Der Metall-3D-Druck entwickelt sich schnell weiter – wie man neue Technologien sicher nutzt

Was ist Metall-3D-Druck?

Zunächst die Grundlagen:Es gibt mehrere Methoden der additiven Metallfertigung, darunter das weiter verbreitete DMLS (direktes Metall-Laser-Sintern) sowie das neuere beliebte Verfahren des Metall-Binder-Jetting. Bei DMLS wird Metallpulver Schicht für Schicht direkt durch einen Laser geschmolzen (oder gesintert), um Teile herzustellen. Metall-Binder-Jetting-Schichten haften jedoch in einer Schale mit Metallpulver, sodass gedruckte Teile nach der Fertigstellung aus dem Rohmaterial gesiebt werden können, ohne dass Stützstrukturen entfernt werden müssen. Von hier aus können Teile gebrannt und gesintert oder mit einem Metall (z. B. Bronze) infundiert werden, um ihre endgültige Form zu erreichen. Dies ermöglicht eine größere Massenproduktion von Metallteilen, sobald die anfängliche Designoptimierung abgeschlossen ist.

Wie sich die additive Metallfertigung weiterentwickelt

Die Unterbrechungen der Lieferkette in den letzten Jahren haben die Beliebtheit eines bereits schnell wachsenden Bereichs, insbesondere für Medizin- und Luft- und Raumfahrtunternehmen, drastisch erhöht. Prognosen von Deloitte und PwC für 2018 und 2019 gingen davon aus, dass der 3D-Druck weiterhin an Popularität gewinnen würde, unter anderem weil Metall und andere nichtplastische Materialien für den Einsatz im 3D-Druck verfügbar werden. PwC prognostizierte insbesondere das Wachstum einer gesamten Lieferkette für die additive Fertigung von Metallen, einschließlich Unternehmen, die die Drucker und Software selbst herstellen, Druckmateriallieferanten und Dienstleistungsunternehmen. Dies hat in Nischenmärkten Früchte getragen, da immer mehr Technologien als Ergänzung zum 3D-Metalldruck angeboten werden, ein Zeichen für die Reife des Sektors.

Während der Metall-3D-Druck zunächst auf riesige industrielle DMLS-Drucker beschränkt war, hat er sich zu komplexeren und kleineren Maschinen entwickelt, die eine größere Produktionsvielfalt ermöglichen. Immer mehr kleine 3D-Metalldrucker, darunter auch Metall-Binder-Jetting-Modelle, kommen auf den Markt. Diese nehmen weniger Platz in einer Fabrikhalle ein und kosten weitaus weniger, wodurch die Eintrittsbarriere für Unternehmen, die mit der additiven Fertigung von Metallen beginnen möchten, abgebaut wird. Gleichzeitig entwickeln Hersteller größerer Industriedrucker größere Druckbetten, um mehr Teile pro Druck herstellen zu können. Außerdem werden immer mehr Laser in große DMLS-Drucker eingebaut, was die Geschwindigkeit und Konsistenz eines Drucks erhöht und so die Vorhersage erleichtert.

Auch die Vorhersage der Ergebnisse der additiven Metallfertigung wird immer einfacher. Während der Benutzer ursprünglich nur durch Drucken sehen konnte, wie das Teil aussehen würde, verfügen neuere Drucker über eine bessere Software, um Designergebnisse vorherzusagen. Konzepte wie digitale Zwillinge, die simulieren, wie ein 3D-gedrucktes Teil aussehen wird, bevor der Druck überhaupt beginnt, helfen auch dabei, zu verhindern, dass sich im weiteren Verlauf Fehler einschleichen. Eines Tages werden diese Zwillinge auch in der Lage sein, über mehrere Programme und Maschinen hinweg zu arbeiten, während ein Teil zahlreiche Herstellungsprozesse durchläuft.

Metallisches Material selbst wird für die additive Fertigung zunehmend verfügbar. Es wurde vorhergesagt, dass die Kosten für Metallfilamente und -pulver sinken werden. Darüber hinaus sind einige Drucker auf den Markt gekommen, die polymerverkapseltes Metallspritzgussmaterial verwenden, das kostengünstiger ist als herkömmliche 3D-Druckmetalle. Gleichzeitig zeigen Unternehmen bereits ein wachsendes Interesse an Hochleistungsmetallen wie Refraktärmetallen wie Wolfram. In Zukunft werden mehr Hochleistungsmetalle für industrielle Anwendungen verfügbar sein, darunter auch Legierungen mit hoher Entropie. Kunststoffe für die additive Fertigung entwickeln sich jedoch weiter und könnten aufgrund einiger Eigenschaften schließlich Metalle als günstigere Alternative zu teuren und seltenen Legierungen ersetzen.

Vorteile des 3D-Metalldrucks

Warum gewinnt die additive Metallfertigung so stark an Bedeutung? Wie Sie im nächsten Abschnitt sehen werden, finden verschiedene Branchen unterschiedliche Aspekte darin wertvoll. Im Allgemeinen ermöglicht diese neuere Produktionsmethode jedoch Folgendes:

• effiziente Energie- und Materialnutzung
• On-Demand-Erstellung eines Teils am Einsatzort
• verkürzte Lieferketten
• mehr Freiheit im Design
• weniger Setup als bei jeder anderen Art der Fertigung (dazu gehören höhere Flexibilität und geringere Kosten als bei mehreren Werkzeugsätzen).

Anwendungen der additiven Metallfertigung

Der Metall-3D-Druck erfreut sich in Märkten, in denen kurze Zeitpläne wichtig sind und in denen viele teure Metalle zur Herstellung kleiner Teile verwendet werden, größter Beliebtheit. Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsunternehmen gehörten zu den ersten, die den 3D-Metalldruck einführten, dicht gefolgt von der Medizin- und Dentalindustrie. Diese Branchen haben den Metall-3D-Druck zuerst eingeführt, weil er die Faktoren berücksichtigt, die dazu führen, dass Standardteile in diesen Sektoren mehr kosten als in anderen Sektoren.

Luft- und Raumfahrtteile sind aus mehreren Gründen in der Vergangenheit teuer, darunter die verwendeten seltenen Materialien, die Notwendigkeit kurzer Vorlaufzeiten und die besondere Präzision, die erforderlich ist, um sicherzustellen, dass sie den Spezifikationen entsprechen. Außerdem müssen sie möglichst leicht sein. Die additive Metallfertigung berücksichtigt all diese Faktoren auf kostengünstigere Weise als herkömmliche Fertigungsverfahren. Ein 3D-gedrucktes Metallteil kann bis zu 70 % weniger wiegen als das identische Teil, das mit anderen Methoden hergestellt wurde. Da ein Drucker nur das Material verwendet, das er benötigt, wird der Abfall teurer Materialien wie Titan und Nickellegierungen im Vergleich zu subtraktiven Herstellungsverfahren auf ein Minimum reduziert. Gleichzeitig werden die ohnehin schon knappen Vorlaufzeiten für Produkte wie Turbinen für Strahltriebwerke verkürzt und eine höhere Genauigkeit ist mit weniger Aufwand (und damit Kosten) möglich. Darüber hinaus können komplexe Systeme in der Luft- und Raumfahrt durch den 3D-Druck einfacher umgestaltet, vereinfacht und getestet werden, da durch Drucken die Anzahl der erforderlichen Komponenten reduziert und die Zeit für die Erstellung eines komplexen Prototypsystems verkürzt werden kann.

Auch Medizin- und Dentalhersteller nutzen den 3D-Druck wegen seiner Fähigkeit, präzise, leichte Teile mit kurzen Vorlaufzeiten herzustellen. Allerdings müssen diese Bereiche auch ein hohes Maß an Individualisierung zu geringeren Kosten erreichen, was für Produkte wie künstliche Hüftgelenke und Zahnimplantate erforderlich ist.

Darüber hinaus nutzen Automobilunternehmen in begrenztem Umfang die additive Metallfertigung für hochwertige Teile. Wie in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungsbereich ermöglicht das Drucken in Metall Automobilunternehmen eine einfachere Neugestaltung von Systemen zur Leistungssteigerung. Es ermöglicht auch eine Gewichtsreduzierung der Metallkomponenten, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, und die Herstellung spezieller Ersatzteile für den Ersatzteilmarkt. Allerdings sind die meisten Automobilteile günstiger als Teile aus der Luft- und Raumfahrt oder der Medizintechnik, und die additive Fertigung muss noch mit der Geschwindigkeit anderer Verfahren mithalten, sodass der 3D-Druck für diese Hersteller nur in bestimmten Situationen geeignet ist.

Zukünftig könnten auch Branchen wie der Bergbau sowie die Öl- und Gasindustrie den Metall-3D-Druck übernehmen, da dieses Verfahren die Liefergeschwindigkeit verbessern kann, ein wesentlicher Faktor für diese Bereiche. Einem Bericht zufolge denken 83 % der Öl- und Gasunternehmen über die Einführung des 3D-Drucks oder der On-Demand-Fertigung von Ersatzteilen nach.

Beispiele für die additive Metallfertigung

Wie sieht das konkret aus? In der Luft- und Raumfahrt haben NASA und SpaceX die additive Metallfertigung zur Herstellung von Raumschiffteilen eingesetzt. Die NASA nutzte diese Technik, um eine Turbopumpe für Raketentriebwerke zu entwickeln, die 45 % weniger Teile enthielt. Im Fall von SpaceX gelangten 3D-gedruckte Teile in die Brennkammer des SuperDraco-Schiffsmotors.

Auch im medizinischen Bereich gibt es Beispiele für die additive Metallfertigung. Bis 2016 hatte die FDA 3D-gedruckte Metallimplantate für medizinische Eingriffe zugelassen und sie werden seitdem nicht nur für Hüftimplantate, sondern auch für einen maßgeschneiderten künstlichen Brustkorb und ein Schädelimplantat verwendet. Xometry hat durch seinen 3D-Druck und andere Fertigungsdienstleistungen zum Bau neuer Prototypen chirurgischer Roboter beigetragen und medizinisch validierte Teile geschaffen.

Es gibt einige bemerkenswerte Beispiele dafür, dass andere Unternehmen diese Technologie übernehmen; Ford hat kürzlich einen autonomen Roboter installiert, um Drucker zu steuern, die Endverbrauchsteile herstellen, und so die Druckproduktion steigern zu können. Mittlerweile hat Volkswagen in seinem Stammwerk in Deutschland den Binder-Jet-Druck eingeführt. Mehrere Öl- und Gaslieferanten experimentieren ebenfalls mit dem Metall-3D-Druck oder implementieren diesen, darunter PGV, das Teile wie Werkzeugleisten und Kolben so auf Abruf druckt, dass die Vorlaufzeiten um 50–80 % und der physische Lagerbestand um 50 % reduziert werden konnten.

Nachteile der additiven Metallfertigung

Um sich in weiteren Branchen durchzusetzen, muss der Metall-3D-Druck noch einige Hürden überwinden. Bei beiden Druckarten ist die Anzahl der Teile, die gleichzeitig gedruckt werden können, durch die Größe der Bauplatte begrenzt. Bei DMLS ist die Nachbearbeitung zum Entfernen von Stützstrukturen zeitaufwändig und verursacht zusätzliche Kosten. Beim Binder Jetting gibt es keine Stützstrukturen, was eine schnellere Produktion in größeren Chargen ermöglicht. Allerdings hat keine der beiden Methoden bisher die Geschwindigkeit und Leistung traditionellerer Herstellungsverfahren wie Stanzen oder Schmieden erreicht. Aus diesem Grund ist es wichtig, sorgfältig auszuwählen, welche Teile mit dieser Methode hergestellt werden sollen, um sicherzustellen, dass sie einen wirtschaftlichen Nutzen bringt.

Obwohl der Metall-3D-Druck verschiedene Vorteile bietet, ist seine Umsetzung nur unter bestimmten Umständen sinnvoll. Es ist wichtig zu prüfen, ob Ihr Unternehmen von der Verwendung dieses Herstellungsprozesses profitiert und zweitens, ob Sie den Prozess auslagern oder intern verlagern sollten.

Jedes Unternehmen kann mit der Verwendung von 3D-gedruckten Teilen beginnen, aber diejenigen, die nicht in der Lage sind, vorab in die Ausrüstung und die unterstützenden Prozesse zu investieren, nutzen häufig Additivhersteller Dritter, um Teile herstellen zu lassen. Unternehmen, die eigene additive Fertigungsanlagen einrichten möchten, müssen zusätzliche Ausrüstung und Schulungen für DMLS-Drucker (z. B. zum Entfernen von Stützstrukturen und DMLA-Sicherheitsverfahren) und Binder-Jet-Drucker (z. B. Backen und Sintern oder Infusionieren der gedruckten Teile) berücksichtigen.

Um festzustellen, ob sich der 3D-Druck lohnt, fragen Sie sich:

• Welche Teile, die Sie derzeit produzieren, profitieren vom 3D-Druck?
• Was wird der Kostenvorteil sein?
• Welche Auswirkungen wird der 3D-Druck auf Ihre Geschäftsstrategie haben?
• Welche Auswirkungen wird dieser Prozess auf Ihre Lieferketten haben?
• Welche regulatorischen Überlegungen müssen Sie berücksichtigen?

Jedes Unternehmen, das mit der additiven Fertigung beginnen möchte, sollte zunächst ein Team zusammenstellen, das mit Personen in verschiedenen Abteilungen spricht, damit Sie wissen, wer die Beteiligten sind und welche Teile zuerst 3D-gedruckt werden sollten. Wenn Sie entschieden haben, dass Ihr Unternehmen mit der Einbindung des 3D-Drucks weitermachen kann, müssen Sie weitere Entscheidungen darüber treffen, ob Sie einen 3D-Druckhersteller beauftragen oder diesen Prozess in Ihrem eigenen Unternehmen einführen möchten.

Unternehmen, die in die Vorabkosten für den 3D-Druck investieren, werden feststellen, dass sie auf lange Sicht Geld sparen und mehr Kontrolle über den Prozess haben. Obwohl ein guter Hersteller von Zusatzstoffen geistiges Eigentum und Cybersicherheit bietet, könnte diese zusätzliche Kontrolle für Unternehmen interessant sein, die die Weitergabe von Informationen vermeiden möchten. Unternehmen, die in Eigenregie fertigen möchten, sollten sich überlegen, ob sie ihre Produktion an einem Standort zentralisieren oder an mehreren Standorten verteilen. Viele Unternehmen, die sich dafür entscheiden, den 3D-Druck intern zu übernehmen, beginnen auch mit externen Additivherstellern, um sich über die Möglichkeiten beraten zu lassen und Wissen an ihre eigenen Mitarbeiter weiterzugeben, bevor sie ihre eigenen Drucker einrichten. 

Zu den Unternehmen, die möglicherweise stärker von einem dauerhaften Outsourcing profitieren, gehören diejenigen, die nicht über das Budget für die Vorabkosten für den Kauf und die Einrichtung der gesamten erforderlichen Ausrüstung und Schulung verfügen. Darüber hinaus profitieren auch Unternehmen, die eine Kleinserienproduktion anstreben oder einfach nur mit kleinen Produktserien experimentieren möchten. Wenn schließlich Teile getestet oder analysiert werden müssen, kann es einfacher sein, mit einem Additivhersteller zusammenzuarbeiten, der dies für Sie erledigen kann. Jedes Unternehmen, das den 3D-Druck auslagern möchte, sollte entscheiden, ob die 3D-gedruckten Teile von OEMs, Tier-1-Lieferanten oder anderen stammen.

So entwerfen Sie für den 3D-Druck in Metall

Unabhängig davon, ob Sie neue Teile für den 3D-Druck entwerfen oder Teile erstellen, die Sie bereits in einem Herstellungsprozess produzieren, ist es wichtig, Teile speziell für den Druckprozess zu entwerfen, anstatt Entwürfe aus anderen Prozessen zu übernehmen. Andernfalls sind gedruckte Teile im besten Fall teurer und im schlimmsten Fall nicht so leistungsfähig wie die gleichen Teile, die mit anderen Verfahren hergestellt wurden.

Weitere Details zum Design für den 3D-Druck finden Sie in unseren ausführlichen Leitfäden zum Metall-Binder-Jetting-Design, zum DMLS-Design und zum allgemeinen 3D-Druckdesign. Kurz gesagt, es gibt jedoch einige Punkte, die Sie beachten sollten:

• Die Wandstärke sollte bei selbsttragenden Elementen mindestens 0,7 mm (0,024 Zoll) und bei nicht unterstützten oder tragenden Elementen mindestens 1,2 mm (0,048 Zoll) betragen. Auch die Wandstärke sollte gleichmäßig bleiben.
• Halten Sie einen Abstand von mindestens 0,5 mm (0,020 Zoll) zwischen den Teilmerkmalen ein.
• Beseitigen Sie begrenzte Hohlräume im Teiledesign, da dort eingeschlossenes Material oder Stützstrukturen zurückbleiben und Material blockieren können, das während der Nachbearbeitung entfernt werden muss.
• Abgerundete Ecken, um Spannungspunkte zu reduzieren und die Leistung des Teils über seine Lebensdauer zu erhöhen.
• Seien Sie vorsichtig mit Auslegern, da diese bei 3D-gedruckten Teilen, insbesondere bei großen und schweren Teilen, empfindlich sind.

Der Metall-3D-Druckservice von Xometry

Mit Entwicklungen im Metalldruck, die von neuen Druckern über Materialien bis hin zu Software reichen, bietet dieser Bereich spannende Möglichkeiten für Produktion und Lieferketten, unabhängig von der Unternehmensgröße. Es muss jedoch unbedingt sichergestellt werden, dass dieser Prozess auf Schwachstellen angewendet wird, die mit anderen Herstellungsmethoden nicht behoben werden können. Wenn Sie die additive Metallfertigung als Lösung für Ihr Unternehmen sehen, können wir Ihnen helfen. Schauen Sie sich unsere Leistungsseite zum 3D-Metalldruck an, um zu erfahren, wie wir Ihnen helfen können, oder springen Sie direkt zu unserer Sofortangebotsseite, um KI-gestützte Vorschläge für die beste Art und Weise zur Herstellung Ihrer Produkte zu erhalten. Sobald Sie Ihre Unterlagen und Anforderungen eingereicht haben, erhalten Sie innerhalb einer Minute ein Angebot und eine Lieferzeit. 

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Dean McClements

Dean McClements hat einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau mit Auszeichnung und über zwei Jahrzehnte Erfahrung in der Fertigungsindustrie. Sein beruflicher Werdegang umfasst wichtige Positionen bei führenden Unternehmen wie Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace und Hyster-Yale, wo er ein tiefes Verständnis für technische Prozesse und Innovationen entwickelte.

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