Additive Manufacturing (AM) Technologien ermöglichen die Herstellung von geometrisch hochkomplexen Bauteilen mit erhöhter Funktionalität, die mit konventionellen Herstellungsverfahren nicht oder nur schwer realisierbar sind.

GKN Powder Metallurgy ist ein führendes internationales Technologieunternehmen mit mehr als 5000 Mitarbeitern an 27 Produktionsstandorten in 9 Ländern. GKN PM teilt sich in die Divisionen GKN Hoeganaes (Produktion von jährlich ca. 250 000 t Metallpulver) und GKN Sinter Metals (führend mit ca. 10 Mio. Sinterteilen/Tag) und der jüngsten Division GKN Additive mit Fokus auf aditiver Fertigung / 3D Druck auf.

Um eine industrielle Serienfertigung mittels AM in kostengetriebenen Industriebereichen, wie bspw. Automotive zu erreichen, setzt GKN Additive auf das Metal Binder Jetting (MBJ, siehe Bild 1a).

MBJ ist ein sinterbasiertes additives Fertigungsverfahren mit hohem Anwendungspotential für die industrielle Serienfertigung von komplexen Bauteilen (mehr als 1000 Teile/Jahr). Die MBJ-Technologie zeichnet sich durch die Applikation eines flüssigen Bindemittels durch einen Multi-Düsendruckkopf zum selektiven Verbinden von Metallpulverschichten aus (siehe Bild 1b). Der dadurch entstehende Grünkörper wird anschließend durch einen Entbinderungs- und Sinterprozess vom Bindermaterial befreit und zu relativen Dichten von über 99 % verdichtet. Das nicht verwendete Metallpulver kann anschließend für den nächsten Druck wiederverwendet werden. Im Vergleich zu etablierten metallbasierten AM-Verfahren wie dem selektiven Laserschmelzen (engl. Laser Powder Bed Fusion, (LB-PBF) bietet das MBJ deutliche Kosten- und Geschwindigkeitsvorteile. Zudem besteht die Möglichkeit schwer schweißbare Werkstoffe wie bspw. Werkzeugstähle oder Hartmetalle zu verarbeiten. 

In Bild 1c ist ein Vergleich des MBJ hinsichtlich Bauteilkomplexität und ökonomisch sinnvollen Jahresstückzahl zu Pulvermetallurgie-, Gieß- und weiteren additiven Fertigungsverfahren dargestellt. MBJ weist eine deutlich höhere ökonomisch erzielbare Jahresstückzahl als andere industriell etablierte AM-Verfahren wie Laser/Electron Beam Melting (LB & EB-PBF) auf. Im Vergleich zu konventionellen Großserienverfahren, wie dem Metallguss (Casting), und Pulvermetallurgieprozessen, wie dem Pressen & Sintern (PM), und dem Metal Injection Molding (MIM) bietet MBJ eine deutlich höhere Bauteilkomplexität und Designfreiheit. Durch diese Eigenschaftskombination wird MBJ als Schlüsseltechnologie für die industrielle AM-Serienfertigung mittlerer Stückzahlen von komplexen Bauteilen angesehen. Durch zukünftige Material- und Prozessentwicklungen, der Erarbeitung angepasster Designrichtlinien und Automatisierung sind Steigerungen hinsichtlich Jahresstückzahl, Bauteilkomplexität, Prozessrobustheit sowie eine signifikante Erweiterung der Einsatzgebiete des MBJ zu erwarten (siehe blaue Pfeile in Bild 1a).

Industriell wird MBJ für unterschiedliche Werkstoffe wie insbesondere korrosionsbeständige Edelstähle, Werkzeugstähle, Hartmetalle, Nickelbasissuperlegierungen, Kupfer und Aluminium genutzt. Die Entwicklung von neuen für die MBJ-Technologie maßgeschneiderten Werkstoffen mit hoher Sinteraktivität und für spezifische Anwendungsfälle passenden Werkstoffeigenschaften ist essenziell für die Ausweitung der Einsatzgebiete des MBJ. Als Beispiel ist der von GKN entwickelte Dual-Phasenstahl „Free Sintering Low Alloyed Steel, FSLA“ zu nennen. Durch eine nach der Sinterung erfolgende Wärmebehandlung weist dieser Werkstoff ein breit einstellbares Eigenschaftsprofil für Strukturbauteile im Automotive-Bereich auf.

Neben der passenden Werkstoffentwicklung ist die Prozessentwicklung entlang der MBJ-Prozesskette ein weiteres wichtiges Standbein für die Industrialisierung. Aus der mehrstufigen MBJ-Prozesskette resultieren eine Vielzahl von Prozessparametern, die individuell auf den verwendeten Werkstoff und das zu fertigende Bauteil abgestimmt werden müssen. Ziel einer Prozess-entwicklung für die Serienproduktion MBJ-Bauteilen ist die Einstellung einer hohen Sinterdichte in Kombination mit mechanischen Eigenschaften, Oberflächenqualitäten und Maßhaltigkeit, die innerhalb der Spezifikation liegen.

Durch kontinuierliche Werkstoff- und Prozessentwicklung entlang der MBJ-Prozesskette ist es aktuell möglich, hochkomplexe Bauteile mit Wandstärken von 500 µm bis hin zu mehreren Zentimetern herzustellen. Dabei können Rauhigkeitswerte von ca. 5 µm Ra und relative Sinterdichten von bis zu 99,5 % eingestellt werden. Dadurch können breite Anwendungsfelder ausgehend von filigranen Filtern und Gitterstrukturen über funktionsintegrierte Mediendistributionselemente hin zu Werkzeugen und Düsen adressiert werden (siehe Bild 2).

Das dritte wichtige Element für eine erfolgreiche MBJ-Serienproduktion ist die Automatisierung einzelner manueller Prozessschritte vor und nach dem eigentlichen MBJ-Prozess. Ein hohes Automatisierungspotential bieten insbesondere das Pulverhandling und Pulveraufbereitung, die Entpulverung nach dem MBJ-Prozess, die Be- und Entladung der Sinteröfen sowie die Qualitätskontrolle und Nachbearbeitung. Hierzu können beispielsweise kollaborative Roboter (Cobots) genutzt werden. Voraussetzung dazu ist die Digitalisierung und Steuerung der MBJ-Prozesskette durch das Einbinden, Auswerten und Vernetzen von Prozessdaten in Manufacturing Execution Systeme (MES) durch Nutzung digitaler Schnittstellen.

GKN Additive

Technologische Basis

• First-Mover in der sinterbasierten additiven Fertigung / Metal Binder Jetting
• Know-how entlang der gesamten Prozesskette vom Pulver bis zum Endbauteil

Innovation

• Kosteneffektive AM-Serienfertigung mit Metal Binder Jetting

Anwendungsfeld im Automobil

• E-Mobilität, Kühlkörper, Interieur und Exterieur, Mass-Costumization

Impact

• Emissionsreduktion durch leichtere und leistungsfähigere Bauteile
• Neue Designmöglichkeiten im Innen- und Außenraum
• Beschleunigen von Entwicklungszyklen

Abbildung 1: a) MBJ-Drucker bei GKN Additive. b) Grundprinzip der MBJ-Technologie. c) Eingliederung der MBJ-Technologie in weitere Fertigungsverfahren.
Abbildung 2: Aktuelle Möglichkeiten der MBJ-Technologie für die industrielle Serienproduktion. Quelle: GKN Additive