Materialentwicklung für die additive Fertigung
Die Seiten befinden sich noch im Aufbau. Bitte sehen Sie uns Lücken nach!
Fused Filament Fabrication (FFF), auch bekannt als Fused Deposition Modeling (FDM), ist eine Methode der generativen Fertigung zur Herstellung von Bauteilen, Modellen und Prototypen, welche Schichtweise aus schmelzfähigem Kunststoff aufgebaut werden. Die gebräuchlichsten Materialien sind auf der Seite für kommerzielle Materialien zusammengestellt.
Am IAM-WK wurde dieser Ansatz auf die Replikation von keramischen und metallischen Bauteilen adaptiert. Die dafür erforderliche Prozesskette umfasst die Entwicklung keramischer und metallischer Formmassen zur Herstellung von Filamenten, den 3D Druck von Grünteilen und die anschließende Wärmebehandlung (Entbindern und Sintern). Die Skalierbarkeit und Fertigung von komplexen Bauteilen mit individuellen Abmessungen lassen sich dabei in Abhängigkeit der Formmassenzusammensetzung (Verhältnis Pulver-Bindersystem) und des verwendeten Düsendurchmessers einstellen.
Neben Formmassen zur Herstellung reiner Keramiken und Metalle, werden auch Pulver-Kunststoffgemische entwickelt, die nicht thermisch nachbehandelt werden.
Materialentwicklung
Die Formgebung der Pulver erfolgt, wie bei dem Pulverspritzguss auch, mit Hilfe thermoplastischer Polymere. Diese Thermoplaste dienen als Binder, die bei erhöhten Temperaturen (150 - 250 °C) verformbar und bei Raumtemperatur formstabil sind. Diese mit Pulver hochgefüllten Polymere werden im Allgemeinen "Feedstock" genannt.
Diese Feedstocks bestehen bei keramikhaltigen Formmassen zu mindestens 50 vol% und bei metallhaltigen Formmassen zu mindestens 60 vol% aus Feststoff. Dadurch wird das Verdichten des Gefüges während des Sinterns vereinfacht und die Schwindung und den Verzug der Bauteile minimiert. Das restliche Volumen besteht aus (meist) mindestens drei verschiedenen Polymeren:
- Dispergator (D): Unterstützt das Aufbrechen der Pulver-Agglomerate und senkt dadurch die Viskosität des Feedstocks.
- Gerüstpolymer (GP): Stellt die Stabilität des Bauteils nach der Formgebung und dem ersten Entbinderungsschritt sicher.
Besteht im Allgemeinen aus langen Polymerketten (hochmolekular), erweicht dadurch erst bei hohen Temperaturen und ist dann hochviskos.
-
Basispolymer (BP):Ist in der Regel niedrigmolekular, erweicht bei niedrigeren Temperaturen und ist niedrigviskoser als das GP.Durch die kurzen Molekülketten ist das Bauteil mechanisch nicht sehr formstabil, weshalb GP und BP üblicherweise gemischt werden. Dadurch werden die Vorteile beider Polymere genutzt
Prozesskette
Die Prozesskette ist an die des Pulverspritzgusses angelehnt und wurde durch die Filamentextrusion erweitert.
Die Mischung der Feedstocks erfolgt in einem unserer Messkneter. Der Prozess ist diskontinuierlich und es können äußerst homogene Mischungen in kleinen Mengen hergestellt werden, was für ein Materialscreening und eine Materialentwicklung optimal ist. Zudem wird während des Prozesses der Drehmoment aufgezeichnet, der ein erstes Indiz für die Qualität und Verarbeitbarkeit des Feedstocks ist. Sehr große Mengen können im Doppelschneckenextruder hergestellt werden. Die rheologische Charakterisierung erfolgt anschließend im Hochdruckkapillarrheomter.
Zur Herstellung der Filamente wird der Extruder Noztek pro (Noztek, Shoreham, Großbritannien) verwendet. Damit können Filamente sowohl mit einem Durchmesser von 1,75 mm als auch mit 3,0 mm extrudiert werden.
Der 3D-Druck erfolgt in einem unserer modifizierten Drucker. Sie sind ausschließlich offene Systeme, in denen die Druckparameter speziell auf die Materialien angepasst und auf die Bauteilgeometrien optimiert werden können.
Die Nachprozessierung enthält das zweistufige Entbindern (solvent und thermisch), während dessen zunächst das Basispolymer gelöst wird und Porenkanäle für die anschließende thermische Zersetzung des Gerüstpolymers frei gibt. Der finale Prozess, das Sintern, erfolgt mit Oxidkeramiken in einem Kammerofen unter normaler Atmosphäre. Bei Metallen findet er in speziellen Sinteröfen unter Vakuum oder Schutzgas statt. Der Sinterprozess ist immer mit einem Schrumpf verbunden, der vorab während der Druckvorbereitung einkalkuliert wird.
Aluminiumoxid
Der am häufigsten eingesetzte keramische Hochleistungswerkstoff ist Aluminiumoxid (Al2O3), auch unter dem Begriff "Tonerde" oder als Einkristall unter "Korund" bekannt. Mit steigender Reinheit ist es elektrisch isolierend, hart und verschleißbeständig mit gleichzeitig guten Gleiteigenschaften in korrosiven Medien und unter hohen Temperaturen. Es ist chemisch und thermisch stabil, biologisch inert und transluzent herstellbar.
Wir bedanken uns herzlichst bei der DFG, die uns die Arbeiten ermöglicht!
Publikationen gesinterte Keramiken
Nötzel, D.
2023. Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. doi:10.6094/UNIFR/233835
Eickenscheidt, M.; Langenmair, M.; Dbouk, A.; Nötzel, D.; Hanemann, T.; Stieglitz, T.
2021. Materials, 14 (1), Art. Nr.: 200. doi:10.3390/ma14010200
Nötzel, D.; Eickhoff, R.; Pfeifer, C.; Hanemann, T.
2021. Materials, 14 (19), Art.-Nr.: 5467. doi:10.3390/ma14195467
Nötzel, D.; Hanemann, T.
2020. Materials, 13 (19), Art.-Nr.: 4461. doi:10.3390/ma13194461
Titanlegierung Ti6Al4V
Diese Legierung mit 6 wt% Aluminium und 4 wt% Vanadium ist die am häufigsten verwendete Titanlegierung. Sie zeichent sich durch eine geringe Dichte (ca. 4,4 g·cm-3) bei gleichzeitig hoher Festigkeit aus. Die Legierung wurde ursprünglich für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt entwickelt, ist aber auch in der Medizin beispielsweise für Implantate zugelassen. Der Gründe dafür sind die hohe Biokompatibilität, Korrosionsbeständigkeit und der fehlende Magnetismus.
Mit unseren Feedstocks sind sowohl sehr große Bauteile, wie Hüftimplantate, sehr kleine Körper, wie Zahnimplantate oder sehr filigrane Komponenten druckbar.
Legierung CoCrMo F75
Aufgrund der guten Biokompatibilität und des hohen Korrosionswiderstandes wird diese kobaltbasierende Legierung als Implantatstahl verwendet. Dabei kommt es durch die hohe Verschleiß- und Dauerfestigkeit sowie die Möglichkeit, die Bauteile hochglanzpolieren zu können als Gelenkersatz zum Einsatz. Aber auch in der Dentalindustrie ist es weit verbreitet, denn es lässt sich unter ohne Schutzatmosphäre vergießen und sehr gut mit keramischen Massen verblenden.
Wolfram
Dieses sehr hochschmelzende Metall ist bzw. war in jedem Haushalt in Form der Glühwendel in Glühlampen vorhanden. Es ist sehr korrosionsbeständig und kann aufgrund seiner hohen Dichte (ca. 19,3 g·cm-3) Strahlen besser als Blei abschirmen. Allerdings wird es aufgrund seines hohen Preises und der schwierigen Verarbeitbarkeit nicht so so häufig für diesen Zweck eingesetzt. Die aufwändige Verarbeitbarkeit von Wolfram begründet sich aus seinem Schmelzpunkt von 3422 °C und der hohen Sprödheit schon bei geringen Verunreinigungen. Daher findet die Formgebung als Pulver mit anschließendem Sinterprozess statt.
Neben dem 3D-Druck des Materials entwickeln wir auch die Prozessführung von Wolframpulver in einer EBM-Anlage (Electron Beam Melting), welche auch zu den Methoden des 3D-Druckes gehört.
S. Antusch: Need a tricky tungsten piece? Print it! (Fusion in Europe 1/2018 (2018))
Kupfer
Was wäre die heutige Zeit ohne Kupfer? Hauptsächlich aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit, aber auch durch die gute Wärmeleitfähigkeit findet das Metall in nahezu jeder elektronischen Schaltung, Stromleitungen, elektrischen Motoren und Wärmetauschern bzw. Kühlkörpern Verwendung.
Publikationen Metall
Schüßler, P.; Franke, J.; Czink, S.; Antusch, S.; Mayer, D.; Laube, S.; Hanemann, T.; Schulze, V.; Dietrich, S.
2023. Materials, 16 (20), Art.-Nr.: 6678. doi:10.3390/ma16206678
Eickhoff, R.; Antusch, S.; Nötzel, D.; Hanemann, T.
2023. Materials, 16 (8), Art.-Nr.: 3162. doi:10.3390/ma16083162
Eickhoff, R.; Antusch, S.; Baumgärtner, S.; Nötzel, D.; Hanemann, T.
2022. Materials, 15 (18), Art.-Nr.: 6442. doi:10.3390/ma15186442
Gedruckte Batteriematerialien
Im Rahmen des Exzellenzclusters POLiS (Post Lithium Storage) werden 3D-Druckmaterialen für Feststoffbatterien basierend auf dem Transport von Na2+-Ionen entwickelt. Bei diesem Thema werden unsere Expertisen auf dem Gebiet der Entwicklung von Elektrolytsystemen und der Materialentwicklung im 3D-Druck gebündelt.
Die Ziele dabei sind die Erhöhung der Sicherheit durch schwer entflammbare Elektrolyte und neue Möglichkeiten des Aufbaus der Batterie und Optimierung des Volumens durch die Designfreiheiten des 3D-Druckes.
Publikationen 3D-gedruckte Batteriematerialien
Kutlu, A. C.; Nötzel, D.; Hofmann, A.; Ziebert, C.; Seifert, H. J.; Mohsin, I. U.
2024. Electrochimica Acta, 503, Art.-Nr.: 144881. doi:10.1016/j.electacta.2024.144881
Kutlu, A. C.; Nötzel, D.; Ziebert, C.; Seifert, H. J.; Ul Mohsin, I.
2024. Batteries & Supercaps, 7 (1), Art.-Nr.: e202300577. doi:10.1002/batt.202300577
Kutlu, A. C.; Nötzel, D.; Ziebert, C.; Seifert, H. J.; Mohsin, I. U.
2024. Batteries & Supercaps, 7 (1), e202300357. doi:10.1002/batt.202300357
Polymer-Matrix-Komposite
Nicht immer ist es notwendig, reine Keramiken oder Metalle herzustellen, um Materialien mit gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Bereits eine mittlere Füllung (20 - 40 vol%) mit Partikeln kann ausreichen, um thermische Leitfähigkeiten zu erhöhen, um elektrische Leitfähigkeiten oder Magnetismus zu erhalten oder die dielektrischen Eigenschaften eines Polymers zu verbessern. Dabei hängt die Stärke der Eigenschaften vom Gehalt des Füllmaterials ab.
Bariumferrit
BaFe12O19 (Bariumferrit) ist ein Vertreter der ferrimagnetischen Wertstoffe und gehört zur Gruppe der Ferrite.
Bariumtitanat
Bariumtitanat besitzt ausgeprägte ferro- und piezoelektrische Eigenschaften. Im letzten Fall hängen diese stark von der elektrischen Polungsfeldstärke ab.
Edelstahl 17-4PH
Der Edelstahl mit der Werkstoffnummer 1.4548.4 enthält ca. 17 % Chrom, 4 % Nickel und etwas Kupfer. Er ist magnetisch und in den meisten Medien korrosionsbeständig.
Publikationsliste Polymer-Matrix-Komposite
Hanemann, T.; Syperek, D.; Nötzel, D.
2020. Materials, 13 (6), Artice no: 1481. doi:10.3390/ma13061481
Khatri, B.; Lappe, K.; Habedank, M.; Mueller, T.; Megnin, C.; Hanemann, T.
2018. Polymers, 10 (6), 666–683. doi:10.3390/polym10060666
Khatri, B.; Lappe, K.; Noetzel, D.; Pursche, K.; Hanemann, T.
2018. Materials, 11 (2), Art.Nr. 189. doi:10.3390/ma11020189
Bei Fragen wenden Sie sich gerne an Frau Dr. Ing. Dorit Nötzel