Metal X. Was wie der Name eines populären X-Men-Helden klingt, ist in Wahrheit die neueste Entwicklung in einer Serie von 3D-Druckern des Carbonfaser-Pioniers Markforged.
Auf der CES 2017 sorgte das Start-up, das vor allem für die Einführung von Carbonfaserverstärkungen in der 3D-Printing-Industrie bekannt ist, wieder einmal für eine bahnbrechende Innovation mit einer Analge, die kostenminimal Metallteile im 3D-Druckverfahren herstellen kann. ENGINEERING.com sprach mit Greg Mark, CEO von Markforged, um mehr darüber zu erfahren.
Generative Fertigung durch atomare Diffusion
Mark erklärte, dass der Metal X auf einem Prozess basiert, der den Fügeverfahren durch atomare Diffusion ähnelt und den Markforged als „Atomic Diffusion Additive Manufacturing“ (zu dt. „Generative Herstellung durch atomare Diffusion“), kurz ADAM, bezeichnet. ADAM funktioniert auf der Basis von Stäben, die ein mit einem Kunststoffpulver als Bindemittel versetztes Metallpulver enthalten. Eine Kartusche an diesen Stäben führt das Material dem Drucker zu, der das Objekt dann Schicht für Schicht druckt, indem er den Kunststoff zum Schmelzen bringt, wodurch das aufgetragene Metall sich mit der bestehenden Schicht verbindet.
Nach Abschluss des Prozesses kann das Objekt dann in einem traditionellen Sinterofen nachbearbeitet werden, der den Kunststoff verbrennt und das Metall auf 85 Prozent seiner Schmelztemperatur erhitzt. Das Metall verdichtet sich, das Bauteil schrumpft wie vorgesehen um etwa 20 Prozent, und das Endprodukt ist ein nahezu vollständig dichtes Metallobjekt.
„Im Grunde haben wir uns die Funktionsweise unserer Endlosfaser angesehen“, erklärt Mark den ADAM-Prozess. „Unsere endlosfaserverstärkten Carbonfasern bestehen aus einer Aneinanderreihung von Carbonfasern, umgeben von Kunststoff. Beim Drucken schmilzt man dann das Plastik einfach weg. Wir haben dieses Prinzip auf Metall übertragen. Wir haben ein Metallpulver, das von Natur aus toxisch und leicht entflammbar ist, mit Kunststoff gebunden, was das Material gesundheitlich unbedenklich, leicht zu handhaben und feuerfest macht.“
Dieses Verfahren unterscheidet sich von pulverbasierten Druckprozessen, die Metallpulver mit einem Hochleistungslaser oder Elektronenstrahl verschmelzen. Metallpulver sind oft flüchtig und müssen in einer speziellen Vakuumkammer gehandhabt werden. Nicht nur soll das verwendete Material mit dem Mark X sicher zu handhaben sein, sondern das ADAM-Verfahren soll sogar Design- und Produktionsvorteile haben, die herkömmliche pulverbasierte Prozesse nicht bieten können.
Dem Wesen pulverbasierter Prozesse entsprechend ist es schwierig, vollständig abgedichtete Hohlkörper zu konstruieren. Das Pulver benötigt einen Austrittspunkt (ein Loch), sodass das Pulver nach dem Druck nicht im Inneren des Druckobjekts eingeschlossen ist.
Dieser 3D-gedruckte Bremshebel enthält im Inneren ein geschlossenes Sechskantmuster, das sich durch das gesamte Objekt zieht. (Bild zur Verfügung gestellt mit freundlicher Genehmigung von Markforged)
Da das ADAM-Verfahren ein Bindemittel verwendet, das weggebrannt werden kann, können geschlossene Objekte mit komplexen Innengeometrien, wie z. B. Sechskant-Mustern, gedruckt werden, die das Gewicht eines Bauteils deutlich reduzieren können bei gleichzeitiger Erhaltung der strukturellen Integrität. Mit dem Verfahren können darüber hinaus auch 3D-Drucke von beweglichen Baugruppen erstellt werden. Auf diese Weise ist der Metal X nicht unähnlich dem NanoParticle-Jetting-System (NPJ) von XJet, das 2016 vorgestellt wurde. Beim NPJ wird auch ein Bindemittel verwendet, das während des Sinterprozesses verbrannt wird.
Nach dem Sintern können mit dem Metal X gedruckte Teile regulär nachbearbeitet werden, wie jedes andere herkömmliche Metallobjekt. Mark betonte, dass die Teile problemlos nachbearbeitet und durch die weiche Konsistenz des Bindemittels vor dem Sintern sogar vorsichtig nassgeschliffen werden können, und die Objekte nach der Erhitzung im Ofen ihre glatte Oberfläche behalten.
Anwendung des Metal X
Markforged zufolge ist der Metal X 3D-Drucker der erste Metall-3D-Drucker mit einem Preis von unter 100.000 $. Dies mag sogar den Tatsachen entsprechen, da die meisten 3D-Metalldrucker deutlich über diesem Preisniveau liegen. Die Schichtauflösung des Systems, 50 Mikrometer, ist vergleichbar mit den meisten 3D-Druckern auf Pulverschmelzbasis. Die Teile haben eine Dichte zwischen 95 und 99 Prozent, je nach verwendetem Sinterofen, sodass sie im Wettbewerb mit Sinteranlagen, die auf direkter Metall-Laserung basieren, konkurrenzfähig sind.
Ein 3D-gedrucktes Metall-Zahnrad. (Bild zur Verfügung gestell mit freundlicher Genehmigung von Markforged.)
Laut Mark ist das System bislang für den 3D-Druck mit den US-Edelstahlklassen 17-4 und 303 geeignet. Das Unternehmen hat angekündigt, dass sich weitere Metallanwendungen bereits in der Entwicklung befinden, darunter Werkzeugstahl für den Spritzguss der Klassen A-2-, D-2- und M-2, sowie Aluminium der 6061 und 7075 und Titanium des Typs 6AL 4V.
Mark glaubt, dass der Werkzeugstahl die “Killer-App” des Metal X werden wird. Warum Markforged ausgerechnet eine Verbrauchermesse für die Einführung eines industriellen 3D-Druckers auswählte, erklärte er folgendermaßen: „Auf dieser Messe basiert alles, was Sie sehen, auf Kunststoff-Spritzguss und wird auf den tollsten und großartigsten Spritzgussanlagen der Welt hergestellt. Doch die Gussformen müssen aufwändig hergestellt werden über einen Zeitraum von etwa zwei bis vier Monaten- ein äußerst umständlicher und langwieriger Prozess. Der Metal X kann diese Gussform in etwa eineinhalb Tagen drucken.“ Dann fügt er hinzu: „Man kann eine 20 Jahre alte Spritzgussform nehmen, einen hochwertigen 3D-Druck-Einsatz hineinlegen und eine Anlage so in weniger als einer Woche umrüsten.“
Produktdaten des Metal X
Der 3D-Drucker Metal X. (Bild zur Verfügung gestellt mit freundlicher Genehmigung von Markforged.)
Der Metal X hat einen ähnlichen Rahmen wie der Mark X, sein Vorgänger für den industriellen Druck von Karbonfasern zum Preis von 69.000 $. Er hat eine beachtliche Druckkammer von 250mm x 220mm x 200mm (9.8 in x 8.7 in x 7.9 in), enthält eine eingebaute Kamera und läuft auf der cloud-basierten Eiger Software-Plattform von Markforged.
Der Metal X verfügt außerdem über die gleiche Realtime-Qualitätskontrolle, die mit dem Mark X auf den Markt gebracht wurde. Dieses Qualitätskontrollsystem ist einzigartig und verwendet einen Laser, um Objekte während des Druckprozesses oder nach dem Drucken auf Maßgenauigkeit zu überprüfen.
Der Versand für das neue System beginnt im September mit der genannten Edelstahlkompatibilität, aber Mark versicherte uns, dass andere Materialkompatibilitäten sehr bald nach Markteinführung zur Verfügung gestellt würden. Der Preis des Metal X beginnt bei 99.500 $, exklusive des notwendigen Ofens, den Mark zufolge ein Großteil der Firmen meistens bereits besitzt.
Ein interessantes Feature ist, dass alle Markforged-Systeme als upgrade-fähige Pakete erhältlich sind. Während der Onyx One, der für den 3D-Druck von gehäckseltem Carbonfaserfilament geeignet ist, für 3.499 $ erhältlich ist, kann er für weitere 3.499 $ für den glasfaserverstärkten 3D-Druck aufgerüstet werden. Diese Anlage kann dann weiter zum Mark Two oder Mark X aufgerüstet werden, um mit endlosverstärkter Carbonfaser drucken zu können. Und wenn Sie mit all diesen Funktionen ausreichend zufrieden sind und das nötige Kleingled aufbringen können, dann können Sie den Mark X und den Metal X in einem gemeinsamen Paket zum Preis von 149.000 $ erwerben.
Mehr Infos über den Metal X finden Sie auf der Webseite von Markforged.
