Metall-3D-Druck Vergleich von Fused Layer Modeling (FLM) mit Metal Injection Moulding (MIM)

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Seit einigen Jahren ist es möglich, Metallbauteile auch im Fused Layer Modeling (FLM) herzustellen. Seine Grenzen und Qualitätsmerkmale im Vergleich zum Metallpulverspritzguss haben nun Forscher am Fraunhofer IPA ausgelotet.

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Qualifikationsmuster aus Edelstahl, die mit dem Fused Layer Modelling (FLM) hergestellt wurden.
Qualifikationsmuster aus Edelstahl, die mit dem Fused Layer Modelling (FLM) hergestellt wurden.
(Bild: Fraunhofer IPA)

Das Metal Injection Moulding (MIM), zu Deutsch Metallpulverspritzguss, kommt vor allem in der Automobilindustrie und bei Medizintechnik-Herstellern zum Einsatz und ist auf die Großserienproduktion ausgelegt. Für jedes Bauteil ist eine entsprechende Werkzeugform nötig, deren Fertigung teuer und langwierig ist. Ergebnis des Metallpulverspritzgusses ist ein sogenannter Grünkörper, ein Vorprodukt mit leicht überdimensionierten Abmessungen, der dann im nachgelagerten Entbinder- und Sinterprozess auf die gewünschten Maße zusammenschrumpft. Für die Herstellung von Kleinserien und Einzelstücken ist das MIM-Verfahren jedoch unwirtschaftlich.

FLM-Verfahren mit Metall-Filamenten als Alternative

Forscher vom Zentrum für Additive Produktion am Fraunhofer IPA haben deshalb zusammen mit der ML3D GmbH Edelstahl-Bauteile mittels Fused Layer Modeling (FLM) hergestellt und untersucht. Beim FLM-Verfahren wird der Grünkörper mit einem kostengünstigen 3D-Drucker aus einer Mischung aus Metallpulver und Polymerbinder gefertigt. Der Kunststoffanteil wird beim anschließenden Entbindern entfernt. Erst im Sinterofen verdampfen auch die letzten Polymerreste und die zurückbleibenden Metallpulverpartikel werden versintert.

Die Untersuchung des FLM-Metallbauteils ergab:

  • Der Größe und Komplexität der mit FLM produzierten Metallbauteile sind die gleichen Grenzen gesetzt wie bei der Herstellung von Bauteilen aus Kunststoff.
  • Die Limitationen des MIM-Verfahrens sind vergleichbar. Bei beiden Produktionsverfahren können während der thermischen Nachbehandlung Risse auftreten, wenn die Wandstärke größer als 10 mm ist.
  • Die Schrumpfung des Grünkörpers im Entbinder- und Sinterofen ist ähnlich stark ist wie beim MIM-Verfahren. Allerdings fällt die Schrumpfung in Aufbaurichtung verfahrensbedingt höher aus als die in der Baufläche.
  • Die erreichbare Dichte fällt nach dem Sintern beim FLM-Verfahren etwas geringer aus.
  • Die Zugfestigkeit, besonders in der Schichtaufbaurichtung, fällt deutlich geringer aus.
  • Für große Stückzahlen erzielt der MIM-Prozess verhältnismäßig niedrige Stückkosten, bei kleineren Losgrößen ist der FLM-Prozess vorteilhafter. Im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren wie etwa dem selektiven Laserschmelzen ist FLM aufgrund der geringen Material- und Anlagenkosten eines der wirtschaftlichsten.

Großes Potenzial für wirtschaftliche Nutzung

Überschaubare Kosten, ungefährliche Handhabung des Materials und verhältnismäßig einfacher Prozess: Das FLM-Verfahren besitzt im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren großes Potenzial für die wirtschaftliche Nutzung. Die ML3D GmbH will die Erkenntnisse aus dem gemeinsamen Projekt mit dem Fraunhofer IPA umsetzen und das FLM-Verfahren einführen.

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