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25.03.2021 | Additive Fertigung | Im Fokus | Onlineartikel

Mit Metallfilamenten günstig zum filigranen Sinterteil

Autor:
Thomas Siebel
4:30 Min. Lesedauer

Für große Stückzahlen komplexgeformter Teile hat sich das Metallpulverspritzgießen etabliert. Für kleinere Losgrößen wird jedoch zunehmend das additive Verfahren Fused Filament Modeling mit Metall interessant.

Der Pulverspritzguss hat seine Großserientauglichkeit bewiesen. Komplexe und filigrane Bauteile aus verschiedenen Stahlsorten, Leichtmetallen oder Kupferlegierungen mit Stückzahlen von einigen 1000 bis hin zu mehreren 100.000 Teilen pro Jahr lassen sich mit dem Fertigungsverfahren wirtschaftlich produzieren, wie Fritz Klocke im Kapitel Pulverspritzguss des Buchs Fertigungsverfahren 5 schreibt. Dabei kombiniert das Verfahren das Kunststoffspritzgießen mit dem Sintern: Aus einem Granulat aus Metallpulver und einem Kunststoffbinder wird im Metallpulverspritzgießen (Metal Injection Molding, MIM) zunächst ein Grünling erzeugt, dessen Kunststoffbinder anschließend thermisch zersetzt oder chemisch entfernt wird. Die metallischen Füllstoffe verbinden sich im darauffolgenden Sinterprozess, wobei sich Dichten von über 95 % und hohe Festigkeiten einstellen. Die technischen Vorzüge des Verfahrens bestechen, allerdings sind die Kosten für die erforderlichen Anlagen und Werkzeugformen hoch.

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Fused Filament Fabrication of Metallic Components for Semi-professional and Home Use

State-of-the-art 3D-printing with metal filaments based on the Fused Filament Fabrication (FFF) process is discussed in this paper, by a literature review and own printing tests. 

Seit etwa fünf Jahren nimmt deswegen die Weiterentwicklungen eines additiven Fertigungsverfahrens an Fahrt auf, das bislang für die Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen bekannt war: Das Schmelzschichtverfahren (Fused Filament Fabrication, FFF), das je nach Quelle auch Filament Deposition Modeling (FDM) oder Fused Layer Modeling (FLM) genannt wird. Das FFF ist das meistgenutzte und eines der preisgünstigsten additiven Fertigungsverfahren. Ausgangsmaterial ist ein schmelzfähiger Draht, das sogenannte Filament, das durch eine beheizte Düse aufgeschmolzen und schichtweise auf eine Bauplattform aufgetragen wird, wie Julian Ilg im Kapitel Additive Fertigungsverfahren des Buchs Systematische Eignungsanalyse zum Einsatz additiver Fertigungsverfahren erklärt. Separate Düsen tragen zudem wasserlösliche oder thermisch instabilere Stützstrukturen auf, die nach dem Druck wieder entfernt werden.

Vorteile gegenüber MIM und additiver Fertigung mit Metall

Durch das Beimengen von Metallpulver ins Filament lassen sich mit dem gleichen additiven Verfahren jedoch auch ebenjene Grünlinge einfach und kostengünstig erzeugen, die im Metallpulverspritzguss mit hohen Werkzeuginvestitionen verbunden sind. Nach Informationen des Fraunhofer IFAM liegen typische Grünlingbauraten im Bereich von 5 bis 12 cm3/h je 1000 Euro Druckertechnik. Zudem lassen sich je nach Drucker auch Multimaterialstrukturen aus bis zu vier Werkstoffen fertigen.

Auch gegenüber anderen additiven Fertigungstechniken wie pulverbettbasierten Verfahren oder dem Laserauftragschweißen weist das FFF-Verfahren Vorteile auf. Zum einen sind die Anschaffungskosten deutlich geringer, zum anderen erzeugt der Prozess keine hohen Temperaturgradienten, die Handhabung von losem Pulver während des Drucks entfällt und innerhalb eines Bauteils können unterschiedliche, auch nicht-schweißbare Materialien aufgebracht werden, wie die Autoren um Kunal Kate im Artikel Additive manufacturing of Ti‑6Al‑4V alloy by metal fused filament fabrication schreiben.

Markt, Anforderungen und Forschungsbedarf

Dass hier ein interessanter Markt für den Bau von Prototypen und Kleinserien entsteht, haben die Hersteller von 3D-Druckern offenbar früher erkannt als die Anbieter von Filamenten. Denn während FFF-Drucker mit Entbinder- und Sintereinheit zwar bereits eingesetzt werden, ist der Markt für Metallfilamente bislang klein und unübersichtlich, wie die Autoren um Günther Poszvek in ihrem Fachbeitrag Fused Filament Fabrication of Metallic Components for Semi-professional and Home Use feststellen. Dabei sind die Anforderungen an die Filamente klar beschrieben: Sie müssen möglichst steif sein und einen Pulveranteil von über 50 % enthalten, zugleich müssen sie aber so flexibel sein, dass sie sich auf Spulen aufrollen lassen. Zudem sollten sie einen konstanten Querschnitt aufweisen, Binder und Metallpulver sollten homogen verteilt sein und die Metallpartikel sollten bestmöglich einheitlich groß sein. Durchschnittliche Partikelgrößen liegen den Autoren zufolge bei circa 18 µm. Trotz klar umrissener Werkstoffanforderungen und kommerziell verfügbarer Maschinen besteht dennoch weiterer Forschungsbedarf hinsichtlich der Materialien und der Prozessparameter.

FFF kann mit Metallpulverspritzgießen mithalten

Orientierung bieten dabei aktuelle Forschungsergebnisse des Fraunhofer IPA, das gemeinsam mit dem Unternehmen ML3D die Grenzen des FFF-Verfahrens ausgelotet hat, insbesondere in Hinblick auf das MIM-Verfahren. Dabei ziehen die Wissenschaftler folgende Schlüsse:

  • Im FFF-Verfahren produzierte Metallbauteile können ebenso groß und komplex sein wie im gleichen Verfahren hergestellte Kunststoffbauteile. Auch die Größen- und Komplexitätsgrenzen des MIM-Verfahrens sind vergleichbar.
  • Der Grünkörper schrumpft beim Entbindern und Sintern ähnlich stark wie beim MIM-Verfahren, wobei die Schrumpfung in Aufbaurichtung verfahrensbedingt höher ausfällt als in der der Bauteilfläche.
  • Die Bauteiledichte ist nach dem Sintern etwas geringer als bei MIM-Bauteilen.
  • Die Zugfestigkeit in Aufbaurichtung ist beim FFF-Verfahren geringer als beim MIM-Verfahren.
  • Bei kleinen Losgrößen lassen sich Grünkörper im FFF-Verfahren günstiger fertigen, bei großen Stückzahlen sind die Stückkosten im MIM-Verfahren geringer.

Wie sich das Verfahren anwenden lässt und welche mechanischen Kennwerte dabei erreicht werden können, zeigen die Autoren um Kunal Kate in ihrem Beitrag für die Zeitschrift Progress in Additive Manufacturing. In einer von der US-Raumfahrtorganisation Nasa beauftragten Arbeit haben Wissenschaftler Titanbauteile im FFF-Verfahren erzeugt. Die Zugfestigkeit der gesinterten FFF-Teile übertraf die typischerweise im MIM-Verfahren erreichbaren Werte um 1,7 %, die Bruchdehnung lag sogar 17,5 % höher.

Wissenschaftler des Fraunhofer IFAM in Dresden und des DLR wollen die gleiche Titanlegierung (Ti-6Al-4V) in einem aktuellen Projekt nun für Raumfahrtanwendungen qualifizieren und Simulationstools entwickeln, die den Einfluss verschiedener Schwerkraftbedingungen berücksichtigen. Das raumfahrtbezogene Projekt soll laut Institutsangaben aber nur ein erster Schritt sein, um das Metall-FFF-Verfahren mit seinem geringen Investvolumen und seiner einfachen Verarbeitung auch im Produtkionsumfeld weiter verfügbar zu machen.

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