WO2018206250A1 - Additive manufacturing of metal matrix composite materials - Google Patents
Additive manufacturing of metal matrix composite materials Download PDFInfo
- Publication number
- WO2018206250A1 WO2018206250A1 PCT/EP2018/059885 EP2018059885W WO2018206250A1 WO 2018206250 A1 WO2018206250 A1 WO 2018206250A1 EP 2018059885 W EP2018059885 W EP 2018059885W WO 2018206250 A1 WO2018206250 A1 WO 2018206250A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- binder
- component
- hardener
- ceramic powder
- powder
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/24—After-treatment of workpieces or articles
- B22F3/26—Impregnating
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/10—Formation of a green body
- B22F10/14—Formation of a green body by jetting of binder onto a bed of metal powder
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F2301/00—Metallic composition of the powder or its coating
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Definitions
- the present invention is the production of shaped bodies of metal matrix composite materials (MMC) by a special additive manufacturing process, in particular a process which is referred to as powder bed printing or as binder jetting.
- MMC metal matrix composite materials
- Metal matrix composite materials are known per se and are usually produced by a multi-stage process in which initially an open-porous preform (preform) of a first material, such as a ceramic material is produced, which in the course with another material, for example a metallic material is infiltrated.
- preform open-porous preform
- a first material such as a ceramic material
- another material for example a metallic material
- MMC metal matrix composites
- SiSiC metal matrix composites
- manufacturing methods have recently been proposed in which shaped bodies of metal matrix composite materials (MMC), in particular SiSiC, are produced by means of additive manufacturing processes, for example SLS. Due to the process-related layer structure, sloping or curved surfaces and edges create steps that adversely affect the surface quality. In addition, especially with SLS unwanted material deposits on the component surface can not be avoided. Therefore, moldings produced in this way must also be reworked to rid the surface of roughness and supernatants.
- the object of the present invention was thus to provide a process for the production of metal matrix composite materials (MMC), which does not have the disadvantages of the processes known from the prior art.
- MMC metal matrix composite materials
- the object is achieved by the use of a special additive manufacturing process, in particular a process that is used as powder bed printing, or also referred to as binder jetting, for the production of metal matrix composite materials (MMC), wherein the MMC powder used has a certain grain size or a determined grain size distribution.
- MMC metal matrix composite materials
- preforms z. B. for MMC metal-ceramic composites made, which consist of a ceramic framework, which is then infiltrated with metal.
- Typical examples are the production of SiSiC or carbide.
- the metal matrix composite materials can generally be produced in the following manner: For the lowermost layer, a ceramic powder spillage, for example, is produced in a mold corresponding to the shaped article to be produced. B. consisting of a ceramic powder selected from the group consisting of Al2O3, AIN, C, mullite, SiC, Si3N 4 , ZrO2 or mixtures thereof, preferably SiC, z. B. transferred with a doctor blade in a homogeneous position defined height. The thickness of each layer is 50 to 250 ⁇ , preferably 80 to 150 ⁇ .
- a liquid fixing component is applied programmatically in accordance with the necessary area.
- the term fixing component refers to organic and / or inorganic materials or mixtures with which the ceramic powder is held or fixed in the layer position, for example binder or binder-hardener systems.
- the application can be done for example via a print head.
- the fixing component should preferably wet the powder well, so that the organics are distributed homogeneously.
- a consolidation of the printed areas in the layer can be done either by removing the volatile components of the fixing component or by thermal and / or light-induced crosslinking (eg with an IR or UV lamp). After consolidation, another layer is spread over the bottom layer Applied ceramic powder with a squeegee. According to the required next layer of the molded article, the fixing component is applied and consolidated. The process is repeated until the molding is constructed according to the layer model.
- binders as fixing component in which the crosslinking is caused by the action of heat (for example phenolic resin resoles)
- heat for example phenolic resin resoles
- the crosslinking also takes place at room temperature - albeit at a much slower rate. This may result in the problem that the nozzles in the printhead become clogged by unwanted hardening of the binder, for example by heat generation in the process, and thus become unusable.
- the printhead is a very expensive single component in 3D printing equipment.
- the separation of binder and hardener can be maintained until the end by the following procedure:
- the powder or granules to be processed are precoated with the hardener-free binder (for example the phenolic resin novolak) in a separate process step.
- the hardener or the hardener solution is only then printed on the precoated powder / granules. Only at the points where both components meet does the component form by solidification of the powder bed, e.g. through a heat treatment.
- the reverse procedure is also possible: precoating the powder or granules with the hardener component and printing the hardener-free binder in the production plant, for example a 3D printer.
- the production plant for example a 3D printer.
- loose powder still on or in the shaped body is removed, for example with a suction or blowing system, so that only the shaped body solidified with binder remains in the final contour.
- the removed material can be reused.
- the binder precoated with binder or hardener can be removed and later recycled.
- a preferred embodiment relates to the additive manufacturing of SiSiC components. Due to the structure of a powder bed, the preform contains a porosity of about 50 vol%. When the pores are filled with silicon, a material with a correspondingly high silicon content and unsatisfactory properties is obtained.
- a binder is therefore preferred for 3D printing, which forms a carbon residue after pyrolysis ("coking"), which reacts with silicon to form secondary silicon carbide, thereby reducing the porosity of the preform somewhat.
- the shaped body (preform) produced as described above is subsequently impregnated: during impregnation, the cavities of the shaped body are filled.
- the impregnation medium may be an organics having a high carbon yield after coking or a particle suspension or a mixture thereof.
- the particles in the suspension consist of carbon black, graphite, ceramic powders (for example SiC) with particle sizes of from 0.1 ⁇ m to 5 ⁇ m or of nano-particles with particle sizes of less than 100 nm or mixtures of these particles.
- the coking is then carried out at about 600 to 1500 ° C under inert gas (usually N 2 but also noble gases such as Ar or He) non-oxidizing.
- inert gas usually N 2 but also noble gases such as Ar or He
- there should be an open pore system necessary for infiltration if the pores are too narrow or the C content too high, then complete, crack-free silicification is no longer possible).
- the silicon content in the component is thereafter preferably less than 40% by volume, more preferably less than 35% by volume, based on the total volume of the component. Shaping processing steps as in the conventional method are not necessary but possible.
- the grain size of the primary SiC, the compaction density and the carbon content determine the material properties.
- the subsequent impregnation can be completely dispensed with.
- suitable fixation components are used for the production process, which form a sufficiently high carbon residue after coking, the silicon content in the SiSiC component can be significantly reduced, in particular to less than 40% by volume, preferably less than 35% by volume, based on the total volume of the component ,
- the SiSiC components preferably have a structure in which the structure of individual layers in the microstructure on a vertical cutting edge of the component is no longer visually recognizable, for example by means of light microscopy or scanning electron microscopy (see FIG. 1).
- the ceramic powder used according to the invention is selected from the group consisting of Al 2 O 3, AlN, C, mullite, SiC, Si 3 N 4 , ZrO 2 or mixtures thereof, preferably SiC.
- the ceramic powder has a mean particle size in the range of 25 to 60 ⁇ , preferably 40 to 55 ⁇ on.
- the measurement of the grain size is done by laser diffraction (Mastersizer 2000 Malvern).
- Mastersizer 2000 Malvern Through the use of powders in this particle size range, on the one hand, small layer heights during printing and thus a particularly good surface quality of the printed component can be achieved.
- a significantly higher component strength is achieved in comparison with a coarser powder greater than 60 ⁇ m in accordance with the prior art.
- Very fine powders having an average particle size of less than 40 ⁇ m can have insufficient flowability and lead to powder bed printing during processing to a sufficiently homogeneous powder bed or not sufficiently homogeneous material.
- the value (D90-D10) / D50 is between 0.5 and 1.0, preferably between 0 , 6 and 0.9.
- the powder preferably has a very high flowability, which can be characterized by the so-called flow time.
- the flow time from an outlet funnel with an angle of 60 ° and an opening of 3.6 mm is less than 10 seconds for the powder.
- the bulk density is preferably> 45% of the theoretical density, more preferably> 48% of the theoretical density.
- the bulk density is preferably> 1450 g / l, more preferably> 1500 g / l.
- the powders can also be used in a multimodal particle size distribution, in particular a bimodal or trimodal particle size distribution, i. from fractions of powders of different particle sizes.
- the packing density can be optimized by an even finer fraction fills the gaps of the next coarser powder fraction.
- the particle size distribution can be optimized so that the fine powder fills the gaps in the bed of coarser powder. The above-mentioned particle size distribution is also advantageous.
- the ceramic powder having a mean particle size in the range of 25 to 60 ⁇ , preferably 40 to 55 ⁇ represent a fraction, preferably the main fraction and with one or more further fraction (s), for example with a mean grain size of 3 to 5 ⁇ and / or 10 to 15 ⁇ , are mixed.
- the proportion of the further fraction (s) in the total amount of powder can then be, for example, 40% by mass in order to achieve the highest possible packing density.
- it must be taken into account that, if necessary, sufficiently large pore channels are present for subsequent metal infiltration.
- a sufficient flowability of the powder mixture must be given.
- different starting compositions of primary SiC are possible, e.g. B.
- SiC and 20% C or 98% SiC and 2% C preferably up to 85% SiC.
- a shaped body is initially built only from carbon and then completely or partially converted by infiltration in SiSiC.
- the C content of the primary SiC determines the content of the secondary SiC.
- carbon for example soot or graphite, can be added to the SiC powder before the preforms are produced, so that the carbon content necessary for the secondary SiC has already been introduced.
- the fixing component of the present invention may be a binder or a mixture of binder and hardener.
- the binder used in the process according to the invention can be cured by thermal and / or light-induced crosslinking, for example by large-area or spot irradiation with an IR or UV lamp.
- UV-curable components used in the present invention may be radically or cationically curable UV systems or a mixture of both, e.g. As acrylates, epoxides, enol ethers, vinyls.
- the thermosetting binder may be a component which is dried and / or reacted via a heat source. Exemplary components are phenolic resins, furan resins, epoxy resins, graphite resins, starch, sugar or cellulose solutions.
- the binder may also be inorganic based, e.g. Water glass.
- Preferred binders are phenolic resins.
- the fixing component for the process according to the invention may also be a mixture of two components, a binder-hardener mixture.
- a binder-hardener mixture By applying the second reaction component, the material hardens.
- binder-hardener mixtures mixtures can be used, which consist of epoxy resins, polyurethanes, novolaks or binders based on methyl methacrylate with a corresponding hardener.
- Preferred binder-hardener mixtures are phenolic resin novolaks with, for example, hexamethylenetetramine as hardener,
- the amount of binder (pure active substance, ie less solvent contained) in the printed body is 2 to 30%, preferably 5 to 10% by mass, based on the total mass printed body.
- the infiltration of the preformed body (preform) may be carried out with an element selected from the group consisting of Ag, Al, Au, B, Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Mo, Mn, Nb, Si, Sn, Ta, Ti, V , W, Zr is selected, or a mixture or alloys thereof are carried out.
- the infiltration is carried out with silicon.
- the near-net shape parts are placed in a siliconizing furnace. There, the parts are brought into contact with liquid silicon in vacuo or in a protective gas atmosphere. The silicon penetrates via capillary forces into the cavities of the coked parts and fills them in the ideal case completely.
- the carbon reacts wholly or partially with the silicon to secondary SiC. Bridges are formed between primary and secondary SiC, which increases strength. After infiltration, it can be assumed that the component dimensions have not changed.
- the densities are in the range from 2.7 to 3.1 g / cm 3 , preferably 2.9 to 3.1 g / cm 3, depending on the free Si content or residual carbon content.
- the SiC content in the finished-infiltrated component is up to 92% by weight.
- a pore-richer material for example, in the MMC production exclusive of the SiSiC components, it may offer to produce a pore-richer material.
- pore-forming substances porosity
- z As polymethylmethacrylate (PMMA), polystyrene, polypropylene, polyethylene, polyurethane, polyamide or other substances that can be thermally decompose residue-free, are added.
- PMMA polymethylmethacrylate
- polystyrene polypropylene
- polyethylene polyethylene
- polyurethane polyamide or other substances that can be thermally decompose residue-free
- the layered order of the powder only in the desired layers applied a mixture of ceramic powder and porosity.
- This mixture must either be previously mixed and conveyed from a second reservoir, or mixed by a controllable mixing device of a ceramic powder reservoir and a Poros michsstoff practicer just before the layered order.
- a pore-forming substance can be deposited via a dispenser for targeted pore generation. It is also possible that only selected areas are porosiert. This would also arbitrary pore patterns produced, the z. B. could be the result of a finite element calculation.
- the unwanted filling of cavities and also the formation of silicon beads can be prevented by adding the moldings with a release agent such.
- a release agent such as boron nitride, graphite, molybdenum, carbon black, silicon nitride, yttrium silicates surrounds.
- a separating agent slip around the contour, which should remain free of silicon beads, can be printed via an additional print head.
- This release agent slip consists of water or an organic solvent and the release agent such as boron nitride, silicon nitride or carbon and as a third component a binder.
- the release agent such as boron nitride or silicon nitride can be applied as a powder layer similar to the aforementioned methods and fixed by printing a binder component. After removal of the loose powder via the blowing or suction system then the release agent-coated molded body remains. In siliconizing, no silicon beads are formed in the regions.
- the release agent may, after the siliconizing z. B. be removed by suction, blowing, washing.
- SiC powder Starting material was the particle size fraction F240 (D50 44.5 ⁇ , manufacturer StGobain); By a corresponding post-treatment of the powder in the laboratory flowability and bulk density of the powder were improved.
- the after-treated powder had a flow time of 8 s (untreated raw material 12 s) and a bulk density of 1547 g / l (untreated raw material 1464 g / l).
- the post-treated powder also had a mean particle size D50 of 54 ⁇ and a particle size distribution of (D90-D10) / D50 of 0.80.
- the 4-point bending strength of the component is 248 MPa.
- Fig. 1 shows a structure of a test piece of this example followed by 2-fold impregnation; the individual, applied ⁇ ⁇ -thick layers run horizontally in this image, but are not visually recognizable.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Description
Additive Fertigung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen Additive manufacturing of metal matrix composites
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung von Formkörpern aus Metallmatrix-Verbundwerkstoffen (MMC) durch ein spezielles additives Fertigungsverfahren, insbesondere ein Verfahren, das als Pulverbettdrucken oder auch als binder jetting bezeichnet wird. The present invention is the production of shaped bodies of metal matrix composite materials (MMC) by a special additive manufacturing process, in particular a process which is referred to as powder bed printing or as binder jetting.
Metallmatrix-Verbundwerkstoffe sind an sich bekannt und werden üblicherweise über ein mehrstufiges Verfahren hergestellt, bei dem zunächst eine offen-poröse Vorform (Preform) aus einem ersten Werkstoff, beispielsweise einem keramischen Werkstoff, produziert wird, welche im weiteren Verlauf mit einem weiteren Werkstoff, beispielsweise einem metallischen Werkstoff, infiltriert wird. Metal matrix composite materials are known per se and are usually produced by a multi-stage process in which initially an open-porous preform (preform) of a first material, such as a ceramic material is produced, which in the course with another material, for example a metallic material is infiltrated.
Die konventionellen Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen (MMC), insbesondere SiSiC, weisen die Nachteile auf, dass zum Erreichen der Endkontur aufwändige Verfahren eingesetzt werden müssen, wobei gerade bei komplexen Geometrien ein erheblicher Anteil des Vorformmaterials verworfen werden muss. Deshalb wurden in letzter Zeit auch Herstellverfahren vorgeschlagen, bei denen Formkörper aus Metallmatrix-Verbundwerkstoffen (MMC), insbesondere SiSiC mittels additiven Fertigungsverfahren, beispielsweise SLS, hergestellt werden. Durch den prozessbedingten Schichtaufbau entstehen an schrägen oder gekrümmten Flächen und Kanten Stufen, die die Oberflächenqualität negativ beeinflussen. Außerdem sind speziell bei SLS unerwünschte Materialablagerungen an der Bauteiloberfläche nicht zu vermeiden. Daher müssen auch derartig hergestellte Formkörper noch nachbearbeitet werden, um die Oberfläche von Rauigkeiten und Überständen zu befreien. The conventional methods for the production of metal matrix composites (MMC), in particular SiSiC, have the disadvantages that complex methods have to be used to achieve the final contour, whereby a considerable proportion of the preform material has to be discarded, especially with complex geometries. Therefore, manufacturing methods have recently been proposed in which shaped bodies of metal matrix composite materials (MMC), in particular SiSiC, are produced by means of additive manufacturing processes, for example SLS. Due to the process-related layer structure, sloping or curved surfaces and edges create steps that adversely affect the surface quality. In addition, especially with SLS unwanted material deposits on the component surface can not be avoided. Therefore, moldings produced in this way must also be reworked to rid the surface of roughness and supernatants.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand somit darin, ein Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen (MMC) bereitzustellen, welches die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren nicht aufweist. The object of the present invention was thus to provide a process for the production of metal matrix composite materials (MMC), which does not have the disadvantages of the processes known from the prior art.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Verwendung eines speziellen additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere eines Verfahrens, das als Pulverbettdrucken, oder auch als binder jetting bezeichnet wird, zur Herstellung von Metallmatrix- Verbundwerkstoffen (MMC), wobei das eingesetzte MMC-Pulver eine bestinnnnte Korngröße bzw. eine bestinnnnte Korngrößenverteilung aufweist. Dadurch wird eine endkonturnahe Herstellung von Formkörpern bzw. Bauteilen ermöglicht und aufwändige Nachbearbeitungsverfahren können damit größtenteils entfallen. Je kleiner die Schichtdicke, aus denen die Formkörper aufgebaut werden, desto feiner werden die gedruckten Strukturen. The object is achieved by the use of a special additive manufacturing process, in particular a process that is used as powder bed printing, or also referred to as binder jetting, for the production of metal matrix composite materials (MMC), wherein the MMC powder used has a certain grain size or a determined grain size distribution. This makes it possible to produce shaped bodies or components close to final contours and, thus, avoids costly reworking methods for the most part. The smaller the layer thickness from which the shaped bodies are constructed, the finer the printed structures become.
Grundsätzlich werden zunächst Preforms z. B. für MMC (Metall-Keramik- Verbundwerkstoffe) hergestellt, die aus einem Keramikgerüst bestehen, das anschließend mit Metall infiltriert wird. Typische Beispiele sind die Herstellung von SiSiC oder Hartmetall. Basically, preforms z. B. for MMC (metal-ceramic composites) made, which consist of a ceramic framework, which is then infiltrated with metal. Typical examples are the production of SiSiC or carbide.
Erfindungsgemäß können die Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (MMC) allgemein auf folgende Weise hergestellt werden: Für die unterste Schicht wird dazu in einer dem herzustellenden Formkörper entsprechenden Form eine Keramikpulverschüttung z. B. bestehend aus einem Keramikpulver, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus AI2O3, AIN, C, Mullit, SiC, Si3N4, ZrO2 oder Mischungen daraus, vorzugsweise SiC, z. B. mit einer Rakel in eine homogene Lage definierter Höhe überführt. Die Dicke der einzelnen Schicht beträgt dabei 50 bis 250μιτι, bevorzugt 80 bis 150 μιτι. According to the invention, the metal matrix composite materials (MMC) can generally be produced in the following manner: For the lowermost layer, a ceramic powder spillage, for example, is produced in a mold corresponding to the shaped article to be produced. B. consisting of a ceramic powder selected from the group consisting of Al2O3, AIN, C, mullite, SiC, Si3N 4 , ZrO2 or mixtures thereof, preferably SiC, z. B. transferred with a doctor blade in a homogeneous position defined height. The thickness of each layer is 50 to 250μιτι, preferably 80 to 150 μιτι.
Um die für den Formkörper notwendige unterste Schicht zu fixieren, wird eine flüssige Fixierungskomponente entsprechend der notwendigen Fläche programmgesteuert aufgebracht. Als Fixierungskomponente im Sinne der vorliegenden Erfindung werden organische und/oder anorganische Materialien oder Mischungen bezeichnet, mit denen das Keramikpulver in der Schichtlage gehalten bzw. fixiert wird, beispielsweise Binder oder Binder-Härter-Systeme. Das Aufbringen kann beispielsweise über einen Druckkopf erfolgen. Die Fixierungskomponente sollte vorzugsweise das Pulver gut benetzen, damit die Organik sich homogen verteilt. Eine Konsolidierung der bedruckten Bereiche in der Schicht kann entweder durch Entfernen der flüchtigen Anteile der Fixierungskomponente oder durch thermische und/oder licht-induzierte Vernetzung (z.B. mit einer IR- oder UV-Lampe) erfolgen. Nach deren Konsolidierung wird über die unterste Schicht eine weitere Schicht aus Keramikpulver mit dem Rakel aufgebracht. Entsprechend der erforderlichen nächsten Schicht des Formkörpers wird die Fixierungskomponente aufgebracht und konsolidiert. Der Ablauf wird solange wiederholt, bis der Formkörper entsprechend des Schichtmodells aufgebaut ist. In order to fix the lowermost layer necessary for the shaped body, a liquid fixing component is applied programmatically in accordance with the necessary area. In the context of the present invention, the term fixing component refers to organic and / or inorganic materials or mixtures with which the ceramic powder is held or fixed in the layer position, for example binder or binder-hardener systems. The application can be done for example via a print head. The fixing component should preferably wet the powder well, so that the organics are distributed homogeneously. A consolidation of the printed areas in the layer can be done either by removing the volatile components of the fixing component or by thermal and / or light-induced crosslinking (eg with an IR or UV lamp). After consolidation, another layer is spread over the bottom layer Applied ceramic powder with a squeegee. According to the required next layer of the molded article, the fixing component is applied and consolidated. The process is repeated until the molding is constructed according to the layer model.
Problematisch ist bei der Verwendung von Bindern als Fixierungskomponente, bei denen durch Wärmeeinwirkung die Vernetzung verursacht wird (z. B. Phenolharz- Resole), dass die Vernetzung auch bei Raumtemperatur stattfindet - wenn auch mit deutlich geringerer Geschwindigkeit. Dadurch kann sich das Problem ergeben, dass die Düsen im Druckkopf durch ungewollte Aushärtung des Binders, beispielsweise durch Wärmeentwicklung im Prozess, verstopfen und damit unbrauchbar werden. Der Druckkopf stellt in den Anlagen zum 3D-Drucken eine sehr teure Einzelkomponente dar. When using binders as fixing component in which the crosslinking is caused by the action of heat (for example phenolic resin resoles), it is problematic that the crosslinking also takes place at room temperature - albeit at a much slower rate. This may result in the problem that the nozzles in the printhead become clogged by unwanted hardening of the binder, for example by heat generation in the process, and thus become unusable. The printhead is a very expensive single component in 3D printing equipment.
Eine Lösung ist die Verwendung von getrennten Binder-Härter-Systemen als Fixierungskomponente (beispielsweise Phenolharz-Novolake oder 2-Komponenten- Epoxidharzsysteme). Damit derartige Binder aushärten, muss ihnen eine Härterkomponente beigemischt werden. Die Einzelkomponenten können dadurch eine lange Zeit gelagert werden, ohne dass es zu einer Vernetzung kommt. One solution is the use of separate binder-hardener systems as fixing component (for example, phenolic resin novolaks or 2-component epoxy resin systems). To cure such binders, a hardener component must be added to them. The individual components can be stored for a long time, without it comes to a networking.
Die Trennung von Binder und Härter kann durch folgende Vorgehensweise bis zum Schluss beibehalten werden: Das zu verarbeitende Pulver oder Granulat wird mit dem Härter-freien Binder (z.B. dem Phenolharz-Novolak) in einem separaten Prozessschritt vorbeschichtet. In der Fertigungsanlage, beispielsweise einem SD- Drucker, wird der Härter bzw. die Härterlösung erst danach auf das vorbeschichtete Pulver/Granulat gedruckt. Nur an den Stellen, wo beide Komponenten zusammentreffen, bildet sich das Bauteil durch Verfestigung des Pulverbetts z.B. durch eine Wärmebehandlung. The separation of binder and hardener can be maintained until the end by the following procedure: The powder or granules to be processed are precoated with the hardener-free binder (for example the phenolic resin novolak) in a separate process step. In the production plant, for example an SD printer, the hardener or the hardener solution is only then printed on the precoated powder / granules. Only at the points where both components meet does the component form by solidification of the powder bed, e.g. through a heat treatment.
Auch die umgekehrte Vorgehensweise ist möglich: Vorbeschichtung des Pulvers bzw. Granulats mit der Härterkomponente und Aufdrucken des Härter-freien Binders in der Fertigungsanlage, beispielsweise einem 3D-Drucker. Nach dem vollständigen Aufbau des Bauteils wird lockeres, noch auf oder in dem Formkörper befindliches Pulver z.B. mit einem Saug- oder Blassystem entfernt, so dass nur noch der mit Binder verfestigte Formkörper endkonturnah übrigbleibt. Das entfernte Material kann wiederverwendet werden. Auch das mit Binder oder Härter vorbeschichtete Pulver kann so entfernt und später recycelt werden. The reverse procedure is also possible: precoating the powder or granules with the hardener component and printing the hardener-free binder in the production plant, for example a 3D printer. After the complete construction of the component, loose powder still on or in the shaped body is removed, for example with a suction or blowing system, so that only the shaped body solidified with binder remains in the final contour. The removed material can be reused. The binder precoated with binder or hardener can be removed and later recycled.
Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft die additive Fertigung von SiSiC-Bauteilen. Bedingt durch den Aufbau aus einem Pulverbett enthält der Vorkörper eine Porosität von ca. 50 Vol%. Wenn die Poren mit Silicium gefüllt werden, erhält man einen Werkstoff mit entsprechend hohem Siliciumanteil und ungenügenden Eigenschaften. Bei SiSiC wird daher beim 3D-Drucken bevorzugt ein Binder eingesetzt, der nach der Pyrolyse („Verkoken") einen Kohlenstoffrückstand bildet. Dieser Kohlenstoff reagiert mit Silicium zu sekundärem Siliciumkarbid. Dadurch wird die Porosität der Preform etwas reduziert. A preferred embodiment relates to the additive manufacturing of SiSiC components. Due to the structure of a powder bed, the preform contains a porosity of about 50 vol%. When the pores are filled with silicon, a material with a correspondingly high silicon content and unsatisfactory properties is obtained. For SiSiC, a binder is therefore preferred for 3D printing, which forms a carbon residue after pyrolysis ("coking"), which reacts with silicon to form secondary silicon carbide, thereby reducing the porosity of the preform somewhat.
Bessere Werkstoffeigenschaften können bei einem noch deutlich reduzierteren Siliciumanteil erhalten werden. Dazu wird der wie vorherig beschrieben hergestellte Formkörper (Preform) anschließend getränkt: beim Tränken werden die Hohlräume des Formkörpers gefüllt. Das Tränkmedium kann eine Organik, die eine hohe Kohlenstoffausbeute nach dem Verkoken aufweist, oder eine Partikel-Suspension oder einer Mischung daraus sein. Die Partikel in der Suspension bestehen aus Ruß, Grafit, keramischen Pulvern (z.B. SiC) mit Korngrößen von 0,1 μιτι bis 5 μιτι oder aus Nano-Partikeln mit Korngrößen kleiner 100nm oder Mischungen aus diesen Partikeln. Better material properties can be obtained with a significantly reduced silicon content. For this purpose, the shaped body (preform) produced as described above is subsequently impregnated: during impregnation, the cavities of the shaped body are filled. The impregnation medium may be an organics having a high carbon yield after coking or a particle suspension or a mixture thereof. The particles in the suspension consist of carbon black, graphite, ceramic powders (for example SiC) with particle sizes of from 0.1 μm to 5 μm or of nano-particles with particle sizes of less than 100 nm or mixtures of these particles.
Das Verkoken wird dann bei ca. 600 bis 1500 °C unter Schutzgas (meist N2 aber auch Edelgase, wie beispielsweise Ar oder He) nichtoxidierend durchgeführt. Nach dem Verkoken soll ein offenes Porensystem vorliegen, das für eine Infiltrierung notwendig ist (Sind die Poren zu eng oder der C-Gehalt zu hoch, ist im Anschluss keine vollständige, rissfreie Silicierung mehr möglich). The coking is then carried out at about 600 to 1500 ° C under inert gas (usually N 2 but also noble gases such as Ar or He) non-oxidizing. After coking, there should be an open pore system necessary for infiltration (if the pores are too narrow or the C content too high, then complete, crack-free silicification is no longer possible).
Mehrfaches Tränken und Verkoken ist zur Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes und zur Festigkeitssteigerung möglich. Der Siliciumanteil im Bauteil beträgt danach vorzugsweise kleiner 40 Vol%, besonders bevorzugt kleiner 35 Vol% bezogen auf das gesamte Volumen des Bauteils. Formgebende Bearbeitungsschritte wie beim konventionellen Verfahren sind nicht notwendig aber möglich. Die Körnung des Primär-SiC, die Pressdichte und der Kohlenstoffanteil bestimmen die Werkstoffeigenschaften . Multiple soaking and coking is possible to increase the carbon content and increase the strength. The silicon content in the component is thereafter preferably less than 40% by volume, more preferably less than 35% by volume, based on the total volume of the component. Shaping processing steps as in the conventional method are not necessary but possible. The grain size of the primary SiC, the compaction density and the carbon content determine the material properties.
In einer anderen Variante kann auf das nachfolgende Tränken vollständig verzichtet werden. Setzt man für das Fertigungsverfahren geeignete Fixierungskomponenten ein, die nach dem Verkoken einen ausreichend hohen Kohlenstoffrückstand bilden, , kann der Siliciumanteil im SiSiC-Bauteil signifikant gesenkt werden, insbesondere auf kleiner 40 Vol%, bevorzugt kleiner 35 Vol% bezogen auf das gesamte Volumen des Bauteils. In another variant, the subsequent impregnation can be completely dispensed with. If suitable fixation components are used for the production process, which form a sufficiently high carbon residue after coking, the silicon content in the SiSiC component can be significantly reduced, in particular to less than 40% by volume, preferably less than 35% by volume, based on the total volume of the component ,
Die erfindungsgemäß hergestellten SiSiC-Bauteile mit einer Korngröße von 25 bis 60 μιτι, bevorzugt 40 bis 55 μιτι weisen eine 4-Punkt-Biegefestigkeit von mehr als 200 MPa, vorzugsweise mehr als 250 MPa auf. Die SiSiC-Bauteile weisen vorzugsweise eine Struktur auf, bei dem der Aufbau aus einzelnen Schichten im Gefüge an einer vertikalen Schnittkante des Bauteils visuell, beispielsweise mittels Lichtmikroskopie oder Rasterelektronenmikroskopie, nicht mehr erkennbar ist (vgl. Fig. 1 ). The SiSiC components produced according to the invention with a particle size of 25 to 60 μm, preferably 40 to 55 μm, have a 4-point bending strength of more than 200 MPa, preferably more than 250 MPa. The SiSiC components preferably have a structure in which the structure of individual layers in the microstructure on a vertical cutting edge of the component is no longer visually recognizable, for example by means of light microscopy or scanning electron microscopy (see FIG. 1).
Das erfindungsgemäß eingesetzte Keramikpulver ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus AI2O3, AIN, C, Mullit, SiC, Si3N4, ZrO2 oder Mischungen daraus, vorzugsweise SiC. Das Keramikpulver weist eine mittlere Korngröße im Bereich von 25 bis 60 μιτι, bevorzugt 40 bis 55 μιτι auf. Die Messung der Korngröße erfolgt über Laser-Beugung (Mastersizer 2000 der Firma Malvern). Durch die Verwendung von Pulvern in diesem Korngrößenbereich können einerseits kleine Lagenhöhen beim Drucken und damit eine besonders gute Oberflächenqualität des gedruckten Bauteils erreicht werden. Andererseits wird dadurch bei einer nachfolgenden Sinterbehandlung eine deutlich höhere Bauteilfestigkeit im Vergleich zu einem gröberen Pulver größer 60μηη nach dem Stand der Technik erreicht. Sehr feine Pulver mit einer mittleren Korngröße kleiner 40 μιτι können eine ungenügende Rieselfähigkeit aufweisen und führen bei der Verarbeitung beim Pulverbettdrucken zu einem nicht ausreichend homogenen Pulverbett bzw. nicht ausreichend homogenen Werkstoff. The ceramic powder used according to the invention is selected from the group consisting of Al 2 O 3, AlN, C, mullite, SiC, Si 3 N 4 , ZrO 2 or mixtures thereof, preferably SiC. The ceramic powder has a mean particle size in the range of 25 to 60 μιτι, preferably 40 to 55 μιτι on. The measurement of the grain size is done by laser diffraction (Mastersizer 2000 Malvern). Through the use of powders in this particle size range, on the one hand, small layer heights during printing and thus a particularly good surface quality of the printed component can be achieved. On the other hand, in a subsequent sintering treatment, a significantly higher component strength is achieved in comparison with a coarser powder greater than 60 μm in accordance with the prior art. Very fine powders having an average particle size of less than 40 μm can have insufficient flowability and lead to powder bed printing during processing to a sufficiently homogeneous powder bed or not sufficiently homogeneous material.
Um feine Pulver beim Pulverbettdrucken verarbeiten zu können, ist eine enge Korngrößenverteilung notwendig, die über die prozentuale Differenz aus D90 und D10 quantifiziert werden kann: der Wert (D90-D10)/D50 liegt zwischen 0,5 und 1 ,0, bevorzugt zwischen 0,6 und 0,9. Das Pulver weist vorzugsweise eine sehr hohe Rieselfähigkeit auf, die anhand der sogenannten Auslaufzeit charakterisiert werden kann. Die Auslaufzeit aus einem Auslauftrichter mit einem Winkel von 60° und einer Öffnung von 3,6 mm beträgt für das Pulver weniger als 10 Sekunden. Die Schüttdichte beträgt vorzugsweise > 45 % der theoretischen Dichte, besonders bevorzugt > 48 % der theoretischen Dichte. Bei SiC beträgt die Schüttdichte vorzugsweise > 1450 g/l, besonders bevorzugt > 1500 g/l. In order to be able to process fine powders in powder bed printing, a narrow particle size distribution is necessary, which can be quantified by the percentage difference between D90 and D10: the value (D90-D10) / D50 is between 0.5 and 1.0, preferably between 0 , 6 and 0.9. The powder preferably has a very high flowability, which can be characterized by the so-called flow time. The flow time from an outlet funnel with an angle of 60 ° and an opening of 3.6 mm is less than 10 seconds for the powder. The bulk density is preferably> 45% of the theoretical density, more preferably> 48% of the theoretical density. For SiC, the bulk density is preferably> 1450 g / l, more preferably> 1500 g / l.
Die Pulver können dabei auch in einer multimodalen Korngrößenverteilung, insbesondere einer bimodalen oder trimodalen Korngrößenverteilung, d.h. aus Fraktionen von Pulvern unterschiedlicher Korngrößen vorliegen. Die Packungsdichte kann dadurch optimiert werden, indem eine noch feinere Fraktion die Lücken der nächstgröberen Pulverfraktion ausfüllt. Zur Erreichung einer hohen Packungsdichte kann die Korngrößenverteilung derart optimiert werden, dass das feine Pulver die Lücken in der Schüttung des gröberen Pulver ausfüllt. Dabei ist die oben genannte Korngrößenverteilung ebenfalls vorteilhaft. The powders can also be used in a multimodal particle size distribution, in particular a bimodal or trimodal particle size distribution, i. from fractions of powders of different particle sizes. The packing density can be optimized by an even finer fraction fills the gaps of the next coarser powder fraction. To achieve a high packing density, the particle size distribution can be optimized so that the fine powder fills the gaps in the bed of coarser powder. The above-mentioned particle size distribution is also advantageous.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Keramikpulver mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 25 bis 60μηη, bevorzugt 40 bis 55 μιτι eine Fraktion, vorzugsweise die Hauptfraktion darstellen und mit einer oder mehreren weiteren Fraktion(en), beispielsweise mit einer mittleren Korngröße von 3 bis 5 μιτι und/oder 10 bis 15 μιτι, vermischt werden. Der Anteil der weiteren Fraktion(en) an der Gesamtpulvermenge kann dann beispielsweise 40 Massen-% betragen, um eine möglichst hohe Packungsdichte zu erreichen. Bei der Optimierung der Pulvermischungen muss jedoch beachtet werden, dass ggf. ausreichend große Porenkanäle für die spätere Metallinfiltration vorhanden sind. Außerdem muss eine ausreichende Rieselfähigkeit der Pulvermischung gegeben sein. Bei der Herstellung von SiSiC-Bauteile sind verschiedene Ausgangszusammensetzungen des Primär-SiC möglich, z. B. 80 % SiC und 20 % C oder 98 % SiC und 2 % C, vorzugsweise bis 85% SiC. Andererseits ist es auch möglich, dass ein Formkörper zunächst nur aus Kohlenstoff aufgebaut wird und anschließend durch Infiltration vollständig oder teilweise in SiSiC umgewandelt wird. Der C-Anteil des Primär-SiC bestimmt den Gehalt des Sekundär-SiC. Es sind verschiedene Abwandlungen bei dieser bevorzugten Ausführungsform möglich. So kann das SiC-Pulver schon vor der Herstellung der Preforms mit Kohlenstoff, beispielsweise Ruß oder Grafit, versetzt werden, so dass der für das Sekundär-SiC notwendige Kohlenstoffgehalt bereits eingebracht ist. In a preferred embodiment, the ceramic powder having a mean particle size in the range of 25 to 60μηη, preferably 40 to 55 μιτι represent a fraction, preferably the main fraction and with one or more further fraction (s), for example with a mean grain size of 3 to 5 μιτι and / or 10 to 15 μιτι, are mixed. The proportion of the further fraction (s) in the total amount of powder can then be, for example, 40% by mass in order to achieve the highest possible packing density. When optimizing the powder mixtures, however, it must be taken into account that, if necessary, sufficiently large pore channels are present for subsequent metal infiltration. In addition, a sufficient flowability of the powder mixture must be given. In the production of SiSiC components, different starting compositions of primary SiC are possible, e.g. B. 80% SiC and 20% C or 98% SiC and 2% C, preferably up to 85% SiC. On the other hand, it is also possible that a shaped body is initially built only from carbon and then completely or partially converted by infiltration in SiSiC. The C content of the primary SiC determines the content of the secondary SiC. Various modifications are possible in this preferred embodiment. For example, carbon, for example soot or graphite, can be added to the SiC powder before the preforms are produced, so that the carbon content necessary for the secondary SiC has already been introduced.
Die Fixierungskomponente der vorliegenden Erfindung kann ein Binder oder eine Mischung aus Binder und Härter sein. Der Binder, der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, kann durch thermische und/oder licht-induzierte Vernetzung ausgehärtet werden, beispielsweise durch großflächige oder punktuelle Bestrahlung mit einer IR- oder UV-Lampe. UV-härtende Komponenten, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können radikalisch oder kationisch härtende UV-Systeme oder eine Mischung aus beiden sein, z. B. Acrylate, Epoxide, Enolether, Vinyle. Der thermisch härtende Binder kann eine Komponente sein, die über eine Wärmequelle getrocknet und/oder zur Reaktion gebracht wird. Beispielhafte Komponenten sind Phenolharze, Furanharze, Epoxidharze, Grafitharze, Stärke-, Zucker- oder Celluloselösungen. Der Binder kann auch auf anorganischer Basis sein, wie z.B. Wasserglas. Bevorzugte Binder sind Phenolharze. The fixing component of the present invention may be a binder or a mixture of binder and hardener. The binder used in the process according to the invention can be cured by thermal and / or light-induced crosslinking, for example by large-area or spot irradiation with an IR or UV lamp. UV-curable components used in the present invention may be radically or cationically curable UV systems or a mixture of both, e.g. As acrylates, epoxides, enol ethers, vinyls. The thermosetting binder may be a component which is dried and / or reacted via a heat source. Exemplary components are phenolic resins, furan resins, epoxy resins, graphite resins, starch, sugar or cellulose solutions. The binder may also be inorganic based, e.g. Water glass. Preferred binders are phenolic resins.
Die Fixierungskomponente für das erfindungsgemäße Verfahren kann auch eine Mischung aus zwei Komponenten, eine Binder-Härter-Mischung, sein. Durch Applizieren der zweiten Reaktionskomponente härtet das Material aus. Als Binder- Härter-Mischungen können Mischungen verwendet werden, die aus Epoxidharzen, Polyurethanen, Novolaken oder Bindern auf Basis von Methylmethacrylat mit einem jeweils entsprechenden Härter bestehen. Bevorzugte Binder-Härter-Mischungen sind Phenolharz-Novolake mit z.B. Hexamethylentetramin als Härter, Die Bindermenge (reine Wirksubstanz, d.h. abzüglich enthaltener Lösemittel) im gedruckten Formkörper beträgt 2 bis 30%, bevorzugt 5 bis 10 Massen-% bezogen auf die Gesamtmasse gedruckten Formkörpers. The fixing component for the process according to the invention may also be a mixture of two components, a binder-hardener mixture. By applying the second reaction component, the material hardens. As binder-hardener mixtures mixtures can be used, which consist of epoxy resins, polyurethanes, novolaks or binders based on methyl methacrylate with a corresponding hardener. Preferred binder-hardener mixtures are phenolic resin novolaks with, for example, hexamethylenetetramine as hardener, The amount of binder (pure active substance, ie less solvent contained) in the printed body is 2 to 30%, preferably 5 to 10% by mass, based on the total mass printed body.
Die Infiltration des vorgeformten Formkörpers (Preform) kann mit einem Element, welches aus der Gruppe Ag, AI, Au, B, Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Mo, Mn, Nb, Si, Sn, Ta, Ti, V, W, Zr ausgewählt wird, oder einer Mischung oder Legierungen davon durchgeführt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Infiltration mit Silicium durchgeführt. The infiltration of the preformed body (preform) may be carried out with an element selected from the group consisting of Ag, Al, Au, B, Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Mo, Mn, Nb, Si, Sn, Ta, Ti, V , W, Zr is selected, or a mixture or alloys thereof are carried out. In a preferred embodiment of the present invention, the infiltration is carried out with silicon.
Bei SiSiC werden die endkonturnahen Teile dazu in einen Silicierungsofen gestellt. Dort werden die Teile im Vakuum oder in Schutzgasatmosphäre mit flüssigem Silicium in Kontakt gebracht. Das Silicium dringt dabei über Kapillarkräfte in die Hohlräume der verkokten Teile und füllt diese im Idealfall vollständig auf. For SiSiC, the near-net shape parts are placed in a siliconizing furnace. There, the parts are brought into contact with liquid silicon in vacuo or in a protective gas atmosphere. The silicon penetrates via capillary forces into the cavities of the coked parts and fills them in the ideal case completely.
Der Kohlenstoff reagiert dabei ganz oder teilweise mit dem Silicium zu sekundärem SiC. Es bilden sich Brücken zwischen Primär- und Sekundär-SiC, was die Festigkeit erhöht. Nach der Infiltration kann davon ausgegangen werden, dass sich die Bauteilabmessungen nicht verändert haben. Die Dichten liegen beim erfindungsgemäßen Verfahren im Bereich von 2,7 bis 3,1 g/cm3, bevorzugt 2,9 bis 3,1 g/cm3 je nach freiem Si-Anteil oder Restkohlenstoffgehalt. Der SiC-Anteil im fertig-infiltrierten Bauteil beträgt bis zu 92 Masse %. The carbon reacts wholly or partially with the silicon to secondary SiC. Bridges are formed between primary and secondary SiC, which increases strength. After infiltration, it can be assumed that the component dimensions have not changed. In the process according to the invention, the densities are in the range from 2.7 to 3.1 g / cm 3 , preferably 2.9 to 3.1 g / cm 3, depending on the free Si content or residual carbon content. The SiC content in the finished-infiltrated component is up to 92% by weight.
In einigen Fällen, beispielsweise bei der MMC-Herstellung exklusive der SiSiC- Bauteile, kann es sich anbieten einen porenreicheren Werkstoff herzustellen. Dafür kann das Pulver oder Granulat mit porenbildenden Substanzen (Porosierungsmittel), z. B. Polymethylmetacrylat (PMMA), Polystyrol, Polypropylen, Polyethylen, Polyurethan, Polyamid oder anderen Stoffen, die sich rückstandsfrei thermisch zersetzen lassen, versetzt werden. Eine solche porenreichere Oberfläche kann tribologische Vorteile aufweisen. In some cases, for example, in the MMC production exclusive of the SiSiC components, it may offer to produce a pore-richer material. For the powder or granules with pore-forming substances (porosity), z. As polymethylmethacrylate (PMMA), polystyrene, polypropylene, polyethylene, polyurethane, polyamide or other substances that can be thermally decompose residue-free, are added. Such a pore-richer surface can have tribological advantages.
In besonderen Fällen soll nur eine Funktionsfläche oder Funktionsschicht eine Porosität aufweisen. Hierzu wird beim schichtweisen Auftrag des Pulvers, nur in den gewünschten Schichten eine Mischung aus Keramikpulver und Porosierungsmittel aufgebracht. Diese Mischung muss entweder vorher gemischt werden und aus einem zweiten Vorratsbehälter gefördert werden, oder durch eine ansteuerbare Mischvorrichtung aus einem Keramikpulvervorrat und einem Porosierungsmittelbehälter kurz vor dem schichtweisen Auftrag gemischt werden. In special cases, only one functional surface or functional layer should have a porosity. For this purpose, the layered order of the powder, only in the desired layers applied a mixture of ceramic powder and porosity. This mixture must either be previously mixed and conveyed from a second reservoir, or mixed by a controllable mixing device of a ceramic powder reservoir and a Porosierungsmittelbehälter just before the layered order.
Zudem kann zur gezielten Porenerzeugung eine porenbildende Substanz über einen Dispenser deponiert werden. Dabei ist es auch möglich, dass nur ausgewählte Bereiche porosiert werden. Damit wären auch beliebige Porenmuster herstellbar, die z. B. Ergebnis einer Finiten Element-Berechnung sein könnten. In addition, a pore-forming substance can be deposited via a dispenser for targeted pore generation. It is also possible that only selected areas are porosiert. This would also arbitrary pore patterns produced, the z. B. could be the result of a finite element calculation.
Manchmal werden durchgängige Kanäle, Kanalsysteme oder beliebig geformte Ausnehmungen gewünscht, die mit den üblichen Verfahren nicht oder nur schwer herstellbar sind. Bei der Metallinfiltration können diese Hohlräume gefüllt werden. Insbesondere bei SiSiC-Werkstoffen können durch die Volumenausdehnung beim Erstarren der Siliciumschmelze Siliciumperlen entstehen, die sich unvorhersehbar in den Hohlräumen bilden und dadurch Formabweichungen erzeugen, Öffnungen einengen oder ganz verschließen. Sometimes continuous channels, channel systems or arbitrarily shaped recesses are desired, which are difficult or impossible to produce with the usual methods. In metal infiltration, these cavities can be filled. In the case of SiSiC materials in particular, volume expansion during solidification of the silicon melt can give rise to silicon beads which form unpredictably in the cavities and thus produce shape deviations, constrict openings or completely occlude them.
Das ungewünschte Füllen von Hohlräumen und auch die Entstehung von Siliciumperlen können verhindert werden, indem man den Formkörper mit einem Trennmittel wie z. B. Bornitrid, Grafit, Molybdän, Ruß, Silziumnitrid, Yttriumsilikate umgibt. Dazu kann über einen zusätzlichen Druckkopf ein Trennmittel-Schlicker um die Kontur, die von Siliciumperlen frei bleiben soll, gedruckt werden. Dieser Trennmittel-Schlicker besteht aus Wasser oder einem organischen Lösemittel und dem Trennmittel wie zum Beispiel Bornitrid, Siliziumnitrid oder auch Kohlenstoff und als dritte Komponente einen Binder. Alternativ kann das Trennmittel, wie z.B. Bornitrid oder Siliziumnitrid ähnlich den vorgenannten Verfahren als Pulverschicht aufgetragen und über das Drucken einer Binderkomponente fixiert werden. Nach dem Entfernen des lockeren Pulvers über das Blas-oder Saugsystem bleibt dann der so Trennmittel-beschichte Formkörper übrig. Beim Silicieren bilden sich in den Bereichen keine Siliciumperlen. Das Trennmittel kann nach dem Silicieren z. B. durch Aussaugen, Ausblasen, Auswaschen entfernt werden. Beispiel: The unwanted filling of cavities and also the formation of silicon beads can be prevented by adding the moldings with a release agent such. As boron nitride, graphite, molybdenum, carbon black, silicon nitride, yttrium silicates surrounds. For this purpose, a separating agent slip around the contour, which should remain free of silicon beads, can be printed via an additional print head. This release agent slip consists of water or an organic solvent and the release agent such as boron nitride, silicon nitride or carbon and as a third component a binder. Alternatively, the release agent, such as boron nitride or silicon nitride can be applied as a powder layer similar to the aforementioned methods and fixed by printing a binder component. After removal of the loose powder via the blowing or suction system then the release agent-coated molded body remains. In siliconizing, no silicon beads are formed in the regions. The release agent may, after the siliconizing z. B. be removed by suction, blowing, washing. Example:
SiC-Pulver: Ausgangsrohstoff war die Korngrößenfraktion F240 (D50 44,5μηη, Hersteller StGobain); durch eine entsprechende Nachbehandlung des Pulvers im Labor wurden Rieselfähigkeit und Schüttdichte des Pulvers verbessert. Das nachbehandelte Pulver wies eine Auslaufzeit von 8 s (unbehandelter Rohstoff 12 s) und eine Schüttdichte von 1547 g/l (unbehandelter Rohstoff 1464 g/l) auf. Das nachbehandelte Pulver wies außerdem eine mittlere Korngröße D50 von 54 μιτι und eine Korngrößenverteilung von (D90-D10)/D50 von 0,80 auf. SiC powder: Starting material was the particle size fraction F240 (D50 44.5μηη, manufacturer StGobain); By a corresponding post-treatment of the powder in the laboratory flowability and bulk density of the powder were improved. The after-treated powder had a flow time of 8 s (untreated raw material 12 s) and a bulk density of 1547 g / l (untreated raw material 1464 g / l). The post-treated powder also had a mean particle size D50 of 54 μιτι and a particle size distribution of (D90-D10) / D50 of 0.80.
Drucken auf kommerzieller M-Flex-Anlage von Exone mit Standardbinder von Exone. Lagenhöhe Ι ΟΟμιτι. Prüfstäbe 7mmx8mmx65mm. Tränken des gedruckten Bauteils mit einer wässrigen Rußsuspension (Feststoffgehalt 30 %). Danach Pyrolyse (N2, 600°C) und Infiltration mit Silizium (1600°C). Der Si-Gehalt nach jeweiligem Tränkungsvorgang ist Tabelle 1 zu entnehmen. Print on Exone's commercial M-Flex line with Exone standard binders. Layer height Ι ΟΟμιτι. Test rods 7mmx8mmx65mm. Impregnating the printed component with an aqueous carbon black suspension (solids content 30%). Then pyrolysis (N2, 600 ° C) and infiltration with silicon (1600 ° C). The Si content after each impregnation process is shown in Table 1.
Tabelle 1 : Table 1 :
Am silizierten Bauteil ist der schichtweise Aufbau nicht mehr zu erkennen; das Gefüge ist homogen. Die 4-Punkt-Biegefestigkeit des Bauteils beträgt 248 MPa. On the siliconized component of the layered structure is no longer visible; the texture is homogeneous. The 4-point bending strength of the component is 248 MPa.
Fig. 1 zeigt ein Gefüge eines Prüfkörpers aus diesem Beispiel mit nachfolgender 2- maligerTränkung; die einzelnen, aufgetragenen Ι ΟΟμηη-dicken Schichten verlaufen in diesem Bild horizontal, sind aber visuell nicht zu erkennen. Fig. 1 shows a structure of a test piece of this example followed by 2-fold impregnation; the individual, applied Ι ΟΟμηη-thick layers run horizontally in this image, but are not visually recognizable.
Claims
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE112018002378.8T DE112018002378A5 (en) | 2017-05-10 | 2018-04-18 | Additive manufacturing of metal matrix composites |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102017207861.8 | 2017-05-10 | ||
| DE102017207861 | 2017-05-10 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2018206250A1 true WO2018206250A1 (en) | 2018-11-15 |
Family
ID=62027992
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/EP2018/059885 Ceased WO2018206250A1 (en) | 2017-05-10 | 2018-04-18 | Additive manufacturing of metal matrix composite materials |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE112018002378A5 (en) |
| WO (1) | WO2018206250A1 (en) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112321329A (en) * | 2020-11-26 | 2021-02-05 | 康硕(德阳)智能制造有限公司 | Ceramic strengthening treatment method based on 3D printed |
| CN113576053A (en) * | 2021-08-16 | 2021-11-02 | 深圳市长能汇科科技有限公司 | Forming method of atomizing core with multifunctional area |
| US20220119620A1 (en) * | 2019-06-10 | 2022-04-21 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Three-dimensional printing with pore promoting compounds |
| CN114474707A (en) * | 2022-02-10 | 2022-05-13 | 北京京城增材科技有限公司 | Method for manufacturing silicon carbide substrate for aluminizing |
| CN114920565A (en) * | 2022-03-29 | 2022-08-19 | 南通三责精密陶瓷有限公司 | Method for manufacturing silicon carbide ceramic composite material by spraying and printing binder |
| CN114956831A (en) * | 2021-09-15 | 2022-08-30 | 宁波伏尔肯科技股份有限公司 | Reaction sintering silicon carbide ceramic and preparation method thereof |
| CN115286394A (en) * | 2022-07-28 | 2022-11-04 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | A kind of preparation method of binder jet printing silicon carbide ceramic material |
| CN116535220A (en) * | 2023-05-29 | 2023-08-04 | 共享智能装备有限公司 | Degreasing sintering method of silicon nitride ceramic powder product |
| CN116813351A (en) * | 2023-05-05 | 2023-09-29 | 华中科技大学 | Adhesive for jet printing of silicon carbide ceramic piece, and preparation method and application thereof |
| WO2024188643A1 (en) | 2023-03-15 | 2024-09-19 | Ceramtec Gmbh | A method for obtaining at least one ceramic component by joining at least two ceramic sic preforms and ceramic components obtained by said method |
| EP4667440A1 (en) | 2024-06-17 | 2025-12-24 | CeramTec GmbH | A 3d print method for providing a sic ceramic preform using sic particles with a specific roundness |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100279007A1 (en) * | 2007-08-14 | 2010-11-04 | The Penn State Research Foundation | 3-D Printing of near net shape products |
| EP2998282A1 (en) * | 2014-09-18 | 2016-03-23 | Toto Ltd. | Process for producing reaction bonded silicon carbide member |
| US20160272548A1 (en) * | 2013-10-16 | 2016-09-22 | Schunk Ingenieurkeramik Gmbh | Method for the Production of Shaped Articles from Reaction-bonded, Silicon-infiltrated Silicon Carbide and/or Boron Carbide and Thus Produced Shaped Body |
-
2018
- 2018-04-18 WO PCT/EP2018/059885 patent/WO2018206250A1/en not_active Ceased
- 2018-04-18 DE DE112018002378.8T patent/DE112018002378A5/en active Granted
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100279007A1 (en) * | 2007-08-14 | 2010-11-04 | The Penn State Research Foundation | 3-D Printing of near net shape products |
| US20160272548A1 (en) * | 2013-10-16 | 2016-09-22 | Schunk Ingenieurkeramik Gmbh | Method for the Production of Shaped Articles from Reaction-bonded, Silicon-infiltrated Silicon Carbide and/or Boron Carbide and Thus Produced Shaped Body |
| EP2998282A1 (en) * | 2014-09-18 | 2016-03-23 | Toto Ltd. | Process for producing reaction bonded silicon carbide member |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20220119620A1 (en) * | 2019-06-10 | 2022-04-21 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Three-dimensional printing with pore promoting compounds |
| CN112321329A (en) * | 2020-11-26 | 2021-02-05 | 康硕(德阳)智能制造有限公司 | Ceramic strengthening treatment method based on 3D printed |
| CN113576053A (en) * | 2021-08-16 | 2021-11-02 | 深圳市长能汇科科技有限公司 | Forming method of atomizing core with multifunctional area |
| CN113576053B (en) * | 2021-08-16 | 2023-12-08 | 深圳市长能汇科科技有限公司 | A method of forming an atomizer core with a multi-functional area |
| CN114956831B (en) * | 2021-09-15 | 2023-08-11 | 宁波伏尔肯科技股份有限公司 | Reaction sintering silicon carbide ceramic and preparation method thereof |
| CN114956831A (en) * | 2021-09-15 | 2022-08-30 | 宁波伏尔肯科技股份有限公司 | Reaction sintering silicon carbide ceramic and preparation method thereof |
| CN114474707A (en) * | 2022-02-10 | 2022-05-13 | 北京京城增材科技有限公司 | Method for manufacturing silicon carbide substrate for aluminizing |
| CN114920565A (en) * | 2022-03-29 | 2022-08-19 | 南通三责精密陶瓷有限公司 | Method for manufacturing silicon carbide ceramic composite material by spraying and printing binder |
| CN115286394A (en) * | 2022-07-28 | 2022-11-04 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | A kind of preparation method of binder jet printing silicon carbide ceramic material |
| WO2024188643A1 (en) | 2023-03-15 | 2024-09-19 | Ceramtec Gmbh | A method for obtaining at least one ceramic component by joining at least two ceramic sic preforms and ceramic components obtained by said method |
| CN116813351A (en) * | 2023-05-05 | 2023-09-29 | 华中科技大学 | Adhesive for jet printing of silicon carbide ceramic piece, and preparation method and application thereof |
| CN116535220A (en) * | 2023-05-29 | 2023-08-04 | 共享智能装备有限公司 | Degreasing sintering method of silicon nitride ceramic powder product |
| EP4667440A1 (en) | 2024-06-17 | 2025-12-24 | CeramTec GmbH | A 3d print method for providing a sic ceramic preform using sic particles with a specific roundness |
| WO2025261901A1 (en) | 2024-06-17 | 2025-12-26 | Ceramtec Gmbh | A 3d print method for providing a sic ceramic preform using sic particles with a specific roundness |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE112018002378A5 (en) | 2020-01-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| WO2018206250A1 (en) | Additive manufacturing of metal matrix composite materials | |
| EP3800169B1 (en) | Method for the production of moulds from reaction-bonded silicon carbide and / or boron carbide infiltrated with silicon | |
| EP3380324B1 (en) | 3-d printing of a ceramic component | |
| EP2714354B1 (en) | Method for producing a moulded body and device | |
| EP2597075B1 (en) | Porous moulding containing alpha sic with completely open pore structure | |
| DE19736560C2 (en) | Process for producing a porous body, body made of SiC, and use of the porous body | |
| EP3402655B1 (en) | Molding tool for molten metal or glass | |
| EP3166741A1 (en) | Method for producing a component | |
| DE102017116141B4 (en) | Fiber composite material and process for its production | |
| DE69633276T2 (en) | DEVICE FOR EMPTYING MELTED METAL INTO A CASTING DEVICE AND METHOD FOR USE THEREOF | |
| WO2018134202A1 (en) | Method for producing hard metal bodies by means of 3d printing | |
| DE102016100810A1 (en) | Refractory material and its use | |
| DE102011018607A1 (en) | Granules for the production of composite components by injection molding | |
| EP3145662B1 (en) | Method for producing ceramic and/or metal components | |
| DE102020209525A1 (en) | Process for filling micro cavities | |
| EP1433553B1 (en) | Method for manufacture of composite material | |
| WO2017089498A1 (en) | Carbon-metal composite material | |
| DE102009005446A1 (en) | Granules, process for its preparation and its use | |
| DE102019207389A1 (en) | Method for the additive and / or generative production of a component and a motor vehicle | |
| DE102008062155A1 (en) | Ceramic mass for producing a sintered body that is solidifiable in a pressureless thermal treatment, comprises hexagonal boron nitride, and nano-scale powder of silicon and aluminum based on oxides, hydroxides, oxyhydrates or compounds | |
| DE102007058976A1 (en) | Process to fabricate a metal form component by laser build-up of low carbon metal powder lasers | |
| DE102021204741A1 (en) | Method for producing a porous metallic or ceramic component and a component produced using the method | |
| DE102012020829A1 (en) | Powder mixture, useful to produce metallic/ceramic sintered components, which are formed from two fractions, where one of the fraction is made of regular or spherical shaped particles, and other fraction is made of plate-shaped particles | |
| DE102011117764A1 (en) | Pressure slip casting method for deagglomerated slip based on ceramic or metallic powder having specific particle size, comprises using pressure slip castable porous molds that are temporarily coated with flocculating agent | |
| WO2008055707A1 (en) | Open-cell ceramic foam, method for the production thereof, and use thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 18719126 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| REG | Reference to national code |
Ref country code: DE Ref legal event code: R225 Ref document number: 112018002378 Country of ref document: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 18719126 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |