Additive Fertigung im Vergleich: Studio System Desktop Metall, konventionelle Filament- und Binder-Jetting-Drucker

In der Ecrimesa-Gruppe haben wir in den letzten Jahren ein umfangreiches Benchmarking von Lösungen und Anbietern von 3D-Druckern durchgeführt, um diese Technologie sowohl bei der Herstellung von Prototypen vor der Fertigung der Form als auch zur Beschleunigung des MIM-Prozesses durch die Studie von Prototypen der endgültigen Teile einzusetzen. Auch kurze Serien von Teilen mit komplexer Geometrie werden mit Additive Manufacturing hergestellt.
In diesem Studienprozess wurden Fallstudien mit dem Studio System Drucker durch Desktop Metall und Binder Jetting durchgeführt.
Dies sind unsere Schlussfolgerungen.

STUDIO SYSTEM DESKTOP METALLDRUCKER 

Um eine genauere Bewertung der Qualität zu erhalten, die mit dem Desktop Metal Studio System-Drucker erzielt werden kann, werden Prototypen in 17-4PH-Material mit 3 verschiedenen Qualitäten gedruckt und zum Sintern verarbeitet, um die Analyse auf Metallteilen auszuarbeiten.

PROTOTYP	DÜSE	SCHICHTHÖHE
A	250 μm	0,05 mm
B	400 μm	0,15 mm
C	400 μm	0,3 mm

Um eine genauere Bewertung der Qualität zu erhalten, die mit dem Desktop Metal Studio System-Drucker erzielt werden kann, werden Prototypen in 17-4PH-Material mit 3 verschiedenen Qualitäten gedruckt und zum Sintern verarbeitet, um die Analyse auf Metallteilen auszuarbeiten.

Die nach dem Entbändern und Sintern erhaltenen Eigenschaften sind in der folgenden Tabelle dargestellt. Je höher die Oberflächenqualität (kleinerer Düsendurchmesser und Schichthöhe), desto bessere Dichte und Struktur erhalten wir. Je größer die Düse und die Schichthöhe, desto höher sind die Druckfehler, die zu niedrigen Dichten nach dem Sintern führen.

PROTOTYP	DÜSE	SCHICHTHÖHE	DICHTE	% C	HÄRTE
A	250 μm	0,05 mm	7,64 g/cc	0,03	288 HV10
B	400 μm	0,15 mm	7,60 g/cc	0,03	291 HV10
C	400 μm	0,3 mm	7,46 g/cc	0,04	192 HV10

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Wenn wir die Verformung der Prototypen auswerten, erhalten wir den gegenteiligen Effekt. Die Verformung nimmt zu, je kleiner die Düse und die Schichthöhe sind. So erhält man Prototypen, bei denen nachfolgende Richtprozesse notwendig sind, um akzeptable Toleranzen zu erreichen.

PROTOTYP	DÜSE	SCHICHTHÖHE	VERFORMUNG / OVAL
A	250 μm	0,05 mm	0,17 mm
B	400 μm	0,15 mm	0,05 mm
C	400 μm	0,3 mm	0,01 mm

Es ist wichtig, ein Gleichgewicht zwischen der erzielten Oberflächenqualität und der Verformung des gesinterten Prototyps zu finden. Schließlich wird für jeden untersuchten Prototyp eine Beziehung zwischen Oberflächenqualität, Druckzeit und Preis hergestellt.

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PROTOTYP	DÜSE	SCHICHTHÖHE	VERFORMUNG / OVAL	KOSTEN
A	250 μm	0,05 mm	0,17 mm	10,17 €
B	400 μm	0,15 mm	0,05 mm	9,83 €
C	400 μm	0,3 mm	0,01 mm	9,60 €

KONVENTIONELLER FILAMENTDRUCKER

Die Ecrimesa Group hat in ihren Einrichtungen einen konventionellen Filamentdrucker erworben, der wie das Studio System von Desktop Metal die FDM-Drucktechnologie verwendet, aber der Unterschied besteht darin, dass das Rohmaterial in Form von Filamenten statt Stangen gegeben wird. Die Fertigungstechnologie wird in diesem Fall auch als FFF (Fused Filament Fabrication) bezeichnet. Der Vorteil dieses Druckers gegenüber dem Studio System ist, dass es sich um einen Drucker mit offenem Material handelt, d.h. er ist in der Lage, Filamente von verschiedenen Anbietern zu drucken, einschließlich Filamente, die für spezielle Anwendungen und Einsatzzwecke entwickelt wurden. Aus diesem Grund engagiert sich Mimecrisa seit mehr als zwei Jahren in Zusammenarbeit mit dem CDTI und einem Technologiezentrum für die Entwicklung von Filamenten (rostfreie Stähle, niedrig legierte Kohlenstoffstähle, Superlegierungen usw.) für den Druck von Prototypen und die Verarbeitung in den eigenen Einrichtungen, zusätzlich zu der Möglichkeit, kommerzielle Filamente zu verwenden, die bereits auf dem Markt existieren.

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BINDER JETTING BEI ECRIMESA GROUP 

Nach der bei der Ecrimesa Group durchgeführten Auswertung der mit der Binder Jetting-Technologie gedruckten Prototypen kann man schlussfolgern, dass die endgültigen Eigenschaften der mit dieser Technologie gedruckten Teile der MIM-Technologie am ähnlichsten sind, wenn man die auf dem Sintern basierenden Additive Manufacturing Techniken vergleicht. Die für die Implementierung der Binder Jetting-Technologie erforderlichen Investitionen sind jedoch wesentlich höher als bei der FDM-Technologie. Aus diesem Grund ziehen wir die Vergabe von Binder Jetting-Arbeiten an Subunternehmer in Betracht, wenn das Projekt dies erfordert, und warten die Reife und Etablierung der Technologie ab, bevor wir den Kauf der Maschinen in die Gruppe integrieren.

Der folgende Punkt listet einige Konstruktionsempfehlungen auf, die vor dem Drucken von Teilen mit der Binder Jetting-Technologie berücksichtigt werden sollten (Quelle: www.digitalmetal.tech):

• Maximale Länge: vorzugsweise <50 mm in der längsten Richtung, aber zulässig bis zu den Abmessungen der Druckbox im Maßstab.
• Mindestgröße: 1 x 1 x 3 mm.
• Ecke R: 35 µm.
• Fase: 35 µm Schritte in Z-Richtung.
• Auflösung: 35 µm. 
• Wandstärke: Vorzugsweise > 300 µm, je nach Bereich und Ausführung bis zu 150 µm.
• Löcher: > 200 µm. 
• Oberflächenqualität: Ra 6 µm (ohne Nachbearbeitung).

FALLSTUDIEN BINDER JETTING PROTOTYPEN

Der Sinterprozess ist eine der kritischsten Grundstufen der Binder Jetting Technologie. Der Sinterzyklus muss für jedes Material optimiert werden, um Metallteile mit der richtigen Dichte, dem richtigen Kohlenstoffgehalt und der richtigen Verformung zu erhalten. Das Sintern in ungeeigneten Sinterzyklen kann zu Problemen mit Defekten, Verformungen, falschen Schwindungsfaktoren, falschen Eigenschaften usw. führen. In diesem Sinne verfügt die Ecrimesa Gruppe über ein durch jahrelange Erfahrung gefestigtes Know-How im Sinterprozess. So sehr, dass alle bei Ecrimesa Group durchgeführten Sintertests von Binder Jetting-Prototypen bessere Ergebnisse in Bezug auf Dichte, Kohlenstoff und Verformung aufweisen als die bereits gesinterten Prototypen, die die Lieferanten von Druckmaschinen erhalten.

	MATERIAL: 316L	MATERIAL: 316L	MATERIAL: 316L
	DICHTE	% C	OVAL
ANBIETER	7,72-77 g/cc	0,011	0,01 mm
MIMECRISA	7,72-77 g/cc	0,003	0,01 mm

	MATERIAL: 316L	MATERIAL: 316L	MATERIAL: 316L
	DICHTE	% C	OVAL
ANBIETER	7,90-92 g/cc	0,011	0,20 mm
MIMECRISA	7,87-89 g/cc	0,007	0,14 mm

	MATERIAL: 17-4PH	MATERIAL: 17-4PH	MATERIAL: 17-4PH
	DICHTE	% C	OVAL
ANBIETER	7,63-65 g/cc	0,010	0,15 mm

	MATERIAL: 316L	MATERIAL: 316L	MATERIAL: 316L
	DICHTE	% C	OVAL
MIMECRISA	7,85 g/cc	0,004	0,01 mm

Bei Ecrimesa Group nutzen wir Additive Manufacturing zur:  

• Herstellung von Prototypen vor der Formherstellung mit Eigenschaften, die denen der MIM-Technologie so nahe wie möglich kommen.   
• Möglichkeit, dem Kunden Designstudien mit Prototypen vor der Formherstellung anzubieten.   
• Beschleunigung des MIM-Prozesses durch Studien an Prototypen (Sinterpositionierung, Sinterunterstützungen, Untersuchung von Verformungen, Defekten, usw.)
• Herstellung von Kleinserien von Teilen mit komplexer Geometrie, deren Investition in MIM-Formen aufgrund geometrischer Einschränkungen oder aus Kostengründen nicht sinnvoll ist.