5 häufige Probleme beim Metall-3D-Druck – und wie Sie sie beheben können

Der Metall-3D-Druck hat in den letzten Jahren beeindruckende Fortschritte gemacht, wobei Unternehmen zunehmend in die Technologie für hochkomplexe, industrielle Anwendungen investieren. Neben den Vorteilen der Herstellung von leichten, anspruchsvollen Metallbauteilen gibt es jedoch auch eine Reihe von Herausforderungen, die beim Metall-3D-Druckprozess zu meistern sind. Im heutigen Tutorial werden die Hauptprobleme beim 3D-Drucken von Metallen untersucht und wie Sie diese lösen können.

Metall-3D-Druck – ein Überblick

Beim Metall-3D-Druck gibt es eine Reihe von Druckverfahren. Diese lassen sich grob in drei Gruppen einteilen:

• Pulverbett-Fusionsverfahren (SLM, EBM)
• Direkte Energiedeposition (DED)
• Metallbindemittelstrahlen

Pulverbett-Fusion ist die gebräuchlichste Methode zur Herstellung von Metallteilen mit AM und beinhaltet den Einsatz eines Laserstrahls (SLM) oder Elektronenstrahls (EBM), um selektiv eine Schicht aus Pulvermaterial zu schmelzen, die gleichmäßig auf der Bauplattform verteilt ist.

Direkte Energiedeposition deckt eine Reihe von Technologien ab und beinhaltet typischerweise einen Prozess, bei dem das Material mit einem Laser oder Elektronenstrahl geschmolzen wird, bevor es auf einer Bauplattform aufgebracht wird. Das Objekt wird dann Schicht für Schicht geformt. Während bei diesem Verfahren Polymere und Keramiken verwendet werden können, wird DED typischerweise mit Metallen in Pulver- oder Drahtform verwendet.

Metallbindemittelstrahlen   verwendet einen Druckkopf, um ein flüssiges Bindemittel auf Pulverschichten aufzutragen, das die Pulverpartikel Schicht für Schicht miteinander verschmilzt. Das gebundene Pulver kann dann optional mit einem anderen Metall (meist Bronze) infiltriert werden, um eine höhere Dichte zu erreichen.

Jeder der Prozesse hat seine Stärken und Grenzen, aber beim 3D-Drucken von Metall treten im Allgemeinen allgemeine Probleme auf – und diese Herausforderungen müssen bestehen, um die bestmöglichen mechanischen Eigenschaften für Ihre 3D-gedruckten Metallteile zu erzielen.

5 häufige Probleme, auf die Sie achten sollten 

1. Porosität

3D-gedruckte Metallteile weisen oft eine hohe Porosität auf, die während des Druckprozesses auftritt, da kleine Löcher und Hohlräume innerhalb des Teils gebildet werden. Diese winzigen, normalerweise mikroskopisch kleinen Poren können eine geringe Dichte verursachen – je mehr Poren vorhanden sind, desto geringer ist die Dichte Ihres Teils. Sie können auch die mechanischen Eigenschaften eines Teils direkt beeinflussen und es anfällig für Risse oder andere Schäden machen, insbesondere wenn es hohen Belastungen ausgesetzt ist.

Für hochporöse 3D-gedruckte Metallteile gibt es typischerweise zwei Hauptgründe:Entweder liegt es an einem Problem mit der Pulverherstellungstechnik oder am 3D-Druckprozess selbst. Beispielsweise kann die Verwendung von Gaszerstäubung manchmal zur Bildung von Poren im Pulvermaterial führen. Die häufigere Quelle solcher winziger Löcher ist jedoch der Druckprozess, bei dem die Energie nicht ausreicht und das Metall daher nicht richtig schmelzen kann. Auch das Gegenteil kann zutreffen:Zu hohe Laserenergie kann dazu führen, dass die Tröpfchen des geschmolzenen Materials spritzen und Poren entstehen.

So reduzieren Sie die Porosität Ihrer Metallteile

Glücklicherweise gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, um die Porosität in Ihren 3D-gedruckten Metallteilen zu beseitigen und stärkere, haltbarere Teile zu erzielen:

• Da die Materialqualität manchmal die Ursache für eine hohe Porosität sein kann, sollten Sie Rohstoffe von einem vertrauenswürdigen Lieferanten kaufen.
• Die während des Druckvorgangs verursachte Porosität kann durch die Abstimmung der Druckerparameter beseitigt werden.

• Die richtige Dichte kann durch Nachbearbeitungsmethoden wie heißisostatisches Pressen erreicht werden. Dadurch werden mögliche Hohlräume eliminiert und gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften eines 3D-gedruckten Metallteils verbessert.
• Bei Pulverbett-Fusionsteilen ist die Infiltration eine weitere Nachbearbeitungsoption. Dieses Verfahren wird verwendet, um die verbleibenden Hohlräume im Metallteil zu füllen.

2. Dichte

Industrielle Anwendungen von Metall-3D-gedruckten Teilen erfordern häufig hohe mechanische Eigenschaften, weshalb die Dichte eines Teils extrem wichtig ist. Wenn ein Teil unter zyklischen Belastungsbedingungen arbeitet, bestimmt seine Dichte, ob das Teil unter Last versagt oder nicht. Mit anderen Worten, je geringer die Dichte eines Teils ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass es unter Druck reißt. Pulverbetttechnologien (SLM, EBM) können Teile mit Dichten von 98% und höher herstellen, die für stressige Anwendungen entscheidend sind.

Verbesserung der Dichte Ihrer Teile

Um eine gleichbleibende Qualität und Dichte eines Teils zu gewährleisten, müssen die spezifischen Parameter des Materials wie Partikelgröße, Form, Verteilung und Fließfähigkeit optimiert werden. Partikel mit Kugelform können beispielsweise zu einer höheren Dichte führen, da sie im Vergleich zu anderen Formen die maximale relative Dichte erreichen können.

Da es jedoch eine Reihe von Variablen gibt, die die Dichte eines Teils beeinflussen können, lautet die allgemeine Faustregel, zuerst die Qualität Ihres Metallpulvers zu berücksichtigen und die Prozessparameter entsprechend anzupassen.

3. Reststress

Erwärmen und anschließendes Abkühlen sind die gemeinsamen Merkmale der Metall-AM-Prozesse. Wenn ein Teil jedoch solch extremen thermischen Veränderungen ausgesetzt ist, kann dies zu Eigenspannungen führen. Eigenspannungen wirken sich ungünstig auf die Integrität eines gefertigten Teils aus und führen zu unterschiedlichen Verformungen. Die höchste Konzentration der Restspannung findet sich im Kontaktbereich zwischen der Unterseite eines gedruckten Teils und einem Druckbett.

Reduktion von Eigenspannung

Da Restspannungen den Unterschied zwischen einem erfolgreichen Metalldruck und einem strukturellen Versagen ausmachen können, sollte dieses Problem richtig angegangen werden, und es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, dies zu tun:

• Mit Predictive Modeling lassen sich die geeigneten Parameter wie Wärmeeintrag und Schichtdicke abschätzen, um eigenspannungsarme Bauteile zu bauen.
• Die Implementierung von Stützstrukturen und die Optimierung der Teileausrichtung können auch das Auftreten von Eigenspannungen minimieren.
• Das Vorheizen des Druckbetts und des Baumaterials vor Druckbeginn reduziert Temperaturgradienten, die oft die Eigenspannungen verursachen. Da EBM jedoch bei einer niedrigeren Temperatur arbeitet, ist diese Technik bei EBM erfolgreicher als bei SLM oder DED.
• Bei Pulverbett-Fusionsprozessen kann die „Insel“-Scanstrategie dazu beitragen, den Aufbau von Eigenspannungen zu mindern. Diese Strategie funktioniert durch Aufteilen des Belichtungsbereichs in kleinere Abschnitte, die als „Inseln“ bezeichnet werden, und hält die Längen der Scanvektoren kürzer.

4. Rissbildung und Verformung

Eigenspannungen können sehr zerstörerisch sein, was in einem Teil zu einer Reihe von strukturellen Problemen führt, wobei Rissbildung und Verformung am häufigsten auftreten. Solche Probleme treten typischerweise auf, wenn das geschmolzene Metall nach dem Drucken abkühlt. Das Abkühlen verursacht eine Kontraktion, wodurch sich die Kanten eines Teils kräuseln und verformen. In extremen Fällen kann die Spannung die Festigkeit des Teils übersteigen, was zu Rissen im Teil führen kann (Rissbildung kann auch auftreten, wenn das Pulvermaterial nicht richtig geschmolzen wurde).

Verhindern von Rissen und Verwerfungen

Es gibt zwei Hauptmethoden, um das Reißen und Verziehen Ihres Metallteils zu verhindern. Eine Möglichkeit besteht darin, das Druckbett vorzuwärmen, eine andere besteht darin, die Haftung eines Teils auf dem Druckbett zu verbessern und die erforderliche Anzahl von Stützstrukturen zu platzieren. Die thermische Nachbearbeitung kann auch helfen, kleinere Risse zu reparieren, während die richtige Anzahl von Stützstrukturen Ihrerseits im Wesentlichen dazu dient, Verzug zu verhindern.

5. Nachbearbeitung und Oberflächenrauheit

Normalerweise sind Metallteile beim ersten Druck noch nicht für ihre endgültige Anwendung bereit und müssen einer Nachbearbeitung unterzogen werden, z. B. Entfernen von Pulver und Trägern, Wärmebehandlung und Oberflächenbehandlung. Aber sehr oft werden Sie während der Nachbearbeitung auf einige Herausforderungen stoßen.

Beispielsweise könnten Sie beim Entfernen der Stützstrukturen an Ihren Teilen mit Schwierigkeiten konfrontiert werden. Dies kann beispielsweise vorkommen, wenn Ihr Metallteil Stützen in kleinen Löchern und Rohren hat. Diese können schwer zu entfernen sein, ohne das Teil zu beschädigen, und eine anschließende Bearbeitung ist erforderlich.

Die Oberflächenrauheit ist ein weiteres Problem. Additiv gefertigte Komponenten für High-End-Anwendungen erfordern eine durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit – 3D-gedruckte Teile werden jedoch oft mit rauen Oberflächen hergestellt und erfordern zusätzliche Nachbearbeitung wie Bearbeiten, Schleifen oder Polieren, um ein besseres Finish zu erzielen. Da die Oberflächenrauheit direkt mit der Schichtdicke zusammenhängt, kann sie durch das Drucken mit dünneren Schichten abgemildert werden. Diese Herstellung eines Teils mit feineren Schichten kann jedoch die Bauzeit erheblich verlängern.

Raue Oberflächen können auch durch unsachgemäßes Schmelzen des Pulvers entstehen. Dies tritt auf, wenn nicht genügend Energie aufgebracht wurde, um das Metall vollständig zu schmelzen. In diesem Fall kann die Oberflächenrauheit reduziert werden, indem die Leistung Ihres Lasers erhöht wird.

Zusammenfassend

Obwohl es eine Reihe potenzieller Herausforderungen beim Einsatz von AM zur Herstellung von Metallteilen gibt, ist das Verständnis dieser Herausforderungen der erste Schritt zur Herstellung hochwertiger, zuverlässiger Komponenten. Und mit dem anhaltenden Wachstum des Metall-3D-Drucks werden wir sicherlich einen Anstieg der Verwendung von additiv gefertigten Metallkomponenten für industrielle Anwendungen sehen.