Es gibt viele Möglichkeiten, aus Metallpulver Bauteile herzustellen. Sie kennen vielleicht bereits das konventionelle Pressen und Sintern sowie das Metallspritzgießen.
Heutzutage erfreut sich die additive Fertigung mittels Pulvermetallurgie, allgemein als 3D-Druck bekannt, aufgrund ihrer schnellen Prototypenerstellung zunehmender Beliebtheit.
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Was ist pulvermetallurgische additive Fertigung?
Additive Fertigung ist eine neue Technologie, die Metallpulver und Bindemittel als Rohstoffe verwendet. Dabei werden Metallteile durch schichtweises Verschmelzen von Metallpulver hergestellt.
Um die 3D-Druckindustrie zu standardisieren, hat ASTM sie im ASTM F2792-Standard offiziell als additive Fertigung (AD) bezeichnet.
7 Arten der additiven Fertigung
Pulverbettfusion (PBF)
PBF ist eine Art additiver Fertigung, bei der ein Laser- oder Elektronenstrahl zum Schmelzen und Verschmelzen von Metallpulvern verwendet wird.
Im Allgemeinen betragen die Pulverpartikel beim Laser-Pulverbettschmelzen 15–53 μm und die beim Elektronenstrahlschmelzen 40–100 μm.
Hier sind einige beliebte PBF-Techniken.
Direktes Metalllasersintern (DMLS)
Direktes Metall-Lasersintern ist ein Verfahren, bei dem mithilfe eines Lasers, beispielsweise eines CO2-Lasers, dünne Metallschichten selektiv miteinander verschmolzen werden.
Zunächst wird eine dünne Schicht Metallpulver durch den 3D-Drucker auf der Bauplattform verteilt. Anschließend wird das Pulver mit einem Laser selektiv geschmolzen, jedoch nicht vollständig. Nachdem der Laser die erste Pulverschicht geschmolzen hat, senkt sich die Bauplattform ab und trägt eine weitere Pulverschicht auf. Schließlich verschmilzt der Laser die Metallpulverschichten zum fertigen Produkt.
Selektives Lasersintern (SLS)
SLS funktioniert ähnlich wie DMLS. Beim SLS-3D-Druck werden die Teile durch das umgebende Pulver gestützt, sodass keine Stützstruktur erforderlich ist.
SLS ist eine ideale Möglichkeit, geometrische Formen herzustellen.
Darüber hinaus ist die Festigkeit von SLS-Teilen nahezu identisch mit der von Spritzgussteilen. Selektives Laserschmelzen (SLM)
SLM ist schneller als selektives Lasersintern. Zudem reduziert SLM durch die Verwendung von Inertgasen wie Stickstoff oder Argon das Risiko der Metalloxidation. Allerdings ist SLM teurer. Beim SLM-3D-Verfahren beträgt die Dicke der Metallschicht etwa 20 bis 60 Mikrometer.
Elektronenstrahlschmelzen (EBM)
Im Gegensatz zur oben genannten Pulverbettfusionstechnologie Elektronenstrahlschmelzen verwendet Elektronenstrahlen anstelle von Laserstrahlen. Im Vergleich zu Lasern können Elektronenstrahlen tief in das Material eindringen und die Metallpulverpartikel gleichmäßig schmelzen.
EBM verschmilzt Metallpulverschichten in einer Vakuumumgebung. Im Gegensatz zu SLS schmilzt EBM die Rohstoffe.
Binderdüsen
Binder Jetting ist eines der schnellsten additiven Fertigungsverfahren.
Die Partikelgröße des Binder-Jetting-Metallpulvers beträgt etwa 10–45 μm.
Bei diesem Verfahren wird zunächst Metallpulver auf einer flachen Platte verteilt, und der Tintenstrahldruckkopf sprüht flüssige Bindemittel auf die Pulverschicht. Dieser Zyklus wiederholt sich, und Sie erhalten ein 3D-gedrucktes Produkt. Der Prozess ähnelt dem Papierdruck, und das Bindemittel dient als Tinte und verbindet die Pulverschichten miteinander.
Hier ist ein Video, das erklärt, wie Binder Jetting funktioniert.
Gerichtete Energieabscheidung (DED)
DED ist ein Verfahren, bei dem geschmolzenes Material auf der Oberfläche des Produkts abgelagert wird, wo es erstarrt.
Beim DED-Verfahren wird das Metallmaterial mithilfe eines Plasmalichtbogens, Lasers oder Elektronenstrahls geschmolzen und gleichzeitig durch eine Düse abgeschieden.
Sie können DED zum Formen von Teilen verwenden. Es wird jedoch häufig zur Reparatur oder zum Hinzufügen von zusätzlichem Material zu Komponenten eingesetzt.
Pulverpartikel 53-150μm
Blattlaminierung
Die Blattlaminierung ist eine kostengünstige und schnelle Methode des 3D-Drucks. Zunächst wird mit einem Laserschneider der Umriss des zu druckenden Objekts ausgeschnitten, anschließend werden die Schichten miteinander verbunden, um die Form zu bilden.
Materialextrusion
Materialextrusion ist ein Verfahren zur additiven Fertigung (AM). Durch eine beheizte Düse wird Material schichtweise aufgetragen, um ein 3D-Objekt zu erstellen.
Die Materialextrusion ist im Allgemeinen schnell und präzise. Das Materialextrusionsverfahren ist jedoch mit einer Vielzahl von Rohstoffen kompatibel und kostengünstig. Daher wird die Materialextrusion im 3D-Druck zu Hause stark bevorzugt.
Materialstrahl
Während Materialspritzen Bei diesem Verfahren wird geschmolzenes Material auf die Bauplattform gespritzt, um das Produkt Schicht für Schicht aufzubauen.
- Hervorragende Detailfunktionen
- Hohe Präzision
- Gute Oberflächenbeschaffenheit
Bottich-Photopolymerisation
Bei der Bottich-Photopolymerisation handelt es sich um ein 3D-Druckverfahren, bei dem eine Lichtquelle zum selektiven Aushärten von photoreaktivem Harz verwendet wird.
Metallpulver für die additive Fertigung
Das bei der additiven Fertigung verwendete Metallpulver ist nicht so fein wie das beim Metallspritzguss verwendete.
Erstens ist es zu fein und kann beim Lasersintern leicht verfliegen. Zweitens gibt es bei zu feinem Pulver mehr Kontaktpunkte zwischen den Pulvern, die Reibung nimmt zu und die Fließfähigkeit wird schlechter.
Daher liegt die mittlere Partikelgröße D50 für die additive Fertigung mittels Pulvermetallurgie zwischen 10 und 45 μm. Beispielsweise haben die von Höganäs im Gaszerstäubungsverfahren hergestellten AlSi10Mg-Pulverpartikel eine Größe von 20 bis 63 μm.
Die meisten für die additive Fertigung geeigneten Metallpulver sind gasverdüste Pulver. Dies liegt daran, dass gasverdüste Pulver eine gute Fließfähigkeit und eine hohe Schüttdichte aufweisen. Darüber hinaus müssen Metallpulver die Anforderungen an einen niedrigen Sauerstoff- und Stickstoffgehalt erfüllen.
Wenn Sie nach einer Metallpulvercharakterisierung für die additive Fertigung suchen, können Sie sich auf den ASTM F3049-Standard oder Höganäs-Metallpulver für AM beziehen.
Es gibt viele Metallpulver, die für die additive Fertigung mittels Pulvermetallurgie geeignet sind.
- Kupfer
- Aluminium
- Nickel
- Titan
- Edelstahl
- Werkzeugstahl
Anwendungen der additiven Fertigung
Additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrt
Durch die additive Fertigung mittels Pulvermetallurgie können komplexe und leichte Teile für die Luft- und Raumfahrt hergestellt werden.
- Motorkomponenten
- Flugzeugflügelhalterungen
- Triebwerks-Kraftstoffdüsen
- Getriebeteile
- Verriegelungswelle für Flugzeugtüren
Additive Fertigung in der Automobilindustrie
Moderne Autos werden immer leichter und schneller. Dies erfordert natürlich leichte und hochfeste Strukturteile. AM kann der Automobilindustrie hochgradig kundenspezifische und leichte Teile liefern.
Additive Fertigung im medizinischen Bereich
Die additive Fertigung eignet sich ideal für personalisierte medizinische Implantate. Im Dentalbereich können mithilfe der additiven Fertigung Schienen, kieferorthopädische Apparaturen und Zahnmodelle hergestellt werden.
Additive Fertigung Schneidwerkzeuge
Mit der additiven Fertigung können Sie Werkzeuge mit komplexen Formen herstellen und die Anordnung der Schneidkanten ändern.
Vor- und Nachteile der additiven Fertigung
Vorteile
- Da für AM keine Formen erforderlich sind, werden die Formkosten reduziert.
- AM kann Produkte mit äußerst komplexen Formen und inneren Merkmalen herstellen.
- Die Produkte sind in hohem Maße anpassbar.
- AM verbraucht weniger Energie und erfordert kein Schneiden, was gut für die Umwelt ist.
- Hohe Materialausnutzung und recycelbare Materialien
- Mit Rapid Prototyping in der additiven Fertigung können Sie innerhalb weniger Tage Prototypteile herstellen.
Nachteile
- Rohstoffe und Ausrüstung für die additive Fertigung sind teuer.
- Materialgrenze.
- Die Oberflächenrauheit muss verbessert werden.
- Die Batchkonsistenz zwischen den Maschinen muss verbessert werden.
- Im Vergleich zu konventionelles Pulvermetallurgieverfahren Beim Gießen und Schmieden sind die Möglichkeiten der additiven Fertigung in der Massenproduktion begrenzt.
Hersteller von 3D-Metalldruckern
3D-Systeme
3D Systems mit Hauptsitz in South Carolina verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung in der additiven Fertigung. Das Unternehmen bietet unter anderem Materialien für die additive Fertigung, Software und 3D-Metalldrucker an.
Geschmiedet
Markforged hat seinen Hauptsitz in Massachusetts und entwickelt dort fortschrittliche Hardware- und Softwareanwendungen für additive Fertigungsverfahren.
Ihre 3D-Drucker können eine Vielzahl von Materialien drucken, wie etwa Kohlefaser, Achat und Metalle.
ExOne
Seit 1995 engagieren sie sich für die Entwicklung fortschrittlicher 3D-Drucker und setzen auf Massenproduktion. ExOne war der erste Hersteller kommerzieller Binder-Jetting-3D-Drucker.
Additive Fertigung hat sich zu einer vielversprechenden Technologie entwickelt, da sie die schnelle Herstellung von Teileprototypen ohne Formen ermöglicht. Allerdings ist AM derzeit noch nicht in Massenproduktion möglich, und die Festigkeit der AM-Produkte ist nicht ausreichend. Sollten die genannten Probleme gelöst werden, wird AM zweifellos große Vorteile für die Fertigungsindustrie bringen.
FAQ
1. Müssen additiv gefertigte Produkte gesintert werden?
Im Allgemeinen ist die Festigkeit additiv gefertigter Produkte nicht hoch. Um die mechanischen Eigenschaften des Produkts zu verbessern, muss das Produkt möglicherweise Sinterprozess.