Process model for the tool-free production of metallic components with the Arburg Freeforming Process
Final Report Abstract
Das ARBURG Metall Freiformen stellt eine Weiterentwicklung des ARBURG Kunststoff-Freiformens dar. Dabei wird unter Verwendung einer Suspension, bestehend aus einem Polymer und Metallpulverpartikeln, mit Hilfe des ARBURG Freeformers ein sogenannter Grünling werkzeugfrei additiv aufgebaut. Der Grünling wird im Nachgang entbindert und gesintert, wodurch ein metallisches Bauteil entsteht. Die Prozessschritte Materialherstellung, Entbindern und Sintern entsprechen denen des konventionellen Metallpulverspritzgusses. Lediglich der Formgebungsprozess, welcher beim Metallpulverspritzguss durch eine Spritzgussmaschine mit geometriespezifischen Werkzeug ausgeführt wird, wird durch das ARBURG Kunststoff-Freiformen ersetzt. Ziel des Vorhabens war zunächst der Nachweis der Machbarkeit der Verfahrenskombination sowie die Ableitung von Prozessparameterempfehlungen für den Formgebungsprozess. Aus den gewonnenen Erkenntnissen sollte ein Prozessmodell, welches zur Optimierung verwendet werden kann, abgeleitet werden. Basierend auf einer theoretischen Systemanalyse wurden Anforderungen an den zu verarbeitenden Feedstock abgeleitet. Entsprechend den Anforderungen wurde ein Feedstock aus Carbonyleisen entwickelt und hinsichtlich seines rheologischen Verhaltens charakterisiert. Mit diesem Carbonyleisenfeedstock wurden erste Vorversuche durchgeführt und die Machbarkeit der Verfahrenskombination nachgewiesen. Im nächsten Schritt wurde eine statistische Versuchsplanung durchgeführt. Dabei fungierten die Dichte, die Schwindung und die Zugfestigkeit Rm als Zielgrößen. Als Faktoren wurden die Formgebungsprozessparameter Druckgeschwindigkeit, Austragszahl (entspricht Tropfenvolumen), Temperatur der Austragsdüse und Temperatur des Bauraums gewählt. Es konnte gezeigt werden, dass der Prozess robust bzgl. der Prozessparameterwahl ist. Der Prozessparameterbereich umfasste nahezu die technischen Grenzen des Feedstocks und der Anlagentechnologie. Es konnten keine statistisch signifikanten Faktoren oder Wechselwirkungen für die Zielgrößen Dichte, Schwindung und Zugfestigkeit Rm ermittelt werden. Ferner wurden mit dem Metallpulverspritzguss vergleichbare Werte für die Dichte im grünen und gesinterten Zustand, für die Schwindung, die Porosität sowie die Zugfestigkeit Rm erzielt. Da die Prozessparameter im untersuchten Bereich keinen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften besitzen, war die Ableitung eines Prozessmodells nicht zielführend. Ergänzend durchgeführte Schliffbilduntersuchungen deuten auf unregelmäßig eingebrachte Defekte hin, welche mutmaßlich auf die Volumenaustragsregelung zurückzuführen sind. Grundsätzlich ist die Porenverteilung (Gestalt, Größe und Anzahl) bis auf die genannten Defekte mit denen des Metallpulverspritzgusses identisch. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass das ARBURG Metall Freiformen als Ergänzung des konventionellen Metallpulverspritzgusses ein enormes Potential bietet. Zur kommerziellen Nutzung des ARBURG Metall Freiformens ist jedoch die Regelung des Volumenaustrags auf Basis weiterer zu definierender Parameter zu überarbeiten sowie der Verschleiß an der Düse zu reduzieren.
Publications
- (2016), „Eignung des Kunststoff-Freiformens für metallische Bauteile“, VDIZ - Integrierte Produktion, S. 24-26
Spiller, Q.; Müller, T.; Hanemann, T. & Fleischer, J.
- (2017), „Additive Manufacturing of metallic components with the ARBURG Plastic-Freeforming“. MIM2017/International Conference on Injection Molding of Metals, Ceramics and Carbides, Hrsg. Metal Powder Industries Federation
Spiller, Q. & Fleischer, J.
- (2017), „Erweiterung des ARBURG Kunststoff-Freiformens zur Herstellung metallischer Bauteile“. 8. Kolloquium Mikroproduktion, Hrsg. F. Vollertsen, J. W., S. 55-61
Spiller, Q. & Fleischer, J.
- (2017), „Experimentelle Untersuchung des ARBURG Kunststoff-Freiformens zur Herstellung metallischer Bauteile“. Werkstoff Woche, Hrsg. Deutsche Gesellschaft für Materialkunde, S. 10-14
Spiller, Q. & Fleischer, J.
- (2018), „Additive manufacturing of metal components with the ARBURG plastic freeforming process”, 68th CIRP General Assembly in Tokyo, CIRP Annals
Spiller, Q. & Fleischer, J.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cirp.2018.04.104)
