Sintratec: Metall-3D-Druck «Cold Metal Fusion» für Präzisionsteile aus Metall

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3D-Druckverfahren ermöglichen die Fertigung von komplexen, hochgenauen, leichten und duktilen Bauteilen aus Metall. Mit dem Verfahren «Cold Metal Fusion» lassen sich beispielsweise besonders leichte Zahnräder auf selektiven Laser-Sinteranlagen von Sintratec herstellen.

Speziell auf niedrige Masse und niedrige Trägheitsmomente hin optimierte Zahnräder für Fahrzeuge lassen sich nur generativ fertigen. Dazu nutzt der Hersteller das Verfahren «Cold Metal Fusion» (CMF). Zum 3D-Druck setzt das Unternehmen eine Laser-Sinteranlage S2 von Sintratec in Verbindung mit einem Build Module MCU-160 ein. Zum additiven Fertigen stehen die Werkstoffe Werkzeugstahl M2 und Edelstahl 17/4PH zur Verfügung. Letzterer ist in der Automobilindustrie üblich. Deshalb werden auch die Zahnräder aus diesem Werkstoff additiv gefertigt.

3D-Druck vorbereiten

Ähnlich wie beim Standardverfahren des selektiven Lasersinterns (SLS) wird der Druckauftrag zunächst in der Software Sintratec Central vorbereitet. Das 3D-Modell wird importiert, dupliziert und im verfügbaren Bauvolumen angeordnet. In Bezug auf das CAD-Design muss die Schrumpfung während der Sinterphase berücksichtigt werden. Sie kann je nach Werkstoff variieren. Bei Edelstahl 17/4PH beträgt sie 14 Prozent. Nach dem Einrichten wird der Druckauftrag «gesliced». Das beinhaltet, dass 3D-Objekte in Schichten aufgeteilt werden. Diese trägt die Laser-Sinteranlage beim Aufbauprozess als Pulver auf. Die aufbereiteten Daten werden exportiert und über einen USB-Stick oder ein lokales Netzwerk an die Laser-Sinteranlage gesandt. Das Pulver wird an der Material Handling Station in die Behälter des Build Module eingefüllt. Die Anlage berechnet automatisch die erforderliche Menge.

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Drucken und Entpulvern

Sobald das Baumodul gefüllt ist, wird es zur Anlage S2 gebracht. Über einen Touchscreen wählt der Bediener den Printjob und startet den Druckvorgang. Zum 3D-Druck wird das Pulverbett nur auf etwa 50 °C erwärmt. Verglichen mit üblichen, anderen SLS-Verfahren ist das wesentlich kühler. Doch ist deshalb der Druckprozess sehr stabil und das gesamte ungesinterte Pulver kann erneut verwendet werden. Nach Abschluss des Druckvorgangs wird das Build Module entfernt. Danach kann der Bediener die sogenannten Grünlinge in der Material Handling Station entpulvern.

Nachbearbeiten

Nach dem Entpulvern werden verbliebene Pulverreste in einer Waschstation mit einem Wasserstrahl (30 bar) entfernt. Das sorgt für glatte Oberflächen und eine hohe Genauigkeit. Da bisher übliche Grünlinge in der Industrie meist sehr spröde sind, ist eine derart einfache Handhabung und Nachbearbeitung ein Novum. Ursache für die Stabilität der 3D-Druck-Grünlinge ist der Werkstoff. Er besteht aus einer Kunststoff-Bindemittelmatrix mit hervorstehenden Metallspitzen. Wenn die Kunststoffkomponente beim 3D-Druck schmilzt, werden alle Hohlräume gefüllt. Damit ergibt sich die hohe Festigkeit der Grünlinge.

Binder entfernen

Nach der Nachbearbeitung gelangen die Grünlinge in die Entbinderungsstation. Deren Kammer wird nach dem Schliessen und Versiegeln der Tür mit einem Lösungsmittel (Aceton) bei steigender Temperatur geflutet. Das Lösungsmittel dringt in die Wand der Bauteile ein und löst die Kunststoffkomponenten heraus.

Sintern

Die nunmehr als Braunteile bezeichneten 3D-Druck-Bauteile werden in den Sinterofen eingebracht. Dieser ist auf über 1 000 °C geheizt. Mit steigender Temperatur beginnen die Metallpartikel, zu einem dichten Vollmetallbauteil zusammenzuwachsen. Dabei verbrennen Reste des Kunststoffs. Dieser Sinterprozess dauert – unabhängig vom Volumen des Ofens und der Anzahl der zu sinternden Bauteile – etwa 10 bis 15 Stunden. Die gesinterten Metallteile werden entnommen und je nach Bedarf weiterbearbeitet.

Herausragende Eigenschaften

Mit dem Verfahren «Cold Metal Fusion» können Bauteile mit bis zu 13,2 Prozent Bruchdehnung hergestellt werden. In Kombination mit der Hardware der CMF-Allianz ermöglicht diese Technologie, Porositäten zu verwalten, Strömungskanäle in ihre Konstruktionen einzubauen und hervorragende mechanische Eigenschaften zu erzielen. (kmu) SMM

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