Was ist die additive Fertigung?  

Die additive Fertigung (Additive Manufacturing) wird auch 3D-Druck oder schnelles Prototyping genannt und bezeichnet die Fertigung von Metallteilen durch ein 3D-Modell durch die schichtweise Auftragung von Material.  

Der Einsatz der additiven Fertigung bei der Herstellung von Metallteilen ist während der letzten zehn Jahre zu einer der interessantesten Techniken in der Branche avanciert – einerseits durch die Möglichkeit der Herstellung von Prototypen für Prozess- und Machbarkeitsstudien, andererseits durch die Option, komplexe geometrische Metallteile direkt herzustellen. Die additive Fertigung steht an der Spitze einer industriellen Revolution in verschiedenen Sektoren, besonders in der Luftfahrt, der Schwerindustrie und im Gesundheitswesen, aber auch in der Automobilbranche, der Energiewirtschaft und im Endkundenmarkt.  

Die Fertigungstechnologien für Metallteile durch additive Fertigung können in zwei Gruppen eingeteilt werden: fusionsbasierte Technologien, bei denen das Metallteil durch direkte Schmelzung des Grundmaterials entsteht, sowie Technologien, die auf dem Sintern beruhen und bei denen zunächst eine Grünform hergestellt wird, aus der durch Entbindern und Sintern das Edprodukt entsteht. In der folgenden Abbildung wird die allgemeine Klassifikation der Technologien der additiven Fertigung nach ISO / ASTM 52900 dargestellt.  

Je nach den definierten Zielen werden FDM- (Fused Deposition Modeling) oder Binder-Jetting-Technologien ausgewählt, um die additive Fertigung als Verfahren zu implementieren.  

Definition von FDM- und Binder-Jetting-Technologien 

FDM und Binder Jetting sind die Formen der additiven Fertigung, die dem Metallpulverspritzguss am ähnlichsten sind, was die Charakteristika der Endprodukte angeht.  

Beim FDM oder Fused Deposition Modeling werden Metallteile Schicht für Schicht hergestellt, indem pulverförmiges Material (Metall und Polymere) durch eine Düse aufgetragen wird. Diese Technologie kann Filamente, Pellets oder Barren als Primärmaterial verwenden. Nach der Herstellung der Grünform sind Entbindern und Sintern notwendig, um das Endprodukt zu erhalten.   

Beim Binder Jetting werden Schichten aus Metallpulver auf eine Druckform aufgetragen und mit Polymeren verklebt, die durch eine Düse aufgetragen werden. Die Polymere müssen nach jeder aufgetragenen Schicht aushärten. Nach Abschluss des Druckvorgangs muss der sogenannte “De-Powder“-Prozess durchgeführt werden, um überschüssiges Material zu entfernen und die Grünform zu erhalten. Danach muss die Grünform Entbinderungs- und Sinterprozesse durchlaufen, um das Endprodukt zu erhalten. Das Entbindern stellt bei durch Binder Jetting hergestellten Teilen einen  weniger kritischen Prozessschritt dar als normalerweise, da nur sehr wenig Klebematerial zwischen den Schichten aufgetragen werden muss. Dadurch ist es einfacher, den Kleber  zu entfernen, allerdings sind die Grünformen auch zerbrechlicher und schwieriger in der Verarbeitung.  

Durch das gesteigerte wirtschaftliche Interesse in den letzten zehn Jahren hat sich ein sehr kompetitiver Markt für 3D-Drucker entwickelt. Die Ecrimesa Gruppe hat in den letzten Jahren ein komplettes Benchmarking durchgeführt, um Lieferanten von 3D-Druckern zu evaluieren und die Technologie in den eigenen Anlagen zu etablieren. Nach der Vergleichsstudie, basierend auf Eigenschaften wie der Widerstandsfähigkeit der Grünform, Oberflächenqualität, Porosität, Verformung und den Kosten der Drucker, haben wir die Drucker Studio System von Desktop Metal, um die additive Fertigung in der Gruppe zu implementieren. So eröffnen wir uns die Möglichkeit, neue Sektoren am Markt zu erschliessen und noch mehr Mehrwert zu unseren Produktionsprozessen hinzuzufügen.  

STUDIO SYSTEM DRUCKER VON DESKTOP METAL 

Wichtigste Eigenschaften Studio System Desktop Metal
Drucktechnik	FDM
Primärmaterial	Barren (Kartuschen)
Verfügbare Materialien bei Mimecrisa	17-4PH, 316L, 4140
Entbindern	Löslich

Flussdiagramm der Herstellung von Prototypen durch den Drucker Desktop Metal:  

Die Verwendung von additiver Fertigung bei der Herstellung von Metallteilen  

Das Design der Fertigungsstücke mus sich an der Technologie orientieren, die zur Herstellung verwendet werden muss. Genau wie konventionellen Technologien sind auch der additiven Fertigung Grenzen gesetzt, die schon beim Design des Produktes berücksichtigt werden müssen. Desktop Metal hat deshalb einige Grundregeln für das Design entwickelt, die bei der Entwicklung von Druckstücken berücksichtigt werden müssen. Diese Regeln sind Empfehlungen – wenn die Grenzen, die in der folgenden Tabelle dargestellt werden, kann es bei verschiedenen Prozesschritten zu Problemen kommen.  

Der Studio-System-Drucker verfügt über 2 Druckköpfe mit verschiedenen Druckqualitäten: eine Standard-Düse mit einem Durchmesser von 400µm und eine High-Definition-Düse mit 250µm Durchmesser. Die Design-Empfehlungen in der folgenden Tabelle sind nach den Düsen aufgeschlüsselt.   

		Standard-Düse 400µm	High-Definition-Düse 250µm
	Maximale Grösse der Teile	X 240mm Y 150mm Z 155mm	X 60mm Y 60mm Z 60mm
	Minimale Grösse	X 6mm Y 6mm Z 6mm	X 3mm Y 3mm Z 3mm
	Minimale Wandstärke	1mm	0.6mm
	Maximale Wandstärke	10mm	10mm
	Maximale Schalendichte	1.5-3.2mm	1.75mm
	Minimale Bohrergrösse	1.5mm	0.75mm
	Minimaler Pin-Durchmesser	3mm	1.5mm
	Minimaler Überhang-Winkel	40º	40º
	Aspekt-Ratio	8:1	8:1
	Schichtdicke	0.15-0.3 mm	0.05-0.15 mm
	Minimale Erhebung	X/Y W 0.45mm H 0.50mm   Z W 0.25mm H 0.50mm	X/Y 0.30mm H 0.30mm   Z W 0.15mm H 0.30mm
	Min. Gravur	X/Y W 0.45mm  H 0.50mm   Z  W 0.25mm  H 0.50mm	X/Y W 0.30mm H 0.30mm   Z W 0.15mm H 0.30mm
	Leerraum zwischen den Komponenten	0.3mm	0.2mm

Im Hinblick auf die dimensionalen Toleranzen, die mit dem Drucker erreicht werden können, garantiert Desktop Metal die im Folgenden beschriebenen Werte für das Standard-Druckprofil. Für die übrigen Druckprofile muss die Charakterisierung erst noch erfolgen. 

Abmessungen	Kürzel	Mass	Toleranzen
Durchmesser des Drehpunktes	D	<65 mm	± 0.5 mm
Länge	L	>65 mm	± 0.8% L mm
Abstand zwischen Drehpunkten	S	>65 mm	± 0.8% S mm

Die erreichten Toleranzen sind direkt abhängig von den Druckprozessen, dem Entbindern und dem Sintern. Bei Dimensionen von weniger als 65mm beträgt die dimensionale Toleranz ±0,5mm, bei grösseren Abmessungen beträgt die dimensionale Toleranz ±0,8% der gemessenen Höhe. Diese Toleranzen können garantiert werden, wenn die hier beschriebenen Design-Richtlinien eingehalten werden.  

Der Oberflächenabschluss ist einer der wichtigsten Aspekte der additiven Fertigung. Da es sich um eine der Haupteinschränkungen der Technologie handelt, sind in vielen Fällen weitere Prozesse notwendig, um die gewünschte Oberflächenqualität zu erreichen. Die Rauheit der gedruckten Objekte ist abhängig von der Grösse der gewählten Düse sowie der Dicke der gedruckten Schichten.  

Geschäftsstrategie für die additive Fertigung  

Die wichtigsten Ziele der Ecrimesa Gruppe bei der Implementierung der additiven Fertigung sind die folgenden:  

• Herstellung von Prototypen vor der Herstellung der Gussform mit möglichst ähnlichen Eigenschaften wie MIM-gefertigte Stücke
• Möglichkeit von Designstudien für den Kunden vor der Herstellung der Gussform 
• Beschleunigung des MIM-Prozesses durch Studien an Prototypen (Positionierung beim Sintern, Verformungsstudien, Defekte, etc.) 
• Herstellung kurzer Serien von Fertigungsstücken mit komplexer Geometrie, deren Herstellungskosten beim MIM-Prozess zu hoch wären oder deren Form zu komplex ist