Wann 3D-Metalldruck im Vergleich zu Metallspritzguss (MIM) verwendet werden sollte

Der Boom des kommerziellen 3D-Drucks hat zu einer Reihe verbreiteter Missverständnisse über den Prozess geführt. Beispielsweise glauben viele, dass additive Fertigungsverfahren nur Kunststoffe verwenden können. Tatsächlich können Ingenieure auch 3D-gedruckte Teile aus Metallen erstellen.

Bei Projekten mit Metallen sollten sich Ingenieure mit den Vor- und Nachteilen sowohl des Metallspritzgusses (MIM) als auch des Metall-3D-Drucks vertraut machen. Ein genauerer Blick auf die beiden Verfahren zeigt, dass der Metall-3D-Druck eine überraschende Bandbreite an Vorteilen bietet. Hier sind die Hauptunterschiede – plus wichtige Überlegungen – für Ingenieure.

Metallspritzguss (MIM)

Metal Injection Moulding (MIM) kombiniert Kunststoffspritzguss mit Pulvermetallurgie und erfordert vier Stufen – Rohstoffvorbereitung, Formen, Entbindern und Sintern.

Zunächst werden feine Metallpulver mit thermoplastischem Material und Wachsbindern kombiniert und dann zu kleinen Pellets granuliert. Diese Pellets werden dann erhitzt und in einen Formhohlraum eingespritzt. Nach dem Formen wird das Metallpulver entbindert, wodurch ein „brauner Teil“ entsteht, der in die Sinterstufe gelangt. Der Ofenzyklus umfasst typischerweise eine Anzahl von Stufen. Der braune Teil wird auf eine relativ niedrige Temperatur erhitzt, um jeglichen verbleibenden Binder auszubrennen, dann wird er bei einer Temperatur nahe dem Schmelzpunkt des Metalls gesintert. Das Metallpulver wird verdichtet, um das Endprodukt herzustellen.

Anwendungen

Ingenieure wenden sich an MIM, wenn sie Teile herstellen müssen – besonders kleine oder komplexe – die mit keinem anderen Verfahren effizient hergestellt werden können. Da für die Herstellung eines Teils mit MIM nur eine Form erforderlich ist, ist dieser Prozess auch sehr gut wiederholbar und ergibt Teile mit einheitlicher Größe, Form und Festigkeit.

MIM-Teile haben ein breites Anwendungsspektrum in wichtigen kommerziellen und industriellen Sektoren, von der Automobilindustrie bis zur Luft- und Raumfahrt. Häufige Anwendungen sind Scharniere an Brillenkomponenten, Uhrengehäusen, Laptopscharnieren und medizinischen Präzisionsinstrumenten.

Vorteile

MIM ist eine effiziente Methode, um große Mengen kleiner, komplexer Teile herzustellen. Fertige Teile haben eine glatte Oberflächenbeschaffenheit und sind relativ stark für ihre Größe, oft mit einer Dichte von über 95 %. MIM ist mit einer Vielzahl von Materialien kompatibel, die in Pulverform zerlegt werden können und zum Sintern geeignet sind. Dies sind meistens Stähle.

Einschränkungen

Leider ist das Metallspritzgießen mit zahlreichen Einschränkungen verbunden, hauptsächlich aufgrund der für die Herstellung von MIM-Teilen erforderlichen Formen. MIM-Formen können zwischen 50.000 und 100.000 US-Dollar kosten, was für Produktionsläufe mit geringen Stückzahlen unerschwinglich sein könnte. Häufig ist MIM für Jahresmengen von über 50.000 mit einem langen Produktionslebenszyklus finanziell sinnvoll.

Darüber hinaus stellt der Metallspritzguss Ingenieure vor erhebliche Designherausforderungen. Formdesigns lassen sich nicht einfach ändern, und es gibt immer noch erhebliche Einschränkungen in Bezug auf die Form. Beispielsweise darf das Teil keine großen Überhänge haben, da es aus der Kavität ausgeworfen werden muss. Die Wandstärke stellt aufgrund des Entbinderns eine weitere Designherausforderung dar. Wenn die Teilwände zu dick sind, kann es unmöglich sein, das Wachs aus der Mitte zu extrahieren. Konstrukteure und Projektmanager müssen diese Überlegungen berücksichtigen, wenn sie vorhaben, Metallspritzguss für ihr Projekt zu verwenden. Andernfalls könnten sie gezwungen sein, später im Herstellungsprozess kostspielige Anpassungen vorzunehmen.

Metall-3D-Druck

Der Metall-3D-Druck bietet viele Vorteile, die andere Verfahren, einschließlich MIM, nicht bieten können. Eine Art des 3D-Metalldrucks ist Laser-Pulver-Bett-Fusion (L-PBF), manchmal auch als DMLS bekannt, ein Druckverfahren, bei dem Teile aus Metallpulver hergestellt werden.

Während dieses Prozesses wird eine Kammer mit einem Inertgas wie Argon vorbereitet, um die Oxidation zu minimieren. Eine dünne Schicht Metallpulver wird auf die Oberseite der Bauplattform aufgetragen, und dann schmilzt ein Laser das Pulver in kleinen Abschnitten zusammen; Der Vorgang wiederholt sich, bis das Teil vollständig aufgebaut ist. Überschüssiges Pulver wird nach dem Abkühlen des Teils entfernt. Von dort aus wird das Teil entspannt, von der Bauplatte gelöst und dann bei Bedarf wärmebehandelt.

Anwendungen

Mit dem L-PBF-Verfahren hergestellte Teile sind ideal für industrielle Anwendungen und leistungsstarke technische Teile für den Endverbrauch. Häufige Anwendungsfälle sind Strahltriebwerke, Turbinenschaufeln, medizinische Geräte und Stromgeneratoren. Dieser Prozess ist mit einer wachsenden Liste von Metalllegierungen und sogar einigen Edelmetallen wie Gold und Platin kompatibel. Es gibt auch andere Metall-3D-Druckverfahren, die besser für Anwendungen mit weniger Regulierung und kritischen Leistungsanforderungen geeignet sind, wie z. B. Metall-Binder-Jetting und Metallextrusion.

Vorteile

Ingenieure wenden sich dem 3D-Metalldruck zu, wenn sie spezielle Teile herstellen müssen, die eine hohe Festigkeit und Haltbarkeit, chemische Beständigkeit und Zugang zu einzigartigen Designmerkmalen erfordern. Im Gegensatz zum Metallspritzguss bietet der Metall-3D-Druck Ingenieuren eine große Gestaltungsfreiheit. Beim Metall-3D-Druck werden keine Formen verwendet, sodass Ingenieure nicht an bestimmte Formbeschränkungen gebunden sind, und das Ändern des Designs eines Teils ist so einfach wie das Aktualisieren des Designs auf einem Computer. Ein komplexeres Design trägt nicht zu zusätzlichen Produktionskosten bei.

Einschränkungen

Allerdings hat der Metall-3D-Druck seine eigenen Herausforderungen. Die Baugröße ist aufgrund der strengen Herstellungsbedingungen und erforderlichen Prozesskontrollen begrenzt. Außerdem können die Anlaufkosten für den 3D-Metalldruck für eine Maschine in Industriequalität in die Millionen gehen – ohne die Materialkosten zu berücksichtigen. Der hohe Preis kann jedoch eine lohnende Investition für Ingenieure sein, die unübertroffene Designflexibilität und große mechanische Festigkeit wünschen.

Beginnen Sie mit dem 3D-Metalldruck

Der Metallspritzguss eignet sich gut für die Herstellung kleiner, komplexer Teile, die für ihre Größe überraschend stark sind. Der Metall-3D-Druck übertrifft diesen Prozess jedoch in vielen Schlüsselbereichen. Der Metall-3D-Druck bietet mehr Designvielfalt und mit diesem Verfahren hergestellte Teile können für hohe Festigkeit, Haltbarkeit und chemische Beständigkeit optimiert werden.

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