Wie man Ganzmetallteile mit FDM-3D-Druck erhält

Bild 1: Modell aus hochkohlenstoffhaltigem Stahl Filamet™ und gesintert. Quelle: The Virtual Foundry

The Virtual Foundry ist ein amerikanisches Unternehmen mit Hauptsitz in Wisconsin, das von großen Experten im Bereich der Schmelzmetalle gegründet wurde, die seit 2014 ständig daran arbeiten, ihr Sortiment an Filamenten und Zubehör für den 3D-FDM-Metalldruck zu verbessern und zu erweitern. Zu Beginn gelang es ihnen, Filamente mit hohen Anteilen an Messing, Kupfer oder Bronze herzustellen, aber ihre Struktur nach dem Sintern enthielt nicht die Eigenschaften von Metallen. Durch eine Kickstarter-Kampagne erhielt The Virtual Foundry genügend Unterstützung, um seine Filamente weiterzuentwickeln, um die gleichen Eigenschaften wie reines Metall zu erreichen, und sein Materialangebot zu erweitern (316L-Edelstahl, hochkohlenstoffhaltiger Eisen, 6061-Aluminium und Wolfram). Alle Arten von Filamet ™ bestehen aus einem Basismetall und einem biologisch abbaubaren und ökologischen Polymer (PLA). Dieses Material ist frei von freiliegenden Metallpartikeln und flüchtigen Lösungsmitteln, die während des Druckens freigesetzt werden können. Diese Materialien sind äußerst einfach zu drucken, da ihre Druckeigenschaften denen von PLA ähnlich sind, was es jedem Benutzer eines 3D-FDM-Druckers ermöglicht, Teile mit diesen Filamenten zu erstellen, ohne teure industrielle 3D-FDM-Metalldrucker kaufen zu müssen. Einer der Hauptvorteile von Filamet™-Materialien besteht darin, dass sie Eigenschaften erreichen, die mit der DMLS-Technologie möglich sind, jedoch mit bestimmten Einschränkungen. Aufgrund der Notwendigkeit, die gedruckten Teile mit diesem Filament zu sintern, bei dem das PLA entfernt wird, weisen die Teile Porosität, Volumenverlust und Nicht-Isotropie auf. DMLS 3D-Drucker können vollständig feste Teile drucken (ähnlich wie Gießen), mit großem Detail, Schichthöhen von 0,02 mm und ohne die Notwendigkeit einer Nachbearbeitung, der einzige Nachteil im Vergleich zu Filamet™ 3D-FDM-Druck ist der Material-, Herstellungs- und Gerätekosten.

Bild 2: Kegel aus nicht gesintertem und gesintertem Bronze-Filamet™. Quelle: The Virtual Foundry

Um das gedruckte Teil vollständig metallisch zu machen, muss es in einem Ofen gesintert werden. Sintern ist ein Verfahren zur Herstellung fester Teile, das auf einem Objekt basiert, das aus komprimiertem Metallpulver gebildet wird, dem eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur, aber hoch genug zur Bindung der Metallpartikel in einer widerstandsfähigen Weise, angewendet wird, was zu einem völlig festen Block führt. 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 inerten Umgebung erfolgen.

In offener Umgebung gesintert

Für das Sintern in einer offenen Umgebung werden Kokosnussschalenkohle zum Sintern, ein feuerfester Behälter (Schmelztiegel) und Al₂O₃-Feuerpulver benötigt. Der Prozess beginnt mit dem Abschleifen der rauen Kanten des Teils für beste Ergebnisse. 

Zuerst sollte der Tiegel mit feuerfestem Pulver gefüllt werden, wobei auf der Oberfläche des Tiegels ein freier Raum belassen wird. Dann muss das Werkstück in das feuerfeste Pulver eingetaucht werden, wobei darauf zu achten ist, einen Abstand von mindestens 15 mm zwischen der Oberfläche des Werkstücks und den Wänden sowie den oberen und unteren Teilen des Tiegels zu lassen. Das feuerfeste Pulver darf nicht verdichtet werden.

An diesem Punkt sollte, je nach Material, das gesintert werden soll, der freie Raum auf der Oberfläche des Tiegels mit gesintertem Kohlenstoff gefüllt oder der Tiegel in den Ofen gestellt werden.

Bild 3: Sinternprozess. Quelle: The Virtual Foundry

In Vakuum- oder inerter Umgebung gesintert

Zum Sintern in einer Vakuum- oder inerten Umgebung werden ein Tiegel (Kochgefäß) und feuerfestes Pulver benötigt. Das Stück wird für das Sintern vorbereitet, indem es in den Tiegel gelegt und mit feuerfestem Staub bedeckt wird, wobei darauf zu achten ist, dass zwischen den Oberflächen des Teils und des Tiegel mindestens 10 mm Staub vorhanden ist. Der Tiegel wird dann in den Ofen gestellt.

The Virtual Foundry stellt die folgende Tabelle mit empfohlenen Temperaturen entweder für das Sintern in offener Umgebung oder in Vakuum- oder inerter Umgebung bereit:

Tabelle 1: Materialien und maximale Sintertemperaturen.

Der Benutzer muss berücksichtigen, dass diese Zeiten und Temperaturen eine Richtlinie sind und dass sie je nach vielen Aspekten variieren können, wie zum Beispiel das Modell des verwendeten Ofens. Filamet-Bereichsfilamente, die nicht in der Tabelle enthalten sind, gelten als experimentell, sodass der Hersteller keine Daten für das Sintern hat.

Wenn Sie keinen Ofen haben, der die Anforderungen für das Sintern von 3D-gedruckten Teilen mit Filamenten Filamet™ erfüllt, können Sie uns kontaktieren und wir informieren Sie über die Durchführbarkeit und Bedingungen des Sinterns in unseren Einrichtungen.

Nach dem Sintern (in offener Umgebung oder in Vakuum- oder inerter Umgebung) von Filamenten der Filamet™-Reihe werden alle Metallteile mit den realen Eigenschaften des Metalls wie elektrische Leitfähigkeit, nachbearbeitet durch Schleifen und Polieren oder sogar durch Schweißen; aber mit einer bestimmten Porosität und einem Volumenverlust aufgrund des Verlusts von PLA. Der Benutzer muss auch berücksichtigen, dass die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts direkt mit der Zeit zusammenhängen, die das gedruckte Teil bei der Sintertemperatur gehalten wird. Wenn das Endprodukt pulverig und spröde ist, war die Sintertime nicht ausreichend. Wenn der Druck eine Oberfläche zeigt, die einer faltigen Haut ähnelt, ist er übergesintert.

Nachbearbeitung: Schleifen und Polieren

Nach dem Sintern kann das Stück genauso wie ein Metall geschliffen und poliert werden, jedoch unter Beachtung einer Reihe von Anweisungen. Mit Nassschleifpapier können die Drucklinien und andere kleine Verformungen beseitigt werden, da sich die losen Partikel beim Schleifen aufgrund der Reibungswärme in die Lücken setzen. Bei Verwendung von Schleifpapier oder 3M-Radialscheibe wird empfohlen, mit einer Körnung von 120 (80 für 3M-Radialscheibe) zu beginnen, wobei darauf zu achten ist, die empfindlichsten Bereiche, wie Ecken, nicht zu verformen. Sobald die gesamte Oberfläche geschliffen wurde, sollte ein Schleifpapier der nächsten Körnung verwendet werden und so weiter, bis es um 6 oder 7 erhöht wird (4-mal für die 3M-Radialscheibe). Vor dem Übergehen zum endgültigen Polieren wird empfohlen, ein 3000er Schleifpapier zu verwenden, mit dem eine gewisse Glätte erreicht wird. Schließlich und nachdem das Stück mit einem Flanelltuch gereinigt wurde, kann das Stück poliert werden. TVF empfiehlt die Verwendung eines rotierenden Werkzeugs mit Polierscheibe und Polierwachs, um das Polieren schneller und effizienter zu machen. Tragen Sie einfach etwas Polierwachs auf die Polierscheibe auf und polieren Sie mit konstanten Bewegungen über das gesamte Stück, um keine überschüssige Hitze zu erzeugen, die das Stück verformen kann. Neben dem Schleifen und Polieren von Teilen, die mit Filamet™ hergestellt wurden, können sie auch geschnitzt, geschmolzen, geschweißt und durch Wärmeanwendung geglättet werden.

Bild 4: Polierter Kupfereimer. Quelle: The Virtual Foundry

Gesehen, wie man alle Metallteile mit 3D-FDM-Druck erhält, 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 erobern musste, insbesondere einige des Industriezweigs.