Sintratec: Cold Metal Fusion

Zur Veranschaulichung des Cold-Metal-Fusion-Verfahrens (CMF) wird ein leichtes Zahnrad hergestellt, das in der Automobilindustrie verwendet wird. Die komplexe Geometrie des Teils macht es zu einem idealen Beispiel, da diese nur additiv realisierbar ist. Für den Druck verwenden wir die Sintratec All-Material Platform mit der Sintratec S2 und dem MCU-160 Build Module. Als Teil des CMF-Lab-Systems haben wir derzeit zwei Materialien zur Verfügung, die von Headmade Materials speziell für die SLS-Technologie entwickelt wurden: M2-Werkzeugstahl und 17/4PH-Edelstahl. Da es sich um ein in der Automobilindustrie gängiges Material handelt, werden wir 17/4PH für unser Getriebe nutzen.

Erster Schritt: Druckvorbereitung

Ähnlich wie beim Standardverfahren des selektiven Lasersinterns (SLS) wird der Druckauftrag zunächst in der Sintratec-Central-Software vorbereitet. Das 3D-Modell wird importiert, dupliziert und im verfügbaren Bauvolumen angeordnet. In Bezug auf das CAD-Design muss die Schrumpfung während der Sinterphase berücksichtigt werden, die je nach Material variieren kann – bei 17/4PH beträgt sie 14 Prozent. Nach dem Einrichten wird der Druckauftrag gesliced – 3D-Objekte werden in in 2D-Schichten umgewandelt – exportiert und über einen USB-Stick oder ein lokales Netzwerk an das System gesendet. An der Material Handling Station werden die Pulverbehälter des Build Modules mit dem 17/4PH-Material von Headmade befüllt; die Pulvermenge wird automatisch berechnet.

Drucken und Entpulvern

Sobald das Baumodul gefüllt ist, wird es zum Fusion Module gegeben – in diesem Fall die Sintratec S2. Über den Touchscreen wird der Printjob ausgewählt und der Druckvorgang gestartet. Das Cold-Metal-Fusion-Verfahren ist „kalt“: Das Pulverbett wird nur auf etwa 50 Grad Celsius aufgeheizt, was im Vergleich zu herkömmlichen Polymeren eine tiefe Temperatur ist. Dadurch ist der Druckprozess stabil, und das gesamte, ungesinterte Material kann wiederverwendet werden. Nach Abschluss des Druckvorgangs wird das Build Module entfernt, um die sogenannten Grünteile in der Material Handling Station zu entpulvern, analog zum Polymer-Prozess.

Nachbearbeitung

Nach dem Entpulvern werden die letzten Pulverreste in einer Waschstation mit einem 30-bar-Wasserstrahl entfernt. Dieser Schritt gewährleistet sorgt für eine glatte Oberflächenbeschaffenheit und eine hohe Teilgenauigkeit. Da Grünteile in der Industrie üblicherweise spröde sind, ist eine derart einfache Handhabung und Nachbearbeitung ein Novum. Der Grund dafür ist das ausgeklügelte Material, das aus einer Kunststoff-Bindemittelmatrix mit hervorstehenden Metallspitzen besteht. Wenn die Kunststoffkomponente während der Druckphase schmilzt, werden alle Hohlräume gefüllt, was zu einer hohen Grünteilfestigkeit führt.

Entbindern der Grünteile

Nach der Nachbearbeitung werden die Grünteile auf einem Tablett zur Entbinderungsstation gebracht. Hier wird die Kammer nach dem Schließen und Versiegeln der Tür mit einem Aceton-Lösungsmittel bei graduell steigender Temperatur geflutet. Unter dem Mikroskop betrachtet, dringt das Lösungsmittel in die Wand der Teile ein und beginnt, eine der Kunststoffkomponenten herauszulösen. Nach der Entbinderung über Nacht werden die umgewandelten Braunteile zur weiteren Verarbeitung aus der Station entnommen.

Sintern der Braunteile

Der nächste Bearbeitungsschritt erfolgt im Sinterofen. Die Kammer wird auf gut tausend Grad Celsius aufgeheizt. Mit steigender Temperatur beginnen die Metallpartikel zu einem dichten Vollmetallbauteil zusammenzuwachsen, während die letzten Reste des Kunststoffs verbrennen. Dieser Sinterprozess dauert etwa zehn bis 15 Stunden – ist aber unabhängig von der Größe des Ofens oder der Anzahl der zu verarbeitenden Teile immer gleich. Sobald die Metallteile gesintert sind, können sie entnommen und bei Bedarf weiterverarbeitet werden.

Fertige Teile und Fazit: neue Maßstäbe im Metall-AM-Bereich

Die Bauteile aus reinem 17/4PH-Edelstahl sind nun fertig. Vom zuvor verwendeten Kunststoff sind keine Rückstände mehr vorhanden. Im Vergleich zur konventionellen Fertigung haben diese Teile die gleiche mechanische Leistungsfähigkeit – mit einer vielfach höheren Gestaltungsfreiheit und Komplexität. Tatsächlich können mit dem CMF-Verfahren Komponenten mit einer hervorragenden Bruchdehnung von 13,2 Prozent nach dem Aushärten hergestellt werden, was über den MIM-Standards liegt. In Kombination mit der Hardware der CMF-Allianz ermöglicht diese Technologie den Anwendern, Porositäten zu verwalten, Strömungskanäle in ihre Konstruktionen einzubauen und hervorragende mechanische Eigenschaften zu erzielen. Mit diesen einzigartigen Möglichkeiten setzt das CMF-Verfahren neue Maßstäbe im Metall-AM-Bereich.

Das Verfahren Cold Metal Fusion von Sintratec ist nominiert in der Kategorie Additive Fertigung.