Metall 3D-Druck: Verfahren, Technologien und Anwendungen

Metall 3D-Druck Cover Image

Die Möglichkeiten Metallobjekte additiv zu fertigen nehmen zu, ebenso die Bedeutung der Technologie des Metall 3D-Druck für verschiedene Bereiche der Metallverarbeitenden Industrie. Das belegen sowohl aktuelle Verkaufszahlen, als auch die Bereitschaft von Unternehmen in diese Technologie zu investieren:

  • Investitionen: Laut einer Studie von KMPG gaben rund ein Viertel der Führungskräfte im Metallsektor an, in additive Fertigungstechniken zu investieren. Weiterhin planen rund 27% der Firmen, die bereits über solche Technologien verfügen, die bestehenden Kapazitäten aufzustocken.
  • Marktwachstum: Während der 3D-Druck, laut Wohlers Associates, im Jahr 2015 um ca. 26% gewachsen ist, schlägt der Metall 3D-Druck mit +48% bei verkauften Maschinen bzw. +34% beim verkauften Material zu Buche (Quelle: IDTechEx).

Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Technologie eröffnet inzwischen in zahlreichen Industrien sehr konkrete Anwendungsfälle, bei denen über die reine Prototypenfertigung hinaus, Metall 3D-Druck im Rahmen der industriellen Produktion eingesetzt wird. 


Stärken des Metall 3D-Drucks

  • Hohe Geschwindigkeit in der Herstellung.
  • Komplexe Geometrien sind möglich.
  • Variable Produktion möglich (Änderungen am 3D-Modell).

Schwächen des Metall 3D-Drucks

  • Supportstrukturen (in den meisten Technologien) an das Objekt geschweißt → Aufwendige Nachbearbeitung nötig.
  • Material sowie Maschinen machen die Technologie sehr teuer.
  • Fertigungsbedingt geringe Genauigkeit und raue Oberflächen.

Anwendungen des Metall 3D-Druck

Bei der Herstellung von Objekten aus Metall kann man sich heute prinzipiell zwischen zwei Technologien entscheiden, den abtragenden Verfahren (z. B. Drehen, Fräsen) und generativen Verfahren (Metall 3D-Druck). Für beide Technologien werden digitale 3D-Modelle der Objekte benötigt. Dabei ist aber zu beachten, dass ein 3D-Modell, dass für das Fräsen entwickelt wurde, am besten auch gefräst werden sollte. Die Qualität der Oberflächen, die beim Metall 3D-Druck entstehen, ist meist niedrig, sodass eine Nachbearbeitung mittels eines abtragenden Verfahrens notwendig wird. Auch bei Objekten, bei denen enge Toleranzen erforderlich sind, sind die abtragenden Verfahren vorzuziehen.
Bei relativ kleinen Objekten oder wenn komplexe Geometrien (Freiflächen) vorhanden sind, ist meist der Metall 3D-Druck die bessere Lösung.

Da mit diesen Verfahren Geometrien leicht möglich sind, die die abtragenden Verfahren nicht oder nur mit sehr großem Aufwand leisten können, wird der Metall 3D-Druck häufig eingesetzt um Vorstufen des gewünschten Objektes zu produzieren (‚Rohlinge‘). Diese werden dann mittels spanender Verfahren nachbearbeitet.

Aufgrund der schnellen und kostengünstigen Fertigung eignen sich insbesondere die pulverbettbasierten Metall 3D-Druckverfahren gut für kleine Sonderserien oder Kleinserien.   

Leichtbau

Das größte Anwendungsfeld dieser Technologie ist der Bereich des Leichtbaus. Immer wenn es darum geht, Gewicht oder die Anzahl der Bauteile zu reduzieren, kann der Metall 3D-Druck seine Stärken ausspielen. Hier spielt die Luft- und Raumfahrttechnik eine hervorgehobene Rolle. In diesem Bereich können durch die hohe Designfreiheit komplexe, fertigungsbedingte Designs vereinfacht werden (bspw. durch innovative Strukturen – siehe Abbildung) und somit Kosten und auch Gewicht gespart werden. In GE Turbinen werden bereits serienmäßig 3D-gedruckte Metallteile verbaut. (Einige Beispiele finden Sie in unserem Beitrag: 3D-Druck: Baustein der integrieten Fertigung)
Aber auch im irdischen Rennsport hat der 3D-Druck sich etabliert, insbesondere in der Formel 1.

Komplexe Geometrien

Ein weiteres Feld, indem der Metall 3D-Druck seine Vorteile ausspielen kann, sind Objekte mit komplexen Freiflächen. Insbesondere im Bereich der Medizintechnik und der medizinischen Hilfen kann der 3D-Druck einen Beitrag leisten. In der Medizintechnologie werden zunehmend individualisierte (d. h. patientenspezifische) Produkte mit komplexen Freiformen benötigt. Der Metall 3D-Druck bietet hier wesentliche Vorteile ggü. konventionellen Verfahren und wird im Bereich der Zahnmedizin (z. B. Teilprothesen, Kronen- und Brückengerüsten) oder in der Chirurgie, bspw. für Implantate oder Schablonen eingesetzt.
Ebenso findet der Metall 3D-Druck bei der Fertigung von Werkzeugen/Spritzgussformen Anwendung. Hierbei werden meist Hilfen für die eigentliche Gussform hergestellt, z. B. für eine gleichmäßige Kühlung der Form werden die Kühlkanäle 3D-gedruckt.

Flexible Produktion

Wie immer, bei neuen Technologien, werden diese auch militärisch genutzt. Vorteile sind hierbei realisierbare Gewichtseinsparungen sowie die Möglichkeit, ortsunabhängig (z. B. im Einsatzgebiet) und schnell zu produzieren. Letzteres reicht von funktionsfähigen Pistolen, über Teile oder gar (fast) vollständige Flugobjekte (Abbildung), bis hin zu Munition. Natürlich ist eine flexible Produktion auch im zivilen Bereich von Vorteil. Grade, wenn es darum geht, kundenspezifische Einzelanfertigungen/Kleinserien zu fertigen. Einige Automobilhersteller setzten den Metall 3D-Druck schon für die Herstellung von Ersatzteilen ein, hier übernimmt Daimler zurzeit eine Vorreiterrolle.

Reduktion von Einzelteilen

Ein weiteres Anwendungsfeld des 3D-Drucks ist die Reduktion von nichtbeweglichen Einzelteilen. Dabei geht es in erster Linie darum, die Anzahl der Bauteile zu verringern. Damit einhergehend werden die Fehleranfälligkeit und der Wartungsaufwand reduziert. Ein weiterer Vorteil hierbei ist auch wieder eine mögliche Reduzierung des Gewichts, des Objektes. Einige Beispiele finden Sie in unserem Beitrag über die integrierte Fertigung.


Drone 3D Druck
Leichtbaustruktur Metall 3D-Druck

Medizintechnologie:
Fallstudie von Renishaw über den Einsatz 3D-gedruckter Metallteile in der Medizintechnologie. Quelle: Renishaw.

Militärtechnologie:
Test einer weitgehend 3D-gedruckten Drone der Royal Navy. Quelle: Univers.

Automobilindustrie:
Einsatz der Metall 3D-Druck Technologie der Auto-Marke Koenigsegg. Quelle: Koenigsegg.

Luft & Raumfahrtechnik:
Beispiel einer Leichtbaustruktur im Metall 3D-Druckverfahren. Quelle: 3Faktur.


Die wichtigsten Metall 3D-Druckverfahren

Obwohl der Metall 3D-Druck noch eine relativ junge Technologie ist, wurden bereits zahlreiche Verfahren entwickelt. Da es um diese Technologie einen unglaublichen Hype gibt, kommen ständig neue Verfahren und Ansätze hinzu. Die ‚klassischen‘ Metall-Druckverfahren sind allesamt pulverbasiert. Demgegenüber sind derzeit extrusionsbasierte Verfahren stark im Kommen. Ob diese sich allerdings im Markt durchsetzen können, bleibt abzuwarten.

Wir haben für Sie die wichtigsten Technologien zusammengestellt, klicken Sie auf die jeweiligen Technologieansätze, um mehr über die jeweiligen Technologien zu erfahren.

Selektives Lasersintern (SLS) bzw. Selektives Laserschmelzen (SLM)
  • Funktionsweise: Metallpulver wird auf einer Plattform verteilt. Ein Laser sintert bzw. schmilzt eine Schicht in das Pulverbett. Die Plattform senkt sich herab, eine neue Schicht Pulver wird aufgetragen und der Laser schmilzt/sintert die nächste Schicht. Dabei wird diese auch mit der unteren Schicht verbunden.
  • Variationen: Beim Sintern wird das Pulver bis kurz vor dem Schmelzpunkt erwärmt, beim Schmelzen wird dieser überschritten. Gesinterete Teile sind etwas porös (insofern meist auch leichter), dafür sind per SLM hergestellte Teile in den Materialeigenschaften den Ausgangsmaterialien sehr nahe.
  • Materialien: Am häufigsten kommen, Aluminium-, Titan-, Edelstahl-, Werkzeugstahl- und Kobald-Chrom-Legierungen zum Einsatz.
  • 3D-Drucker-Hersteller: z. B. EOS, SLM Solutions, Concept Laser, Renishaw oder TRUMPF
  • Vorteile: Verarbeitung von Rohmaterialien oder typischen industriell verwendeten Legierungen. Sehr robuste Teile mit (relativ) gleichmäßigen Materialeigenschaften.
  • Weiterführende Ressourcen: SLM Direkt Metall 3D-Druck – Die Technologie
Beispiel Metall 3D-Druck Aluminium
Beispiel Metall 3D-Druck Titan
Beispiel Metall 3D-Druck Edelstahl 1.4404

Beispiele für SLM gedruckte Bauteile (Links: Aluminium; Mitte: Titan; Rechts: Edelstahl 1.4404).


Metal Binder Jetting
  • Funktionsweise: Ein Metallpulver wird, ähnlich wie bei einem Tintenstrahldrucker, mittels eines Binders und anschließender Hitzeeinwirkung gebunden. Das gebundene Produkt wird anschließend mit einem Material (häufig Bronze) infiltriert, um für die notwendige Stabilität zu sorgen.
  • Materialien: Am häufigsten kommt die Kombination Edelstahl/Bronze zum Einsatz aber auch Eisen, Chrom- oder Kobalt-Legierungen sind erhältlich.
  • 3D-Drucker Hersteller: ExOne hat diese Technologie entwickelt und gilt als Marktführer in dieser Technologie.
  • Vorteile: Es besteht keine bzw. kaum die Notwendigkeit von Supportstrukturen, daher ermöglicht die Technologie eine relative Designfreiheit. Metal Binder Jetting benötigt i.d.R. deutlich kürzere Druckzeiten für ein und dasselbe Produkt.
  • Weiterführende Ressourcen: What is Binder Jetting (Extern – ExOne).

Weitere Pulverbettbasierte Verfahren
  • Electron beam melting (EBM): Funktioniert vom Grundsatz her ähnlich wie SLM/SLS, allerdings kommt hierbei ein Elektronenstrahl anstatt eines Lasers zum Einsatz. Entwickelt wurde die Technologie von der schwedischen Firma Arcam. Das Verfahren ist sehr aufwändig und kostenintensiv, zählt aber als exakter und erzeugt stabilere Teile verglichen mit SLS/SLM.
  • Binder Jetting von Formen: Diese, v.a von ExOne und VoxelJet angebotene Technologie erlaubt es, Sandformen für Metall zu drucken. Die Maschinen erlauben es teilweise Formen, von über 2 m Länge zu produzieren.
Desktop Metal / Markforged (‚ADAM‘)
  • Funktionsweise: Sowohl die Firma Markforged als auch Desktop Metal haben dieses Verfahren parallel entwickelt. Das Metallpulver wird mit einem Binder vermischt und ausgebracht. Anschließend wird das Objekt in einem Ofen erhitzt. Dabei wird der Binder ausgebrannt und das Metall gesintert. Der Vorteil besteht darin, dass das Objekt gleichmäßig gesintert wird und damit die Stabilität in Z-Richtung massiv erhöht wird. Diesem Verfahren wird das Potenzial zugesprochen, den Metall 3D-Druck auf die nächste Stufe zu heben.
  • Besonderheit: Das Werkstück kann im ungesinterten Zustand nachbearbeitet werden, was den Aufwand des Finishings deutlich reduziert.
  • Materialien: Beide Technologien befinden sich in der Markteinführung. Derzeit sind für beide Systeme Standardlegierungen erhältlich, z. B. 316L oder Aluminium. Geplant sind bis zu 200 Materialien, die größtenteils auf der Grundlage von Materialien für das Metallpulverspritzgießen (MIM) basieren.
  • 3D-Drucker-Hersteller: Desktop Metal, Markforged
  • Vorteile: Kostenvorteile bei Einzelstücken bzw. geringen Stückzahlen; komplexere Geometrien möglich; reduzierter Nachbearbeitungsaufwand und Sicherheitsanforderungen.
  • Weiterführende Ressourcen: Produktseiten bei Markforged (Mark Metal X) und Desktop Metal (Desktop Metal Studio)
Metall 3D-Druck auf dem Druckbett

Ein Bauteil direkt nach dem 3D-Druck. Das Metall ist noch nicht gesinteret und wird vom Binder zusammengehalten (‚green state‘).

Metall 3D-Druck gesintert

Anschließend wird der Binder entfernt und das Modell in einem Ofen gesintert.

Finaler Metall 3D-Druck

Das fertige Bauteil kann eine Dichte von über 99,5% erreichen.

QUELLE: Desktop Metal


NanoParticle Jetting

Wurde von der israelischen Firma Xjet entwickelt und wartet aktuell auf Markteinführung (Stand 08/2017). Bei diesem Verfahren werden Metall-Nanopartikel in einer Flüssigkeit gelöst und diese mittels Druckköpfen auf eine Plattform aufgetragen, ähnlich dem Kunststoff 3D-Druckverfahren Polyjet. Durch Hitze evaporiert die Flüssigkeit und lässt das Metall zurück, welches sich durch die Hitze miteinander verbindet. Die dabei entstehenden Schichten sind lediglich 2 µm hoch, daher gilt das Verfahren als das detailreichste Metalldruckverfahren, welches bisher entwickelt wurde.

QUELLE: XJET

Laserauftragschweißen (LMD)

Das durch eine Düse ausgebrachte Materialpulver wird durch einen Hochleistungslaser direkt aufgeschmolzen, dies ermöglicht einen punktuellen Materialauftrag und damit Aufbau des Objekts. Durch die Verwendung mehrerer Düsen und unterschiedlicher Materialpulver können Materialien auch miteinander kombiniert werden. Meist ist eine Nachbearbeitung der gefertigten Objekte mittels Drehen oder Fräsen notwendig, da die aufgetragenen Strukturen sehr grob sind.


Metallpulverauftrag (MPA)

Das MPA-Verfahren funktioniert ohne Laser. Das Materialpulver wird mit sehr hoher Geschwindigkeit ausgebracht. Dadurch werden Pulver sowie Oberfläche sehr stark plastisch verformt (mehr Details gibt es bei Hermle). Dies und die dabei entstehende Wärme reicht aus, um das Material miteinander zu verbinden. Dieses Verfahren ist relativ schnell, allerdings auf Kosten der Genauigkeit. 


Fazit:

Im Bereich der additiven Fertigung von Metall gibt es derzeit noch kein Verfahren, welches in puncto Genauigkeit, Oberflächenqualität und Verlässlichkeit an spanende Verfahren herankommt. Das heißt aber nicht, es gibt keinen Platz für den Metall 3D-Druck – dieser hat Vorteile bei der Fertigung komplexer Strukturen bspw. für Leichtbau, komplizierte Freiflächen oder integrierte Fertigung.

Es ist davon auszugehen, dass viele Nachteile der additiven Metallfertigung nicht auf einmal, sondern schrittweise abgebaut werden. Jede neu eingeführte Technologie leistet dazu ihren Beitrag und vergrößert das Einsatzgebiet dieser Technologie. Bis zum Verdrängen spanender Fertigung ist es allerdings noch ein weiter Weg.


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Über 3Faktur: 3Faktur ist Spezialist für 3D-Druck und Rapid Prototyping. Im Metallbereich arbeiten wir zurzeit mit Laserschmelzanlagen und bieten momentan Aluminium, Edelstahl und Titan als Materialien an.