DE112022004072T5 - BINDERS FOR BINDER JETTING ADDITIVE MANUFACTURING PROCESSES - Google Patents

BINDERS FOR BINDER JETTING ADDITIVE MANUFACTURING PROCESSES Download PDF

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Mehmet Cengiz Kayacan
Burhan Duman
Koray Özsoy
Mert Gürgen
Mevlüt Yunus Kayacan
Fehmi Mutlu
Osman Saltik
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Bindemittel für die Verwendung in Binder-Jetting-Metalladditiv-Fertigungsverfahren (BJAM).Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von aus bestimmten Chemikalien gebildeten Harzen und deren Verwendung zusammen mit einem Bindemittel, das aus Chemikalien besteht, welche die rheologischen Eigenschaften wie etwa die chemischen Eigenschaften, die Viskosität und die Oberflächenspannung regulieren. Diese sind verantwortlich für das Binden von Metallpulvern in einer Art und Weise, dass das aus Metallpulvern zu bildende Formstück nicht seine Form verliert.The present invention relates to binders for use in binder jetting metal additive manufacturing (BJAM) processes.The present invention relates to the use of resins formed from certain chemicals and their use together with a binder consisting of chemicals which regulate the rheological properties such as chemical properties, viscosity and surface tension. These are responsible for binding metal powders in a way that the molded article to be formed from metal powders does not lose its shape.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft Bindemittel für die Verwendung in Binder-Jetting-Metalladditiv-Fertigungsverfahren (BJAM).The present invention relates to binders for use in binder jetting metal additive manufacturing (BJAM) processes.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von aus bestimmten Chemikalien gebildeten Harzen und deren Verwendung zusammen mit einem Bindemittel, das aus Chemikalien besteht, welche die rheologischen Eigenschaften wie etwa die chemischen Eigenschaften, die Viskosität und die Oberflächenspannung regulieren. Diese sind verantwortlich für das Binden von Metallpulvern in einer Art und Weise, dass das aus Metallpulvern zu bildende Formstück nicht seine Form verliert.The present invention relates to the use of resins formed from certain chemicals and their use together with a binder consisting of chemicals which regulate the rheological properties such as chemical properties, viscosity and surface tension. These are responsible for binding metal powders in such a way that the molded article to be formed from metal powders does not lose its shape.

Stand der TechnikState of the art

Heute wird die Binder-Jetting-Metalladditiv-Fertigung (BJAM) im Allgemeinen für Teile wie Pumpen, Turbinen, Wärmetauscher, Filtersysteme, Antriebsstränge, einige Prothesen usw. verwendet. Das BJAM-Verfahren wird in diesen Bereichen im Allgemeinen bevorzugt, da es den Bauteilen Korrosionsbeständigkeit, hohe Verschleißfestigkeit und Festigkeit verleiht. Im Vergleich zu anderen Verfahren der additiven Fertigung von Metallen ist es ein sehr viel schnelleres und kostengünstigeres Herstellungsverfahren. Das additive Fertigungsverfahren wird als schichtweise Herstellung eines Objekts definiert. Für die Herstellung der Schichten werden verschiedene Verfahren und Technologien verwendet. Bei diesem Verfahren kommen grundsätzlich zwei Rohstoffe zum Einsatz. Das erste ist ein Pulver, das zweite ist ein Bindemittel. Bei dem Verfahren wird das Bindemittel auf das Pulver in einer gewissen Schichtdicke aufgesprüht. Die Bindemittel werden aus Bindemittel-Druckköpfen (Piezoelektrische Druckköpfe etc.) versprüht. Zur teilweisen Trocknung/Aushärtung des Bindemittels werden Energiequellen wie Wärme, Licht usw. genutzt. Das Harz übernimmt die Hauptbindearbeit im Bindemittel. Der Bindemittelgehalt kann neben Harz auch andere Chemikalien enthalten. Die rheologischen Eigenschaften der Bindemittel (Viskosität, Oberflächenspannung, usw.) müssen zwischen den Betriebswerten des Druckkopfes liegen. Zusammen mit dem Harz, welches die Hauptaufgabe der Bindung übernimmt, können auch andere Chemikalien verwendet werden, während gleichzeitig die rheologischen Eigenschaften angepasst werden. Das BJAM-Verfahren ist ein neuartiges und sich entwickelndes additives Fertigungsverfahren. Es ist nur bei bestimmten Unternehmen als Marke auf dem Markt erhältlich. Darüber hinaus wurde erwähnt, dass BJAM im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren Möglichkeiten für die Massenproduktion im Automobilsektor bietet. Parameter wie Pulverauswahl, Art des Pulvermaterials, Legierungselemente, Teilchengröße und Pulvergeometrie sind wichtig für die Herstellung dichterer und festerer Proben im BJAM-Verfahren. Bei den in der BJAM-Technologie verwendeten und in der Literatur häufig vorkommenden Bindemitteln handelt es sich um Substanzen, die von vielen Handelsunternehmen in ihrer eigenen Struktur hergestellt werden. Viele Unternehmen nutzen ihre Bindemittel nur für ihre eigenen Geräte. Aus diesem Grund besteht die Notwendigkeit, Bindemittel bereitzustellen, die leicht zugänglich sind und bestimmte Möglichkeiten für diejenigen bieten, die in unserem Land Geräte herstellen und im akademischen Bereich arbeiten. Untersuchungen zeigen, dass es in unserem Land noch kein kommerzielles Gerät gibt, das dieses Verfahren (BJAM) verwendet. Die Auswahl des Bindemittels ist von entscheidender Bedeutung, um die Gesamtleistung aller bekannten Herstellungsverfahren für feste Freiformen zu verbessern. Ebenso wichtig wie die Auswahl des Bindemittels für BJAM-Verfahren ist auch, ob die Bindemittelzusammensetzung lagerstabil und sicher ist, d. h. ob sie ein Problem der Materialsicherheit darstellt oder gefährlichen Abfall erzeugt.Today, Binder Jetting Metal Additive Manufacturing (BJAM) is generally used for parts such as pumps, turbines, heat exchangers, filter systems, powertrains, some prosthetics, etc. The BJAM process is generally preferred in these fields as it provides corrosion resistance, high wear resistance and strength to the parts. It is a much faster and less expensive manufacturing process as compared to other metal additive manufacturing processes. The additive manufacturing process is defined as manufacturing an object layer by layer. Various processes and technologies are used to produce the layers. This process basically uses two raw materials. The first is a powder, the second is a binder. In the process, the binder is sprayed onto the powder in a certain layer thickness. The binders are sprayed from binder print heads (piezoelectric print heads, etc.). Energy sources such as heat, light, etc. are used to partially dry/cure the binder. The resin does the main binding work in the binder. The binder content may include other chemicals in addition to resin. The rheological properties of the binders (viscosity, surface tension, etc.) must be between the operating values of the print head. Along with the resin, which performs the main task of binding, other chemicals can also be used while adjusting the rheological properties. The BJAM process is a novel and evolving additive manufacturing process. It is only available on the market as a brand from certain companies. In addition, it was mentioned that BJAM offers opportunities for mass production in the automotive sector compared to other additive manufacturing processes. Parameters such as powder selection, type of powder material, alloying elements, particle size and powder geometry are important for producing denser and stronger samples in the BJAM process. The binders used in BJAM technology and commonly found in the literature are substances manufactured by many commercial companies in their own structure. Many companies use their binders only for their own equipment. For this reason, there is a need to provide binders that are easily accessible and offer certain opportunities for those who manufacture equipment and work in the academic field in our country. Research shows that there is still no commercial equipment using this process (BJAM) in our country. The selection of the binder is crucial to improve the overall performance of all known solid freeform manufacturing processes. As important as the selection of the binder for BJAM processes is also whether the binder composition is storage stable and safe, i.e. whether it poses a material safety issue or generates hazardous waste.

Eine Bindemittelzusammensetzung für die Pulvermetallurgie ist im Stand der Technik im Dokument mit der Nummer EP 1252952B1 beschrieben. Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung von Gütern bereit. Es offenbart ein Verfahren zur Verwendung bei der Herstellung des Bindemittels und der festen Freiform, einschließlich Metallpulver, wobei das Bindemittel wenigstens ein Kohlehydrat als aktive Bindemittelverbindung enthält. Das Kohlehydrat enthält 6 bis etwa 900 Kohlenstoffatome und kann aus einer Vielzahl von Kategorien ausgewählt werden, einschließlich der folgenden, aber nicht beschränkt auf die Folgenden: Zum Beispiel Monosaccharide und ihre Glykoside, wie etwa Aldose- und Ketosezucker, sowie Hydroxyl-, Methyl-, Acyl-, Carbonyl-, Phosphat-, Desoxy-, Amino- und andere Derivate; Disaccharide wie etwa Saccharose, Maltose, Lactose, Dextrose, Cellobiose, Gentiobiose und Trehalose; Trisaccharide wie etwa Raffinose und Hybritose; Polysaccharide, die Grundzucker enthalten; und hydrolysierte Stärken, deren Hydrolysat etwa 6-900 Kohlenstoffatome enthält, einschließlich Dextrinen wie Grenzdextrin, hydrolysierter Amylose und hydrolysiertem Amylopektin.A binder composition for powder metallurgy is described in the prior art in document number EP1252952B1 described. The invention provides a method of manufacturing goods. It discloses a method for use in manufacturing the binder and the free-form solid, including metal powder, wherein the binder contains at least one carbohydrate as the active binder compound. The carbohydrate contains from 6 to about 900 carbon atoms and can be selected from a variety of categories including, but not limited to, the following: For example, monosaccharides and their glycosides, such as aldose and ketose sugars, as well as hydroxyl, methyl, acyl, carbonyl, phosphate, deoxy, amino, and other derivatives; disaccharides such as sucrose, maltose, lactose, dextrose, cellobiose, gentiobiose, and trehalose; trisaccharides such as raffinose and hybritose; polysaccharides containing basic sugars; and hydrolyzed starches whose hydrolysate contains approximately 6-900 carbon atoms, including dextrins such as limit dextrin, hydrolyzed amylose and hydrolyzed amylopectin.

Eine Bindemittelzusammensetzung zur Verwendung im dreidimensionalen Druck ist im Stand der Technik im Dokument US5851465A beschrieben. Es wird eine Bindemittelzusammensetzung zum dreidimensionalen Drucken von Bauteilen offenbart, die während der Lagerung und beim Passieren eines Druckkopfes stabil ist, aber unter den in einem Pulverbett herrschenden Bedingungen gelieren kann. Die Bindemittelzusammensetzung umfasst kolloidales Siliciumdioxid, einen Katalysator, der die Gelierung der Zusammensetzung fördern kann, wenn die Zusammensetzung unter einem vorgegebenen pH-Wert liegt, und eine Base, die in der Lage ist, den pH-Wert der Zusammensetzung über dem vorgegebenen Wert zu halten, bei dem die Zusammensetzung geliert. Der Katalysator ist vorzugsweise Polyethylenglykol oder ein anderes von Ethylenoxid abgeleitetes Polymer und die Base ist Triethanolamin. Der pH-Wert der Bindemittelzusammensetzung wird durch Zugabe einer Säure, beispielsweise Zitronensäure, zum Pulver beim Auftreffen auf ein Pulverbett gesenkt, wodurch das Bindemittel im Pulver geliert. Das Bindemittel enthält einen Katalysator, der die Immobilisierung im Pulver steuert. Der Katalysator für das Bindemittel kann Polyethylenglykol oder ein anderes von Ethylenoxid abgeleitetes Polymer sein. Dieser Katalysator fördert die Gelierung, wenn der pH-Wert der Bindemittelzusammensetzung unter einem vorgegebenen Wert liegt, etwa 7,5 für kolloidales Siliciumdioxid. Der pH-Wert wird nach dem Drucken unter den vorgegebenen Wert abgesenkt, wodurch das Bindemittel im Pulver geliert. In der bevorzugten Ausführungsform wird der pH-Wert durch Zugabe einer Säure, vorzugsweise Zitronensäure, zum Pulver gesenkt. Der gewünschte pH-Wert kann auch durch andere Mechanismen gesenkt werden, beispielsweise durch das Aufbringen von gasförmigem CO auf das Pulver nach dem Drucken.A binder composition for use in three-dimensional printing is disclosed in the prior art in document US5851465A A binder composition for three-dimensional printing of components is disclosed which is stable during storage and when passing through a print head, but can gel under the conditions prevailing in a powder bed. The binder composition comprises colloidal silica, a catalyst capable of promoting gelation of the composition when the composition is below a predetermined pH, and a base capable of maintaining the pH of the composition above the predetermined value at which the composition gels. The catalyst is preferably polyethylene glycol or another polymer derived from ethylene oxide and the base is triethanolamine. The pH of the binder composition is lowered by adding an acid, for example citric acid, to the powder upon impact with a powder bed, causing the binder in the powder to gel. The binder contains a catalyst that controls immobilization in the powder. The catalyst for the binder can be polyethylene glycol or another polymer derived from ethylene oxide. This catalyst promotes gelation when the pH of the binder composition is below a predetermined value, such as 7.5 for colloidal silica. The pH is lowered below the predetermined value after printing, causing the binder in the powder to gel. In the preferred embodiment, the pH is lowered by adding an acid, preferably citric acid, to the powder. The desired pH can also be lowered by other mechanisms, such as applying gaseous CO to the powder after printing.

Bindemittelzusammensetzungen für Lasersinterprozesse werden im Stand der Technik im Dokument mit der Nummer US6048954 A offenbart. Beschrieben wird die Entwicklung von Polymerbindemittelzusammensetzungen, die neue Bindemittel für anorganische Hochtemperaturpartikel, insbesondere Metall- und Keramikpartikel, bereitstellen. Diese Materialien werden in einem Laserstrahlsinterverfahren namens SLS™ verwendet, wodurch insbesondere formgerechte, hochfeste Objekte entstehen. Die neuen Bindemittel können in Nachbearbeitungsverfahren ohne nennenswerte Restasche thermisch entfernt werden. Die resultierenden Strukturen bestehen ausschließlich aus metallischen, keramischen oder metallkeramischen Materialien. Die in der Erfindung beschriebenen Verfahren wurden zur Herstellung neuartiger polymerer Bindemittelmaterialien entwickelt und basieren teilweise auf der Verwendung von Emulsionsformen ausgewählter Polymere mit kontrollierten niedrigen Molekulargewichten und hohem Schmelzfluss. Ein wichtiger Aspekt der Verfahren ist die halbkontinuierliche Zugabe ausgewählter Kettenübertragungsmittel zu der reagierenden Emulsion. Dies optimiert die Beschichtungseigenschaften des Polymerbindemittels und ermöglicht, dass im SLS™-Verfahren hergestellte Prototypenbauteile eine hohe Bauteilfestigkeit erreichen.Binder compositions for laser sintering processes are described in the state of the art in document number US6048954 A. The development of polymer binder compositions is described which provide new binders for high-temperature inorganic particles, in particular metal and ceramic particles. These materials are used in a laser beam sintering process called SLS™, which in particular produces form-fitting, high-strength objects. The new binders can be thermally removed in post-processing processes without significant residual ash. The resulting structures consist exclusively of metallic, ceramic or metal-ceramic materials. The processes described in the invention were developed to produce novel polymer binder materials and are based in part on the use of emulsion forms of selected polymers with controlled low molecular weights and high melt flow. An important aspect of the processes is the semi-continuous addition of selected chain transfer agents to the reacting emulsion. This optimizes the coating properties of the polymer binder and enables prototype components manufactured using the SLS™ process to achieve high component strength.

Metall- und keramikhaltige Teile, die aus Pulver unter Verwendung von aus Salz gewonnenen Bindemitteln hergestellt werden, werden im Stand der Technik im Dokument mit der Nummer US6508980B1 beschrieben. Dazu gehört das Entfernen des geformten Teils aus dem ursprünglichen Bett, wenn das kristalline Salz mit einem reduzierten Metall oder einem Bindemittel verbunden ist, eine Hochtemperaturbehandlung zum Sintern oder Schmelzen des ausgefällten Salzes oder Metalls sowie das Aushärten. Es wird ein Bindemittelmaterial verwendet, das ein gelöstes Salz enthält. Dadurch wird die Bindung der Salzkörner untereinander erleichtert.Metal and ceramic parts made from powder using salt-derived binders are described in the prior art in document number US6508980B1 This involves removing the formed part from the original bed when the crystalline salt is bonded to a reduced metal or a binder, a high temperature treatment to sinter or melt the precipitated salt or metal, and curing. A binder material containing a dissolved salt is used. This facilitates the bonding of the salt grains to each other.

Die Bindemittelzusammensetzung für die additive Fertigung ist im Stand der Technik im Dokument US2021053113A1 beschrieben. Im Allgemeinen werden additive Fertigungsverfahren, Bindemittelzusammensetzungen für die additive Fertigung und mit additiven Fertigungsverfahren hergestellte und/oder damit verbundene Produkte beschrieben. In einigen Ausführungsformen wird eine Bindemittelzusammensetzung für die additive Fertigung von Metallgegenständen durch Binder-Jetting bereitgestellt. Die Bindemittelzusammensetzung enthält Wasser, ein Polymer mit niedrigem Molekulargewicht, das als wiederkehrende Einheit Acrylsäure enthält, ein Vernetzungsmittel und einen pH-Modifikator. Das Vernetzungsmittel umfasst ein Polyol, ein polyfunktionelles Amin und/oder ein polyfunktionelles Thiol. Auf mindestens einem Teil der ersten Metallpulverschicht wird eine Bindemittelzusammensetzung abgeschieden. Die Bindemittelzusammensetzung enthält Wasser und ein Polymer mit niedrigem Molekulargewicht, das eine wiederkehrende Acrylsäureeinheit enthält. Hierin hat die Bindemittelzusammensetzung einen pH-Wert größer oder gleich 4. Eine Bindemittelzusammensetzung für die additive Fertigung von Metallgegenständen durch Binder-Jetting enthält Wasser, ein Polymer mit niedrigem Molekulargewicht, das eine wiederkehrende Acrylsäureeinheit enthält, ein Polyol, ein Vernetzungsmittel mit einem polyfunktionellen Amin und/oder einem polyfunktionellen Thiol und einen pH-Modifikator. Dabei umfasst die Bindemittelzusammensetzung weiterhin einen Haftvermittler.The binder composition for additive manufacturing is described in the prior art in the document US2021053113A1 described. In general, additive manufacturing processes, binder compositions for additive manufacturing, and products made by and/or associated with additive manufacturing processes are described. In some embodiments, a binder composition is provided for additive manufacturing of metal articles by binder jetting. The binder composition includes water, a low molecular weight polymer containing acrylic acid as a repeating unit, a crosslinking agent, and a pH modifier. The crosslinking agent comprises a polyol, a polyfunctional amine, and/or a polyfunctional thiol. A binder composition is deposited on at least a portion of the first metal powder layer. The binder composition includes water and a low molecular weight polymer containing an acrylic acid repeating unit. Herein, the binder composition has a pH greater than or equal to 4. A binder composition for the additive manufacturing of metal objects by binder jetting contains water, a low molecular weight polymer containing a repeating acrylic acid unit, a polyol, a crosslinking agent with a polyfunctional amine and/or a polyfunctional thiol and a pH modifier. The binder composition further comprises an adhesion promoter.

Ein Klebstoff für eine additive Fertigungstechnologie, ein Materialsystem und ein Formungsverfahren des Klebstoffs sind im Dokument mit der Nummer CN114213118 A offenbart, das als Stand der Technik bekannt ist. Es stellt ein Bindemittel/Klebstoff für die additive Fertigungstechnologie bereit, der das Problem der Inkonsistenz mit anorganischen Pulvern bei der Verwendung wasserbasierter Klebstoffe für den Klebestrahldruck löst. Es dient der schnellen Herstellung von Produkten mit komplexer Struktur aus Metall, Keramik und Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen. Es kommt ein wasserbasiertes Bindemittellösungssystem zum Einsatz. Der Bindemitteltyp ist für den Jet-Druck optimiert. Phosphatester-Tenside werden zur Verbesserung der Benetzbarkeit von Lösungssystemen und Pulvern eingesetzt, da sie eine gute Affinität zur Phosphatgruppe, zu Metallen und Cermet aufweisen. Der Massenanteil des Phosphatester-Tensids beträgt vorzugsweise 1-5 % der Polymerlösung. Das phosphatbasierte Tensid ist vorzugsweise mindestens eines von Lauryletherphosphat und Kaliumlauryletherphosphat. Das wasserlösliche hochmolekulare Polymer ist vorzugsweise mindestens eines von Polyvinylalkohol und Hydroxyethylcellulose. Ein entwickeltes Bindemittel wird verwendet, um die Benetzbarkeit von Lösungssystemen und Pulvern zu verbessern.An adhesive for an additive manufacturing technology, a material system and a molding process of the adhesive are described in the document with the number CN114213118 A, which is considered to be state of the art It provides a binder/adhesive for additive manufacturing technology that solves the problem of inconsistency with inorganic powders when using water-based adhesives for adhesive jet printing. It is used for the rapid production of products with complex structure made of metal, ceramics and metal-ceramic composites. A water-based binder solution system is used. The binder type is optimized for jet printing. Phosphate ester surfactants are used to improve the wettability of solution systems and powders because they have good affinity for the phosphate group, metals and cermet. The mass fraction of the phosphate ester surfactant is preferably 1-5% of the polymer solution. The phosphate-based surfactant is preferably at least one of lauryl ether phosphate and potassium lauryl ether phosphate. The water-soluble high molecular weight polymer is preferably at least one of polyvinyl alcohol and hydroxyethyl cellulose. A developed binder is used to improve the wettability of solution systems and powders.

Nachteile im Stand der Technik, wie z. B. die spezifische Strukturierung eines jeden Bindemittels für die Produktion, die fehlende Möglichkeit zur Standardisierung und zur Entwicklung einer Rezeptur sowie die mangelnde Zugänglichkeit, machen die Durchführung einer Forschungs- und Entwicklungsstudie auf diesem Gebiet erforderlich.Disadvantages of the state of the art, such as the specific structuring of each binder for production, the lack of possibility for standardization and formulation development, and the lack of accessibility, make it necessary to conduct a research and development study in this field.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, sicherzustellen, dass das Harz im Bindemittel bis zur anfänglichen Sintertemperatur erhalten bleibt, so dass die Metallprobe während der im Binder-Jetting-Additiv-Fertigungsverfahren verwendeten Sinterphase in ihrer Form bleiben kann.The main objective of the present invention is to ensure that the resin in the binder is retained up to the initial sintering temperature so that the metal sample can maintain its shape during the sintering phase used in the binder jetting additive manufacturing process.

Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, sicherzustellen, dass das Harz im Bindemittel bis zur anfänglichen Sintertemperatur erhalten bleibt, und zwar so, dass die Haltbarkeit durch Zugabe von Glycerin, Polyethylenglykol-300 und ähnlichen Substanzen zum Harz erhöht wird.The main objective of the present invention is to ensure that the resin is retained in the binder up to the initial sintering temperature, in such a way that the durability is increased by adding glycerin, polyethylene glycol-300 and similar substances to the resin.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die rheologischen Eigenschaften der Bindemittelflüssigkeit unter Berücksichtigung der rheologischen Grenzen des Druckkopfs (Viskosität, Wert der Oberflächenspannung, pH-Wert usw.) so einzustellen, dass das Bindemittel mit Hilfe von Druckköpfen im Binder-Jetting-Additiv-Fertigungsverfahren auf das Metallpulver in der gewünschten Form gesprüht wird.The aim of the present invention is to adjust the rheological properties of the binder liquid, taking into account the rheological limits of the print head (viscosity, surface tension value, pH value, etc.), so that the binder is sprayed onto the metal powder in the desired shape by means of print heads in the binder jetting additive manufacturing process.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, sicherzustellen, dass die Benetzbarkeit des Metallpulvers (Eindringen der Flüssigkeit in das Metallpulver) bei den besten Oberflächenspannungswerten erreicht wird, indem der Druckkopf unter Bezugnahme auf die Katalogwerte unter gleichzeitiger Einstellung der Eigenschaften wie zum Beispiel Viskosität, Oberflächenspannung und pH-Wert der Bindemittelflüssigkeit eingestellt wird.Another object of the present invention is to ensure that the wettability of the metal powder (penetration of the liquid into the metal powder) is achieved at the best surface tension values by adjusting the print head with reference to the catalogue values while adjusting the properties such as viscosity, surface tension and pH of the binder liquid.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, durch Zugabe von Glycerin, Polyethylenglykol-300 und Ethylalkohol zu dem Harz, das aus Materialien wie Saccharose und Nickelnitrat besteht und das 6-20 g Bindemittel in 100 ml enthält, eine viskositäts- und oberflächenspannungserniedrigende und/oder oberflächenspannungserhöhende und/oder siedepunkterhöhende Wirkung zu erzielen,.Another object of the invention is to achieve a viscosity and surface tension lowering and/or surface tension increasing and/or boiling point increasing effect by adding glycerin, polyethylene glycol-300 and ethyl alcohol to the resin consisting of materials such as sucrose and nickel nitrate and containing 6-20 g of binder in 100 ml.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Entwicklung eines geeigneten Bindemittels für Druckköpfe bereitzustellen, indem die im Bindemittel enthaltenen Chemikalien in wasser-, alkoholbasierten und UV-härtbaren Flüssigkeitsstrukturen separat und/oder in Kombination angepasst werden.Another object of the invention is to provide the development of a suitable binder for printheads by adapting the chemicals contained in the binder in water-, alcohol-based and UV-curable liquid structures separately and/or in combination.

Die in dem Binder-Jetting-Additiv-Fertigungsverfahren eingesetzte Bindemittelzusammensetzung umfasst Folgendes:

  • - Harz, das die aus Metallpulvern geformte Probe bis zur anfänglichen Sintertemperatur in ihrer Form hält,
  • - Wasser als Trägerflüssigkeit,
  • - Ethylalkohol, der die Viskosität und Oberflächenspannung verringert,
  • - Polyethylenglykol-300, das die Viskosität und Oberflächenspannung erhöht,
  • - Triethanolamin, das den pH-Wert reguliert,
  • - Glycerin, das die Viskosität, die Oberflächenspannung und den Siedepunkt erhöht.
The binder composition used in the binder jetting additive manufacturing process includes the following:
  • - Resin that keeps the sample formed from metal powders in its shape until the initial sintering temperature,
  • - Water as carrier fluid,
  • - Ethyl alcohol, which reduces viscosity and surface tension,
  • - Polyethylene glycol-300, which increases viscosity and surface tension,
  • - Triethanolamine, which regulates the pH value,
  • - Glycerin, which increases viscosity, surface tension and boiling point.

Die Bindemittelzusammensetzung umfasst:

  • - 6 % bis 20 % Harz, in Gewichtsprozent (w/v),
  • - 15 bis 35 % Wasser, in Gewichtsprozent (w/v),
  • - 25 bis 45 % Ethylalkohol, in Gewichtsprozent (w/v),
  • - 5 bis 35 % Polyethylenglykol-300, in Gewichtsprozent (w/v),
  • - 0,5 bis 3 % Triethanolamin, in Gewichtsprozent (w/v),
  • - 3 bis 35 % Glycerin, in Gewichtsprozent (w/v).
The binder composition includes:
  • - 6% to 20% resin, in weight percent (w/v),
  • - 15 to 35% water, in weight percent (w/v),
  • - 25 to 45% ethyl alcohol, in percent by weight (w/v),
  • - 5 to 35% polyethylene glycol-300, in weight percent (w/v),
  • - 0.5 to 3% triethanolamine, in weight percent (w/v),
  • - 3 to 35% glycerin, in weight percent (w/v).

Die strukturellen und charakteristischen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende ausführliche Beschreibung unter Bezugnahme auf die darin gegebene Information klar verständlich. Daher soll die Bewertung unter Berücksichtigung dieser ausführlichen Beschreibung gemacht werden.The structural and characteristic features of the present invention will be clearly understood from the following detailed description with reference to the information given therein. Therefore, the evaluation should be made in consideration of this detailed description.

Ausführliche Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

Bei dem additiven Fertigungsverfahren handelt es sich um ein Verfahren, das die Prozessschritte in Form der schichtweisen Herstellung eines Objekts beinhaltet. Bei der Herstellung der Schichten kommen unterschiedliche Verfahren und Technologien zum Einsatz. Eines dieser Verfahren ist das Binder-Jetting-Additiv-Fertigungsverfahren (BJAM). Die Herstellungsphase der BJAM-Technologie besteht aus drei grundlegenden Schritten. Im ersten Schritt des Verfahrens wird das pulverförmige Rohmaterial mit Hilfe der Pulververteilwalze in der gewünschten Dicke auf der Bauplattform verteilt. Im zweiten Schritt wird das Bindemittelmaterial entsprechend der Schichtform des Bauteils mit Hilfe des Druckkopfes auf das Pulver aufgesprüht, so dass durch Zusammenführen der Pulverkörner Schichten entstehen. Im letzten Schritt wird das Bindemittel mithilfe eines Härters (Wärme, Licht usw.) getrocknet, um die Pulverkörner mit dem Bindemittel zu verbinden. Dadurch wird eine Schicht des Teils gebildet. Das Teil wird hergestellt, indem weitere Schichten gebildet werden, indem diese drei Schritte nacheinander wiederholt werden. Bei diesem Verfahren kommen grundsätzlich zwei Rohstoffe zum Einsatz. Der erste ist Pulver, der zweite ist Bindemittel. Bei dem Verfahren wird Bindemittel auf das in einer Schichtdicke verteilte Pulver aufgesprüht. Die Bindemittel werden aus Bindemittel-Druckköpfen (Piezoelektrische Druckköpfe usw.) gesprüht. Zur teilweisen Trocknung/Aushärtung des Bindemittels werden Energiequellen wie Wärme, Licht usw. genutzt.Additive manufacturing is a process that involves the process steps in the form of manufacturing an object layer by layer. Different processes and technologies are used to create the layers. One of these processes is Binder Jetting Additive Manufacturing (BJAM) process. The manufacturing phase of BJAM technology consists of three basic steps. In the first step of the process, the powdery raw material is spread on the build platform in the desired thickness using the powder spreading roller. In the second step, the binder material is sprayed onto the powder according to the layer shape of the part using the print head so that layers are formed by bringing the powder grains together. In the last step, the binder is dried using a hardener (heat, light, etc.) to bond the powder grains to the binder. This forms a layer of the part. The part is manufactured by forming more layers by repeating these three steps one after the other. This process basically uses two raw materials. The first is powder, the second is binder. The process involves spraying binders onto the powder, which is distributed in a layer thickness. The binders are sprayed from binder print heads (piezoelectric print heads, etc.). Energy sources such as heat, light, etc. are used to partially dry/cure the binder.

Das Bindemittel besteht aus einer die Bindungsarbeit ausführenden Chemikalie, namens Harz, sowie Chemikalien, die rheologische Eigenschaften wie die Viskosität und die Oberflächenspannung regulieren (Alkoholgruppen, Polyethylenglykolgruppen usw.). Mithilfe von Druckköpfen werden die Bindemittel in der gewünschten Form auf das Metallpulver gesprüht. Die rheologischen Eigenschaften der Bindemittelflüssigkeit werden unter Berücksichtigung der rheologischen Grenzen des Druckkopfs (Viskosität, Wert der Oberflächenspannung, pH-Wert usw.) angepasst, da es viele verschiedene Arten von Druckköpfen gibt. Mit anderen Worten ausgedrückt werden bei der Einstellung der Eigenschaften der Bindemittelflüssigkeit wie Viskosität, Oberflächenspannung und pH-Wert die Katalogwerte des Druckkopfes als Referenz herangezogen. Darüber hinaus ist der wichtigste, zu berücksichtigende Gesichtspunkt die Erfassung der Werte der Oberflächenspannung, bei denen die Benetzbarkeit des Metallpulvers (Eindringen der Flüssigkeit in das Metallpulver) am besten ist. Der Teil, der es ermöglicht, das Bindemittel in einer bestimmten Geometrie auf das Pulverrohmaterial zu sprühen, wird als Druckkopf bezeichnet. Die Softwaresteuerung und elektronische Kommunikation des Druckkopfes erfolgen über die elektronischen Steuerkarten des Geräts. Um zu verhindern, dass das zum Druckkopf gelangende Bindemittel spontan durch die Sprühkanäle fließt, wird ein pneumatisches Vakuumsystem eingesetzt.The binder consists of a chemical called resin that performs the binding work, as well as chemicals that regulate rheological properties such as viscosity and surface tension (alcohol groups, polyethylene glycol groups, etc.). The binders are sprayed onto the metal powder in the desired shape using pressure heads. The rheological properties of the binder liquid are adjusted taking into account the rheological limits of the pressure head (viscosity, surface tension value, pH, etc.), as there are many different types of pressure heads. In other words, when adjusting the properties of the binder liquid such as viscosity, surface tension and pH, the catalog values of the pressure head are used as a reference. In addition, the most important aspect to consider is to detect the surface tension values at which the wettability of the metal powder (penetration of the liquid into the metal powder) is best. The part that allows the binder to be sprayed onto the powder raw material in a specific geometry is called the pressure head. The software control and electronic communication of the print head are carried out via the electronic control boards of the device. To prevent the binder reaching the print head from spontaneously flowing through the spray channels, a pneumatic vacuum system is used.

Es gibt ein Bindemittelzuführsystem, das dafür sorgt, dass das Bindemittel im Bindemitteltank, in dem sich das Bindemittel in einem Abschnitt befindet, zum Druckkopf zusammen mit anderen Elementen zum Binden transferiert wird. Neben dem Druckkopf und den Bindemittelelementen sind Transferpumpe, Filter, Schläuche und Ventile weitere Elemente im Gerät.There is a binder feeding system that ensures that the binder in the binder tank, where the binder is located in a section, is transferred to the print head along with other elements for binding. In addition to the print head and binder elements, other elements in the machine include transfer pump, filters, hoses and valves.

Das Harz übernimmt die Hauptbindearbeit im Bindemittel. Der Bindemittelgehalt kann neben Harz auch andere Chemikalien enthalten. Die rheologischen Eigenschaften der Bindemittel (Viskosität, Oberflächenspannung usw.) müssen zwischen den Betriebswerten des Druckkopfes liegen. Zusammen mit dem Harz werden weitere Chemikalien verwendet, die die Hauptaufgabe der Bindung erfüllen und gleichzeitig die rheologischen Eigenschaften anpassen.The resin performs the main binding work in the binder. The binder content can contain other chemicals in addition to resin. The rheological properties of the binders (viscosity, surface tension, etc.) must be between the operating values of the print head. Along with the resin, other chemicals are used that perform the main task of binding and at the same time adjust the rheological properties.

Die Bindemittel, die Gegenstand der Erfindung sind, bestehen aus Harz und anderen Chemikalien, die die Hauptchemikalien für das Ausführen des Bindungsprozesses sind. Die Bindemittel werden im Binder-Jetting-Additiv-Fertigungsverfahren (BJAM) aus den Druckköpfen auf das Pulver gesprüht. Bei diesem Verfahren können mehr als ein Druckkopftyp verwendet werden. Die Betriebsbedingungen eines jeden Druckkopfes (Viskosität, Oberflächenspannung usw.) sind unterschiedlich. Die Bindemittel, die Gegenstand der Erfindung sind, müssen mit verschiedenen Chemikalien gemischt werden, damit sie mit jedem in dem Verfahren verwendeten Druckkopf funktionieren.The binders that are the subject of the invention consist of resin and other chemicals that are the main chemicals for carrying out the bonding process. The binders are sprayed onto the powder from the printheads in the Binder Jetting Additive Manufacturing (BJAM) process. More than one type of printhead can be used in this process. The operating conditions of each printhead (viscosity, surface tension, etc.) are different. The binders that are the subject of the invention must be mixed with different chemicals to work with each printhead used in the process.

Die beiden wichtigsten Betriebseigenschaften der Druckköpfe, die die Sprühfunktion beeinflussen, sind folgende: Viskosität und Oberflächenspannung. Für einen ordnungsgemäßen Betrieb der Druckköpfe müssen die Viskositäts- und Oberflächenspannungswerte der Bindemittel zwischen den Katalogwerten des Druckkopfs liegen.The two most important operating characteristics of the printheads that affect the spray function are: viscosity and surface tension. For the printheads to operate properly, the viscosity and surface tension values of the binders must be between the catalog values of the printhead.

Die Bestandteile des Bindemittels sind in Tabelle. 1 aufgeführt:

Figure DE112022004072T5_0001
The components of the binder are listed in Table 1:
Figure DE112022004072T5_0001

Die in dem Binder-Jetting-Additiv-Fertigungsverfahren eingesetzte Bindemittelzusammensetzung umfasst Folgendes:

  • - Harz, das die aus Metallpulvern geformte Probe bis zur anfänglichen Sintertemperatur in Form hält, ohne sie zu verlieren,
  • - Wasser, das als Trägerflüssigkeit verwendet wird und eine Auflösung des Harzes ermöglicht,
  • - Ethylalkohol, der die Viskosität und Oberflächenspannung verringert,
  • - Polyethylenglykol-300, das die Viskosität und Oberflächenspannung erhöht,
  • - Triethanolamin, das den pH-Wert reguliert,
  • - Glycerin, das die Viskosität, die Oberflächenspannung und den Siedepunkt erhöht.
The binder composition used in the binder jetting additive manufacturing process includes the following:
  • - Resin that keeps the sample formed from metal powders in shape up to the initial sintering temperature without losing it,
  • - Water, which is used as a carrier liquid and allows the resin to dissolve,
  • - Ethyl alcohol, which reduces viscosity and surface tension,
  • - Polyethylene glycol-300, which increases viscosity and surface tension,
  • - Triethanolamine, which regulates the pH value,
  • - Glycerin, which increases viscosity, surface tension and boiling point.

Die Bindemittelzusammensetzung umfasst:

  • - 6 % bis 20 % Harz, in Gewichtsprozent (w/v),
  • - 15 bis 35 % Wasser, in Gewichtsprozent (w/v),
  • - 25 bis 45 % Ethylalkohol, in Gewichtsprozent (w/v),
  • - 5 bis 35 % Polyethylenglykol-300, in Gewichtsprozent (w/v),
  • - 0,5 bis 3 % Triethanolamin, in Gewichtsprozent (w/v),
  • - 3 bis 35 % Glycerin, in Gewichtsprozent (w/v).
The binder composition includes:
  • - 6% to 20% resin, in weight percent (w/v),
  • - 15 to 35% water, in weight percent (w/v),
  • - 25 to 45% ethyl alcohol, in percent by weight (w/v),
  • - 5 to 35% polyethylene glycol-300, in weight percent (w/v),
  • - 0.5 to 3% triethanolamine, in weight percent (w/v),
  • - 3 to 35% glycerin, in weight percent (w/v).

Das Harz, das den Hauptbindungsprozess durchführt, wird aus Saccharose, Nickelnitrat und ähnlichen Substanzen gebildet. Das Harz muss in einer Flüssigkeit (Wasser) (Trägerflüssigkeit) gelöst werden und in einer Menge und einem Anteil vorliegen, die die erforderliche Bindungsfestigkeit erzeugen. Dies ist der erste Schritt bei der Herstellung des Bindemittels.The resin, which carries out the main binding process, is formed from sucrose, nickel nitrate and similar substances. The resin must be dissolved in a liquid (water) (carrier liquid) and be present in an amount and proportion that will produce the required bond strength. This is the first step in the manufacture of the binder.

Um die Viskosität und Oberflächenspannung des Bindemittels zu verringern, werden verschiedene Lösungsmittel auf Alkoholbasis (Ethylalkohol und ähnliche) verwendet. Manchmal werden diese Lösungsmittel auch verwendet, um das Harz (Saccharose, Nickelnitrat) im Bindemittel zu lösen.To reduce the viscosity and surface tension of the binder, various alcohol-based solvents (ethyl alcohol and similar) are used. Sometimes these solvents are also used to dissolve the resin (sucrose, nickel nitrate) in the binder.

Darüber hinaus werden verschiedene chemische Stoffe auf Basis von Glykol und Glycerin eingesetzt, um die Viskosität und Oberflächenspannung des Bindemittels einzustellen. Schließlich arbeiten die Druckköpfe ab einem bestimmten pH-Wert (normalerweise pH 4 und höher). Um dies zu erreichen, werden einige Chemikalien verwendet, die den pH-Wert regulieren (Triethanolamin und ähnliche). Triethanolamin hält den pH-Wert der Umgebung bei 4 und/oder höheren Werten und ermöglicht den Betrieb der Druckköpfe.In addition, various chemicals based on glycol and glycerin are used to adjust the viscosity and surface tension of the binder. Finally, the print heads work from a certain pH value (normally pH 4 and above). To achieve this, some chemicals that regulate the pH value are used (triethanolamine and similar). Triethanolamine maintains the pH value of the environment at 4 and/or higher values and allows the print heads to operate.

Die im Bindemittel enthaltenen Chemikalien sind nicht auf die in der Liste aufgeführten beschränkt, sondern können in verschiedenen Chemikalien mit ähnlichen Eigenschaften verwendet werden. Der hier zu berücksichtigende Punkt ist jedoch die Qualität des Druckkopfes. Es gibt im Allgemeinen drei Arten von Druckköpfen. Sie sind in Strukturen unterteilt, die wasserbasierte, alkoholbasierte und UV-härtende Flüssigkeiten (oder Tinten) einzeln oder in Kombination versprühen können. Soll ein wasserbasierter Druckkopf verwendet werden, können hier keine alkoholbasierten Chemikalien verwendet werden. Kurz gesagt, es muss ein für die Eigenschaften des zu verwendenden Druckkopfs geeignetes Bindemittel entwickelt werden.The chemicals contained in the binder are not limited to those in the list, but can be used in various chemicals with similar properties. However, the point to consider here is the quality of the print head. There are generally three types of print heads. They are divided into structures that can spray water-based, alcohol-based and UV-curing liquids (or inks) individually or in combination. If a water-based print head is to be used, alcohol-based chemicals cannot be used here. In short, a binder suitable for the characteristics of the print head to be used must be developed.

Die oben genannten Bindemittel wurden für die Verwendung im Binder-Jetting-Metalladditiv-Fertigungsverfahren entwickelt und ihre Komponenten und Typen sind nicht auf die oben angegebenen Chemikalien beschränkt.The above binders are designed for use in the binder jetting metal additive manufacturing process and their components and types are not limited to the chemicals listed above.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Claims (6)

Bindemittelzusammensetzung für das Binder-Jetting-Additiv-Fertigungsverfahren zur Anwendung in der Fertigung eines dreidimensionalen Produktes aus einem Material, dadurch gekennzeichnet, dass sie Folgendes umfasst: ein Harz, das die aus Metallpulvern geformte Probe bis zur anfänglichen Sintertemperatur in Form hält, ohne diese zu verlieren, Wasser, das als Trägerflüssigkeit verwendet wird und eine Auflösung des Harzes ermöglicht, Ethylalkohol, der die Viskosität und Oberflächenspannung verringert, Polyethylenglykol-300, das die Viskosität und Oberflächenspannung erhöht, Triethanolamin, das den pH-Wert reguliert, und Glycerin, das die Viskosität, die Oberflächenspannung und den Siedepunkt erhöht.Binder composition for the binder jetting additive manufacturing process for use in the manufacture of a three-dimensional product from a material, characterized in that it comprises: a resin which keeps the sample formed from metal powders in shape up to the initial sintering temperature without losing it, water which is used as a carrier liquid and enables dissolution of the resin, ethyl alcohol which reduces the viscosity and surface tension, polyethylene glycol-300 which increases the viscosity and surface tension, triethanolamine which regulates the pH value and glycerin which increases the viscosity, surface tension and boiling point. Bindemittelzusammensetzung für das Binder-Jetting-Additiv-Fertigungsverfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie das Folgende umfasst: Wasser mit einem Anteil von 15 bis 35 Gewichts-% (w/v) und Ethylalkohol mit einem Anteil von 25 bis 45 Gewichts-% (w/v).Binder composition for the binder jetting additive manufacturing process according to Claim 1 , characterized in that it comprises the following: water in a proportion of 15 to 35% by weight (w/v) and ethyl alcohol in a proportion of 25 to 45% by weight (w/v). Bindemittelzusammensetzung für das Binder-Jetting-Additiv-Fertigungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie das Folgende umfasst: Harz mit einem Anteil von 6 bis 20 Gewichts-% (w/v), gebildet aus Sacharose, Nickelnitrat und ähnlichen Chemikalien.Binder composition for the binder jetting additive manufacturing process according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises the following: resin in a proportion of 6 to 20 weight % (w/v) formed from sucrose, nickel nitrate and similar chemicals. Bindemittelzusammensetzung für das Binder-Jetting-Additiv-Fertigungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie das Folgende umfasst: Glycerin mit einem Anteil von 3 bis 35 Gewichts-% (w/v), welches sicherstellt, dass das zu verarbeitende Metall die Anwesenheit des Harzes bis zur anfänglichen Sintertemperatur aufrechterhält.Binder composition for the binder jetting additive manufacturing process according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises: glycerin in a proportion of 3 to 35% by weight (w/v), which ensures that the metal to be processed maintains the presence of the resin up to the initial sintering temperature. Bindemittelzusammensetzung für das Binder-Jetting-Additiv-Fertigungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie das Folgende umfasst: Polyethylenglykol-300 mit einem Anteil von 5 bis 35 Gewichts-% (w/v), welches sicherstellt, dass das zu verarbeitende Metall die Anwesenheit des Harzes bis zur anfänglichen Sintertemperatur aufrechterhält..Binder composition for the binder jetting additive manufacturing process according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises: polyethylene glycol-300 in a proportion of 5 to 35% by weight (w/v), which ensures that the metal to be processed maintains the presence of the resin up to the initial sintering temperature. Bindemittelzusammensetzung für das Binder-Jetting-Additiv-Fertigungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie das Folgende umfasst: Triethanolamin in einem Anteil von 0,5 bis 3 %, durch welches die Druckköpfe derart betrieben werden können, dass der pH-Wert der Umgebung auf 4 und/oder auf höhere Werte gehalten wird.Binder composition for the binder jetting additive manufacturing process according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises the following: triethanolamine in a proportion of 0.5 to 3%, by means of which the print heads can be operated in such a way that the pH of the environment is maintained at 4 and/or higher values.
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