Die einzigartigen Herausforderungen und Lösungen im Metall-3D-Druck

Der Metall-3D-Druck ist nicht ohne praktische Herausforderungen und Chancen. Verschaffen Sie sich ein tieferes Verständnis dafür, wo Sie mit Hindernissen rechnen müssen – und wie Sie damit umgehen. Erfahren Sie außerdem mehr über neue Technologien, die die Richtung des Marktes verändern könnten.

Die Zukunft ist im Metall-3D-Druck angekommen – und der Einstiegspreis könnte für Gegenwind sorgen. Die großen Jungs der Fertigung sind ziemlich tief in diesem Bereich tätig – und sie brauchen möglicherweise die Hilfe eines kleineren Fachgeschäfts. Was braucht es, um 3D und Metal zusammen zu übernehmen? Neue technische Ansätze annehmen und sich an neue Materialien wie Metallpulver gewöhnen, für den Anfang.

SpaceX baut damit Schlüsselkomponenten. Ebenso die NASA, Boeing, Lockheed Martin und GE Aviation. Diese und andere Hersteller stellen 3D-gedruckte Metallteile her, die in Flugzeugen verwendet werden, die uns von Stadt zu Stadt tragen, in Raumfahrzeugen, die Astronauten in die erdnahe Umlaufbahn bringen, und in Raketen, die rote Tesla Roadster in den Asteroidengürtel bringen. Auch Medizinunternehmen steigen mit 3D-gedruckten Implantaten für Hüftprothesen und Schädelreparaturplatten für Unfallopfer in das Spiel der additiven Fertigung ein. Automobil- und Konsumgüter stehen ebenfalls Schlange.

Wenn Sie ein Subunternehmer eines dieser großen Luft- und Raumfahrtunternehmen sind, kennen Sie bereits die Herausforderungen, die mit dieser komplexen Technologie einhergehen. Obwohl es in unserem Leben nicht die traditionellen oder viele CNC-Bearbeitungs- und Fertigungsprozesse ersetzen wird, verändert es die Landschaft der verfügbaren Fertigungsoptionen.

Schauen Sie sich die Zahlen an:Der Marktforscher IDTechEx prognostiziert, dass der 3D-Metalldruck bis 2028 zu einer 12-Milliarden-Dollar-Industrie wachsen wird – gegenüber rund 2,5 Milliarden US-Dollar im Jahr 2018. Eine EY-Studie aus dem Jahr 2016 ergab, dass 52 Prozent der befragten Unternehmen Metall im 3D-Druck jedem anderen Material vorziehen . Auf das nächstliegende Material, Polymer, entfielen 31 % der Nachfrage – 6 % hofften, Keramik drucken zu können.

„Unternehmen wählen es [Metall], weil es das Bedrucken von Produkten aus Edelmetallen, Titan, Werkzeugstahl, Edelstahl und Aluminiumlegierungen ermöglicht“, sagt EY in dem Bericht. „Unter den Unternehmen, die bereits 3D-Metalldruck einsetzen, stehen Unternehmen aus zwei Branchen ganz oben auf der Liste:Luft- und Raumfahrt- und Automobilunternehmen. 65 Prozent dieser Unternehmen verwenden 3D-Metalldruck; Dieser hohe Anteil ist auf die große Anzahl von Metallkomponenten in Produkten aus diesen Bereichen zurückzuführen.“

Seien Sie bereit zu warten und 3D-gedruckte Metallteile und -komponenten zu reinigen

Bereiten Sie sich vor, bevor Sie in das 3D-Druckgeschäft einsteigen. Es mag offensichtlich klingen, aber der Bau von Teilen auf diese Weise ist nichts anderes, als einen Aluminiumblock herauszureißen oder eine Kobalt-Chrom-Welle zu drehen. Das Werkzeug ist ein Laser, das Material ein Haufen Metallpulver und die Vorrichtung eine flache Metallplatte. Laden Sie das Programm, drücken Sie den Zyklusstart – und Stunden oder Tage später ist Ihr Teil fertig. Fast.

Hier ist der Haken:Nicht nur die Baugeschwindigkeiten beim Metall-3D-Druck sind im Vergleich zur maschinellen Bearbeitung eisig langsam, sondern die Teile sind auch nicht unbedingt fertig, wenn sie bearbeitet werden, und sie sind auch nicht vollständig genau. Ob Sie es als direktes Metall-Lasersintern, Elektronenstrahlschmelzen oder selektives Laserschmelzen kennen, typische Toleranzen beim Pulverbettschmelzen liegen bei etwa +/- 0,005 Zoll mit einer Oberflächengüte, die mit einem Feinguss vergleichbar ist (Wert etwa 125 Ra, im besten Fall). ). Dies bedeutet, dass in der Regel eine maschinelle Bearbeitung erforderlich ist, um kritische Oberflächen, Bohrungen, geschnittene Gewinde und mehr zu reinigen.

Darüber hinaus erfordert das Pulverbettschmelzen Strukturen wie Gerüste, um das Werkstück während der Bearbeitung zu stützen. Das bedeutet, dass möglicherweise Schleifen, Perlstrahlen und zusätzliche maschinelle Bearbeitung erforderlich sind, um diese Stützen zu entfernen.

Möchten Sie einen grundlegenderen Hintergrund darüber, warum und wie 3D eine Wirkung erzielt hat? Sehen Sie sich „The Case for 3D Printing in Manufacturing“ an.

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Es ist heiß:3D-Druck-Stress auf Metallen

Auch thermische Belastungen sind zu berücksichtigen. Laser und Elektronenstrahlen erhitzen Titan-, Aluminium-, Edelstahl-, Kobalt-Chrom-, Werkzeugstahl- und Dutzende anderer Legierungspartikel auf ihre Schmelzpunkte, die 2.700 Grad überschreiten können. Sobald jede Schicht fertig ist, wird frisches Pulver hinzugefügt und der Prozess beginnt von neuem. Wie Sie sich vielleicht vorstellen können, erzeugt dieses wiederholte Erhitzen und Abkühlen enorme Spannungen, die während des Bauprozesses kontrolliert und dann nach dem Bau durch Wärmebehandlung getempert werden müssen.

Das ist viel zu bedenken und zu verwalten. Darüber hinaus müssen sich diejenigen, die eine 3D-Druckstrategie verfolgen, mit Skalierbarkeit, Modellierung, Schichtung und Simulation befassen.

Skalierbarkeit

Bis vor kurzem war der größte 3D-Metalldrucker kaum groß genug, um einen Toaster zu drucken. Heute können handelsübliche Maschinen Teile von der Größe eines Kanus bauen und 20 Pfund Metall pro Stunde ablagern. Welche Maschinengröße benötigen Sie, welche Technologie ist die beste und wie groß ist Ihr Budget? Sie können sich vorstellen, dass es 1 Million US-Dollar oder mehr kosten wird, die Lernkurve nicht mitgerechnet.

Modellierung

Eines der größten Hindernisse für additive Hersteller ist das Teiledesign. Ingenieure müssen lernen, anders zu denken, wenn sie mit dieser Technologie erfolgreich sein wollen – und das bedeutet, sich auf komplexe Geometrien und „organische Formen“ einzulassen, die zuvor nicht hergestellt werden konnten. Natürlich liegt es an den Maschinisten und Fertigungsingenieuren, herauszufinden, wie sie die ungewöhnlich geformten Teile befestigen können, die ihnen in den Weg kommen.

Schichtung

Sobald das Design genehmigt wurde, muss der Programmierer oder Bediener des 3D-Druckers die Stützstrukturen entwerfen und den besten Weg zum Positionieren und Bauen des Teils bestimmen. Die gute Nachricht ist, dass es viele Softwareprogramme gibt, die für diesen Zweck entwickelt wurden – und diese Aufgabe ist bei weitem nicht mehr so ​​schwierig wie früher.

Simulation

Das Bett ist mit Pulver gefüllt, die Bauplatte ist sauber und das Metall ist bereit zum Schmelzen. Bevor Sie auf den Knopf drücken, ist es jedoch wichtig, den Bauprozess mithilfe einer Softwaresimulation zu evaluieren. Dies hilft dabei, Bereiche zu identifizieren, in denen thermische Spannungen ihren hässlichen Kopf zeigen können, zu erkennen, wo Stützstrukturen erforderlich (oder unnötig) sind, und zu bestätigen, ob das vorhandene Teildesign für den 3D-Druck geeignet ist.

3D-gedrucktes Metall, Treffen Sie Ihren neuen Freund, Polymer

In der Welt des 3D-Metalldrucks ist das Pulverbettschmelzen an erster Stelle – zumindest vorerst. Mehrere neue Technologien dringen in das Gebiet des Pulverbetts vor, darunter thermische Spritz- und Extrusionsansätze, die niedrigere Kosten (im Bereich von 120.000 US-Dollar im Vergleich zu 500.000 US-Dollar und mehr), größere Genauigkeit und viel schnellere Baugeschwindigkeiten versprechen. Einer davon funktioniert ähnlich wie ein Tintenstrahldrucker, außer dass die „Tinte“ aus Metallpulver besteht, das mit einem Polymerbindemittel vermischt ist.

Das Teil wird in einem „grünen“ Zustand aufgebaut, bevor es zum Sintern in einen Ofen gelegt wird, was sich etwas vom jahrzehntealten Metallspritzgussverfahren unterscheidet. Da es das gleiche Metallpulver verwendet, wird es bei weitem nicht so intensiv metallurgisch geprüft wie andere Additivpulver. Und wie alle Metall-3D-Drucktechnologien produziert es vollständig dichte Teile.

Ähnlich wie bei der „Binder-Jet“-Technologie, die in einigen neueren Polymerdruckern verwendet wird, sind die Baugeschwindigkeiten Berichten zufolge 10- bis 100-mal schneller als bei der Konkurrenz. Die Maschinenkosten liegen bei einem Bruchteil derjenigen von Pulverbett- oder Hybrid-Werkzeugmaschinen. Stützstrukturen sind kaum erforderlich, und die verwendeten können nach dem Sintern leicht entfernt werden. Und da es kein Laserlicht gibt – nur UV zum Aushärten des Bindematerials – und das Metall in druckerfreundlichen Kartuschen geliefert wird, mit denen jeder Büroangestellte vertraut wäre, gibt es weitaus weniger Gesundheits- und Sicherheitsbedenken.

„Die Einführung des 3D-Metalldrucks für die Herstellung von Endverbrauchsteilen war ein Schritt, den einige Bearbeitungsunternehmen unternommen haben, aber es war nicht etwas, was Geschäfte überall tun konnten“, bemerkt Peter Zelinski, Chefredakteur von Modern Machine Shop, in der Artikel „Die Ankunft von Low-Cost Metal AM?“ „Jetzt könnte der kostengünstigere 3D-Metalldruck bedeuten, dass Geschäfte routinemäßig sowohl additive als auch subtraktive Verfahren für Metallteile einsetzen. Und es könnte auch bedeuten, dass sich das Angebot an additivierbaren Metallteilen im Begriff befindet, erweitert zu werden.“

Haben Sie Erfahrung mit Metall-3D-Druck oder anderen additiven Fertigungsverfahren? Wie war es für dich und deinen Shop?