Was ist die Additive Fertigung von Metall? Methoden, Anwendung und Material

Was ist die Additive Fertigung von Metallen?

Die additive Fertigung von Metallen, auch bekannt als 3D-Metalldruck, ist ein Hightech-Fertigungsverfahren, bei dem Objekte durch das Auftragen aufeinanderfolgender Materialschichten hergestellt werden. Bei diesem Verfahren wird eine Energiequelle, z. B. ein Laser- oder Elektronenstrahl, verwendet, um das Metallpulver oder den Metalldraht zu verschmelzen und ein festes Objekt zu bilden. Folglich ermöglicht diese Technik die Entwicklung komplexer Designs, die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht oder nur schwer realisierbar sind.

Die additive Fertigung von Metallen bietet mehrere Vorteile, darunter eine unübertroffene Designfreiheit und die Verwendung verschiedener Metalle. Dies hat sie für das Wachstum der Fertigungsindustrie unentbehrlich gemacht, da sie dazu beiträgt, die Effizienz zu verbessern, den Abfall zu reduzieren, die Emissionen zu senken und die Produktionsraten für größere und leichtere Teile zu erhöhen. Die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, die Medizintechnik und die Konsumgüterindustrie sind die Hauptnutznießer dieser Technologie.

Methoden der additiven Metallfertigung

Powder Bed Methods

Bei der Pulverbettmethode wird eine dünne Schicht Metallpulver auf die Oberfläche eines Bettes aufgetragen. Die dünnen Schichten werden dann durch Hochenergiequellen wie Laser oder Elektronenstrahl selektiv aufgeschmolzen und verschmolzen, um den gewünschten Gegenstand zu bilden. Es bietet eine außergewöhnliche Fähigkeit, komplexe Geometrien mit Präzision zu erzeugen.

Gerichtete Energieabscheidung (DED)

Bei der gezielten Energieabscheidung wird das Material durch einen Heizer geschmolzen und gleichzeitig durch eine Düse abgeschieden. Bei diesem Verfahren werden Schichten aufgebaut, um ein festes Objekt zu erzeugen. DED ist in verschiedenen Industriezweigen hilfreich, da es bestehende Teile reparieren und Materialien hinzufügen kann.

Metal Binder Jetting

Beim Metallbindemittel-Jetting werden flüssige Bindemittel auf aufeinanderfolgende Schichten von Metallpulver aufgetragen, die dann als Klebstoff zwischen den Partikeln dienen. Das so entstandene Objekt muss weiter behandelt werden, in der Regel durch Sintern oder Infiltration, um es robuster/härter zu machen als zuvor, wobei es seine Form ohne Verformung beibehält. Diese Methode eignet sich für viele Anwendungen, insbesondere für die Massenproduktion, bei der komplexe Teile benötigt werden, ohne dass die Temperaturen zu stark ansteigen.

Vergleich verschiedener metallischer Zusatzwerkstoff-Herstellungsverfahren

Powder Bed Methods

Vorteile

Das Pulverbettverfahren ist die beste Methode zur Herstellung komplexer Formen. Dieses Verfahren ist hochpräzise und verwendet nur das benötigte Pulver, so dass weniger Abfall anfällt. Es kann an individuelle Produkte angepasst werden und ist daher für verschiedene Metalle und Legierungen geeignet.

Nachteile

Die teuren Rohstoffe, die bei den Verfahren verwendet werden, machen die Anschaffung aller erforderlichen Werkzeuge kostspielig. Die Geschwindigkeit ist begrenzt, und die Produktionsmenge ist möglicherweise begrenzt. Die Oberflächenbehandlung kann eine zusätzliche Nachbearbeitung erfordern, und es gelten strenge Sicherheitsrichtlinien für die Arbeit mit Metallpulvern.

Binder Jetting

Vorteile

Beim Binder Jetting werden nur manchmal Stützen benötigt, was Abfall und Nachbearbeitungskosten reduziert. Es recycelt bis zu 99 % des losen Pulvers und ermöglicht so komplexe Designs, ohne die Kosten zu erhöhen. Mehrere Teile können in einem Druckvorgang hergestellt werden, was Zeit und Kosten spart.

Nachteile

Für das Binder-Jetting-Verfahren sind jedoch zusätzliche Geräte für die Nachbearbeitung erforderlich, wobei die meisten Nachbearbeitungsprozesse manuell durchgeführt werden, obwohl eine Automatisierung im Gange ist. Außerdem sind die Kosten für Binder-Jetting-Maschinen höher als bei vielen konventionellen Herstellungsverfahren.

Direkte Energieabscheidung (DED)

Vorteile

DED hat eine schnellere Fertigungsrate als andere Metall-AM-Technologien und erzeugt dichte Teile mit weniger Abfallmaterial. Es kann große Bauteile herstellen und mit verschiedenen Materialien arbeiten.

Nachteile

Nachteilig ist, dass die Auflösung beim DED-Verfahren gering ist, was zu rauen Oberflächen führt. Die Maschinen sind recht teuer, und bei diesem Verfahren sind keine Stützstrukturen zulässig, was bedeutet, dass bestimmte Designmerkmale nicht umgesetzt werden können.

Metallische Werkstoffe für die additive Fertigung

Gebräuchliche Metallpulver

Die Wahl des Werkstoffs bei der additiven Fertigung von Metallen hat erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften des Endprodukts. Zu den gängigen Materialien gehören:

• Titan und Titanlegierungen

Hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität, ideal für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und in der Medizin.

• Rostfreier Stahl

Ausgewogenes Verhältnis von Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Erschwinglichkeit.

• Aluminium und Aluminium-Legierungen

Leichtes Gewicht mit guter Leitfähigkeit.

• Superlegierungen auf Nickelbasis

Hervorragende Hitze- und Korrosionsbeständigkeit für Hochtemperaturanwendungen.

• Kobalt-Chrom-Legierungen

Hohe Festigkeit und Biokompatibilität, häufig in medizinischen Anwendungen eingesetzt.

• Edelmetalle

Sie werden wegen ihrer Ästhetik und Korrosionsbeständigkeit in Schmuckstücken verwendet.

• Werkzeugstähle

Hohe Härte und Verschleißfestigkeit, ideal für die Herstellung von Gussformen und Schneidwerkzeugen.

Edelmetalle in der additiven Fertigung

Edelmetalle wie Gold, Silber, Platin und Ruthenium werden in der additiven Fertigung für verschiedene Anwendungen eingesetzt:

• Silber

Elektrische Kontakte und Batterien mit hoher Kapazität aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit.

• Gold

Zahnmedizin, Medizin und Elektronik wegen ihrer Formbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Anlaufen.

• Platin

Schmuck, chirurgische Werkzeuge und Laborgeräte aufgrund ihrer Dichte und ihrer Beständigkeit gegen Luft und Wasser.

• Ruthenium

Elektronik- und Chemieindustrie, da es säure- und anlaufbeständig ist.

Industrieanwendungen der additiven Metallfertigung

Luft- und Raumfahrtindustrie

Die Luft- und Raumfahrtindustrie war eine der ersten, die die additive Fertigung von Metallen einsetzte, weil sie leichte und haltbare Materialien benötigte. Mit dieser Technologie lassen sich Triebwerkskomponenten, Turbinenschaufeln und Kraftstoffsysteme optimieren. Die Herstellung komplexer Formen ohne innere Fehler hat die Leistung und Funktionalität von Teilen für die Luft- und Raumfahrt erheblich verbessert, was zu leichteren Flugzeugen und geringerem Kraftstoffverbrauch führt.

Automobilindustrie

Die additive Fertigung von Metall wird in der Automobilindustrie für Metall-Prototyping, kundenspezifische Teile und Werkzeuge verwendet. Automobilhersteller können diese Innovation nutzen, um neue Designs zu entwickeln, die sie sofort testen können, wodurch sich ihre Iterationszyklen während der Entwicklung verkürzen. Außerdem wird durch die Herstellung leichter, aber komplexer massiver Strukturen die Effizienz von Fahrzeugen verbessert.

Medizinische Industrie

Die Herstellung von medizinischen Implantaten und chirurgischen Instrumenten wird durch die additive Fertigung von Metallen im medizinischen Bereich erleichtert. Mit dieser Technologie werden beispielsweise patientenindividuelle Implantate hergestellt, die genau auf die Anatomie einer Person zugeschnitten sind, was zu besseren Ergebnissen und einer schnelleren Heilung von Patienten nach Operationen oder Verletzungen durch Unfälle führt. Sie ermöglicht auch die Herstellung von empfindlichen chirurgischen Werkzeugen, die die Genauigkeit bei Operationen erhöhen.

Energiewirtschaft

Bei der additiven Fertigung von Metallen werden Komponenten für Energiesysteme im Energiesektor hergestellt. Sie hilft bei der Herstellung solcher Teile, die in der Regel hohe Festigkeitseigenschaften aufweisen und rauen Umweltbedingungen standhalten müssen, was AM zu einer perfekten Methode für ihre Produktionsanforderungen macht. Die additive Fertigung ermöglicht es uns, komplizierte Geometrien zu entwerfen, die die Effizienz und Zuverlässigkeit dieser Systeme verbessern.

Schmuck und Konsumgüter

Die Schmuckindustrie hat sich durch die additive Fertigung von Metallen, bei der komplexe Designs mit sehr geringem Materialverlust hergestellt werden, verändert. Diese Technik ermöglicht es Juwelieren, komplizierte Stücke herzustellen, die mit herkömmlichen Methoden unpraktisch oder unmöglich wären. Auch Hersteller von Konsumgütern setzen AM ein, um Artikel mit einzigartigen Geometrien individuell zu gestalten.

Forschung und Entwicklung

Im Bereich der Forschung und Entwicklung (F&E) ist die additive Fertigung von Metallen für die schnelle Herstellung von Prototypen während des Experimentierens notwendig. Daher können Forscher dieses technologische Verfahren nutzen, um in kurzer Zeit neue Entwürfe herzustellen und zu testen, was ihnen hilft, innovativ zu sein und Unbekanntes zu entdecken. Rapid Design Iteration trägt zur schnellen Entwicklung neuer Produkte und Technologien bei.

Vorteile der additiven Fertigung von Metallen

Komplexe Formen und Geometrien

Die Fähigkeit, komplexe Formen und Geometrien zu schaffen, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer oder gar nicht herzustellen sind, ist einer der wichtigsten Vorteile der additiven Fertigung von Metall (AM). Dies ermöglicht die Konstruktion von Teilen mit inneren Hohlräumen und komplizierten Details.

Gewichtsreduzierung

Im Gegensatz zu anderen Fertigungsverfahren ermöglicht die additive Fertigung die Herstellung von leichten Bauteilen, ohne Kompromisse bei der Festigkeit einzugehen. Zu den Sektoren, die sich diese Gewichtsreduzierung zu eigen gemacht haben, gehören unter anderem die Automobilindustrie und die Luft- und Raumfahrt, wo schon eine geringe Gewichtsreduzierung zu erheblichen Einsparungen bei den Kraftstoffkosten führen kann.

Zeit- und Kosteneffizienz

Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren nimmt die additive Fertigung von Metallen weniger Zeit in Anspruch, da die Herstellung von Werkzeugen und sekundäre Arbeitsgänge entfallen, wodurch sich die Produktionskosten und die Vorlaufzeiten für die Hersteller verringern und sie schneller auf den Markt kommen können. Außerdem werden die Lagerkosten durch den Wegfall der Lagerhaltung reduziert.

Nutzen für die Umwelt

Im Vergleich zu konventionellen subtraktiven Verfahren wird die Abfallerzeugung beim 3D-Druck reduziert, da nur das in einem bestimmten Bereich benötigte Material hinzugefügt wird. Dies senkt die Materialkosten und trägt positiv zum Umweltschutz bei. Darüber hinaus trägt das Recycling von ungenutztem Pulver zur Förderung der Nachhaltigkeit bei.

Herausforderungen der additiven Metallfertigung

Technische Herausforderungen

Die additiven Fertigungstechnologien für Metalle stehen vor mehreren technischen Herausforderungen. Dazu gehört das Erreichen der gewünschten Oberflächengüte und -präzision, die für die beabsichtigten Zwecke ausreichend hoch ist, da zusätzliche Nachbearbeitungsschritte wie Bearbeitung oder Polieren erforderlich sind.

Wirtschaftliche Zwänge

Hohe Anfangsinvestitionen halten die meisten Unternehmen von der Einrichtung von Metall-AM-Maschinen ab. Gleichzeitig sind diese Maschinen teuer, ebenso wie die erforderlichen Schulungen, Verbrauchsmaterialien, Wartung usw. Außerdem sind die im 3D-Druck verwendeten Materialien in der Regel kostspielig, was bedeutet, dass ein hoher Anteil an Rohstoffen verschwendet wird.

Regulierungs- und Normungsfragen

Die Technologie der additiven Fertigung von Metallen erfordert standardisierte Prüfverfahren oder Qualitätskontrollrichtlinien, was die Qualitätssicherung zu einer schwierigen Aufgabe macht, insbesondere in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt und der Medizintechnik mit strengen Anforderungen.

FAQS

Was sind die Arten der Pulverbettschmelzung？

Selektives Laser-Sintern (SLS)

Beim selektiven Lasersintern wird pulverförmiges Metall mit Hilfe eines Lasers gesintert und zu einer festen Struktur verschmolzen, die sich durch Genauigkeit und Effizienz auszeichnet.

Direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS)

DMLS hingegen ist wie SLA, konzentriert sich aber auf verschiedene Metalle und Legierungen, um Prototypen und Endprodukte mit hoher Präzision herzustellen.

Selektives Laserschmelzen (SLM)

Außerdem wird beim SLM das Metallpulver geschmolzen, was zu einem dichteren und robusteren Endprodukt für Anwendungen führt, die eine hohe Festigkeit und Haltbarkeit erfordern.

Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

Dieses Verfahren unterscheidet sich von anderen additiven Fertigungstechnologien. Anstelle eines Lasers wird ein Elektronenstrahl in einem Vakuum verwendet, um Oxidation zu verhindern, was die Herstellung komplexer Teile mit hervorragenden Materialeigenschaften erleichtert.

Schlussfolgerung

Die additive Fertigung von Metallen ist eine transformative Technologie, die zahlreiche Vorteile bietet, darunter Designfreiheit, Effizienzsteigerung und geringere Umweltbelastung. Dank der verschiedenen verfügbaren Verfahren wie Pulverbettschmelzen, gerichtete Energieabscheidung und Binder-Jetting können Hersteller den besten Ansatz für ihre spezifischen Anforderungen wählen. Die breite Palette der bei der additiven Fertigung von Metallen verwendeten Materialien ermöglicht die Herstellung von Teilen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungen.

Die additive Fertigung von Metallen entwickelt sich ständig weiter und ist im Begriff, die Fertigungsindustrie zu revolutionieren. Die Fähigkeit, komplexe, leichte und qualitativ hochwertige Teile schnell und kostengünstig herzustellen, wird die Akzeptanz dieser Technologie in zahlreichen Branchen fördern. Auch wenn es noch Herausforderungen gibt, werden die kontinuierlichen Fortschritte und die zunehmende Zugänglichkeit dazu beitragen, diese Hindernisse zu überwinden und die additive Fertigung von Metallen in den kommenden Jahren zu einem Eckpfeiler der industriellen Innovation zu machen.