Composite Extrusion Modeling (CEM) AIM3D und Schunk kooperieren beim 3D-Druck mit Kupfer

Der Werkstoffspezialist und Fertigungsdienstleister Schunk hat 2020 seine Kompetenzen durch das CEM-Verfahren (Composite Extrusion Modeling) von AIM3D erweitert. Seitdem entwickeln die beiden Unternehmen Materialien und Anlagentechnik weiter. Erste Ergebnisse liegen jetzt vor.

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Hohe Fertigungstiefe: 3D-Metalldruck-Prozesskette bei Schunk
Hohe Fertigungstiefe: 3D-Metalldruck-Prozesskette bei Schunk
(Bild: Schunk)

Schunk bietet seit 2020 neben Serienfertigungen im Bereich Metallpulversintern und -spritzgießen (MIM) auch den Metall-3D-Druck an. Am Standort Thale wurde dafür die Multimaterial-3D-Druckanlage ExAM 255 von AIM3D installiert. Sie arbeitet nach dem CEM-Verfahren (Composite Extrusion Modeling). Seitdem besteht eine Entwicklungspartnerschaft zwischen Schunk und AIM3D.

Das Ziel der Kooperation zwischen Schunk und AIM3D umfasst drei strategische Ansätze:

  • Materialentwicklungen (wie z.B. Kupferwerkstoffe und Nickelbasiswerkstoffe),
  • Weiterentwicklung der Anlagentechnik (z.B. Extruderkühlung oder Vakuumspanntisch) und
  • Marketing und Akquisition für Schunk als Lieferant für 3D-Metallteile ab Losgröße 1.

Einen Entwicklungsschwerpunkt bilden Kupfer-Bauteile im 3D-Druck.

3D-Druck mit Kupfer mittels CEM-Verfahren

Die 3D-Bauteilentwicklung in Kupfer hat für Schunk eine strategische Dimension, da nur wenige Anbieter am Markt auftreten. Das leitfähige Material ist für bestimmte Bauteile der Elektroindustrie von Interesse. Die Anwendungen sind jedoch breiter gefächert: So gibt es Applikationen mit Fokus auf Thermomanagement, vorrangig im Maschinen- und Anlagenbau. Und es gibt Applikationen mit Fokus auf verlustarmer Energieübertragung, wie E-Mobilität, Schweiß- und Härtetechnik, sowie in der Energieversorgung. Dabei gibt es Anwendungen in Reinkupfer, aber auch solche mit Kupferlegierungen.

Wie Composite Extrusion Modeling funktioniert

Das CEM-Verfahren kombiniert den Metallspritzgussprozess (MIM-Verfahren) mit dem Fused Deposition Modeling (FDM-Verfahren). Dabei wird nur der Kunststoffanteil aus dem MIM-Granulat aufgeschmolzen. Das durch Kunststoff gebundene Metallpulver formt so einen Grünling, der im weiterführenden Prozess vom Kunststoff entbindert und abschließend gesintert wird. Dadurch verbinden sich die Metallpartikel auf molekularer Ebene und bilden ein stabiles Metallteil. Die durch das Verfahren bedingte Schrumpfung kann durch eine einfache Skalierung der Druckgeometrie berücksichtigt werden.

Wie Schunk mitteilt, bleiben mit der CEM-Technik der ExAM-255-Anlage die Vorteile von Wärme- oder elektrischer Leitfähigkeit auch im 3D-Druck erhalten. Es könnten bessere und höhere Leitfähigkeitswerte an der Oberfläche und im Inneren des Bauteils im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren erzielt werden. Auch biete das CEM-Verfahren Vorteile beim Materialpreis und der Ressourcenschonung.

Umgesetzte Projekte zeigen Vorteile von CEM

Bauteilbeispiel Kupfer: Demonstrator Kupferkühlung im ¾ Schnitt
Bauteilbeispiel Kupfer: Demonstrator Kupferkühlung im ¾ Schnitt
(Bild: AIM3D)

Schunk entwickelte beispielweise Induktionshärter (Induktoren) für Zahnräder im Automobilbereich oder für Kettenräder von Kettensägen. Die physikalischen Eigenschaften dieser Kupferbauteile: Dichte ca. 8,5 g/cm³ (rel. ca. 95-96%), bei einer Leitfähigkeit 75-80% (% IACS). Die Dichte erreicht damit Werte die vergleichbar zum MIM-Verfahren sind.

Insbesondere die Dichte des Kupfers hat Auswirkungen auf die Leitfähigkeit, aber auch die mechanischen Eigenschaften, wie Härte oder Verschleißfestigkeit. Die hohe Geometriefreiheit erlaube laut Schunk innenliegende Kanäle oder Hinterschneidungen. Zudem seien bionische Strukturen zur Gewichts- und Materialeinsparung möglich, die die Funktionalität erhöhen, gleichzeitig aber auch Kosten einsparen. Wie bei jedem AM-Verfahren ermöglicht auch CEM das Einsparen von Zerspanungs- und Werkzeugkosten als nicht-formgebundenes Verfahren. Nach Angaben von Schunk ist das CEM-Verfahren jedoch für sehr einfache Geometrien und für hohe Stückzahlen eher ungeeignet, da dort bekannte Serienprozesse wie MIM vorteihafter seien.

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