Die Erfindung betrifft die extrusion-basierte additive

Fertigung von Erzeugnissen und Halbzeugen aus

Metalllegierungen, z.B. aus thixotropischen

Aluminiumlegierungen und insbesondere aus den Legierungen A-356/EN AC-42100 / EN 1706 (AlSi7Mg0.3 sowie THIXALLOY 540 (AlMg5Si2Mn) .

Die additive Fertigung ist ein Verfahren, bei dem auf der Basis von 3D-Daten schichtweise ein Bauteil aufgebaut wird. Während in der Vergangenheit hauptsächlich

Pulverbettschmelzverfahren Verwendung fanden, werden

zunehmend extrusion-basierte Fertigungsmethoden genutzt, um Werkstücke aus Metall zu generieren.

So beschreibt die US 2018/0345573 Al ein extrusion-basiertes Fertigungsverfahren, auf der Basis eines 3D-Druckes, bei dem ein Metalldraht (Faden) genutzt wird, in dem dieser einem Verflüssiger zugeleitet wird, der in einer Kammer eine

Schmelze erzeugt, die über ein Extrusionsrohr schichtwiese auf eine Oberfläche eines Werkstücktisches aufgetragen wird. Ein Inertgasdruck wird genutzt, um die Schmelze aus dem Extrusionsrohr zu drücken. Für das Aufträgen ist eine

Relativbewegung zwischen dem Verflüssiger und dem

Werkstücktisch vorgesehen. Ferner soll der Werkzeugtisch beheizbar sein, um die Metallverfestigung und die

Kristallstruktur zu beeinflussen. Hervorgehoben wird die Verwendung von Wismut, von Wismut-tellurid-Komponenten sowie Aluminium, Aluminiumkomponenten und/oder

Aluminiumlegierungen . Die DE 10 2014 018 081 Al sieht eine additive Fertigung mittels Extrusion von Metall Composite in einem 3-stufigen Verfahren vor, nämlich die Fertigung eines Grünteils, das Entbinden des Grünteils und das Sintern des Grünteils. Beim Druckprozess wird hier nur der Kompositanteil plastiziert, was auf einem niedrigen Temperaturniveau erfolgt.

In der US 2018/0 318 933 Al werden amorphe Metalle

verarbeitet. Dabei kommen Ultraschallgeber zum Einsatz, um die Halterung an den Wänden der Düse zu verhindern.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Bedingungen für eine extrusion-basierte additive Fertigung von Werkstücken aus thixotropischen (teilflüssige Verarbeitung) Metalllegierungen z.B. Aluminiumlegierungen aufzuzeigen und zu optimieren.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Ansprüchen 1, 13 und 17. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der

Unteransprüche .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung für eine extrusion-basierte additive Fertigung von Erzeugnissen aus einer thixotropischen Metalllegierung mit einem Zubringer für das Ausgangsmaterial, wobei das Ausgangsmaterial stabförmig ausgebildet ist und eine verarbeitungsfertige globulitische Struktur aufweist, mit einem männlichen und einem weiblichen Ende, so dass die Stäbe nacheinander zu einer Stange zusammenfügbar sind, indem das männliche Ende in das weibliche Ende eingreift und die zusammengefügten Stäbe durch einen Kanal zu einem beheizbaren Düsenkanal einer Düse verschiebbar angeordnet sind, in dem die zusammengeführten Stäbe durch eine vortrieberzeugende Einrichtung, die in entsprechende Ausnehmungen der

zusammengeführten Stäbe eingreifen, in den Kanal gedrückt werden, so dass sie gleichzeitig als Kolben für die Extrusion des hergestellten halbfesten Materials dienen, mit einer Vorwärmeinrichtung durch eine Induktionsspule einschließlich einer Kappe zur Feldkonzentration, die den Kanal umschließen, mit einem Erhitzer in Form einer Widerstandsheizung zur

Erzeugung des halbfesten Verarbeitungszustandes des

vorgewärmten Ausgangsmaterials, der ebenfalls den Kanal umschließt, und deren Heizfläche klein gehalten ist, um

Ausgangsmaterialalterungen in Form der Vergrößerung der

Globuliten im Metallgefüge zu minimieren, mit einem

Nacherhitzer im Bereich der Düse und mit einem verstellbaren Werkstücktisch für das schichtweise aufzubauende Erzeugnis.

Mit dieser Anordnung lässt sich das notwendige Verhältnis von flüssigen und festen Material für die extrusion-basierte additive Fertigung optimal einstellen und bis zum

schichtweisen Auftrag halten.

Die vortrieberzeugende Einrichtung in Form eines

Zahnradförderers oder eines Schneckenförderers, greift in entsprechende Ausnehmungen der zusammengefügten Stäbe ein, wobei die Ausnehmungen vorteilhafterweise die einer

Zahnstange oder eines Gewindestabes sind. Nur durch derartige Förderer sind die benötigten Pressdrücke von um die 200 N/cm ² bei A356/AlSi7Mg realisierbar. Besonders hoch müssen die Startkräfte sein.

Bei einem Vorschub mit einem Schneckenförderer ist es

vorteilhaft, wenn die zusammengefügten Stäbe eine Führungsnut enthalten und der Kanal eine mit der Führungsnut

zusammenwirkende Führung aufweist, die die Stäbe am Wegdrehen beim Vortrieb als Kolben hindert.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Vorrichtung sind die Vorwärmeeinrichtung, der Erhitzer, die Düse mit dem Düsenkanal und der Werkstücktisch in einem mit Inertgas befüllbaren Gehäuse angeordnet.

Dadurch wird sichergestellt, dass eine Teilschmelze

stattfinden kann, ohne dass die Gefahr einer Kontamination durch reaktive, in der Luft vorkommende Gase, wie z. B.

Sauerstoff und Kohlendioxid, besteht.

Als Erhitzer ist bei einer bewährten Ausführung ein

Mehrkreis-Widerstand-Erhitzer eingesetzt, um die

Metalllegierung in einen genauen teilflüssigen Zustand zu bringen und zu halten. Die Arbeitstemperatur beträgt um

600 °C .

Dabei wird die Heizfläche bewusst klein gehalten, um

Alterungen des Ausgangsmaterials in Form der Vergröberung der Globuliten im Metallgefüge zu minimieren.

Ferner sieht eine Weiterbildung vor, dass im Bereich der Düse ein Ultraschallerzeuger zur Aufrechterhaltung der

gleichmäßigen Verteilung der festen (Globuliten) und

flüssigen Materialbestandteile und/oder zu Reinigungszwecken angeordnet ist.

Einer Entmischung zwischen den festen und flüssigen Anteilen wird so entgegengewirkt. Das ist besonders in der Start- Stopphase bzw. bei Extrusions-Geschwindigkeitsänderungen notwendig .

Zum Nacherhitzen des Extrusionsmaterials und/oder zum

Vorwärmen der bereits abgelegten Materiallagen werden

ebenfalls eine Induktionsspule oder auch ein Laser

eingesetzt . Der Kanal ist im Bereich der Induktionsspule zum Vorwärmen durch eine Hülse aus Glas oder Keramik gebildet. Das hat den Vorteil, dass das elektromagnetische Feld nahezu ungehindert die Stäbe erhitzen kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Düsenkanal· eine keramische Antihaftbeschichtung z.B. eine Bornitridbeschichtung aufweist, um ein Verkleben zu

verhindern bzw. die notwendige Vorschubkraft etwas geringer zu halten.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht eine Zeitsteuerung vor, die so einstellbar ist, dass beim Entstehen größer werdender Globuliten, die zum

Verstopfen der Düse führen können, in dem Abfall extrudiert wird. Deshalb ist ein Abfallsammler auf dem Werkstücktisch angeordnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren für eine extrusion-basierte additive Fertigung von Erzeugnissen aus einer thixotropischen Metalllegierung, bei dem ein zugeführtes Ausgangsmaterial in einen halbfesten Verarbeitungszustand durch Erwärmung gebracht, durch eine Düse extrudiert und schichtweise auf ein aufzubauendes Erzeugnis aufgebracht wird, greift den Gedanken der Verwendung des Ausgangsmaterials als Extrusionskolben auf, in dem das noch nicht verflüssigte Ausgangsmaterial ein verarbeitungsfertiges Gefüge mit globulitischer Struktur aufweist, stabförmig ausgebildet ist, mit einem männlichen und einem weiblichen Ende, so dass die Stäbe nacheinander zu einer Stange zusam enfügbar sind, indem das männliche Ende in das weibliche Ende eingreift und die Stange als Kolben für das Extrudieren genutzt wird, indem in dieses

Ausgangsmaterial eine Vorschubkraft eingeleitet wird, wobei zum Erwärmen eine Vorwärmeinrichtung und ein Erhitzer in Form einer Widerstandsheizung eingesetzt werden, wobei die

Heizfläche der Widerstandsheizung so klein gehalten wird, dass Ausgangsmaterialalterungen in Form der Vergrößerung der Globuliten minimiert werden.

Damit das verarbeitungsfähige Gefüge erhalten bleibt, sieht der Zubringer für das Ausgangsmaterial in einer Vorrichtung zur extrusion-basierten Fertigung von Erzeugnissen aus einer thixotropen Metalllegierung, mit einem Magazin für

wechselbares stabförmiges Ausgangsmaterial und mit einem Führungskanal für das stabförmige Ausgangsmaterial zu einem Kanal, in dem das Ausgangsmaterial für die Extrusion

aufbereitet wird, wobei das stabförmige Ausgangsmaterial eingangsseitig in den Kanal zu einer Stange verbindbar ist, indem ein männliches Ende eines Stabes jeweils in ein weibliches Ende des vorangegangenen Stabes eingreift, vor, dass das Magazin und der Führungskanal für das

Ausgangsmaterial vom Magazin zum Kanal für die Extrusion mit einem Schutzgas gefüllt sind.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 die vollständige Vorrichtung,

Fig. 2 die Aufbereitung des Materials und

Fig. 3 einen Zubringer.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung für eine extrusion-basierte additive Fertigung von Erzeugnissen aus einer Metalllegierung, vorzugsweise aus thixotropischen Aluminiumlegierungen und insbesondere aus den Legierungen A-356/EN AC-42100 / EN 1706 (AlSi7Mg0.3 sowie THIXALLOY 540 (AlMg5Si2Mn) . Die Vorrichtung weist einen Zubringer 2 für das

Ausgangsmaterial auf, der außerhalb des Gehäuses 1 angeordnet ist. Das Ausgangsmaterial ist stabförmig 3 ausgebildet, mit einem männlichen und einem weiblichen Ende 4, 5, so dass die Stäbe 3 nacheinander zu einer Stange zusam enfügbar sind. Die zusammengefügten Stäbe 3 werden durch einen Kanal 6 zu einem beheizbaren Düsenkanal 12 einer Düse 11 verschoben und hier im teilflüssigen Zustand auf einem verstellbaren

Werkstücktisch 15 zum schichtweisen Aufbau eines Erzeugnisses genutzt .

Mit der Übergabe der Stäbe 3 in den Kanal 6 befinden sie sich zusammen mit den weiteren Ausrüstungen in einem gehausten Raum, dem Gehäuse 1, das mit einem Inertgas gefüllt ist, damit bei der stattfindenden Teilschmelze die Gefahr einer Kontamination durch reaktive, in der Luft vorkommende Gase, wie z. B. Sauerstoff und Kohlendioxid, ausgeschlossen ist.

Der ebenfalls im Gehäuse 1 angeordnete Werkstücktisch 15 ist in den Koordinaten x, y und z durch eine Verstelleinrichtung 16 bewegbar. Das ist wegen der umfänglichen apparativen

Ausrüstungen rund um den Kanal 6 und den Anschluss an den Zubringer 2 vorteilhafter als diese Ausrüstungen zu bewegen.

Ferner wird gezeigt, dass der Werkstücktisch 15 über einen Abfallsammler 17 verfügt, der gealtertes Ausgangsmaterial bzw. vergröbertes Ausgangsmaterial (z.B. Globuliten größer als 1/8 der Düsenausgangsöffnung) aufnimmt .

Fig . 2 zeigt die Ausrüstungen zur Aufbereitung der

Teilschmelze bis zu deren Ausbringung aus der Düse 11.

Die zusammengefügten Stäbe 3, die eine verarbeitungsfertige globulitische Struktur aufweisen, vorzugsweise mit einer durchschnittliche Korngröße < 100 mpi, werden durch eine vortrieberzeugende Einrichtung 20 in den Kanal 6 gedrückt, so dass sie gleichzeitig als Kolben für die Extrusion des erzeugten halbfesten auszubringenden Materials dienen.

Als vortrieberzeugende Einrichtung 20 sind Zahnradförderer oder Schneckenförderer eingesetzt, die in entsprechende Ausnehmungen der zusammengefügten Stäbe 3 eingreifen, vergleichbar mit einer Zahnstange oder einem Gewindestab.

Bei einem Schneckenförderer weisen die zusammengefügten Stäbe 3 eine Führungsnut auf und der Kanal 6 eine mit der

Führungsnut zusammenwirkende Führung, so dass die Stäbe 3 in einer Position für das Zusammenfügen gehalten und/oder ein Wegdrehen der Stäbe 3 beim Vortrieb als Kolben verhindert werden .

Auf dem Weg zum Düsenkanal 12 durchlaufen die

zusammengefügten Stäbe 3 nacheinander folgende

Verarbeitungseinrichtungen : eine Vorwärmeinrichtung mit einer Induktionsspule 8 und mit einer Kappe zur Feldkonzentration 7,

einen Erhitzer 10 zur Erzeugung des halbfesten

Verarbeitungszustandes des vorgewärmten

Ausgangsmaterials und

einen Nacherhitzer 13 im Bereich der Düse 11.

Die Induktionsspule 8, die Kappe zur Feldkonzentration 7 und der Erhitzer 10 ummanteln dabei den Kanal 6, der im Bereich der Induktionsspule 8 zum Vorwärmen durch eine Hülse 9 aus Glas oder Keramik gebildet ist.

Der Erhitzer 10 ist bevorzugt ein Mehrkreis-Widerstand- Erhitzer, um die Metalllegierung in einem genauen teilflüssigen Zustand zu bringen und zu halten. Dadurch, dass die Heizfläche klein gehalten wird, lassen sich

Ausgangsmaterialalterungen in Form der Vergröberung der Globuliten im Metallgefüge minimieren.

Zum Nacherhitzen des Extrusionsmaterials und/oder zum

Vorwärmen der bereits abgelegten Materiallagen ist ein Laser oder ebenfalls eine Induktionsspule eingesetzt.

Die Bildung von groben Globuliten und damit einhergehend die Bildung von kristallinen Dentriten führt dazu, dass das Material nicht mehr extrudiert werden kann, da sich eine Entmischung einstellt, Verstopfungen auftreten bzw. die

Viskosität sich stark ändert.

Dem wirkt die benannte zweistufige Heizung entgegen, wie auch der im Bereich der Düse 11 angeordnete Ultraschallerzeuger 14. Letzterer fördert die Aufrechterhaltung der gleichmäßigen Verteilung der festen (Globuliten) und flüssigen

Materialbestandteile und/oder übernimmt auch

Reinigungsfunktionen.

Der Düsenkanal 12 weist eine keramische Antihaftbeschichtung (z.B. eine Bornitridbeschichtung) auf.

Fig. 3 zeigt den Zubringer 2 für das stabförmige 3

Ausgangsmaterial. Der Zubringer 2 für das Ausgangsmaterial umfasst das Magazin 18 für wechselbares stabförmiges 3

Ausgangsmaterial und einen Führungskanal 19 für das

stabförmige 3 Ausgangsmaterial zum Kanal 6, in dem das

Ausgangsmaterial für die Extrusion aufbereitet wird.

Das stabförmige 3 Ausgangsmaterial ist eingangsseitig in den Kanal 6 zu einer Stange verbindbar, in dem ein männliches Ende 4 eines Stabes 3 jeweils in ein weibliches Ende 5 des vorangegangenen Stabes 3 eingreift. Angesteuerte

Freigabestifte 21 sorgen dafür, dass die nachfolgende Stange 3 erst aus dem Führungskanal austritt, wenn die

vorangegangene Stange 3 sich in der Verbindungsposition befindet .

Das stabförmige Ausgangsmaterial wird vorzugsweise waagerecht in das Magazin 18 eingelegt und erfährt im Führungskanal 19 eine Drehung um eine Senkrechte zur Stangenlängsachse, so dass das stabförmige Ausgangsmaterial dann senkrecht in den Kanal 6 gleitet. Diese Anordnung hat den Vorteil gegenüber einer senkrechten Magazinierung, dass die Schwerkraft für den Vorschub der Stäbe benutzt wird bzw. die Magazine einfach im Betrieb ausgetauscht werden können.

Das Magazin 18 und der Führungskanal 19 sind mit einem

Schutzgas gefüllt, um die verarbeitungsfertige globulitische Gefügestruktur der Stangen 3 nicht zu verändern.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse

2 Zubringer

3 stabförmiges Ausgangsmaterial

4 männliches Ende der Stäbe

5 weibliches Ende der Stäbe

6 Kanal

7 Kappen zur Feldkonzentration

8 Induktionsspule zum Vorwärmen

9 Hülse aus Glas oder Keramik

10 Erhitzer

11 Düse

12 Düsenkanal·

13 Nacherhitzer

14 Ultraschallerzeuger

15 Werkstücktisch

16 Verstelleinrichtung für den Werkzeugtisch

17 Abfallsammler

18 Magazin

19 Führungskanal

20 vortrieberzeugende Einrichtung

21 Freigabestifte