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3D Basics // Metalldruck Der 3D Druck von Metall - Technologien, Vorteile und Anwendungen

| Redakteur: Stefan Guggenberger

Die wichtigsten Technologien, Verfahren und Anwendungsgebiete zum 3D Druck von Metall haben wir für Sie zusammengefasst.

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3D Metalldruck ist vielseitig und ermöglicht die Herstellung hochqualitativer Bauteile.
3D Metalldruck ist vielseitig und ermöglicht die Herstellung hochqualitativer Bauteile.
(Bild: VCG // ExOne)

Der 3D Druck von Metall macht in vielen industriellen Bereichen auf sich aufmerksam. Dieses Drucksegment ist deshalb so interessant, weil im 3D Druck von Metall immer wieder neue Druckverfahren aufkommen. Jedes neue Verfahren erweitert den Anwendungsbereich und die praktischen Einsatzmöglichkeiten. Auch die 3D Metalldrucker entwickeln sich immer weiter. Zurzeit liegt das Laserschmelzen beim 3D Druck von Metall sehr im Trend.

Die Verfahren im 3D Druck für Metall gelten bei vielen Experten der Digitalisierung außerdem als zukunftsweisender, maßgeblicher Bestandteil und auch als Treiber der Industrie 4.0 im Rahmen des Additive Manufacturing. Der 3D Druck von Metall erlaubt die schnelle, präzise, auch kleinteilige und flexible Fertigung von haltbaren Bauteilen, die den Standard von Industrie 4.0 ausmachen werden. Die additive Fertigung von Metall ist in vielen Schlüsselindustrien wie der Automobilbranche, dem Flugzeugbau und im Werkzeugbau schon heute wichtig. Vieles ist hier aber noch in der Entwicklung begriffen. Der Übergang vom Rapid Prototyping mit Kunststoff-Modellen aus dem 3D-Drucker hin zum Advanced Manufacturing von serienmäßigen Gebrauchsbauteilen im 3D Druck von Metall wird aktuell praktisch erarbeitet und erforscht.

Was ist das 3D Druck Metall Verfahren?

Wenn von 3D Druck Metall die Rede ist, geht es nicht nur um ein Druckverfahren. Deshalb gibt es nicht das eine 3D Metalldruck Verfahren. Nicht selten entwickeln einzelne Metalldrucker Hersteller spezielle, neue Verfahren oder Abwandlungen der klassischen Basisverfahren.

Allgemein lässt sich 3D Druck für Metall aber so definieren:

Es geht um ein Fertigungsverfahren, bei denen Metall Schicht für Schicht aufgetragen wird, bis ein dreidimensionales Werkstück entsteht. Kennzeichnend für die Verfahren beim 3D Metalldruck ist daher die sogenannte additive Fertigung von Metall. Die additive Fertigungstechnik prägt den gesamten 3D Druck unabhängig von der Art der Materialien, weil Rohmaterial Schicht für Schicht aufgetragen wird, um am Ende einen dreidimensionalen Gegenstand zu bilden. Die klassische Basistechnik beim 3D Druck für Metall - das pulverbettbasierte Schmelzverfahren - geht bereits zurück in die 1970er Jahre.

Die Grundtechnik lässt sich relativ einfach beschreiben. Mit einer Energiequelle wird Metallpulver gesintert oder geschmolzen, um dann additiv (Schicht für Schicht) ein gewünschtes Werkstück zu erzeugen. Die zurzeit in der Praxis wichtigsten Verfahren sind das Selektive Lasersintern (SLS) und das Selektive Laserschmelzen (SLM). In der Anfangszeit des Rapid Prototypings wurde das SLS-Verfahren noch vorrangig für die Verarbeitung von Kunststoffen eingesetzt. Mittlerweile werden aber immer mehr metallische Werkstoffe entwickelt, die für die Umsetzung minimaler Querschnittsdicken per SLS geeignet sind. Für Selektives Lasersintern mit Metall wird auch der Begriff DMLS (Direct Metal Laser Sintering) verwendet, der ursprünglich vom 3D-Druckerhersteller Eos eingeführt wurde. Sowohl SLM als auch SLS sind Pulverbettverfahren. Sie unterscheiden sich vor allem durch die Stabilität der erzeugten Werkstücke. Während SLS weniger beanspruchbare Teile produziert, können mit SLM hoch belastbare Teile erzeugt werden.

Bei den Pulverbettverfahren haben sich über die letzten Jahrzehnte verschiedene spezialisierte Techniken entwickelt. Dabei konnte sich der Laser als Energiequelle etablieren. Aktuell sind Laserschmelzverfahren besonders verbreitet. Ein weiteres Grundsatzverfahren ist das (Laser) Auftragsverfahren. Vom Grundsatz her wird dabei Pulver mit einer Düse punktgenau aufgetragen und sofort zur Erstarrung gebracht. Ähnlich wie das Pulverbettverfahren teilt sich das Auftragsverfahren in weitere Untertechniken auf.

Wie funktioniert 3D Metalldruck?

Einen ersten Einblick über die Funktionsweise gängiger Verfahren gibt dieses Video:

Das Video zeigt die Grundtechnik zum Lasersinterverfahen im 3D Druck von Metall. Dabei wird die zurzeit sehr populäre Technologie des Direct Metal Laser Sintering (DMLS) gezeigt. DLMS wurde in den 1990er Jahren von den Druckerherstellern ERD und EOS patentiert.

Zusammengefasst kommt es bei 3D Druck von Metall

  • auf eine jeweils bestimmte Weise zu einem Schichtaufbau von Metallpulver (additive Fertigung), aus denen das gewünschte Werkstück entsteht. Die Technologien zum Erreichen dieses Schichtaufbaus unterscheiden sich.
  • zum Einsatz von 3 Druck Metall Filamenten in der einen oder anderen Form.
  • nicht zwingend zum Schmelzen von Metallen. Manche Verfahren arbeiten mit einem Kaltschnittverfahren, bei denen die Projektion über Helium hergestellt wird.

Hier ist ein weiteres interessantes Video aus der Industriepraxis. Es zeigt das Laserauftragverfahren in der praktischen Anwendung bei Volkswagen:

Welche Technologien und Verfahren stehen hinter dem 3D Druck von Metall?

Man kann verschiedene Grundtechniken beim 3D Druck von Metall unterscheiden. Dabei gehen die die meisten Technologien im 3D Druck von Metall in der einen oder anderen Form vom Sintern oder Schmelzen eines Metallpulvers aus. Diese Verfahren bilden aktuell die Mehrheit in der praktischen Anwendung beim 3D Druck von Metall. Sie werden deshalb hier ausführlicher behandelt. Dagegen ist das bereits genannte Kaltschnittverfahren im 3D Druck von Metall bisher noch weniger praxisrelevant, was auch an dem Einsatz des teuren Gases Helium liegen mag.

1. Schmelzen oder Sintern in einem Pulverbett

Eine der Grundtechnologien beim 3D Druck von Metall ist das Sintern oder Schmelzen von Metall in einem Pulverbett, um daraus über eine gewünschte Formgebung ein neues Metallobjekt entstehen zu lassen. In jedem Arbeitsgang wird wieder Pulver über das entstehende Werkstück geschichtet und erneut geschmolzen. Das Selektive Laserschmelzen (SLM) ist in diesem Bereich angesiedelt. Teilweise Weiterentwicklungen und andere Bezeichnungen der Grundtechnik sind Laser Powder Bed Fusion (LPBF oder L-PBF) bezeichnet. Bei manchen Herstellern heißt das Verfahren Direct Metal Laser Sintering (DMLS). Sintern und Schmelzen ähneln sich sehr stark im Verfahren, aber die Ergebnisse variieren in der Stabilität und Belastbarkeit der Werkstücke. Während SLS weniger beanspruchbare Teile produziert, können mit SLM hoch belastbare Teile erzeugt werden.

2. Auftragsverfahren

Hier wird beim Laserauftragsschweißen (LMD) nicht mit einem Pulverbett gearbeitet. Vielmehr wird das Pulver direkt auf der Oberfläche eines Metalls verarbeitet, weil das Metallpulver über Düsen in den Laserstrahl hineingeblasen wird. Das Werkstück entsteht Schicht für Schicht durch mehrere Aufträge. Gearbeitet wird hier in der Regel in einer Schutzgasatmosphäre mit einem Edelgas. Bei der Technik ist ein punktueller Auftrag und Aufbau des Werkstückes möglich. Die Kombination verschiedener Metalle ist ebenso leicht herzustellen. Die fertigen Werkstücke erfordern oft eine umfassendere Nachbearbeitung mit der Fräse, da sie grob ausfallen. Als Unterform wird generatives Laserauftragschweißen als Hybridprozess angesehen, wobei auch diese Form meist nur als LMD abgekürzt wird. Hier wird auf der Oberfläche des Metalls ein Schmelzbad erzeugt und Metallpulver eingespritzt. Es entstehen raupenförmige Gebilde, die sich zum Werkstück verbinden.

Ohne Laser kommt das Metallpulver Auftrag MPA aus. Die hohe Auftragsgeschwindigkeit sorgt dabei für eine plastische Verformung des aufgebrachten Pulvers und der Auftragsfläche. Es entsteht Reibungswärme, die die Metalle verbindet. Man kann sehr schnell arbeiten, bleibt aber relativ ungenau und grob.

3. Extrusionsbasierte Verfahren

Diese Technologie ist bisher weniger bekannt. Bei diesem Verfahren wird Metallpulver mit einem Binder vermischt. Das Gemisch wird ausgebracht und das gesamte Objekt im Ofen erhitzt. Über die Erhitzung brennt der Binder aus und es kommt zu einer Sinterung des Metalls. Das Verfahren ist insoweit interessant, als dass es mit dieser Methode zu einer sehr gleichmäßigen Sinterung kommt. Experten sehen in diesem Verfahren, das bisher nicht vielen Branchen-Insidern bekannt ist, die Zukunft von 3D Druck für Metall. Vorteilhaft an dieser Methode ist außerdem, dass Werkstücke im noch ungesinterten Zustand nachbearbeitet werden können. Damit entfällt viel Aufwand bei der Endbearbeitung. Mittlerweile können auch Edelmetalle wie Kupfer per Materialextrusion gefertigt werden.

4. Nano Particle Jetting

Bei dieser Methode im 3D Druck für Metall werden Nanopartikel aus Metall in einer Flüssigkeit gelöst. Durch Druckköpfe wird die Flüssigkeit auf eine Plattform aufgetragen. Über Hitzeeinwirkung verdampft die Flüssigkeit, das Metall bleibt zurück. Die Hitze sorgt auch dafür, dass sich das Metall miteinander verbindet. Es entstehen feinste Schichten. Sie sind etwa 2 µm hoch. Bei diesem Verfahren wird eine große Zukunft für praktische Anwendungen vorausgesagt, weil es im 3D Druck von Metall eine große Detaildichte erlaubt. Das Verfahren gilt als das bisher detailreichste Verfahren im 3D Druck für Metall.

Zumindest als Stichworte sollten auch diese Verfahren bekannt sein:

  • Elektronenstrahlschmelzen (EBM) ist eine Abwandlung des Pulverbettverfahrens im 3D Druck von Metall.
  • Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM-Verfahren) arbeitet mit einem lichtbogenbasierten Schweißprozess im 3D Druck von Metall.

Welche Vorteile bringt der 3D Druck von Metall der Industrie?

Bei vollkommen ausgereifter Technik im 3D Druck von Metall soll sich eine schnellere, flexiblere, perfektere und bei Bedarf auch kleinteiligere Fertigung erreichen lassen. Der 3D Druck von Metall unterstützt deshalb viele Charakteristika, die Industrie 4.0 ausmachen. Beispielsweise soll sich mit dem 3D Druck von Metall Bedarf von individualisierten Werkstoffteilen besser decken lassen. Durch die präzisere Herstellung von Werkstücken im 3D Druck von Metall sollen durch kürzere Nachbearbeitungszeiten Kosten eingespart werden können. Kostenersparnisse ergeben sich weiterhin dadurch, dass durch die Geschwindigkeit die Produktion großen Mengen nicht mehr nötig ist. Der 3D Metalldrucker kann auf Bestellung eines Kunden schnell und ohne Verzögerung das geforderte Werkstück herstellen. Es muss nicht auf Lager gehalten werden.

Da sich im 3D Druck von Metall auch viele kombinierte Bauteile unkompliziert herstellen lassen, kann die Anzahl von Bauteilen bei komplexen, zusammengesetzten Werkstücken reduziert werden. Das hat zur Folge, dass sich der Wartungs- und Reparaturaufwand verringert. Auch an dieser Stelle bietet sich durch 3D Druck von Metall Einsparpotenzial bei Kosten und Arbeitszeit. Ebenso können verschiedenste Metalllegierungen unkompliziert hergestellt werden. Der 3D Druck von Metall kann die industrielle Produktion in vielen Bereichen insgesamt verschlanken, beschleunigen und individualisieren.

Gibt es auch (noch) Nachteile beim 3D Druck von Metall

Mögliche Nachteile beim 3D Druck von Metall entstehen heute noch aus den Limitierungen der Verfahrenstechnik. Manche Methoden sind über das Prototyping noch nicht hinaus und haben das Stadium des Additive Manufacturing noch nicht erreichen können. Vielfach sind die Kosten der Verfahren noch zu hoch, das Nachbearbeiten von Werkstücken noch zu aufwendig und Stützkonstruktion bei der Produktion noch unverzichtbar. Allerdings unterscheiden sich die Technologien in ihrem Entwicklungsstand voneinander. Technologien wie das Selektive Laserschmelzen entwickeln sich bereits in großen Schritten in der Praxis zu einer ausgereiften Technik, deren Vorteile bei weitem überwiegen.

Praxisbeispiele und Anwendungsbereiche für den 3D Druck Metall

Der 3D Druck von Metall kommt bereits in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrttechnik, in der Herstellung von Werkzeugen und Bauteilen für verschiedenste Einsatzzwecke, in der Petrochemie und in anderen Industrien zur Anwendung. Die verschiedenen Verfahren im 3D Druck von Metall eignen sich insbesondere für Bauteile, die eine komplexe Geometrie aufweisen.

  • Die ESA hat bereits ein komplettes Raketentriebwerk aus Metall gedruckt. Das Berta genannte Triebwerk ist für einen Referenzschub von 2,45 Kilonewton ausgelegt und konnte für 560 Sekunden am Prüfstand getestet werden
  • Für Ersatzteile und abgekündigte Bauteile nutzt die Deutsche Bahn 3D-Metalldruck. Heute kann die DB über Metalldruckverfahren im 3D-Drucker sogar mehr als 27 Kilogramm schwere Bauteile aus Metall für ICE-Züge herstellen, etwa die sogenannte „Kastenkulisse“.

Ausblick: Wie ist der 3D Metalldruck jetzt noch limitiert und wohin geht die Entwicklung?

Limitierungen im 3D Druck von Metall ergeben sich heute noch durch verschiedene Faktoren. Diese sind im 3D Druck von Metall insbesondere

  • (noch) zu hohe Kosten der Produktion.
  • fehlende Standards bei den Methoden und Verfahren.
  • die fehlende Praxisreife einzelner Methoden, Methode verharrt noch beim Prototyping.
  • die Beschränkung einzelner Methoden und Verfahren auf eine geringe Anzahl von zu verarbeitenden Metallen.

Innovationen sind im 3D Druck von Metall heute das Ergebnis der Entwicklungen einzelner Hersteller. Wenn diese einen neuen 3D Metalldrucker entwickeln, setzen sie häufig auch die Weiterentwicklung der Technologie und des Verfahrens in Gang. Unter diesem Gesichtspunkt fehlen verbindliche Standards für die Technologien und Verfahren, die zukünftig für die Industrie 4.0 zum Einsatz kommen sollen. Auch Forschungseinrichtungen wie Universitäten forschen am Thema 3D Druck für Metall. Die vitalen Impulse gehen allerdings von den Druckerherstellern aus.

Unter Umständen ist diese Vielfalt aber ein Vorteil für den gesamten 3D Druck von Metall. Es handelt sich um einen Bereich, der nicht stillsteht. Auch, wenn sich das heute noch als eine Begrenzung im gesamten Segment 3D Druck von Metall darstellen mag, ist die Lebendigkeit und Vitalität die Stärke dieses Drucksegments. Die Technologien und Verfahren im 3D Druck von Metall haben es am Anfang schwerer, sich als Standard in einer bestimmten Schlüsselindustrie durchzusetzen. Wenn das aber gelingt - man sieht hier erste Trends beim Selektiven Laserschmelzen - können sich bestimmte Verfahren immens schnell eine Marktführerschaft erwerben. Metalldruck Dienstleister haben eine vielversprechende Zukunft, weil Metall Drucken immer gefragter werden wird. Die Entwicklungsaussichten für den 3D Druck von Metall und die gesamte additive Fertigung können unter diesem Aspekt nur als glänzend bezeichnet werden.

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