Wie man Ganzmetallteile mit FDM-3D-Druck erhält

Bild 1: Mock-up aus Filamet™ High Carbon und Sinterstahl. Quelle: The Virtual Foundry

The Virtual Foundry ist ein amerikanisches Unternehmen mit Sitz in Wisconsin, das von großen Experten im Bereich geschmolzenes Metall gegründet wurde, die seit 2014 ständig daran arbeiten, ihr Angebot an Filamenten und Zubehör für den Metall-FDM-3D-Druck zu verbessern und zu erweitern. In den Anfängen gelang es ihnen, Fäden mit hohen Anteilen an Messing, Kupfer oder Bronze herzustellen, deren Struktur nach dem Sintern jedoch nicht die Eigenschaften von Metallen aufwies. Durch eine Kickstarter-Kampagne erhielt The Virtual Foundry genug Unterstützung, um ihre Filamente so weiterzuentwickeln, dass sie die gleichen Eigenschaften wie reines Metall erreichen, und erweiterte ihre Materialpalette (316L-Edelstahl, kohlenstoffreicher Stahl, 6061-Aluminium und Wolfram). Alle Filamet™-Typen bestehen aus einem Grundmetall und einem biologisch abbaubaren und umweltfreundlichen Polymer (PLA). Dieses Material ist frei von freiliegenden Metallpartikeln und flüchtigen Lösungsmitteln, die beim Drucken freigesetzt werden können. Diese Materialien sind extrem einfach zu drucken, da ihre Druckeigenschaften denen von PLA ähneln. So kann jeder Benutzer eines FDM-3D-Druckers Teile mit diesen Filamenten herstellen, ohne dass er teure industrielle FDM-3D-Drucker aus Metall kaufen muss. Einer der Hauptvorteile der Filamet™-Materialien besteht darin, dass sie ähnliche Eigenschaften erreichen wie die, die mit der DMLS-Technologie möglich sind, allerdings mit gewissen Einschränkungen. Da die mit diesem Filament gedruckten Teile gesintert werden müssen, wobei das PLA entfernt wird, weisen die Teile Porosität, Volumenverlust und Nicht-Isotropie auf. DMLS-3D-Drucker können komplett massive Teile (ähnlich wie beim Gießen) drucken, mit großer Detailgenauigkeit, Schichthöhen von 0,02 mm und ohne die Notwendigkeit einer Nachbearbeitung. Der einzige Nachteil gegenüber dem Filamet™ FDM-3D-Druck sind die Kosten für: Material, Herstellung und die Drucker selbst.

Bild 2: Kegel aus Filamet™ ungesinterter und gesinterter Bronze. Quelle: The Virtual Foundry

Um das gedruckte Stück vollständig metallisch zu machen, muss es in einem Ofen gesintert werden. Sintern ist ein Verfahren zur Herstellung fester Teile, ausgehend von einem Objekt, das aus verdichtetem Metallpulver besteht, auf das eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur angewendet wird, die niedriger als die Schmelztemperatur ist, aber hoch genug, um die Metallteilchen auf beständige Weise zu binden, so dass ein vollständig fester Block entsteht. Nach dem Drucken mit Filamet™ müssen die Teile gesintert werden, um das PLA zu entfernen, das Teil des Filaments ist. Das Sintern kann in einem Ofen mit offener Umgebung oder in einer Vakuum- oder Inertumgebung erfolgen.

Sintern in offener Umgebung

Für das Sintern in einer offenen Umgebung werden Kokosnussschalen-Sinterkohle, ein feuerfestes Gefäß (Tiegel) und Al2O3-Feuerfestpulver benötigt. Der Prozess beginnt mit dem Schleifen der rauen Kanten des Werkstücks für beste Ergebnisse.

Zu Beginn sollte der Tiegel mit feuerfestem Pulver gefüllt werden, so dass an der Oberfläche des Tiegels ein Freiraum bleibt. Das Werkstück sollte dann in das feuerfeste Pulver getaucht werden, wobei darauf zu achten ist, dass zwischen der Oberfläche des Werkstücks und den Wänden, der Ober- und Unterseite des Tiegels ein Spalt von mindestens 15 mm bleibt. Verdichten Sie das feuerfeste Pulver nicht.

An dieser Stelle sollte, je nach zu sinterndem Material, der freie Raum auf der Oberfläche des Tiegels mit Sinterkohle gefüllt oder der Tiegel in den Ofen gestellt werden.

Bild 3: Sinterprozess. Quelle: The Virtual Foundry

Sintern im Vakuum oder in inerter Umgebung

Für die Sinterung im Vakuum oder in einer inerten Umgebung werden ein Tiegel (Brenngefäß) und feuerfestes Pulver benötigt. Das Werkstück wird zum Sintern vorbereitet, indem es in den Tiegel gelegt und mit feuerfestem Pulver bedeckt wird, wobei zu berücksichtigen ist, dass zwischen den Oberflächen des Werkstücks und des Tiegels mindestens 10 mm Pulver liegen müssen. Der Tiegel wird dann in den Ofen gestellt.

Die Virtual Foundry stellt die folgende Tabelle mit empfohlenen Temperaturen zur Verfügung, entweder für das Sintern in einer offenen Umgebung oder in einer Vakuum- oder Inertumgebung:

Tabelle 1: Materialien und maximale Sintertemperaturen.

Der Benutzer sollte bedenken, dass diese Zeiten und Temperaturen Näherungswerte sind und in Abhängigkeit von vielen Aspekten, wie z.B. dem verwendeten Ofenmodell, variieren können. Die in der Tabelle nicht aufgeführten Filamente der Filamet-Reihe gelten als experimentell, so dass dem Hersteller keine Daten zur Sinterung vorliegen.

Wenn Sie keinen Ofen haben, der die Anforderungen für das Sintern von 3D-gedruckten Teilen mit Filamet™-Filamenten erfüllt, nehmen Sie bitte Kontakt mit uns auf und wir informieren Sie über die Machbarkeit und die Bedingungen für das Sintern in unseren Einrichtungen.

Nach dem Sintern (in offener Umgebung oder im Vakuum bzw. in einer inerten Umgebung) eines beliebigen Filaments der Filamet™-Reihe erhalten wir vollmetallische Teile mit den echten Eigenschaften des Metalls wie z. B. elektrischer Leitfähigkeit, Nachbearbeitung durch Schleifen und Polieren oder sogar Schweißverbindungen; allerdings mit einer gewissen Porosität und mit einer Volumenverringerung durch den Verlust von PLA. Der Anwender muss auch berücksichtigen, dass die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts in direktem Zusammenhang mit der Zeit stehen, die das gedruckte Teil bei der Sintertemperatur gehalten wird. Wenn das Endprodukt pulverförmig und spröde ist, war die Sinterzeit nicht lang genug. Wenn der Druck eine faltige lederartige Oberfläche aufweist, ist er übergesintert.

Filamet cobre

Filamet bronce

Filamet acero
inox 316L

Filamet
aluminio 6061

Nachbearbeiten: Schleifen und Polieren

Nachdem das Stück gesintert wurde, kann es wie Metall geschliffen und poliert werden, wobei eine Reihe von Anweisungen befolgt wird. Mit Wasserschleifpapier werden die Drucklinien und andere kleine Verformungen beseitigt, weil die beim Schleifen freigesetzten Partikel durch die Reibungswärme an den Löchern haften bleiben. Wenn Sie 3M-Schleifpapier oder 3M-Radialscheiben verwenden, wird empfohlen, mit einer Körnung von 120 (80 bei 3M-Radialscheiben) mit dem Schleifen zu beginnen und darauf zu achten, dass die empfindlichsten Bereiche, wie z. B. Ecken, nicht verformt werden. Wenn die gesamte Fläche geschliffen ist, verwenden Sie ein Schleifpapier der nächsten Körnung und so weiter, bis Sie auf 6 oder 7 (4 Mal für die 3M Radialscheibe) erhöhen. Vor dem abschließenden Polieren empfiehlt es sich, ein Schleifpapier der Körnung 3000 zu verwenden, mit dem ein gewisser Glanz erreicht wird. Nachdem das Teil mit einem Flanelltuch gereinigt wurde, kann es schließlich poliert werden. TVF empfiehlt die Verwendung eines Rotationswerkzeugs mit einer Polierscheibe und Polierwachs, um das Polieren schneller und effektiver zu machen. Tragen Sie einfach ein wenig Polierwachs auf die Polierscheibe auf und polieren Sie mit gleichmäßigen Bewegungen über das gesamte Teil, um eine übermäßige Hitzeentwicklung zu vermeiden, die das Teil verformen kann. Zusätzlich zum Schleifen und Polieren können mit Filamet™ hergestellte Teile unter Anwendung von Wärme geschnitzt, umgeschmolzen, geschweißt und geglättet werden.

Bild 4: Eimer aus poliertem Kupfer. Quelle: The Virtual Foundry

Nachdem wir gesehen haben, wie man mit dem FDM-3D-Druck Ganzmetallteile herstellen kann, können wir abschließend sagen, dass diese Drucktechnologie mit Hilfe der Metallfilamente von The Virtual Foundry es geschafft hat, die wenigen Sektoren zu erreichen, die sie noch nicht erobert hatte, insbesondere einige der Industriebranche.