Laser-Metalldruck: Wichtige Fakten für Präzisionsteile-Fertigung

Ist Präzisionsteile-Fertigung 3D-Druck-bereit?

Das Thema 3D-additiver Laserdruck von Metall ist häufig in den Nachrichten. Da fragen Sie sich vielleicht: Wann wird Metal Cutting Corporation über Laserdruck sprechen? Schließlich reden wir oft über diverse andere Methoden für Metallteile.

Bei Metal Cutting fertigen wir sehr kleine Teile – in unserem Beispiel oft 1 mm (0,039") × 2 mm (0,079") – und davon VIELE. Diese Teile haben meist nicht viele komplexe Features oder innere Hohlräume. Es kann ein Rohr oder massiv sein.

Unsere Frage an 3D-Laserdruck-Experten: Können Sie 3D-Laserdruck von Metall für solche großen Mengen so kleiner Teile nutzen?

Grundlegende Methoden des 3D-Laserdrucks von Metall

Schauen wir kurz auf die drei primären Methoden für 3D-additiven Laserdruck von Metall.

Direct Metal Laser Sintering (DMLS)

Diese populärste Methode schmilzt im Grunde ein 2D-Design auf ein abgeflachtes Pulverbett, verschmilzt das Pulver und baut dann Schicht für Schicht das Objekt auf. DMLS ermöglicht bisher unmögliche Designs. Der Prozess ist jedoch sehr langsam und produziert Metallurgie, die sich traditioneller Fertigung annähert, aber nicht in jeder Instanz gleichkommt. DMLS auch bekannt als Selective Laser Sintering (SLS) oder Selective Laser Melting (SLM).

Directed Energy Deposition (DED)

Bei diesem pulvergefütterten Verfahren wird ein hochkonzentrierter Metallpulverstrom langsam durch einen Extruder freigesetzt und verschmilzt, wenn er auf einen Laser trifft – Schichten an der Teileoberfläche bildend. DED ist hochpräzise für 3D-Laserdruck von Metall und wird auch für Reparatur gebrochener Teile genutzt. Bekannt als Laser Metal Deposition (LMD).

Metal Binder Jetting

Diese Methode involviert Auftragen eines flüssigen Bindemittelharzes auf pulverförmiges Metallmaterial. Die Schichten werden quasi "geklebt" und dann in einem Hochtemperaturofen gesintert. Dieser Prozess ist schneller und günstiger als die anderen beiden; jedoch sind Ergebnisse bei Weitem nicht so fest oder dicht wie bei DMLS oder DED.

Einige Anwendungen für Laserdruck von Metall

Laserdruck von Metall ist populär für diverse Anwendungen – vom Prototyping bis zu funktionalen Komponententeilen in verschiedenen Branchen, bis zur massenindividualisierten Produktion von Alltagsgegenständen wie Schmuck und Küchenartikeln.

Laserdruck von Metall ist hochpopulär in Dental- und Orthopädie-Implantatanwendungen. Er erlaubt Anpassung an individuelle Patientenbedürfnisse. (Mehr in unserem Blog "Polishing Metal Parts für 3D-gedruckte Medizinprodukte".) Laserdruck von Metall wird auch breit in der Luftfahrt genutzt. Beispiel: Das LEAP-Triebwerk der nächsten Generation hat 3D-gedruckte Brennstoffdüsen.

Einige häufige Fehler

Bei 3D-Laserdruck von Metall werden manche falsche Annahmen gemacht. Es klingt albern, aber es sei notiert: Nur weil ein Produkt mit 3D-CAD-Modellierung designed wurde, macht es es nicht "3D-druckbereit"; 3D-Laserdruckprozesse erfordern einzigartige Nachbearbeitung.

Wie bei jeder Fertigungsmethode müssen auch die Eigenschaften des spezifischen Materials berücksichtigt werden. Beispiel: Eine Annahme ist, Laserdruck von Metall sei Ersatz für Metallguss. Im Gegenteil: Laser ist großartig für einzigartige, komplexe Teile, die nicht gegossen werden können. Die Eigenschaften eines 3D-lasergedruckten Metallobjekts unterscheiden sich von denen des "gleichen" Objekts beim Metallguss.

Auch: Laserdruck von Metallteilen, designed für Prozesse wie CNC-Fräsen, wäre sehr teuer. Subtraktiv gefertigte Teile haben mehr Masse und Volumen, ihre Designs sind nicht für die inhärenten Vorteile der 3D-Fertigung optimiert – im Wesentlichen Hohlräume und leichte, hochfeste Strukturen.

Vorteile des Laserdrucks von Metall

Aus Ingenieursperspektive sind die wohl signifikantesten Vorteile des 3D-Laserdrucks von Metall:

• Fähigkeit, vollständig geschlossene Hohlräume und andere Features zu produzieren, die subtraktiv unmöglich zu bearbeiten sind
• Strukturen, die außergewöhnliche Teilefestigkeit und leichtes Design ermöglichen, zuvor unmöglich

Für Branchen wie Luftfahrt, wo reduziertes Flugzeuggewicht niedrigeren Treibstoffverbrauch bedeutet, ist Leichtbau ein wichtiges Ziel.

Aus Anwendungsperspektive ist der signifikanteste Vorteil die "Mass Customization", die 3D-additiver Laserdruck in Branchen brachte – von Luftfahrt-Ersatzteilen über Zahnmedizin-Kronen/Brücken bis zu orthopädischen/prothetischen Innovationen und dem gesamten Prototyping-Geschäft. Manche dieser einzigartigen Formen könnten nie subtraktiv produziert werden. Selbst für jene, die könnten zu niedrigeren Stückkosten gefräst oder gegossen werden, könnte keine Methode die nahezu instantanen Lieferzeiten erreichen, die 3D-Laserdruck ermöglicht.

Laserdruck von Metall kann auch Materialabfall im Produktionsprozess reduzieren. Wo traditionelle subtraktive Schneidmethoden Material entfernen, um Form zu schaffen, erreicht 3D-Laserdruck Form durch Addition von genau dem benötigten Material.

Solange Metallpulver verfügbar ist, ist 3D-Laserdruck flexibel bei nutzbaren Metallen: Titan, Edelstahl, Inconel, Kobalt-Chrom, sowie Messing, Kupfer, Bronze und Edelmetalle wie Gold, Silber, Platin. Doch während Herausforderungen des 3D-Drucks in Inertatmosphäre überwunden wurden, bleibt es unmöglich, bestimmte Metalle ordnungsgemäß zu glühen. Beispiel: Wolfram kann via 3D-Druck "konstruiert" werden, der resultierende Wolframblock ist jedoch zu spröde für Nutzung.

Nachteile des Laserdrucks für Metallteile

Additiver 3D-Laserdruck ist berühmt dafür, das Unmögliche möglich zu machen – aber was ist mit Präzision? Ist 3D-Druck gut für kleine Präzisionsmetallteile?

Schauen wir DMLS, die ausgereifteste Methode, wo wichtige Variablen für dimensionale Präzision sind:

• Größe der Pulverpartikel
• Höhenintervalle der Aufzugschritte
• Größe des Laserbündels

Jeder Faktor bestimmt dimensionale Toleranzen. Große Metallpulverpartikel = größere Schritte. Höhe jeder Pulverschicht bestimmt同様 erreichbare Toleranzen. Und wohl wichtigste Variable: Laserbündelgröße. Winziger Strahl = höhere Präzision, größerer Strahl = unpräzisere Dimensionen. Problem: Kleinerer Laser erzeugt weniger Wärme – dauert länger. So kann ein Teil sehr präzise und/oder sehr klein sein, aber viel länger dauern. Das erhöht Kosten.

Weitere zeitliche Aspekte: Wieder DMLS – jedes Teil hat winzigen Anbindungspunkt, wie der feine Faden, der ein Wespennest am Vordach hält. 10.000 lasergedruckte Teile = 10.000 Anbindungspunkte, die getrennt werden müssen. Diese Basistrennung erfolgt meist per EDM; aber egal welche Methode: 10.000-mal tun zunichte die meisten additiven Vorteile.

Realität: Echte Massenproduktion ist mit 3D-Laserdruck von Metall noch nicht möglich. Unpraktisch und kostspielig für Zehntausende sehr kleiner Teile. Hinzu: Hohe Anschaffungskosten des 3D-Druckers: Mindestens 100.000 $ für neueste Tischgeräte, die vorherige Disruptoren disrupten wollen, bis über 1 Mio. $ für kontrollierte Atmosphäre-Drucker für Metalle wie Titan oder riesige Gehäuse für Luftfahrtmaschinen. Diese hohen Kosten bedeuten: Jede vorgeschlagene Laseranwendung muss etwas wirklich Einzigartiges "addieren", um vom Wert traditioneller Metallfertigungsmethoden "abzuziehen".

Was hält die Zukunft?

Wir wollen nicht stur oder change-resistent wirken. Tatsächlich: Shout-out an unseren Freund Scott Cohen und Partner David Bell bei New Lab. Sie kennen die Zukunft so gut wie jeder, und wir zweifeln nicht, dass jemand bei New Labs eines Tages einige der Probleme löst, die wir jetzt sehen.

Während Entwicklung desktop-großer 3D-Laserdrucker – statt riesiger Industriemaschinen – Technologie zugänglicher macht, sehen wir Laserdruck von Metall immer noch nicht als geeignet für hohe Volumen kleiner Präzisionsteile. Kleine Maschinen machen keine kleinen Teile. Aber natürlich: Eines Tages könnten wir widerlegt werden!

Für hilfreiche Tipps zur Wahl der besten Präzisions-Metallschneidmethode für Ihr Metallfertigungsprojekt laden Sie unser Whitepaper herunter: Choose with Confidence: Comparing 2-Axis Precision Cutting Methods.