. In addition, the systems are often up to 200 × larger than the actual space and when working with metal powders is a general risk of dust explosions and Metaltbränden.

Ein weiteres thermisches Verfahren ist das Fused Deposition Modeling Verfahren. Another thermal method is the fused deposition modeling process. Es wird in der It is in the US 51 21 329 A US 51 21 329 A beschrieben. described. Bei diesem Verfahren wird ein thermoplastischer Kunststoffdraht durch eine beheizte Düse gepresst und bildet durch Bewegen der Bauplattform und/oder des Extruders die einzelnen Schichten des Bauteils auf der Bauplattform ab. In this method, a thermoplastic plastic wire is forced through a heated nozzle and forming by moving the build platform and / or the extruder, the individual layers of the component on the build platform from. Die zweite und alle weiteren Schichten werden dabei jeweils auf die darunter liegende Struktur gedruckt Im Gegensatz zu den anderen Verfahren entstehen Bauteile hier freigeformt und sind nicht von unverfestigtem Material umgeben. The second and subsequent layers are printed respectively on the underlying structure Unlike the other method components arise here freely formed and are not surrounded by unconsolidated material.

Die Verfahren, die zur Fertigung von Metall- und Keramikteilen geeignet sind, arbeiten mit Metallpulvern sind teuer und erfordern besondere Schutzmaßnahmen. The methods that are suitable for the production of metal and ceramic parts, work with metal powders are expensive and require special precautions. Es ist darauf zu achten, dass es zu keinem Zeitpunkt zu einer Verblasung von Pulver und damit zu einer Staubexplosion und einem Metallbrand kommen darf. It is important to ensure that there must be no time to Verblasung of powder and thus to a dust explosion and a metal fire. Der Bauraum muss nach einem Druckprozess von losem Pulver befreit werden und auch am Bauteil selbst haftet noch eine Pulverkruste, die mit zusätzlichen Geräten entfernt werden muss. The space must be freed from loose powder and also on the component itself liable nor a powder crust that has to be removed with additional equipment for a printing process. Bedingt durch den Schichtaufbau ist der gesamte Bauraum um das eigentliche Bauteil und auch Hohlstrukturen im Bauteil mit losem Pulver gefüllt. Due to the layer structure of the entire space around the actual component and also hollow structures is filled with loose powder in the component.

Es gibt bereits Ansätze, neue additive Fertigungsverfahren für die Verarbeitung von metallischen oder keramischen Bauteilen zu etablieren. There are already approaches to establish new additive manufacturing processes for the processing of metallic or ceramic components. In der In the WO 2000 051 809 A1 WO 2000 051 809 A1 wird das sogenannte Paste-Polarisation-Verfahren offenbart. discloses the so-called paste-polarization process. Dieses ähnelt in seiner Arbeitsweise der Stereolithographie, mit dem Unterschied, dass als Ausgangsmaterial kein flüssiges UV-sensibles Harz sondern eine Paste verwendet wird. This is similar in operation of the stereo, with the difference that no liquid UV-sensitive resin but a paste is used as the starting material. Die Paste besteht aus 35–60% Metall- oder Keramikpartikeln und einem UV-sensiblen Harz. The paste consists of 35-60% metal or ceramic particles and a UV-sensitive resin. Das Harz dient als Bindemittel und sorgt für die Festigkeit des Bauteils nach dem Druckprozess. The resin serves as a binder and ensures the strength of the component after the printing process. Das Verfahren wurde allerdings nicht kommerzialisiert. The process, however, was not commercialized.

Ein weiteres Hybrid-Verfahren, das die Erzeugung von Metallteilen mittels bekannter additiver Fertigungsverfahren ermöglicht, wird in der Another hybrid method that allows the production of metal parts by means of known additive manufacturing method in the DE 10 2005 056 260 B4 DE 10 2005 056 260 B4 beschrieben. described. Dabei wird das 3D-Printing Verfahren eingesetzt, um Bindemittel in metallisches oder keramisches Pulver zu injizieren. Here, the 3D printing process is used to inject the binder in metallic or ceramic powder. Der Schichtaufbau erfolgt auf dieselbe Weise wie beim 3D-Printing. The layer structure is carried out in the same manner as in the 3D Printing. Nach dem Druckprozess sorgt das ausgehärtete Bindemittel für die Festigkeit im sogenannten Grünteil, durch anschließendes Ausbrennen des Binders in einem Ofen und Versinterung der Metall- oder Keramikpartikel entsteht ein festes Metallteil, das jedoch aufgrund des hohen Binderanteils eine geringe Dichte aufweist. After the printing process, the cured binder for the strength in the so-called green part ensures, by subsequently burning out the binder in a furnace and sintering of the metal or ceramic particles results in a solid piece of metal, which, however, due to the high binder content has a low density. Das Verfahren lässt sich ebenfalls zur Erzeugung von Sandformen und Gusskernen verwenden. The method has also been used for the production of sand molds and sand cores. Das Verfahren hat weiterhin den Nachteil der hohen Anschaffungskosten, welche eine breitere Verwendung hemmen. The method has the disadvantage of high cost, which inhibit wider use.

Die genannten Verfahren haben zudem den Nachteil, dass keine geschlossenen Hohlstrukturen erzeugt werden können, und nicht verfestigtes Material aus dem Bauteilinneren und der Umgebung des Bauteils manuell entfernt werden muss. The procedure referred to also have the disadvantage that no closed hollow structures can be produced, and no solidified material from the component interior and the surroundings of the component must be removed manually. Des Weiteren ist bei der Fertigung von Metall- und Keramikteilen mittels 3DP weiterhin der anspruchsvolle Umgang mit dem pulverförmigen Ausgangsmaterial zu beachten. Furthermore, should also take care of the sophisticated handling of the powdery raw material in the production of metal and ceramic parts by 3DP.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus, in einem Bindemittel gebundenen Metall- und/oder Keramikpartikeln ist das Pulverspritzgießen. A further process for the production of moldings from, bound in a binder metal and / or ceramic particles, the powder injection molding. Dabei werden mittels Spritzgießen Formteile aus pulverhaltigem Material hergestellt. Here moldings of pulverhaltigem material are produced by injection molding. Ein sogenannter Feedstock wird in einer Plastifiziereinheit mit einer Schnecke durch Wärmeleitung von außen her über am Plastifizierzylinder angebrachte Heizbänder sowie aufgrund Dissipation in der Schmelze beim Durchmischen im Schneckenzylinder aufgeschmolzen. A so-called feedstock is melted in a plasticizing unit with a worm by heat conduction from the outside over-mounted heater bands and plasticizing due dissipation in the melt during mixing within the screw cylinder. Der Feedstock besteht aus einem definierten Volumenanteil Pulver und einem Volumenanteil Binderkomponente. The feedstock consists of a defined volume fraction powder and a volume fraction binder component. Das Verhältnis von Pulver- zu Binderanteil beeinflusst die Fließeigenschaften und bestimmt die Schwindung des Bauteils beim Sintern The ratio of powder to binder content affects the flow properties and determines the shrinkage of the component during sintering

Die The DE 10 2007 019 100 A1 DE 10 2007 019 100 A1 betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen einer spritzgießfähigen Masse in einer Spritzgießmaschine, die eine mit einer Schnecke versehene Plastifiziereinheit, eine Einspritzeinheit, eine Maschinensteuerung und ein Werkzeug mit einer Kavität aufweist, wobei in die Kavität spritzgießfähige Masse eingespritzt werden kann und wobei die spritzgießfähigen Masse aus mindestens einer Pulverkomponente und mindestens einer Binderkomponente besteht. relates to a method of injection molding an injection-moldable composition in an injection molding machine which has a provided with a screw plasticizing unit, an injection unit, a machine control and a tool having a cavity, can be injected into the cavity injection moldable mass and the injection-moldable mass of at least one powder component and at least one binder component. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Spritzgießmaschine Die Binderkomponente wird im Plastifizierzylinder schmelzflüssig, während die Pulverkomponente im festen Aggregatzustand bleibt. Furthermore, the invention relates to an injection molding machine, the binder component becomes molten in the plasticizing cylinder, while the powder component remains in the solid state. Nach dem Spritzgießprozess werden die gespritzten Teile gesintert. After the injection molding process, the injection-molded parts are sintered. Der Feedstock wird vor der Verarbeitung auf der Spritzgießmaschine in Compoundiereinrichtungen homogenisiert. The feedstock is homogenised before processing on the injection molding machine in Compoundiereinrichtungen.

Der Nachteil bei diesem Verfahren ist der Einsatz von Formwerkzeugen, in das Feedstock-Material eingespritzt wird und dort auch aushärtet. The disadvantage of this process is the use of molds, is injected into the feedstock material and hardens there. Mit diesem Verfahren sind keine freiformbaren Bauteile zu fertigen, da es sich hierbei um kein additives Fertigungsverfahren handelt. With this method, no freiformbaren components have to be manufactured, as this is not additive manufacturing processes.

Weiterhin wird in der Keramischen Zeitschrift 04/2014 Seite 235 ein FDM-Verfahren zur Herstellung von Grünlingen aus keramischen Werkstoffen beschrieben, wobei eine Keramik-Masse in eine Injektionsspitze gefüllt und diese über x-, y- und z-Achsen verfahren wird, während der Kolben der Injektionsspritze die Masse aus der Düse der Spritze fördert. Furthermore 04/2014 page 235 describes a FDM process for producing green bodies of ceramic materials in the ceramics magazine, with a ceramic mass is filled in an injection tip and this is about the x-, y- and z-axis method, during the plunger of the syringe promotes mass from the nozzle of the syringe. Hier wird kein Schmelzfaden sondern eine kalte plastische Masse über eine Düse extrudiert und abgelegt. Here no fusion thread but a cold plastic mass is extruded and deposited through a nozzle.

Dieses Verfahren dient der Herstellung von Grünlingen aus Keramikmassen, aber nicht der Herstellung von Bauteilen. This method is used to produce green compacts from ceramic materials, but not the production of components. Dazu sind die Oberflächen zu uneben. For this, the surfaces are uneven. Mit dem Verfahren können nur endkonturnahe Halbzeuge zur anschließenden Grün- oder Weißbearbeitung hergestellt werden. The process only net-shape semi-finished products for subsequent green or white machining can be made.

Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist es bisher nicht möglich, metallische, freiformbare Bauteile mit einer hohen Dichte oder geschlossene Hohlstrukturen aus Metall, geringer Schwindung und somit mit einer hohen Festigkeit mittels additiven thermoplastischen Verfahren, wie dem FDM-Verfahren zu fertigen. With the processes known from the prior art solutions, it is not previously possible, thus to manufacture metallic freiformbare components with a high density or closed hollow structures made of metal, low shrinkage, and with a high strength by means of additive thermoplastic processes such as FDM. Hohe Anschaffungs- und Materialkosten, Wartungskosten, die Größe der Anlagen und die Komplexität der Verfahren stellen einen weiteren Nachteil der bisher offenbarten technischen Lösungen der additive Fertigung dar. Weiterhin war es mit den bekannten technischen Lösungen nicht möglich freiformbare Bauteile mit FDM-Verfahren herzustellen, deren Ausgangsmaterial ein Kompositmaterial aus thermoplastischen Bindemittel und einem hohen Metallpartikelanteil, beispielsweise handelsüblichen Feedstock-Materialien ist. High acquisition and material costs, maintenance costs, the size of equipment and the complexity of the process are a further disadvantage of the previously disclosed technical solutions of additive manufacturing. Furthermore, it was produced with the known technical solutions impossible freiformbare components with FDM, whose the starting material is a composite material of thermoplastic binder and a high metal particle content, for example, commercially available feedstock materials.

Aufgabe der Erfindung ist ein neues additives Verfahren zur Erzeugung von Metallteilen aus Kompositmaterial mit thermoplastischen Binder und Metallpartikel bereitzustellen. The object of the invention is a novel additive method for producing metal parts made of composite material provide with thermoplastic binder and metal particles. Das neue Verfahren soll durch deutlich niedrigere Kosten und ein besseres Verhältnis von Bauraum zu Anlagengröße auch für kleine und mittelständische Unternehmen attraktiv sein. The new method should be attractive to SMBs through significantly lower costs and a better ratio of space to plant size. Hierdurch kann die Art und Weise der Produktentwicklung und der Innovationsförderung im Gesamten verbessert werden. In this way, the way of product development and the promotion of innovation as a whole can be improved. Bauteile sollen frei auf der Bauplattform erzeugt werden, wodurch keine manuelle Entfernung von ungebundenem Material bzw. Reinigung des Bauraumes erforderlich sein wird. Components to be produced freely on the build platform, whereby no manual removal of unbound material, or cleaning the installation space will be required. Des Weiteren soll das Verfahren nur Materialien in gebundener Form verarbeiten um die Gefahr einer Staubexplosion zu verhindern und die Notwendigkeit von Vakuum und Schutzgas während des Druckprozesses zu vermeiden. Furthermore, the process should only process materials in bound form in order to avoid the risk of dust explosion and avoid the need for vacuum and inert gas during the printing process.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren und eine Anlage zur additiven Fertigung von Metallteilen mittels eines Extrusionsverfahrens bestehend aus zwei Phasen, dem additiven Erzeugen des Grünteils (Phase 1-a) mittels eines Extruders, ( The object of the invention is a method and system for additive manufacturing of metal parts by means of an extrusion process consists of two phases, the additive producing the green part (phase 1-a) by means of an extruder ( 7 7 ) angeordnet auf einer dreidimensionalen Kinematik ( ) Disposed on a three-dimensional kinematics ( 8 8th ) und dem nachträglichen Entbindern und Sintern des Bauteils in einem Ofen (b) gelöst. ) And the subsequent debinding and sintering of the component dissolved in a furnace (b). In Phase 1 wird ein Kompositmaterial, bestehend aus einem thermoplastischen Bindemittel und Metallpartikeln, der sogenannte Feedstock, welcher in fester Form als Granulat oder Sticks mit einem Metallanteil höher als 70% vorliegt, mittels eines Extruders ( In phase 1, a composite material consisting of a thermoplastic binder and metal particles, the so-called feedstock which in granules or sticks higher than 70% in solid form with a metal portion by means of an extruder ( 7 7 ) kurzzeitig plastifiziert und selektiv auf die Bauplattform ( ) Briefly plasticized and selectively on the build platform ( 12 12 ) in Form eines extrudierten Materialfadens zweidimensional aufgetragen. ) Two-dimensionally applied in the form of an extruded material thread. Nachdem Kontur und Füllung der ersten Schicht aufgetragen wurden und abgekühlt sind, folgt das Einstellen der Schichtstärke entweder über ein Anheben des Extruders oder Absenken der Bauplattform ( After the stroke and fill of the first layer was applied and cooled, followed by setting the film thickness either a lifting of the extruder or lowering the building platform ( 12 12 ) um die Schichtstärke (dz). ) To the thickness (dz). Die Schritte des Extrudierens einer neuen Schicht und des Verfahrens der Bauplattform ( The steps of extruding a new layer and method of the construction platform ( 12 12 ) oder des Extruders ( ) Or of the extruder ( 7 7 ) in z-Richtung werden wiederholt, bis das Grünteil ( ) In z-direction are repeated until the green part ( 10 10 ) fertiggestellt wurde. ) Was completed. Dabei wird lediglich der thermoplastische Binder plastifiziert, der für die Festigkeit des Grünteils ( Here only the thermoplastic binder is plasticized, the strength of the green part ( 10 10 ) sorgt. ) Provides.

In der zweiten Phase wird das Grünteil ( In the second phase, the green part is ( 10 10 ) aus dem Gerät entnommen und in einen herkömmlichen Sinterofen ( ) Removed from the device and in a conventional sintering furnace ( 9 9 ) für metallische Bauteile positioniert. ) Positioned for metallic components. Durch die thermische Einwirkung wird zunächst das Bindemittel aus dem Bauteil gelöst (c). By the action of heat the binder is first dissolved out of the component (c). Durch weitere Erhitzung bilden die Metallpartikel an ihren Kontaktstellen sogenannte Sinterhälse. By further heating form the metal particles at their contact points, so-called sinter necks. Das heißt die Körner verschmelzen miteinander und gehen eine feste Bindung ein. That is, the particles fuse together and enter into a firm bond. Nach abgeschlossenem Sinterprozess kann das fertige Bauteil aus dem Ofen entnommen werden (d). After completion of the sintering process, the finished component can be taken out of the furnace (d). Aufgrund des gelösten Bindemittels kommt es zu einem definierten Volumenverlust des Bauteils (e). Due to the dissolved binding agent leads to a defined loss of volume of the component (e).

In einer weiteren Ausführung der Erfindung werden durch einen zweiten Extruder, angeordnet auf der dreidimensionalen Kinematik Stützstrukturen ( In a further embodiment of the invention, through a second extruder, are arranged on the three-dimensional kinematic support structures ( 11 11 ) beispielsweise aus demselben thermoplastischen Material erzeugt, was bereits als Bindemittel im Kompositmaterial verwendet wird. ), For example, produced from the same thermoplastic material, which is already used as a binder in the composite material.

Das Entbindern des Grünteils (b) kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung entweder nur durch thermische Einwirkung oder durch chemische und thermische Einwirkung vorgenommen werden. The debinding of the green part (b) can be carried out in a further embodiment of the invention, either by thermal action or by chemical and thermal action.

Die Anlage zur Durchführung des Verfahrens zur additiven Fertigung von Metallteilen mittels eines Extrusionsverfahrens – Composite Extrusion Modeling (CEM) – besteht aus einem oder mehreren Extruder, die starr an eine in x-, y-, oder z-Achse bewegbarer und an die Steuerung eines 3D-Druckers angeschlossenen Kinematik der Anlage zur Erzeugung der dreidimensionalen Bauteilstruktur frei wählbar montiert ist. The plant for carrying out the method for additive manufacturing of metal parts by means of an extrusion process - Composite Extrusion Modeling (CEM) - consists of one or more extruders which rigidly to one in x, y, or z-axis movable and one to the controller 3D printer connected kinematics of the system to produce the three-dimensional component structure is freely selectable mounted. Die Bewegungen des Extruders ( The movements of the extruder ( 7 7 ) erfolgen über die x-, y- und z-Achse der Kinematik, wobei die Bauplattform ( ) Via the x-, y- and z-axis of the kinematic mechanism, said building platform ( 12 12 ) unbeweglich oder über eine Kombination aus der Bewegung des Extruders ( ) Immobile or a combination of the movement of the extruder ( 7 7 ) mit der Bewegung der Bauplattform ( ) With the movement of the build platform ( 12 12 ) in den entsprechenden Achsen ausgeführt ist. ) Is carried out in the respective axes.

Der Extruder ( The extruder ( 7 7 ) besteht aus einem mechanischen Antrieb ( ) Consists of a mechanical drive ( 1 1 ), einem beheizten Gehäuse ( ), A heated housing ( 2 2 ) und aus einer am beheizten Gehäuse ( ) And from a the heated housing ( 2 2 ) befestigten auswechselbaren Düse ( ) Secured exchangeable nozzle ( 3 3 ), wobei das beheizte Gehäuse ( ), Whereby the heated casing ( 2 2 ) mit dem mechanischen Antrieb ( ) With the mechanical drive ( 1 1 ) über geeignet Mittel zum Transport des Kompositmaterials vom mechanischen Antrieb ( ) Via suitable means for transporting the composite material from the mechanical drive ( 1 1 ) zum beheizten Gehäuse ( ) To the heated housing ( 2 2 ) versehen ist. ) Is provided.

In weiteren Ausführungen der Erfindung ist der mechanische Antrieb ( In further embodiments of the invention of the mechanical drive ( 1 1 ) als Stopfschnecke oder als Zellrad ( ) As a feed screw or a star feeder ( 14 14 ) oder als Antriebsräder ( ) Or as driving wheels ( 15 15 ) ausgebildet. ) educated.

In einer Auslegung der Erfindung ist das geeignet Mittel zum Transport des Kompositmaterials als Schlauch ausgebildet. In one version of the invention which is suitable for transporting the composite material formed means of a hose.

Das Kompositmaterial in Form eines Granulats, grobkörnigen Pulvers oder Sticks wird mittels des mechanischen Antriebs ( The composite material in the form of granules, coarse-grained powder or sticks by means of mechanical propulsion ( 1 1 ) in das beheizten Gehäuse ( ) Into the heated housing ( 2 2 ) gefördert, verdichtet und plastifiziert sowie durch eine auswechselbare Düse ( ) Conveyed, compacted and plasticized and by a replaceable nozzle ( 3 3 ) extrudiert. ) Extruded. Die Bestückung des mechanischen Antriebes ( The assembly of the mechanical drive ( 1 1 ) kann dabei entweder aus dem vollen Erfolgen ( ) Can either be from the full success ( 4 4 ), durch eine Überdruckleitung ( ), Through a pressure line ( 5 5 ) oder eine entsprechende Dosiereinrichtung ( ) Or a corresponding metering device ( 6 6 ). ).

Die Erfindung soll nun anhand eines Beispiels näher erläutert werden wobei die The invention will now be explained in more detail by way of example wherein the 1 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens, die a schematic representation of the method, the 2 2 eine Skizze des Extruders, die a sketch of the extruder, the 3 3 eine Skizze des Extruders mit den Möglichkeiten seiner Befüllung, die a sketch of the extruder with the possibilities of filling the 4 4 eine Skizze zu einer Stützstruktur, die a sketch to a support structure, the 5 5 einen mechanischen Antrieb ( a mechanical drive ( 1 1 ) als Zellrad ( ) As a star feeder ( 14 14 ) ausgebildet und die ) Is formed, and the 6 6 einen mechanischen Antrieb ( a mechanical drive ( 1 1 ) als Antriebsräder ( ) As drive wheels ( 15 15 ) ausgebildet darstellen, wobei: ) Represent formed, wherein:

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

Hierzu wurde der speziell für diesen Zweck konstruierte Extruder ( For this purpose, the specially constructed for this purpose extruder was ( 7 7 ), bestehend aus einer Stopfschnecke als mechanische Antrieb ( ), Consisting of a stuffing screw as a mechanical drive ( 1 1 ), einem beheizten Gehäuse ( ), A heated housing ( 2 2 ), an dem eine Düse ( ) At which a nozzle ( 3 3 ) angeordnet ist gefertigt, wobei die Stopfschnecke als mechanischer Antrieb ( ) Is arranged made, the plug screw mechanical drive ( 1 1 ) mit dem beheizten Gehäuse ( ) With the heated barrel ( 2 2 ) über eine Dosiereinheit ( ) Via a dosing unit ( 6 6 ) verbunden und mit einem kommerziellen Metall-Kunststoff-Kompositmaterial, bestehend aus POM als thermoplastischem Bindemittel und Edelstahl-Partikeln mit einem Anteil von 93% am Kompositmaterial bestückt ist. is) and equipped with a commercial metal-plastic composite material, consisting of POM as a thermoplastic binder and stainless steel particles with a 93% share of the composite material. Das Material liegt beispielsweise als Granulat vor welches für gewöhnlich im Pulverspritzguss als sogenannter Feedstock verwendet wird. The material is for example as granules before which is commonly used in powder injection molding as a so-called feedstock. Es wird eine optimale Temperatur von 240°C und eine Extrusionsgeschwindigkeit von umgerechnet 10 mm/s eingestellt. There is set an optimum temperature of 240 ° C and an extrusion rate of the equivalent of 10 mm / s. Der Extruder wurde senkrecht auf einer XYZ-Portalkinematik installiert und an die Steuerung eines 3D-Druckers angeschlossen. The extruder was perpendicularly installed on a XYZ-kinematics portal and connected to the controller of a 3D printer. Über die Steuerung wurde dann auf die Bauplattform ( then was over the control to the building platform ( 12 12 ) eine zweidimensionale fadenförmige Struktur des Materials aufgetragen und ausgehärtete. ) Applied a two-dimensional filamentary structure of the material and cured. Danach wurde der Extruder in der Schichtdicke (dz) in z-Achse nach oben verfahren und erneut die fadenförmige Materialstruktur über die Düse ( After the extruder in the layer thickness (dz) has been in the z-axis and moved up again the thread-like structure of the material through the nozzle ( 3 3 ) des Extruders ( ) Of the extruder ( 7 7 ) auf die vorhandenen Struktur auf der Bauplattform ( ) On the existing structure on the build platform ( 12 12 ) aufgetragen und ausgehärtet. ) Is applied and cured. Dies wird so lange wiederholt bis das Bauteil als Grünteil ( This is repeated until the component part as green ( 10 10 ) vorliegt. ) Is present. Nach der Fertigstellung des Grünteils ( After the completion of the green part ( 10 10 ) wird es von der Bauplattform ( ) Is it from the build platform ( 12 12 ) entfernt und in einem Sinterofen ( ) Away and in a sintering furnace ( 9 9 ) vom Bindemittel entbindert und durch weitere Erhitzung bilden die Metallpartikel an ihren Kontaktstellen sogenannte Sinterhälse. ) Binder removal from the binder and by further heating form the metal particles at their contact points, so-called sinter necks. Das heißt, die Körner verschmelzen miteinander und gehen eine feste Bindung ein. That is, the particles fuse with each other and enter into a strong bond. Nach abgeschlossenem Sinterprozess kann das fertige Bauteil aus dem Ofen entnommen werden Aufgrund des gelösten Bindemittels kann es zu einem definierten Volumenverlust des Bauteils kommen. After completion of the sintering process, the finished component can be taken out of the furnace due to the dissolved binder there may be a defined volume loss of the component.

Die Grünteilfestigkeit entspricht dabei der des thermoplastischen Bindemittels und ist damit ausreichend um das Bauteil unbeschadet von der Bauplattform zu entfernen. The green part strength corresponds to that of the thermoplastic binder and is therefore sufficient to the component without prejudice to be removed from the build platform. Da es sich bei dem Material beispielsweise um ein Standardgranulat für den Pulverspritzguss handelt, ist die Machbarkeit der Nachbearbeitung des Grünteils mittels eines Sinterofens gewährleistet. As this example is a standard granules for injection molding, the material, the feasibility of the post-processing of the green part by means of a sintering furnace is ensured. Von diesem Punkt an unterscheidet sich das Verfahren faktisch nicht von dem Sinterprozess im Pulverspritzguss. From this point on, the process is actually no different from the sintering process in powder injection molding.

Die Erfindung ermöglicht es komplexe Bauteile aus hoch-festen keramischen oder metallischen Materialien zu erzeugen z. B. Edelstahl, die eine Dichte von 98% des Vollmaterials entsprechen. The invention enables complex components made of high-strength ceramic or metallic materials to produce z. B. steel that match a density of 98% of the solid material. Dabei ist das Verfahren um ein vielfaches günstiger als vergleichbare additive Fertigungsverfahren und hat ein deutlich besseres Verhältnis von Bauraum zu Anlagengröße. Here, the process is many times cheaper than comparable additive manufacturing process and has a significantly better ratio of space to plant size. Durch die Möglichkeit interne Hohlstrukturen zu erzeugen, können völlig neue Konstruktionselemente im Bereich des Leichtbaus entwickelt werden. The ability to generate internal hollow structures, completely new design elements can be developed in the field of lightweight construction. Beispielsweise Teile mit geschlossenen Oberflächen und internen Waben- und Gitterstrukturen. For example, parts with closed surfaces and internal honeycomb and lattice structures. Durch die niedrigen Kosten des Verfahrens werden diese Leichtbauteile günstiger und damit einer breiteren Anwendergruppe zugänglich gemacht. The low cost of the process, these lightweight components are made cheaper and therefore accessible to a wider group of users. Bedingt durch die Tatsache, dass während des Druckprozesses (Phase 1) nur der thermoplastische Anteil des Kompositmaterials plastifiziert wird, liegt das Metall oder Keramikpulver zu keinem Zeitpunkt in ungebundener Form vor, wodurch die Gefahr einer Staubexplosion gebannt ist. Due to the fact that during the printing process (Phase 1) only the thermoplastic component of the composite material is plasticized, the metal or ceramic powder is at no time before in free form, whereby the risk of dust explosion is banned. Der Druckprozess kann aus diesem Grund in Umgebungsatmosphäre stattfindet und benötigt keine Schutzausrüstung. The printing process can therefore take place in the ambient atmosphere and does not need protection. Die Anlagen zur Erzeugung der Bauteile in Phase 1 sind verhältnismäßig klein und besitzen eine robuste Mechanik, dadurch ist das Verfahren ebenfalls für den mobilen Einsatz geeignet. The equipment for manufacture of components in phase 1 are relatively small, and have a robust mechanism, thus the method is also suitable for mobile use. Der Schichtaufbau von thermoplastischem Material ist ebenfalls für die Schwerelosigkeit geeignet. The layer structure of thermoplastic material is also suitable for the gravity.

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Zitierte Patentliteratur Cited patent literature

Zitierte Nicht-Patentliteratur Cited non-patent literature