3D-Druck mit Metall erklärt: Verwendete Materialien, Verfahren, Vorteile und Anwendungen

Von: HDCMFG
12. Oktober 2024

Was ist 3D-Metalldruck?

Der 3D-Druck von Metall, auch als additive Fertigung bekannt, verändert die Art und Weise, wie die Industrie über die Produktion denkt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen subtraktiven Methoden, bei denen Material weggeschnitten wird, um ein Teil zu formen, werden mit 3D-Metalldruckern Objekte Schicht für Schicht aus Metallpulver aufgebaut.

Dieser Ansatz minimiert nicht nur den Abfall, sondern ermöglicht auch komplexe Designs, die mit herkömmlichen Techniken unmöglich oder kostspielig wären.

Stellen Sie sich vor, Sie könnten maßgeschneiderte Luft- und Raumfahrtkomponenten oder medizinische Implantate herstellen, die auf individuelle Bedürfnisse zugeschnitten sind, ohne teure Werkzeuge zu benötigen. Das ist nicht nur ein schnellerer Prozess, sondern auch eine effizientere und flexiblere Möglichkeit, Hochleistungsteile herzustellen.

Materialien und ihre Formen, die im Metall-3D-Druck verwendet werden

Das Hauptmaterial, das beim 3D-Druck von Metallen verwendet wird, ist feines Metallpulver, das Metalle wie Titan, Edelstahl, Aluminium, Inconel und verschiedene Legierungen enthält. Diese Pulver werden durch Prozesse wie Gaszerstäubung, Plasmarotationselektrode oder mechanisches Legieren hergestellt.

Bei der Gaszerstäubung wird geschmolzenes Metall mithilfe von Hochgeschwindigkeitsgas in feine Partikel zerlegt, wodurch die Gleichmäßigkeit und hohe Reinheit des Pulvers gewährleistet wird. Die feine und gleichmäßige Partikelgröße ist entscheidend für eine präzise Schichtabscheidung und einen hochwertigen Druck.

Titan wird beispielsweise aufgrund seines hervorragenden Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht und seiner Korrosionsbeständigkeit häufig in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizinbranche verwendet. Edelstahl wird wegen seiner Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit geschätzt, während Aluminium aufgrund seines geringen Gewichts bevorzugt wird. Inconel, eine Superlegierung auf Nickelbasis, weist in Hochtemperatur- und extremen Umgebungen eine außergewöhnlich gute Leistung auf.

Digitales Design im Metall-3D-Druck

Beim 3D-Metalldruck ist die digitale Konstruktion für den schichtweisen Aufbau entscheidend. Der Prozess umfasst die folgenden Schritte:

Erstellen des 3D-Modells: Die Ingenieure entwerfen zunächst das Teil mit CAD-Software wie AutoCAD, SolidWorks oder Fusion 360. Dieses Modell enthält alle notwendigen Details und Spezifikationen.
Aufteilen des Modells: Sobald das Modell fertig ist, wird es verarbeitet mit Slicing-Software Das zerlegt das 3D-Modell in dünne zweidimensionale Querschnitte bzw. Schichten, die für den 3D-Druck unerlässlich sind.
Druckbare Dateien erzeugen: Das geschnittene Modell wird in Formaten wie gespeichert STL oder OBJ, die der Drucker liest. Diese Dateien enthalten alle für den Druck benötigten geometrischen Daten.

So funktioniert der 3D-Metalldruck (Prozess)

Beim 3D-Druck von Metallen, beispielsweise beim Selective Laser Melting (SLM) und Direct Metal Laser Sintering (DMLS), wird Metallpulver mithilfe eines Lasers Schicht für Schicht verschmolzen. Der Prozess umfasst die folgenden wichtigen Schritte:

Antioxidationsmaßnahmen: Der Druckvorgang findet in einer versiegelten Kammer statt, die mit Inertgasen wie Argon oder Stickstoff gefüllt ist, um Oxidation zu verhindern. Der Sauerstoffgehalt wird unter 1000 ppm gehalten und ein kontinuierlicher Gasstrom entfernt Restsauerstoff und Dämpfe. Metallpulver wird sorgfältig gelagert und gehandhabt, um den Kontakt mit Luft und Feuchtigkeit zu vermeiden.
Pulverbeschichtung: Eine dünne Schicht feinen Metallpulvers (20–100 Mikrometer dick) wird gleichmäßig über die Bauplattform verteilt.
Selektive Laserfusion: Ein Hochleistungslaser verschmilzt das Metallpulver entsprechend dem digitalen Modell selektiv zu festen Schichten.
Schicht-für-Schicht-Aufbau: Nach jeder Schicht senkt sich die Bauplattform ab und neues Pulver wird verteilt, wobei der Laser jede Schicht mit der vorherigen verschmilzt.

Sobald der Druckvorgang abgeschlossen ist, bleibt das fertige Teil an der Bauplattform befestigt und ist von losem, nicht verschmolzenem Metallpulver in der Baukammer umgeben, das vorsichtig entfernt werden muss.

Wichtige 3D-Druckverfahren für Metall

Der 3D-Metalldruck bietet eine Reihe hochentwickelter Techniken, wie zum Beispiel:

Selektives Laserschmelzen (SLM) verwendet einen leistungsstarken Laser, um Metallpulver Schicht für Schicht vollständig zu schmelzen und so Teile mit außergewöhnlicher Dichte und Festigkeit herzustellen. Diese Methode gewährleistet hochwertige, langlebige Ergebnisse.
Direktes Metall-Lasersintern (DMLS)ist zwar ähnlich wie SLM, unterscheidet sich jedoch darin, dass das Metallpulver gesintert wird, ohne es vollständig zu schmelzen. Dieser Ansatz ermöglicht komplizierte, detaillierte Designs und macht ihn äußerst präzise und vielseitig.
Elektronenstrahlschmelzen (EBM) verwendet einen Elektronenstrahl im Vakuum, um Metallpulver zu schmelzen. Die Vakuumumgebung minimiert Verunreinigungen und eignet sich daher besonders für die Arbeit mit modernen Materialien wie Titan oder Nickellegierungen.
Binder Jetting verfolgt einen anderen Ansatz, indem ein flüssiges Bindemittel verwendet wird, um Metallpulverpartikel zusammenzukleben. Zwar müssen die Teile nachbearbeitet werden, aber diese Methode ist schneller und kostengünstiger, insbesondere bei großen Produktionsläufen.

Mit Metall-3D-Druck erreichbare Präzision

Der 3D-Druck mit Metallen bietet ein hohes Maß an Präzision und eignet sich daher ideal für die Herstellung komplexer, detaillierter Teile. Die typische Maßgenauigkeit liegt je nach verwendetem Verfahren und Material bei ±0,1 mm.

Die Schichtdicke, die zwischen 20 und 100 Mikrometer liegen kann, spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit und Detailliertheit.

Auch Faktoren wie die Qualität des Metallpulvers, die Lasereinstellungen und die Nachbearbeitungstechniken beeinflussen die endgültige Genauigkeit.

Vorteile des 3D-Metalldrucks

Designflexibilität: Der 3D-Druck von Metall ermöglicht die Erstellung komplexer Geometrien, deren Herstellung mit herkömmlichen Methoden unmöglich oder teuer wäre.
Materialeffizienz: Im Gegensatz zu subtraktiven Verfahren wird beim 3D-Druck von Metall nur das für jedes Teil benötigte Material verwendet. Dadurch wird der Abfall minimiert und die Produktionskosten gesenkt.
Schnelleres Prototyping: Der 3D-Druck ermöglicht einen schnellen Übergang von digitalen Designs zu physischen Prototypen, verkürzt die Entwicklungszeiten und ermöglicht schnellere Designiterationen.
Anpassung: Die Technologie eignet sich hervorragend für die Herstellung individueller Einzelteile ohne aufwändige Werkzeugausstattung und ist daher ideal für kleine Produktionsläufe und maßgeschneiderte Komponenten.
Festigkeit und metallische Eigenschaften: Bei Verfahren wie SLM und DMLS werden Metallpulver vollständig geschmolzen oder gesintert, wodurch dichte, hochfeste Teile entstehen. Die Leistung dieser Teile ist oft genauso gut oder sogar besser als die von Schmiede- oder Gussteilen.

Einschränkungen des 3D-Metalldrucks

Eine große Herausforderung sind die hohen Kosten für Ausrüstung und Materialien, die es für kleine Startups oder einzelne Bastler weniger erschwinglich machen. Zwar bieten viele Unternehmen kundenspezifische 3D-Druckdienste für Metall an, aber die Preise können für sie immer noch unerschwinglich hoch sein.

Darüber hinaus wird die Baugröße durch die Druckerkammer beschränkt, was die Produktion größerer Teile begrenzt.

Um die gewünschte Präzision und Ästhetik zu erreichen, ist bei der Oberflächenbeschaffenheit häufig eine Nachbearbeitung erforderlich.

Darüber hinaus ist die Palette der verfügbaren Materialien im Vergleich zur traditionellen Fertigung geringer und der Prozess kann bei der Massenproduktion langsamer sein als bei Methoden wie Gießen oder spanender Bearbeitung.

Neu entwickelte Technologien im Metall-3D-Druck

Die jüngsten Fortschritte im 3D-Druck von Metallen gehen neue Wege.

Bei der Hybridfertigung wird 3D-Druck mit CNC-Bearbeitung kombiniert, was für mehr Präzision und Effizienz sorgt.

Der Multimaterialdruck ermöglicht jetzt die Verwendung unterschiedlicher Metalle in einem einzigen Teil und eröffnet so neue Designmöglichkeiten.

Höhere Druckgeschwindigkeiten und verbesserte Software machen die Produktion im großen Maßstab machbarer. Und dank erweiterter Baugrößen können wir größere und komplexere Komponenten als je zuvor herstellen.

Anwendungen des Metall-3D-Drucks

Luft- und Raumfahrt

Der 3D-Druck von Metall eignet sich ideal für die Herstellung leichter, komplexer Teile wie Turbinenschaufeln und Motorkomponenten, die hohen Belastungen und Temperaturen standhalten müssen.

Automobil

Es wird für Rapid Prototyping verwendet und ermöglicht schnellere Designiterationen. Darüber hinaus werden kundenspezifische Hochleistungsteile wie Motorkomponenten und Abgassysteme hergestellt.

Medizinisch

Der 3D-Druck von Metall ermöglicht individuelle Implantate und chirurgische Instrumente, die genau auf die Anatomie eines Patienten zugeschnitten sind und so zu besseren Ergebnissen führen.

Werkzeuge und Formen

Es rationalisiert die Produktion langlebiger Präzisionswerkzeuge und verkürzt die Vorlaufzeiten für Fertigungsprozesse.

Industrielle Maschinen

Präzisionsmetallteile verbessern die Leistung und Haltbarkeit von Maschinen und machen den 3D-Metalldruck in anspruchsvollen industriellen Anwendungen von unschätzbarem Wert.

Führende 3D-Metalldruckermarken und -preise

Zwei führende Marken in der 3D-Metalldruckindustrie sind EOS und Renishaw, beide bekannt für ihre fortschrittliche Technologie und Zuverlässigkeit. Schauen wir uns zwei ihrer typischen Modelle genauer an, einschließlich Spezifikationen und Preis.

EOS M 290
Der EOS M 290 ist ein erstklassiger industrieller 3D-Metalldrucker, der für seine Präzision und robuste Leistung bekannt ist. Er verfügt über ein Bauvolumen von 250 x 250 x 325 mm und verwendet einen 400-W-Laser zur Herstellung hochpräziser Teile. Dieses Modell unterstützt eine breite Palette von Metallen, darunter Titan, Edelstahl und Aluminium.
Preis: Etwa $700,000.
Renishaw RenAM 500Q
Der RenAM 500Q von Renishaw ist für den Hochgeschwindigkeits-Metalldruck mit mehreren Lasern konzipiert und damit einer der effizientesten Drucker auf dem Markt. Er bietet ein Bauvolumen von 250 x 250 x 350 mm und sein Quad-Lasersystem verkürzt die Druckzeiten erheblich und sorgt gleichzeitig für erstklassige Qualität. Dieser Drucker unterstützt Materialien wie Titan und Inconel, die sich ideal für anspruchsvolle Branchen wie die Luft- und Raumfahrt und die Medizin eignen.
Preis: Etwa $750,000.

Fazit

Der 3D-Druck mit Metallen bietet beispiellose Designflexibilität, Materialeffizienz und Anpassungsmöglichkeiten und ist damit ein bahnbrechender Prozess für Branchen wie die Luft- und Raumfahrt und die Medizin. Trotz Herausforderungen wie hohen Kosten und Größenbeschränkungen verbessern technologische Fortschritte die Möglichkeiten des Drucks schnell. Mit der Weiterentwicklung des 3D-Drucks mit Metallen wird dieser auch weiterhin eine entscheidende Rolle in der modernen Fertigung spielen und Präzision und Innovation für eine breite Palette von Anwendungen liefern.