Was ist 3D-Druck von Metall?
Der 3D-Metalldruck ist ein Herstellungsverfahren, bei dem Hochleistungsmetalllegierungen in einem Hochgeschwindigkeitsprozess verwendet werden, um Prototypen und Endverbrauchsteile ohne Formen oder Werkzeuge herzustellen.
Das Grundprinzip des 3D-Drucks von Metall ist die additive Fertigung (AM) oder die Schichtung von Materialien zur Herstellung dreidimensionaler Objekte. Im Gegensatz zur traditionellen oder subtraktiven Fertigung handelt es sich um einen flexibleren Prozess, der die Herstellung komplexer Metallteile schneller und zu geringeren Kosten ermöglicht.
Eine kurze Geschichte
Das erste Patent für das Laserschmelzen von Metallen wurde 1995 in Deutschland angemeldet, gefolgt von einem langsamen Wachstum der Technologie zu Beginn des 21. Jahrhunderts. Im Jahr 2012, als die ursprünglichen Patente ausliefen, sorgten Investitionen von GE, HP und anderen Branchenführern für neues Wachstum und Interesse. Der globale Markt für 3D-Drucker aus Metall befindet sich heute im Aufschwung und wird bis 2031 voraussichtlich ein beträchtliches Wachstum verzeichnen.
Die wichtigsten Arten des 3D-Drucks von Metall
| Type of metal AM | How it works | Applications | AddUp Technology |
|---|---|---|---|
| Powder bed fusion (L-PBF) |
|
| FormUp 350 FormUp 350 Evolution |
| Directed energy deposition (DED) |
|
| Modulo 400 Magic 800 |
Materialextrusion (Metall-FDM): Ideal für das Prototyping und die Produktion kleiner Serien: Bei der Materialextrusion, auch bekannt als Metall-FDM, wird ein Metallfilament verwendet, um Teile Schicht für Schicht herzustellen. Hier ein genauerer Blick auf den Prozess:
- Ein Metallfilament wird in den Druckkopf geladen.
- Der Druckkopf erhitzt das Filament bis zu seinem Schmelzpunkt.
- Das geschmolzene Metall wird durch eine Düse in einem kontrollierten Muster extrudiert, wobei das Teil Schicht für Schicht aufgebaut wird.
- Nach dem Druck wird das Teil in einem Ofen gesintert, um seine endgültige Dichte und Festigkeit zu erreichen.
Elektronenstrahlschmelzen (EBM E-PBF): Produziert Teile mit außergewöhnlicher Dichte für anspruchsvolle Anwendungen: Elektronenstrahlschmelzen (EBM) ist eine spezialisierte PBF-Technologie, die für ihre hochwertigen Ergebnisse bekannt ist. Hier finden Sie eine Aufschlüsselung des EBM-Prozesses:
- Eine dünne Schicht Metallpulver wird auf der Bauplattform verteilt.
- Ein leistungsstarker Elektronenstrahl wird in einer Vakuumkammer erzeugt.
- Der Elektronenstrahl schmilzt das Metallpulver entsprechend dem CAD-Entwurf selektiv auf.
- Die Bauplattform senkt sich, und eine weitere Schicht Pulver wird aufgetragen. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis das Teil fertig ist.
Binder Jetting: Ermöglicht die schnelle Herstellung komplexer Geometrien: Binder Jetting nutzt einen einzigartigen Ansatz, bei dem ein flüssiges Bindemittel verwendet wird, um Teile Schicht für Schicht aufzubauen. Schauen wir uns die einzelnen Schritte an:
- Eine dünne Schicht Metallpulver wird auf der Bauplattform verteilt.
- Ein Druckkopf trägt selektiv ein flüssiges Bindemittel auf das Pulver auf, das die Partikel entsprechend dem CAD-Entwurf zusammenklebt.
- Die Bauplattform senkt sich, und eine neue Schicht Pulver wird aufgetragen. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis das Teil fertig ist.
- Das “grüne” Teil wird aus dem Pulverbett genommen und einem Sinterprozess unterzogen, um die Metallpartikel zu verschmelzen und seine endgültige Festigkeit zu erreichen.
Kaltgasspritztechnik: Verlängert die Lebensdauer von Teilen durch Auftragen von Material: Die Kaltgasspritztechnik bietet eine einzigartige Methode zur Reparatur oder zum Auftragen von Material auf bestehende Teile. Hier ein Blick darauf, wie es funktioniert:
- Metallpulver wird mit einem Hochdruck-Gasstrom auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt.
- Die Pulverpartikel werden durch eine Düse auf die Zieloberfläche (Substrat oder bestehendes Teil) gerichtet.
- Beim Aufprall verformen sich die Partikel und verbinden sich mit der Oberfläche, ohne vollständig zu schmelzen, wodurch das Material Schicht für Schicht aufgebaut wird.
- Dieses Verfahren kann zur Herstellung neuer Teile oder zur Reparatur/Beschichtung bestehender Komponenten verwendet werden.
DAS PULVERBETTFUSIONSVERFAHREN (PBF)
PBF kann als ein genial komplexer Prozess betrachtet werden:
- Eine dünne Schicht einer hochfesten Legierung (Metallpulver) wird auf der Bauplattform verteilt
- Ein Hochleistungslaser tastet das Bauteil ab und schmilzt oder verschmilzt das Pulver an den Stellen, die durch das ursprüngliche CAD-Design vorgegeben sind.
- Eine Walze bringt eine weitere Schicht Metallpulver auf das Bauteil auf. (Dieser Schritt wird wiederholt, bis der Vorgang abgeschlossen ist.)
Ausgangsstoffe und Energiequellen
Die Vielseitigkeit des 3D-Drucks von Metall wird durch die Vielfalt der verwendeten Ausgangsmaterialien (Metallpulver, Draht) und Energiequellen (Laser, Elektronenstrahl, Lichtbogen) noch erheblich gesteigert. Diese Vielfalt erweitert nicht nur das Spektrum der erreichbaren Teileigenschaften, einschließlich mechanischer Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, sondern optimiert auch den Herstellungsprozess, um spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen.
Materialien für den 3D-Druck aus Metall
Die beim 3D-Druck von Metall verwendeten Materialien haben einen direkten Einfluss auf die Designmöglichkeiten. Jedes dieser Produkte verfügt über einzigartige Eigenschaften, wie z.B. Festigkeit, Flexibilität und Hitzebeständigkeit, um die spezifischen Anforderungen des Projekts zu erfüllen.
Die AddUp-Suite von Materialien, die auf unseren PBF- und DED-Maschinen validiert wurden, umfasst:
| Material | Description | Applications |
|---|---|---|
| Stainless steel 316L | Low-carbon stainless steel alloy that provides excellent mechanical and corrosion properties at room temperature, with a high creep strength at elevated temperatures | Medical Industry Nuclear |
| Inconel 718/625 | High-strength and corrosive-resistant, precipitation-hardening allow | Aerospace Oil and gas Automotive Marine |
| Tool steels—Maraging steel, H11, H13, 420 steel Printdur HCT | Combine high strength and excellent corrosion resistance | Tooling Aerospace Marine Nuclear Defense |
| Aluminum AISi7Mg0.6 | Aluminum alloy that offers good mechanical properties, thermal conductivity, and corrosion resistance with high weldability | Aerospace |
| Ti64 Titanium Ti64ELI | Strong, lightweight Strong, lightweight, and very biocompatible | Aerospace Medical |
Designüberlegungen für den 3D-Druck von Metall
Auch wenn sich damit eine Welt voller Möglichkeiten für die Gestaltung komplexer Designs eröffnet, gibt es beim Design für den 3D-Druck von Metall einige Faktoren zu beachten. Dazu gehören:
- Bestimmen Sie die kritischen Abmessungen des Teils und stellen Sie sicher, dass sie flach oder parallel zum Druckbett sind.
- Maximieren Sie den Kontakt, den das Teil mit dem Bett hat
- Design für weniger Stützen
- Vermeiden Sie überhängende Strukturen.
ANWENDUNGEN FÜR DEN METALL-3D-DRUCK
Der 3D-Druck von Metall verändert die Art und Weise, wie eine Vielzahl von hochwertigen Industrien mit Metall arbeiten.
Mehr erfahren
Raumfahrt und Luftfahrt
Metall-AM ermöglicht die Erstellung von generativen Designs für komplexe Komponenten, die stärker und leichter sind und eine höhere Leistung bieten.
Automobilindustrie
Der 3D-Druck von Metall ermöglicht Automobilherstellern die Entwicklung von Werkzeugen, Formen und Gesenken für das Rapid Prototyping und die Produktion von Teilen mit komplexen Geometrien und komplizierten Designs.
Medizinische und Zahnimplantate
Metall-3D-Drucker ermöglichen die hohe Produktivität und Qualität, die für die Herstellung von Teilen aus biokompatiblen Materialien wie Titan für die Produktion von Prothetik und Orthopädie sowie von Kronen und Brücken und kieferorthopädischen Geräten erforderlich ist.
Schmuck und Mode
Diese Branchen entdecken die Vorteile von Metall-AM bei der Erstellung individueller Designs und Oberflächentexturen, die Ästhetik und Wert steigern.
Kundenspezifische Werkzeuge und Komponenten
Mit dem 3D-Druck von Metall können Werkzeuge schnell und zu geringeren Kosten pro Bauteil hergestellt werden.
Gussformen und Einsätze
Der 3D-Druck von Metall reduziert die Zykluszeit, indem er die Kühlzeit verkürzt.
VOR- UND NACHTEILE DES METALL-3D-DRUCKS
Mit dem 3D-Druck von Metall lassen sich Teile schneller herstellen als mit herkömmlichen Fertigungsmethoden. Hier finden Sie einige der geschäftlichen und technischen Vorteile, aber auch einige Einschränkungen.
Vorteile von Metal AM
Mit dem 3D-Druck von Metall lassen sich bisher unmögliche Designs entwerfen und herstellen. Das können Sie erwarten:
- Produzieren Sie leichte Teile, die dennoch eine hohe Festigkeit aufweisen
- Eliminieren Sie den Bedarf an Formen und Werkzeugen und reduzieren Sie die Vorlaufzeiten
- Reduzieren Sie die Kosten für Rohmaterialien
- Erzielen Sie schnelles Prototyping
- Erhöhte Lebensdauer
Ein paar Nachteile
Die Einführung des 3D-Drucks von Metall ist mit einigen Abstrichen verbunden, die Sie berücksichtigen sollten.
- Eine steile Lernkurve
- Die Notwendigkeit einer präzisen Prozesskontrolle begrenzt das Bauvolumen
- Relativ hohe Kosten im Vergleich zur traditionellen Herstellung
- Hohe Anfangsinvestitionen in Infrastruktur und Nachbearbeitungsgeräte
DIE ZUKUNFT DES METALS AM
Der 3D-Druck von Metall gewinnt als Methode zur Beschleunigung und Rationalisierung der Endfertigung von Teilen immer mehr an Bedeutung. Die Zukunft von Metal AM ist rosig.
Es werden neue Technologien für die additive Fertigung entwickelt, die höhere Geschwindigkeiten, niedrigere Kosten, größere Produktionsvolumina und Multimaterialfähigkeiten ermöglichen.
Die Integration von Metall-AM mit Technologien wie künstlicher Intelligenz (KI), Robotik und IoT wird es ermöglichen, den gesamten Herstellungsprozess zu automatisieren, zu optimieren, zu überwachen und zu verifizieren.
Forscher haben die Verwendung von exotischeren Metallen wie Inconel, einer Superlegierung, die extremer Hitze und extremem Druck standhalten kann, sowie von Edelmetallen für Elektronik- und Schmuckanwendungen erforscht. Es werden auch Metallverbundwerkstoffe entwickelt, um Teile mit höherer Festigkeit oder geringerem Gewicht herzustellen.
Die Jointless Hull-Maschine, das weltweit größte Gerät für additive und subtraktive Fertigung, wurde entwickelt, um der US-Armee das Drucken von Materialien in großem Maßstab zu ermöglichen, die bisher nicht in diesem Umfang gedruckt werden konnten.
ERSTE SCHRITTE
Denken Sie darüber nach, in das Metal AM Spiel einzusteigen? Bedenken Sie dies: Es gibt mehr als 10 Technologiearten und Hunderte von bedruckbaren Metallen, die den Herstellern zur Verfügung stehen.
Was Sie bei der Auswahl eines 3D-Druckers aus Metall beachten sollten
Wenn Sie bereit sind, einen 3D-Drucker aus Metall zu kaufen, sollten Sie sich überlegen, was Sie drucken möchten, wie der Drucker verwendet werden soll, welches Druckvolumen Sie anstreben, welche Materialien Sie verwenden möchten und natürlich auch Ihr Budget.
Tipps für Einsteiger
Wenn Sie gerade erst mit dem 3D-Druck von Metall beginnen, sollten Sie so viel wie möglich über diese Technologie lernen. Einige Hersteller und Dienstleister bieten sogar Probefahrten und Muster von 3D-gedruckten Metallteilen an.
Um Ihren Business Case für den Einstieg in den Metall-3D-Druck zu entwickeln, müssen Sie alle damit verbundenen Kosten verstehen und kalkulieren – von den Kosten für den Drucker selbst bis hin zu den Materialien und der Nachbearbeitung – sowie die Einsparungen durch den Mehrwert, den Sie erzielen werden.
Ressourcen zum Lernen und Erforschen
In der additiven Fertigungsindustrie gibt es eine Fülle von Ausbildungsmöglichkeiten, darunter auch Online-Kurse, die von führenden Universitäten angeboten werden.
Die Qualifizierung und Ausbildung von Bedienern ist für den Erfolg und die Expansion der Metall-3D-Druckindustrie unerlässlich. Um den Bedarf an qualifizierten 3D-Druckern zu decken, hat ISO/ASTMInternational ein Qualitätszertifizierungsprogramm für Hersteller, die Metall-AM einsetzen, ins Leben gerufen.
Jetzt ist es an der Zeit, an Bord zu gehen
Mit seiner Fähigkeit, komplexe Metallprototypen und -teile herzustellen, hat der 3D-Druck von Metall ein enormes Potenzial, die Fertigung, wie wir sie kennen, zu revolutionieren.
Große Automobilhersteller setzen den 3D-Druck von Metall für die Herstellung ihrer komplexesten Komponenten immer häufiger ein. Luft- und Raumfahrtunternehmen nutzen es, um leichtere Teile herzustellen. Und die Technologie verspricht, ihre Anwendungen im Gesundheitswesen zu erweitern. Es wird erwartet, dass die Technologie zugänglicher und kostengünstiger wird, da die Vielfalt der Metalle, die für die Herstellung hochfester Teile verwendet werden können, zunimmt.
Ist es nicht an der Zeit, dass Sie die aufregende neue Welt des 3D-Drucks von Metall erkunden?
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