Cold Metal Fusion

Das ColdMetalFusion-Verfahren, auch CMF genannt, ist eine sinterbasierte 3D-Drucktechnologie für die Serienproduktion von Metallbauteilen.^{[1][2][3][4][5]} Dieser neue Industriestandard basiert auf etablierten und zuverlässigen Technologien wie SLS-3D-Druck, Lösungsmittelentbinderung, Sintern und Nachbearbeitung. Das ColdMetalFusion-Verfahren wurde von der Headmade Materials GmbH entwickelt.

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Die CMF-Technologie ermöglicht die wirtschaftliche Produktion von 100 bis zu 1.000.000 Bauteilen pro Jahr – ohne Einschränkungen bei der Materialauswahl oder Einbußen in der Bauteilqualität. CMF wurde entwickelt, um 3D-Druck nahtlos in bestehende Fertigungs-prozesse zu integrieren. Statt neue, teure Maschinen zu benötigen, basiert das Verfahren auf einem etablierten Ökosystem aus bewährten Maschinen und Prozessen. Der Druck erfolgt auf gängigen SLS-Systemen für Kunststoff-3D-Druck, die von verschiedenen Herstellern erhältlich sind.

3D-Druck mit ColdMetalFusion

Der 3D-Druck eröffnet völlig neue Gestaltungsmöglichkeiten und führt zu besseren Produkten – gleichzeitig bleibt er eine anspruchsvolle Technologie. Metall-3D-Druck wird seit Jahren genutzt, macht jedoch nur einen kleinen Teil des gesamten Fertigungsmarktes aus. Die führende Technologie, das Pulverbettfusionsverfahren (Powder Bed Fusion, PBF), wird von zahlreichen Anbietern angeboten. Allerdings verhindern hohe Teilekosten, begrenzte Materialverfügbarkeit und ein geringer Teileausstoß die breite Markteinführung von PBF und damit die Serienproduktion. Hier setzt ColdMetalFusion an: Diese sinter-basierte 3D-Drucktechnologie ist speziell für die wirtschaftliche Serienfertigung von Metallbauteilen konzipiert.

Die Merkmale von ColdMetalFusion im Überblick:

• 3D-Druck von Metallbauteilen auf weit verbreiteten Laser-Sinter-Anlagen für Kunststoffe (SLS)
• Ausgereifte Maschinentechnik von verschiedenen Anbietern
• Keine Bauplattform und Stützstrukturen für den 3D-Druckprozess erforderlich (im Vergleich zum Powder Bed Fusion-Verfahren)

• Hohe Produktivität und niedrige Kosten für die Serienproduktion von bis zu 1.000.000 Bauteilen pro Jahr^[6]
• Vollständige Wiederverwendbarkeit von unverarbeitetem Rohmaterialpulver
• Hohe Grünteilfestigkeit ermöglicht automatische Entpulverungslösungen und eine effiziente Handhabung in einer Produktionsumgebung
• Prozesskompatibilität zum MIM-Entbinder- und Sinterprozessen

• Teileigenschaften (Dichte, Streckgrenze, Zugfestigkeit, Dehnung) erfüllen oder übertreffen die ASTM- und ISO-Normen und sind mit MIM-Verfahren vergleichbar
• Viele Werkstoffe aus der Pulvermetallurgie können verwendet werden
• Niedrige Verarbeitungstemperatur („Cold Metal“) spart Zeit und Energie. Eine Wärmebehandlung nach dem Druck ist nicht erforderlich.

Das ColdMetalFusion-Verfahren

Das ColdMetalFusion-Verfahren ist ein sinterbasiertes 3D-Druckverfahren, das das SLS-Druckverfahren, das für die Serienproduktion von Kunststoffteilen verwendet wird, mit dem seit Jahrzehnten in der Pulvermetallurgie eingesetzten Entbinderungs-/Sinterverfahren, kombiniert.

Kernstück der ColdMetalFusion-Technologie ist ein spezielles Ausgangsmaterial. Der Feedstock enthält Metallpulver, das in eine Kunststoffbindermatrix integriert ist. Das Feedstock-Pulver ist für den Einsatz auf einer SLS-Anlage und den Entbinderungs- und Sinterungsprozess ausgelegt. Da die Metallpartikel in eine Bindermatrix integriert sind, können nicht nur CMF-Pulver, sondern auch klassische Polymerpulver mit der gleichen Maschine verarbeitet werden. Die notwendige Fließfähigkeit des Feedstocks für den 3D-Druckprozess wird durch das Bindersystem gewährleistet.

Der ColdMetalFusion-Prozess besteht aus mehreren Schritten:

Schritt 1: CAD-Datei

Die CAD-Datei wird um die zu erwartende Schwindung hochskaliert. Das Upscaling hängt vom verwendeten Material ab, ist aber mit dem MIM-Verfahren vergleichbar. Die Schwindung für Edelstahl 316L und Titan Ti6Al4V beträgt beispielsweise ~ 12 % und führt zu einer geringen Schwindung im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren. Eine geringere Schwindung erweitert die Designmöglichkeiten (Überhänge usw.) erheblich.

Schritt 2: SLS-3D-Druck

Das Bauteil wird auf einer Laser-Sinter-Anlage für Kunststoffe (SLS) Schicht für Schicht aufgebaut. Durch Schmelzen des Ausgangsmaterials entsteht ein Grünteil. Das Kunststoff-Bindemittel wird bei niedriger Temperatur (<80 °C) geschmolzen. In der Regel reichen bereits 50° Celsius aus, was die Aufheiz- und Abkühlzeit deutlich minimiert. Das Prozessfenster erlaubt zudem den Betrieb in nahezu jeder Umgebung, ohne dass eine externe Kühlung erforderlich ist. Die niedrige Prozesstemperatur minimiert auch die Belastungen für das SLS-System und führt zu geringem Verschleiß, d. h. zu einer geringeren Amortisation über eine längere Maschinenlebensdauer. Diese SLS-Systeme sind weithin zu erschwinglichen Preisen erhältlich. Außerdem sind im Bauprozess selbst keine Stützkonstruktionen erforderlich, so dass die Bauteile frei im Bauprozess platziert werden können.

Schritt 3: Entpulverung und Reinigung

Der fertige Bauauftrag wird dann entpulvert und gereinigt. Das Entpulvern wird auch Entpacken genannt und findet statt, sobald das Pulverbett abgekühlt ist. Beim Entpulvern wird das lose und nicht geschmolzene Pulver um die Grünteile herum entfernt. Da CMF-Teile eine sehr hohe Grünteilfestigkeit aufweisen, kann das Entpulvern mit Druckluft oder Wasserstrahl automatisiert werden.

Der Rest des losen Pulvers kann vollständig für den nächsten Bauauftrag wiederverwendet werden, wodurch der Abfall minimiert und der ökologische Fußabdruck verbessert wird. Automatisierte Entpulverungslösungen werden derzeit von der Rösler Gruppe (AM Solutions) entwickelt.

Schritt 4: Grünteilnachbearbeitung

Die hohe Grünteilfestigkeit erleichtert nicht nur das Entpulvern, sondern ermöglicht auch die Nachbearbeitung der Grünteile vor dem Sintern.^[7][8][9] Die Grünteilnachbearbeitung ist ein entscheidender Faktor, der die ColdMetalFusion-Technologie für die Serienfertigung attraktiv macht. Dank der hohen Grünteilfestigkeit können präzise und effiziente Bearbeitungsverfahren wie Fräsen, Schleifen oder Bohren durchgeführt werden – Prozesse, die im finalen Metallbauteil mit erheblichem Zeit- und Kostenaufwand verbunden wären. Besonders bei schwer zerspanbaren Materialien wie Titan und Inconel bietet sich diese Möglichkeit an, da sie eine wirtschaftlichere Fertigung erlaubt.

Obwohl optional, verbessert die Grünteilbearbeitung die Produktionseffizienz erheblich. Sie ermöglicht kostengünstige Anpassungen, etwa die Integration feinster Details oder die Verbesserung der Oberflächenqualität in einem frühen Prozessstadium. Etablierte Verfahren, darunter automatisierte Oberflächenbehandlungen, tragen nicht nur zu einer verbesserten Oberflächenqualität bei, sondern erhöhen auch die Prozesssicherheit.

Die Grünteile von ColdMetalFusion sind deutlich stabiler als von vergleichbaren Alternativen und ermöglichen konsistente und wiederholbare Ergebnisse. Diese Möglichkeit macht ColdMetalFusion zur idealen Lösung für industrielle Anwendungen, die Präzision und Kosteneffizienz erfordern.

Oberflächengüten im Überblick

• As print: Im unbehandelten Zustand erreichen ColdMetalFusion-Bauteile eine Rauheit von Ra 12–15 µm.
• AutoSmooth: Das automatisierte Strahlverfahren erzielt eine gleichmäßige Rauheit von Ra 3–4 µm, selbst bei komplexen Geometrien. Der AutoSmooth-Prozess entfernt Treppeneffekte effektiv, wodurch in den meisten Fällen keine zusätzliche Nachbearbeitung nach dem Sintern erforderlich ist. Dies spart Zeit und reduziert Prozesskosten erheblich.
• Spanende Bearbeitung: Mit präzisem Fräsen lassen sich Oberflächenqualitäten realisieren, die über die Ergebnisse des AutoSmooth-Verfahrens hinausgehen. Besonders Funktionsflächen profitieren von der hohen Präzision und Wiederholgenauigkeit.

Die Oberflächenbearbeitung ist jedoch immer von der Geometrie des Bauteils abhängig. Besonders gut zugängliche Flächen können optimal nachbearbeitet werden, während schwer zugängliche Bereiche spezielle Anpassungen erfordern können.

Anwendungen bei denen die Grünteilnachbearbeitung den Unterschied macht

Die Grünteilnachbearbeitung bietet klare Vorteile in verschiedenen Anwendungsbereichen:

• Funktionsflächen: Bereits im Grünteilstadium können Oberfläche und Bauteilgeometrien bearbeitet werden. Dadurch wird die Bearbeitung des finalen Bauteils auf ein Minimum reduziert und beschränkt sich häufig auf eine Feinschlichtbearbeitung oder entfällt vollständig.
• Hochpräzise Komponenten: Anwendungen mit Anforderungen an Planarität, dünne Wandstärken oder feine Details profitieren von der Möglichkeit, diese frühzeitig und kosteneffizient umzusetzen.
• Leichtbau und Medizintechnik: Performance Metalle wie Titan oder Inconel, die in der Luftfahrt und Medizintechnik eingesetzt werden, lassen sich präzise und zeitsparend bearbeiten, wodurch diese Sektoren erheblich profitieren.

Schritt 5: Lösemittel-Entbinderung

Die gereinigten Grünteile werden dann mit einem Lösungsmittel entbindert. Die Lösemittelentbinderung erfolgt in einem temperaturgesteuerten Lösemittel. Beim Entbindern wird ein Teil des Bindemittelsystems bei ca. 30–40° Celsius vom Grünteil abgelöst, so dass ein sogenanntes Braunteil entsteht, das noch eine hohe Bauteilfestigkeit aufweist. Die Lösemittelentbinderung ist ein kostengünstiges und ökologisches Verfahren, das in der Pulvermetallurgie seit vielen Jahren eingesetzt wird. Die Lösungsmittel werden nach Gebrauch destilliert und können unbegrenzt wiederverwendet werden, um einen geschlossenen Produktionskreislauf zu schaffen und die Umwelt nicht zu belasten.

Schritt 6: Sintern

Nach dem Entbindern erfolgt der Sinterschritt, um ein vollwertiges Metallbauteil zu erhalten. Der Ofen wird langsam auf die Sintertemperatur aufgeheizt, während die geringe Menge des verbleibenden Kunststoffbinders (1–3 %) bei mittlerer Temperatur rückstandslos verbrennt. Bei der Sintertemperatur des Metalls verschmelzen die Metallteilchen miteinander und bilden ein dichtes, festes Metallteil. Die Teile schwinden in der X/Y/Z-Achse gleichmäßig, im Beispiel des rostfreien Stahls 316L um etwa 12 %. Das gesinterte Bauteil weist in der Regel eine Dichte von 97–99 % auf. Sinterverfahren sind in der pulvermetallurgischen Industrie bekannt und weit verbreitet.

Schritt 7: Nachbearbeitung

Das gesinterte Metallteil kann mit verschiedenen Nachbearbeitungsverfahren wie z. B. Schleifen, Polieren, Sandstrahlen und Eloxieren veredelt werden. Die Teile können problemlos durch heißisostatisches Pressen (HIP) oder Wärmebehandlung behandelt werden, um die gewünschte Dichte und Gefügestruktur zu erreichen. Die Oberflächenbeschaffenheit kann je nach Kundenanforderung gewählt werden.

Pulver-Handling

Die Handhabung von reinem Metallpulver erfordert sehr hohe Sicherheitsvorkehrungen, um Gesundheitsschäden oder Brände und Explosionen zu vermeiden. Die Verwendung von Legierungen mit Nickel- oder Titanpulvern wird daher oft vermieden. Auch hier schafft die ColdMetalFusion-Technologie Abhilfe, da das Feedstock-Pulver das darunter liegende Metallpulver in eine Binder-Matrix einbindet. Die Agglomeration von Metallpulvern reduziert die notwendigen Sicherheitsanforderungen und vereinfacht das Pulver-Handling erheblich.

Merkmal Metallbauteil

Für die weitere Verbreitung des 3D-Drucks ist es wichtig, marktübliche Eigenschaften von Metallteilen zu erreichen. Da das ColdMetalFusion-Verfahren eine ähnliche Prozesskette wie die Pulver-Metallurgie-Verfahren verwendet, sind die Eigenschaften der Metallteile durchaus vergleichbar.

Für pulvermetallurgische Legierungen gibt es in ASTM und ISO genormte Teileigenschaften. Die mit der ColdMetalFusion-Technologie hergestellten Metallteile erfüllen und übertreffen diese Normen.

Während des 3D-Drucks wird nur das Bindemittel geschmolzen und bildet das Grünteil. Dies ist wichtig, um die Materialeigenschaften des Metallteils nicht zu verändern, wie es bei anisotropen Gefügestrukturen, die in PBF-Prozessen entstehen, der Fall ist. Der Gefügeschliff eines ColdMetalFusion-Probekörpers aus Edelstahl 316L zeigt eine feine, gleichachsige, isotrope Gefügestruktur, wie es von anderen pulvermetallurgischen Verfahren bekannt ist.

Die mit dem ColdMetalFusion-Verfahren erreichte Dichte hängt vom Material, dem Druck- und dem Sinterverfahren ab, beträgt jedoch in der Regel >97 % für Edelstahl 316L und bis zu 100 % für Flüssigphasenlegierungen. Durch Optimierung der Prozess-Schritte für jedes Metallteil ist eine wiederholbare Dichte von bis zu 99 % möglich.

Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität sind einer der meistdiskutierten Aspekte von 3D-gedruckten Teilen, und es gibt immer noch Unterschiede im Vergleich zu Metallteilen, die durch Fräsen oder Metallspritzguss hergestellt werden. Metallteile, die mit der ColdMetalFusion-Technologie hergestellt werden, ermöglichen eine Maßhaltigkeit von etwa ±100 µm, wobei die Optimierung der Konstruktions- und Prozessparameter sogar noch höher ist.

Wenn noch mehr Maßhaltigkeit erforderlich ist, kann das Grünteil vor dem Sintern oder das Metallteil nach dem Sintern nachbearbeitet werden. Die Oberflächenqualität ist vergleichbar mit anderen 3D-Druckteilen wie Powder Bed Fusion (PBF) oder Binder Jetting (BJT). Wenn eine bessere Oberflächenqualität gewünscht wird, ist auch hier eine Nachbearbeitung des Grünteils vor dem Sintern oder des Metallteils nach dem Sintern möglich. Mit Hilfe von Bearbeitungs- und Polierverfahren lassen sich die Anforderungen an die Oberflächenqualität oft erfüllen.

Die Eigenschaften der mit der ColdMetal-Fusion-Technologie hergestellten Metallbauteile entsprechen denen der zugrunde-liegenden Legierung und sind ähnlich wie bei anderen pulvermetallurgischen Verfahren. Das bedeutet auch, dass eine Wärmebehandlung oder ein Spannungsarmglühen, die bei anderen 3D-Drucktechnologien häufig notwendig sind, um innere Spannungen im Bauteil zu reduzieren, nicht notwendig sind. Die Härte des Metallteils wird durch die zugrunde liegende Legierung und das Sinterverfahren bestimmt, nicht aber durch das 3D-Druckverfahren. Derzeit ist eine Härte von bis zu 56 HRC (materialabhängig) ohne Nachbearbeitungsschritte möglich.

Metallteile, die in bestimmten Anwendungsbereichen (z. B. Luft- und Raumfahrt) eingesetzt werden, werden häufig durch heißisostatisches Pressen (HIP) nachbearbeitet. Natürlich ist dies auch bei Metallteilen möglich, die mit der ColdMetalFusion-Technologie hergestellt werden, um die Dichte und die Gefügestruktur des Metallteils zu verbessern. Empfohlen wird, das Design und die Parameter des Bauteils zu optimieren, um einen solchen zusätzlichen Nachbearbeitungsschritt zu vermeiden.

Metalle und Legierungen

Das Ausgangsmaterial ist das Herzstück des ColdMetalFusion-Verfahrens und verbindet die bestehenden Ökosysteme des 3D-Drucks und der Pulvermetallurgie. Für die ColdMetalFusion-Technologie steht das gesamte Materialspektrum der Pulvermetallurgie zur Verfügung. Dazu gehören nicht nur Stahllegierungen, sondern auch Hartmetalle, Schwermetalle und Superlegierungen. Da die Metallpulver in eine plastische Bindemittelmatrix integriert werden, sind kugelförmige Partikel oder die Fließfähigkeit der primären Metallpulver nicht unbedingt erforderlich. Als Primärpartikel können kantige Partikel, grobe Pulver oder feine Pulver zwischen 10 und 60 µm verwendet werden. Die Ausgangsmaterialien sind zunächst so konzipiert, dass sie auf einem bestehenden Ökosystem industrialisierter Maschinen und etablierter Produktionsprozesse verarbeitet werden können.

Verfügbare Materialien:

• Rostfreier Stahl 316L
• Rostfreier Stahl 17-4PH
• Werkzeugstahl M2
• Titan Ti6Al4V
• Wolfram-Legierungen
• Inconel 625

Kundenindividuelle Materialien können entwickelt und für den CMF-Prozess qualifiziert werden.

Wesentliche Vorteile für die Anwender

Bislang ist der 3D-Druck meist auf die Herstellung komplexer Metallbauteile für Prototypen und Kleinserien beschränkt. Die ColdMetalFusion-Technologie ist bewusst auf die wirtschaftliche Serienproduktion von bis zu 1.000.000 Teilen ausgelegt, bietet aber auch bei kleineren Serien Vorteile. Die Anwendungsbereiche lassen sich in drei große Kategorien einteilen.

1. Die wirtschaftliche Herstellung von Metallteilen von der Kleinserie bis zur Großserie. Insbesondere für erste Prototypen sind PM-Verfahren wie MIM aufgrund der hohen Werkzeugkosten in diesem Bereich oft nicht wirtschaftlich.
2. Komplexe Bauteile, für die PM-Verfahren aufgrund von werkzeugbedingten Einschränkungen der Gestaltungsfreiheit nicht geeignet sind. Auch für diese Teile ist mit dem ColdMetalFusion-Verfahren eine wirtschaftliche Produktion von bis zu 1.000.000 Bau-teilen pro Jahr möglich.
3. Bauteile, die aus speziellen Legierungen bestehen, können auch in kleinen Stückzahlen und mit weniger komplexen Designs wirtschaftlich gedruckt werden. Dies gilt insbesondere, wenn sich das gewünschte Material, wie etwa Titan, nur schwer mit Standardverfahren wie Fräsen bearbeiten lässt. Durch die Nachbearbeitung im Grünteil werden Zeit und Kosten für die Herstellung von Teilen erheblich reduziert.

Pulvermetallurgische Verfahren wie MIM sind oft durch Werkzeugkonstruktion und Sinterbeschränkungen in Größe und Gewicht der Bauteile limitiert. Als Faustregel gilt, dass die maximale Teilegröße auf die Größe einer Faust und ein Gewicht von einigen hundert Gramm begrenzt ist. ColdMetalFusion baut das Bauteil Schicht für Schicht auf, die Beschränkungen, die sich aus dem Werkzeugdesign und dem Spritzgussverfahren ergeben, gelten nicht. Es ist daher möglich, viel größere Teile zu bauen. Natürlich gibt es immer noch die Einschränkung des Sinterns, die aber mit dem richtigen Teiledesign abgemildert werden kann. Die Herstellung komplexer Teile mit einer Höhe von mehr als 25 cm oder einem Gewicht von einigen Kilogramm ist möglich.

Das Design von AM-Teilen ist einer der wichtigsten Faktoren für die breite Einführung von AM in der Industrie. Die Möglichkeit, Teile mit neuen Merkmalen und einem optimierten Design zu entwerfen, wird zu mehr Funktionen und besseren Produkten für die Endverbraucher führen. Aber natürlich gibt es auch einige konstruktive Einschränkungen bei der Verwendung des Cold-MetalFusion-Verfahrens. Die Wandstärke sollte mindestens 1,0 mm bis maximal 25,0 mm betragen, um eine ausreichende Stabilität zu gewährleisten, aber auch um eine kurze Entbinderungszeit sicherzustellen. Zu große Überhänge sollten vermieden werden, da diese die Stabilität während des Sinterprozesses einschränken. Notwendige Überhänge können durch den Druck von Sinterstützstrukturen verringert werden.

Verfügbarkeit der Maschinen

Das ColdMetalFusion-Verfahren stützt sich hauptsächlich auf eine SLS-Anlage, eine Entbinderungsanlage und einen Sinterofen. Diese Maschinen sind weltweit von verschiedenen Anbietern in unter-schiedlichen Größen erhältlich und lassen sich flexibel an spezifische Anforderungen anpassen. Es sind keine Anpassungen oder Änderungen an den Maschinen erforderlich. Der Maschinenpark ist skalierbar, flexibel und ermöglicht eine kosteneffiziente Serienproduktion von Metallteilen.

SLS-Systeme für den 3D-Druck von Grünteilen gibt es in fast allen Größen und Preisklassen, vom Desktop bis zur Produktionsanlage. Das ColdMetalFusion-Verfahren ist auf verschiedenen Anlagen unterschiedlicher Hersteller mit unterschiedlichen Spezifikationen (Laser, Beschichter etc.) erprobt.

Das ColdMetalFusion-Verfahren wird von jeder zukünftigen Leistungssteigerung der SLS-Systeme profitieren und weiter an Wettbewerbsfähigkeit gewinnen, wie z. B. durch wesentlich schnellere Flächenlasersysteme.

Für das ColdMetalFusion-Verfahren ist keine spezielle Software erforderlich, es kann jede verfügbare Standardsoftware verwendet werden. Dazu gehören CAD, Slicer sowie Sintersimulationen.

Entbinderungsanlagen für die Lösemittelentbinderung gibt es in fast jeder Größe. Der Verschleiß und die Betriebskosten von Entbinderungsanlagen sind sehr gering.

Sinteröfen werden für pulvermetallurgische Prozesse verwendet und sind je nach Bedarf von verschiedenen Anbietern vom Labor- bis zum Produktionsmaßstab erhältlich.

Wirtschaftliche Serienproduktion

Das ColdMetalFusion-Verfahren ermöglicht die kosteneffiziente Herstellung von Metallteilen mit Eigenschaften ähnlich anderer pulvermetallurgischer Verfahren. Der skalierbare Maschinenpark erlaubt die Anpassung der Prozesskette an spezifische Anforderungen – vom Desktop bis zur Serienproduktion, einzigartig in der additiven Fertigung. Aufgrund der vergleichsweise geringen Maschinenkosten sind Fixkosten und Investitionsrisiko deutlich niedriger als bei anderen Metall-3D-Druckverfahren mit hohen Vorabinvestitionen.

Die Nachbearbeitungskosten von 3D-gedruckten Teilen sind immer noch einer der größten Kostenblöcke bei der Herstellung von Metallteilen. Viele typische Schritte wie Vernetzung, Wärmebehandlung oder das Entfernen von Stützstrukturen entfallen bei ColdMetalFusion, was Kosten, Komplexität und Produktionszeit^[10] reduziert.