Der 3D-Druck von Metallen hat das Potenzial, die metallverarbeitende Branche stark umzukrempeln. Extrem haltbare Materialien, leichte Bauteile, hohe Lebensdauer und vor allem schnelle und kostengünstige Designanpassungen: Der Metall-Druck bringt zahlreiche Vorteile mit sich. In diesem Newsletter erfährst du alle Details zum FDM-Metall-3D-Druck, wie verfügbare Materialien, Konstruktionsrichtlinien und mehr, damit du dein Projekt optimal planen kannst.

Das Verfahren für FDM-Metall-3D-Druck beruht auf der bekannten Technik Fused Deposition Modeling, ergänzt durch ein Sinterverfahren, um die Metallteile auszuhärten. Wichtig zu wissen: Die Verfahren FDM (Fused Deposition Modeling) und FFF (Fused Filament Fabrication) sind technisch identisch.

So funktioniert die additive Fertigungstechnologie FDM für Metalle
Beim Fused Deposition Modeling wird das zu verarbeitende Material in Filamentform über einen Extruder dem Hot End zugeführt. Dort wird es eingeschmolzen und anschließend über eine Düse in der gewünschten, durch die CAD-Datei definierten Geometrie auf ein Druckbett aufgetragen. Schicht für Schicht entsteht im Arbeitsraum das Bauteil – bisher aus Kunststoff. Der FDM-Metall-3D-Druck funktioniert gleichermaßen. Auch hier wird der Werkstoff in Filamentform zugeführt, geschmolzen und in Schichten auf das Druckbett aufgetragen. Das Ultrafuse®-Filament-Material besteht aus Metallpulver, das mit Bindemitteln aus Polyoxymethylen (POM) zusammengehalten wird. 

Nach Beendigung des 3D-Drucks ist das sogenannte „Grünteil“ entstanden. Das Grünteil entspricht weitestgehend dem späteren Fertigteil, enthält aber noch die Bindemittel, die im nächsten Schritt entfernt werden müssen. Das „Entbindern“ wird in hochautomatisierten Öfen durch eine katalytische Säurebedampfung durchgeführt. Während des Prozesses werden rund 90 % des Bindemittels entfernt und das Bauteil verliert in etwa 10,5 % seines Gewichts. Das Ergebnis des Entbinderns ist das „Braunteil“. 

Das Braunteil wird nun einem weiteren Produktionsschritt unterzogen: dem Sintern. Beim Sintern wird das Material durch Hitze oder Druck verdichtet und zu einer festen Materialmasse geformt. Die Sinter-Temperatur ist bei diesem Prozess immer unterhalb der Schmelztemperatur des verwendeten Metalls, damit sich dieses nicht verflüssigt. Der Prozess startet bei 250 °C und ist bei 600 °C abgeschlossen. Das Braunteil schrumpft nochmals um 16 % in der X- und Y-Achse, in der Z-Achse um 20 %. 

Nach dem Sintern ist das Metallteil fertig. Anschließend kann es je nach Anwendungszweck noch durch Perlenstrahlen und Polieren nachbearbeitet werden. 

Schrumpfung und Skalierung beim FDM-Metall-3D-Druck
Wie du dir denken kannst, ist der Schrumpfprozess eine entscheidende Phase für das perfekte Bauteil. Die Schrumpfung des gedruckten Metallteils während des Sinterns kann sehr präzise vorhergesagt werden. Nach der ersten Iteration beträgt die Genauigkeit bereits 0,4 Millimeter, nach dem anschließenden Rescaling ist es realistisch, Toleranzen von 0,2 bis 0,25 Millimetern einzuhalten. Bei Serienfertigungen werden in der Regel zunächst ein bis zwei Iterationen durchgeführt, so dass auch Toleranzen von bis zu 0,1 Millimetern erzielt werden können. 

Wichtig zu wissen: Die Konstruktion des Bauteils erfolgt immer in der Originalgröße. Das heißt, die 3D-Druckdatei muss genau dem fertigen Bauteil entsprechen. Die Skalierungsparameter werden bei der Verarbeitung beim Druckpartner durch die Druckersoftware entsprechend berechnet.

Ultrafuse®-FDN-Metall-3D-Druck im direkten Vergleich mit anderen Technologien
Beim unserem 3D-Druckservice sind Ultrafuse®-Edelstahl-Materialien von BASF Forward AM erhältlich. Im direkten Vergleich zu anderen Metalldrucktechnologien wie dem Binder Jetting oder DMLS/SLM bietet FDM mit Ultrafuse® leicht entfernbare Support-Strukturen und ein sehr einfaches Material-Handling. Deshalb sind die Kosten der Bauteile auch deutlich geringer als zum Beispiel aus dem SLM-3D-Druck. Sie können je nach Konstruktion und Anzahl der Teile bis zu 50 % günstiger sein. Ein Unterschied besteht in der Genauigkeit: Falls sehr exakte Toleranzen benötigt werden, ist der SLM-Metall-Druck dem FDM vorzuziehen. 

Ein weiterer Vorteil des FDM-Metall-3D-Drucks ist die Möglichkeit, geschlossene Teile mit Infills zu erzeugen. Bei Pulverbett-Technologien wie dem SLM ist dies nicht möglich, da eine kleine Öffnung zum Entfernen des Pulvers notwendig ist. 

Welche Technologie für die Fertigung eines Bauteils die optimale ist, lässt sich nicht pauschal beantworten. Dies ist abhängig von der Konstruktion und den Eigenschaften, die das fertige Bauteil aufweisen muss.

Die Materialien: Ultrafuse®-Edelstahl
Ultrafuse®-3D-Druck-Materialien haben sich für Metallbauteile als überaus geeignet erwiesen. Die folgenden Materialien sind verfügbar:

| Ultrafuse® 316L (vergleichbar mit Edelstahl 1.4404)
Das Metall hat eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit. Es ist deshalb perfekt geeignet für Anwendungen in feuchter und salzhaltiger Umgebung. Mögliche Anwendungen sind Rohrverbindungen, Ersatzteile z. B. für Verpackungsanlagen, Werkzeuge, Vorrichtungen und Halterungen.

Technische Eigenschaften:
|  Zugfestigkeit (ISO 6892-1): 760 MPa
|  Bruchdehnung (ISO 6892-1): 4 %
|  Streckgrenze Rp 0.2 (ISO 6892-1): 700 MPa
|  Vickers-Härte (ISO 6507-1): 352 HV 10
|  Zugfestigkeit: hoch (>80 MPa)

| Ultrafuse® 17-4 PH (vergleichbar mit Edelstahl 1.4542)
Der Edelstahl weist höhere mechanische Eigenschaften und eine höhere Härte auf. Die Härte wird durch eine Wärmebehandlung erreicht. Das Material eignet sich zum Beispiel für Maschinenteile, Ersatzteile, Werkzeuge, Lehren und Vorrichtungen. 

Technische Eigenschaften:
|  Zugfestigkeit (ISO 6892-1): 561 MPa
|  Bruchdehnung (ISO 6892-1): 53 %
|  Streckgrenze Rp 0.2 (ISO 6892-1): 251 MPa
|  Schlagzähigkeit Charpy (gekerbt) (ISO 148-1): 111 kJ/m2
|  Vickers-Härte (ISO 6507-1): 128 HV10
|  Schlagzähigkeit: mittel (53–139 J/m)
|  Zugfestigkeit: hoch (>80 MPa)

Konstruktionsrichtlinien für FDM-Metall-3D-Druck-Bauteile
Bei der Konstruktion von Metallkomponenten aus Ultrafuse® für die additive Fertigung sind einige Regeln zu beachten. Wichtig sind folgende Grundlagen:

|  Beim Entbindern/Sintern gibt es technisch bedingte Größenbeschränkungen. Ziel der Konstruktion sollten daher Bauteile mit maximal 100 x 100 x 100 Millimetern Größe sein. Falls du größere Teile benötigst, bitte individuell abklären.

|  Bitte erstelle deine Konstruktion immer in Originalgröße des Bauteils (die Zugabe für die Schrumpfung wird durch den Druckpartner im Druckprozess berechnet).

|  Löcher in Bauteilen, die größer als 10 Millimeter sind, bitte immer in Tropfenform konstruieren. So werden Stützstrukturen vermieden.

|  Scharfe Kanten an den Bauteilen können zu Spannungsrissen führen. Besser sind Fasen oder Radien an den Kanten der Konstruktion.

|  Der Schwerpunkt des Bauteils entscheidet über die finale Form. Lege den Schwerpunkt daher so, dass er möglichst tief in Richtung Druckplattform ausgerichtet ist.

|  Konstruiere Wandstärken mit mindestens 1,2 Millimetern, im Idealfall ein Vielfaches von 0,4 mm (Größe der Düse). Dicke Wandstärken bieten im Sinterprozess deutliche Vorteile.

|  FDM mit Ultrafuse®-Filamenten ermöglicht die Herstellung von Metallteilen mit einer leichten Innenstruktur. Durch geschickte Konstruktion der Infills kann hier deutlich Gewicht gegenüber komplett gefüllten Bauteilen eingespart werden.