Was ist Metall 3D Druck? Woraus resultieren die wichtigsten Vorteile und wo wird Metall 3D Druck heute eigentlich effektiv eingesetzt?
Erfahren Sie in diesem Blogartikel, in welchen Branchen der Metall 3D Druck Anwendung findet und was grundlegende Funktionsweisen der jeweiligen Metall 3D Druckverfahren sind. Durch den Vergleich mit ,,traditionellen Fertigungen“ lassen sich folgend Vorteile ableiten, die den jetzigen Stand und potenzielle Chancen der Technologie beleuchten.
Das Wichtigste in Kürze
- Was ist Metall 3D Druck?: Ein additives Fertigungsverfahren, bei dem Metallteile Schicht für Schicht aus digitalen CAD-Daten aufgebaut werden.
- Hauptvorteile: Komplexe Geometrien, hohe Individualisierung, verkürzte Produktionszeiten und reduzierter Materialverbrauch im Vergleich zu traditionellen Verfahren.
- Hauptanwendungen: Gesundheitswesen (medizinisch und zahnmedizinisch), Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie und Maschinenbau.
- Verfahren & Materialien: Das am häufigsten verwendete Verfahren ist Powder Bed Fusion. Häufig verwendete Metalle sind Edelstahl, Titan und Aluminium.
Metall 3D Druck – Funktionsweise
Analog zu allen anderen 3D Druckverfahren können mit dem Metall 3D Druck, Objekte durch das schichtweise Hinzufügen von Material auf der Grundlage digitaler 3D-Konstruktionsdaten (CAD-Datei) gefertigt werden. Hieraus stammt die Bezeichnung Additive Fertigung (engl. AM: Additive Manufacturing).
Hochpräzise Objekte mit komplexen Geometrien können, basierend auf der Technologie des Schichtbauprinzips, automatisiert hergestellt werden. Diese erfordern im Vergleich zu traditionellen Fertigungsmethoden, wie der subtraktiven (CNC-Bearbeitung) -oder formgebenden Fertigung (Metallguss), keine speziellen Werkzeuge (z. B. eine Form) zur Realisierung.
Die Arbeitsschritte der Additiven Fertigung werden in 3 Hauptprozesse unterschieden. Im Pre-process werden Vorbereitungen vor dem eigentlichen Druckprozess des Objektes (In-process) durchgeführt. Nach dem Druck kommt es zur Nachbearbeitung (Post-process), worunter beispielsweise die Entfernung der Stützkonstruktionen oder die Oberflächenveredlung zählen. Der Schritt der Nachbearbeitung entfällt in der Regel nicht.
Traditionelle Fertigungen von Metall
Neben dem Metall 3D Druck existieren weitere traditionelle Metallfertigungen, die wir nachfolgend kurz erläutern möchten.
Subtraktive Fertigung
Die subtraktive Fertigung gehört zu den klassischen Methoden der Metallfertigung. Hierbei wird eine Form aus einem größeren metallischen Ausgangsblock oder Rohling herausgearbeitet. Dies geschieht, indem Material kontrolliert durch Drehen, Fräsen, Schleifen oder Bohren manuell oder per CNC-Bearbeitung vom Metallblock entfernt wird.
Formative Fertigung
Bei der formativen Fertigung wird nicht Metall vom Ausgangsmaterial entfernt oder Material hinzugefügt, sondern ein gegebenes Volumen durch Wärme und/oder Druck umgeformt oder modelliert wird. Hierzu zählt die Gusstechnik und die Presstechnik. Typische Beispiele für diese Fertigung sind das Gießen, Stanzen oder Schmieden.
Metall 3D Druck Anwendungen
Der Metall 3D Druck wird vor allem in jenen Branchen eingesetzt, in welchen komplexe Geometrien, hohe Personalisierung, Präzision und Detailgenauigkeit besonders wichtig sind.
Diese Anforderungen sind beispielsweise in der Medizin- und Dentaltechnik (Prothetik), aber auch in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt oder im Werkzeug- und Maschinenbau (Additive Tooling und Prototypenbau) gegeben.
Gesundheitswesen (Medizin- und Zahntechnik)
Mit Metall 3D Druckern besteht die Möglichkeit, komplexe Strukturen zu erstellen, die auf der Anatomie eines Individuums beruhen. Dies macht den 3D Metalldruck besonders interessant für die Medizin- und Dentalbranche, weshalb heute vor allem kundenspezifische Prothesen und Implantate aus biokompatiblen Materialien wie Titan gedruckt werden.
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- 3D gedruckte Metallbrücken von 2onelab
Luft- und Raumfahrt
Die Luft- und Raumfahrtindustrie profitiert von der kontinuierlichen Entwicklung des 3D-Drucks. Wesentlich für diese Branche ist vor allem der Leichtbau, der sich zum Beispiel durch innere Strukturen und Hinterschneidungen auszeichnet. Der 3D-Metalldruck vereinfacht die Herstellung dieser Bauteile und ermöglicht eine erhebliche Reduzierung von Gewicht und Produktionskosten bei gleichzeitig hoher Stabilität und Qualität.
Autoindustrie
Auch in der Automobilindustrie konnte der 3D-Metalldruck schnell als Mittel zur Herstellung von Endprodukten eingesetzt werden. Hochleistungs- und Rennfahrzeuge sind derzeit die Hauptanwendungen des 3D-Metalldrucks.
Werkzeug- und Maschinenbau (Rapid Tooling & Prototyping)
Mittlerweile findet der 3D Metall Druck außerdem zur Herstellung von Werkzeugen und Werkzeugkomponenten sowie des Formenbaus (Additive Tooling oder Rapid Tooling) Anwendung. Zum Einsatz kommen diese auch bei der „traditionellen Metallfertigung“. Beispiele: Sandguss, Feinguss.
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- 3D-gedruckte Kobra-Kühlung (Edelstahl; 316L) von 2onelab
Beim Rapid Prototyping (Prototypenbau) können mit dem 3D Metall Druck schnell und kostenwirksam, komplizierte Prototypen, Kleinserien oder maßgeschneiderte Produkte hergestellt werden. Dieses Verfahren findet Anwendung im Maschinenbau, der Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, aber auch im Gesundheitswesen oder der Architektur.
Vorteile des 3D Metall Drucks
Vorteile des Metall 3D Drucks im Vergleich zur traditionellen Metallfertigung
Die traditionelle Metallfertigung, wie die subtraktive Fertigung (CNC-Bearbeitung) oder die formgebende Fertigung (Metallguss), hat ihre eigenen Vorteile und Einsatzmöglichkeiten. Der 3D-Druck von Metall bietet jedoch erhebliche Vorteile, die für bestimmte Branchen einen besonderen Mehrwert darstellen.
- Komplexe Geometrien
Mit dem Metall 3D Druck ist die Fertigung von solch komplexen, filigranen Strukturen möglich, was für traditionelle Fertigungen nicht umsetzbar ist. - Hohe Genauigkeit und Personalisierung
Die Erstellung von außerordentlich präzisen Fertigungen bei gleichzeitiger Robustheit, Leichtigkeit und Qualität sind durchführbar. Hinzukommt der hohe Personalisierungsgrad (CAD-Datei). - Kosteneffizienz und Zeitersparnis
Eine bessere Kosteneffizienz wird erreicht, indem Objekte nicht wie zuvor aus mehreren Einzelteilen zusammengefügt, sondern nur aus einem Stück kreiert werden. Dies mindert sowohl Fertigungs- und Herstellkosten als auch manuelle Arbeiten, was wiederum Zeit spart. - Unabhängigkeit vom Produktionsort
3D Metalldrucker arbeiten über eine digitale Schnittstelle, wodurch sie dezentral und ortsungebunden genutzt werden können (Cloud Producing). - Umweltfreundlichkeit
Metall 3D Druck und Nachhaltigkeit schließen sich nicht aus. Dieser bietet eine bessere Energieeffizienz, verminderte Transportwege und Rohstoffverschwendung bzw. Rohstoffbedarf.
3D Druckverfahren mit Metall
Erfahren Sie im Folgenden mehr über die gängigsten 3D-Metalldruckverfahren mit weiteren Informationen zu den spezifischen Funktionen.
Powder Bed Fusion
Bei der Powder Bed Fusion werden Metallpulverpartikel selektiv mit Hochleistungslasern (DMLS/SLM) oder Elektronenstrahlen (EBM) zusammengeschmolzen, so dass das Metallobjekt Schicht für Schicht entsteht. Wir verwenden Laserstrahlschmelzen in unseren 3D-Metalldruckern 2Create und 2Create Plus.
Bewertung: Das Pulverbettverfahren stellt die aktuell genauste Möglichkeit dar, Bauteile für Endprodukte 3D zu fertigen. Es entfallen langwierige, nachgelagerte Sinterprozesse und das Bauteil mit der optimalen Dichte und Präzision steht nach dem Druck bereit.
Metal Binder Jetting
Beim Metal Binder Jetting Verfahren wird ein Metallpulver nach einem CAD-Modell schichtweise mit einem flüssigen Binder gebunden. Das so entstandene “grüne” Teil wird dann thermisch nachbearbeitet (Entbindern), um den Binder zu entfernen, und verdichtet (gesintert), um das fertige metallische Werkstück zu erhalten.
Bewertung: Der eigentliche Druckprozess verläuft schnell, jedoch wird viel Zeit, bis zu 24h, durch die Prozesse des Entbinderns und Sinterns des Grünlings benötigt. Ein wesentlicher Nachteil des Binder Jetting-Verfahrens ist die geringe Toleranztreue, da die Bauteile nach dem Sinterprozess stark schrumpfen und somit die Maßhaltigkeit verloren geht.
Metallwerkstoff-Extrusion
Bei der Metallwerkstoff-Extrusion wird ein Filament oder Stab aus Polymer und Metallpulver geschmolzen und durch eine Düse auf eine Plattform extrudiert, um den Rohling schichtweise aufzubauen (FDM-Verfahren). Dieser wird dann nachbearbeitet (Entbindern und Sintern), wodurch das Ganzmetallwerkstück entsteht.
Bewertung: Beim MME-Verfahren wird ebenso wie beim Metal Binder Jetting viel Zeit für das Entbindern und Sintern benötigt. Darüber hinaus besteht auch hier eine geringe Toleranzgenauigkeit, was zu einem Verlust der Maßhaltigkeit nach dem Sinterprozess führt.
Directed Energy Deposition (DED)
Directed Energy Deposition wird häufig in Kombination mit Metallen (Pulver oder Draht) zur Oberflächenveredelung oder zur Reparatur und Modifizierung bestehender Bauteile eingesetzt. Je nach Verfahren wird das Material mit einem Laser, einem elektrischen Strahl oder einer Plasmaquelle aufgeschmolzen.
Bewertung: Nachteil hierbei ist, dass sich das Verfahren nicht zur Fertigung von neuen Objekten eignet, aber hervorragend für die Reparatur von Bauteilen.
Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM)
Bei Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) werden Metallfolien durch Ultraschallschweißen Schicht für Schicht aufgeschmolzen und durch CNC-Bearbeitung in die gewünschte Form gebracht.
Bewertung: Bestimmten Metallkombinationen eignen sich nicht für das UAM-Verfahren, da Probleme bei der Schichtverbindung auftreten. Zudem kommen nicht alle Metalle für das Verfahren infrage, was die Materialauswahl einschränkt.
Wie oben aufgeführt, gibt es verschiedene Metall-3D-Druckverfahren, die gezielt nach den gewünschten Anforderungen ausgewählt werden. Zu den heute vorherrschenden 3D-Druckverfahren mit Metall gehören: Pulverbettfusion (DMLS/SLM und EBM), gefolgt von Binder Jetting und Metallextrusion.
Metalle für den 3D Druck
Metalle für den 3Druck werden in unterschiedlicher Ausgangsform und Komposition verwendet (Pulver, Draht, Flüssigkeit, Filament), um Objekte zu erstellen. Ein bedeutender Vorteil zur traditionellen Metallfertigung ist, dass 3D Metall Drucker sehr gut hochfeste Materialien wie Nickel- oder Kobalt-Chrom-Superlegierungen verarbeiten können.
Die Metalle und Metalllegierungen Edelstahl, Titan, Aluminium, Kobalt-Chrom und Inconel sind für die meisten industriellen Anwendungen bestens geeignet. Von der Luft- und Raumfahrt bis zur Medizintechnik. Bemerkenswert ist, dass die für den Metall-3D-Druck verfügbaren Materialien ständig wachsen. Das spricht für die Verbreitung und Weiterentwicklung der Technologie.
- – Rostfreier Stahl (17-4PH oder 316L) und Werkzeugstahl verfügen über eine hohe Verschleißfestigkeit und Härte sowie über eine gute Duktilität und Schweißbarkeit.
- – Titan-Legierungen sind besonders korrosionsbeständig, biokompatibel, haben ein sehr gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht sowie eine geringe Wärmeausdehnung.
- – Aluminium-Legierungen haben gute mechanische und thermische Eigenschaften, verfügen über eine geringe Dichte und Härte sowie über eine gute elektrische Leitfähigkeit.
- – Kobalt-Chrom-Legierungen verfügen über eine sehr hohe Härte, sind besonders verschleiß-, hitze- und korrosionsbeständig sowie biokompatibel.
- – Superlegierungen auf Nickelbasis (Inconel) verfügen über sehr gute mechanische Eigenschaften, sind besonders korrosions- und temperaturbeständig, weshalb sie in extremen Umgebungen eingesetzt werden können.
- – Kupferbasierte Legierungen verfügen über hohe Temperatur- und Leitfähigkeiten, haben eine hohe Zug- und Streckfestigkeit und sind besonders korrosionsbeständig.
- – Edelmetalle wie Gold, Silber und Platin oder Exotische Metalle (Palladium, Tantal) können zwar mit 3D Metall Druckern verarbeitet werden, finden jedoch hauptsächlich Anwendung in der Schmuckherstellung.
Fazit - Metall 3D Druck
Metall 3D Druck ist ein zentrales Verfahren der additiven Fertigung, das auf dem Schichtaufbauprinzip basiert. Im Vergleich zu traditionellen Methoden ermöglicht der Metall-3D-Druck hohe Präzision, komplexe Formen, individuelle Anpassung und die Produktion kleiner Serien.
Zu den wichtigsten Anwendungsbereichen gehören das Gesundheitswesen (z. B. kundenspezifische Titanimplantate), die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und der Maschinenbau. Die Technologie hat sich bereits in vielen Branchen bewährt und bietet großes Potenzial für weiteres Wachstum.
The 2Create series— including 2Create, 2Create Desktop, and 2Create Plus, versatile metal 3D printing solutions tailored for various industries.
Hochleistungsfähige Metall 3D Drucker
Die 2Create Metall-3D-Drucker 2Create und 2Create Plus bieten alle Vorteile des Metall-3D-Drucks und überzeugen darüber hinaus mit folgenden Eigenschaften.
Vorteile auf einen Blick:
- Made in Germany
- Einfache Bedienung
- Material Vielseitigkeit
- Schneller Materialwechsel
- Sofortiges Drucken
- Kurze Produktionszeiten
- Kosteneffizienz
- Optimale Kundenbetreuung
Metall 3D Drucker
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FAQ: 3D-Druck von Metall
Können 3D Drucker Metall drucken?
Wie funktioniert Metall 3D Druck?
3D-Druck von Metall gehört zur additiven Fertigung und ist dadurch gekennzeichnet, dass Schichten eines Objekts schichtweise aufgebaut werden. Dies kann zum Beispiel durch das Schmelzen von Metallpulver mit einem Laser (SLM-Verfahren) geschehen.
Wie unterscheidet sich der Metall 3D Druck von konventionellen Verfahren?
Unter subtraktive Metallerzeugung, Bei der zerspanenden Bearbeitung wird das Material kontrolliert von einem Block abgetragen, bis die gewünschte Form erreicht ist. Bearbeitungsverfahren können sein: Drehen, Fräsen, Schleifen und Bohren von Hand oder durch CNC-Bearbeitung.
Material wird bei der formativen Fertigung weder hinzugefügt noch entfernt, die Ausgangsform wird dafür mit einer Guss- oder Presstechnik umgeformt. Bsp. Gießen oder Schmieden.
Was sind die Vorteile der additiven Fertigung mit Metall?
Metalldruckverfahren bieten im Vergleich zu herkömmlichen Metallherstellungsverfahren folgende Vorteile: Herstellung sehr komplexer Geometrien, hohe Präzision und Anpassungsmöglichkeiten, Leichtigkeit, Kosteneffizienz und Zeitersparnis, geringere Co-2-Emissionen und weniger Materialverbrauch und Abfall.
Unsere 3 Metall-3D-Drucker, 2Create, 2Create Desktop und 2Create Plusbasieren auf dem Laserstrahlschmelzen (SLM) und überzeugen durch ihre hohe Genauigkeit, Präzision, Geschwindigkeit, Effizienz, Materialvielfalt und Kosteneffizienz, wodurch sie sich für eine Vielzahl von Anwendungen eignen.
In welchen Bereichen wird Metall 3D Druck einegsetzt?
Diejenigen Branchen, deren Fertigungen einen hohen Individualisierungsgrad sowie komplexe Strukturen und Kosteneffizienz erfordern, profitieren besonders von der 3D Metalltechnologie.
Charakteristische Branchen sind: mMedizin (Prothetik in der Medizin- und Zahntechnik), Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie sowie Werkzeug- und Maschinenbau.
Was sind die bekanntesten Metall 3D Druckverfahren?
Es gibt verschiedene 3D-Druckverfahren für Metalle, die je nach den Fertigungszielen in Betracht gezogen werden können. Die Zu den heute vorherrschenden Verfahren gehören Laser Powder Fusion (DMLS/SLM und EBM), gefolgt von Metal Binder Jetting und Metal Extrusion.
Welche Metalle können 3D-gedruckt werden?
Metalle, die im Schichtbauverfahren (3D-Druck) in ein Objekt gedruckt werden, können in verschiedenen Materialzusammensetzungen (Pulver, Draht, Flüssigkeit, Filament) vorliegen.
<p<Strong>>Gebräuchliche Metalle für industrielle Anwendungen sind Rostfreier Stahl, Werkzeugstähle, Titanlegierungen, Aluminiumlegierungen, Nickelbasis-Superlegierungen, Kobalt-Chrom-Legierungen, Kupferbasis-Legierungen.Auch Edelmetalle (z. B. Gold, Silber, Platin) und exotische Metalle (z. B. Palladium und Tantal) werden in der Schmuckherstellung verarbeitet.
Weitere Links:
Autor: Markus Wolf
Leidenschaft für den 3D Druck und zugleich CTO und Mitgründer von 2onelab.
