Metallteile leichter machen mit Metall-3D-Druck

Die Herstellung von Leichtmetallteilen ist der heilige Gral für Hochleistungsindustrien wie die Automobil- und Luftfahrtindustrie – weshalb Hersteller ständig nach neuen Wegen suchen, um leichtere Metallteile mit verbesserter Teileleistung zu entwickeln und herzustellen. 3D-Druck , mit seiner Fähigkeit, komplexe Designs zu erstellen, könnte die Lösung für den wachsenden Bedarf an Leichtmetallkomponenten sein.

Warum streben Hersteller nach leichten Metallteilen?

Branchen wie die Luft- und Raumfahrt und die Automobilindustrie stehen vor der Herausforderung, den Kraftstoffverbrauch zu optimieren, die Produktionskosten zu senken und strenge regulatorische Standards für schädliche Emissionen einzuhalten. Leichtbau, also die Herstellung von leichteren Teilen, ist eine Lösung für diese Herausforderungen.

Leichtere Teile bedeuten leichtere Fahrzeuge und Flugzeuge, was zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch und einer Reduzierung der Emissionen führt. Metallleichtbau ist mit traditionellen Fertigungsmethoden aufgrund längerer Vorlaufzeiten und des Fehlens einer wirtschaftlich tragfähigen Möglichkeit zur Herstellung komplexer Geometrien schwierig zu erreichen. Hoher Materialverlust und Werkzeugkosten (beim Spritzgießen) sind ebenfalls unerschwingliche Faktoren.

3D-Druck:die Metall-Leichtbaulösung

Senden einer 22 -Tonnen-Flugzeugnutzlast in die erdnahe Umlaufbahn kostet 62 Millionen $ – fast 3.000 US-Dollar pro Kilo – laut einer Studie von 3D Systems. Da jedes Kilogramm, das vom Gesamtgewicht eines Flugzeugs abgenommen wird, zu Kosteneinsparungen führt, kommt der Gewichtsproduktion daher eine zentrale Bedeutung zu. Je leichter das Teil, desto weniger Material wurde zu seiner Herstellung verwendet, was wiederum die Herstellungskosten senkt.

3D-Druck ist eine Fertigungstechnologie, bei der Teile Schicht für Schicht hergestellt werden und nur dort Material verwendet wird, wo es benötigt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Produktionstechniken macht der 3D-Druck Komplexität zu einem Vorteil und bietet die Möglichkeit, leichte, komplexe Metallteile kostengünstig herzustellen.

Abgesehen davon, dass der 3D-Druckprozess die kostengünstigere Option zur Herstellung leichterer Metallteile ist, ist er in der Regel schneller als herkömmliche Herstellungsverfahren. Als werkzeuglose Technologie erstellt die additive Fertigung Teile direkt aus digitalen Dateien und beschleunigt so den Herstellungsprozess erheblich.

In der Regel werden Pulverbettschmelzverfahren gewählt, um leichtere Metallkomponenten herzustellen. Mithilfe eines Lasers werden Metallpulverschichten miteinander verschmolzen, wodurch geometrisch komplexe Leichtbaustrukturen hergestellt werden können.

Wie kann 3D-Druck Metallteile leichter machen?

Mit fortschrittlicher Design-Software
Der erfolgreiche Einsatz von 3D-Druck zur Herstellung von Leichtbauteilen beginnt immer mit der Konstruktion. Dank der Designfreiheit, die der 3D-Druck bietet, kann die Technologie nahtlos mit fortschrittlicher Designsoftware gekoppelt werden, darunter generatives Design, Topologieoptimierung und Gitterbausoftware, um nur einige zu nennen.

Der Einsatz ausgeklügelter Algorithmen, Topologieoptimierung und generativer Konstruktionstools hilft, die Geometrie und Materialverteilung eines Teils zu optimieren. Durch Hinzufügen oder Entfernen des Materials an Stellen, die durch eine Reihe von Parametern definiert sind, ermöglichen diese Tools den Ingenieuren, endlose Designoptionen zu erkunden und die bestmögliche Leichtbaustruktur eines bestimmten Teils zu finden.

General Motors beispielsweise nutzt diese fortschrittlichen Technologien bereits, um Fahrzeugmodelle mit einer durchschnittlichen Gewichtsreduzierung von mehr als 150 kg pro Fahrzeug herzustellen.


In einem anderen Beispiel wurde mit einer topologisch optimierten, 3D-gedruckten Titanhalterung für GE Aircraft eine erstaunliche Gewichtsreduzierung von 70 % erreicht. Mit der Topologie-Optimierungssoftware Generate von Frustum konnten die Ingenieure die effizienteste Materialverteilung innerhalb der Halterung bestimmen, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen.

Designoptimierung bedeutet auch, dass auch die Teileanzahl reduziert werden kann. Durch die Kombination mehrerer Strukturkomponenten zu einem kann ein leichteres und effizienteres Teil hergestellt werden. Airbus hat das A380-Flugzeug bereits mit einem 3D-gedruckten Titan-Aktuatorventilblock ausgestattet, der 35 % weniger wiegt als herkömmlich gefertigte Gegenstücke und aus weniger Teilen besteht.

Die Anwendung interner Gitterstrukturen ist ein weiterer Designansatz zur Reduzierung des Gewichts eines Metallteils. Nicht tragende massive Metallteile sind der ideale Anwendungsfall, um sie mit Gitterwerken neu zu gestalten, sie leichter zu machen und gleichzeitig die volle Funktionalität zu erhalten.

Verwendung von Materialien für verbesserte Eigenschaften
Neue Materialien für den 3D-Druck entwickeln sich ständig weiter und treiben die Möglichkeiten des Metallleichtbaus weiter voran. Scalmalloy ist ein gutes Beispiel:Scalmalloy wurde von APWorks entwickelt und ist eine Metallpulverlegierung, die die Leichtigkeit von Aluminium mit fast der gleichen spezifischen Festigkeit und Duktilität wie Titan kombiniert. Das hohe Festigkeits-Gewichts-Verhältnis von Scalmalloy macht diesen Werkstoff besonders in der Luftfahrt- und Automobilindustrie gefragt, wo er zur Herstellung von leichten und dennoch hochfesten Funktionsbauteilen verwendet werden kann.

Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (MMC) auch für den Metallleichtbau vielversprechend. MMCs sind Verbundwerkstoffe, die aus Metall und einem anderen Metall oder keramischen und organischen Verbindungen bestehen. Obwohl MMCs neuartige Materialien in der additiven Fertigung sind, könnte die Technologie neue Möglichkeiten für die Herstellung von Teilen mit diesen leistungsstarken Leichtbaumaterialien mit hoher Festigkeit und Steifigkeit eröffnen. Elementum3D beispielsweise entwickelt einen Metall-Keramik-Verbund speziell für den Metall-3D-Druck. Dieses Material wird in der Lage sein, starke, leichte und hitzebeständige Metallteile wie Flugzeug- oder Automotorenkomponenten herzustellen.

Der wachsende Wert des Metallleichtbaus

Der erfolgreiche 3D-Druck von Metallteilen erfordert Kenntnisse über die Möglichkeiten und Grenzen von Metall-AM-Technologien und -Materialien. Die zentrale Herausforderung besteht daher darin, traditionelle Designansätze zu überdenken und stattdessen speziell auf die Bedürfnisse der additiven Fertigung hin zu konstruieren.

Da das Streben nach Metallleichtbau an Fahrt gewinnt, müssen Hersteller in den Hochleistungsbranchen die konkurrierenden Ziele der Maximierung von Festigkeit und Leistung bei gleichzeitiger Minimierung des Teilegewichts in Einklang bringen.

3D-Druck bietet eine ideale Lösung, um diese Ziele in Einklang zu bringen, insbesondere in Verbindung mit fortschrittlicher Designsoftware und Materialien. Zugegeben, wir kratzen erst an der Oberfläche dessen, was mit Metall-3D-Druck möglich ist. Die Möglichkeit, Leichtbauteile mit kürzeren Vorlaufzeiten herzustellen und gleichzeitig die Produktionskosten zu senken, wird es den Herstellern jedoch ermöglichen, die Vorteile zu nutzen, bessere, leichtere und effizientere Produkte auf den Markt zu bringen.

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