Hoe metalen onderdelen te 3D-printen met een kunststof SLS-printer

Exploring the Cold Metal Fusion Process Chain

In de wereld van additive manufacturing hebben geavanceerde methoden nieuwe mogelijkheden gecreëerd voor het produceren van complexe metalen onderdelen met precisie en efficiëntie. Cold Metal Fusion is een baanbrekend proces dat gebruikmaakt van een kunststof SLS 3D-printer van Sintratec om metalen componenten te produceren. In dit artikel zullen we u meenemen door de CMF-procesketen, van voorbereiding tot de uiteindelijke metalen onderdelen.

Een lichtgewicht auto-onderdeel voor versnellingen

Om het Cold Metal Fusion (CMF) proces te demonstreren, zullen we een lichtgewicht tandwiel produceren dat wordt gebruikt in de auto-industrie. De complexe geometrie van het onderdeel maakt het een ideaal voorbeeld, aangezien het alleen kan worden geproduceerd met behulp van additive manufacturing. Voor het printen zullen we het Sintratec All-Material Platform gebruiken, samen met de Sintratec S2 en de MCU-160 Build Module. Als onderdeel van het CMF lab systeem hebben we momenteel twee materialen beschikbaar die specifiek zijn ontwikkeld door Headmade Materials voor de SLS technologie: M2 gereedschapsstaal en 17/4PH roestvrij staal. Aangezien 17/4PH een veelvoorkomend materiaal is in de auto-industrie, zullen we dit gebruiken voor ons tandwiel.

Stap 1: Voorbereiding van de Printjob

Net als bij het standaard selectieve lasersintering (SLS) proces, wordt de printjob eerst voorbereid in de Sintratec Central software. Het 3D-model wordt geïmporteerd, gedupliceerd en gerangschikt binnen het beschikbare bouwvolume. Bij het CAD-ontwerp moet rekening worden gehouden met krimp tijdens de sinterfase, die kan variëren afhankelijk van het materiaal – voor 17/4PH is dit 14 procent. Eenmaal ingesteld, wordt de printjob gesliced, geëxporteerd en via USB-drive of lokaal netwerk naar het systeem verzonden. In het Material Handling Station vullen we de poedercontainers van de buildmodule met Headmade’s 17/4PH materiaal, waarbij de hoeveelheid poeder automatisch wordt berekend.

Stap 2: Printen & Ontpoederen

Nadat de buildmodule is gevuld, verplaatsen we deze naar de Fusion Module – in dit geval de Sintratec S2. Met behulp van het touchscreen selecteren we onze printjob en starten we het printproces. Zoals de naam al aangeeft, is het Cold Metal Fusion-proces koud: het poederbed wordt slechts op ongeveer 50°C gehouden, wat aanzienlijk lager is dan bij conventionele polymeren. Dit zorgt voor een zeer stabiel printproces en maakt het mogelijk om al het ongesinterde materiaal opnieuw te gebruiken. Zodra het printen is voltooid, verwijderen we de bouwmodule om de zogenaamde green parts te ontpoederen in het Metal Handeling Station, vergelijkbaar met het proces bij kunststoffen.

Stap 3: Nabewerking

Na het ontstoffen worden de laatste restjes poeder verwijderd in een wasstation met behulp van een waterstraal van 30 bar. Deze stap zorgt niet alleen voor een gladde oppervlakteafwerking en een hoge nauwkeurigheid van het onderdeel, maar ook voor het verwijderen van eventuele resterende poederdeeltjes. Over het algemeen zijn green Parts in de industrie erg broos en moet er voorzichtig mee omgegaan worden. Dat is bij deze green Parts niet nodig en dat is uniek te noemen. Dit komt door het unieke materiaal waarmee geprint wordt, dat bestaat uit een plastic bindermatrix met metalen spikes die eruit steken. Wanneer het plastic component smelt tijdens de printfase, worden alle holtes gevuld, wat resulteert in een zeer hoge sterkte van de green parts.

Stap 4: Ontbinding

Na de nabewerking laden we de green parts op een dienblad en brengen ze naar het debinding station. Zodra de deur gesloten en afgedicht is, wordt de kamer gevuld met een oplosmiddel op basis van aceton bij een geleidelijk toenemende temperatuur. Het oplosmiddel dringt door in de wand van de onderdelen en begint één van de plastic componenten te verwijderen. Na een nacht van debinding halen we onze getransformeerde brown parts uit het station voor verdere verwerking.

Stap 5: Sinteren

Daarna verplaatsen we de zogenaamde brown parts naar de sinteroven. Binnenin wordt de kamer verwarmd tot meer dan duizend graden. Naarmate de temperatuur stijgt, beginnen de metaaldeeltjes samen te smelten tot een dicht metaalonderdeel, waarbij de laatste restjes plastic verbranden. Dit sinterproces duurt ongeveer 10 tot 15 uur, maar blijft hetzelfde ongeacht de grootte van de oven of het aantal onderdelen dat wordt verwerkt. Zodra de metalen onderdelen zijn gesinterd, kunnen ze worden verwijderd en indien nodig verder worden bewerkt.

Het eindresultaat

Nu we klaar zijn, hebben we een puur roestvrijstalen 17/4PH onderdeel in handen. Er blijft geen residu achter van het plastic dat in eerdere stappen is gebruikt. En in vergelijking met conventionele fabricage, zijn deze onderdelen qua mechanische prestaties op hetzelfde niveau – met veel meer vrijheid in ontwerp en complexiteit. In feite produceert het CMF-proces componenten met een uitstekende rek van 13,2% na het harden, wat de MIM-standaarden overtreft. Gecombineerd met de hardware van de CMF Alliance, stelt deze technologie gebruikers in staat porositeit te beheren, bijvoorbeeld koeling kanalen in hun ontwerpen op te nemen en superieure mechanische eigenschappen te behalen. Met deze unieke mogelijkheden stelt het CMF-proces ongetwijfeld een nieuwe standaard in de metaal-AM-sector.