3D-Metalldruck: Entwicklungspartnerschaft mit Schwerpunkt Kupfer

• Kooperation im 3D-Metalldruck mit Schwerpunkt Kupfer
• Vergleich von CEM (Composite Extrusion Modeling) und MIM (Metallpulverspritzgiessen)
• 3D-Kupfer-Bauteilentwicklung beim Werkstoffspezialisten Schunk

Werkstoffspezialist Schunk, unter anderem Anbieter von Serienfertigungen im Bereich Metallpulverpressen und -spritzgießen, erweiterte seine Expertise am Standort Thale nun als Dienstleister im 3D-Metalldruck. Die Erweiterung der Metallspritzgießprozesskette im Bereich Additive Manufacturing erscheint sinnvoll, was zukünftige Anwendungen mit bionischen Konstruktionen und Optimierung der Topologie betrifft. Bauteilcharakteristika und Wirtschaftlichkeit erfordern im 3D-Metalldruck andererseits unterschiedliche Verfahrenstechnologien oder Fertigungsstrategien. So erweiterte Schunk im Jahre 2020 seine Kompetenz mit dem CEM-Verfahren (Composite Extrusion Modeling) durch eine Multimaterial-3D-Druckanlage ExAM 255 von AIM3D. Die ersten Ergebnisse dieser Entwicklungspartnerschaft liegen nun vor.

Entwicklungspartnerschaft von Schunk und AIM3D

Das Ziel der Kooperation zwischen Schunk und AIM3D umfasst drei strategische Ansätze:

1. Materialentwicklungen (wie zum Beispiel Kupferwerkstoffe und Nickelbasiswerkstoffe),
2. Weiterentwicklung der Anlagentechnik (z.B. Extruderkühlung oder Vakuumspanntisch) und
3. Marketing und Akquisition für Schunk als Lieferant für 3D-Metallteile ab Losgröße 1.

Schwerpunkte bilden Rapid Prototyping und Kleinserien. Denn diese weisen für die konventionelle Sintertechnik eine zu geringe Stückzahl auf. Einen Entwicklungsschwerpunkt bilden Kupfer-Bauteile im 3D-Druck.

3D-Metalldruck mit Kupfer

Die 3D-Bauteilentwicklung in Kupfer hat für Schunk eine strategische Dimension, da nur wenige Anbieter am Markt auftreten. Das leitfähige Material ist für bestimmte Bauteile der Elektroindustrie von Interesse. Das Spektrum der Branchen und Applikationen ist jedoch breit: So gibt es Applikationen mit Fokus auf Thermomanagement, vorrangig im Maschinen- und Anlagenbau. Und es gibt Applikationen mit Fokus auf verlustarmer Energieübertragung, wie E-Mobilität, Schweiß- und Härtetechnik, sowie in der Energieversorgung. Es gibt dabei Anwendungen in Reinkupfer, aber auch solche mit Kupferlegierungen. Mit der CEM-Technik der ExAM 255-Anlage von AIM3D, so Christian Stertz, bleiben die Vorteile von Wärme- oder elektrischer Leitfähigkeit auch im 3D-Druck erhalten. Er sieht darin ein Alleinstellungsmerkmal unter den additiven Fertigungsverfahren. Stertz schildert dabei bessere und höhere Leitfähigkeitswerte an der Oberfläche und im Inneren des Bauteils als bei anderen additiven Fertigungsverfahren. Darüber hinaus bietet das CEM-Verfahren Vorteile beim Materialpreis und der Ressourcenschonung.

Projekte in Kupfer bei Schunk

Schunk entwickelte zum Beispiel Induktionshärter (Induktoren) für Zahnräder im Automobilbereich oder für Kettenräder von Kettensägen. Dabei geht es um Induktionshärten eines Bauteils durch partielles Oberflächenhärten für höchste mechanische Anforderungen. Die physikalischen Eigenschaften dieser Kupferbauteile: Dichte ca. 8,5 g/cm³ (rel. ca. 95-96%), bei einer Leitfähigkeit 75-80% (% IACS). Die Dichte erreicht somit Werte, die vergleichbar zu MIM-Verfahren (Metallpulverspritzgießen) sind.

Insbesondere die Dichte des Kupfers hat Auswirkungen auf die Leitfähigkeit, aber auch die mechanischen Eigenschaften, wie Härte oder Verschleißfestigkeit. Stertz betont dabei die Vorzüge dieses AM-Verfahren gegenüber konventionellen Fertigungsstrategien. Die hohe Geometriefreiheit erlaubt innenliegende Kanäle oder Hinterschneidungen. Zudem führen bionische Strukturen zur Gewichts- und Materialeinsparung, die die Funktionalität erhöhen, gleichzeitig aber auch Kosteneinsparungen ermöglichen. Wie bei jedem AM-Verfahren erlaubt CEM von AIM3D das Einsparen von Zerspanungs- und Werkzeugkosten als nicht-formgebundenes Verfahren. Allerdings gilt auch: Das CEM-Verfahren ist für sehr einfache Geometrien und für hohe Stückzahlen eher ungeeignet, da dort bekannte Serienprozesse wie MIM vorteiliger sind.

Markttrends im 3D-Metalldruck

Christian Stertz, Projektleiter Anlagentechnik bei Schunk sieht AM-Potentiale in sehr unterschiedlichen Marktsegmenten:

• Mobility mit Luft und Raumfahrt, Automotive, Bahn oder Schiffsbau, für Antriebteile bis hin zu Designbauteilen auch im Reengineering.
• Medizintechnik mit Prothesen und Instrumenten
• Maschinen- und Anlagenbau
• Werkzeugbau
• Sportgeräte
• Bauindustrie
• Schmuck
• Konsumgüter.

Christian Stertz: „Mit der Weiterentwicklung der Kundenanfragen hinsichtlich neuer Design- und Werkstoffmöglichkeiten, wie zum Beispiel bionisches Design wird sich auch die 3D-Druck-Technologienpalette entwickeln. Es ist abzusehen, dass sich bestimmte Applikationen von bestimmten AM-Verfahren bevorzugt gut bearbeiten lassen. Auch Nischen werden entstehen und ein Wettbewerb zur Nischenverdrängung von „Technologieplatzhirschen“ wird die Technologieentwicklung weiter vorantreiben.“

Hintergrund: 
Composite Extrusion Modeling

Das Composite Extrusion Modeling (CEM-Verfahren) kombiniert den bereits weltweit etablierten Metallspritzgießprozess (MIM-Verfahren) mit den Verfahrenstechniken aus der additiven Fertigung.

Dabei orientiert es sich in den Grundzügen sowohl am Fused Deposition Modeling (FDM-Verfahren), als auch am Selective Laser Melting (SLM-Verfahren) und schafft somit eine optimale Verschmelzung der konventionellen Produktion mit der innovativen additiven Fertigung.

Das Resultat ist ein sehr einfaches Verfahren, welches auf kostengünstigen und breit verfügbaren Spritzgießgranulaten basiert und die Freiheiten der additiven Fertigung ohne Gussformen bietet. Dabei sinken durch das CEM-Verfahren nicht nur die Materialkosten erheblich, auch die Maschinenkosten können drastisch reduziert werden. Bereits bekannte Problemstellungen der Metallfertigung, wie zum Beispiel die Eigenspannungen, werden im CEM-Verfahren deutlich reduziert.


Fused Granulate Modeling

Das Fused Granulate Modeling-Verfahren (FGM) basiert grundsätzlich auf den weit verbreiteten thermoplastischen Schmelzschichtverfahren (FDM/FFF) und gehört damit zu den additiven Fertigungsverfahren.

Der Druckkopf verarbeitet das Granulat dabei zu einem dünnen Schmelzfaden und trägt diesen auf dem Baufeld auf. Durch die automatische Generierung von Stützmaterial lassen sich auf diese Weise auch komplexere Formen umsetzen, um Sonderproduktion oder Prototypenfertigung in der Spritzgießtechnik nutzen zu können. Im Gegensatz zu den gängigen Schmelzschichtverfahren, wie dem Fused Filament Fabrication (FFF), wird beim FGM kein aufwändig produziertes Filament, sondern gängiges thermoplastisches Spritzgießgranulat aus der Serienfertigung verwendet.

Bild oben: CEM-Anlage ExAM 255 von AIM3D in Thale – (v.l.n.r) Daniel Alfonso (Global Business Development – Metal Additive Manufacturing), Christian Stertz (Projektleitung Anlagentechnik), Marcus Trapp (Prozess Manager Schunk), Dennis Grützemann (Bediener Anlagentechnik). Bildquelle: Schunk

Weitere Informationen: https://www.aim3d.de/ und https://www.schunk-group.com/

Erfahren Sie hier mehr darüber, was die Qualität der additiven Fertigung steigert.

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