Metall-3D-Druck:7 häufige Missverständnisse entlarvt 

Der Mangel an Verständnis für die Möglichkeiten und Einschränkungen des Metall-3D-Drucks bleibt bestehen eine der wichtigsten Herausforderungen zu einer stärkeren Akzeptanz der Technologie. Missverständnisse, die rund um die Technologie aufgetaucht sind, heizen das Feuer nur an.

In dem heutigen Artikel werden wir einige der verbreiteten Mythen rund um den 3D-Metalldruck demontieren, um die Wahrheit aufzudecken und Sie mit den Fakten auszustatten. 

1. Metall-3D-Druck ist zu teuer

Metalladditive Fertigung (AM) kann eine teure Technologie sein. Einige AM-Systeme aus Metall können bis zu einer Million Dollar kosten und sind daher nur für große Unternehmen erschwinglich.

Dennoch erkennen einige Unternehmen, dass diese Art von Kapitalanlage für kleinere Firmen und Werkstätten nicht in Frage kommt und haben speziell 3D-Drucker zu einem Preis von unter 200.000 US-Dollar entwickelt. Solche Systeme zielen darauf ab, den 3D-Metalldruck zu demokratisieren und die Technologie für breitere Märkte zu erschließen.

Beispiele sind Unternehmen wie Xact Metal, Laser Melting Innovations (LMI) und One Click Metal, die die Metallpulverbett-Fusionstechnologie demokratisieren.

In den meisten Fällen haben diese Unternehmen ihre Systeme mit kostengünstigeren Komponenten ausgestattet, um die Gerätekosten zu senken. Der Alpha 140 3D-Drucker von LMI verwendet beispielsweise einen Diodenlaser, der billiger und weniger anfällig für Schäden ist als ein CO2-Laser. Und statt teurer Scannersysteme ist die Alpha 140 mit einem kartesischen Bewegungslasersystem ausgestattet. Dank dieser Änderungen konnte das Unternehmen den Preis seiner Maschine auf unter 100.000 € senken.

Außerdem haben andere Unternehmen wie Desktop Metal und Markforged einen neuen Ansatz für den Metall-3D-Druck entwickelt um es günstiger zu machen. Sowohl das Studio System von Desktop Metal als auch das Metal X-System von Markforged basieren auf einer ähnlichen Technologie, wobei Metallpulver, die in das Kunststofffilament eingekapselt sind, durch eine Düse extrudiert werden, um Grünteile zu erzeugen, die dann in einem Ofen gesintert werden.

Was macht diesen Ansatz erschwinglicher, da billigere Komponenten zur Herstellung eines Druckers und niedrigere Betriebskosten erforderlich sind, was durch billigere Metallspritzgussmaterialien ermöglicht wird.

Mit einem Preis von weniger als 200.000 US-Dollar haben sowohl Metal X als auch Studio System neue Möglichkeiten eröffnet im Metall-3D-Druck, indem der Prozess kostengünstiger, bürofreundlicher und einfacher zu verwalten ist.

2. Die meisten Metall-AM-Systeme sind ähnlich 

Ein weiteres weit verbreitetes Missverständnis ist, dass alle Metall-3D-Drucker ähnlich sind. In Wirklichkeit gibt es bis zu fünf Schlüsseltechnologien für den Metall-3D-Druck, jede mit ihren einzigartigen Anforderungen und Funktionen.

Selbst innerhalb derselben Technologiegruppe können sich 3D-Drucker erheblich unterscheiden. Nehmen Sie als Beispiel Metal Powder Bed Fusion (PBF), das Verfahren, bei dem Metallpulver Schicht für Schicht durch eine starke Wärmequelle verschmolzen werden. Während die Grundidee von PBF die gleiche bleibt, gibt es mehrere recht einzigartige Ansätze der Technologie.

Beispielsweise hat VELO3D einen Pulverbett-Fusions-3D-Drucker entwickelt, der über einen einzigartigen Recoater-Mechanismus verfügt und eng in die Software integriert ist. Dies verleiht dem System die einzigartige Fähigkeit, Teile fast ohne Stützstrukturen zu drucken.

In einem anderen Beispiel entwickelt Aurora Labs einen PBF-Metall-3D-Drucker, der Teile mit einer beispiellosen PBF-Technologiegeschwindigkeit von bis zu einer Tonne Metall pro Tag drucken kann.

Insgesamt ist die Metall-3D-Drucklandschaft ziemlich komplex und es kann schwierig sein, den Überblick zu behalten. Vielleicht möchten Sie unseren endgültigen Leitfaden zum Metall-3D-Druck lesen, um mehr über die Technologie zu erfahren.

3. Der Metall-3D-Druck ist nur für die Kleinserienproduktion geeignet 

Metall-3D-Druck ist in der Tat eine Technologie der Wahl, wenn es darum geht, kleine Stückzahlen zu produzieren. Seine Fähigkeiten enden jedoch nicht dort. Einige Metall-3D-Drucker, insbesondere solche, die auf der Binder-Jetting-Technologie basieren, können mittlere bis große Stückzahlen verarbeiten.

Ein Unternehmen, das dies veranschaulicht, ist 3DEO. Das Metall-3D-Druckunternehmen hat eine patentierte Intelligent Layering-Technologie entwickelt, die eine wiederholbare und automatisierte Produktion von Metallteilen in hohen Stückzahlen ermöglicht.

Der additive Prozess von 3DEO basiert auf drei Schritten. Zuerst verteilt die Maschine eine dünne Schicht von Standard-Metal-Injection-Molding-(MIM)-Metallpulver. Dann sprüht er ein Bindemittel auf die gesamte Schicht. Schließlich verwendet es einen CNC-Schaftfräser, um die Form des Teils in jeder Schicht genau zu definieren. Dieser hybride Ansatz ermöglicht es dem Unternehmen, das seine Technologie als Dienstleistung nutzt, Bestellungen von 250.000 Stück pro Jahr abzuwickeln.

Ein weiteres Beispiel ist das Produktionssystem von Desktop Metal, eine Binder Jetting-Maschine, die mit bis zu 12.000 cm3/h drucken kann, was über 60 kg Metallteile pro Stunde entspricht. Diese Geschwindigkeit ist um Größenordnungen höher als die der meisten 3D-Metalldrucker auf dem Markt, was sie ideal für die Herstellung komplexer Metallteile in großen Mengen macht.

Als potenzielle Alternativen zu herkömmlichen Methoden wie der maschinellen Bearbeitung zeigen diese Methoden, dass die Industrie Lösungen für den schnelleren 3D-Metalldruck entwickelt und die Technologie in einen neuen Bereich der Massenproduktion führt.

4. High-End-Anwendungen sind die einzigen Anwendungen, die die Nachfrage nach Metall-3D-Druck antreiben 

Metal AM wurde tatsächlich zuerst für High-End-Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und in der Medizinindustrie eingesetzt. Mit der Verbreitung erschwinglicherer Metall-3D-Drucklösungen hat sich das Anwendungsspektrum jedoch auf Ersatzteile, funktionale Prototypen und kundenspezifische Werkzeuge erweitert.

Interessanterweise wird die Fähigkeit des 3D-Drucks, bestehende Fertigungsprozesse mit additiv hergestellten Formen, Vorrichtungen und Vorrichtungen zu verbessern, laut dem jüngsten EY-Bericht als einer der Hauptvorteile von AM angesehen.

Beispielsweise verwendet der Werkzeughersteller Built-Rite das Studio System von Desktop Metal im eigenen Haus, um schnell drehende Formmontagekomponenten herzustellen. Das Studio System funktioniert durch Erhitzen und Extrudieren von Metallstäben – Metallpulver und Polymerbindemittel –, um schichtweise ein Grünteil zu formen, und das Teil wird dann im bürotauglichen Ofen gesintert.

Dieses Verfahren ermöglicht es Built-Rite, die Komponenten 90 Prozent billiger und 30 Prozent schneller als beim Outsourcing herzustellen und gleichzeitig das Gewicht und damit den Materialeinsatz um 40 Prozent zu reduzieren.

Wenn es um die Ersatzteilproduktion geht, kann Metal AM dazu beitragen, mehrere Haupttreiber der After-Sales- und Reparaturkosten zu adressieren:hohe Lagerbestände, ältere Ersatzteile mit geringerer Nachfrage und veraltete oder nicht bewegliche Teile in Lagerhallen.

Die Vorteile des Metall-3D-Drucks gehen eindeutig über teure Komponenten für die Luft- und Raumfahrt und Medizin hinaus, da es sich um eine Technologie mit einem breiten Spektrum an Low-End-Anwendungen handelt.

5. 3D-gedruckte Metallteile sind herkömmlichen Metallteilen unterlegen 

Viele Hersteller sind sich unsicher, ob die Qualität von Metall-3D-gedruckten Teilen die gleiche Qualität wie konventionell hergestellte Teile haben kann. Dieses Missverständnis ist hauptsächlich auf die Neuheit des Metall-3D-Drucks zurückzuführen, der seine Eignung für die Herstellung von Endverbrauchsteilen noch beweisen muss.

Tatsächlich haben Technologieanwender bereits bewiesen, dass die Qualität von 3D-gedruckten Metallteilen der von konventionell hergestellten Alternativen entspricht oder sogar übertrifft. Aus diesem Grund sehen wir immer häufiger AM-Metallteile in kritischen Systemen wie Raketentriebwerken, Wärmetauschern und verschiedenen Turbinenteilen verwendet.

Obwohl das Erreichen eines qualifizierten AM-Workflows für Metall eine Herausforderung sein kann, setzen Hersteller diese Technologie ein, um letztendlich die Vorteile leistungsfähigerer, leichterer und effizienterer Metallkomponenten zu nutzen.

6. Metall-3D-Drucker können nur kleine Teile drucken

Da die Nachfrage nach größeren Metallteilen wächst, hat sich die Technologie weiterentwickelt, um die Produktion größerer Komponenten zu ermöglichen.

Im Jahr 2020 produzieren die meisten 3D-Drucker, insbesondere solche, die auf der Pulverbett- und Binder-Jetting-Technologie basieren, kleine Teile, die in Zentimetern gemessen werden. Bei einer PBF-Technologie beispielsweise, bei der Metallpulverschichten durch einen Laser- oder Elektronenstrahl aufgeschmolzen werden, lassen sich große Teile aufgrund des Spannungsaufbaus innerhalb eines Teils nur schwer herstellen. Je größer das Teil, desto größer sind die Temperaturänderungen, die die Eigenspannung und die Änderung der Teilverformung erhöhen.

Aus diesem Grund erfolgt die Herstellung größerer Teile oft durch andere Metall-AM-Technologien wie Direct Energy Deposition und Wire Arc Additive Manufacturing.

Der Hersteller von Metall-3D-Druckern, Sciaky, bietet beispielsweise einige der größten Metall-3D-Drucker auf dem Markt an, die von seiner Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM)-Technologie angetrieben werden. Sciaky positioniert sein AM-System als schnellere und kostengünstigere Alternative zu großformatigen Schmiede- und Gussteilen.

Einer seiner 3D-Drucker, der EBAM 150, hat ein beeindruckendes Bauvolumen von 3708 x 1575 x 1575 mm .

EBAM verwendet ein Verfahren wie das Schweißen, bei dem ein Elektronenstrahl verwendet wird, um Metall in Drahtform zu schmelzen. Damit eignet sich die Technologie für die Verarbeitung verschiedenster schweißbarer Materialien, von Titan über Inconel bis hin zu Edelstahl.

Lockheed Martin ist einer der Anwender der EBAM-Technologie. Das Luft- und Raumfahrtunternehmen hat damit zwei riesige Kuppeln für Hochdrucktanks geschaffen, die Treibstoff an Bord von Satelliten transportieren. Die Technologie ermöglichte es Lockheed Martin, zwei Kuppeln mit einem Durchmesser von jeweils 116 cm in drei Monaten statt in zwei Jahren in 3D zu drucken – eine Reduzierung der Vorlaufzeit um satte 87 Prozent.

Die Möglichkeiten des 3D-Metalldrucks gehen deutlich über kleine Komponenten hinaus und eröffnen die Möglichkeit, große Teile schneller und flexibler in 3D zu drucken.

7. Die Wiederverwendung von Metallpulver wirkt sich negativ auf die Materialeigenschaften eines Teils aus

Das letzte Missverständnis, das wir heute diskutieren werden, ist, dass die Wiederverwendung und das Recycling von Pulver in einem laserbasierten PBF-Prozess die Materialeigenschaften negativ beeinflusst und zu minderwertigen Teilen führt.

Bei PBF wird das ungeschmolzene Pulver nach Abschluss des Druckprozesses recycelt und dann in einem bestimmten Verhältnis mit neuem Pulver vermischt. Ingenieure, die dem Materialrecycling skeptisch gegenüberstehen, geben jedoch oft ein maximales Pulveralter an und verlangen von AM-Anbietern, alle alten Pulver zu entsorgen.

Doch mehrere Studien belegen, dass die Wiederverwendung und das Recycling von Pulver mit den richtigen Kontrollen nicht nur keine Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften, sondern ermöglicht auch laserbasiertes PBF, ein effizienteres und wirtschaftlicheres AM-Verfahren zu sein.

Der 3D-Druck-Dienstleister Stratasys Direct Manufacturing beispielsweise hat eingehend die Auswirkungen des Recyclings auf Teile untersucht, die aus Superlegierungen auf Nickelbasis hergestellt wurden. Durch die Messung verschiedener Parameter, wie Zug- und Streckgrenze von Teilen, die aus recyceltem Material 3D-gedruckt wurden, ergab die Untersuchung, dass das Recycling wenig bis gar keinen Einfluss auf die Raum- oder erhöhten Temperatureigenschaften von Inconel 718 und Inconel 625 hat.

In einer anderen Studie hat Renishaw, ein Hersteller von Metall-3D-Druckern, insgesamt 38 Builds mit einer recycelten Titanlegierung Ti6Al4V ELI (Extra Low Interstitial)-Pulver durchgeführt. Der pU kommt zu dem Schluss, dass die Veränderungen des Pulvers im Studienzeitraum nicht signifikant genug waren, um die Materialparametereinstellungen zu beeinflussen, und es keine Anhaltspunkte dafür gibt, dass eine Pulverentsorgung erforderlich wäre.

Missverständnisse über den 3D-Metalldruck überwinden 

Da der 3D-Metalldruck immer weiter reift, besteht eine der Möglichkeiten, die Technologie zum Mainstream zu machen, darin, die Menschen über die wahren Fähigkeiten und Grenzen der Technologie aufzuklären.

Letztendlich kann sich die Metall-AM-Industrie mit aktuellem Wissen auf dem Weg der Industrialisierung schneller bewegen und die Technologie für breitere Märkte und Anwendungen erschließen.