Die additive Metallfertigung ist einer der verschiedenen Zweige der additiven Fertigung, die sich als revolutionäre Kraft in der modernen Produktion herausgestellt hat. Sie wird oft als Metall-3D-Druck bezeichnet und ist führend in der hochwertigen Präzisionstechnik. Im Gegensatz zu herkömmlichen subtraktiven Verfahren baut der Metall-3D-Druck Objekte Schicht für Schicht auf, wodurch Abfall reduziert und Designfreiheit eröffnet wird. Von der Luft- und Raumfahrt bis zum Gesundheitswesen setzen Branchen diese Technologie aufgrund ihrer Geschwindigkeit und Effizienz ein. Hier erfahren Sie, was additive Metallfertigung ist, wie sie funktioniert, welche Technologien, welche Metalle verwendet werden, welche Vorteile, Herausforderungen und Anwendungen es bietet.
Inhalte
Was ist additive Metallfertigung?
Die additive Fertigung von Metallen ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem Metallteile durch schichtweises Verschmelzen einer 3D-CAD-Datei (Computer-Aided Design) miteinander verbunden werden. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung leichter, robuster und komplexer Komponenten mit minimalem Materialabfall.
Die Ursprünge des 3D-Metalldrucks reichen bis in die späten 1980er Jahre zurück und gehen auf zwei Pionierforscher zurück: Dr. Carl Deckard und Dr. Joseph Beaman. 1986 meldete Deckard ein Patent für das selektive Lasersintern (SLS) an, was einen deutlichen Aufschwung in der additiven Metallfertigung bedeutete. Andere Forscher verfeinerten und entwickelten verschiedene 3D-Drucktechniken weiter, was zu einem exponentiellen Marktwachstum führte.
Marktumfrage zur additiven Metallfertigung
Aktuellen Marktstudien zufolge wird der Markt für additive Metallfertigung im Zeitraum von 18.66 bis 2024 voraussichtlich um 2029 Milliarden US-Dollar wachsen. Dies entspricht einer prognostizierten jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 29.7 %. Grund hierfür ist die steigende Nachfrage nach Verfahren wie dem selektiven Laserschmelzen (SLM) und dem Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Darüber hinaus findet es breite Anwendung in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und dem Gesundheitswesen in Nordamerika, Europa, dem Nahen Osten, Afrika, Südamerika usw.
Technologien zur additiven Metallfertigung
Es gibt verschiedene Technologien für den 3D-Metalldruck, die sich jeweils für unterschiedliche Anwendungen, Präzisionsstufen, Materialien und Produktionsgrößen eignen. Um die richtige Technik für eine bestimmte Anwendung zu wählen, ist es wichtig, die Funktionsweise der einzelnen Verfahren zu verstehen. Nachfolgend sind die fünf Haupttypen aufgeführt:
Pulverbettfusion (PBF)
Powder Bed Fusion (PBF) ist eine der am weitesten verbreiteten Techniken in der additiven Metallfertigung. Dabei wird eine dünne Schicht Metallpulver (typischerweise 15–45 µm) mithilfe einer Walze oder eines Beschichtungsgeräts aufgetragen und mithilfe einer Wärmequelle (Laser oder Strahl) selektiv verschmolzen. Anschließend senkt sich die Plattform ab, und eine weitere Pulverschicht wird aufgetragen. Der Vorgang wird anhand der Daten eines 3D-Modells wiederholt, bis das fertige Teil fertig ist.
Der Prozess findet in einer inerten Atmosphäre, häufig Stickstoff oder Argon, statt, um Oxidation zu verhindern und die Bauteilintegrität zu gewährleisten. PBF ist bekannt für seine Fähigkeit, hochdetaillierte Teile mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften herzustellen. Gemäß den internationalen Normen (ISO) wird es als Laser Beam Powder Bed Fusion (PBF-LB) bezeichnet. Es gibt drei Hauptvarianten dieser Kategorie:
Direktes Metalllasersintern (DMLS)
Direktes Metall-Lasersintern ist ein laserbasiertes PBF-Verfahren, bei dem ein Hochleistungslaser Metallpulverpartikel (typischerweise 15–45 µm) durch Erhitzen knapp unter ihren Schmelzpunkt zu einer festen Schicht sintern lässt. DMLS baut das Bauteil Schicht für Schicht direkt aus einer digitalen Datei in einer abgedichteten Baukammer auf, die mit einem Inertgas wie Argon oder Stickstoff gefüllt ist, um Oxidation während des Schmelzens zu verhindern.
Dieses Verfahren eignet sich ideal für die Herstellung von Teilen mit komplexen Innengeometrien, feinen Details und engen Toleranzen. Die üblicherweise verwendeten Materialien sind Edelstahl, Titanlegierungen, Aluminium, Nickel-basierte Superlegierungen und Kobalt-Chrom. Es wird häufig in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und im industriellen Werkzeugbau eingesetzt, wo Präzision entscheidend ist.
Vorteile und Nachteile des direkten Metalllasersinterns
Vorteile
- Es produziert hochdetaillierte und präzise Teile
- Das Verfahren eignet sich hervorragend für feine innere Merkmale und Gitterstrukturen
- Es produziert Teile mit Dichte und Festigkeit
Nachteile
- DMSL erfordert Stützstrukturen für Überhänge
- Zur Oberflächenveredelung ist oft ein Nachbearbeitungsschritt erforderlich
- Es ist auf relativ kleine Bauvolumina beschränkt
Selektives Laserschmelzen (SLM)
SLM folgt dem gleichen Verfahren wie DMLS: Es schmilzt das Metallpulver vollständig auf und bildet eine vollständig feste und dichte Struktur entsprechend der CAD-Datei. Der Prozess beginnt mit dem Aufteilen des Datensatzes in Schichten (typischerweise 20–60 µm dick), wobei jede Schicht einen Querschnitt durch das Bauteil bildet. Eine Pulverschicht wird auf das Bauteil aufgetragen, ein Laser scannt die Querschnitte und schmilzt das Pulver in diesen Bereichen.
Die hergestellten Teile zeichnen sich durch eine hohe mechanische Festigkeit aus und eignen sich daher für den Einsatz in Flugzeugtriebwerken, als orthopädische Implantate und als strukturelle Automobilkomponenten. Zu den gängigen Materialien gehören Titan, Aluminium und Edelstahl.
Vorteile des selektiven Laserschmelzens
- SLM erzeugt Teile mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften
- Es gilt als sehr geeignet für tragende Bauteile
- Es bietet ein hohes Maß an geometrischer Freiheit.
- Durch SLM können die Bauteileigenschaften verbessert werden.
Nachteile des selektiven Laserschmelzens
- Es ist empfindlicher gegenüber thermischer Belastung und Verformung
- Der Bedarf an höherem Energieeinsatz kann die Bauzeit und die Kosten erhöhen
- Es erfordert eine präzise Steuerung der Laserparameter und Scanpfade
Elektronenstrahlschmelzen (EBM)
Beim EBM wird anstelle eines Lasers ein Elektronenstrahl verwendet, um Metallpulver in einer Vakuumkammer zu schmelzen. Elektronenstrahlschmelzen Der Prozess findet bei hohen Temperaturen statt; daher sind die Partikelgrößen bei dickeren Schichten (50–120 µm) größer, was die Baugeschwindigkeit verbessert. Dabei schmilzt ein von einem Magnetfeld geleiteter Elektronenstrom das Pulvermaterial Schicht für Schicht, um das 3D-Objekt gemäß dem CAD-Modell zu formen.
Die hergestellten Teile sind robuste, leichte Komponenten mit hervorragenden Materialeigenschaften und daher eine beliebte Wahl in der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigungsindustrie und der Biomedizin. Zu den gängigen Materialien gehören Titanlegierungen, Nickellegierungen, Kobalt-Chrom-Legierungen usw.
Vorteile und Nachteile des Elektronenstrahlschmelzens
Vorteile
- Es ist schneller als SLM
- Es hat die Restspannung reduziert
Nachteile:
- Der Prozess erfordert hochqualifizierte Bediener
- Die Oberflächenrauheit ist typischerweise höher als bei laserbasierten Systemen.
Binder Jetting für Metalle
Beim Binder Jetting wird ein flüssiges Bindemittel auf ein Metallpulverbett aufgetragen und schichtweise miteinander verbunden. Dazu werden feine Tröpfchen des Bindemittels auf das Pulverbett aufgetragen, anschließend eine neue Pulverschicht und anschließend das Bindemittel auf das Bauteil aufgetragen. Dieser Vorgang wird schichtweise wiederholt, bis die Geometrie geformt ist. Überschüssiges Material wird entfernt und das Grünteil zur Nachbearbeitung (zuerst Entbinderung, dann Sintern oder Infiltration) entnommen.
Beim Sintern wird das Teil knapp unter seinen Schmelzpunkt erhitzt, um die Partikel zu verbinden. Beim Infiltrieren hingegen wird ein Sekundärmetall (z. B. Bronze) eingebracht, um Hohlräume im Teil zu füllen und einen dichten Feststoff zu erzeugen. Binder Jetting wird zur Herstellung von Schmuck, Accessoires für die Filmindustrie, Ersatzteilen für die Armee, großen Sandgusskernen und Formen eingesetzt. Zu den häufig verwendeten Materialien gehören Stahl, Kupfer, Titan, Keramik und Sand.
Vorteile des Binder Jetting
- Es bietet Hochgeschwindigkeitsdruck
- Es ist skalierbar für die Massenproduktion
- Das Verfahren ist mit herkömmlichen Metallpulvern kostengünstig
Nachteile des Binder Jetting
- Es erfordert Schrumpfungszugaben beim Sintern
- Die mechanischen Eigenschaften hängen von der Sinterqualität ab
- Der Prozess kann zusätzliche Endbearbeitungsschritte erfordern
Gerichtete Energiedeposition (DED)
Beim DED schmilzt eine fokussierte Energiequelle (Laser, Elektronenstrahl oder Plasmabogen) das aufgetragene Metallpulver oder den Draht beim Aufbringen auf eine Oberfläche. Einige DED-Systeme sind Hybridsysteme, die additive und subtraktive Vorgänge in einer Maschine kombinieren, um den Bedarf an Nachbearbeitungsschritten zu decken.
Dieses Verfahren eignet sich im Allgemeinen hervorragend für die Reparatur vorhandener Teile, das Hinzufügen von Funktionen oder die Herstellung großformatiger Komponenten mit nahezu endkonturnahen Formen. Zu den gängigen Materialien gehören Titan, Edelstahl und Nickellegierungen.
Vorteile:
- Es ist mit einer Vielzahl von Materialien kompatibel
- Die Hybridoptionen unterstützen die Fertigbearbeitung
Nachteile:
- Oberflächenbearbeitung erfordert oft Nachbearbeitung
- Die geometrische Komplexität ist aufgrund des Sichtlinienverfahrens begrenzt
- Es hat eine niedrigere Auflösung im Vergleich zu PBF
Materialextrusion
Ein mit Metallpartikeln vermischtes thermoplastisches Material (Filament oder Paste) wird durch eine beheizte Düse gepresst und Schicht für Schicht in zweidimensionalen Schichten aufgetragen. Es durchläuft Nachbearbeitungsschritte wie Entbinderung und Sintern, um einen dichten Feststoff zu erhalten.
Materialextrusion basiert auf Polymerextrusionsverfahren (z. B. FDM), ist kostengünstig und eignet sich für Prototypen, Funktionsteile und Kleinserien. Zu den häufig verwendeten Materialien gehören Polymere und Thermoplaste wie PTA, PETG, Verbundwerkstoffe, Kunststoffpellets, Keramikton usw.
Vorteile:
- Die Systeme sind kompakt und benutzerfreundlich.
- Die Gerätekosten sind geringer, daher fallen auch die Betriebskosten niedriger aus.
- Ideal für Bildungseinrichtungen, Zahnmedizin oder kleine Produktionsstätten.
Nachteile:.
- Es ist eine Nachbearbeitung (Entbindern/Sintern) erforderlich.
- Die Materialauswahl ist begrenzt.
- Die mechanische Festigkeit entspricht möglicherweise nicht der von PBF-Teilen.
Blattlaminierung
Bei dieser Technik werden 3D-Objekte durch das schichtweise Verbinden von Metallblechen mittels Klebstoffen oder Ultraschallschweißen hergestellt. Jedes Blech wird vor dem Zusammenfügen präzise zugeschnitten. Die Bleche werden dem Objekt zugeführt, schichtweise verbunden und gleichzeitig entsprechend dem 3D-Modell geschnitten.
Folienkaschierung basiert auf Techniken wie LOM, SDL und UAM und ist ein schnelles, aber kostengünstiges Verfahren. Zu den verwendeten Materialien gehören Papierbögen, Kunststofffolien und Metallfolien. Es eignet sich für Prototypen, Architekturmodelle, Lehrmittel, Luft- und Raumfahrt sowie Automobilkomponenten.
Vorteile und Nachteile der Folienkaschierung
Vorteile:
- Es entsteht wenig Materialabfall
- Es ist bekannt für schnelle Druckgeschwindigkeiten
- Dieses Verfahren eignet sich zum Einbetten von Sensoren oder zur Verdrahtung zwischen Schichten
Nachteile:
- Leider hat es eine geringere mechanische Festigkeit
- Die Produktion beschränkt sich auf einfache Geometrien
- Für feine Details ist eine zusätzliche Bearbeitung erforderlich
In der additiven Fertigung verwendete Metalle
Die Wahl des Metalls beeinflusst maßgeblich die mechanischen Eigenschaften des gedruckten Teils. Daher werden die verwendeten Metalle anhand von Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Duktilität ausgewählt. Zu den beliebtesten Metallen gehören:
Edelstahl
Es ist kostengünstig, korrosionsbeständig und wird für funktionsfähige Prototypen oder Werkzeuge verwendet.
Titan
Aufgrund seines geringen Gewichts und seiner Festigkeit eignet es sich hervorragend für die Luft- und Raumfahrt sowie für medizinische Implantate.
Aluminium
Es ist für sein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bekannt und eignet sich perfekt für Teile in der Automobil- und Luftfahrtindustrie.
Inconel- und Nickellegierungen
Es ist hitze- und korrosionsbeständig und wird häufig in Turbinentriebwerken und Chemieanlagen eingesetzt.
Kobalt-Chrom
Es wird zur Herstellung von Zahn- und orthopädischen Implantaten verwendet, da es sehr biokompatibel ist.
Vorteile der additiven Metallfertigung
Designfreiheit
Es können Geometrien erstellt werden, die mit herkömmlichen Methoden nicht möglich sind, wie z. B. interne Kanäle, Gitterstrukturen, Hinterschneidungen, Überhänge und komplexe Kurven.
Schneller Prototypenbau
Es verkürzt die Produktentwicklungszyklen, indem voll funktionsfähige Prototypen innerhalb von Stunden oder Tagen gedruckt werden, im Gegensatz zu Wochen, die bei Verwendung herkömmlicher Methoden anfallen.
Leichtbau
Bei dieser Methode wird überschüssiges Material entfernt und mithilfe der Topologieoptimierung werden leichte, strukturell effiziente und extrem dünne Teile mit starken Wänden hergestellt.
Werkzeuglose Produktion
Dadurch werden Gussformen oder Matrizen überflüssig, was besonders bei der Produktion kleiner Stückzahlen oder bei Sonderteilen nützlich ist.
On-Demand-Fertigung
Es reduziert den Lagerbestand und ermöglicht eine verteilte Produktion, bei der Teile dort gedruckt werden, wo und wann sie benötigt werden. Außerdem lassen sich Designänderungen bei Bedarf problemlos umsetzen.
Materialeffizienz
Durch die additive Metallbearbeitung entstehen nahezu fertige Teile, wodurch der Materialabfall im Vergleich zur spanenden Bearbeitung drastisch reduziert wird.
Herausforderungen und Einschränkungen
Hohe Anschaffungskosten
Die hohen Betriebskosten sind nicht nur auf die hohen Kosten von 3D-Metalldruckern und -pulvern zurückzuführen, sondern erfordern auch viel Wissen und Können.
Einschränkungen des Build-Volumens
Viele Systeme verfügen über begrenzte Teilegrößen und eignen sich besser für die Produktion kleiner Chargen.
Probleme mit der Oberflächenbeschaffenheit
Die Teile müssen häufig nachbearbeitet werden (z. B. durch Zerspanen oder Polieren). Dies hängt jedoch stark von der verwendeten Technik ab. Beispielsweise erfordert DMLS aufgrund der durch schnelles Erhitzen und Abkühlen entstehenden inneren Spannungen eine Spannungsabbaubehandlung.
Materialbeschränkungen
Nicht alle Metalle können mittels additiver Fertigung verarbeitet werden.
Zertifizierungsanforderungen
Kritische Branchen wie die Luft- und Raumfahrt sowie die Medizin erfordern strenge Tests und Validierungen, da bei unsachgemäßer Handhabung Gefahren wie Gesundheitsschäden durch Hautkontakt oder Einatmen entstehen können.
Anwendungen der additiven Metallfertigung
Luft- und Raumfahrt
- Turbinenschaufeln, Halterungen, Wärmetauscher und Teile von Raketentriebwerken.
- AM reduziert das Gewicht, senkt den Kraftstoffverbrauch und ermöglicht den Druck von Teilen als Einzeleinheit, wodurch die Anzahl der Fehlerquellen reduziert wird.
Gesundheitswesen
- Individuelle orthopädische Implantate, Zahnkronen und chirurgische Instrumente.
- Es ermöglicht patientenspezifische Lösungen und verbessert Passform, Komfort und Ergebnisse.
Automobilindustrie
- Motorkomponenten, kundenspezifische Auspuffanlagen und Wärmetauscher.
- Es wird im Motorsport und bei Konzeptfahrzeugen für Hochleistungs- oder Prototypenteile verwendet.
Energie und Industrie
- Komponenten für Ölplattformen, Turbinen, Ventile und hitzebeständige Armaturen.
- Mithilfe von Metal AM können auch in entlegenen Gebieten schnell und bedarfsgerecht Ersatzteile hergestellt werden.
Zukünftige Trends in der additiven Metallfertigung
Biodruck
Drucken von Organen und Geweben für chirurgische Transplantationen, wodurch der Mangel an Organspendern weiter gemildert und die regenerative Medizin verbessert wird.
KI und generatives Design
KI-Algorithmen werden verwendet, um Parameter zu optimieren, Teile effizienter zu entwerfen und die Qualitätskontrolle sicherzustellen.
Pulverrecycling
Geschlossene Kreislaufsysteme, die nicht verwendetes Pulver wiederverwenden, um Kosten und Gesundheitsgefahren durch Umweltbelastungen zu reduzieren.
Multimaterialdruck
Erstellen komplexer und multifunktionaler Objekte in einem einzigen Druckvorgang, beispielsweise Elektronik, Prothesen usw.
Dezentrale Produktion
Drucken in der Nähe des Einsatzorts in Fabrikhallen, Krankenhäusern, Schulen, auf Marktplätzen oder sogar in Raumstationen.
FAQ
Welche Dateiformate sind mit Druckern für die additive Metallfertigung kompatibel?
Das gängigste Dateiformat ist STL (Stereolithographie). OBJ, STEP und 3MF werden ebenfalls verwendet, insbesondere wenn komplexere Daten (wie Farben oder mehrere Materialien) benötigt werden. Diese Dateien werden vor dem Drucken mit einer Slicing-Software verarbeitet.
Zu den weiteren kompatiblen Dateien gehören:
.gcode – Auch bekannt als .g oder .gco; dies ist die Dateierweiterung für Dateien, die G-Code-Daten enthalten.
.VRML – Vermal; eine WRL-Dateierweiterung.
.X3G – Proprietäres Dateiformat, das von Makerbot verwendet wird; es ist eine Binärdatei.
.AMF – Dateiformat für die additive Fertigung
.FBX – Proprietäres Dateiformat im Besitz von Autodesk, das in STL konvertiert werden kann.
.PLY – Polygon-Dateiformat, das normalerweise von 3D-Scannern generiert wird.
Welche Datei eignet sich am besten für den 3D-Druck?
Die beste Datei für den 3D-Druck hängt vom gewünschten Ergebnis ab. STL eignet sich am besten für einfache Ausdrucke, während OBJ sich am besten zum Speichern von Farben, Texturen und zur Beschreibung von Geometrien eignet.