Koper is een metaal dat veel wordt gebruikt voor industriële toepassingen, vanwege de hoge elektrische en thermische geleidbaarheid. Koper wordt bijvoorbeeld gebruikt voor het maken van buizen (warmtegeleiding), draden, behuizingen en elektrische apparaten en las-apparatuur, om maar een paar toepassingen te noemen.
Maar koper is een notoir lastig materiaal om te 3D-printen. Koper filamenten voor desktop FDM-printers zijn er al een tijd, maar deze worden voornamelijk gebruikt voor decoratieve projecten.
Deze koper filamenten zijn gemaakt van een mengsel van koperpoeder en PLA. De verhouding verschilt per merk van 60% tot 90% procent koper. Daarnaast zijn er ook koperkleurige filamenten, maar deze bootsen slechts de esthetiek van koper na en bevatten geen koper. Alle deze filamenten zijn bedoeld voor gebruik op gewone desktop FDM-printers met enige aanpassing aan het mondstuk en de verwarmingsinstellingen. Maar zoals gezegd zijn de resulterende prints voornamelijk voor decoratieve objecten, zoals beeldjes of sieraden, omdat de onderdelen erg broos zijn
Voor het produceren van onderdelen voor industrieel gebruik, keek de industrie naar Selective Laser Melting als een betere optie.
3D printen met koper voor industrieel gebruik: SLM
Om koperen onderdelen voor industriële toepassingen te printen, keek men naar een duurder maar kwalitatief beter proces van Selective Laser Melting of SLM. Maar ook dat was niet eenvoudig. Door de eigenschappen van koper kunnen de lasers het poeder moeilijk smelten of sinteren. Een nieuwe techniek die in 2018 door het Fraunhofer-instituut is ontwikkeld om koper te sinteren met een zogenaamde groene laser (en het voorverwarmen van het poeder aan het proces toe te voegen) maakte SLM mogelijk voor koper.
[Lees meer hierover in ons artikel: 3D-printen met koper.]
Industrieel FDM-printen met puur koper
Maar misschien lijkt de tijd gekomen om serieus te kijken naar koper printen met FDM. De reden is dat Markforged in februari 2020 puur koper heeft ontwikkelt voor gebruik in hun metalen FDM-machines.
Markforged zegt dat het haar 3D-geprinte puur koperen lasonderdelen heeft getest met een autofabrikant en met goede resultaten.
Natuurlijk zijn de FDM-metaalprinters van Markforged niet te vergelijken met de gewone FDM-desktopprinters, en het fabricageproces omvat 3 stappen om tot industriële kwaliteitsonderdelen te komen.
Dus hoe doen ze het?
Hun koperdraad bevat puur koperpoeder in een plastic matrix. In de eerste stap wordt het model laag voor laag opgebouwd door het plastic filament (met het koperpoeder) te lijmen zoals elke andere FDM-technologie.
In de volgende fase van het proces wordt het plastic bindmateriaal opgelost en uit het model verwijderd. Dit gebeurt in een wasmachine.
In de laatste stap wordt het model in een oven of sintermachine geplaatst waar het resterende plastic bindmateriaal wordt weggesmolten en het koper bij hoge temperatuur wordt gesinterd.
Stap 1: 3D printen
Het smelten van het plastic filament dat het metaalpoeder bevat.
[Afbeelding: Markforged]
Benieuwd naar de kosten van 3D printen van onderdelen van puur koper met FDM?
Upload je bestanden voor prijzen en levertijden. Offertes aanvragen is gratis en makkelijk.
Stap 2 Wassen
Oplossen van het plastic in een wasmachine.
[Afbeelding: Markforged]
Stap 3: Sinteren
Het laatste plastic bindmateriaal dat op het onderdeel achterblijft, wegsmelten en vervolgens het koper (of een ander metaalpoeder) samen sinteren in een sintermachine.
[Afbeelding: Markforged]
Chemische samenstelling van Markforged puur koper
Koper
min. 99.8%
Zuurstof
max. 0.05%
Ijzer
max. 0.05%
Andere
bal
Materiaaleigenschappen van Markforged zuiver koper *
Ultieme treksterkte
193 MPa
Treksterkte
26 MPa
Breukrek
45%
Relatieve dichtheid
98%
Elektrische geleiding
84% IACS
Warmtegeleiding
350 W/mK
Het voordeel van FDM printen met koper ten opzichte van SLM is dat er niet meer koperpoeder nodig is dan nodig is om het geprinte onderdeel te maken, waardoor het kosten effectiever is. Er blijft geen ongebruikt poeder achter in de machine (in het poederbed) dat moet worden verwerkt (gefilterd) voor hergebruik.
Naast koper, zijn er ook andere metalen ontwikkeld die in dit proces kunnen worden gebruikt, zoals 17-4 PH roestvrij staal, gereedschapsstaal (H13, A2 en D2) en Inconel 625. Nog in ontwikkeling zijn 316L roestvrij staal en titanium Ti6Al4V
* Gesintered
Data verstrekt door Markforged
FDM 3D printen met koper voor industriële toepassingen, ja je leest het goed. De Amerikaanse additive manufacturing machine en materiaalfabrikant Markforged heeft een puur koperdraad (99,8% Cu per gewicht) geïntroduceerd voor haar industriële FDM 3D-printers.