microsintering ein schnelles Herstellungsverfahren für metallische Präzisionsbauteile Tino Petsch, Thomas Brabant 3D-Micromac AG Annaberger Str. 240 09125 Chemnitz Tel. (+49) 0371/ 400 43 0 Fax (+49) 0371/ 400 43 40 1. Einleitung Eine Vielzahl neuer Fertigungsverfahren fallen heute unter den Sammelbegriff Rapid Prototyping (RP). In der Regel handelt es sich um generierende Urformverfahren bei denen ein Werkstück ausschließlich auf der Grundlage seiner CAD-Konstruktion schichtweise aus einem form-losen Ausgangswerkstoff (Pulver, Harz, Wachs,...) generiert wird. Das selektive Lasersintern (SLS) ist hierbei wohl eines der bedeutendsten RP- Verfahren zur schnellen und kostengünstigen Herstellung von Prototypen und Werkzeugen aus einem pulverförmigen Ausgangswerkstoff. Für die Herstellung der Bauteile werden keine Formen bzw. formgebenden Werkzeuge benötigt. Die ersten RP-Verfahren wurden lediglich dazu verwendet Anschauungsmodelle zu erzeugen. Inzwischen können mit RP-Fertigungsverfahren, speziell mit dem Verfahren des direkten selektiven Lasersinterns, so gut wie alle Phasen bei der Entwicklung eines neuen Produktes abgedeckt werden. Innerhalb kürzester Zeit lassen sich Modelle für Design-, Proportions- oder Ergonomieuntersuchungen, Formen für Abgüsse oder Prototypen mit Gebrauchseigenschaften fertigen. Auch funktionstüchtige Werkzeuge (Rapid Tooling) bzw. Funktionsbauteile können in kleineren bis mittleren Stückzahlen mit dem SLS- Verfahren hergestellt werden. Bereits in der Konstruktionsphase der Werkstücke können die Vorzüge des SLS-Verfahrens in Hinsicht auf die späteren Bauteileigenschaften vorteilhaft ausgenutzt werden. Als ein generatives Freiformverfahren ermöglicht das SLS die umweglose Fertigung d.h. die Herstellung von Bauteilen ohne manuelle Zwischenschritte. Komplex geformte Werkstücke mit beispielsweise innenliegenden Hohlräumen, Kanälen und Kavitäten können in nur einem einzigen Arbeitsschritt generiert werden ohne sich dabei über die Herstellbarkeit mit konventionellen Fertigungstechniken auseinandersetzen zu müssen. Die Firma 3D-Micromac AG in Chemnitz ist im Besitz eines patentierten Mikrosinterverfahrens, einer speziellen Variante des SLS, einschließlich der dazugehörigen Anlagentechnik. Dieses spezielle SLS- Verfahren erlaubt die Herstellung von Mikrobauteilen mit einer Auflösung, wie sie bislang mit anderen SLS-Verfahren nicht erreicht wurde. microsintering ein schnelles Herstellungsverfahren für metallische Präzisionsbauteile Seite 1 von 8
2. Allgemeine Prozesskette der SLS - Verfahren Die Verfahrenskette beginnt mit der 3D- CAD Konstruktion des zu fertigenden Werkstücks. Für den schichtweisen Aufbau des Bauteiles in einer SLS-Anlage wird ein Schichtmodell des CAD-Volumenkörpers benötigt, das sich im einfachsten Fall aus äquidistanten, übereinander liegenden Bauteilquerschnitten zusammensetzen kann. für die formgetreue Wiedergabe des Bauteiles ein entscheidendes Kriterium, das bei der Datenaufbereitung beachtet werden muss. Mit Hilfe der erzeugten Schichtdatensätze kann nun der Körper in einer SLS-Anlage durch Sintern sequenziell aufgetragener Pulverschichten Schicht für Schicht generiert werden. Ein auf das Pulverbett bzw. die Oberfläche der Pulverschichten fokussierter Laserstrahl überfährt hierfür die zuvor berechneten Querschnittsflächen des Sinterteiles nach einem in der RP-Software festgelegten Scan-Schema und verfestigt das aufgetragene Pulvermaterial (siehe Bild 1). Im Anschluss an den Bauprozess kann unverschmolzenes loses Pulver vom Bauteil entfernt und wieder verwendet werden. In der Konstruktionsphase des Bauteiles muss jedoch darauf geachtet werden, das Hohlräume oder Kanäle frei zugänglich sind, wenn das vom Hohlraum eingeschlossene Pulver im Anschluss an den Bauprozess wieder entfernt werden soll. 3. Das Mikrosinter- Verfahren Bild 1: allgemeines Verfahrensprinzip des SLS Zu diesem Zweck wird das 3D-CAD- Volumenmodell an eine spezielle RP- Software übertragen, welche die Querschnittsflächen über die gesamte Höhe des Bauteiles ermittelt. Der Abstand der berechneten Bauteilquerschnitte ist hierbei Bild 2: Schematischer Aufbau der Mikrosinteranlage 3.1 microsintering - Eine Anlage zum Mikrosintern Die microsintering - Anlage ist speziell zum selektiven Lasersintern sub-µmkörniger Pulver entwickelt worden. Aufgrund der erhöhten Reaktivität dieser Pulver und der Neigung zur Oxidation an Luftsauerstoff wird der gesamte Sintervorgang vorzugsweise unter einer abgeschlossenen Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Daher wird die Sinterkammer zu Beginn des Mikrosinterprozesses durch eine Vakuumpumpe evakuiert. Anschließend können über Gaszuleitungen verschiedene Schutz- oder Reaktivgase eingelassen werden. Parallel besteht die Option das Mikrosintern mit einem CVD ( chemical vapor deposition )-Prozess zu kombinieren. Ein zusätzlicher Anschluss für eine korrosionsbeständige Pumpe sowie entsprechende Komponenten um Reaktivgase bei definierten Drücken ( 1 Pa) durch die Sinterkammer zu spülen, sind hierfür vorhanden. microsintering ein schnelles Herstellungsverfahren für metallische Präzisionsbauteile Seite 2 von 8
Die Einkopplung des Laserstrahles in die Sinterkammer erfolgt durch ein für die Wellenlänge transparentes Strahleintrittsfenster im Kammerdeckel. Zur Strahlpositionierung wird ein Galvanometerscanner verwendet, an dessen Strahlaustritt ein Planfeldobjektiv für die Fokussierung des Laserstrahles auf die Pulverschichten angeschraubt ist. 3.2 Schichtauftrag Mittels einer Rakelmaschine im Inneren der Sinterkammer, bestehend aus einer Sinterplattform, zwei Pulverreservoirs und zwei Ringrakel werden dünne (übereinanderliegende) Pulverschichten gerakelt. Zur Erzeugung einer Pulverschicht wird die Probenplattform abgesenkt und Pulver durch Bewegung der Ringrakel über der Plattform deponiert. Bild 3: Links: Ringrakel und Pulverreservoir Rechts: Probenplattform (50mm Durchmesser) Über die Arbeitsebene überstehendes Pulver wird bei der Rückfahrt der Ringrakel in ihre Ausgangsposition(en) (Pulverreservoirs) durch die Rakelkanten abgestreift. Materialverluste im Ringrakel während des Schichtauftrages können durch Anheben des Pulverreservoirs ausgeglichen werden. Die Pulverreservoirs können mit verschiedenen Materialien befüllt sein, wodurch Pulvergemische aus Einzelkomponentenpulvern verarbeitet werden können. Auch wird die Herstellung eines Bauteiles ermöglicht, das sich aus verschiedenen Materialschichten zusammensetzen kann. Die Kolben der Probenplattform und des Pulverreservoirs sind gegen die Zylinderbohrungen abgedichtet, wodurch als Ausgangsmaterialien neben Pulvern auch Schlicker und Pasten in der Anlage gesintert werden können. 3.3 Der Mikrosinterprozess Die einzelnen Schichten eines Bauteils werden durch selektives Sintern sequenziell aufgetragener Pulverschichten erzeugt. Nach dem Rakeln einer Pulverschicht werden gütegeschaltete Laserpulse über die Querschnittsfläche des Bauteiles verteilt. Die Pulsverteilung richtet sich nach der Geometrie der Querschnitte und wird so angepasst, dass innere Verspannungen innerhalb der Sinterschicht vermieden werden. Der gesamte Sinterprozess wird für die meisten Sintermaterialien unter einer reduzierten Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Durch Variation der Sinterparameter kann die Sinterdichte sowie die Rauhigkeit der horizontalen Sinteroberflächen gezielt verändert werden. Auf diese Weise können Dichtegradienten und zugleich Schwachstellen im Sintergefüge erzeugt werden um einen Körper zerstörungsfrei vom Substrat/Sockel (Bild 4) ablösen zu können. Umgekehrt können Bauteile auch fest mit dem Substrat verankert werden (Bild 5). Bild 4: Sollbruchstelle zwischen Sockel/Bauteil microsintering ein schnelles Herstellungsverfahren für metallische Präzisionsbauteile Seite 3 von 8
Bild 5: feste Verankerung des Bauteiles zum Substrat In gestützter Bauweise können Körper mit Hinterschneidungswinkeln bis einschließlich 90 generiert werden. Die hierfür notwendigen Hilfskörper werden so mürbe gesintert, dass sie nach der Fertigstellung des Bauteiles problemlos zerstört werden können, ohne das Bauteil zu beschädigen. Wird auf die Verwendung von Hilfskörpern verzichtet (Zeitersparnis) wird ein parameterabhängiger maximaler Hinterschneidungswinkel erreicht. Die Bilder 6 und 7 zeigen eine nach dem Mikrosinterverfahren hergestellte durchbrochene Halbkugelstruktur, die ohne Hilfskörper gesintert wurde. An den in Bild 9 dargestellten Quadern wurden durch Variation der Sinterparameter verschiedene Rauhigkeiten der horizontalen Sinteroberflächen erzeugt. Bild 6: gesinterter Hohlkörper Bild 7: Querschliff der in Bild 7 gesinterten Struktur Bild 8: mittlere Rauhigkeit der horizontalen Sinteroberfläche R a = 1,5 µm (Bild links); R a = 3,5 µm (Bild rechts) microsintering ein schnelles Herstellungsverfahren für metallische Präzisionsbauteile Seite 4 von 8
3.4 Formauflösung mikrogesinterter Bauteile Die Formauflösung und damit die minimale Bauteilgröße lasergesinterter Werkstücke wird im Allgemeinen durch die Dicke der Sinterschichten, dem effektiven Strahldurchmesser auf der Oberfläche der Pulverschichten, dem Sinterverhalten sowie der maximalen Korngröße des pulverförmigen Ausgangswerkstoffes begrenzt. Die bislang für kommerzielle Zwecke angebotenen SLS-Anlagen arbeiten mit Schichtdicken zwischen 20-100 µm und Laserstrahldurchmessern von 20-500 µm. Die minimal erreichbare Formauflösung der gesinterten Werkstücke lag lange Zeit im Bereich von 100 µm. Konventionelle zerspanende Verfahren sind bislang mit Formauflösungen von 20 µm daher die höher auflösenden Fertigungsverfahren gewesen. Mit dem patentierten SLS-Mikrosinter- Verfahren, einer innovativen Weiterentwicklung des allgemeinen SLS- Verfahrens, gelang eine Verbesserung der Strukturauflösung um den Faktor 3. Mikrostrukturen bzw. -bauteile können erstmals mit einer Auflösung < 30 µm, einem Aspektverhältnis > 200 sowie einer Oberflächenrauheit R a von 1,5 µm erzeugt werden. Bild 9: gesinterte Spirale aus Wolframpulver, Wandstärke: 30µm Bild 11: mikrogesinterte Doppelhelix aus Wolframpulver Korngröße: 0.3...1 µm Schichtdicke: 1 µm Bild 10: minimal möglichen Strukturauflösung des Mikrosinterverfahrens am Beispiel eines Musterkörpers Um hochpräzise Sinterbauteile jedoch herstellen zu können, werden als Ausgangsmaterialien sub-µm körnige Pulver aus den oben genannten Gründen zum Sintern benötigt. Gegenüber grobkörnigen Pulvern wird das Schüttungsverhalten nicht mehr überwiegend von der Schwerkraft beeinflusst, sondern interpartikuläre Kräfte führen zur Bildung von Agglomeraten im Pulver, die den Auftrag dünner, glatter Pulverschichten stören. Die Qualität einer gerakelten Pulverschicht hat jedoch microsintering ein schnelles Herstellungsverfahren für metallische Präzisionsbauteile Seite 5 von 8
maßgeblichen Einfluss auf das erreichbare Auflösungsvermögen im Sinterprozess. Lange Zeit war es schwierig, dünne Schichten (< 20 µm) mit diesen Pulvern zu erzeugen und anschließend mittels Laserstrahlung zu einem festen Sintergefüge zu verbinden. Mit der Entwicklung des Mikrosinterverfahrens und der dazugehörigen Anlagentechnik konnte eine Lösung gefunden werden, sub-µm körniges Pulver zum direkten selektiven Lasersintern verarbeiten zu können. 3.5 Materialien Folgende in Tab. 1 aufgeführten metallische Pulver wurden zum Mikrosintern bereits erfolgreich eingesetzt. Bislang konnte keine spezielle Beschränkung des Verfahrens auf bestimmte Materialien festgestellt werden. Zum Einsatz kommen derzeit sowohl hoch- als auch niedrigschmelzende Metalle. Es zeigte sich, dass mit Metallpulvergemischen gegenüber Einzelkomponentenpulvern höhere Sinterdichten erreicht werden können. So z.b. konnte mit einer Mischung aus 75% Kupfer- und 25% Wolframpulver eine maximale Sinterdichte von 95% erzielt werden. Sinterversuche für den Einsatz oxidischer und nicht-oxidischen Keramiken zum Mikrosintern werden zur Zeit durchgeführt. Bild 12: mikrogesinterte Pyramide aus 316L Chirugiestahl Material Korngröße Aluminium 3 µm Gold 1 µm Kupfer 1-10 µm Molybdän 7 µm Silber 2 µm Stahl 20 µm Titan 20 µm Wolfram 300 nm - 20 µm Tab. 1: verwendete Metallpulver zum Mikrosintern Bild 13: Medizinprodukt 4. Zusammenfassung und Ausblick Sintern von Präzisionsbauteilen nach dem Mikrosinter-Verfahren ist mit einer Vielzahl von Metallen, Legierungen und Metallmischungen möglich. Es werden Strukturauflösungen von 30 µm erreicht, die Aspektverhältnisse übersteigen den Wert 200 und Rauheitswerte R a von 1,5 µm sind realisierbar. In anderen Arbeiten über den Einsatz gepulster Laserstrahlung zum SLS wurde dieser Standard nicht erreicht /7, 8, 9/. Das Verfahren steht am Beginn seiner Implementierung in die industrielle Präzisionsfertigung. Es kann von einer ständig wachsenden Zahl von Einsatzmöglichkeiten ausgegangen werden, wobei das Spektrum der zukünftigen Anwendungen in seiner Breite noch nicht abzusehen ist. microsintering ein schnelles Herstellungsverfahren für metallische Präzisionsbauteile Seite 6 von 8
Bild 14: Funktionsbauteil mit Hohlraum (nicht sichtbar) und innenliegenden Kanälen Bild 15: Das Bauteil besteht aus 500 µm dicken Platten. Die Lochdurchmesser und Schlitzbreiten liegen in einem Bereich zwischen 10 100 µm. Als Sintermaterial wurde Zweikomponentenpulver (Al/W) verwendet. Bild 16: Funtkionsbauteil aus Wolfram linkes Bild: vor dem Ablösen vom Substrat rechtes Bild: Bauteil konnte problemlos vom Substrat abgebrochen werden. Die mittlere Rauhigkeit R a an der Sollbruchstelle betrug 7 µm. microsintering ein schnelles Herstellungsverfahren für metallische Präzisionsbauteile Seite 7 von 8
Die Erschließung neuer Materialien richtet sich mittelfristig auf die Gruppe der Keramikwerkstoffe und Keramik-Metall- Komposite. Mit den Möglichkeiten des letzten Entwicklungsstands der Anlage und unter Ausnutzung der besonderen Effekte des Laserregimes werden künftig spezielle Eigenschaften des Bauteilgefüges durch Material- und Strukturgradienten erzeugt. Die Weiterentwicklung der Anlage beinhaltet die stufenweise Automatisierung des Verfahrens mit allen nötigen Überwachungs- und Kontrollfunktionen. Das Lasermikrosintern wurde am Laserinstitut Mittelsachsen e.v. an der Hochschule Mittweida im Rahmen des durch das BMBF geförderten Verbundprojektes Vakuum SLS entwickelt. Eine kommerzielle SLS-Anlage, in der das patentrechtlich geschützte Mikrosinter-Verfahren zur Anwendung kommt, befindet sich zur Zeit in Bau und wird demnächst von der Firma 3D-Micromac AG unter der Produktbezeichnung microsintering kommerziell angeboten. Literatur /1/ Y. P. Kathuria: Microstructuring by selective laser sintering of metallic powder. Surface and Coatings Technology, 116-119 (1999), pp 643-647. /2/ Jimin Chen, Xubao Wang, Tiechuan Zuo: The micro fabrication using selective laser sintering micron metal powder. Proc. of SPIE Vol. 5116 (2003), pp 647-651. n 01.11.1999. /3/ P. Regenfuss, L. Hartwig, S. Klötzer, R. Ebert, H. Exner: Microparts by a Novel Modification of Selective Laser Sintering. Rapid Prototyping and Manufacturing Conference, May 12 15, 2003, Chicago (IL), published on CD. /4/ R. Ebert, P. Regenfuss, L. Hartwig, S. Klötzer, H. Exner: Process Assembly for µm-scale SLS, Reaction Sintering, and CVD. LPM 2003, 4th International Symposium on Laser Precision Microfabrication, June 21-24, 2003, Munich. /5/ H. Exner, P. Regenfuss, L. Hartwig, S. Klötzer, R. Ebert: Selective Laser Micro Sintering with a Novel Process. LPM 2003, 4th International Symposium on Laser Precision Microfabrication, June 21-24, 2003, Munich. /6/ H. Exner, P. Regenfuss, L. Hartwig, S. Klötzer, R. Ebert Microsintering of Miniature and Precise Components and Tools. Proc. of the Euro-uRapid, Frankfurt/Main, Dec.1-2, 2003. /7/ R. Ebert, H. Exner: Vorrichtung und Verwendung von Vakuum und/oder einer zusätzlichen Wärmequelle zur direkten Herstellung von Körpern im Schichtaufbau aus pulverförmigen Stoffen. Patents Pending microsintering ein schnelles Herstellungsverfahren für metallische Präzisionsbauteile Seite 8 von 8