Erforschung von Bauteilen aus CuSn10-Biopolymer-Verbundfilament im extrusionsbasierten additiven Fertigungsprozess

Abstract

Das Metallpulverspritzgießen (Metal Injection Molding, MIM) ist ein Verfahren zur Herstellung metallischer Bauteile mit komplexer Geometrie, das sich insbesondere für die Massenproduk- tion eignet. Trotz seiner Vorteile ist das Verfahren mit hohen Kosten und langen Produktions- zeiten verbunden. In den letzten Jahren hat sich die additive Fertigung (AM), insbesondere die Materialextrusion (MEX), als Alternative zum Spritzgießen etabliert, um Grünteile herzustellen und dadurch die Kosten und den Zeitaufwand für Gießformen zu reduzieren. Dabei wird ein Metall-Polymer-Verbundfilament für den 3D-Druck benötigt. Die thermische Entbinderung, ne- ben der Lösungsmittel- und der katalytischen Entbinderung, ist ein wichtiger Schritt im Pro- zess, der sich durch Kosteneffizienz und Umweltfreundlichkeit auszeichnet. Chemische Lö- sungsmittel und Inertgas werden nicht benötigt. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen je- doch, dass die Qualität der mittels MEX und thermischer Entbinderung hergestellten Metallteile aus Verbundfilamenten nach wie vor unzureichend ist. Daher ist eine Optimierung der Eigen- schaften (Festigkeit, Dichte, Porosität) dieser Bauteile von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wird die Kupferlegierung CuSn10 verwendet, um Metallteile durch MEX her- zustellen. Ziel der Arbeit ist es, den Herstellungsprozess und die Eigenschaften von CuSn10- Polymer-Verbundfilamenten in dem AM-Prozess mittels MEX und thermischer Entbinderung zu optimieren. Dadurch sollen Metallteile kostengünstig und mit einem vereinfachten Verfah- ren gefertigt werden. Die Optimierung erfolgte sowohl durch eine Prozessoptimierung als auch durch Materialentwicklung. Zunächst wurde ein marktverfügbares Filament zur Prozessoptimierung eingesetzt. Hierbei wurden unterschiedliche Druckparameter, Entbinderungsaufheizraten, Sintertemperaturen so- wie Haltezeiten untersucht und deren Einfluss auf die Bauteileigenschaften analysiert. Insbe- sondere der Einfluss von Druck- und Sinterorientierung auf die Fertigungsqualität und Produk- tionsstabilität wurde umfassend diskutiert. Zusätzlich wurde eine Simulation der Wärmevertei- lung während der thermischen Entbinderung durchgeführt, um den Prozess zu analysieren und eine effizientere Entbinderungsmethode durch die Wahl unterschiedlicher Tiegelgrößen zu identifizieren. Im Rahmen der Materialentwicklung wurde das Filament eigenständig hergestellt. Dazu wur- den zunächst PLA-Filamente aus neuem und recyceltem Material extrudiert, deren Eigen- schaften sowie die der daraus gefertigten Teile untersucht. Anschließend wurde ein hochvo- lumiges CuSn10-Polymer-Verbundfilament entwickelt. Zwei innovative Bindemittel wurden for- muliert: eines basierend auf Polylactide (PLA) und Acetyltributylcitrat (ATBC), das andere auf PLA, Butendiol-Vinylalkohol-Copolymer (BVOH) und ATBC. Mit dem neu entwickelten Fila- ment konnten Grünteile erfolgreich gedruckt, thermisch entbindert und gesintert werden. Die Eigenschaften des Filaments sowie der Grün- und Metallteile wurden detailliert charakterisiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Prozessparameter die Eigenschaften der her- gestellten Metallteile erheblich beeinflussen, insbesondere in Bezug auf Dichte, Zugfestigkeit und Porosität. Durch die gezielte Steuerung von Druckparametern, Aufheizraten während der Entbinderung, Sintertemperaturen und Haltezeiten konnten eine optimierte Dichte und Zug- festigkeit erreicht sowie die Porosität deutlich reduziert werden. Druck- und Sinterorientierung spielten eine zentrale Rolle: Die Kombination aus der Druckorientierung "hochkantig" und der Sinterorientierung "flach" erwies sich als optimal, um Bauteile ohne Prozessfehler mit verbes- serter Zugfestigkeit herzustellen. Eine schnelle Aufheizrate während der Entbinderung führte zu Verformungen und einer Erhöhung der Porosität, während eine verlängerte Entbinderungs- dauer zwar das Problem minimieren konnte, aber zeitaufwändig war. Dieses Problem ließ sich jedoch durch den Einsatz größerer Tiegel und die Verwendung von Sand als unterstützendes Material optimieren. PLA ist zu 100 % recycelbar, jedoch verschlechtert sich nach der Wiederverwendung die me- chanischen Eigenschaften. Bei der Herstellung eines Filaments, das aus PLA und hochvolu- migem Metallpulver besteht, ist der Einsatz von Weichmachern entscheidend, um die Flexibi- lität des Filaments zu verbessern. Der Anteil des Weichmachers beeinflusst maßgeblich die Oberflächenrauheit, den Durchmesser, die Flexibilität und die Viskosität des Filaments. Eine thermische Analyse sowie die Untersuchung der Bindemittelmatrix-Morphologie wurden durchgeführt, um die Eigenschaften der Bindemittel zu untersuchen. Die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Metallteile zeigten im Vergleich zu marktver- fügbaren Filamenten eine verbesserte Zugfestigkeit und eine reduzierte Porosität. Am Beispiel des Metalls CuSn10 wurde die Erforschung der Metallherstellung durch MEX sowie deren Machbarkeit eindrucksvoll dargestellt. Die entwickelte Filamentmatrix und das Verfahren kön- nen zudem auf andere Metalle übertragen werden.

Metal Injection Molding (MIM) is a process for manufacturing metallic components with com- plex geometries, particularly suited for mass production. Despite its advantages, the process is associated with high costs and long production times. In recent years, Additive Manufactur- ing (AM), especially Material Extrusion (MEX), has emerged as an alternative to injection mold- ing for producing green parts, thus reducing the costs and time required for molds. This pro- cess requires a metal/polymer composite filament for 3D printing. Thermal debinding, along- side solvent and catalytic debinding, is an important step in the process, characterized by cost efficiency and environmental friendliness, as chemical solvents and inert gases are not needed. However, recent research shows that the quality of metal parts made from composite filaments using MEX and thermal debinding is still insufficient. Therefore, optimizing the prop- erties (strength, density, porosity) of these components is of great importance. In this work, the copper alloy CuSn10 is used to produce metal parts through MEX. The goal of this work is to optimize the manufacturing process and the properties of CuSn10-Polymer composite filaments in additive manufacturing using MEX and thermal debinding, to enable cost-effective production of metal parts with a simplified process. Optimization was carried out through both process optimization and material development. First, commercially available filament was used for process optimization. Different printing pa- rameters, debinding heating rates, sintering temperatures, and dwell times were investigated, and their influence on the part properties was analyzed. In particular, the influence of printing and sintering orientation on manufacturing quality and production stability was thoroughly dis- cussed. Additionally, a simulation of heat distribution during thermal debinding was performed to analyze the process and identify a more efficient debinding method by selecting different crucible sizes. As part of the material development, the filament was independently produced. First, PLA fila- ments made from new and recycled material were extruded, and their properties, as well as those of the parts produced from them, were examined. Subsequently, a high-volume CuSn10- Polymer composite filament was developed. Two innovative binders were formulated: one based on Polylactic Acid (PLA) and Acetyl Tributyl Citrate (ATBC), the other on PLA, Butene- diol-Vinylalkohol-Copolymer (BVOH), and ATBC. With the newly developed filament, green parts were successfully printed, thermally debound, and sintered. The properties of the fila- ment, as well as the green and metal parts, were characterized in detail. The results of this work show that process parameters significantly influence the properties of the manufactured metal parts, particularly regarding density, tensile strength, and porosity. By precisely controlling printing parameters, heating rates during debinding, sintering temperatures, and dwell times, optimized density and tensile strength were achieved, and po- rosity was significantly reduced. Printing and sintering orientation played a key role: the com- bination of the "upright" printing orientation and the "flat" sintering orientation proved to be optimal for producing parts without process errors and with improved tensile strength. A rapid heating rate during debinding led to distortions and increased porosity, while extended debind- ing duration minimized this issue but was time-consuming. This problem, however, was opti- mized by using larger crucibles and sand as a supporting material. PLA is 100 % recyclable, but its mechanical properties decrease after reuse. When producing a filament composed of PLA and high-volume metal powder, the use of plasticizers is crucial to improve the flexibility of the filament. The proportion of the plasticizer significantly affects the surface roughness, diameter, flexibility, and viscosity of the filament. A thermal analysis and an investigation of the binder matrix morphology were conducted to examine the proper- ties of the binders. The microstructure and mechanical properties of the manufactured metal parts showed improved tensile strength and reduced porosity compared to commercially avail- able filaments. Using the example of the metal CuSn10, the research on metal production through MEX and its feasibility was impressively demonstrated. The developed filament matrix and process can also be applied to other metals.