Alles, was Sie wissen müssen: 3D-Metalldruck

Was ist 3D-Metalldruck?

Beim Metall-3D-Druck , auch bekannt als additive Fertigung, werden Metallteile oder -objekte durch das Übereinanderschichten von Metallmaterial hergestellt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Fertigungsmethoden, die auf Schneiden, Bohren oder Formen basieren, wird beim Metall-3D-Druck das Teil von Grund auf neu aufgebaut, Schicht für Schicht, wobei ein digitales Modell als Vorlage dient. Dies ermöglicht mehr Gestaltungsfreiheit, Komplexität und individuelle Anpassung sowie weniger Materialabfall und Produktionszeit.

Mit dem 3D-Metalldruck lassen sich verschiedene Metallteile herstellen, beispielsweise Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, medizinische Implantate, Autoteile, Schmuck und vieles mehr. Auch bestehende Metallteile lassen sich mit dem 3D-Metalldruck reparieren oder verbessern, beispielsweise durch das Hinzufügen von Funktionen, das Füllen von Lücken oder die Wiederherstellung abgenutzter Oberflächen. Je nach Material und Verfahren können mit dem 3D-Metalldruck stärkere, leichtere oder langlebigere Teile als mit herkömmlichen Metallteilen hergestellt werden.

Arten des 3D-Metalldrucks

Metall-3D-Druck ist ein weit gefasster Begriff, der verschiedene Methoden zur Herstellung von Metallteilen mittels additiver Fertigung umfasst. Hier sind einige der gängigsten Arten des Metall-3D-Drucks und ihre Merkmale:

Metall-Binder-Jetting

Beim Metal Binder Jetting wird mithilfe eines Druckkopfs ein flüssiges Bindemittel Schicht für Schicht auf ein Metallpulverbett aufgetragen, um das Teil zu formen. Das Bindemittel wirkt wie ein Klebstoff, der das Pulver zusammenhält. Nach dem Drucken wird das Teil in einem Ofen ausgehärtet und in einem Ofen gesintert, um das Bindemittel zu entfernen und die Metallpartikel zu verschmelzen. Mit Metal Binder Jetting lassen sich Teile mit hoher Auflösung und komplexen Geometrien herstellen, die jedoch möglicherweise eine geringere Festigkeit und Dichte aufweisen als andere Verfahren.

Bildquelle: AMFG

SLM (Selektives Laserschmelzen) und DMLS (Direktes Metall-Lasersintern)

Bei SLM und DMLS wird Metallpulver auf einer Bauplattform mithilfe eines Lasers selektiv geschmolzen und Schicht für Schicht miteinander verbunden, um das Bauteil zu formen. Der Unterschied zwischen SLM und DMLS besteht darin, dass SLM das Metall vollständig schmilzt, während DMLS es nur teilweise schmilzt. Beide Verfahren ermöglichen die Herstellung von Bauteilen mit hoher Dichte und Festigkeit, können jedoch hohe Eigenspannungen aufweisen und erfordern eine Nachbearbeitung.

EBM (Elektronenstrahlschmelzen)

Beim EBM wird Metallpulver mithilfe eines Elektronenstrahls selektiv auf einer Bauplattform schichtweise geschmolzen und verschmolzen, um das Bauteil zu formen. Der Prozess findet in einer Vakuumkammer und bei hohen Temperaturen statt, wodurch das Risiko von Oxidation und Verformung reduziert wird. EBM kann Teile mit hoher Dichte und Festigkeit erzeugen, kann jedoch eine raue Oberfläche aufweisen und eine Nachbearbeitung erfordern.

Bildquelle: 3Dnatives

DED (gerichtete Energieabscheidung)

Beim DED-Verfahren wird Metallpulver oder -draht mithilfe einer Düse in eine fokussierte Energiequelle, beispielsweise einen Laser oder einen Elektronenstrahl, eingebracht, die das Material beim Auftragen schmilzt und verschmilzt. Die Düse kann sich in mehrere Richtungen bewegen, was Freiform- und Reparaturanwendungen ermöglicht. DED kann Teile mit hohen Abscheideraten und großen Abmessungen herstellen, diese weisen jedoch möglicherweise eine niedrige Auflösung auf und erfordern eine Nachbearbeitung.

Bildquelle: 3Dnatives

LENS (Laser Engineered Net Shaping)

LENS verwendet einen Laser, um Metallpulver oder Draht Schicht für Schicht zu schmelzen und zu verschmelzen, um das Teil zu formen. Die Düse, die das Material liefert, kann sich in mehrere Richtungen bewegen, was Freiform- und Reparaturanwendungen ermöglicht. LENS kann hochauflösende Teile und komplexe Geometrien herstellen, weist jedoch möglicherweise eine geringere Festigkeit und Dichte als andere Verfahren auf.

Bildquelle: OPTOMEC

LOM (Laminated Object Manufacturing)

Bei der Laser-Metall-Oxidation (LOM) werden dünne Metallfolien mit einem Laser geschnitten und Schicht für Schicht miteinander verbunden, um das Bauteil zu formen. Das Verfahren ähnelt dem papierbasierten 3D-Druck, allerdings werden anstelle von Papier Metallfolien verwendet. Mit LOM lassen sich Teile kostengünstig und schnell herstellen, allerdings weisen diese möglicherweise eine geringe Festigkeit auf und erfordern eine Nachbearbeitung.

UAM (Ultraschall-Additive Fertigung)

UAM nutzt Ultraschallschwingungen, um Metallfolien oder Drähte schichtweise zu verbinden und so das Bauteil zu formen. Das Verfahren erfordert weder hohe Temperaturen noch Schmelzen, was das Risiko von Verformungen und Oxidation reduziert. UAM kann Teile kostengünstig und schnell herstellen, weist jedoch möglicherweise eine geringe Festigkeit auf und erfordert eine Nachbearbeitung.

Wie funktioniert der 3D-Druck von Metall?

Der Begriff Metall-3D-Druck umfasst verschiedene additive Fertigungsverfahren, bei denen Metallteile aus Metallpulver oder -draht hergestellt werden. Der Hauptunterschied zwischen diesen Verfahren liegt in der Energiequelle, die das Metallmaterial schmilzt oder verschmilzt, beispielsweise einem Laser, einem Elektronenstrahl oder einer Ultraschallschwingung.

Die grundlegenden Schritte des 3D-Metalldrucks sind:

1. Ein digitales 3D-Modell des Teils wird von einem Softwareprogramm (Slicer) in dünne Schichten geschnitten.

2. Ein Metall-3D-Drucker trägt eine Schicht aus Metallpulver oder Draht auf einer Bauplattform oder einem Substrat auf.

3. Ein Hochleistungslaser, ein Elektronenstrahl oder eine Ultraschallschwingung schmilzt oder verschmilzt das Metallmaterial selektiv entsprechend dem Querschnitt der Schicht.

4. Die Bauplattform oder das Substrat wird abgesenkt und eine neue Schicht Metallmaterial wird auf die vorherige Schicht aufgetragen.

5. Der Vorgang wird wiederholt, bis das Teil fertig ist.

6. Das Teil wird aus dem Drucker entfernt und einer Nachbearbeitung unterzogen, beispielsweise einer Wärmebehandlung, Bearbeitung oder Polieren.

Je nach Art des 3D-Metalldruckverfahrens und der Metallmaterialien kann das Teil unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, beispielsweise Dichte, Festigkeit, Oberflächenbeschaffenheit, Genauigkeit und Komplexität.

Materialien für den Metall-3D-Druck

Beim Metall-3D-Druck werden Metallobjekte durch das Auftragen von Schichten aus geschmolzenem oder pulverisiertem Metall hergestellt. Als Metall-3D-Druckmaterialien eignen sich die für diesen Prozess geeigneten Metalle. Die Wahl des Metall-3D-Druckmaterials hängt von Faktoren wie Teilekomplexität, mechanischen Eigenschaften, Oberflächenbeschaffenheit, Kosten und Verfügbarkeit ab. Zu den gängigsten und beliebtesten Materialien für den Metall-3D-Druck gehören:

Aluminium : Aluminium ist ein leichtes, robustes Metall mit hoher Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität und thermischer Stabilität. Aluminium wird häufig für den 3D-Metalldruck verwendet, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Medizintechnik. Aluminiumpulver für den 3D-Druck ist in verschiedenen Qualitäten und Legierungen erhältlich, z. B. AlSi7Mg, AlSi10Mg, AlSi12 und AlSi9Cu3. Aluminium kann mit verschiedenen 3D-Metalldruckverfahren gedruckt werden, z. B. Pulverbettschmelzen, Binder Jetting, Metallextrusion und Drahtbogen-Additive Fertigung. Aluminium ermöglicht die Herstellung von Teilen mit geringem Gewicht, hoher Festigkeit und guter Leitfähigkeit, weist jedoch möglicherweise auch eine geringere Genauigkeit, eine rauere Oberflächenbeschaffenheit und höhere Materialkosten als andere Metalle auf.

Edelstahl : Edelstahl ist eine Familie von eisenbasierten Legierungen, die Chrom, Nickel und andere Elemente enthalten, die ihre Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und ihr ästhetisches Erscheinungsbild verbessern. Edelstahl wird häufig für den 3D-Metalldruck verwendet, insbesondere für Teile, die eine hohe Auflösung, komplexe Geometrien und eine gute Oberflächenbeschaffenheit erfordern. Edelstahlpulver für den 3D-Druck ist in verschiedenen Güten und Legierungen erhältlich, z. B. 316L, 304L, 17-4 PH und 15-5 PH.

Werkzeugstähle : Werkzeugstähle sind eine Familie von eisenbasierten Legierungen mit hohem Kohlenstoffgehalt und anderen Elementen, die harte Carbide bilden, wie Wolfram, Chrom, Vanadium und Molybdän. Werkzeugstähle bieten hervorragende Härte, Verschleißfestigkeit und Hochtemperaturfestigkeit und eignen sich daher ideal für den 3D-Metalldruck von Formen, Stempeln und Schneidwerkzeugen. Werkzeugstahlpulver für den 3D-Druck ist in verschiedenen Güten und Legierungen erhältlich, z. B. D2, M2, H13, H11, MS1 und 1.2709.

Titan : Titan ist ein leichtes, robustes Metall mit hoher Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität und thermischer Stabilität. Titan ist das am häufigsten verwendete Metall in der additiven Fertigung, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin und der Automobilindustrie. Titanpulver für den 3D-Druck ist in verschiedenen Qualitäten und Legierungen erhältlich, z. B. Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, Ti64 und CP Ti.

Inconel : Inconel ist eine Familie von Nickellegierungen, die Chrom, Eisen und andere Elemente enthalten, die ihre Hochtemperaturbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Kriechfestigkeit verbessern. Inconel wird häufig für den 3D-Metalldruck von Teilen verwendet, die in rauen Umgebungen eingesetzt werden, wie z. B. Düsentriebwerke, Gasturbinen und Chemieanlagen. Inconel-Pulver für den 3D-Druck ist in verschiedenen Qualitäten und Legierungen erhältlich, z. B. Inconel 625, Inconel 718 und Inconel 939.

Nachbearbeitung von 3D-Metalldruck

Die Nachbearbeitung von 3D-Metalldruckteilen verbessert die Qualität und Funktionalität von 3D-Metalldruckteilen nach der Entnahme aus dem Drucker. Zu den Nachbearbeitungsmethoden gehören das Entfernen von Stützstrukturen, die während des Drucks oft notwendig sind, um komplexe Geometrien zu erhalten, und Oberflächenveredelungstechniken wie Trommeln oder Polieren, um die gewünschte Oberflächenglätte zu erzielen. Die Nachbearbeitung kann auch die mechanischen Eigenschaften und die Leistung von 3D-Metalldruckteilen durch Wärmebehandlungen, Beschichtungen oder Schweißverfahren verbessern.

Support-Entfernung

Durch die Entfernung von Stützstrukturen werden die während des Druckvorgangs am Teil befestigten Stützstrukturen entfernt. Die Entfernung der Stützstrukturen kann manuell mit Handwerkzeugen wie Zangen oder Schneidern oder automatisch mit Maschinen wie Drahterodiermaschinen oder Bandsägen erfolgen. Die Entfernung der Stützstrukturen kann das Gewicht reduzieren und das Erscheinungsbild des Teils verbessern, kann aber auch zu Schäden oder Verformungen führen, wenn sie nicht sorgfältig durchgeführt wird.

Taumeln

Beim Trommeln wird das Teil in eine rotierende Trommel mit Schleifmitteln wie Keramik- oder Stahlkugeln gelegt und mit Vibrationen oder Zentrifugalkraft bearbeitet. Durch das Trommeln kann die Oberfläche geglättet und scharfe Kanten oder Grate entfernt werden, allerdings kann es auch zu einer Beeinträchtigung der Genauigkeit oder Detailgenauigkeit des Teils kommen.

Spritzlackierung

Beim Sprühlackieren wird mit einer Spritzpistole oder einer Aerosoldose eine Schicht Farbe oder Lack auf die Oberfläche des Teils aufgetragen. Dies verbessert die Ästhetik und Korrosionsbeständigkeit des Teils. Allerdings kann es auch die Maßgenauigkeit oder die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen.

Galvanisieren

Beim Galvanisieren wird das Teil in eine Elektrolytlösung getaucht und durch elektrischen Strom eine dünne Metallschicht, beispielsweise Gold oder Silber, auf der Oberfläche des Teils abgeschieden. Das Galvanisieren verbessert das Aussehen, die Leitfähigkeit und die Verschleißfestigkeit des Teils, kann jedoch zu Defekten oder Spannungen führen.

Hier sind die gängigen Nachbearbeitungsprozesse des Metall-3D-Drucks mit ihren Vor- und Nachteilen.

Glühen

Beim Glühen wird das Teil auf eine hohe Temperatur erhitzt und anschließend langsam abgekühlt, um die Eigenspannungen zu reduzieren und die Duktilität und Zähigkeit des Teils zu verbessern. Das Glühen verbessert die Mikrostruktur und Homogenität des Teils, kann jedoch zu Verformungen oder Oxidation führen.

Eloxieren

Beim Eloxieren wird das Werkstück in eine Säurelösung getaucht und durch elektrischen Strom eine dünne Oxidschicht, beispielsweise Aluminiumoxid, auf der Werkstückoberfläche gebildet. Eloxieren kann die Härte, Korrosionsbeständigkeit und Farbe des Werkstücks verbessern, kann aber auch die Leitfähigkeit oder Dauerfestigkeit verringern.

Stressabbauende Behandlung

Dabei wird das Teil auf eine moderate Temperatur erhitzt und anschließend schnell abgekühlt, um die Restspannungen abzubauen und Risse oder Verformungen des Teils zu verhindern. Die Spannungsentlastungsbehandlung verbessert die Dimensionsstabilität und Leistung des Teils, kann jedoch die Härte oder Mikrostruktur des Teils beeinträchtigen.

Härten

Beim Härten wird das Teil auf eine hohe Temperatur erhitzt und anschließend schnell abgekühlt, um Härte und Festigkeit zu erhöhen. Durch das Härten können auch die Verschleißfestigkeit und die Lebensdauer des Teils verbessert werden, die Duktilität oder Zähigkeit des Teils kann jedoch verringert werden.

Elektropolieren

Beim Elektropolieren wird das Teil in eine Elektrolytlösung getaucht und durch elektrischen Strom eine dünne Metallschicht von der Oberfläche entfernt. Das Elektropolieren glättet die Oberfläche und entfernt Verunreinigungen oder Defekte, kann jedoch die Abmessungen oder die Form des Teils verändern.

Kaltschweißen

Kaltschweißen verbindet zwei Metallteile durch Druck und plastische Verformung ohne Wärme oder Füllmaterial. Kaltschweißen erzeugt starke und nahtlose Verbindungen zwischen Metallteilen, erfordert jedoch möglicherweise hohe Kraft oder Spezialausrüstung.

3D-Metalldruck vs. CNC-Bearbeitung

Metall-3D-Druck und CNC-Bearbeitung sind zwei Fertigungstechnologien zur Herstellung von Metallteilen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten. Beide Verfahren haben Vor- und Nachteile, abhängig von Teilekomplexität, Menge, Material, Genauigkeit, Oberflächenbeschaffenheit, Kosten und Bearbeitungszeit. Hier sind einige wichtige Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen Metall-3D-Druck und CNC-Bearbeitung.

Verfahren

Der 3D-Metalldruck ist ein additives Verfahren, bei dem Teile Schicht für Schicht aus Metallpulver oder Draht aufgebaut werden. Dabei wird das Material mithilfe eines Lasers, eines Elektronenstrahls oder einer Ultraschallschwingung geschmolzen oder verschmolzen. Die CNC-Bearbeitung ist ein subtraktiver Prozess, bei dem Material von einem massiven Block entfernt wird. Dabei kommen rotierende Werkzeuge und Fräser zum Einsatz, um das Teil zu formen.

Gestaltungsfreiheit

Der 3D-Metalldruck bietet mehr Gestaltungsfreiheit und Flexibilität als die CNC-Bearbeitung, da er komplexe Geometrien, innere Merkmale und organische Formen erzeugen kann, die mit der CNC-Bearbeitung nur schwer oder gar nicht realisierbar sind. Allerdings kann der 3D-Metalldruck auch Stützstrukturen erfordern, um überhängende oder hohle Elemente zu stützen. Diese müssen nach dem Druck entfernt und nachbearbeitet werden.

Materialauswahl

Der 3D-Metalldruck ist durch die Verfügbarkeit und Kompatibilität von Metallpulvern oder -drähten eingeschränkt, die teurer und seltener sind als Metallblöcke. Mit dem 3D-Metalldruck lassen sich jedoch auch individuelle Legierungen oder Gradientenmaterialien herstellen, die mit der CNC-Bearbeitung nicht möglich sind. Die CNC-Bearbeitung bietet eine größere Materialauswahl als der 3D-Metalldruck, da sie mit nahezu allen Metallarten wie Aluminium, Stahl, Titan, Messing, Kupfer und mehr arbeiten kann.

Genauigkeit und Oberflächengüte

CNC-Bearbeitung bietet eine höhere Genauigkeit und Oberflächengüte als 3D-Metalldruck, da enge Toleranzen und glatte Oberflächen ohne zusätzliche Bearbeitung erreicht werden können. 3D-Metalldruck kann aufgrund des schichtweisen Aufbaus und der wärmebedingten Verformung eine geringere Auflösung und eine rauere Oberflächengüte aufweisen. 3D-Metalldruckteile erfordern häufig eine Nachbearbeitung wie Sandstrahlen, Polieren oder Wärmebehandlung, um ihre Qualität und Leistung zu verbessern.

Kosten und Bearbeitungszeit

Die Kosten und die Bearbeitungszeit von 3D-Metalldruck und CNC-Bearbeitung hängen von Faktoren wie Teilegröße, Komplexität, Menge, Material und Nachbearbeitung ab. Im Allgemeinen sind beim 3D-Metalldruck die Einrichtungskosten niedriger und die Bearbeitungszeit kürzer als bei der CNC-Bearbeitung bei kleinen Chargen komplexer Teile, da keine teilespezifischen Werkzeuge oder Vorrichtungen erforderlich sind. Bei großen Chargen einfacher Teile sind die Materialkosten beim 3D-Metalldruck jedoch höher und die Produktionsraten langsamer als bei der CNC-Bearbeitung, da der Druck jeder Schicht mehr Energie und Zeit verbraucht.

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