Metalladditive Fertigung:Was Sie wissen müssen

Die additive Fertigung hat die Fertigungsindustrie seit ihrer kommerziellen Einführung im späten 20. Jahrhundert verändert. Da additive Verfahren die Branche weiterhin im Sturm erobern, rücken Metal AM und zahlreiche Anwendungen des Verfahrens an die Spitze der Fertigung für die Produktion.

Beflügelt durch die Einführung neuer Metal AM-Maschinen mit offenen Materialplattformen und schnelleren Druckgeschwindigkeiten boomt der Verkauf von Metal AM-Systemen, wobei das Segment voraussichtlich bis 2024 ein Umsatzpotenzial von fast 4 Milliarden US-Dollar schaffen wird sich der Vorteile von Metal AM bewusst zu sein und wie die zahlreichen Anwendungen des Verfahrens die Fertigung verändern.

Kurzlinks:

• Geschichte der additiven Metallfertigung
• Metallgenerative Fertigung/ 3D-Druckverfahren
• Metallgenerative Fertigungstechniken
• Vorteile der Metall-AM-Technologie
• Nutzen Sie die Vorteile der additiven Fertigung in Ihrem kalifornischen Werk mit CMTC

Geschichte der additiven Metallfertigung

Der additive Fertigungsprozess kann seine Wurzeln bis Mitte der 1980er Jahre zurückverfolgen, als Methoden zur schnelleren Produktentwicklung eingeführt wurden. Ursprünglich als Rapid Prototyping bezeichnet, war dieses Verfahren in der Lage, dimensionale Modelle zu erstellen, um schnellere Prototypen zu erstellen, um die Passform und Funktion des Modells zu testen.

1987 wurde eine neue Kunststoffverarbeitungstechnik namens Stereolithographie (SLA) kommerzialisiert und wurde zum ersten Patent in der additiven Fertigung. Mit SLA könnten Hersteller UV-lichtempfindliche Flüssigpolymere mit einem Laser verfestigen und so 3D-Modelle schneller als je zuvor herstellen. Dieser Meilenstein der additiven Verfahren bot Herstellern, Ingenieuren und Designern neue Möglichkeiten, Produkte effizienter als bisher zu erstellen.

In den frühen 1990er Jahren wurden andere polymerbasierte additive Fertigungsverfahren kommerziell verfügbar. 1992 wurde das Selective Laser Sintering (SLS) verfügbar, bei dem Pulvermaterialien mit einem Laser zu einem Festkörper verschmolzen werden. Nicht lange danach wurde die additive Fertigung mit Metall patentiert und auf dem Markt verfügbar. Wie andere additive Fertigungsverfahren ermöglichte diese Technologie die schnelle Herstellung von Prototypen, Produkten und Werkzeugen aus Metall. Während die Einführung metallgenerativer Fertigungsverfahren die Herstellung von Metallteilen durch Sintern des Metallpulvers der Wahl ermöglichte, waren das Endergebnis Materialien, die eher mit Verbundwerkstoffen als mit Legierungen vergleichbar sind, da Materialien mit niedrigen Schmelzpunkten jetzt mit hochbeständigen Metallen kombiniert werden können, wie z als Edelstahl.

Metallgenerative Fertigung und 3D-Druckprozesse

Das additive Fertigungsverfahren erzeugt Objekte, indem Material Schicht für Schicht hinzugefügt wird, sei es aus Metall, Kunststoff oder Keramik. Die additive Fertigung kann traditionelle Methoden zur Herstellung von Objekten durch maschinelles Bearbeiten, Schneiden, Drehen, Formen, Fräsen und andere „subtraktive“ Fertigungsverfahren ergänzen und in einigen Fällen ersetzen.

Um ein Objekt mit additiver Fertigung herzustellen, wird ein Design mit CAD-Software (Computer-Aided Design) oder durch Scannen des zu druckenden Objekts erstellt. Die Software kann den Scan in einen präzisen Rahmen übersetzen, damit die 3D-Druckmaschine Schicht für Schicht folgen kann.

Die additive Metallfertigung, auch Metall-3D-Druck genannt, verwendet das additive Fertigungsverfahren und wendet es ausschließlich auf Metalle an. Durch das Aufschichten von Metallpulvern, entweder mit einer Energiequelle oder einem Bindemittel, können präzise Objekte entworfen und gebaut werden. Durch die Weiterentwicklung der additiven Fertigungsmaschinen können heute Objekte, die noch vor wenigen Jahren nicht geschaffen werden konnten, mit neuen Stärken und Standards unter Verwendung einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden.

Das breite Angebot an Metallpulvern für additive Fertigungsverfahren wird ständig erweitert. Zu den gängigsten Metallmaterialien gehören Edelstahlsorten, Nickel, Kobalt-Chrom, Titanlegierungen und Aluminium. Diese ständig wachsende Auswahl an Baustoffen ermöglicht es dem Hersteller, das richtige Material für die genauen Spezifikationen und Erwartungen des Objekts auszuwählen.

Metallgenerative Fertigungstechniken

Die additiven Fertigungsverfahren für Metall können in Verfahren unterteilt werden, die zum Verbinden des Metalls verwendet werden, darunter ein Bindemittel, eine beheizte Düse oder Laser. Im Folgenden sind einige der gebräuchlichsten additiven Fertigungstechniken für Metall aufgeführt. Abhängig von der angewandten Technik kann das resultierende gedruckte Teil eine Nettoform oder eine nahezu Nettoform aufweisen.

Laserbasiertes Pulverbettadditiv

Pulverbettschmelzverfahren (PBF) verwenden entweder einen Laser oder einen Elektronenstrahl, um das Metallpulver zu schmelzen und zu einem Festkörper zu verschmelzen. Diese Technik umfasst die folgenden metallgenerativen Fertigungsverfahren:Elektronenstrahlschmelzen (EBM), direktes Metall-Lasersintern (DMLS), selektives Wärmesintern (SHS) und selektives Laserschmelzen (SLM). Selektives Lasersintern (SLS) ist eine zusätzliche Technik, bei der ein Laser als Stromquelle zum Sintern von pulverförmigen Materialien verwendet wird, obwohl bei SLS üblicherweise Polymere anstelle von Metallen verwendet werden.

Unabhängig von der Methode erfordern alle laserbasierten Pulverbetttechniken das Verteilen des Metallpulvers über die vorherigen Schichten, sei es durch eine Walze oder eine Klinge. Die am häufigsten verwendeten Metalle in diesem additiven Verfahren sind Edelstahl, Titan, Aluminium, Stahl und Kobalt-Chrom sowie Kupfer.

Metallbinder Jetting

Dieses Herstellungsverfahren mit Metallzusatz ähnelt dem eines zweidimensionalen Tintenstrahldruckers. Metallpulver werden auf eine Bauplattform gespritzt, um Objekte entweder mit einem kontinuierlichen oder einem Drop-on-Demand (DOD)-Ansatz zu drucken. Ein flüssiges Bindemittel wird aufgetragen, um das Pulver Schicht für Schicht zu verbinden und das gewünschte Objekt aufzubauen. Gerade gedruckte Teile sind anfangs zerbrechlich und müssen nach der Verarbeitung durch Sintern und Infiltration verstärkt werden. Das Endergebnis kann einen optionalen Endbearbeitungsprozess durchlaufen, bei dem das Teil entweder poliert oder mit Nickel oder Gold plattiert wird.

Einer der einzigartigen Vorteile des Binder Jettings besteht darin, dass jegliches Schmelzen von Metallpulvern eliminiert wird, was zum Aufbau von Eigenspannungen führen kann. Es ist auch eine der kostengünstigsten additiven Fertigungstechniken für Metalle.

Blattlaminierung

Bei diesem Verfahren werden Materialbahnen Schicht für Schicht durch Kleben, Ultraschallschweißen oder Hartlöten zu einem Objekt verbunden. Blechlaminierungsverfahren sind Niedertemperaturverfahren und können unterschiedliche Materialien miteinander verbinden. Typischerweise werden Plattenlaminierungsverfahren eher für visuelle und ästhetische Modelle als für strukturelle Zwecke verwendet.

Gezielte Energiedeposition

Als komplexeres 3D-Druckverfahren funktioniert dieses Verfahren, wie der Name schon sagt:Eine fokussierte Energiequelle wie ein Laser- oder Elektronenstrahl wird auf das Baumaterial gerichtet, um es aufzuschmelzen, während es gleichzeitig Schicht für Schicht aufgetragen wird. Diese Technik wird häufig verwendet, um bestehende Strukturen zu reparieren oder zusätzliches Material hinzuzufügen. Directed Energy Deposition (DED) verwendet eine beheizte Düse, um geschmolzenes Material – typischerweise entweder Titan oder Kobalt-Chrom – auf der angegebenen Oberfläche abzuscheiden, wo es erstarrt.

Vorteile der Metall-AM-Technologie

In den letzten Jahrzehnten ihres Bestehens haben additive Fertigungstechnologien einen revolutionären Einfluss auf den gesamten Fertigungssektor gehabt. Diese Fähigkeit, Baugruppen zusammenzuführen – Druck eines Teils als einzelne Einheit statt mehrerer Teile, die zusammengefügt oder befestigt werden müssen – reduziert Materialverschwendung und verbessert in der Regel die Gesamtqualität und Leistung des Produkts. Neben diesem abfallsparenden Vorteil bieten Metall-AM-Verfahren einzigartige Vorteile, darunter:

Komplexität ist „kostenlos“

Bei der Verwendung traditioneller subtraktiver Fertigungsverfahren führt die zunehmende Komplexität der Konstruktion eines Teils zu immer höheren Kosten, da immer mehr subtraktive Fräs-, Konturierungs- und Schlichtoperationen erforderlich sind. Bei der Verwendung von Additiv verursacht die Komplexität eines Designs nur geringe Kosten und reduziert häufig die Kosten des Teils. Wenn das Teil beispielsweise ein prismatisches Teil ist – ein massiver rechteckiger Block – ist das Fräsen von einem endkonturnahen Knüppel einfach und erfordert wenige Durchgänge auf dem Fräser und daher niedrige Kosten. Eine Druckform mit Additiv würde viele Durchgänge auf der Maschine erfordern, um die erforderliche Materialmenge zum Aufbau der Form aufzutragen, was zu viel höheren Kosten führt. Wenn das Teil jedoch eine organische Form hat – denken Sie an eine Strebe, die wie eine Baumwurzelstruktur aussieht – erfordert das Fräsen wahrscheinlich kundenspezifische Halterungen und viele Maschinendurchgänge, oft mit mehreren Werkzeugwechseln und umfangreicher Werkzeugwegcodierung, die alle zu hohen Kosten führen . Um die organische Form mit Additiv zu drucken, wird die Werkzeugbahn automatisch mithilfe von Software erstellt und die Anzahl der Durchgänge und die aufgetragene Materialmenge werden stark reduziert, was zu geringeren Kosten für dieses Teil führt.

Beseitigung zusätzlicher Kosten

Metalladditive Verfahren reduzieren den Materialabfall im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren. Da das Rohmaterial Schicht für Schicht präzise aufgebaut ist, müssen kaum Teile vom festen Objekt abgezogen oder abgeschabt werden. Nur das benötigte Material wird verwendet und genau dort platziert, wo es benötigt wird, was die Metall-AM-Technologien ressourceneffizient macht.

Darüber hinaus reduziert die additive Fertigung mit Metall den Abfall, indem teure Werkzeuge überflüssig werden, was Ihrem Unternehmen Geld und Zeit spart. Durch die Wahl des richtigen additiven Fertigungsverfahrens für Metalle können Sie auf eine Vielzahl von Materialien zugreifen, um Ihre spezifischen Produktionsanforderungen zu erfüllen.

Eine große Auswahl an Materialien

Die Eigenschaften und die Gesamtleistung eines Materials werden durch seine chemische Zusammensetzung, seinen kristallinen Zustand und die zugrunde liegende Mikroarchitektur bestimmt. Diese Eigenschaften zwingen Ingenieure, bei der Auswahl eines Materials für eine bestimmte Anwendung bestimmte Kompromisse einzugehen. Dieses Zugeständnis könnte jedoch aufgrund der Fortschritte in der 3D-Drucktechnologie bald der Vergangenheit angehören.

Während sich die Hersteller früher auf die Werkstoffe der Metall-AM beschränkten, steht eine immer größere Vielfalt an einsetzbaren Metallpulvern zur Verfügung. Zu den gängigeren verfügbaren Metallmaterialien gehören:

• Edelstahl
• Stahl
• Titan
• Aluminium
• Kupfer
• Kobalt-Chrom
• Titanlegierungen
• Nickellegierungen
• Gold
• Silber
• Platin
• Palladium

Mit den Fortschritten in der additiven Fertigung wird die Liste der verwendbaren Metallpulver weiter erweitert.

Verbesserte Designfähigkeiten und Topologieoptimierung

Mit der additiven Metallfertigung können einzigartige und komplexe Strukturen geschaffen werden, die ansonsten zusätzliche Zeit und Teile in Anspruch genommen hätten. Durch das Zusammenfügen von Baugruppen können Objekte jetzt als eine einzige Einheit für mehr Festigkeit und Effizienz hergestellt werden, anstatt aus mehreren Teilen, die nach der Produktion zusammengefügt oder befestigt werden müssen.

Darüber hinaus haben jüngste Fortschritte in der automatisierten Konstruktion die Herstellung von Produkten für eine Fülle von Anwendungen ermöglicht. Die Software zur Topologieoptimierung ermöglicht es Konstrukteuren, die Parameter eines Teils zu spezifizieren und der Software zu ermöglichen, ihre Architektur basierend auf den gewünschten strukturellen, funktionalen, thermischen oder anderen Eigenschaften zu definieren. Das Endergebnis sind Designs, die stärker, leichter, widerstandsfähiger und widerstandsfähiger gegen Naturkräfte und äußere Bedingungen gemacht werden können.

Verkürzung der Produktionszeit

Einer der bekannten Vorteile der additiven Metallfertigung ist die Verkürzung der Übergangszeit der Produkte von der Konstruktionsphase bis zur Endfertigung im Vergleich zur herkömmlichen Bearbeitung. Da für die Bearbeitung des Objekts nach dem 3D-Druck kaum spezielle Bearbeitungen und Werkzeuge erforderlich sind, kann der Metall-AM Teile innerhalb von Tagen statt Wochen herstellen.

Nutzen Sie die Vorteile der additiven Fertigung in Ihrem kalifornischen Werk mit CMTC

Klingt die additive Fertigung mit Metall nach einer Technologie, die von Ihrem Fertigungsunternehmen genutzt werden könnte? Wie bei jeder neuen Technologie gibt es immer eine gewisse Lernkurve. Aus diesem Grund gehen wir in unserem Leitfaden zu den Arten von additiven Fertigungsverfahren für Metalle in das Innenleben aller oben genannten Prozesse, die verwendeten Materialien und die Vor- und Nachteile jedes einzelnen ein.

Bleiben Sie auf dem Laufenden und bleiben Sie mit anderen in der Branche auf dem Laufenden, indem Sie noch heute den kostenlosen Leitfaden herunterladen. Wenn Sie in der Zwischenzeit weitere Fragen zur additiven Fertigung haben, wenden Sie sich bitte an die Experten von CMTC. Wir sind hier und helfen gerne!