Metal Binder Jetting gehört zu den produktivsten Technologien der additiven Fertigung. Doch bevor aus einem gedruckten Grünteil ein einsatzfähiges Metallbauteil entsteht, durchläuft es einen entscheidenden Prozessschritt: das Sintern.

Genau hier liegt eine der größten Herausforderungen des Verfahrens. Während des Sinterns schrumpfen die Bauteile erheblich und verformen sich teilweise durch ihr Eigengewicht. Um dennoch präzise Bauteile mit engen Toleranzen fertigen zu können, hat Desktop Metal die Simulationssoftware Live Sinter™ entwickelt.

Warum schrumpfen Binder Jetting Bauteile?

Nach dem Druck und dem anschließenden Entbindern wird das Bauteil auf eine Temperatur knapp unterhalb des Schmelzpunkts des Metallpulvers erhitzt.

Während dieser Phase verschmelzen die einzelnen Metallpartikel miteinander und bilden eine dichte Struktur. Erst jetzt entstehen die gewünschten Materialeigenschaften wie Festigkeit, Härte und Dichte.

Gleichzeitig schließen sich die Hohlräume zwischen den Metallpartikeln. Die Folge: Das Bauteil schrumpft. Typischerweise beträgt die lineare Schrumpfung bei Metallbauteilen etwa 20 Prozent. Das bedeutet, dass ein später 100 mm großes Bauteil zunächst mit einem deutlichen Übermaß gedruckt werden muss, damit es nach dem Sintern die gewünschten Endabmessungen erreicht.

Die Herausforderung: Jedes Bauteil schrumpft anders

Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Schrumpfung nicht bei jedem Bauteil identisch verläuft. Das Verhalten hängt unter anderem ab von:

• der Geometrie des Bauteils
• der Wandstärke
• der Position im Sinterofen
• den Auflagepunkten
• den verwendeten Sinterparametern

Besonders kritisch sind Überhänge, dünnwandige Strukturen, asymmetrische Geometrien und filigrane Gitterstrukturen. Diese Bereiche können sich während des Sinterns zusätzlich verformen oder absacken. Die Vorhersage dieses Schrumpfungsverhaltens gehört daher zu den größten Herausforderungen im industriellen Metal Binder Jetting.

Live Sinter™ : Virtuelles Sintern vor dem eigentlichen Sintern

Um dieses Problem zu lösen, hat Desktop Metal die Simulationssoftware Live Sinter™ entwickelt.

Die Software simuliert bereits vor dem Druck das Verhalten eines Bauteils während des Sinterprozesses.

Dabei werden verschiedene physikalische Einflüsse berücksichtigt, darunter:

• Gravitationskräfte
• Reibungskräfte
• Materialeigenschaften
• thermische Belastungen
• geometrieabhängige Verformungen

Auf Basis dieser Berechnungen prognostiziert die Software, wie sich ein Bauteil während des Sinterns verformen wird.

Negative Kompensation statt nachträglicher Korrektur

Der eigentliche Clou von Live Sinter™ besteht darin, dass die vorhergesagten Verformungen gezielt kompensiert werden.

Statt das Bauteil exakt in seiner Soll-Geometrie zu drucken, erzeugt die Software ein bewusst verformtes Grünteil.

Ein typisches Beispiel:

Wenn ein Überhang während des Sinterns nach unten absackt, wird dieser im CAD-Modell beziehungsweise im Grünteil gezielt nach oben gebogen.

Nach dem Sintern gleicht die tatsächliche Verformung diese Vorverformung aus, sodass das fertige Bauteil die gewünschte Geometrie erreicht.

Die Simulation arbeitet somit mit einem sogenannten negativen Offset, der die zu erwartenden Verformungen bereits vor dem Druck berücksichtigt.

Der Weg zur Serienfertigung: Drucken, Sintern, Scannen

Für die industrielle Serienfertigung reicht eine einmalige Simulation oft nicht aus.

Deshalb erfolgt die Optimierung der Maßhaltigkeit in einem iterativen Prozess:

• Drucken
• Sintern
• Scannen
• Simulation aktualisieren
• Erneut drucken

Durch die Rückführung der realen Messergebnisse kann die Simulation kontinuierlich verbessert werden.

Dieser datengetriebene Ansatz ermöglicht eine immer präzisere Vorhersage des Schrumpfungsverhaltens und reduziert den Aufwand für physische Iterationen erheblich.

Präzisionsmessung mit Zeiss 3D-Scannern

Für die Erfassung der realen Bauteilgeometrien kommen bei AM Pioneers die optischen Messtechnologien von Zeiss zum Einsatz.

Bei Bauteilen bis etwa Faustgröße wird der ZEISS GOM Scan 1 verwendet. Der hochauflösende 3D-Scanner erzeugt präzise Punktwolken und ermöglicht einen direkten Vergleich zwischen Soll- und Ist-Geometrie.

Die gewonnenen Scandaten werden anschließend in den Optimierungsprozess integriert und dienen als Grundlage für die weitere Verbesserung der Simulationsmodelle.

Weitere Informationen zum eingesetzten Scanner finden Sie hier:

https://am-pioneers.com/gom-scan-1/

Welche Genauigkeiten sind möglich?

Durch das Zusammenspiel von Binder Jetting, Live-Sinter-Simulation, hochpräziser 3D-Messtechnik und iterativer Prozessoptimierung lassen sich je nach Bauteilgeometrie Toleranzen von bis zu ±0,15 mm realisieren. Damit wird Binder Jetting auch für anspruchsvolle Serienanwendungen interessant, bei denen hohe Stückzahlen und präzise Bauteilgeometrien gleichermaßen gefordert sind.

lassen sich je nach Bauteilgeometrie Toleranzen von bis zu ±0,15 mm realisieren.

Damit wird Binder Jetting auch für anspruchsvolle Serienanwendungen interessant, bei denen hohe Stückzahlen und gleichzeitig präzise Bauteilgeometrien gefordert sind.

Fazit

Die Schrumpfung während des Sinterns ist eine der größten Herausforderungen im Metal Binder Jetting. Ohne geeignete Kompensationsstrategien wären viele Bauteile nach dem Sintern außerhalb der geforderten Toleranzen.

Mit Live Sinter™ bietet Desktop Metal eine leistungsfähige Simulationslösung, die Verformungen bereits vor dem Druck vorhersagt und automatisch kompensiert. In Kombination mit präziser 3D-Messtechnik und einem datengetriebenen Optimierungsprozess können so maßhaltige Metallbauteile wirtschaftlich in Serie gefertigt werden.

Für Unternehmen, die Binder Jetting als Produktionsverfahren einsetzen möchten, ist die Sintersimulation daher ein entscheidender Baustein auf dem Weg zur reproduzierbaren Serienfertigung.

Sie möchten mehr über Live Sinter erfahren?
Dann nehmen Sie gerne Kontakt auf – wir beraten Sie persönlich.

Frederik Nussbaumer
Head of Sales
+49 172 4059105
frederik.nussbaumer@am-pioneers.com