Metall-3D-Druck, auch bekannt als Additive Fertigung, revolutioniert die Art und Weise, wie Metallteile hergestellt werden. Anstatt Material abzutragen, werden hier feine Metallpulver Schicht für Schicht zu komplexen dreidimensionalen Objekten verschmolzen. Diese Technologie eröffnet ungeahnte Möglichkeiten für die Gestaltung und Produktion von Metallkomponenten, von Prototypen bis hin zu hochspezialisierten Bauteilen in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Medizin und Automobilindustrie. In diesem Artikel beleuchten wir die gängigsten Verfahren des Metall-3D-Drucks, ihre Funktionsweise und ihre spezifischen Vorteile.
Powder Bed Fusion (Pulverbettbasierte Schmelzverfahren)
Das pulverbettbasierte Schmelzverfahren ist derzeit die verbreitetste Methode im Metall-3D-Druck. Hierbei wird eine dünne Schicht Metallpulver auf einer Bauplattform verteilt, und anschließend werden gezielt Querschnitte des zu druckenden Teils durch eine Energiequelle aufgeschmolzen. Es gibt zwei Hauptvarianten dieses Verfahrens: Selektives Laserschmelzen (SLM) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM).
Selektives Laserschmelzen (SLM)
Das selektive Laserschmelzen (SLM), auch bekannt unter Bezeichnungen wie Direct Metal Laser Sintering (DMLS) oder Laser Powder Bed Fusion (LPBF), ist die dominierende Technologie im Bereich des pulverbettbasierten Metall-3D-Drucks. Bei diesem Verfahren schmilzt ein Hochleistungslaser das Metallpulver Schicht für Schicht auf und verbindet es zu einem festen Bauteil. Nach dem Druckvorgang wird das fertige Teil aus dem Pulverbett entnommen, von der Bauplatte getrennt und einer Nachbearbeitung unterzogen. SLM-Maschinen sind in der Lage, präzise und geometrisch komplexe Teile herzustellen, die auf herkömmliche Weise nur schwer oder gar nicht fertigbar wären. Sie finden Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen, darunter Dentaltechnik, Medizintechnik und Luft- und Raumfahrt. Die Druckgeschwindigkeit ist moderat, und die Präzision wird durch die Laserstrahlbreite und die Schichthöhe bestimmt. Die meisten am Markt verfügbaren Materialien für den Metall-3D-Druck können mit SLM-Verfahren verarbeitet werden.
Ein wesentlicher Nachteil von SLM-Maschinen sind die hohen Anschaffungs- und Betriebskosten sowie die komplexen Anforderungen an die Infrastruktur und das Fachpersonal. Die Maschinen kosten oft über eine Million Dollar und erfordern geschulte Bediener. Aufgrund des aufwendigen Prozesses sind oft mehrere Druckdurchgänge und Anpassungen notwendig, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Zudem ist eine umfangreiche Nachbearbeitung, einschließlich Wärmebehandlung, meist unerlässlich. Das verwendete Metallpulver ist zudem teuer und birgt Gefahren im Umgang, was spezielle Sicherheitsvorkehrungen erfordert.
Elektronenstrahlschmelzen (EBM)
Beim Elektronenstrahlschmelzen (EBM) wird anstelle eines Lasers ein Elektronenstrahl als Energiequelle genutzt, um das Metallpulver zu schmelzen. GE Additive ist derzeit der einzige Hersteller von EBM-Maschinen. Dieses Verfahren ermöglicht zwar eine schnellere Fertigung größerer Teile im Vergleich zu SLM, führt jedoch zu einer geringeren Präzision. Ähnlich wie bei SLM sind die Kosten für EBM-Anlagen sehr hoch (oft über einer Million Dollar), und sie erfordern spezialisiertes Personal. EBM-Teile finden vor allem in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizintechnik Anwendung.
Direct Energy Deposition (Direkte Energiedeposition)
Das Verfahren der direkten Energiedeposition (DED) kombiniert Metall-Feedstock – in Form von Pulver oder Draht – mit einem Laser, um Metallteile aufzubauen. Anders als bei puderbettbasierten Verfahren befinden sich Pulverzuführung und Laser auf einem gemeinsamen Druckkopf, der Material gleichzeitig aufträgt und aufschmilzt.
Pulver-DED (Powder DED)
Pulver-DED, auch bekannt als Laser Material Deposition (LMD) oder Blown Powder, nutzt wie SLM Metallpulver und einen Laser. Anstatt das Pulver auf einem Bett zu verteilen, wird es hier gezielt aus einem Druckkopf auf das Bauteil geblasen und dort durch einen Laser auf der Düse aufgeschmolzen.
Ein Pulver-DED-Metall-3D-Drucker in Aktion.
Ein BeAM DED 3D-Drucker, der Metallpulver mit einem dualen Druckkopf aufträgt und schmilzt.
Ein entscheidender Vorteil von Pulver-DED ist die Möglichkeit, bestehende Bauteile zu reparieren oder mit zusätzlichen Funktionen zu versehen, indem Material gezielt aufgetragen wird. Die Materialauswahl, Nachbearbeitung und Pulverhandhabung ähneln denen von SLM. Auch hier liegen die Kosten für die Anlagen im siebenstelligen Bereich.
Draht-DED (Wire DED)
Draht-DED, auch bekannt als Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM), verwendet Metall-Draht als Ausgangsmaterial, der von einem Laser aufgeschmolzen wird. Diese Technologie eignet sich für sehr große Bauteile (bis zu 5m x 1m x 1m) und bietet hohe Druckgeschwindigkeiten, allerdings auf Kosten von Präzision und Oberflächenqualität. Draht-DED-Teile sind daher weniger präzise als diejenigen, die mit puderbettbasierten Verfahren hergestellt werden. Die Anlagen sind extrem teuer und selten anzutreffen.
Binder Jetting (Binderstrahlverfahren)
Binder Jetting ist ein großflächiges und hochpräzises Verfahren im Metall-3D-Druck, das das Potenzial hat, SLM als führende lose Pulvermethode abzulösen. Die Technologie ähnelt konventionellen 2D-Druckern: Eine Schicht Metallpulver wird auf dem Druckbett verteilt, und ein Druckkopf trägt dann selektiv ein flüssiges Bindemittel auf, das die Pulverpartikel lose zusammenhält. Dieser Prozess wiederholt sich, bis das vollständige Bauteil vorliegt.
Eine Binder Jetting-Maschine von Digital Metal, die feine Details produzieren kann.
Eine Binder Jetting-Maschine von Digital Metal, die feine Details produzieren kann.
Nach dem Druckprozess müssen die Teile durch Sintern in einem Ofen weiterverarbeitet werden, um ihre endgültige metallische Form zu erhalten. Das Bindemittel verbrennt dabei, und die Metallpartikel verschmelzen. Dieser Prozess kann chargenweise erfolgen und beeinträchtigt den Durchsatz kaum. Binder Jetting bietet signifikante Vorteile gegenüber SLM: Es ist deutlich schneller, da mehrere Druckköpfe gleichzeitig arbeiten können, und es können Dutzende oder Hunderte von Teilen in einem einzigen Bauvorgang gefertigt werden. Dies macht Binder Jetting zur potenziell schnellsten Methode im Metall-3D-Druck für die Serienproduktion. Die Kosten für die Anlagen liegen jedoch ebenfalls im siebenstelligen Bereich.
Ein Vakuumofen zum Sintern von 3D-gedruckten Metallteilen.
Vakuumöfen sind in der Regel massive, industrietaugliche Maschinen.
Bound Powder Extrusion (BPE – Extrusion von gebundenem Pulver)
Bound Powder Extrusion (BPE), auch bekannt als Atomic Diffusion Additive Manufacturing, ist eine neuere Technologie im Additive Manufacturing. Im Gegensatz zu den meisten anderen Verfahren verwendet BPE kein loses Metallpulver. Stattdessen wird das Pulver in wachsartigen Polymeren gebunden, ähnlich wie bei der Herstellung von Ausgangsmaterial für das Metal Injection Molding. Dies macht das Material sicherer und einfacher zu handhaben als loses Pulver. Das gebundene Pulver wird als Filament extrudiert, ähnlich dem FFF-3D-Druck von Kunststoffen, und erzeugt ein “grünes” Teil mit gleichmäßig verteiltem Metallpulver in einem Polymer. Nach dem Druck wird das Teil zunächst in einer Waschmaschine vom Polymer befreit und anschließend gesintert, um ein vollständig metallisches Bauteil zu erhalten.
Das Markforged Metal X 3D-Drucksystem.
Das Metal X Drucksystem umfasst einen Metall-3D-Drucker, eine Waschstation und einen Sinterofen.
BPE-Teile ähneln in ihren geometrischen Einschränkungen den Teilen, die im FFF-Kunststoffdruck hergestellt werden. Sie erfordern zwar oft noch Nachbearbeitungsschritte wie Wärmebehandlung oder Oberflächenveredelung, aber die Handhabung des Materials ist deutlich einfacher und sicherer. Aufgrund des vereinfachten Prozesses sind BPE-Maschinen deutlich erschwinglicher als die meisten anderen Metall-3D-Drucklösungen und kosten zwischen 120.000 und 200.000 Dollar.
Der Metall-3D-Druck entwickelt sich rasant weiter und bietet innovative Lösungen für die verschiedensten Anwendungsbereiche. Jede Technologie hat ihre spezifischen Stärken und Schwächen, sodass die Wahl des richtigen Verfahrens von den Anforderungen des jeweiligen Projekts abhängt. Entdecken Sie die faszinierende Welt des Metall-3D-Drucks und erschließen Sie neue Potenziale für Ihre Produktion!