Metall-3D-Druck: Eine aufkommende Chance

Folgt man dem “Geld” in der Welt des 3D-Drucks wird schnell klar, dass wir eine Zeit erleben in welcher Investoren mehr auf Metall-basierte Systeme setzen als auf jede andere Materialklasse. Allerdings gilt zu erwähnen, dass im weltweiten Materialmarkt Polymere (Thermoplaste und Photopolymere) immer noch zwei Drittel der Materialverkäufe im 3D-Druck ausmachen; ein Markt der prognostiziert ein Volumen von 3 Mrd. $ bis 2018 erreicht. Die entsprechende Frage die sich stellt ist “Was ist für den kürzlichen Anstieg von Metallen verantwortlich?“. Möglicherweise sind Metalle tatsächlich die Materialklasse, welche hauptverantwortlich für eine Investition in technische Systeme in der Luft- & Raumfahrt, Öl & Gas und dem Automobil Sektor sind. Es kann auch daran liegen, dass das Interesse durch die Tatsache verstärkt wird, dass Metalle grundsätzlich als eher einsetzbar für funktionelle Teile gesehen werden, anstatt für Prototypen und Modelle. Was auch immer die treibende Kraft hinter der Bevorzugung von Metallen ist, der 3D-Druck dieser ist ein sehr kostenintensiver Prozess. Die benötigten metallischen Pulver für die 3D-Verarbeitung sind sehr teuer, die Materialhandhabung bringt unerträgliche Gesundheits-, Sicherheits- und Umweltthematiken mit sich, die Verwendung von Lasern benötigt hochenergetische Prozesse und der Materialabfall während der Herstellung kann bis zu 80% des Rohmaterials betragen.

 

Ein möglicher Ersatz für pulverbasierte Technologien liefert die Fused Filament Fabrication (FFF). Dabei ist ein entscheidender Vorteil der FFF 3D-Drucktechnologie die Eigenschaft lediglich die Menge an Material zu verwenden, welche letztlich für die Herstellung des Bauteils benötigt wird. Zudem sind die Materialien des FFF 3D-Drucks (typischerweise Thermoplaste) günstiger als jede andere der 3D-Druck Varianten. Thermoplaste können mit einer Reihe verschiedener Materialien versehen werden, dabei werden sie einfach mit diesen in eine Compoundierung gefüllt. Metalle, Keramiken, Holz, Carbon, Glas, sowie nicht-schmelzbare Polymere wurden bereits benutzt, um Polymer-Komposite herzustellen.

Metall Polymermatritzen können inzwischen mit Spritzgussverfahren verarbeitet werden. Dabei muss im ersten Schritt das granulare Rohmaterial in Teile spritzgegossen werden (sog. Grünkörper), um dann weiter bearbeitet zu werden um die volle Festigkeit des metallischen Anteils zu erreichen. Diese Nachbearbeitung besteht typischerweise aus einem Entbindungs-Prozess (katalytisch oder nur durch Verwendung von Hitze, um den polymeren Binder vom Metall zu trennen) und einem thermischen Sinterprozess in welchem der vorliegende Braunkörper zu einem porenfreien, festen Teil verdichtet wird.

Dieser Verarbeitungsansatz, technisch auch “Metall Spritzguss” (MIM), ist ein etablierter Fertigungsprozess. Er verbindet die Vorteile der Massenherstellung und Rapid Manufacturing, welche typisch sind für Spritzguss, und ist dabei sicherer verglichen mit Metallguss oder dem Schmieden.

 

Die Vorteile in der Herstellung können noch verbessert werden, wenn die FFF 3D-Drucktechnologie verwendet wird, da hier Teile mit verhältnismäßig komplexen Geometrien zu geringeren Kosten gefertigt werden können. Die Apium Additive Technologies GmbH hat in diesem Zuge das neu entwickelte Filament Ultrafuse 316LX der BASF getestet. Dieses Material besteht aus einem polymeren Binder-Anteil mit einem ca. 80 Gew.-% rostfreien Stahl 316L Partikeln. Die FFF 3D gedruckten Grünkörper wurden in einer Nachbearbeitung zuerst durch einen katalytischen Säure Entbindungsprozess behandelt und anschließend in einem Ofen gesintert.

 

Folgende Punkte haben wir durch die Verarbeitung des 316LX Materials gelernt:

-  Durch Apiums FFF 3D-Drucktechnologie kann es einfach verarbeitet werden

-  Die mit Apiums Druckern gedruckten Grünkörper haben strukturelle Eigenschaften, welche die

   Überlebenschancen während des Entbindungs- und Sinterprozesses erhöhen

-  Die gesinterten Teile treffen die Anforderungen an die Geometrie

-  Die mechanischen Eigenschaften der gesinterten Teile sind vergleichbar mit gehärtetem 316L

    rostfreiem Stahl

-  Die Porosität der gesinterten Teile liegt im Allgemeinen bei unter 2%

 

Die Möglichkeit metallische Teile unter Verwendung von Apiums 3D-Drucktechnologie herzustellen, hat weitreichende wirtschaftliche Auswirkungen auf die Fertigung. Sie eröffnet kleinen und mittelständischen Unternehmen die Chance Prototypen und funktionelle Teile in Kleinserien zu sehr wettbewerbsfähigen Kosten zu fertigen. Apium arbeitet bereits an einem System, welches den Entbindungs- und Sinterprozess in die 3D-Drucklösung integriert.

Abbildung 1: Zugtest aus Ultrafuse 316LX als Grünkörper und gesintert

Abbildung 1: Zugtest aus Ultrafuse 316LX als Grünkörper und gesintert

Abbildung 2: gesinterte Zahnräder aus Ultrafuse 316LX

Abbildung 2: gesinterte Zahnräder aus Ultrafuse 316LX

Kontakt:
Prof. Dr. Brando Okolo brando.okolo@apiumtec.com
Philipp Renner philipp.renner@apiumtec.com