Wir alle haben schon mal Sandburgen am Strand gebaut: mächtige Mauern, majestätische Türme, Gräben voller Haie. Wenn es dir so geht wie mir, wirst du staunen, wie gut ein bisschen Wasser zusammenhält – zumindest so lange, bis dein großer Bruder auftaucht und sie in einem Anfall zerstörerischer Freude umwirft.
Auch der Unternehmer Dan Gelbart verwendet Wasser zum Verbinden von Materialien, allerdings ist seine Konstruktion weitaus haltbarer als ein Strandspektakel für ein Wochenende.
Als Präsident und Gründer von Rapidia Tech Inc., einem Anbieter von 3D-Metalldrucksystemen in Vancouver, British Columbia, und Libertyville, Illinois, hat Gelbart ein Verfahren zur Teileherstellung entwickelt, das die zeitaufwändigen Schritte konkurrierender Technologien eliminiert und gleichzeitig die Entfernung von Stützstrukturen erheblich vereinfacht.
Außerdem ist das Zusammenfügen mehrerer Teile nicht schwieriger, als sie einfach in etwas Wasser einzuweichen und zusammenzukleben – selbst bei Teilen, die mit traditionellen Fertigungsmethoden hergestellt wurden.
Gelbart erörtert einige grundlegende Unterschiede zwischen seinen wasserbasierten Systemen und solchen, die Metallpulver mit einem Wachs- und Polymeranteil von 20 bis 30 Vol.-% verwenden. Rapidia-Doppelkopf-Metall-3D-Drucker erzeugen eine Paste aus Metallpulver, Wasser und einem Harzbindemittel in Mengen von 0,3 bis 0,4 %.
Aus diesem Grund, erklärte er, entfällt der bei konkurrierenden Technologien notwendige Entbinderungsprozess, der oft mehrere Tage dauert, und das Teil kann direkt in den Sinterofen geschickt werden.
„Die anderen Verfahren gehören größtenteils zur etablierten Spritzgussindustrie (MIM), die von ungesinterten Teilen einen relativ hohen Polymeranteil verlangt, um deren Entformung zu erleichtern“, erklärte Gelbart. „Die für den 3D-Druck benötigte Polymermenge ist jedoch sehr gering – in den meisten Fällen genügt ein Zehntel Prozent.“
Warum also Wasser trinken? Ähnlich wie bei unserem Beispiel mit der Sandburg, die zur Herstellung von Paste (in diesem Fall Metallpaste) verwendet wird, hält das Polymer die Teile beim Trocknen zusammen. Das Ergebnis ist ein Bauteil mit der Konsistenz und Härte von Straßenmalkreide, das robust genug ist, um die Nachbearbeitung, eine schonende Bearbeitung (obwohl Gelbart eine Nachbearbeitung nach dem Sintern empfiehlt), die Montage mit Wasser und anderen unfertigen Teilen sowie das Brennen im Ofen zu überstehen.
Durch den Verzicht auf die Entfettung können auch größere, dickwandigere Teile gedruckt werden, da bei der Verwendung von mit Polymer imprägnierten Metallpulvern das Polymer nicht „ausbrennen“ kann, wenn die Teilewände zu dick sind.
Gelbart erklärte, ein Anlagenhersteller fordere Wandstärken von maximal 6 mm. „Nehmen wir an, Sie fertigen ein Bauteil in der Größe einer Computermaus. In diesem Fall müsste der Innenraum entweder hohl oder mit einem Gittergewebe versehen sein. Das ist für viele Anwendungen ideal, selbst wenn geringes Gewicht das Ziel ist. Wenn jedoch Festigkeit erforderlich ist, wie beispielsweise bei einer Schraube oder einem anderen hochfesten Bauteil, sind Pulverspritzguss (MIM) oder Metallpulverspritzguss (MIM) in der Regel nicht geeignet.“
Ein frisch gedrucktes Foto eines Verteilers zeigt die komplexen Innenteile, die ein Rapidia-Drucker herstellen kann.
Gelbart hebt noch einige weitere Merkmale des Druckers hervor. Die Kartuschen mit Metallpaste sind nachfüllbar, und Benutzer, die sie zum Nachfüllen an Rapidia zurücksenden, erhalten Punkte für das nicht verwendete Material.
Es stehen verschiedene Materialien zur Verfügung, darunter Edelstahl 316 und 17-4PH, INCONEL 625, Keramik und Zirkonoxid sowie Kupfer, Wolframcarbid und weitere, in der Entwicklung befindliche Werkstoffe. Stützmaterialien – das Geheimnis vieler Metalldrucker – ermöglichen das Drucken von Substraten, die sich von Hand entfernen oder „verdampfen“ lassen. Dadurch eröffnen sich Möglichkeiten für ansonsten nicht reproduzierbare Innenstrukturen.
Rapidia ist seit vier Jahren am Markt und steht, wie man zugibt, noch ganz am Anfang. „Das Unternehmen lässt sich Zeit, um die Probleme zu beheben“, sagte Gelbart.
Bislang haben er und sein Team fünf Systeme installiert, darunter eines im Selkirk Technology Access Center (STAC) in British Columbia. Forscher Jason Taylor nutzt das Gerät seit Ende Januar und hat viele Vorteile gegenüber mehreren bereits vorhandenen 3D-Druckern des STAC festgestellt.
Er wies darauf hin, dass die Möglichkeit, Rohteile vor dem Sintern mit Wasser zu verkleben, großes Potenzial birgt. Er kennt sich auch mit den Problemen der Entfettung aus, einschließlich der Verwendung und Entsorgung von Chemikalien. Obwohl Geheimhaltungsvereinbarungen Taylor daran hindern, Details seiner Arbeit preiszugeben, ist sein erstes Testprojekt etwas, woran viele von uns denken könnten: ein 3D-gedruckter Stab.
„Es ist perfekt geworden“, sagte er lächelnd. „Wir haben die Oberfläche fertiggestellt, die Löcher für die Welle gebohrt, und ich benutze es jetzt. Wir sind von der Qualität der Arbeit mit dem neuen System beeindruckt. Wie bei allen Sinterteilen gibt es etwas Schrumpfung und sogar leichte Ausrichtungsfehler, aber die Maschine ist ausreichend. Wir können diese Probleme im Design stets ausgleichen.“
Der Additive Report konzentriert sich auf den Einsatz additiver Fertigungstechnologien in der realen Produktion. Hersteller nutzen heute 3D-Druck zur Herstellung von Werkzeugen und Vorrichtungen, und einige setzen additive Fertigung sogar für die Serienproduktion ein. Ihre Erfolgsgeschichten werden hier vorgestellt.