Kurzanleitung zum 3D-Metalldruck vs. Metallguss

Metall-3D-Druck vs. Metallguss: Verfahren

3D-Metalldruck

Metall-3D-Druck ist ein Verfahren, bei dem Objekte durch schichtweises Verschmelzen von Metallpartikeln mithilfe von hohen Temperaturen, die durch Laser- oder Elektronenstrahlen erzeugt werden, hergestellt werden. Die beiden wichtigsten Techniken in dieser Kategorie sind das selektive Laserschmelzen (SLM) und das direkte Metall-Lasersintern (DMLS). Bei beiden Methoden wird eine dünne Schicht Metallpulver aufgetragen und selektiv mit einem Laser geschmolzen, um das Teil schichtweise aufzubauen.

Metall-3D-Druckverfahren

Die Baukammer wird mit Schutzgas gefüllt, um Oxidation zu minimieren, und auf die optimale Temperatur erhitzt. Eine dünne Schicht Metallpulver wird auf der Bauplattform verteilt, und ein Laser scannt den Querschnitt und verschmilzt die Partikel. Nach jeder gescannten Schicht senkt sich die Bauplattform ab und eine neue Pulverschicht wird aufgetragen. Der Vorgang wird wiederholt, bis das Teil fertig ist. Das fertige Teil wird aus dem Pulverbett entnommen und kann weiteren Schritten wie dem Entfernen von Stützstrukturen, einer Wärmebehandlung und anderen Oberflächenbehandlungen unterzogen werden.

Bildquelle: Beyond Bynd

Metallguss

Metallguss ist ein traditionelles Herstellungsverfahren, bei dem geschmolzenes Metall in eine Form gegossen wird, um die gewünschte Form zu erzeugen. Sobald das Metall erstarrt ist, wird das Teil aus der Form entnommen. Dieses Verfahren eignet sich ideal für die Herstellung komplexer Formen und wird in verschiedenen Branchen eingesetzt.

Metallgussverfahren

Eine Form wird anhand eines Musters hergestellt, das die Form des endgültigen Teils widerspiegelt. Dieses wird häufig aus Sand, Metall oder Keramik hergestellt. Metall wird erhitzt, bis es flüssig ist. Das geschmolzene Metall wird durch einen Kanal, den sogenannten Anguss, in die Form gegossen. Das Metall kühlt ab und erstarrt in der Form. Das erstarrte Teil, nun Gussteil genannt, wird aus der Form entnommen. Überschüssiges Material aus dem Anguss und eventuelle Unebenheiten werden entfernt, um das Teil fertigzustellen.

Bildquelle: Bernier Cast Metals

Metall-3D-Druck vs. Metallguss: Materialien

Metall-3D-Druckmaterialien

● Edelstahl: Edelstahl ist für seine Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit bekannt und wird in verschiedenen Qualitäten verwendet, beispielsweise 316L und 17-4 PH.

● Aluminium: 3D-gedrucktes Aluminium wird in der Luft- und Raumfahrt- sowie Automobilindustrie häufig zur Herstellung leichter und langlebiger Komponenten verwendet, wie z. B. Aluminium 6061, AlSi10Mg usw.

● Titan: Wird aufgrund seines hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses und seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit bevorzugt und eignet sich daher für die Luft- und Raumfahrt sowie für medizinische Anwendungen.

● Inconel: Eine Familie von Superlegierungen auf Nickel-Chrom-Basis, die für ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Umgebungsbedingungen bekannt sind und häufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet werden.

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Metallgussmaterialien

● Grauguss: Wird aufgrund seiner guten Bearbeitbarkeit und Schwingungsdämpfungseigenschaften häufig verwendet.

● Sphäroguss: Bietet im Vergleich zu Grauguss eine verbesserte Festigkeit und Duktilität.

● Aluminium: Bekannt für sein geringes Gewicht und seine Korrosionsbeständigkeit, geeignet für eine breite Palette von Anwendungen.

● Stahl: Bietet hohe Festigkeit und Haltbarkeit und wird in verschiedenen Branchen verwendet.

● Kupfer: Hohe Leitfähigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit, wird häufig für elektrische Komponenten verwendet.

Metall-3D-Druck vs. Metallguss: Geschwindigkeit

Geschwindigkeit des 3D-Metalldrucks

Der 3D-Metalldruck ist für seine hohe Geschwindigkeit bei der Herstellung komplexer Teile bekannt. Einige Technologien ermöglichen Druckgeschwindigkeiten von bis zu 100 g/min. Die Druckzeit eines Teils kann je nach verschiedenen Faktoren variieren, darunter Größe und Komplexität des Teils sowie die verwendete 3D-Drucktechnologie. Beispielsweise weist Direct Energy Deposition (DED) tendenziell die schnellste Druckgeschwindigkeit auf, gefolgt von Binder Jetting (BJT) und Laser Powder Bed Fusion (LPBF).

Metallgussgeschwindigkeit

Metallguss ist zwar ein traditionelles Fertigungsverfahren, erfordert aber im Vergleich zum 3D-Metalldruck eine längere Vorlaufzeit. Die Gussgeschwindigkeit kann durch die Metallart, die Komplexität der Form und die Größe des zu gießenden Teils beeinflusst werden. Sandguss, eine der gängigsten Gussformen, benötigt für die Produktion mit hoher Ausbringungsrate Tage oder sogar Wochen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der 3D-Metalldruck einen erheblichen Geschwindigkeitsvorteil bei der Herstellung kleiner bis mittelgroßer komplexer Teile bietet, was insbesondere für die Prototypenentwicklung und die Kleinserienproduktion von Nutzen ist. Im Gegensatz dazu ist der Metallguss zwar langsamer, bleibt aber eine kostengünstige Lösung für die Produktion großer Teile und großer Stückzahlen.

Bildquelle: American Iron

Metall-3D-Druck vs. Metallguss: Mechanische Eigenschaften

Mechanische Eigenschaften von 3D-gedruckten Metallteilen

● Zugfestigkeit: 3D-gedruckte Metalle können eine hohe Zugfestigkeit erreichen, wobei einige Materialien wie Edelstahl und Titanlegierungen eine Zugfestigkeit von bis zu 1250 MPa aufweisen.

● Bruchdehnung: Je nach Material und Druckverfahren können 3D-gedruckte Metalle unterschiedliche Duktilitätsgrade aufweisen, wobei die Bruchdehnungswerte von einigen Prozent bis über 20 % reichen.

● Härte: Die Härte von 3D-gedruckten Metallen ist mit der ihrer herkömmlich hergestellten Gegenstücke vergleichbar, wobei bestimmte Werkzeugstähle Härtegrade erreichen, die für anspruchsvolle Anwendungen geeignet sind.

● Ermüdungsbeständigkeit: Im 3D-Druckverfahren hergestellte Metallteile können eine hervorragende Ermüdungsbeständigkeit aufweisen, was für Komponenten, die zyklischer Belastung ausgesetzt sind, von entscheidender Bedeutung ist.

Mechanische Eigenschaften von Metallgussteilen

● Zugfestigkeit: Gussmetalle können eine hohe Zugfestigkeit aufweisen, wobei legiertes Gusseisen und Stahl bis zu 900 MPa erreichen.

● Bruchdehnung: Gussteile weisen im Allgemeinen eine geringere Duktilität auf als Schmiedematerialien, aber Sphäroguss und bestimmte Stahlgussteile können Bruchdehnungswerte von über 20 % bieten.

● Härte: Die Härte von Gussmetallen variiert stark. Einige Gusseisenarten sind aufgrund ihrer Mikrostruktur von Natur aus hart, während Gussstähle wärmebehandelt werden können, um hohe Härtegrade zu erreichen.

● Schlagfestigkeit: Gussmetalle können mit einer guten Schlagfestigkeit konstruiert werden, was für Teile wichtig ist, die während des Betriebs Energie absorbieren müssen.

Metall-3D-Druck vs. Metallguss: Präzision

Präzision im 3D-Metalldruck

Der 3D-Metalldruck wird für seine Präzision und die Möglichkeit geschätzt, Teile mit komplexen Geometrien und feinen Details herzustellen. Die mit dem 3D-Metalldruck erreichbare Präzision kann je nach verwendeter Technologie bis zu 35 Mikrometer betragen. Einige Drucker erreichen Schichthöhen von bis zu 30 Mikrometern und ermöglichen so die Herstellung sehr feiner Strukturen. Die Maßgenauigkeit für 3D-Metalldruckteile beträgt ca. ± 0,1 mm und ist damit für die meisten technischen Anwendungen geeignet. 3D-Metalldruckteile können eine Oberflächenrauheit von nur 1–3 µm Ra erreichen, sodass oft keine zusätzliche Nachbearbeitung erforderlich ist.

Präzisions-Metallguss

Metallguss, insbesondere Feinguss, ermöglicht die Herstellung von Teilen mit höchster Genauigkeit und guter Oberflächengüte. Die lineare Standardtoleranz für Feinguss beträgt typischerweise +/- 0,005 Zoll/Zoll und variiert je nach Größe und Komplexität des Teils. Die Standardoberflächengüte für Gussteile beträgt 125 bis 150 rms Mikrofinish. Feinguss ermöglicht enge Toleranzen und hohe Maßgenauigkeit und eignet sich daher für Teile mit komplizierten Details. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Komponenten mit hochwertiger Oberflächengüte und reduziert den Nachbearbeitungsbedarf.

Metall-3D-Druck vs. Metallguss: Anwendungen

Anwendungen für den 3D-Metalldruck

● Luft- und Raumfahrt: Entwicklung leichter und dennoch robuster Komponenten, die die Leistung und Kraftstoffeffizienz von Flugzeugen verbessern.

● Medizin: Herstellung individueller Implantate und Prothesen, die auf die individuellen Bedürfnisse der Patienten zugeschnitten sind.

● Automobilindustrie: Herstellung präzisionsgefertigter Teile, die das Gewicht reduzieren und die Fahrzeugeffizienz optimieren.

● Werkzeugbau: Herstellung individueller Werkzeuge mit integrierten Funktionen für verschiedene Industriezweige.

● End-of-Arm-Tooling: Entwicklung spezieller Anbaugeräte für Roboterarme, die in der Fertigung und Chirurgie eingesetzt werden.

Metallgussanwendungen

● Transport: Herstellung von Teilen für die Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Eisenbahn- und Schifffahrtsindustrie.

● Schweres Gerät: Erstellen von Komponenten für Bau-, Landwirtschafts- und Bergbaumaschinen.

● Werkzeugmaschinen: Herstellung von Teilen für die spanende Bearbeitung, das Gießen, das Kunststoffformen, Schmieden, Extrudieren und Formen.

● Anlagenbau: Lieferung von Komponenten für Chemie-, Erdöl-, Papier-, Zucker-, Textil-, Stahl- und Wärmeanlagen.

● Verteidigung: Herstellung von Fahrzeugen, Artillerie, Munition, Lager- und Hilfsausrüstung.

Bildquelle: Formlabs

Metall-3D-Druck vs. Metallguss: Volumen

Metall-3D-Druckvolumen

Der 3D-Metalldruck wird zunehmend in der Serienproduktion eingesetzt. Die Technologie entwickelt sich weiter, um größere Produktionsläufe zu ermöglichen. Metall-3D-Drucksysteme erreichen Produktionsraten zwischen 10 und 40 cm³/h. Sie eignet sich für kleine bis mittlere Produktionsläufe, insbesondere für komplexe Teile, bei denen herkömmliche Fertigungsmethoden weniger effizient oder kostengünstig wären.

Metallgussvolumen

Metallguss ist ein etabliertes Fertigungsverfahren, das sich besonders für die Massenproduktion eignet. Millionen von Teilen können damit hergestellt werden. Die weltweite Gussproduktion erreichte im Jahr 2020 105,5 Millionen Tonnen. Das Verfahren eignet sich besonders für die Produktion großer Teile und kann ein breites Spektrum an Teilegrößen und -komplexitäten bewältigen.

Metall-3D-Druck vs. Metallguss: Kosten

Kosten für den 3D-Metalldruck

● Gerätekosten: Industrielle 3D-Metalldrucker kosten zwischen etwa 30.000 und über 1 Million US-Dollar für die fortschrittlichsten Systeme.

● Materialkosten: Die Preise der Materialien für den 3D-Druck von Metallen, wie Pulver und Drähte, können erheblich variieren, von einigen Hundert Dollar pro Kilogramm für gängige Legierungen bis hin zu deutlich höheren Preisen für Spezialmaterialien.

● Betriebskosten: Dazu zählen Energieverbrauch, Wartung und Arbeitsaufwand, die aufgrund des für den Betrieb und die Nachbearbeitung erforderlichen technischen Fachwissens höher ausfallen können.

● Produktionsvolumen: Während die Kosten pro Teil bei größeren Produktionsvolumina sinken, ist der 3D-Metalldruck bei kleinen bis mittleren Auflagen im Allgemeinen kostengünstiger.

Kosten für Metallguss

● Werkzeugkosten: Die anfänglichen Kosten für die Herstellung von Formen können erheblich sein, diese amortisieren sich jedoch über die Produktionslaufzeit, sodass das Gießen bei großen Stückzahlen wirtschaftlicher ist.

● Materialkosten: Die Kosten für Rohstoffe sind beim Gießen im Allgemeinen niedriger als beim 3D-Metalldruck, insbesondere wenn man die Skaleneffekte berücksichtigt.

● Arbeits- und Betriebskosten: Diese können aufgrund der etablierten Natur des Prozesses und des Automatisierungspotenzials niedriger sein als beim 3D-Druck von Metall.

● Skaleneffekte: Gießen ist bei der Massenproduktion am kosteneffektivsten, da die Kosten pro Teil aufgrund der großen Anzahl produzierter Teile sinken.

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Bei 3DSPRO sind wir auf die Herstellung von Metallteilen mit unseren speziellen 3D-Druckdiensten durch selektives Laserschmelzen (SLM) spezialisiert. Mit unseren SLM-Lösungen fertigen wir hochwertige, komplexe Metallteile, die genau Ihren Spezifikationen entsprechen.

Warum sollten Sie sich für 3DSPRO für SLM-3D-Druck entscheiden?

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● Materialvielfalt: Wir bieten eine große Auswahl an Metallmaterialien , darunter Titan, Edelstahl und Aluminium, um unterschiedlichen Projektanforderungen gerecht zu werden.

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