Definieren, wann Filament

3. Februar 2023

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Abb. 1 Die drei Phasen der MEX- und MIM-Verarbeitung (Aus Artikel: „Additive Manufacturing of Metal Filament: When It Can Replacement Metal Injection Moulding“ von A Quarto und C Giardini, veröffentlicht in Progress in Additive Manufacturing, 21. September 2022, 10 Seiten. )

In den letzten Jahren gab es eine Reihe von Fortschritten bei den additiven Metallfertigungstechnologien, die sie zu attraktiven Alternativen sowohl zu subtraktiven Fertigungsverfahren als auch zu Endform- oder endkonturnahen Verfahren wie der Pulvermetallurgie und dem Metallspritzguss machen. Dies gilt insbesondere für Metallkomponenten mit höherer Komplexität, die von Möglichkeiten zur Gewichtseinsparung profitieren würden und ein relativ geringes Teilevolumen erfordern. Es ist bekannt, dass MIM in der Lage ist, hochkomplexe Formen und in den erforderlichen Produktionsmengen unter Verwendung einer breiten Palette von Metallen und Legierungen herzustellen, um die gewünschte Teileleistung und -kosten zu erzielen. Allerdings gilt MIM im Hinblick auf Energie und Investitionen in Produktionsausrüstung und Werkzeuge als relativ teuer. Im Wettbewerb mit MIM stehen eine Reihe von Metall-AM-Verfahren, aber viele davon, wie beispielsweise Laser Beam Powder Bed Fusion (PBF-LB), verbrauchen ebenfalls viel Energie mit oft langen Produktionszeiten und gelten nicht als geeignet für minderwertige Teile oder für hohe Stückzahlen.

Ein Metall-AM-Prozess, der die Aufmerksamkeit der Hersteller auf sich zieht, ist die Materialextrusion (MEX), der ISO/ASTM-Begriff für den Prozess, der in der besprochenen Arbeit als Metal-ME bezeichnet wird, aufgrund seiner Flexibilität und seines Potenzials zur Herstellung komplexer Formen mit im Vergleich geringeren Investitionskosten mit MIM. MEX wurde kürzlich für die Extrusion von Metallfilamenten angepasst – zum Beispiel AISI 316L und 17-4 PH, wobei der Ausgangsstoff für die Filamente 80 Gew.-% Edelstahl mit einem Polymergehalt von 20 Gew.-% umfasst, was ein einfaches Drucken ermöglicht. MEX teilt mit MIM auch einen gemeinsamen Schritt in der Produktionskette – nämlich das Entbindern und Sintern. Die beiden Verfahren sollen in der Lage sein, komplexe Geometrien und Teile mit hoher Dichte (98,7 % für MEX und 99,2 % für MIM) herzustellen und mehrere verschiedene Metalle und Legierungsmaterialien zu verwenden.

Um mehr Informationen darüber zu erhalten, welches der beiden Verfahren das beste kommerzielle Potenzial hat, hat die Universität Bergamo, Dalmine, Italien, eine Studie durchgeführt, die darauf abzielte, ein Kostenmodell für ein ausgewähltes, von MEX und MIM hergestelltes Teil zu entwickeln. Das Modell umfasste die Bewertung der Produktionskostentrends der MEX- und MIM-Prozesse und untersuchte, wie diese Prozesse durch unterschiedliches Verhalten als Funktion des Produktionsvolumens und der Anzahl der in einem einzelnen Produktionszyklus erhaltenen Teile gekennzeichnet sein können. Die Ergebnisse dieser Studie wurden in das in Progress in Additive Manufacturing veröffentlichte Papier „Additive Fertigung von Metallfilamenten: Wann es das Metallspritzgießen ersetzen kann“ aufgenommen. Die Autoren der Studie – Mariangela Quarto und Claudio Giardini – erklärten, dass, obwohl MIM und Obwohl MEX erfolgreich zur Herstellung eines bestimmten Teils eingesetzt werden kann, müssen die wirtschaftlichen Aspekte wie der Zeit-, Geld- und Ressourcenaufwand (einschließlich Energie) im Zusammenhang mit der gesamten Produktionskette berücksichtigt werden. Die Ergebnisse ihrer Studie haben es daher ermöglicht, ein Modell für die Untersuchung der Stückkosten, der Produktivitätsrate und der Dummy-Zeit (DT) zu entwickeln. Die Dummy-Zeit gibt an, wie viele Stunden theoretisch für die Herstellung eines einzelnen Teils erforderlich sind.

Die Prozesskette für die beiden Herstellungsverfahren ist in Abb. 1 dargestellt und umfasst drei Stufen. In der ersten Phase entstehen hauptsächlich Kosten im Zusammenhang mit der Zeit, die für die Konstruktion des Produkts und/oder der Form (für MIM) und für die Definition des Werkzeug-/Düsenpfads (für MEX) aufgewendet wird. Diese Kosten gelten als versteckte Kosten (mit Ausnahme der im MIM verwendeten Form, die in den Verbrauchsmaterialkosten enthalten ist). Die zweite Stufe umfasst die eigentliche Teileproduktion bis zum Grünteilstadium und die dritte Stufe wird im Kostenmodell weggelassen, da die gleiche Art von Material verwendet wird und das gleiche externe Unternehmen das Entbindern und Sintern durchführt und daher über dasselbe verfügen wird kosten.

Schon in der ersten Phase wird deutlich, dass die Zeitspanne von der Konzeption des Teils bis zum Produktionsstart bei MEX deutlich kürzer ist und 2-3 Tage benötigt, um den Werkzeug-/Düsenpfad für die additive Fertigung zu definieren. Für MIM ist der Prozess länger, da der Entwurf, die Optimierung (auch durch Simulationen) und die Realisierung der Form Grundvoraussetzungen sind. Diese Tätigkeiten können bei nicht sehr komplexen Teilen zwischen 10 und 15 Arbeitstagen dauern und können länger dauern, wenn die Komplexität der Komponenten und damit der Form zunimmt. Die Autoren gaben an, dass die Dauer eng mit den Anforderungen des entworfenen Teils zusammenhängt.

Die Autoren gaben weiter an, dass eine zentrale Herausforderung bei der Komponentenkonstruktion und -produktion die Gewichtsreduzierung oder die Verbesserung der Kühlung kritischer Komponenten sei. Eine Reihe von Forschern haben als Beispiel Turbinenschaufeln verwendet, indem sie eine Hohlstruktur zur Gewichtsreduzierung und externe Mikrolöcher zur Verbesserung der Kühlung erzeugt haben. Sowohl MEX als auch MIM gelten als geeignete Technologien für die Turbinenschaufelfertigung. Allerdings ermöglicht nur MEX die Herstellung hohler Turbinenschaufelteile in einem einzigen Prozess, während ähnliche hohle Merkmale mit dem MIM-Prozess nicht realisiert werden könnten und die Mikrolöcher zur Verbesserung der Kühlung der Teile eine zusätzliche Mikro-EDM-Bearbeitung erfordern würden.

Das Design der in dieser Studie verwendeten Turbinenschaufel aus 316L-Edelstahl ist in Abb. 2 dargestellt. Die in Abb. 2 (a)) hergestellte Turbinenschaufel mit Kühllöchern und innerer Hohlstruktur unter Verwendung von MEX führte zu einer Masse-/Volumenreduzierung von 24 %. Die Autoren gaben an, dass es ohne zusätzliche Bearbeitungsprozesse unmöglich wäre, die gleichen inneren Hohlräume und Kühllöcher in der MIM-Turbinenschaufel herzustellen.

Tabelle 1 zeigt die wichtigsten Daten, die in das Kostenmodell eingefügt wurden. Wie in Abb. 3 sowohl für MEX als auch für MIM zu sehen ist, führt die Erhöhung von Nord (definiert als die Größe der Kundenbestellung) zu einer Reduzierung der Stückkosten (UC), wodurch eine monoton fallende Kurve entsteht. Für MEX ist ersichtlich, dass der erste Teil der Kurve durch einen schnellen Rückgang der Kosten bei steigendem Produktionsvolumen gekennzeichnet ist, was einen nahezu horizontalen asymptotischen Trend darstellt (dh die Kosten werden annähernd konstant). Anders verhält es sich beim MIM-Verfahren, das durch einen langsamer fallenden Trend gekennzeichnet ist. Im vergrößerten Bereich, der in Abb. 3(a) dargestellt ist, ist die Umkehrung des wirtschaftlichen Nutzens für die beiden Technologien offensichtlich.

Abb. 3 Stückkosten (UC) – (a) Produktivitätsrate (PR) – (b) und Scheinproduktionszeit (DT) – (c) für den MEX- und den MIM-Prozess bei Variation des Produktionsvolumens

Eine zweite Kostenanalyse untersuchte die Anzahl der in einem Arbeitsgang produzierten Teile. Bei der additiven MEX-Fertigung reduziert sich durch die Einrichtung mehrerer Teile auf derselben Platte die Gesamtzeit, während die Kosten konstant bleiben. Für MIM führt die Erhöhung der Anzahl der Formkavitäten nicht zwangsläufig zu einer Reduzierung der Produktionskosten, sondern zu einer erheblichen Verkürzung der Produktionszeiten. MIM-Turbinenschaufeln erfordern jedoch eine weitere Mikro-EDM-Bearbeitung der externen Kühllöcher und die MIM-Teile können nicht hohl hergestellt werden, um Gewichtseinsparungen zu erzielen. Das Ergebnis ist, dass mit der Notwendigkeit, den Mikro-EDM-Bearbeitungsprozess für die Kühllöcher zu verwenden, die Kostenkurve für MIM nach oben geht und die Autoren in der Lage waren, ein Fenster zu zeichnen, das die maximalen und minimalen Kosten des kombinierten Prozesses definiert. Zu diesem Zeitpunkt wurde anhand der Daten der Kostenstudie deutlich, dass MEX unabhängig vom Produktionsvolumen die kostengünstigere Lösung darstellt.

www.springer.com/journal/40964

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