Incremental Casting: The generativ droplet-based manufacturing of parts using aluminum alloys
Final Report Abstract
Additive Fertigungsverfahren für Metall finden mehr und mehr Anwendung in der Industrie und werden mit Nachdruck vorangetrieben. Nachteile der etablierten Prozesse, welche auf dem Verschmelzen von Pulver mit Hilfe eines Laser- oder Elektronenstrahl beruhen, sind die hohen Kosten für das Metallpulver und die geringe Baugeschwindigkeit bei gleichzeitig hohen Anlagenkosten. Hier bietet das Verfahren “Inkrementelles Gießen” oder im englischen Sprachgebrauch üblich “Ballistic Particle Manufacturing (BPM)” große Vorteile. Das Ausgangsmaterial kann zum Beispiel als Draht dem Druckkopf zugeführt werden, wo es aufgeschmolzen und als Tropfen durch eine Düse ausgestoßen wird. Der Tropfen fliegt an die gewünschte Stelle auf der Bauplattform und verbindet sich dort mit dem bereits gedruckten Material. Potentiell ist eine solche Anlage deutlich günstiger im Vergleich zu Strahlschmelzanlagen. Auch das Ausgangsmaterial als Draht oder Pellet kann erheblich günstiger erzeugt werden. Zum Zeitpunkt der Antragstellung wurden diese Verfahren ausschließlich wissenschaftlich von nur wenigen Forschergruppen weltweit untersucht. Die Vorgänge beim Verbinden zweier Tropfen und die Einflüsse unterschiedlicher Legierungselemente auf den Prozess mit BPM wurden bisher ungenügend untersucht. Ziel dieses Forschungsprojekts war es, einen prototypischen Drucker für das BPM Verfahren aufzubauen. Ein hochfrequent arbeitender pneumatischer Druckkopf liefert Tropfen aus flüssigen Aluminium, welche auf einer beheizten Bauplattform unter Schutzgasatmosphäre abgelegt werden und sich schichtweise zu Bauteilen gewünschter Form verbinden. Die Tropfenerzeugung sowie die Anbindung zwischen den Tropfen sollte für unterschiedliche Al-Legierungen untersucht werden. Im entwickelten System wurden Quader gedruckt und zu Zugproben verarbeitet. Die mechanischen Kennwerte hängen von den thermischen Bedingungen in der Kontaktzone des flüssigen Tropfens zu seinen Nachbarn ab (Kontakttemperatur). Für unterschiedliche Legierungen trat das Maximum der gemessenen Zugfestigkeit bei Kontakttemperaturen knapp unterhalb der Liquidustemperatur auf. Die höchsten gemessen Werte für Gleichmaßdehnung und Zugfestigkeiten lagen außerdem im Bereich von gegossenen Referenzproben oder darüber. Interessant ist an dieser Stelle, dass bei der eutektischen Legierung AlSi12 (4047A) der Abstand der Kontakttemperatur zur Liquidustemperatur am größten ist. Die Kontakttemperatur lag somit auch unterhalb der Solidustemperatur, was einen klarer Widerspruch zur Literatur darstellt. Dort wird gefordert, dass die Kontakttemperatur größer ist als die Solidustemperatur, um eine metallische Anbindung zu ermöglichen. Ein unerwartetes Ergebnis bei der Tropfenerzeugung ist, dass sich der Kontaktwinkel zwischen dem Düsenmaterial (hier AlN-BN Mischkeramik) und der Schmelze, über die Zeit mitunter erheblich verändert. Hier gibt es eine Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung und dem Restsauerstoff. Dies hat einen deutlichen Einfluss auf die Tropfenerzeugung.
Publications
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(2019) Tensile properties of aluminium 4047A built in droplet-based metal printing. RPJ (Rapid Prototyping Journal) 25 (2) 427–432
Himmel, Benjamin; Rumschoettel, Dominik; Volk, Wolfram
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Thermal process simulation of droplet based metal printing with aluminium. Production Engineering 12 (3-4), 2018, 457-464
Himmel, B.; Rumschöttel, D.; Volk, W
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A fast pneumatic droplet generator for the ejection of molten aluminum, 2017 Pan Pacific Microelectronics Symposium (Pan Pacific), IEEE. February 6-9, 2017, Kauai, HI, USA S. 1-8
Rumschoettel, D., Griebel, B., Irlinger, F. and Lueth, T.C.
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Inkrementelles Gießen – Direkter Metalldruck mit Aluminium. Leichtbau in Guss, November 6-7, 2017, Hannover
Himmel, B.; Volk, W.
