HPs Beschichtung, die das freie Sintern von Binder Jetting- und MIM-Teilen ermöglichen könnte

19. Juni 2023

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Beim Metal Binder Jetting (BJT) wird ein Bindemittel Schicht für Schicht selektiv auf ein Pulverbett aufgetragen, um Grünteile herzustellen, gefolgt von Entbinderungs- und Sinterbehandlungen. Während des Entbinderungs- und Sinterprozesses brennt das Bindemittel aus, es kommt zu einer Partikel-zu-Partikel-Einschnürung und die Bindungsquerschnittsfläche vergrößert sich mit fortschreitendem Sintern. Eine Vergrößerung der Bindungsfläche führt zu einer Erhöhung der Braunteilfestigkeit. Allerdings wird die Gesamtzugfestigkeit aufgrund der vorherrschenden erhöhten Temperatur beeinträchtigt, was zur Folge hat, dass sich die Teile mit Überhangsmerkmalen unter der Schwerkraft verformen/durchhängen. Traditionelle Methoden zur Vermeidung eines Durchhängens von Teilen sind das Sintern mit Live-Setzern oder die Verwendung maschinell bearbeiteter Keramik-Setter. Verzerrungen/Durchbiegungen beim Sintern von Bindemittel-Pulver-Systemen, einschließlich MIM und BJT, sind inhärent und stellen ein grundsätzlich anspruchsvolles wissenschaftliches Forschungsproblem dar.

In der offenen Literatur gibt es keine praktischen Lösungen, um gedruckte Grünteile ohne den Einsatz von Stützstrukturen zu sintern. Kürzlich haben John Samuel Dilip Jangam, Thomas Anthony, Jim McKinnell, Ben Pon, Jake Piderman und Lihua Zhao in den HP Labs von HP Inc. eine formerhaltende Reizbeschichtung erfunden, die beim Sintern von Stützstrukturen überflüssig macht Kupfer- und Edelstahlteile, hergestellt von Binder Jetting. Ihre Forschung wurde in „Solid Freeform Fabrication 2022: Proceedings of the 33rd Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium“ mit dem Artikel „Support-free sintering of 3D gedruckten Binder Jet Kupfer- und Edelstahlteilen“ veröffentlicht. 1494–1505.

In ihrer Studie wurde eine einfach unterstützte Konfiguration mit Spannweiten von 28 mm und 50 mm für Kupfer und 33 mm für Edelstahl verwendet. Um den Verlauf der Verformung/Durchbiegung von Kupferteilen mit der Temperatur festzustellen, wurden die Grünteile bei 500 °C bis 1040 °C thermisch verarbeitet. Ihre Ergebnisse zeigten eine Zunahme des Ablenkungs-/Verzerrungswinkels von 0° auf 20° mit einer Erhöhung der Behandlungstemperatur. Grünteile aus Kupfer wurden 4 Stunden lang bei 1040 °C in ArH2 gesintert, und Grünteile aus rostfreiem Stahl wurden 2 Stunden lang bei 1370 °C ebenfalls in ArH2 gesintert. Abb. 1 zeigt Kupfer- und Edelstahlteile vor und nach dem Sintern. Gesinterte Teile zeigten eine Durchbiegung von 20° bei Kupfer und 13° bei Edelstahl.

Formbeständige Stimulus-Beschichtungen (SRSC) wurden entwickelt, um einem Durchhängen der Teile während des Sinterns entgegenzuwirken. Für Kupfer entwickeltes SRSC-Cu wurde auf die Grünteiloberflächen aufgetragen (Abb. 2a) und bei 300 °C für 1 Stunde + 500 °C für 2 Stunden + 650 °C für 1 Stunde + 1000 °C für 30 Minuten gesintert ArH2. Abb. 2b zeigt das Sinterteil mit einem Überhang von 28 mm, der intakt blieb und nicht durchhängte. Diese Ergebnisse verdeutlichen deutlich, dass SRSC-Cu das Durchhängen von Teilen während des Sinterns verhindern kann. Interessanterweise kann die SRSC-Beschichtung auf den Teileoberflächen durch Abbürsten oder Sandstrahlen gereinigt werden (Abb. 2 c). Es wurde auch berichtet, dass ein Teil mit einem Überhang von 50 mm nach dem Sintern intakt blieb und nicht durchhängte.

Indem die beschichteten Grünteile verschiedenen Wärmebehandlungstemperaturen unterzogen wurden, konnten die Autoren den Mechanismus des trägerlosen Sinterns besser verstehen. Ihren Erkenntnissen zufolge bildet die Beschichtung eine starke metallurgische Verbindung mit den Teileoberflächen und vermeidet ein Durchhängen, wenn sie 1 Stunde lang bei 300 °C und 2 Stunden lang bei 500 °C behandelt wird. Gleichzeitig trägt das mehrstufige Sintern dazu bei, das Volumen der Partikel-Hals-Bindung zu vergrößern und so für Festigkeit zu sorgen, die sich selbst trägt. Wenn das beschichtete Teil auf 600 °C erhitzt wird, führt eine chemische Reaktion in der Beschichtung dazu, dass sich diese in ein poröses Netzwerk umwandelt und an den Teileoberflächen haftet. In ihrer Arbeit wurde über zusätzliche experimentelle Ergebnisse an Teilen mit Überhängen in einem Winkel von 30°, 45° und 60° berichtet, die ohne Durchhängen gesintert seien.

Die Forscher untersuchten auch das unterstützungsfreie Sintern von 316L-Edelstahlteilen. Die für Edelstahl entwickelte SRSC-Stahlbeschichtung wurde auf die Grünteiloberflächen aufgetragen und gesintert. Abb. 3 zeigt Grünteil mit SRSC-Stahlbeschichtung (a), nach dem Sintern (b) und nach der Reinigung (c). Das Edelstahl-Sinterteil zeigte keinen Durchhang. Während der Anfangsphase des Entbinderns/Sinterns verbinden sich die SRSC-Inhaltsstoffe metallurgisch mit den Teileoberflächen und sorgen für die nötige Festigkeit, um ein Durchhängen unter der Schwerkraft zu verhindern. Ähnlich wie die SRSC-Cu-Beschichtung unterliegt die SRSC-Stahlbeschichtung beim Sintern einer chemischen Reaktion, und das Reaktionsprodukt haftet nur schwach am Teil. Die beobachtete Morphologie war jedoch unterschiedlich. Nach dem Reinigen und Sandstrahlen waren keine Spuren einer vorherigen Beschichtung zu erkennen.

Bei der Entwicklung dieser formstabilen Beschichtungen wurde festgestellt, dass bestimmte Beschichtungsmischungskombinationen beim Sintern eine positive Verformung hervorrufen. Diese Beschichtungen führten dazu, dass sich das Teil zusammenrollte, sich gegen die Schwerkraft bewegte und dem natürlichen Phänomen des Durchhängens des Teils entgegenwirkte. Mit einer optimierten Beschichtungsformulierung konnten die Forscher das Ausmaß der Verformung im Teil steuern. Abb. 4 zeigt, dass die formgebende Reizbeschichtung dem Kupfergrünteil beim Sintern eine neue Dimension verleihen kann. Forscher beschrieben dieses faszinierende neue Phänomen als „4D-Metalldruck“, da 3D-gedruckte Grünteile während des Sinterns durch eine externe Reizbeschichtung in eine neue Form umgewandelt werden. Darüber hinaus wurde erwähnt, dass formstimulierende Beschichtungen erweitert werden können, um selbstorganisierende Metallstrukturen herzustellen. Einzelheiten hierzu können dem US-Patent Nr. US20220226892A1 entnommen werden.

Zusammenfassend wurde ein neuartiger Ansatz erfunden, um das Problem des Durchhangs beim Sintern anzugehen. Die Einführung formbeständiger und forminduzierender Beschichtungen kann die Designbeschränkungen überwinden und neue Möglichkeiten sowohl in der Binder-Jetting- als auch in der MIM-Branche eröffnen.

www.hp.com/us-en/hp-labs.html

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