Metall-3D-Druck vs. Metall-Pulverspritzguss: Den richtigen Prozess für Ihr Projekt wählen

Der Boom des kommerziellen 3D-Drucks hat eine Reihe verbreiteter Missverständnisse über den Prozess hervorgebracht. Viele glauben beispielsweise, dass additive Fertigungsverfahren nur Kunststoffe verarbeiten können. Tatsächlich können Ingenieure jedoch auch Bauteile aus Metallen im 3D-Druck herstellen.

Für Projekte mit Metallen sollten sich Ingenieure mit den Vor- und Nachteilen sowohl des Metall-Pulverspritzgusses (MIM) als auch des Metall-3D-Drucks vertraut machen. Ein genauerer Blick auf die beiden Verfahren zeigt, dass der Metall-3D-Druck eine überraschend große Bandbreite an Vorteilen bietet. Hier sind die wichtigsten Unterschiede – sowie entscheidende Überlegungen – für Ingenieure.

Metall-Pulverspritzguss (MIM)

Der Metall-Pulverspritzguss (MIM) kombiniert den Kunststoffspritzguss mit der Pulvermetallurgie und erfordert vier Stufen: Rohstoffvorbereitung, Spritzgießen, Entbindern und Sintern.

Zunächst werden feine Metallpulver mit thermoplastischem Material und Wachsbindemitteln vermischt und zu kleinen Pellets granuliert. Diese Pellets werden dann erhitzt und in eine Formkavität injiziert. Nach dem Formen wird das Bindemittel vom Metallpulver entfernt, was ein „Braunteil“ ergibt, das in die Sinterstufe übergeht. Der Ofenzyklus umfasst typischerweise mehrere Stufen. Das Braunteil wird auf eine relativ niedrige Temperatur erhitzt, um eventuell verbleibendes Bindemittel auszubrennen, dann wird es bei einer Temperatur nahe dem Schmelzpunkt des Metalls gesintert. Das Metallpulver verdichtet sich zum Endprodukt.

Anwendungen

Ingenieure greifen auf MIM zurück, wenn sie Bauteile – insbesondere kleine oder komplexe – herstellen müssen, die mit keinem anderen Verfahren effizient gefertigt werden können. Da für die MIM-Fertigung nur eine Form erforderlich ist, ist dieser Prozess auch hochgradig wiederholbar und liefert Bauteile, die in Größe, Form und Festigkeit einheitlich sind.

MIM-Bauteile finden in wichtigen kommerziellen und industriellen Sektoren Anwendung, von der Automobilindustrie bis zur Luft- und Raumfahrt. Typische Anwendungen sind Scharniere an Brillengestellen, Uhrengehäuse, Laptop-Scharniere und Präzisions-Medizininstrumente.

Vorteile

MIM ist eine effiziente Methode zur Herstellung großer Stückzahlen kleiner, komplexer Bauteile. Fertige Teile weisen eine glatte Oberflächenbeschaffenheit auf und sind für ihre Größe relativ fest, oft mit einer Dichte von über 95 %. MIM ist mit einer Vielzahl von Materialien kompatibel, die in Pulverform vorliegen und für das Sintern geeignet sind – vorwiegend Stähle.

Einschränkungen

Leider bringt der Metall-Pulverspritzguss zahlreiche Einschränkungen mit sich, hauptsächlich bedingt durch die für die MIM-Fertigung erforderlichen Formen. MIM-Werkzeuge können zwischen 50.000 und 100.000 US-Dollar kosten, was für Kleinserien oft prohibitiv teuer ist. Oft rechnet sich MIM erst bei Jahresvolumina über 50.000 Stück und einem langen Produktlebenszyklus.

Zudem stellt der Metall-Pulverspritzguss erhebliche Konstruktionsherausforderungen für Ingenieure dar. Formenkonstruktionen lassen sich nicht leicht ändern, und es gibt nach wie vor signifikante Formbeschränkungen. So darf das Bauteil beispielsweise keine großen Überhänge aufweisen, da es aus der Kavität ausgeworfen werden muss. Die Wandstärke stellt aufgrund des Entbinderns eine weitere Konstruktionsherausforderung dar: Sind die Wände zu dick, kann das Wachs aus der Mitte nicht mehr entfernt werden. Designer und Projektmanager müssen diese Aspekte beachten, wenn sie MIM für ihr Projekt planen. Andernfalls könnten sie später im Fertigungsprozess zu kostspieligen Anpassungen gezwungen sein.

Metall-3D-Druck

Der Metall-3D-Druck bietet viele Vorteile, die andere Verfahren – einschließlich MIM – nicht bieten können. Eine Art des Metall-3D-Drucks ist das Laser-Pulverbett-Schmelzen (L-PBF), auch bekannt als DMLS, ein Druckverfahren, das Bauteile aus Metallpulver erzeugt.

Bei diesem Prozess wird eine Kammer mit einem Inertgas wie Argon geflutet, um Oxidation zu minimieren. Eine dünne Schicht Metallpulver wird auf die Bauplattform aufgetragen, und ein Laser schmilzt das Pulver in kleinen Bereichen zusammen; der Vorgang wiederholt sich, bis das Bauteil vollständig aufgebaut ist. Überschüssiges Pulver wird nach dem Abkühlen entfernt. Anschließend wird das Bauteil spannungsarm geglüht, von der Bauplatte gelöst und bei Bedarf wärmebehandelt.

Anwendungen

Bauteile aus dem L-PBF-Prozess eignen sich ideal für industrielle Anwendungen und leistungsstarke Endbauteile im Engineering. Typische Einsatzgebiete sind Strahltriebwerke, Turbinenschaufeln, Medizintechnik und Generatoren. Dieses Verfahren ist mit einer wachsenden Liste von Metalllegierungen und sogar einigen Edelmetallen wie Gold und Platin kompatibel. Es gibt auch andere Metall-3D-Druckverfahren, die sich besser für Anwendungen mit geringeren regulatorischen und kritischen Leistungsanforderungen eignen, wie Metall-Binder-Jetting und Metall-Extrusion.

Vorteile

Ingenieure setzen auf Metall-3D-Druck, wenn sie spezialisierte Bauteile benötigen, die hohe Festigkeit und Haltbarkeit, chemische Beständigkeit und Zugang zu einzigartigen Designmerkmalen erfordern. Im Gegensatz zum Metall-Pulverspritzguss bietet der Metall-3D-Druck Ingenieuren ein hohes Maß an Designfreiheit. Da keine Formen verwendet werden, unterliegen Ingenieure keinen Formbeschränkungen, und eine Designänderung ist so einfach wie die Aktualisierung der CAD-Datei. Eine komplexere Konstruktion führt nicht zu zusätzlichen Produktionskosten.

Einschränkungen

Dennoch hat der Metall-3D-Druck seine eigenen Herausforderungen. Die Bauraumgröße ist aufgrund der strengen Fertigungsbedingungen und Prozesskontrollen begrenzt. Zudem können die Anschaffungskosten für eine industrielle Maschine in die Millionen gehen – bevor Materialkosten berücksichtigt werden. Die hohe Investition kann sich jedoch für Ingenieure lohnen, die unvergleichliche Designflexibilität und hervorragende mechanische Festigkeit suchen.

Einstieg in den Metall-3D-Druck

Der Metall-Pulverspritzguss eignet sich hervorragend für die Herstellung kleiner, komplexer Bauteile, die für ihre Größe überraschend fest sind. Doch der Metall-3D-Druck übertrifft dieses Verfahren in vielen Schlüsselaspekten. Er bietet mehr Designvielseitigkeit, und damit gefertigte Bauteile können auf hohe Festigkeit, Haltbarkeit und chemische Beständigkeit optimiert werden.

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