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Neu bei Jellypipe: FDM-Metall 3D-Druck

Der 3D-Druck von Metallen hat das Potenzial, die metallverarbeitende Branche stark umzukrempeln. Extrem haltbare Materialien, leichte Bauteile, hohe Lebensdauer und vor allem schnelle und kostengünstige Designanpassungen: Der Metall Druck bringt zahlreiche Vorteile mit sich.

In diesem Beitrag erfahren Sie alle Details über den FDM-Metall 3D-Druck, die verwendeten Materialien, Konstruktionsrichtlinien und mehr, damit Sie ihr Projekt optimal planen können.

Jellypipe Metall 3D-Druck Bauteil Ultrafuse 17-4 PH
Additiv gefertigtes Metall Bauteil Ultrafuse 316 L
Additiv gefertigtes Metall Bauteil Ultrafuse 17-4 PH

Das Verfahren für FDM-Metall 3D-Druck beruht auf der bekannten Fused Deposition Modeling Technik, ergänzt mit einem Sinterverfahren, um die Metallteile auszuhärten. Wichtig zu wissen: Die Begriffe FDM (Fused Deposition Modeling) und FFF (Fused Filament Fabrication) sind technisch identisch.

Inhalt dieses Beitrages:

  • So funktioniert die FDM/FFF Technologie für Metalle
  • Schrumpfung und Skalierung
  • Technologie-Vergleich Metall 3D-Druck
  • Die Materialien
    • Ultrafuse® 316L (vergleichbar mit Edelstahl 1.4404)
    • Ultrafuse® 17-4 PH (vergleichbar mit Edelstahl 1.4542)
  • Konstruktionsrichtlinien
  • Nachbearbeitung
  • Fazit

So funktioniert die additive Fertigungstechnologie FDM für Metalle

Beim Fused Deposition Modeling wird das zu verarbeitende Material in Filamentform über einen Extruder dem Hot End zugeführt. Dort wird es eingeschmolzen und anschließend über eine Düse in der gewünschten, durch die CAD-Datei definierten Geometrie auf ein Druckbett aufgetragen. Schicht für Schicht entsteht im Arbeitsraum das Bauteil – bisher aus Kunststoff.

Der FDM-Metall 3D-Druck funktioniert gleichermaßen. Auch hier wird der Werkstoff in Filament-Form zugeführt, geschmolzen und in Schichten auf das Druckbett aufgetragen. Das Ultrafuse® Filament-Material besteht aus Metallpulver, das mit Bindemitteln aus Polyoxymethylen (POM) zusammengehalten wird.

Nach Beendigung des 3D-Drucks ist das sogenannte „Grünteil“ entstanden. Das Grünteil entspricht weitestgehend dem späteren Fertigteil, enthält aber noch die Bindemittel, die im nächsten Schritt entfernt werden müssen. Das „Entbindern“ wird in hochautomatisierten Öfen durch eine katalytische Säurebedampfung durchgeführt. Während des Prozesses werden rund 90 % des Bindemittels entfernt und das Bauteil verliert in etwa 10,5 % seines Gewichtes. Das Ergebnis des Entbinderns ist das „Braunteil“.

Jellypipe 3D-Druck Bauteil FDM Edelstahl 1.4542 Rohform grün und fertig gesintert

Das Braunteil wird nun einem weiteren Produktionsschritt unterzogen: dem Sintern. Beim Sintern wird das Material durch Hitze oder Druck verdichtet und zu einer festen Materialmasse geformt. Die Sinter-Temperatur ist bei diesem Prozess immer unterhalb der Schmelztemperatur des verwendeten Metalls, damit sich dieses nicht verflüssigt. Der Prozess startet bei 250°C und ist bei 600° abgeschlossen. Das Braunteil schrumpft nochmals um 16 % in der X- und Y-Achse, in der Z-Achse um 20 %.

Nach dem Sintern ist das Metallteil fertig. Anschließend kann es je nach Anwendungszweck noch nachbearbeitet werden durch Perlenstrahlen und Polieren. 

Bild: Jellypipe Bauteil Grünteil (links im Bild) und nach dem Sinterprozess

Schrumpfung und Skalierung beim FFF Metall 3D-Druck

Wie Sie sich denken können, ist der Schrumpfprozess eine entscheidende Phase, für das perfekte Bauteil. Die Schrumpfung des gedruckten Metallteils während des Sinterns kann sehr präzise vorhergesagt werden. Nach der ersten Iteration beträgt die Genauigkeit bereits 0,4 Millimeter, nach dem anschließenden Rescaling sind Toleranzen von 0,2 bis 0,25 Millimetern realistisch einzuhalten. Bei Serienfertigungen werden in der Regel zunächst ein bis zwei Iterationen durchgeführt, so dass auch Toleranzen von bis zu 0,1 Millimetern erzielt werden können.

Wichtig zu wissen: die Konstruktion des Bauteils erfolgt immer in der Original-Größe. D.h. die 3D-Druckdatei muss genau dem fertigen Bauteil entsprechen. Die Skalierungsparameter werden bei der Verarbeitung beim Print Partner durch die Druckersoftware entsprechend berechnet.

Ultrafuse® FFF Metall 3D-Druck im direkten Vergleich mit anderen Technologien

Beim Jellypipe 3D-Druckservice sind Ultrafuse® Edelstahl Materialien von BASF Forward AM erhältlich. Im direkten Vergleich zu anderen Metalldruck Technologien wie dem Binder Jetting oder DMLS/SLM bietet FFF mit den Ultrafuse® leicht entfernbare Support-Strukturen und ein sehr einfaches Materialhandling. Deshalb sind die Kosten der Bauteile auch deutlich tiefer als zum Beispiel aus dem SLM 3D-Druck. Diese können je nach Konstruktion und Anzahl Teile bis zu 50 % günstiger sein. Ein Unterschied besteht in der Genauigkeit, falls sehr exakte Toleranzen benötigt werden, ist der SLM Metall Druck dem FFF vorzuziehen.

Ein weiterer Vorteil des FDM-Metall 3D-Drucks ist die Möglichkeit, geschlossene Teile mit Infills zu erzeugen. Bei Pulverbett-Technologien wie dem SLM ist dies nicht möglich, da eine kleine Öffnung zum Entfernen des Pulvers notwendig ist.

Welche Technologie für die Fertigung eines Bauteils die optimale ist, lässt sich nicht pauschal beantworten. Dies ist abhängig von der Konstruktion und den Eigenschaften, die das fertige Bauteil aufweisen muss.

Falls Sie wenig, oder keine Erfahrung haben, sprechen Sie als erstes mit einem unserer Solution Partner und lassen Sie sich beraten. Oder erstellen Sie eine «individuelle Anfrage» mit allen Details im Store, damit wir Ihnen die optimale Lösung anbieten können.

Die Materialien: Ultrafuse® Edelstahl

Der Edelstahl Ultrafuse® 3D-Druck Materialien haben sich für Metallbauteile als überaus geeignet erwiesen. Die folgenden Materialien sind bei Jellypipe verfügbar:

Additiv gefertigtes Metall Bauteil Ultrafuse 316 L

Ultrafuse® 316L

Vergleichbar mit Edelstahl 1.4404

Das Metall hat eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit. Es ist deshalb perfekt geeignet für Anwendungen in feuchter und salzhaltiger Umgebung. Mögliche Anwendungen sind Rohrverbindungen, Ersatzteile z. B. für Verpackungsanlagen, Werkzeuge, Vorrichtungen und Halterungen.

Die technischen Eigenschaften finden Sie hier: Materialdetailseite Ultrafuse® 316L inkl. Technischem Datenblatt

Additiv gefertigtes Metall Bauteil Ultrafuse 17-4 PH

Ultrafuse® 17-4 PH

Vergleichbar mit Edelstahl 1.4542

Der Edelstahl weist höhere mechanische Eigenschaften und eine höhere Härte auf. Die Härte wird durch eine Wärmebehandlung erreicht. Das Material eignet sich zum Beispiel für Maschinenteile, Ersatzteile, Werkzeuge, Lehren und Vorrichtungen.

Materialdetailseite Ultrafuse® 17-4 PH inkl. Technischem Datenblatt

Die Nachbearbeitung:

Additiv gefertigte Metallteile können verschiedenen Nachbearbeitungsverfahren unterzogen werden, um die Oberflächenqualität zu optimieren. Empfehlenswert ist im Bereich des Post-Processing zum einen das Perlenstrahlen für robuste, unempfindliche und matte Oberflächen und zum anderen das Polieren.

Konstruktionsrichtlinien für FDM-Metall 3D-Druck-Bauteile

Bei der Konstruktion von Metall-Komponenten aus Ultrafuse® für die additive Fertigung sind einige Regeln zu beachten. Wichtig sind folgende Grundlagen:

  • Beim Entbinden/Sintern gibt es technisch bedingte Größeneinschränkungen. Ziel der Konstruktion sollten daher Bauteile mit maximal 100 x 100 x 100 Millimetern Größe sein. Falls Sie größere Teile benötigen, bitte zuerst mit uns die Möglichkeiten abklären (von der Konstruktion abhängig).
  • Bitte erstellen Sie Ihre Konstruktion immer in Originalgröße des Bauteils (die Zugabe für die Schrumpfung wird durch den Print Partner im Druckprozess berechnet)
  • Löcher in Bauteilen, die größer als 10 Millimeter sind, bitte immer in Tropfenform konstruieren. So werden Stützstrukturen vermieden.
  • Scharfe Kanten an den Bauteilen können zu Spannungsrissen führen. Besser sind Fasen oder Radien an den Kanten der Konstruktion.
  • Der Schwerpunkt des Bauteils entscheidet über die finale Form. Legen Sie den Schwerpunkt daher so, dass er möglichst tief in Richtung Druckplattform ausgerichtet ist.
  • Wandstärken mit mindestens 1,2 Millimetern konstruieren, im Idealfall ein Vielfaches von 0,4 mm (Größe der Düse). Dicke Wandstärken bieten im Sinterprozess deutliche Vorteile.
  • FFF mit Ultrafuse®-Filamenten ermöglicht die Herstellung von Metallteilen mit einer leichten Innenstruktur. Durch geschickte Konstruktion der Infills kann hier deutlich Gewicht gegenüber komplett gefüllten Bauteilen eingespart werden.

Fazit: Metall Bauteile aus dem 3D-Drucker sind erschwinglich geworden

Was vor einigen Jahren noch Science-Fiction war, ist heute dank modernster Technik für die additive Fertigung kein Problem mehr. Insbesondere die FFF bzw. FDM-Technologie überzeugt mit hochpräziser, schneller Fertigung und gut steuerbaren Produktionsprozessen für den Metall 3D-Druck.

Die neue Technologie ist auf dem Weg, dem selektiven Laserschmelzen (SLM) den Rang abzulaufen. Da FFF bis zu 50% günstiger ist, und zudem noch exzellente Möglichkeiten für Leichtbauteile mit Infills bietet.

Sprechen Sie mit einem unserer Solution Partner und nützen Sie den FDM-Druckservice, bzw. die neue Technologie. Wir beraten Sie gerne unverbindlich zu der bestmöglichen Fertigungsstrategie für Ihre Komponenten!

Ihr Jellypipe Team

Autor

Markus Grimm
Chief Virtual Printfactory

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