Metall-3D-Druck: Wichtige Herausforderungen meistern & neue Lösungen nutzen

Metall-3D-Druck birgt praktische Herausforderungen und Chancen. Erfahren Sie, wo Stolpersteine lauern – und wie Sie ihnen begegnen. Zudem stellen wir neue Technologien vor, die den Markt verändern könnten.

Die Zukunft ist im Metall-3D-Druck angekommen – doch der Einstiegspreis könnte Gegenwind erzeugen. Große Fertigungsunternehmen sind tief in diesem Bereich engagiert – und benötigen möglicherweise die Unterstützung kleinerer Spezialbetriebe. Was braucht es, um 3D-Druck und Metall zu verbinden? Neue ingenieurtechnische Ansätze und der Umgang mit neuen Materialien wie Metallpulvern sind der Anfang.

SpaceX fertigt damit Schlüsselteile. Ebenso NASA, Boeing, Lockheed Martin und GE Aviation. Diese und andere Hersteller nutzen 3D-gedruckte Metallteile für Flugzeuge, Raumschiffe und Raketen – sogar für den roten Tesla Roadster im Asteroidengürtel. Medizinunternehmen setzen auf additive Fertigung für 3D-gedruckte Hüftimplantate und Schädelreparaturplatten. Auch Automobil- und Konsumgüterindustrie ziehen nach.

Wenn Sie Zulieferer für einen dieser großen Luftfahrtkonzerne sind, kennen Sie die Herausforderungen dieser komplexen Technologie. Obwohl sie traditionelle oder viele CNC-Bearbeitungs- und Fertigungsprozesse in absehbarer Zeit nicht ersetzen wird, verändert sie die Landschaft der verfügbaren Fertigungsoptionen.

Betrachten Sie die Zahlen: Marktforscher IDTechEx prognostiziert, dass der 3D-Metalldruck bis 2028 zu einer 12-Milliarden-Dollar-Industrie wächst – von rund 2,5 Milliarden Dollar 2018. Eine EY-Studie 2016 ergab, dass 52 % der befragten Unternehmen Metall im 3D-Druck gegenüber allen anderen Materialien bevorzugen. Der nächstplatzierte Werkstoff, Polymer, erreichte 31 % der Nachfrage – 6 % zielten auf Keramik.

„Unternehmen wählen Metall, weil es den Druck aus Edelmetallen, Titan, Werkzeugstahl, rostfreiem Stahl und Aluminiumlegierungen ermöglicht“, heißt es im EY-Bericht. „Unter den Unternehmen, die bereits Metall-3D-Druck nutzen, führen zwei Branchen: Luft- und Raumfahrt sowie Automobil. 65 % dieser Unternehmen setzen Metall-3D-Druck ein – bedingt durch die enorme Anzahl an Metallkomponenten in ihren Produkten.“

Bereiten Sie sich auf Wartezeiten und Nachbearbeitung bei 3D-gedruckten Metallteilen vor

Bevor Sie in den 3D-Druck einsteigen, sollten Sie vorbereitet sein. Es mag offensichtlich klingen, aber das Bauen von Teilen auf diesem Weg unterscheidet sich grundlegend vom Ausfräsen eines Aluminiumblocks oder Drehen einer Kobalt-Chrom-Welle. Das Werkzeug ist ein Laser, das Material ein Haufen Metallpulver, die Aufspannung eine flache Metallplatte. Programm laden, Zyklusstart – und Stunden oder Tage später ist das Teil fertig. Fast.

Hier liegt das Problem: Nicht nur sind die Baugeschwindigkeiten beim Metall-3D-Druck im Vergleich zur Zerspanung extrem langsam, sondern die Teile sind nach dem Druck nicht unbedingt fertig, noch vollständig präzise. Ob Direct Metal Laser Sintering (DMLS), Elektronenstrahlschmelzen (EBM) oder Selektives Laserschmelzen (SLM) – typische Toleranzen beim Pulverbettverfahren liegen bei ca. ±0,005 Zoll (ca. 0,127 mm) mit einer Oberflächenrauheit vergleichbar mit Feinguss (ca. 125 Ra im Bestfall). Das bedeutet, Zerspanung ist meist nötig, um kritische Oberflächen nachzubearbeiten, Bohrungen zu fertigen, Gewinde zu schneiden u. v. m.

Zudem erfordert Pulverbettfusion Stützstrukturen wie Gerüste, um das Werkstück während des Prozesses zu halten. Das Entfernen dieser Stützen erfordert Schleifen, Strahlen und weitere Zerspanungsschritte.

Möchten Sie einen grundlegenden Hintergrund, warum und wie 3D-Druck Auswirkungen hat? Lesen Sie „The Case for 3D Printing in Manufacturing.“

Ihre Meinung? Diskutieren Sie mit Kollegen im Community-Forum.

Heißes Thema: 3D-Druck-Spannungen in Metallen

Auch thermische Spannungen sind zu beachten. Laser und Elektronenstrahlen erhitzen Partikel von Titan, Aluminium, rostfreiem Stahl, Kobalt-Chrom, Werkzeugstahl und Dutzenden weiterer Legierungen auf ihre Schmelzpunkte, die 2.700 °C übersteigen können. Nach jeder Schicht wird frisches Pulver aufgetragen und der Prozess beginnt von neuem. Wie man sich vorstellen kann, erzeugt dieser wiederholte Heiz- und Kühlzyklus enorme Spannungen, die während des Bauprozesses kontrolliert und danach durch Wärmebehandlung (Glühen) abgebaut werden müssen.

Das ist viel zu bedenken und zu managen. Zusätzlich müssen Verfolger einer 3D-Druck-Strategie Skalierbarkeit, Modellierung, Schichtaufbau und Simulation prüfen.

Skalierbarkeit

Bis vor Kurzem war der größte 3D-Metalldrucker kaum groß genug für einen Toaster. Heute können kommerziell verfügbare Maschinen Teile in Kanu-Größe bauen und 20 Pfund (ca. 9 kg) Metall pro Stunde auftragen. Welche Maschinengröße benötigen Sie, welche Technologie ist optimal und wie hoch ist Ihr Budget? Rechnen Sie mit 1 Million Dollar oder mehr – ohne Lernkurve.

Modellierung

Eines der größten Hindernisse für additive Fertiger ist das Teiledesign. Ingenieure müssen anders denken, um mit dieser Technologie erfolgreich zu sein – und das bedeutet, komplexe Geometrien und „organische Formen“ zu nutzen, die zuvor nicht herstellbar waren. Natürlich liegt es an Zerspanern und Fertigungsingenieuren, herauszufinden, wie diese ungewöhnlich geformten Teile gespannt werden können.

Schichtaufbau (Layering)

Nach Designfreigabe muss der 3D-Druck-Programmierer oder -Bediener Stützstrukturen entwerfen und die beste Positionierung und Bauweise festlegen. Die gute Nachricht: Es gibt zahlreiche Softwareprogramme für diesen Zweck – und die Aufgabe ist längst nicht mehr so schwierig wie früher.

Simulation

Das Bett ist mit Pulver gefüllt, die Bauplatte sauber, das Metall bereit zum Schmelzen. Bevor der Startknopf gedrückt wird, sollte der Bauprozess per Softwaresimulation bewertet werden. Dies hilft, Bereiche zu identifizieren, in denen thermische Spannungen auftreten können, zu erkennen, wo Stützstrukturen nötig (oder überflüssig) sind, und zu prüfen, ob das bestehende Teiledesign für den 3D-Druck geeignet ist.

3D-gedrucktes Metall trifft auf neuen Partner: Polymer

In der Welt des Metall-3D-Drucks dominiert derzeit Pulverbettfusion. Mehrere neue Technologien drängen in dieses Gebiet, darunter Thermalspritzen und Extrusionsverfahren, die niedrigere Kosten (im Bereich von 120.000 $ statt 500.000 $ und mehr), höhere Genauigkeit und deutlich schnellere Baugeschwindigkeiten versprechen. Eines dieser Verfahren funktioniert ähnlich wie ein Tintenstrahldrucker, nur dass die „Tinte“ aus Metallpulver besteht, das mit einem Polymerbindemittel vermischt ist.

Das Teil wird in einem „grünen“ Zustand aufgebaut und anschließend in einem Ofen gesintert – ein Prozess, der sich vom jahrzehntealten Metallpulverspritzen (MIM) unterscheidet. Da dasselbe Metallpulver verwendet wird, unterliegt es bei weitem nicht der gleichen metallurgischen Prüfung wie andere additive Pulver. Und wie alle Metall-3D-Drucktechnologien erzeugt es voll dichte Teile.

Ähnlich wie die „Binder-Jetting“-Technologie in neueren Polymerdruckern sind die Baugeschwindigkeiten angeblich 10- bis 100-mal höher als bei der Konkurrenz. Maschinenkosten sind ein Bruchteil von Pulverbett- oder Hybridmaschinen. Stützstrukturen sind kaum nötig, und die wenigen lassen sich nach dem Sintern leicht abnehmen. Da kein Laserlicht zum Einsatz kommt – nur UV-Licht zum Aushärten des Bindemittels – und das Metall in druckerfreundlichen Kartuschen geliefert wird, wie sie jeder Büroangestellte kennt, gibt es weit weniger Gesundheits- und Sicherheitsbedenken.

„Die Einführung von Metall-3D-Druck für Endverwendungszwecke war ein Schritt, den einige Zerspanungsbetriebe gegangen sind, aber nicht etwas, das jeder Betrieb überall tun konnte“, merkt Peter Zelinski, Chefredakteur von Modern Machine Shop, im Artikel „The Arrival of Low-Cost Metal AM?“ an. „Jetzt könnte kostengünstiger Metall-3D-Druck bedeuten, dass Betriebe routinemäßig sowohl additive als auch subtraktive Methoden für Metallteile einsetzen. Und es könnte auch bedeuten, dass sich das Spektrum der für additive Fertigung geeigneten Metallteile erweitert.“

Haben Sie Erfahrungen mit Metall-3D-Druck oder anderen additiven Fertigungsverfahren gemacht? Wie war das für Sie und Ihren Betrieb?