3D printing of hardmetal bodies by FFF (fused filament printing)

Abstract

Durch die Nachfrage nach komplex geformten Bauteilen in Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem Gesundheitssektor und vielen weiteren Bereichen, hat die additive Fertigung (AM) in den letzten Jahren einen starken Aufschwung erlebt. AM wurde in letzter Zeit auch für die Hartmetallindustrie interessant, da die Produktion von bisher nicht realisierbaren Geometrien (innen verlaufende Kühlkanäle) möglich wurde und der Materialverlust auf einem Minimum gehalten wird, was insbesondere bei teurem W von Vorteil ist. Ausgehend von vorangegangener Forschung [1] wurden Hartmetallbauteile (WC 10Co) in einem mehrstufigen fused filament fabrication (FFF) Prozess hergestellt. Kommerzielles ready-to-press (RTP) Hartmetallpulver, welches ein Paraffinwachs enthielt, wurde mit einem orgnischen Bindersystem vermischt, das aus einem thermoplastischen Elastomer und einem Polypropylen bestand, um ein flexibles Filament zu erzeugen. Der Weg vom Filament zum fertigen Bauteil ist ein shaping-debinding-sintering (SDS) Prozess, in welchem das Filament zunächst auf einem preiswerten 3D-Drucker (Wanhao Duplicator i3 Plus) verarbeitet wurde. Basierend auf einer CAD-Datei extrudierte der Druckkopf die gewünschte Geometrie Schicht für Schicht auf das Druckbett, bis das gewünschte Bauteil fertiggestellt wurde. Der Grünkörper durchlief anschließend ein zweistufiges Entbinderungsprogramm. Zunächst wurden Wachs und Elastomer für 48 Stunden bei ca. 65°C in Cyclohexan gelöst. Anschließend wurden die restlichen organischen Komponenten in einem Rohrofen entfernt. Es wurden unterschiedliche Maximaltemperaturen und Entbinderungsatmosphären untersucht, da nicht nur dichte Körper erhalten werden sollten, sondern auch die korrekte C-Einstellung durch das entsprechende Entbinderungsprogramm wichtig war, da ein gedrucktes Bauteil durch die Zugabe des organischen Binders anfangs ein höheres C-Potenzial aufweist als eine konventionell gepresste Probe, die maximal das Presshilfsmittel enthält. Die Sinterung nach der thermischen Entbinderung erfolgte in einem Induktionsofen unter Vakuum. Am Anfang der Analyse wurden der Masseverlust, die Dichte, die magnetische Sättigung und die Koerzitivfeldstärke der gesinterten Proben gemessen. Nach der metallographischen Präparation wurde die Porösität der Proben mit einem Digitalmikroskop untersucht. Im Zuge dieser Arbeit wurde keine vollständig dichte Probe hergestellt. Es wurde gezeigt, dass die vom Druckprozess stammenden Kavitäten nicht durch nachträgliche Verdichtungsschritte am Grünkörper beseitigt werden können, da es sich um offene Porösität handelte. Dadurch konnten in weiterer Folge die Ergebnisse der Dichtemessung nach Archimedes ebenfalls nicht als richtig angesehen werden. Die Druckparameter wurden variiert, um die Kavitäten zu minimieren, jedoch leider erfolglos. Derselbe Parametersatz konnte nicht auf zwei Objekte unterschiedlicher Geometrie angewandt werden. Die Oberflächenqualtät der hergestellten Proben war zufriedenstellend. Es wurde festgestellt, dass unterschiedliches RTP Wachs zu unterschiedlichen Oberflächengüten führt. Es wurde gezeigt, dass ein thermisches Entbinderungsprogramm erst entwickelt werden kann, sobald dichte Proben hergestellt wurden, da ein Parametersatz (z.B H2, 600°C) einen unterschiedlich starken Einfluss auf Proben mit unterschiedlich stark ausgeprägten Kavitäten hat, welche aufgrund dessen eine unterschiedliche innere Oberfläche aufweisen und dadurch unterschiedliche Reaktivität zeigen. Da die limitierende Komponente während der Arbeit der Formgebungsschritt war, sollten weitere Untersuchungen auf einem Drucker höherer Qualität unternommen werden. Da das RTP Wachs einen Einfluss auf die Oberflächengüte der Bauteile hat, ist der Gedanke, jedes kommerziell verfügbare RTP Pulver durch FFF zu verarbeiten, schwierig in die Tat umzusetzen.

Additive manufacturing (AM) of structural parts has gained an unprecedented boost through the demand of complex or individually shaped parts in aeronautics, the automotive industry, the health sector, or the luxury/sports sector, to name a selected few. AM is intriguing for hardmetals as well, as it allows to produce parts almost without geometrical limitations (inner cooling channels for machining tools, which are impossible to press) and without significant material waste, which is especially important for expensive metal powders such as W. Based on previous research [1], hardmetal (WC-10Co) parts were produced in a multi-step AM process based on fused filament fabrication (FFF). Commercially available ready-to-press (RTP) hardmetal powder containing paraffin-based pressing aid, was mixed with an organic binder consisting of a thermoplastic elastomer and a functionalized polypropylene to produce a flexible filament. The route from the filament to the structural part is a shaping-debinding-sintering (SDS) process, in which the filament was extruded on a commercially available low-cost 3D-printer (Wanhao Duplicator i3 Plus). The printer created the desired object layer by layer based on the CAD file which was supplied beforehand. After the green body was built, the object underwent a two-step debinding procedure. First, the wax and the elastomer were removed in a solvent debinding step in cyclohexane for 48 h at approximately 65°C. Afterwards the residual organic components were removed during a thermal debinding step in a tube furnace. Different atmospheres and temperature profiles were investigated, as the goal was not only to produce fully dense parts, but to reach the C window of hardmetals and thus a two-phased specimen. A printed green body naturally has a higher C content than a conventionally pressed sample, as a lot of organic material is added to the hardmetal powder through the binder. In addition to removing all organic components, the correct C level must be reached through the thermal debinding step, which was aspired by temperature and atmosphere variation. After thermal debinding the sample was vacuum sintered in an induction oven. The sintered sample’s mass loss, magnetic saturation, coercive force as well as the density were measured. After metallographic preparation, the sample’s porosity was investigated using a digital microscope. During this thesis no dense specimen was achieved. The experiments showed that the cavities resulting from the printing step can not be removed by post-densification experiments such as cold or hot isostatic pressing. The post-densification experiments revealed that the cavities are connected meaning the samples show open porosity which voids the results of the density measurement by the Archimedes method .The printing parameters were varied in order to minimise or eliminate the cavities without success. The same set of parameters could not be applied to objects of different geometries. Regardless of the cavities, satisfactory results regarding the surface quality were achieved. Two filaments containing different RTP powder, but the same organic binder showed different surface quality as one filament yielded high-quality surfaces while the other filament led to the formation of blobs due to filament curling and over-extrusion at the surface. It was concluded that a thermal debinding program can not be developed without dense bodies, as the same set of debinding conditions (e.g. H2, 600°C) removes a different amount of C depending on a sample’s level of cavitation as the inner surface and the reactivity rises for porous samples. Further experiments should be conducted using a printer of higher quality as the limiting step during this thesis was certainly the shaping step. As the wax impacts the printing quality the idea of implementing any commercially available RTP powder into a printable filament is hardly realisable.