DE102023200590A1 - Ceramic powder mixture, method for producing a ceramic component and device - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft eine keramische Pulvermischung für 3D-Druck, die ein keramisches Pulver oder eine keramische Pulvermischung mit einem Sinterhilfsmittel beinhaltet.The invention relates to a ceramic powder mixture for 3D printing, which contains a ceramic powder or a ceramic powder mixture with a sintering aid.

Description

Translated fromGerman

Feinstrukturierte Keramiken wie zum Beispiel keramische Gusskerne sind integrale Bestandteile zur Herstellung von hocheffizienten Feingusskomponenten wie zum Beispiel Turbinenschaufeln. Sie bestimmen deren innere Struktur und damit insbesondere deren Kühlkonzept. Mit zunehmender Komplexität der Geometrien, die Hinterschneidungen und mehrwandige Designs beinhalten, stoßen die derzeit verwendeten konventionellen Verfahren zur Herstellung der keramischen Gusskerne oder allgemein bei feingliedrigen keramischen Bauteilen an ihre Grenzen.Finely structured ceramics such as ceramic casting cores are integral components for the production of highly efficient investment casting components such as turbine blades. They determine their internal structure and thus in particular their cooling concept. With increasing complexity of the geometries, which include undercuts and multi-wall designs, the conventional processes currently used for the production of ceramic casting cores or generally for fine-structured ceramic components are reaching their limits.

Die Verwendung von 3D Druck zur Herstellung von Gusskernen ist bekannt, sieheEP 1 400 339 A1.The use of 3D printing to produce casting cores is well known, see EP 1 400 339 A1 .

Es kann allerdings i.a. zu festigkeitsbedingten Rissen kommen, die mit einer gewissen Ausschussrate bei der Herstellung einhergehen.However, strength-related cracks can generally occur, which are associated with a certain scrap rate during production.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, oben genanntes Problem zu lösen.It is therefore an object of the invention to solve the above-mentioned problem.

Die Aufgabe gelöst wird durch eine keramische Pulvermischung, ein Verfahren gemäß Anspruch 7 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 13.The object is achieved by a ceramic powder mixture, a method according toclaim 7 and a device according toclaim 13.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig benannter kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.The subclaims list further advantageous measures which can be combined in any desired manner to achieve further advantages.

Es zeigt die Figur eine erfindungsgemäße Vorrichtung.

• Die Figur und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.

The figure shows a device according to the invention.

• The figure and the description represent only embodiments of the invention.

Aufgrund der chemischen Zusammensetzung der verwendeten Werkstoffe für keramische Bauteile, wie insbesondere für Gusskerne, insbesondere von Gusskernen für Superlegierungen, erfolgt eine Verbindung der einzelnen Pulverpartikel lediglich über das Festphasensintern nach dem „Binderjetting“ oder Freistrahl-Bindemittelauftrag und nach der Herausnahme aus einem Pulverbett.Due to the chemical composition of the materials used for ceramic components, such as casting cores, in particular casting cores for superalloys, the individual powder particles are only bonded via solid-phase sintering after “binder jetting” or free-jet binder application and after removal from a powder bed.

Typische keramische Werkstoffe sind Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid und/oder Mischungen daraus. Insbesondere werden Mischungen mit Siliziumoxid als Hauptbestandteil verwendet.Typical ceramic materials are silicon oxide, aluminum oxide, zirconium oxide and/or mixtures thereof. In particular, mixtures with silicon oxide as the main component are used.

Korngrößen dieser Pulver sind vorzugsweise kleiner 100µm und insbesondere größer 100nm.Grain sizes of these powders are preferably smaller than 100µm and especially larger than 100nm.

Einer bekannten keramischen Pulvermischung wird erfindungsgemäß ein Sinterhilfsmittel oder Feldspat hinzu gemischt und zusammen wie gewohnt mittels eines Schiebers in den Bauraum eines 3D-ruckers geschoben. In dem 3D-Drucker wird dann ein Binder an vorbestimmten Stellen und Flächen durch Aufspritzen hinzugefügt.According to the invention, a sintering aid or feldspar is mixed into a known ceramic powder mixture and pushed together as usual into the construction space of a 3D printer using a slider. In the 3D printer, a binder is then added by spraying at predetermined locations and areas.

Das Sinterhilfsmittel oder der Feldspat schmilzt bei der für das Festphasensintern eingestellten Temperatur und bildet zusätzlich einen Flüssigphasensinter-Anteil. Durch Aufschmelzen der Flüssigphasenbildner werden die Keramikpartikel neben dem üblichen Festphasensintern zusätzlich verklebt. Gegebenenfalls kann auch die Sintertemperatur reduziert werden.The sintering aid or feldspar melts at the temperature set for solid phase sintering and also forms a liquid phase sintering component. By melting the liquid phase formers, the ceramic particles are additionally bonded together in addition to the usual solid phase sintering. If necessary, the sintering temperature can also be reduced.

Ebenso möglich ist es, beim „Binder Jetting“ einen zweiten Kopf mit eigenem Tintensystem zu nutzen (Figur). Im Pulverbett wird eine bekannte keramische Pulvermischung aus dem Stand der Technik, d.h. ohne Sinterhilfsmittel, verwendet. Die zweite Tinte enthält dabei einen geringen Zusatz an niedrigschmelzenden Komponenten, wie einem Sinterhilfsmittel wie insbesondere Feldspat, und Binder oder Flüssigkeit.It is also possible to use a second head with its own ink system for "binder jetting" (figure). A known ceramic powder mixture from the state of the art, i.e. without sintering aids, is used in the powder bed. The second ink contains a small addition of low-melting components, such as a sintering aid such as feldspar in particular, and binder or liquid.

Auf diese beschriebene Art kann nicht nur in lokal begrenzten Bereichen, die geometriebedingt leichter brechen könnten, eine erhöhte Festigkeit erreicht werden.In this way, increased strength can be achieved not only in locally limited areas that could break more easily due to their geometry.

Die Figur zeigt exemplarisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1.The figure shows an example of a device 1 according to the invention.

Die Vorrichtung 1 weist in bekannter Weise einen Bauraum auf, der durch eine Plattform 4 oder ein Pulverbett 10 definiert wird.The device 1 has, in a known manner, a construction space which is defined by aplatform 4 or apowder bed 10.

Neues Pulver wird über ein Pulverschieber 16 aus einem Pulverreservoir 13 schichtweise hinzugefügt. Aus einem ersten Binderreservoir 22 wird über eine Düse 19 ein Binder an vorbestimmten Stellen und Flächen wie bekannt aus dem Stand der Technik dort so hinzugefügt, dass sich die Geometrie eines herzustellen Bauteils 7 ergibt.New powder is added layer by layer from apowder reservoir 13 via apowder slide 16. A binder is added from afirst binder reservoir 22 via anozzle 19 at predetermined locations and areas, as is known from the prior art, in such a way that the geometry of acomponent 7 to be produced is obtained.

In einem Ausführungsbeispiel kann das Pulver im Pulverbett 10 und/oder im Pulverreservoir 13 die erfindungsgemäße Mischung aus bekanntem keramischen Pulver/Pulvermischung und Feldspat oder Sinterhilfsmittel aufweisen.In one embodiment, the powder in thepowder bed 10 and/or in thepowder reservoir 13 may comprise the inventive mixture of known ceramic powder/powder mixture and feldspar or sintering aid.

In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird das Sinterhilfsmittel oder der Feldspat im Pulverbett 10 erst später oder nur über eine zweite Düse 29 schichtweise hinzugefügt und nicht aus dem Pulverreservoir 13. Dafür wird ein zweites Binder Reservoir 32 verwendet, dass neben einem Binder oder Flüssigkeit auch das Sinterhilfsmittel oder den Feldspat aufweist.In a further embodiment according to the invention, the sintering aid or the feldspar in thepowder bed 10 is only added later or only in layers via asecond nozzle 29 and not from thepowder reservoir 13. For this purpose, asecond binder reservoir 32 is used which, in addition to a binder or liquid, also contains the sintering aid or the feldspar.

Der zweite Kopf 29 kann unabhängig von der ersten Düse 19 bewegt und kontrolliert werden oder wird an das Bewegungssystem der ersten Düse 19 gekoppelt. Auf jeden Fall kann die zweite Düse 29 unabhängig von der ersten Düse 19 Binder/Pulver lokal unabhängig herausspritzen.Thesecond head 29 can be moved and controlled independently of thefirst nozzle 19 or is coupled to the movement system of thefirst nozzle 19. In any case, thesecond nozzle 29 can locally spray out binder/powder independently of thefirst nozzle 19.

Lokal bedeutet z.B. nur in einem Teilbereich des Bereichs der Schicht, dem Binder hinzugefügt wurde, aber auch in der Höhe des Bauteils, d.h. in mehreren Schichten z.B. nicht.Local means, for example, only in a part of the area of the layer to which binder was added, but also in the height of the component, i.e. not in several layers, for example.

Das Sinterhilfsmittel oder der Feldspat muss auch nicht in jeder Schicht des Pulverbetts hinzugefügt werden, wenn z.B. nur die zwei gegenüberliegenden Endbereichen des herzustellenden Bauteils 7 das Sinterhilfsmittel aufweisen sollen.The sintering aid or the feldspar does not have to be added in every layer of the powder bed if, for example, only the two opposite end regions of thecomponent 7 to be produced are to contain the sintering aid.

Die Korngröße des Sinterhilfsmittels oder des Feldspats ist deutlich kleiner (mindestens 20% kleiner) als das des keramischen Pulvers für die Gussform 7 oder des keramischen Bauteils 7 und liegt vorzugsweise bei 1µm bis 2µm.The grain size of the sintering aid or the feldspar is significantly smaller (at least 20% smaller) than that of the ceramic powder for thecasting mold 7 or theceramic component 7 and is preferably 1 µm to 2 µm.

Der Anteil des Sinterhilfsmittels bzw. von Feldspat bezogen auf die Gesamtmasse des herzustellenden Bauteils 7 liegt vorzugsweise bei 0.1Gew.% bis 5.0Gew.%, insbesondere 0.5Gew.% bis 2.0Gew.%.The proportion of the sintering aid or of feldspar based on the total mass of thecomponent 7 to be produced is preferably 0.1 wt.% to 5.0 wt.%, in particular 0.5 wt.% to 2.0 wt.%.

Wird das Sinterhilfsmittel oder der Feldspat nur lokal hinzugefügt, bezieht sich der Anteil auf das entsprechende lokale Volumen des Bauteils 7.If the sintering aid or feldspar is only added locally, the proportion refers to the corresponding local volume ofcomponent 7.

Die Kombination von Fest- und Flüssigphasenbildner durch zwei getrennte Tintensysteme während des 3D-Drucks erlaubt die Herstellung von keramischen Bauteilen wie Gusskernen mit komplexen Geometrien und großen Wanddickenunterschieden bei geringer Ausschussquote.The combination of solid and liquid phase formers using two separate ink systems during 3D printing allows the production of ceramic components such as casting cores with complex geometries and large differences in wall thickness with a low scrap rate.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• EP 1400339 A1 [0002]EP 1400339 A1 [0002]

Claims (13)

Translated fromGerman

Keramische Pulvermischung für 3D-Druck, insbesondere für Freistrahl-Bindemittelauftrag,die ein keramisches Pulver odereine keramische Pulvermischungmit einem pulvrigen Sinterhilfsmittel beinhaltet.Ceramic powder mixture for 3D printing, in particular for free jet binder application,which contains a ceramic powder ora ceramic powder mixturewith a powdery sintering aid.Pulvermischung nachAnspruch 1,die Feldspat als Sinterhilfsmittel aufweist, insbesondere für Gusskerne von Hochtemperaturwerkstoffen,insbesondere von Nickel- oder Kobaltbasierten Superlegierungen.Powder mixture according to Claim 1 which contains feldspar as a sintering aid, in particular for casting cores of high-temperature materials, in particular nickel- or cobalt-based superalloys.Pulvermischung nach einem oder beiden derAnsprüche 1 oder2, bei dem das Pulver zumindest Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid und/oder Mischungen daraus aufweist, insbesondere eine Mischung mit Siliziumoxid als Hauptbestandteil aufweist.Powder mixture according to one or both of the Claims 1 or 2 , in which the powder comprises at least silicon oxide, aluminum oxide, zirconium oxide and/or mixtures thereof, in particular a mixture with silicon oxide as the main component.Pulvermischung nach einem oder mehreren derAnsprüche 1,2 oder3, bei dem das Pulver Korngrößen kleiner 100µm und insbesondere größer 100nm aufweist.Powder mixture according to one or more of the Claims 1 , 2 or 3 , where the powder has grain sizes smaller than 100µm and especially larger than 100nm.Pulvermischung nach einem oder mehreren derAnsprüche 1,2,3 oder4,bei dem die Korngrößen des Sinterhilfsmittels oder des Feldspats mindestens 20% kleiner ist als das des keramischen Pulvers für ein herzustellendes keramische Bauteil (7),vorzugsweise bei 1µm bis 2pm liegt.Powder mixture according to one or more of the Claims 1 , 2 , 3 or 4 , in which the grain size of the sintering aid or the feldspar is at least 20% smaller than that of the ceramic powder for a ceramic component (7) to be produced, preferably 1µm to 2pm.Pulvermischung nach einem oder mehreren derAnsprüche 1,2,3,4 oder5,bei dem der Anteil des Sinterhilfsmittels oder von Feldspat bei 0.1Gew.% bis 5.0Gew.%,insbesondere bei 0.5Gew.% bis 2.0Gew.%,liegt.Powder mixture according to one or more of the Claims 1 , 2 , 3 , 4 or 5 , in which the proportion of sintering aid or feldspar is 0.1 wt.% to 5.0 wt.%, in particular 0.5 wt.% to 2.0 wt.%.Verfahrenzum Drucken eines keramischen Bauteils (7) mittels Freistrahl-Bindemittelauftrag unter Verwendung eines Sinterhilfsmittels,bei dem eine keramische Pulvermischung für ein Pulverbett verwendet wird.Methodfor printing a ceramic component (7) by means of free-jet binder application using a sintering aid,in which a ceramic powder mixture is used for a powder bed.Verfahren nachAnspruch 7, bei dem eine Pulvermischung nachAnspruch 1,2,3,4,5 oder6 für das Pulverbett (10) verwendet wird.Procedure according to Claim 7 , in which a powder mixture is Claim 1 , 2 , 3 , 4 , 5 or 6 used for the powder bed (10).Verfahren nachAnspruch 7, bei dem das Sinterhilfsmittel oder der Feldspat erst über einen zweiten Tintenkopf (29) dem Pulverbett (10) hinzugefügt wird.Procedure according to Claim 7 , in which the sintering aid or the feldspar is first added to the powder bed (10) via a second ink head (29).Verfahren nach einem oder mehreren derAnsprüche 7,8 oder9,bei dem die Korngrößen des Sinterhilfsmittels oder des Feldspats mindestens 20% kleiner ist als das des keramischen Pulvers,vorzugsweise bei 1µm bis 2µm liegt.Method according to one or more of the Claims 7 , 8th or 9 , in which the grain size of the sintering aid or the feldspar is at least 20% smaller than that of the ceramic powder, preferably 1µm to 2µm.Verfahren nach einem oder mehreren derAnsprüche 7,8,9 oder10,bei dem der Anteil des Sinterhilfsmittels oder des Feldspats bei 0.1Gew.% bis 5.0Gew.%,insbesondere bei 0.5Gew.% bis 2.0Gew.% liegt.Method according to one or more of the Claims 7 , 8th , 9 or 10 , in which the proportion of sintering aid or feldspar is 0.1 wt.% to 5.0 wt.%, in particular 0.5 wt.% to 2.0 wt.%.Verfahren nachAnspruch 7,9,10 oder11, bei dem das Sinterhilfsmittel nur lokal dem Pulverbett (10) hinzugefügt wird.Procedure according to Claim 7 , 9 , 10 or 11 in which the sintering aid is only added locally to the powder bed (10).Vorrichtung (1) zum 3D-Druck mittels Freistrahl-Bindemittelauftrag,insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nachAnspruch 7,9,10,11 oder12,die zusätzlich zu einem ersten Tintenkopf (19) für die Aufbringung von Binder auf ein Pulverbett (10) einen zweiten Tintenkopf (29) und entsprechendes Reservoir (32) aufweist,mit dem Binder und ein weiterer Pulverbestandteil, insbesondere ein Sinterhilfsmittel, aufgetragen werden kann.Device (1) for 3D printing by means of free-jet binder application, in particular for carrying out the method according to Claim 7 , 9 , 10 , 11 or 12 which, in addition to a first ink head (19) for applying binder to a powder bed (10), has a second ink head (29) and corresponding reservoir (32) with which binder and a further powder component, in particular a sintering aid, can be applied.

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