Metall-Additive Fertigung: Wichtige Einblicke für die moderne Produktion

Additive Fertigung hat die Fertigungsindustrie seit ihrer kommerziellen Einführung Ende des 20. Jahrhunderts transformiert. Während additive Prozesse die Branche weiter im Sturm erobern, rücken Metal AM und seine zahlreichen Anwendungen für die Produktion in den Fokus.

Getrieben durch neue Metal-AM-Maschinen mit offenen Materialplattformen und höheren Druckgeschwindigkeiten boomt der Absatz von Metal-AM-Systemen – das Segment wird bis 2024 ein Umsatzpotenzial von fast 4 Milliarden Dollar erwartet. Während Fortschritte in der metallischen additiven Fertigung voranschreiten, ist es wichtig, die Vorteile von Metal AM und die verändernden Anwendungen zu kennen.

Schnellzugriff:

• Geschichte der metallischen additiven Fertigung
• Metal Additive Manufacturing / 3D-Druck-Prozesse
• Metall-Additive-Fertigungs-Techniken
• Vorteile der Metal-AM-Technologie
• Additive Fertigung in Ihrer kalifornischen Fertigung mit CMTC nutzen

Geschichte der metallischen additiven Fertigung

Der additive Fertigungsprozess wurzelt in den mittleren 1980ern, als schnellere Produktentwicklungsmethoden eingeführt wurden. Ursprünglich Rapid Prototyping genannt, konnte der Prozess dimensionsstabile Modelle für schnellere Prototypen zur Pass- und Funktionstests erstellen.

1987 wurde Stereolithografie (SLA), ein neues Kunststoffverfahren, kommerzialisiert – das erste Patent in der additiven Fertigung. Mit SLA konnten Hersteller UV-lichtempfindliche Flüssigpolymere mit Laser verfestigen und 3D-Modelle schneller als je zuvor produzieren. Dieser Meilenstein bot Herstellern, Ingenieuren und Designern neue Möglichkeiten für effizientere Produktentwicklung.

Anfang der 1990er wurden weitere polymerbasierte additive Verfahren kommerziell verfügbar. 1992 kam Selective Laser Sintering (SLS), das Pulvermaterialien per Laser zu Festkörpern verschmilzt. Kurz darauf wurde metallische additive Fertigung patentiert und marktreif. Wie andere additive Verfahren ermöglichte diese Technologie schnelle Herstellung von Metallprototypen, -produkten und -werkzeugen. Während die Einführung metallischer additiver Prozesse die Fertigung von Metallteilen durch Sintern des gewählten Metallpulvers ermöglichte, waren die Endergebnisse eher mit Verbundwerkstoffen als mit Legierungen vergleichbar, da Materialien mit niedrigen Schmelzpunkten nun mit hochfesten Metallen wie Edelstahl kombiniert werden konnten.

Metall-Additive Fertigung & 3D-Druck-Prozesse

Der additive Fertigungsprozess erzeugt Objekte durch schichtweises Hinzufügen von Material – Metall, Kunststoff oder Keramik. Additive Fertigung kann traditionelle subtraktive Verfahren (Zerspanen, Schneiden, Drehen, Formen, Fräsen) ergänzen oder ersetzen.

Für die Objekterstellung per additiver Fertigung wird ein Design per CAD-Software (Computer-Aided Design) erstellt oder ein Scan des zu druckenden Objekts gemacht. Die Software übersetzt den Scan in ein präzises Framework für die 3D-Druckmaschine, die Schicht für Schicht folgt.

Metall-Additive Fertigung, auch Metall-3D-Druck genannt, wendet den additiven Prozess ausschließlich auf Metalle an. Durch Schichten von Metallpulvern, entweder mit Energiequelle oder Bindemittel, können präzise Objekte entworfen und konstruiert werden. Durch Fortschritte bei additiven Fertigungsmaschinen können Objekte hergestellt werden, die vor wenigen Jahren unmöglich waren – mit neuen Festigkeitsstandards und Materialvielfalt.

Die Palette verfügbarer Metallpulver für additive Techniken expandiert ständig. Häufigste Materialien: Edelstahlsorten, Nickel, Kobalt-Chrom, Titanlegierungen, Aluminium. Diese wachsende Materialvielfalt ermöglicht dem Hersteller, das richtige Material für exakte Spezifikationen und Erwartungen zu wählen.

Metall-Additive-Fertigungs-Techniken

Metall-additive Verfahren lassen sich nach dem Prozess klassifizieren, der das Metall verbindet: Bindemittel, beheizte Düse oder Laser. Hier die gängigsten Techniken. Je nach Verfahren kann das gedruckte Teil Net-Shape oder Near-Net-Shape sein.

Laserbasiertes Pulverbett-Additivverfahren

Pulverbettfusion (PBF) nutzt Laser oder Elektronenstrahl zum Schmelzen und Verschmelzen des Metallpulvers zu Festkörpern. Dazu gehören: Elektronenstrahlschmelzen (EBM), Direct Metal Laser Sintering (DMLS), Selective Heat Sintering (SHS), Selective Laser Melting (SLM). Selective Laser Sintering (SLS) nutzt Laser als Energiequelle zum Sintern von Pulvermaterialien, wobei Polymere statt Metallen üblich sind.

Alle laserbasierten Pulverbettverfahren erfordern das Auftragen des Metallpulvers auf vorangegangene Schichten – per Walze oder Klinge. Häufigste Metalle: Edelstahl, Titan, Aluminium, Stahl, Kobalt-Chrom, Kupfer.

Metall-Binder-Jetting

Dieses Verfahren ähnelt einem 2D-Tintenstrahldrucker. Metallpulver wird auf eine Bauplattform gejetet – kontinuierlich oder Drop-on-Demand (DOD). Ein flüssiges Bindemittel verbindet das Pulver Schicht für Schicht zum gewünschten Objekt. Frisch gedruckte Teile sind zunächst fragil und benötigen Nachbehandlung (Sintern und Infiltration) zur Festigung. Optional kann eine Endbearbeitung folgen: Polieren oder Beschichten mit Nickel oder Gold.

Einzigartiger Vorteil: Kein Schmelzen von Metallpulvern, somit keine residualen Spannungen. Auch eines der kostengünstigsten metallischen additiven Verfahren.

Schichtlaminierung

Materialschichten werden schichtweise durch Kleben, Ultraschallschweißen oder Löten verbunden. Niedrigtemperaturprozess, kann unterschiedliche Materialien verbinden. Typischerweise für visuelle/ästhetische Modelle, weniger für strukturelle Nutzung.

Directed Energy Deposition (DED)

Komplexerer 3D-Druckprozess: Eine fokussierte Energiequelle (Laser oder Elektronenstrahl) schmilzt das Baumaterial, während es gleichzeitig schichtweise aufgetragen wird. Häufig für Reparaturen oder Materialauftrag auf bestehenden Strukturen. DED nutzt eine beheizte Düse zum Auftragen geschmolzenen Materials – typischerweise Titan oder Kobalt-Chrom – auf die Zieloberfläche, wo es erstarrt.

Vorteile der Metal-AM-Technologie

In den letzten Jahrzehnten hatten additive Fertigungstechnologien revolutionären Einfluss auf den Fertigungssektor. Die Fähigkeit, Baugruppen zu konsolidieren – ein Teil als einzelne Einheit drucken statt mehrerer Teile, die gefügt oder befestigt werden müssen – reduziert Materialverschwendung und verbessert typischerweise Gesamtqualität und -leistung. Neben diesem Vorteil bietet Metal AM einzigartige Benefits:

Komplexität ist „kostenlos“

Bei traditionellen subtraktiven Verfahren führt erhöhte Komplexität zu steigenden Kosten – mehr Fräs-, Kontur- und Endbearbeitungsschritte. Bei Additive fügt Komplexität kaum Kosten hinzu und reduziert oft die Teilkosten. Beispiel: Ein prismatisches Teil (massiver Quader) – Fräsen aus Near-Net-Shape-Billet ist einfach, wenige Fräsdurchgänge, niedrige Kosten. Additiver Druck erfordert viele Durchgänge zum Materialauftrag – höhere Kosten. Bei organischer Form (z. B. Strebe wie Wurzelwerk) erfordert Fräsen wahrscheinlich spezielle Spannvorrichtungen, viele Durchgänge, Werkzeugwechsel, aufwendige Bahnprogrammierung – hohe Kosten. Additiver Druck: Bahn wird per Software automatisch erstellt, Durchgänge und Materialauftrag stark reduziert – niedrigere Kosten.

Zusatzkosten eliminieren

Metall-additive Verfahren reduzieren Materialverschwendung vs. traditionelle Methoden. Da Rohmaterial präzise Schicht für Schicht aufgebaut wird, entfällt das Abfräsen/Abschneiden vom Festkörper. Nur benötigtes Material wird genau dort platziert, wo es gebraucht wird – ressourceneffizient.

Zusätzlich entfallen teure Werkzeuge, was Geld und Zeit spart. Durch Wahl des richtigen Metal-AM-Prozesses Zugang zu vielfältigen Materialien für spezifische Produktionsanforderungen.

Breite Materialpalette

Materialeigenschaften und -leistung werden durch chemische Zusammensetzung, kristallinen Zustand, Mikroarchitektur bestimmt. Diese Eigenschaften zwangen Ingenieure zu Kompromissen bei der Materialwahl. Durch Fortschritte im 3D-Druck könnte dies bald Vergangenheit sein.

Früher auf Metal-AM-Materialien beschränkt, gibt es nun zunehmend mehr Metallpulver. Häufige Materialien:

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

Mit Fortschritten in der additiven Fertigung wird die Liste nutzbarer Metallpulver weiter wachsen.

Verbesserte Designfähigkeiten & Topologieoptimierung

Mit Metal AM können einzigartige, komplexe Strukturen erstellt werden, die sonst zusätzlichen Zeit und Teile erfordert hätten. Durch Baugruppenkonsolidierung entstehen Objekte als einzelne Einheit für größere Festigkeit und Effizienz statt mehrerer Teile, die nachträglich gefügt werden müssen.

Zudem ermöglichen Fortschritte im automatisierten Design Produktion für vielfältige Anwendungen. Topologieoptimierungs-Software lässt Designer Parameter eines Teils festlegen und die Software die Architektur basierend auf gewünschten strukturellen, funktionalen, thermischen oder anderen Eigenschaften definieren. Ergebnisse: Designs, die stärker, leichter, zäher, widerstandsfähiger gegen natürliche Kräfte und externe Bedingungen sind.

Reduktion der Produktionszeit

Bekannter Vorteil: Zeit von Design bis Endproduktion verkürzt sich vs. traditionelle Zerspanung. Da nach 3D-Druck kaum spezifische Bearbeitung und Werkzeuge nötig sind, erstellt Metal AM Teile in Tagen statt Wochen.

Additive Fertigung in Ihrer kalifornischen Fertigung mit CMTC nutzen

Klingt Metal Additive Manufacturing nach Technologie für Ihr Unternehmen? Wie bei jeder neuen Technologie gibt es eine Lernkurve. In unserem Leitfaden „Types of Metal Additive Manufacturing Processes“ tauchen wir tief in alle oben genannten Prozesse, Materialien, Vor- und Nachteile ein.

Bleiben Sie informiert und up-to-date mit der Branche – laden Sie den kostenlosen Leitfaden herunter. Bei weiteren Fragen zu additiver Fertigung: Kontaktieren Sie die CMTC-Experten. Wir helfen gerne!