So erhalten Sie Ganzmetallteile mit 3D-FDM-Druck

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

The Virtual Foundry ist ein amerikanisches Unternehmen mit Hauptsitz in Wisconsin, das von großen Experten auf dem Gebiet der Metallschmelze gegründet wurde und seit 2014 ständig daran arbeitet, sein Angebot an Filamenten und Zubehör für den 3D-FDM-Metalldruck zu verbessern und zu erweitern. Am Anfang 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 so weiterzuentwickeln, dass sie die gleichen Eigenschaften wie reines Metall erreichen, und erweiterte seine Materialpalette (Edelstahl 316L, Eisen mit hohem Kohlenstoffgehalt, Aluminium 6061 und Wolfram). Alle Arten von Filamet™ bestehen aus einem Grundmetall und einem biologisch abbaubaren und ökologischen 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, 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 ähnliche Eigenschaften erzielen, wie sie mit der DMLS-Technologie möglich sind, jedoch mit gewissen Einschränkungen. Aufgrund der Notwendigkeit, die bedruckten Teile mit diesem Filament zu sintern, wo das PLA entfernt wird, weisen die Teile Porosität, Volumenverlust und Nicht-Isotropie auf. DMLS 3D-Drucker schaffen es, komplett solide Teile (ähnlich wie beim Gießen) mit großen Details, Schichthöhen von 0,02 mm und ohne die Notwendigkeit einer Nachbearbeitung zu drucken. Der einzige Nachteil im Vergleich zum Filamet™ 3D-FDM-Druck sind die Kosten für Material und Herstellung und die Drucker selbst.

Bild 2:Kegel aus ungesintertem und Sinterbronze Filamet™. Quelle: The Virtual Foundry

Damit das gedruckte Teil vollständig metallisch ist, muss es in einem Ofen gesintert werden. Sintern ist ein Verfahren zur Herstellung von festen Teilen auf der Grundlage eines Gegenstands, der aus verdichtetem Metallpulver besteht, auf das eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur angewendet wird, die niedriger als die Schmelztemperatur ist, aber hoch genug, um die Metallpartikel widerstandsfähig zu verbinden ein absolut solider Block. 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 einer offenen Umgebung oder einem Vakuum oder einer inerten Umgebung durchgeführt werden.

In offener Umgebung gesintert

Zum Sintern in einer offenen Umgebung eine Kokoskohle zum Sintern, ein feuerfestes Gefäß (Tiegel) und Al₂ O₃ feuerfestes Pulver ist erforderlich. Der Prozess beginnt mit dem Schleifen der rauen Kanten des Stücks für beste Ergebnisse.

Zunächst sollte der Tiegel mit feuerfestem Pulver gefüllt werden, wobei ein freier Raum auf der Oberfläche des Tiegels verbleibt. Dann muss das Werkstück in das feuerfeste Pulver getaucht werden, wobei darauf zu achten ist, dass zwischen der Oberfläche des Werkstücks und den Wänden sowie dem oberen und unteren Teil des Tiegels ein Abstand von mindestens 15 mm verbleibt. Das feuerfeste Pulver darf nicht verdichtet werden.

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

Bild 3:Sinterprozess. Quelle: The Virtual Foundry

Im Vakuum oder in einer inerten Umgebung gesintert

Zum Sintern im Vakuum oder in einer inerten Umgebung werden ein Tiegel (Kochgefäß) und feuerfestes Pulver benötigt . Das Stück wird zum Sintern vorbereitet, indem es in den Tiegel gelegt und mit feuerfestem Staub bedeckt wird, wobei zu berücksichtigen ist, dass zwischen den Oberflächen des Stücks und dem Tiegel mindestens 10 mm Staub sein müssen. Der Tiegel wird dann in den Ofen gestellt.

The Virtual Foundry stellt die folgende Tabelle mit empfohlenen Temperaturen bereit, entweder für das Sintern in einer offenen Umgebung oder in einer Vakuum- oder inerten Umgebung:

Material	Maximale Sintertemperatur
Bronze	871 °C
Kupfer	1074 °C
316L	1260 °C
Inconel	1260 °C

Tabelle 1:Materialien und maximale Sintertemperaturen.

Der Benutzer muss berücksichtigen, dass es sich bei diesen Zeiten und Temperaturen um Richtwerte handelt und dass sie in Abhängigkeit von vielen Aspekten, wie z. B. dem verwendeten Ofenmodell, variieren können. Filamente der Filamet-Reihe, die nicht in der Tabelle enthalten sind, gelten als experimentell, daher liegen dem Hersteller keine Daten zum Sintern vor.

Wenn Sie keinen Ofen haben, der die Anforderungen zum Sintern von 3D-gedruckten Teilen mit Filamet™-Filamenten erfüllt, können Sie sich an uns wenden und wir werden Sie über die Machbarkeit und die Bedingungen des Sinterns in unseren Einrichtungen informieren.

Nach dem Sintern (in einer offenen Umgebung oder in einem Vakuum oder einer inerten Umgebung) werden alle Filamente der Filamet™-Reihe erhalten, alle Metallteile mit den tatsächlichen Eigenschaften des Metalls wie elektrische Leitfähigkeit, Nachbearbeitung durch Schleifen und Polieren oder sogar Kleben durch Schweißen; jedoch mit einer gewissen Porosität und einer Volumenreduzierung durch den Verlust von PLA. Der Benutzer muss auch berücksichtigen, dass die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts in direktem Zusammenhang mit der Zeit stehen, die das gedruckte Teil auf Sintertemperatur gehalten wird. Wenn das Endprodukt pulvrig und spröde ist, war die Sinterzeit nicht ausreichend. Wenn der Druck eine Oberfläche zeigt, die einer faltigen Haut ähnelt, ist er übersintert.

Filamet cobre Filamet-Bronze Filamet Acero
Edelstahl 316L Filamet
Aluminium 6061

Nachbearbeitung:Schleifen und Polieren

Nach dem Sintern kann das Stück wie ein Metall geschliffen und poliert werden, jedoch nach einer Reihe von Indikationen. Mit Wasserschleifpapier ist es möglich, die Drucklinien und andere kleine Verformungen zu beseitigen, da die losen Partikel beim Schleifen durch die Reibungswärme in den Zwischenräumen haften bleiben. Bei Verwendung von Schleifpapier oder einer 3M-Radialscheibe wird empfohlen, mit dem Schleifen mit einer Körnung von 120 (80 für die 3M-Radialscheibe) zu beginnen und darauf zu achten, dass die empfindlichsten Bereiche wie Ecken nicht verformt werden. Nachdem die gesamte Oberfläche geschliffen wurde, sollte ein Schleifpapier der nächsten Körnung verwendet werden und so weiter, bis es 6 oder 7 zunimmt (4 Mal für die 3M-Radialscheibe). Vor dem abschließenden Polieren empfiehlt es sich, ein Schleifpapier mit 3000er Körnung zu verwenden, mit dem ein gewisser Glanz erzielt 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 ein wenig Polierwachs auf die Polierscheibe auf und polieren Sie mit konstanten Bewegungen über das gesamte Stück, um keine übermäßige Hitze zu erzeugen, die das Stück verformen kann. Zusätzlich zum Schleifen und Polieren von Teilen, die mit Filamet™ hergestellt wurden, können sie mit Wärmeanwendung geschnitzt, geschmolzen, geschweißt und geglättet werden

Bild 4:Polierter Kupfereimer. Quelle:The Virtual Foundry

Wenn wir gesehen haben, wie man Ganzmetallteile mit dem 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 der Branche industriell.