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3D-Metalldruck

Welches Sinterverfahren eignet sich für Ihre Anwendung?

| Autor / Redakteur: Matthias Schmidt-Lehr / Simone Käfer

In seiner Studie hat Ampower aufgeschlüsselt, welche Vor- und Nachteile die einzelnen Sinterverfahren bringen. Dabei fanden sie auch heraus, für welche Anwendungen die jeweilige additive Technik geeignet ist.
In seiner Studie hat Ampower aufgeschlüsselt, welche Vor- und Nachteile die einzelnen Sinterverfahren bringen. Dabei fanden sie auch heraus, für welche Anwendungen die jeweilige additive Technik geeignet ist. (Bild: stock.adobe.com)

Im Dschungel der additiven Möglichkeiten einen Überblick zu behalten, ist eine Herausforderung. Ein Beratungsunternehmen hat binderbasierte 3D-Druck-Verfahren darauf hin untersucht, für welche Anwendung sie am geeignetsten sind.

  • Die Verfahren MIM, Binder Jetting und FDM für Metalle
  • Die entscheidenden Unterschiede
  • Das passende Verfahren für Ihre Anwendung

Während bereits viele mit dem Laserstrahlschmelzen (LB-PBF, SLM) arbeiten, werden die binderbasierten Sinterprozesse gerade erst im Markt eingeführt. Beinahe monatlich werden neue Verfahren und Anbieter bekannt. Insbesondere Desktop Metal und Hew­lett-­Packard versprechen hohe Produktivitätssteigerungen und Kostensenkungen durch die neuen Techniken. Ampower hat in einer umfangreichen Technikstudie die neuen binderbasierten 3D-­Druck-­Prozesse untersucht und neben den Materialeigenschaften auch Kostenstruktur und Designeinschränkungen analysiert.

Das Metallspritzgießen MIM

Grundprinzip bei Sinterverfahren ist die Formgebung von Metallpulver mit einem Binder, meist auf Polymer-, teilweise aber auch auf Wachsbasis. Das derzeit bekannteste Verfahren ist das Metallspritzgießen (Metal Injection Molding, MIM), bei dem ein Spritzgussgranulat verwendet wird, das aus einer Mischung von Kunststoff und Metallpulver besteht. In klassischen Kunststoff-Spritzgussanlagen werden Grünlinge mit einem Kunststoffanteil von etwa 20 % hergestellt. Dieser Kunststoff wird anschließend in einem Entbinderungsprozess entfernt. Dies wird thermisch, durch den Einsatz hoher Temperatur, katalytisch mit verdampfter Säure oder mit Lösungsmitteln erreicht. Nach dem Entbindern entsteht der Braunling. Dieser hat durch den nun fehlenden Binder eine poröse und leicht zerbrechliche Struktur. Der Braunling wird anschließend zum finalen Bauteil gesintert. Dabei wird das Material in einem Sinterofen auf nahezu Schmelztemperatur gebracht, wobei durch Diffusionsprozesse ein massives Bauteil entsteht. Dieses schrumpft bei dem Prozess üblicherweise um 18 bis 20 %.

Das FDM-Verfahren (links) arbeitet mit einem Filament, das aus 20 % Kunststoff und 80 % Metallpulver besteht. Das Binder-Jetting-Verfahren (rechts) hingegen ist ein Pulverbettverfahren.
Das FDM-Verfahren (links) arbeitet mit einem Filament, das aus 20 % Kunststoff und 80 % Metallpulver besteht. Das Binder-Jetting-Verfahren (rechts) hingegen ist ein Pulverbettverfahren. (Bild: Ampower)

Binder Jetting und metallisches FDM

Die sinterbasierten additiven Verfahren unterscheiden sich vom MIM-Verfahren ausschließlich durch den Einsatz eines anderen Formgebungsverfahrens. Das bedeutet, anstelle des Spritzgussverfahrens wird der Grünling durch einen 3D-Druck-Prozess hergestellt. Dabei etablieren sich derzeit im Wesentlichen die Verfahren Binder Jetting (BJT) und Metal Fused Deposition Modeling (FDM). Beim Binder Jetting wird, ähnlich dem Laserstrahlschmelzen, ein Pulverbett aus Metallpulver aufgetragen. Danach wird mit einem Druckkopf, der über mehrere Düsen verfügt, ein flüssiger Binder an den Stellen, an denen das Bauteil hinterher entsteht, aufgebracht. Anschließend wird eine neue Metallpulverschicht aufgezogen. Der Binder wird entweder nach jeder Schicht durch Wärmeeintrag ausgehärtet oder der gesamte Baujob im Anschluss in einem separaten Wärmeofen ausgehärtet. Abschließend können die so erzeugten Grünlinge aus dem Pulverbett entnommen und einem klassischen Entbinderungs- und Sinterprozess zugeführt werden.

Das metallische FDM-Verfahren verwendet als Ausgangsmaterial einen Feedstock ähnlich dem MIM-Verfahren. So können je nach Anlagentyp Granulat, Filament oder Stangen verwendet werden, die aus circa 20 % Kunststoff und 80 % Metallpulver bestehen. Der Feedstock wird aufgeschmolzen und das Bauteil mittels einer Düse auf einer Grundplatte schichtweise aufgebaut. Der Grünling wird dann wie in den anderen Techniken ebenfalls entbindert und gesintert.

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Unterschiede bei der Dichte

Ampower hat die mechanischen Eigenschaften sowie die Dichte und Oberflächenbeschaffenheit von Bauteilen aus acht unterschiedlichen Maschinen ermittelt. Das Material wurde auf die Edelstähle 17-4PH und 316L beschränkt, da diese für die vier untersuchten Verfahren kommerziell verfügbar sind. Die Dichte sinterbasierter 3D-Druck-Bauteile wurde mittels mikroskopischer Auswertung von Schliffbildern ermittelt und mit konkurrierenden Techniken wie dem MIM und LB-PBF verglichen. Während das Binder Jetting hierbei identische Ergebnisse wie das MIM-Verfahren erzielt, ist die Dichte von Bauteilen aus dem metallischen FDM geringfügig kleiner. Die geringere Dichte geht nicht nur auf die im Sinterprozess entstehende Porosität, sondern auch auf Prozessfehler beim Erzeugen des Grünlings zurück. Weitere Ergebnisse zu mechanischen Eigenschaften, Oberflächenrauheit und Härte werden in der öffentlichen Studie detailliert dargestellt.

Möglichkeiten und Einschränkungen beim Design

Die Designfreiheiten beim Laserstrahlschmelzen sind durch zum Teil notwendige Stützstrukturen eingeschränkt. Diese sind auch beim metallischen FDM-Verfahren in ähnlicher Form notwendig. Das Binder Jetting jedoch kommt ohne Stützstrukturen aus, da das umliegende Pulver die Bauteile in Form hält und keine internen Spannungen auftreten. Was die additiven Techniken mit Sinterverfahren jedoch maßgeblich einschränkt, ist der Entbinderungs- und Sinterprozess. So sind Bauteilwandstärken über 10 mm schwierig zu entbindern. Zudem wird beim Sintern das Bauteil nahezu auf Schmelztemperatur erhitzt, sodass es durch sein Eigengewicht zu deut­lichen Verformungen kommen kann. Auch die Schrumpfung kann im Bauteil erheblichen Verzug erzeugen. Beides führt dazu, dass die derzeit bekannten MIM-Anwendungen meistens eine Bauteilgröße von 50 mm nicht überschreiten und selten Wandstärken von mehr als 5 mm besitzen.

Auftragsrate, Bauteilgröße und Material entscheiden über die Kosten

Die im Vergleich hohen Bauteilkosten für große Stückzahlen sind einer der größten Nachteile beim Laserstrahlschmelzen. Diese entstehen durch hohe Anlagenkosten und eine vergleichsweise geringe Produktivität. Binder-Jetting-Systeme führen zu ähnlich hohen Anschaffungskosten, versprechen jedoch eine deutliche Produktivitätssteigerung. Da die Bauzeit unabhängig vom zu produzierenden Volumen ist und somit für einen vollen Bauraum meist gleich, wird das Verfahren jedoch auch erst ab einer hohen Packdichte im Bauraum wirtschaftlich. Dies ist ein weiterer Grund, warum sich insbesondere kleine Bauteile für das Verfahren eignen.

Beim FDM-Verfahren hingegen bestimmt die Auftragsrate die Kosten. Während die Systemkosten bei dieser Technik mit 50.000 bis 100.000 Euro vergleichsweise gering sind, sind die Materialkosten bei den Filamentsystemen mit 100 bis 200 Euro/kg deutlich teurer. Das FDM-System eignet sich somit für geringe Stückzahlen, kleine Serien und Prototypen.

Einordnung der unterschiedlichen Fertigungsverfahren nach Ampower in Bezug auf die Stückzahl und die Bauteilkomplexität.
Einordnung der unterschiedlichen Fertigungsverfahren nach Ampower in Bezug auf die Stückzahl und die Bauteilkomplexität. (Bild: Ampower)

Das passende Verfahren für Ihre Anwendung

  • Für einfache Bauteilgeometrien mit geringen Stückzahlen wird das metallische FDM-Verfahren dem Laserstrahlschmelzen Marktanteile streitig machen. Wenn es um die Herstellung von Werkzeugen und Vorrichtungen geht, hat FDM eindeutige Vorteile hinsichtlich Flexibilität und Kosten.
  • Binder Jetting eignet sich insbesondere bei kleinen Bauteilen mit höheren Stückzahlen. Dies wird beispielsweise im Automobilbau-Sektor zu einer hohen Adaptionstiefe und breiter Anwendung führen. Bei hohen Stückzahlen können auch die Herausforderungen des Sinterprozesses durch entsprechende Entwicklungsaufwände kompensiert werden.
  • Das Laserstrahlschmelzen hingegen bleibt durch seine unangefochten hohen Materialeigenschaften speziell in regulierten Industrien und für hochbelastete Anwendungen, wie sie aus der Luftfahrt, der Implantatherstellung oder dem Turbinenbau bekannt sind, unangefochten.
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* Matthias Schmidt-Lehr ist Mitgründer und Managing Partner bei Ampower in 21075 Hamburg, Tel. (0 40) 9 99 99-5 78, info@am-power.de

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