Werkstoffspezialist Schunk als Entwicklungspartner von AIM3D – Interview

Werkstoffspezialist Schunk, unter anderem Anbieter von Serienfertigungen im Bereich Metallpulverpressen und -spritzgießen, erweiterte seine Expertise am Standort Thale nun als Dienstleister im 3D-Metalldruck. Die Erweiterung der Metallspritzgießprozesskette im Bereich Additive Manufacturing bringt Vorteile bei Anwendungen mit bionischen Konstruktionen und Optimierung der Topologie. Bauteilcharakteristika und Wirtschaftlichkeit erfordern im 3D-Metalldruck unterschiedliche Verfahrenstechnologien bzw. Fertigungsstrategien. So erweiterte Schunk im Jahre 2020 seine Kompetenz mit dem CEM-Verfahren (Composite Extrusion Modeling) durch eine Multimaterial-3D-Druckanlage ExAM 255 von AIM3D.

Entwicklungspartnerschaft von Schunk und AIM3D umfasst drei strategische Ansätze. So hat die Kooperation die Ziele der Materialentwicklungen (wie z.B. Kupferwerkstoffe und Nickelbasiswerkstoffe), Weiterentwicklung der Anlagentechnik (z.B. Extruderkühlung oder Vakuumspanntisch) sowie Marketing und Akquisition für Schunk als Lieferant für 3D-Metallteile ab Losgröße 1. Schwerpunkte bilden hierbei Rapid Prototyping und Kleinserien, die für die konventionelle Sintertechnik eine zu geringe Stückzahl aufweisen. Einen Entwicklungsschwerpunkt bilden Kupfer-Bauteile im 3D-Druck.

3D-Metalldruck mit Kupfer

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. Das Spektrum der Branchen und Applikationen ist jedoch breit: 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. Es gibt dabei Anwendungen in Reinkupfer, aber auch solche mit Kupferlegierungen.

Mit der CEM-Technik der ExAM 255-Anlage von AIM3D, so Christian Stertz, Projektleiter Anlagentechnik bei Schunk, bleiben die Vorteile von Wärme- oder elektrischer Leitfähigkeit auch im 3D-Druck erhalten. Er sieht darin ein Alleinstellungsmerkmal unter den additiven Fertigungsverfahren. Stertz schildert dabei bessere und höhere Leitfähigkeitswerte an der Oberfläche und im Inneren des Bauteils als bei anderen additiven Fertigungsverfahren. Auch bietet das CEM-Verfahren Vorteile beim Materialpreis und der Ressourcenschonung.

Projekte in Kupfer bei Schunk

Schunk entwickelte beispielweise Induktionshärter (Induktoren) für Zahnräder im Automobilbereich oder für Kettenräder von Kettensägen. Dabei geht es um Induktionshärten eines Bauteils durch partielles Oberflächenhärten für höchste mechanische Anforderungen. 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 zu MIM-Verfahren (Metallpulverspritzgießen) sind. Insbesondere die Dichte des Kupfers hat Auswirkungen auf die Leitfähigkeit, aber auch die mechanischen Eigenschaften, wie Härte oder Verschleißfestigkeit. Stertz betont die Vorzüge dieses AM-Verfahren gegenüber konventionellen Fertigungsstrategien. Die hohe Geometriefreiheit erlaubt innenliegende Kanäle oder Hinterschneidungen. Zudem bionische Strukturen zur Gewichts- und Materialeinsparung, die die Funktionalität erhöhen, gleichzeitig aber auch Kosteneinsparungen ermöglichen. Wie bei jedem AM-Verfahren ermöglicht CEM von AIM3D das Einsparen von Zerspanungs- und Werkzeugkosten als nicht-formgebundenes Verfahren. Allerdings gilt auch: Das CEM-Verfahren ist für sehr einfache Geometrien und für hohe Stückzahlen eher ungeeignet, da dort bekannte Serienprozesse wie MIM vorteiliger sind.

Interview mit Christian Stertz über 3D-Kupferanwendungen bei Schunk

Warum ist das CEM-Verfahren von AIM3D für Sie so interessant?

Stertz: Generell bietet jedes AM-Verfahren gegenüber konventionellen Fertigungsstrategien Vorteile in der Konstruktion, aber auch auf der Kostenseite. Konstruktiv mit bionischen Geometrien und kostenseitig bei Materialverbrauch und durch eine werkzeuglose Fertigung. Das CEM-Verfahren von AIM3D erzielt hohe Dichten, Härtegrade und Leitfähigkeitswerte beim Werkstoff Kupfer, die andere AM-Verfahren so nicht abbilden können. Zudem handelt es sich bei der CEM-Anlagentechnik mit einer ExAM 255 von AIM3D um einen Multi-Material-Drucker. Wir können also auch an Mehrkomponenten-3D-Bauteile denken.

Welche Potenziale sehen Sie für 3D-Kupfer-Anwendungen?

Stertz: Kupfer und Kupferlegierungen werden für spezielle elektronische und thermische Anforderungen zukünftig eine wichtige Rolle im MIM- und AM-Geschäft bei Schunk spielen. Lagerwerkstoffe, wie z.B. Bronze oder Messing, sind ebenfalls denkbar. Additive Manufacturing dient hierbei als Einstiegstechnologie: AM kann sowohl Prototypen, als auch Klein- bzw. Vorserien liefern. Zudem reduziert diese Fertigungsstrategie den Entwicklungsaufwand bei Designoptimierungen, also Redesign oder Reengineering, und bei der Variantenvielfalt von Kupferbauteilen.

Welche Anwendungen sind dies konkret?

Stertz: Im Prinzip sind es drei Gruppen: 1. Anwendungen mit guter elektrischer Leitfähigkeit im Bereich E-Mobility, wie z.B. elektrische Kontaktaufnehmer, E-Motor-, Spulen- und Transformatorkomponenten. 2. Anwendungen mit guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit im Bereich Anlagenbau, wie z.B. in der Schweiß- und Härtetechnik, innengekühlte Induktoren beim Induktionshärten partieller Strukturen, wie bei Kettenradverzahnungen, aber auch spezifisch geformte Schweißkontakte/ -backen mit innenliegender Kühlung. 3. Anwendungen mit guten Gleiteigenschaften, wie z.B. Gleitlager mit geringen Stückzahlen.

Wie schätzen Sie die Marktbedeutung von 3D-Kupfer-Bauteilen zukünftig ein?

Natürlich ist dieser Markt ein Nischenmarkt. Für bestimmte Anwendungen ergeben sich einige Vorteile durch bionische Konstruktionen im Reengineering. Die zukünftigen AM-Bauteile sehen nicht nur anders aus in der Geometrie, sondern sie leisten funktional mehr, z. B. in Bezug auf die Verschleißfestigkeit. Ich denke aber nicht nur an Rapid Prototyping, sondern auch an den Ersatzteilmarkt. Bei Ersatzteilen kann so, bei geringen Stückzahlen über einen sehr langen Zeitraum, eine Liefersicherheit ohne Werkzeuge sichergestellt werden. Zudem werden auch Mehrkomponenten-Bauteile möglich. Perspektivisch sehe ich funktionale und mechanische Optimierungen von Bauteilen, da eine große Legierungsvielfalt zahlreiche neue Ideen ermöglicht.

Gibt es weitere Werkstoffgruppen, die für Schunk interessant sind?

Wir stehen in Bezug auf additive Fertigungsstrategien erst am Anfang. Auch die Maschinen- und Anlagentechnik hat noch hohe Entwicklungspotentiale. Wir bei Schunk sehen natürlich nicht nur Potential bei Kupferbasiswerkstoffen. Auch niedrig- und hochlegierte Stähle oder Nickelbasiswerkstoffe, wie z.B. Inconel oder Hastelloy-X spielen eine Rolle, wie auch die Kobaltbasiswerkstoffe. Derzeit liegt unser Schwerpunkt weniger bei Aluminium- und Titanlegierungen, aber alle metallischen Hochleistungswerkstoffe sind zukünftig von hoher Bedeutung.

Der Artikel basiert auf Pressematerial von AIM3D.