Alles, was Sie wissen müssen: 3D-Metalldruck

Was ist 3D-Metalldruck?

Der 3D-Metalldruck , auch bekannt als additive Fertigung von Metallen, erzeugt Metallteile oder -objekte durch das schichtweise Auftragen von Metallmaterial. Im Gegensatz zu traditionellen Fertigungsverfahren wie Schneiden, Bohren oder Formen baut der 3D-Metalldruck das Bauteil Schicht für Schicht anhand eines digitalen Modells auf. Dies ermöglicht größere Designfreiheit, höhere Komplexität und individuelle Anpassungsmöglichkeiten bei gleichzeitig reduziertem Materialverbrauch und kürzerer Produktionszeit.

Der 3D-Metalldruck ermöglicht die Herstellung verschiedenster Metallteile, beispielsweise für die Luft- und Raumfahrt, medizinische Implantate, Automobilteile, Schmuck und vieles mehr. Er eignet sich auch zur Reparatur und Verbesserung bestehender Metallteile, etwa durch Hinzufügen von Details, Füllen von Spalten oder Ausbessern abgenutzter Oberflächen. Je nach Material und Verfahren können mit 3D-Metalldruck festere, leichtere oder langlebigere Teile als mit herkömmlichen Verfahren hergestellt werden.

Arten des 3D-Metalldrucks

Metall-3D-Druck ist ein Oberbegriff für verschiedene Verfahren zur Herstellung von Metallteilen mittels additiver Fertigung. Im Folgenden werden einige der gängigsten Arten des Metall-3D-Drucks und ihre Eigenschaften beschrieben:

Metall-Binder-Jetting

Beim Metall-Binder-Jetting wird ein flüssiges Bindemittel mithilfe eines Druckkopfes Schicht für Schicht auf ein Metallpulverbett aufgetragen, um das Bauteil zu formen. Das Bindemittel dient als Klebstoff und hält das Pulver zusammen. Nach dem Druckvorgang wird das Bauteil in einem Ofen ausgehärtet und anschließend in einem Sinterofen gesintert, um das Bindemittel zu entfernen und die Metallpartikel zu verschmelzen. Mit Metall-Binder-Jetting lassen sich Bauteile mit hoher Auflösung und komplexen Geometrien herstellen, allerdings können diese im Vergleich zu anderen Verfahren eine geringere Festigkeit und Dichte aufweisen.

Bildquelle: AMFG

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

SLM und DMLS nutzen einen Laser, um Metallpulver auf einer Bauplattform Schicht für Schicht selektiv zu schmelzen und zu verschmelzen und so das Bauteil zu formen. Der Unterschied zwischen SLM und DMLS besteht darin, dass SLM das Metall vollständig aufschmilzt, während DMLS es nur teilweise aufschmilzt. Beide Verfahren ermöglichen die Herstellung von Bauteilen mit hoher Dichte und Festigkeit, diese können jedoch hohe Eigenspannungen aufweisen und eine Nachbearbeitung erfordern.

EBM (Elektronenstrahlschmelzen)

Beim Elektronenstrahlschmelzen (EBM) wird Metallpulver auf einer Bauplattform Schicht für Schicht mittels eines Elektronenstrahls selektiv aufgeschmolzen und verschmolzen, um das Bauteil zu formen. Der Prozess findet in einer Vakuumkammer bei hohen Temperaturen statt, wodurch das Risiko von Oxidation und Verformung minimiert wird. EBM ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mit hoher Dichte und Festigkeit, die jedoch eine raue Oberfläche aufweisen und eine Nachbearbeitung erfordern können.

Bildquelle: 3Dnatives

DED (Directed Energy Deposition)

Beim DED-Verfahren wird Metallpulver oder -draht mithilfe einer Düse in eine fokussierte Energiequelle, wie beispielsweise einen Laser oder einen Elektronenstrahl, eingebracht. Das Material schmilzt und verschmilzt dabei. Die Düse ist in verschiedene Richtungen beweglich und ermöglicht so die Fertigung von Freiformteilen und Reparaturen. Mit DED lassen sich Bauteile mit hohen Auftragsraten und großen Abmessungen herstellen, allerdings können diese eine geringe Auflösung aufweisen und eine Nachbearbeitung erfordern.

Bildquelle: 3Dnatives

LENS (Laser Engineered Net Shaping)

LENS nutzt einen Laser, um Metallpulver oder -draht Schicht für Schicht zu schmelzen und zu verschmelzen und so das gewünschte Bauteil zu formen. Die Düse, die das Material zuführt, ist in verschiedene Richtungen beweglich und ermöglicht so die Fertigung von Freiformteilen und Reparaturen. LENS kann hochauflösende Bauteile und komplexe Geometrien herstellen, weist jedoch im Vergleich zu anderen Verfahren eine geringere Festigkeit und Dichte auf.

Bildquelle: OPTOMEC

LOM (Laminated Object Manufacturing)

Beim Laser-on-the-Molecular-Verfahren (LOM) werden dünne Metallfolien Schicht für Schicht mittels Laser geschnitten und verbunden, um das Bauteil zu formen. Das Verfahren ähnelt dem papierbasierten 3D-Druck, verwendet jedoch Metallfolien anstelle von Papier. LOM ermöglicht die kostengünstige und schnelle Herstellung von Bauteilen, die allerdings unter Umständen eine geringe Festigkeit aufweisen und eine Nachbearbeitung erfordern.

UAM (Ultraschall-Additive Fertigung)

UAM nutzt Ultraschallvibrationen, um Metallfolien oder -drähte Schicht für Schicht zu verbinden und so das Bauteil zu formen. Da das Verfahren keine hohen Temperaturen oder Schmelzvorgänge erfordert, wird das Risiko von Verformung und Oxidation reduziert. UAM ermöglicht die kostengünstige und schnelle Fertigung von Bauteilen, die jedoch unter Umständen eine geringe Festigkeit aufweisen und eine Nachbearbeitung erfordern.

Wie funktioniert der 3D-Metalldruck?

Metall-3D-Druck ist ein Oberbegriff für verschiedene additive Fertigungsverfahren , die Metallteile aus Metallpulver oder -draht herstellen. Der Hauptunterschied zwischen diesen Verfahren liegt in der Energiequelle, die das Metallmaterial schmilzt oder verschmilzt, beispielsweise ein Laser, ein Elektronenstrahl oder Ultraschall.

Die grundlegenden Schritte des 3D-Metalldrucks sind:

1. Ein digitales 3D-Modell des Bauteils wird mithilfe eines Softwareprogramms (Slicer) in dünne Schichten zerlegt.

2. Ein Metall-3D-Drucker trägt eine Schicht aus Metallpulver oder -draht auf eine Bauplattform oder ein Substrat auf.

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

4. Die Bauplattform bzw. das Substrat wird abgesenkt, und eine neue Schicht aus Metallmaterial wird auf die vorherige Schicht aufgebracht.

5. Der Vorgang wird so lange wiederholt, bis das Teil fertiggestellt ist.

6. Das Teil wird aus dem Drucker entnommen und einer Nachbearbeitung unterzogen, wie z. B. Wärmebehandlung, maschinelle Bearbeitung oder Polieren.

Je nach Art des Metall-3D-Druckverfahrens und des verwendeten Metallmaterials kann das Bauteil unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, wie z. B. Dichte, Festigkeit, Oberflächenbeschaffenheit, Genauigkeit und Komplexität.

Materialien für den 3D-Metalldruck

Der 3D-Metalldruck erzeugt Metallobjekte durch das schichtweise Auftragen von geschmolzenem oder pulverförmigem Metall. Als 3D-Metalldruckmaterialien eignen sich die Metalle, die für dieses Verfahren verwendet werden können. Die Wahl des Materials hängt von Faktoren wie Bauteilkomplexität, mechanischen Eigenschaften, Oberflächenbeschaffenheit, Kosten und Verfügbarkeit ab. Zu den gängigsten und beliebtesten Materialien für den 3D-Metalldruck gehören:

Aluminium : Aluminium ist ein leichtes, robustes Metall mit hoher Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität und thermischer Stabilität. Es findet breite Anwendung im 3D-Metalldruck, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Medizintechnik. Aluminiumpulver für den 3D-Druck ist in verschiedenen Qualitäten und Legierungen erhältlich, beispielsweise AlSi7Mg, AlSi10Mg, AlSi12 und AlSi9Cu3. Aluminium lässt sich mit verschiedenen 3D-Metalldruckverfahren verarbeiten, darunter Pulverbettfusion, Binder Jetting, Metallextrusion und Drahtlichtbogen-Auftragschweißen. Aluminium ermöglicht die Herstellung leichter, hochfester und gut leitfähiger Bauteile, kann jedoch im Vergleich zu anderen Metallen eine geringere Genauigkeit, eine rauere Oberflächenbeschaffenheit und höhere Materialkosten aufweisen.

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

Werkzeugstähle : Werkzeugstähle sind eine Gruppe von Eisenlegierungen 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 Sorten und Legierungen erhältlich, z. B. D2, M2, H13, H11, MS1 und 1.2709.

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

Inconel : Inconel ist eine Familie von Nickelbasislegierungen, die Chrom, Eisen und weitere Elemente enthalten, welche die Hochtemperatureigenschaften, Oxidationsbeständigkeit und Kriechfestigkeit verbessern. Inconel wird häufig für den 3D-Metalldruck von Bauteilen eingesetzt, die in anspruchsvollen Umgebungen wie Triebwerken, Gasturbinen und Chemieanlagen zum Einsatz kommen. Inconel-Pulver für den 3D-Druck ist in verschiedenen Qualitäten und Legierungen erhältlich, darunter Inconel 625, Inconel 718 und Inconel 939.

Nachbearbeitung von 3D-Metalldruck

Die Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Metallteilen dient der Verbesserung ihrer Qualität und Funktionalität nach dem Drucken. Zu den Nachbearbeitungsmethoden gehören das Entfernen von Stützstrukturen, die während des Druckvorgangs zur Stabilisierung komplexer Geometrien oft notwendig sind, sowie Oberflächenveredelungstechniken wie Gleitschleifen oder Polieren, um die gewünschte Oberflächenglätte zu erzielen. Durch Wärmebehandlungen, Beschichtungen oder Schweißverfahren lassen sich zudem die mechanischen Eigenschaften und die Leistungsfähigkeit der Metallteile verbessern.

Entfernung der Stütze

Die Stützstrukturentfernung entfernt die während des Druckvorgangs am Bauteil angebrachten Stützstrukturen. Dies kann manuell mit Handwerkzeugen wie Zangen oder Seitenschneidern oder automatisch mit Maschinen wie Drahterodiermaschinen oder Bandsägen erfolgen. Durch die Stützstrukturentfernung lassen sich Gewicht und Aussehen des Bauteils reduzieren, jedoch können unsachgemäße Arbeiten auch zu Beschädigungen oder Verformungen führen.

Purzelbaum

Beim Gleitschleifen wird das Werkstück in eine rotierende Trommel gegeben, die mit Schleifmitteln wie Keramik- oder Stahlkugeln gefüllt ist, und durch Vibration oder Zentrifugalkraft bearbeitet. Durch Gleitschleifen lässt sich die Oberfläche glätten und scharfe Kanten oder Grate entfernen, allerdings kann dies auch die Genauigkeit oder Detailgenauigkeit des Werkstücks beeinträchtigen.

Sprühlackierung

Beim Spritzlackieren wird mit einer Spritzpistole oder einer Sprühdose eine Schicht Farbe oder Lack auf die Oberfläche des Bauteils aufgetragen. Dies verbessert dessen Aussehen und Korrosionsbeständigkeit. Allerdings kann es auch die Maßgenauigkeit oder die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen.

Galvanisierung

Beim Galvanisieren wird das Werkstück in eine Elektrolytlösung getaucht und mittels elektrischem Strom mit einer dünnen Metallschicht, beispielsweise Gold oder Silber, beschichtet. Galvanisieren verbessert Aussehen, Leitfähigkeit und Verschleißfestigkeit, kann aber auch Defekte oder Spannungen verursachen.

Hier werden die gängigen Nachbearbeitungsprozesse des 3D-Metalldrucks mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen beschrieben.

Glühen

Beim Glühen wird das Bauteil auf eine hohe Temperatur erhitzt und anschließend langsam abgekühlt, um Eigenspannungen abzubauen und die Duktilität und Zähigkeit zu verbessern. Glühen verbessert das Mikrogefüge und die Homogenität des Bauteils, kann aber zu Verformungen oder Oxidation führen.

Anodisieren

Beim Anodisieren wird das Werkstück in eine saure Lösung getaucht und mit elektrischem Strom behandelt, wodurch sich eine dünne Oxidschicht, beispielsweise aus Aluminiumoxid, auf der Oberfläche bildet. Anodisieren kann die Härte, Korrosionsbeständigkeit und Farbe des Werkstücks verbessern, jedoch dessen Leitfähigkeit oder Dauerfestigkeit verringern.

Stressabbauende Behandlung

Dabei wird das Bauteil auf eine moderate Temperatur erhitzt und anschließend schnell abgekühlt, um die Eigenspannungen abzubauen und Risse oder Verformungen zu vermeiden. Die Spannungsarmglühung verbessert die Dimensionsstabilität und die Leistungsfähigkeit des Bauteils, kann aber dessen Härte oder Mikrostruktur beeinflussen.

Härten

Beim Härten wird das Bauteil auf eine hohe Temperatur erhitzt und anschließend schnell abgekühlt, um seine Härte und Festigkeit zu erhöhen. Härten kann auch die Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit des Bauteils verbessern, jedoch kann es dessen Duktilität oder Zähigkeit verringern.

Elektropolieren

Beim Elektropolieren wird das Werkstück in eine Elektrolytlösung getaucht und mittels elektrischem Strom eine dünne Metallschicht von der Oberfläche abgetragen. Dadurch wird die Oberfläche geglättet und Verunreinigungen oder Defekte werden entfernt, allerdings können sich die Abmessungen oder die Form des Werkstücks verändern.

Kaltverschweißen

Beim Kaltschweißen werden zwei Metallteile durch Druck und plastische Verformung ohne Wärmezufuhr oder Zusatzwerkstoff verbunden. Kaltschweißen erzeugt starke und nahtlose Verbindungen zwischen Metallteilen, kann aber hohe Kräfte oder Spezialausrüstung erfordern.

Metall-3D-Druck vs. CNC-Bearbeitung

Metall-3D-Druck und CNC-Bearbeitung sind zwei Fertigungstechnologien zur Herstellung von Metallteilen mit vielfältigen Eigenschaften und Anwendungsbereichen. Beide Verfahren weisen je nach Teilekomplexität, Stückzahl, Material, Genauigkeit, Oberflächengüte, Kosten und Bearbeitungszeit Vor- und Nachteile auf. Im Folgenden werden einige wesentliche Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen Metall-3D-Druck und CNC-Bearbeitung erläutert.

Verfahren

Der 3D-Metalldruck ist ein additives Verfahren, bei dem Bauteile Schicht für Schicht aus Metallpulver oder -draht aufgebaut werden. Dabei wird das Material mittels Laser, Elektronenstrahl oder Ultraschall geschmolzen oder verschmolzen. Die CNC-Bearbeitung hingegen ist ein subtraktives Verfahren, bei dem Material von einem festen Block abgetragen wird. Rotierende Werkzeuge und Fräser formen das Bauteil.

Gestaltungsfreiheit

Der 3D-Metalldruck bietet mehr Gestaltungsfreiheit und Flexibilität als die CNC-Bearbeitung, da er komplexe Geometrien, interne Strukturen und organische Formen erzeugen kann, die mit CNC-Bearbeitung schwierig oder gar unmöglich zu realisieren sind. Allerdings benötigt der 3D-Metalldruck unter Umständen Stützstrukturen für überhängende oder hohle Bereiche, die nach dem Druck entfernt und nachbearbeitet werden müssen.

Materialauswahl

Der 3D-Metalldruck ist durch die Verfügbarkeit und Kompatibilität von Metallpulvern oder -drähten eingeschränkt, da diese teurer und seltener als Metallblöcke sind. Allerdings ermöglicht der 3D-Metalldruck auch die Herstellung von kundenspezifischen Legierungen oder Farbverläufen, die mit CNC-Bearbeitung nicht realisierbar sind. Die CNC-Bearbeitung bietet eine größere Materialauswahl als der 3D-Metalldruck, da sie nahezu alle Metalle wie Aluminium, Stahl, Titan, Messing, Kupfer und viele mehr verarbeiten kann.

Genauigkeit und Oberflächengüte

Die CNC-Bearbeitung bietet im Vergleich zum 3D-Metalldruck eine höhere Genauigkeit und Oberflächengüte, da sie enge Toleranzen und glatte Oberflächen ohne zusätzliche Nachbearbeitung ermöglicht. Beim 3D-Metalldruck kann es aufgrund des schichtweisen Materialauftrags und der wärmebedingten Verformung zu einer geringeren Auflösung und raueren Oberflächen kommen. 3D-gedruckte Metallteile erfordern daher häufig eine Nachbearbeitung wie Sandstrahlen, Polieren oder Wärmebehandlung, um ihre Qualität und Leistungsfähigkeit zu verbessern.

Kosten und Bearbeitungszeit

Die Kosten und Bearbeitungszeiten von 3D-Metalldruck und CNC-Bearbeitung hängen von Faktoren wie Bauteilgröße, Komplexität, Menge, Material und Nachbearbeitung ab. Im Allgemeinen bietet der 3D-Metalldruck bei kleinen Serien komplexer Teile geringere Rüstkosten und kürzere Bearbeitungszeiten als die CNC-Bearbeitung, da keine bauteilspezifischen Werkzeuge oder Vorrichtungen benötigt werden. Bei großen Serien einfacher Teile hingegen sind die Materialkosten höher und die Produktionsraten geringer als bei der CNC-Bearbeitung, da das Drucken jeder einzelnen Schicht mehr Energie und Zeit verbraucht.

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