Additive Fertigung von Metallen auf Basis von Materialextrusion (MEAM, engl. Material Extrusion Additive Manufacturing)

Prozesskette des MEAM Verfahrens bestehend aus Formgebung im Filament 3D Druck, zweistufigem Entbindern und Sintern. Die abgebildete Mikrostruktur zeigt repräsentativ die Entwicklung des Gefüges bei der Verarbeitung des austenitischen Stahls 316L.

Additive Fertigung über Filamentextrusion, Entbindern und Sintern von hochgefüllten Polymeren ist für kleinere metallische Bauteile eine kostengünstige und materialflexible Alternative gegenüber der Fertigung im Pulverbettverfahren. Es lassen sich hierbei, bei im Vergleich zu strahlbasierten Verfahren stark reduzierten Anlagen- und Werkstoffkosten, komplexe Bauteile mit attraktiven mechanischen Eigenschaften herstellen. Des Weiteren sind durch die vergleichsweise langsamen Heiz- und Abkühlraten Werkstoffe verarbeitbar, die in der konventionellen additiven Fertigung zu Defektbildung neigen. Der Prozess beinhaltet die Formgebung durch Filamentextrusion eines mit Metallpulver gefüllten (> 55 Vol.-%) Filaments, welche in 3D Druckern für Kunststoffextrusion realisiert werden kann. Im Anschluss folgt ein zweistufiges Entbinderverfahren, bei dem zunächst die Hauptkomponente des Bindersystems chemisch extrahiert wird. Das verbleibende Backbone Polymer garantiert nach wie vor die Formstabilität des Grünkörpers, bevor es im folgenden Ofenprozess zersetzt und entfernt wird. Zur Wahrung der Form während des thermischen Entbinderns muss die Heizrate im Bereich der Polymerzersetzung stark reduziert werden, um Defektbildung durch ansteigenden Druck im Probeninneren zu vermeiden. Das Sintern zur abschließenden Verdichtung des Metallteils erfolgt direkt im Anschluss im gleichen Ofen, wobei Temperatur und Sinterdauer zum Erreichen hoher Enddichten optimiert werden müssen. Aufgrund der filamentbasierten Formgebung kann dieser Prozess für die Additive Fertigung verschiedenster Metalle wie beispielsweise Kupfer, Titan, Werkzeugstähle oder Superlegierungen angewendet werden. Die Parameteroptimierung während der unterschiedlichen Prozessschritte, sowie die Wahl der Ofenatmosphäre sind dabei entscheidend für die erreichbare Enddichte und haben einen maßgeblichen Einfluss auf die Mikrostruktur und die funktionellen Eigenschaften der hergestellten Bauteile.