IMTS 2022: 3D-Druck von Wolframkarbid mit Hyperion

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Auf der letzten IMTS 2022 in Chicago hatte ich die Gelegenheit, den Stand von Hyperion Materials & Technologies zu besuchen, einem globalen Materialwissenschaftsunternehmen, das über jahrzehntelange Erfahrung in der Entwicklung und Herstellung von Wolframcarbidpulver, Industriediamant, kubischem Bornitrid und anderen fortschrittlichen Materialien verfügt . Obwohl Hyperion seit Juli 2018 ein eigenständiges Unternehmen ist, entstand das in Ohio ansässige Unternehmen aus einer Fusion zwischen Diamond Innovations (ehemals GE Superabrasives) und Sandvik Hard Materials. Das Unternehmen beschäftigt mittlerweile über 1.600 Mitarbeiter auf der ganzen Welt und hat sechs erweiterte Marken erworben Zählen.

Am Hyperion-Stand wurde nichts in 3D gedruckt, da sich das Unternehmen nicht ausschließlich auf additive Fertigung (AM) konzentriert. Matthew Seymour, Global Head of Marketing von Hyperion, zeigte mir jedoch Beispiele einiger seiner Materialangebote, von großen Teilen für die Öl- und Gasindustrie bis hin zu kleinen medizinischen Komponenten. Tatsächlich stellt eines seiner Unternehmen das kleinste von der FDA zugelassene Implantat her, das zur Glaukombehandlung eingesetzt wird. Der gesamte 3D-Druck, den Hyperion anbietet, basiert auf gesintertem Wolframkarbid, das eine hohe Verschleißfestigkeit bietet und dank AM nun komplexe geometrische Merkmale erzielen kann.

Hyperion stellte auf der IMTS mehrere neue Angebote vor, darunter seine preisgekrönten Wolframcarbid-Stabrohlinge der Güteklasse AM110, die für die Bearbeitung von Superlegierungen wie Inconel entwickelt wurden. Darüber hinaus präsentierte Hyperion ein erweitertes Angebot an Produkten aus kubischem Bornitrid (CBN) und synthetischem Diamant sowie ein neues Unternehmen namens Precision Solutions by Hyperion, das direkt mit Kunden zusammenarbeitet, um fertige Präzisionskomponenten aus Hart- und Diamanten zu entwerfen und herzustellen superharte Materialien.

Wie mir Biju Varghese, Senior Vice President of Engineered Solutions und Research & Development, erklärte, besteht Hyperion aus drei großen Gruppen, wobei die Engineered Solutions „alles vom Pulver bis hin zu fertigen Komponenten“ umwandeln, oft mit sehr hohen Toleranzen .

„Wir sind ein Materialwissenschaftsunternehmen“, sagte er mir. „Wir konzentrieren uns auf das, was wir fortschrittliche Materialien nennen, im Wesentlichen Wolframcarbid, ein wenig Keramik und dann synthetische Diamanten und kubisches Bornitrid, also liegt es im oberen Bereich der fortschrittlichen Materialien.“

Fotos von Sarah Saunders für 3DPrint.com

Varghese sagte, dass der traditionelle Nicht-AM-Prozess von Hyperion mit Pulver beginnt, das abgebaut und verarbeitet wird und zu Wolframcarbid führt. Das Unternehmen nimmt das Material und stellt ein Rezept mit anderen Zutaten mit unterschiedlichen metallischen Eigenschaften her. Anschließend wird dieser durch Pressen in eine Grundform verfestigt. Nachdem die Merkmale eingearbeitet wurden, wird das Teil gesintert und erhält ein festes Ergebnis mit gepressten Merkmalen. Abschließend muss das Teil durch Techniken wie Schleifen und Polieren fertiggestellt werden.

„Wenn man das also in drei große Kategorien einteilt, geht es darum, das richtige Pulver herzustellen, denn es gibt verschiedene Hartmetallqualitäten und unterschiedliche Anwendungen dafür“, sagte er und erklärte, dass Hyperion etwa 250 verschiedene Varianten mit gezielten Anwendungen anbietet. „Die Zubereitung dieses Rezepts ist daher ein großer Kompetenzbereich für uns.“

Die nächste große Kompetenzkategorie des Unternehmens ist das Verdichten und Sintern des Körpers, um ein vollständig dichtes Teil zu erhalten, während die dritte Kategorie die Endbearbeitung ist, um sehr genaue Toleranzen und Spezifikationen einzuhalten.

3D-gedruckter Wolframkarbidstab mit Kühlmittelkanälen

Er erklärte, dass Hyperion im Hinblick auf den 3D-Druck versucht, die besten Anwendungsfallkomponenten für den Druck statt für das Pressen zu finden, denn „das Ziel ist dasselbe.“ Was wir formen wollen, ist ein Körper mit bestimmten Merkmalen.“

„Der 3D-Druck ermöglicht es uns, bestimmte Körper herzustellen, die man nicht so einfach pressen und sintern kann“, fuhr Varghese fort.

Das ist es, was wir oft über additive Verfahren hören: Sie können Merkmale, Geometrien usw. erreichen, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht möglich sind.

3D-gedrucktes Teil vor dem Sintern

Für den 3D-Druck ist es entscheidend, das richtige Pulver zu finden, und Varghese erklärte, dass man nicht einfach alte Sinterprofile verwenden könne. Aus diesem Grund hat das Unternehmen langsam seine 250 Pulverrezepte durchgesehen, um die richtigen für die AM-Entwicklung zu finden. Sobald dies erledigt ist, wird sich der Fokus mehr von den Pulvern auf den Prozess selbst verlagern.

„Wir entwickeln das jetzt seit fast drei Jahren“, sagte er. „Unser Ziel bei der Entwicklung unserer eigenen Kompetenz bestand darin, zu den Grundlagen zurückzukehren und zu entscheiden, dass wir unser eigenes Pulver entwickeln wollten, das maßgeschneidert für den 3D-Druck ist. Der 3D-Druckprozess selbst ist für uns ziemlich Standard, daher konzentrieren wir uns auf den Sinterteil, weil wir dort einige besondere Eigenschaften entwickeln können.“

Materialanalyse im Forschungs- und Entwicklungszentrum von Hyperion

Zu den Anwendungen für die harten und superharten Materialien von Hyperion, wenn auch nicht unbedingt für den 3D-Druck, gehören, wie bereits erwähnt, medizinische Implantate sowie Öl und Gas, aber auch Miniaturkomponenten für Leitsysteme, Schneidwerkzeuge für den Automobil- und Luft- und Raumfahrtsektor sowie Walzen für die Stahlindustrie, Rohre zur Herstellung von Getränkedosen aus Aluminium und mehr. Eine spezielle 3D-Druckanwendung, die Varghese erwähnte, waren Wolframkarbiddüsen, die zur Herstellung von Leiterplatten verwendet werden.

„Wir sind in der Lage, Düsen herzustellen, die 1.000 Mal pro Sekunde jeweils einen Nanoliter abgeben können“, sagte er. „Es handelt sich also um eine großvolumige, hochpräzise Anwendung, bei der all diese Düsenkomponenten hergestellt werden.“

3D-gedruckte Wolframkarbiddüsen

Varghese erläuterte etwas mehr den Hintergrund des Unternehmens, das seinen Ursprung in einem in Ohio ansässigen Diamantenunternehmen und dann in der schwedischen Firma Sandvik hatte. Im Jahr 2013 wurde Sandvik Hyperion gegründet, um sich auf fortschrittliche Materialien zu konzentrieren, und im Jahr 2018 machte sich Hyperion selbstständig, was seiner Meinung nach „ein fantastischer Schachzug“ war. Sandvik ist ein sehr großes Unternehmen, das sich auf Bergbau und Zerspanung (auch für den 3D-Druck) konzentriert, während die Mitarbeiter von Hyperion nur einen kleinen Teil der Materialseite ausmachten.

„Jetzt konzentrieren wir uns als eigenständiges Unternehmen darauf, wirklich in den Bereich der Materialien vorzudringen“, sagte er.

Hyperion verfügt mittlerweile über Werke auf der ganzen Welt, von Mexiko, Frankreich und Deutschland bis Taiwan, Barcelona und Italien. Um seine Kompetenzen auszubauen, hat das Unternehmen in den letzten anderthalb Jahren auch mehrere andere Unternehmen übernommen.

„Wir gehen sehr systematisch vor und fragen, welche Fähigkeiten wir unserem Portfolio hinzufügen müssen. Wir kaufen Unternehmen nicht einfach wahllos auf. Wir gehen sehr genau darauf ein, wie es zu unserer Strategie passt und wo wir Wachstumsmöglichkeiten sehen.“

Ich habe viele Debatten darüber gehört, ob es wichtig ist, dass AM-Pulver perfekt kugelförmig ist. Natürlich möchten Sie, dass Ihr Pulver von hoher Qualität ist, um qualitativ hochwertige Teile herzustellen. Aber wird nicht so perfektes Pulver verschwendet, wenn es recycelt werden könnte? Ich fragte Varghese nach seiner Meinung und er sagte, dass kugelförmige Pulver durchaus wichtig seien.

„Es liegt an der Geometrie und der Größe. Erstens muss es durch die Düse fließen. Bei jeder Anwendung, bei der Dinge durch eine Öffnung fließen sollen, kommt es auf die Größe und die Form an. Insgesamt ist mir also die Entwicklung des Pulvers sehr wichtig“, antwortete er. „Die andere Sache ist die Dichte jedes einzelnen Granulats.“

Er erinnerte mich an den früheren Teil unseres Gesprächs, als er erklärt hatte, dass Hyperions traditionelles Verfahren zur Herstellung von Wolframkarbid darin bestehe, das Pulver in einen Hohlraum zu geben und zu pressen. Dieses Granulat ist bereits hohl und lässt sich nach dem Zerkleinern beim Pressen viel einfacher verpacken.

Im Gegensatz dazu bleiben bei Metall-AM-Prozessen Lücken bestehen, und einige davon können durch Sintern gefüllt werden, aber er sagte, es sei „nicht genug Metall vorhanden, um alle diese Hohlräume zu füllen“. Kleinere Partikel können verwendet werden, um einige, aber nicht alle verbleibenden Räume zu füllen. Daher ist es wichtig zu bestimmen, wie die Größe und Dichte dieser kleinen Partikel zum Füllen der Lücken genutzt werden soll.

„Es ist eine schwierige Balance zwischen einem fließenden Teilchen, das dicht genug ist, um zu sintern, und einem 100 % dichten Körper. Sonst hat man Poren.“

3D-gedruckte Durchflusskontrollkomponente aus Wolframkarbid

Varghese stellte fest, dass Hyperion mehrere AM-Technologien zur Verarbeitung seines Wolframkarbids untersucht, einschließlich Binder Jetting. Er sagte, das Unternehmen werde am Ende wahrscheinlich mehr als einen Prozess nutzen, da jeder seine eigenen Vor- und Nachteile habe.

Sofern nicht anders angegeben, werden die Bilder von Hyperion bereitgestellt.

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