Kurzanleitung zum Vergleich von 3D-Metalldruck und Metallguss

Metall-3D-Druck vs. Metallguss: Verfahren

Metall-3D-Druck

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

Metall-3D-Druckverfahren

Die Baukammer wird mit Inertgas gefüllt, um Oxidation zu minimieren, und auf die optimale Temperatur erhitzt. Eine dünne Schicht Metallpulver wird auf die Bauplattform aufgetragen und mit einem Laser abgetastet, wodurch die Partikel verschmelzen. Nach dem Abtasten jeder Schicht senkt sich die Bauplattform ab und eine neue Pulverschicht wird aufgetragen. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das Bauteil fertiggestellt ist. Das fertige Bauteil wird aus dem Pulverbett entnommen und kann weiteren Bearbeitungsschritten wie dem Entfernen von Stützstrukturen, einer Wärmebehandlung und anderen Oberflächenbearbeitungen unterzogen werden.

Bildquelle: Beyond Bynd

Metallguss

Metallguss ist ein traditionelles Fertigungsverfahren, bei dem flüssiges Metall in eine Form gegossen wird, um die gewünschte Form zu erzeugen. Nach dem Erstarren des Metalls wird das Werkstück aus der Form entnommen. Dieses Verfahren eignet sich ideal zur Herstellung komplexer Formen und findet in verschiedenen Branchen breite Anwendung.

Metallgussverfahren

Eine Gussform wird mithilfe eines Modells hergestellt, das die Form des fertigen Teils wiedergibt. Dieses Modell besteht häufig aus Sand, Metall oder Keramik. Metall wird erhitzt, bis es flüssig ist. Das flüssige Metall wird durch einen Kanal, den sogenannten Gusskanal, in die Form gegossen. Dort kühlt das Metall ab und erstarrt. Das erstarrte Teil, nun Gussstück genannt, wird aus der Form entnommen. Überschüssiges Material aus dem Gusskanal und eventuelle Unregelmäßigkeiten werden entfernt, um das Teil fertigzustellen.

Bildquelle: Bernier Cast Metals

Metall-3D-Druck vs. Metallguss: Materialien

Metallische 3D-Druckmaterialien

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

● Aluminium: 3D-gedrucktes Aluminium wird in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie in der Automobilindustrie zur Herstellung von leichten und langlebigen Bauteilen, wie z. B. Aluminium 6061, AlSi10Mg usw., häufig verwendet.

● Titan: Aufgrund seines hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses und seiner ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit wird es bevorzugt und eignet sich daher für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im medizinischen Bereich.

● Inconel: Eine Familie von Nickel-Chrom-basierten Superlegierungen, die für ihre Fähigkeit bekannt sind, extremen Umgebungsbedingungen standzuhalten und häufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt werden.

Den Leitfaden zu SLM-3D-Druckmaterialien finden Sie HIER.

Metallgussmaterialien

● Grauguss: Weit verbreitet aufgrund seiner guten Bearbeitbarkeit und seiner Schwingungsdämpfungseigenschaften.

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

● Aluminium: Bekannt für sein geringes Gewicht und seine Korrosionsbeständigkeit, geeignet für ein breites Anwendungsgebiet.

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

● Kupfer: Sehr leitfähig und bietet eine gute Korrosionsbeständigkeit; wird häufig für elektrische Bauteile verwendet.

Metall-3D-Druck vs. Metallguss: Geschwindigkeit

Metall-3D-Druckgeschwindigkeit

Der 3D-Metalldruck ist für seine hohe Fertigungsgeschwindigkeit komplexer Bauteile bekannt. Einige Technologien erreichen Druckgeschwindigkeiten von bis zu 100 g/min. Die Druckdauer hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter Größe und Komplexität des Bauteils sowie die verwendete 3D-Drucktechnologie. So erzielt beispielsweise das Direct Energy Deposition (DED) in der Regel die höchste Druckgeschwindigkeit, gefolgt von Binder Jetting (BJT) und Laser Powder Bed Fusion (LPBF).

Metallgussgeschwindigkeit

Metallguss ist zwar ein traditionelles Fertigungsverfahren, benötigt aber im Vergleich zum 3D-Metalldruck deutlich längere Vorlaufzeiten. Die Gießgeschwindigkeit hängt von der Metallart, der Komplexität der Gussform und der Größe des Gussteils ab. Sandguss, eines der gängigsten Gussverfahren, kann bei hohen Produktionsmengen Tage oder sogar Wochen in Anspruch nehmen.

Zusammenfassend bietet der 3D-Metalldruck einen deutlichen Geschwindigkeitsvorteil bei der Herstellung kleiner bis mittelgroßer, komplexer Bauteile und ist daher besonders für Prototypen und Kleinserien geeignet. Metallguss hingegen ist zwar langsamer, bleibt aber eine kostengünstige Lösung für die Fertigung großer Bauteile und hoher 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 Werkstoffe wie Edelstahl und Titanlegierungen Zugfestigkeiten von bis zu 1250 MPa aufweisen.

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

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

● Dauerfestigkeit: Metallene 3D-gedruckte Teile weisen eine ausgezeichnete Dauerfestigkeit auf, was für Bauteile, die zyklischer Belastung ausgesetzt sind, von entscheidender Bedeutung ist.

Mechanische Eigenschaften von Metallgussteilen

● Zugfestigkeit: Gussmetalle können hohe Zugfestigkeiten aufweisen, wobei legierte Gusseisen und Stähle bis zu 900 MPa erreichen.

● Bruchdehnung: Gussteile weisen im Allgemeinen eine geringere Duktilität als Schmiedeteile auf, jedoch können duktile Gusseisen und bestimmte Gussstähle Bruchdehnungswerte von über 20 % erreichen.

● Härte: Die Härte von Gussmetallen variiert stark. Einige Gusseisensorten sind aufgrund ihrer Mikrostruktur von Natur aus hart, während Gussstähle durch Wärmebehandlung hohe Härtewerte erreichen können.

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

Metall-3D-Druck vs. Metallguss: Präzision

Präzision im 3D-Metalldruck

Der 3D-Metalldruck genießt hohes Ansehen aufgrund seiner Präzision und der Möglichkeit, Bauteile mit komplexen Geometrien und feinen Details herzustellen. Die 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 Fertigung feinster Strukturen. Die Maßgenauigkeit von 3D-gedruckten Metallteilen liegt bei etwa ± 0,1 mm und ist damit für die meisten technischen Anwendungen ausreichend. Die Oberflächenrauheit von 3D-gedruckten Metallteilen kann bis zu 1–3 µm Ra betragen, sodass häufig keine Nachbearbeitung erforderlich ist.

Präzisionsguss von Metallen

Metallguss, insbesondere Feinguss, ermöglicht die Herstellung von Teilen mit exzellenter Genauigkeit und guter Oberflächengüte. Die Standardtoleranz für Feinguss beträgt typischerweise +/- 0,005 Zoll/Zoll und variiert je nach Größe und Komplexität des Teils. Die Standard-Oberflächengüte für Gussteile liegt bei 125 bis 150 dpi (Effektivwert). Feinguss ermöglicht enge Toleranzen und hohe Maßgenauigkeit und eignet sich daher für Teile mit filigranen Details. Das Verfahren erlaubt die Fertigung von Bauteilen mit einer hochwertigen Oberflächengüte und reduziert den Nachbearbeitungsaufwand.

Metall-3D-Druck vs. Metallguss: Anwendungsbereiche

Anwendungen des 3D-Metalldrucks

● Luft- und Raumfahrt: Entwicklung leichter und dennoch robuster Komponenten zur Verbesserung der Flugzeugleistung und Treibstoffeffizienz.

● Medizin: Herstellung von maßgefertigten Implantaten und Prothesen, die auf die individuellen Bedürfnisse des Patienten zugeschnitten sind.

● Automobilindustrie: Herstellung von präzisionsgefertigten Teilen, die das Gewicht reduzieren und die Fahrzeugeffizienz optimieren.

● Werkzeugbau: Herstellung von kundenspezifischen Werkzeugen mit integrierten Funktionen für verschiedene Industriezweige.

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

Anwendungen im Metallguss

● Transport: Herstellung von Teilen für Automobile, Luft- und Raumfahrt, Eisenbahnen und Schiffe.

● Schwermaschinen: Herstellung von Komponenten für Bau-, Landwirtschafts- und Bergbaumaschinen.

● Werkzeugmaschinen: Herstellung von Teilen für die maschinelle Bearbeitung, den Guss, die Kunststoffverarbeitung, das Schmieden, die Extrusion und die Umformung.

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

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

Bildquelle: Formlabs

Metall-3D-Druck vs. Metallguss: Volumen

Metall-3D-Druckvolumen

Der 3D-Metalldruck findet zunehmend Anwendung in der Serienfertigung. Die Technologie entwickelt sich stetig weiter, um auch größere Produktionsmengen zu ermöglichen. Metall-3D-Drucksysteme erreichen Produktionsraten zwischen 10 und 40 cm³/h. Sie eignet sich besonders für kleine bis mittlere Serien, insbesondere für komplexe Bauteile, bei denen herkömmliche Fertigungsmethoden weniger effizient oder kostengünstig wären.

Metallgussvolumen

Metallguss ist ein etabliertes Fertigungsverfahren, das sich besonders für die Massenproduktion eignet. Es ermöglicht die Herstellung von Millionen von Teilen; die weltweite Gussproduktion erreichte im Jahr 2020 105,5 Millionen Tonnen. Das Verfahren ist besonders für die Fertigung großer Teile geeignet und kann ein breites Spektrum an Teilegrößen und -komplexitäten verarbeiten.

Metall-3D-Druck vs. Metallguss: Kosten

Kosten für 3D-Metalldruck

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

● Materialkosten: Die Materialien für den 3D-Metalldruck, wie Pulver und Drähte, können preislich sehr stark variieren, von einigen hundert Dollar pro Kilogramm für gängige Legierungen bis hin zu deutlich höheren Kosten für Spezialmaterialien.

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

● Produktionsvolumen: Obwohl die Kosten pro Teil mit zunehmendem Produktionsvolumen sinken, ist der 3D-Metalldruck im Allgemeinen kostengünstiger für kleine bis mittlere Serien.

Kosten für Metallguss

● Werkzeugkosten: Die anfänglichen Kosten für die Herstellung von Gussformen können erheblich sein, diese werden jedoch über die Produktionsmenge amortisiert, wodurch das Gießen bei großen Mengen wirtschaftlicher wird.

● Materialkosten: Die Kosten für Rohmaterialien sind beim Gießen im Allgemeinen niedriger als beim 3D-Metalldruck, insbesondere unter Berücksichtigung der Skaleneffekte.

● Arbeits- und Betriebskosten: Diese können aufgrund der etablierten Verfahrensweise und des Automatisierungspotenzials niedriger sein als beim 3D-Metalldruck.

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

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Wir bei 3DSPRO sind auf die Herstellung von Metallteilen mittels selektivem Laserschmelzen (SLM) spezialisiert. Unsere SLM-Lösungen ermöglichen die Fertigung hochwertiger, komplexer Metallteile, die exakt Ihren Vorgaben entsprechen.

Warum 3DSPRO für SLM-3D-Druck wählen?

● Präzision und Qualität: Unser SLM-Verfahren gewährleistet, dass jedes Teil mit höchster Präzision gefertigt wird, was zu hochfesten Metallteilen mit komplexen Designs führt.

● Materialvielfalt: Wir bieten eine breite Palette an Metallwerkstoffen an, darunter Titan, Edelstahl und Aluminium, um den unterschiedlichen Projektanforderungen gerecht zu werden.

● Schnelligkeit und Effizienz: Dank kurzer Vorlaufzeiten gewährleisten wir eine zügige Abwicklung Ihrer Projekte.

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