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.
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 der 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 Weiterentwicklung des 3D Drucks. Essenziell für diese Branche ist dabei vor allem die Leichtbauweise, die sich bspw. durch interne Strukturen und Hinterschneidungen auszeichnet. Der 3D Metall Druck vereinfacht die Herstellung jener Bauteile und ermöglicht hierbei eine signifikante Gewichts- und Kostenreduktion der Fertigung, bei gleichzeitig hoher Stabilität und Qualität.
Autoindustrie
Auch in der Automobilindustrie konnte der Metall 3D Druck in kürzester Zeit Anwendung als Fertigungsmöglichkeit von Endprodukten finden. Hochleistungs- und Rennsportfahrzeuge sind gegenwärtig 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 Kühldüse aus Metall 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
Traditionelle Metallfertigungen, wie der subtraktiven (CNC-Bearbeitung) - oder formgebenden Fertigung (Metallguss), haben ihre eigenen Vorzüge und Einsatzmöglichkeiten. Der Metall 3D Druck bietet jedoch signifikante Vorteile, die für bestimmte Branchen einen besonderen Mehrwert bieten.
- 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 Ort der Produktion
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.
Vorteile von 2Create & 2Create Plus
2Create mit seinem großen Bruder 2Create Plus bieten alle Vorteile des Metall-3D-Drucks und überzeugen darüber hinaus mit folgenden Eigenschaften.
Die Vorteile auf einen Blick:
- Hergestellt in Deutschland
- Einfache Bedienung
- Material Vielseitigkeit
- Schneller Materialwechsel
- Sofortiges Drucken
- Kurze Produktionszeiten
- Kosteneffizienz
- Optimale Kundenbetreuung
3D Druckverfahren mit Metall
Erfahren Sie nachfolgend Näheres zu den gängigsten 3D Metalldruckverfahren mit weiteren Informationen zu den spezifischen Funktionsweisen.
Powder Bed Fusion
Beim Pulverbettverfahren werden mittels Hochleistungslaser (DMLS/SLM) oder Elektronenstrahl (EBM) Metallpulverpartikel selektiv miteinander verschmolzen, sodass Schicht für Schicht das Metallobjekt 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 Vefahren wird ein metallisches Pulver stellenweise mit einem flüssigen Bindemittel nach CAD-Modell schichtweise verbunden. Das daraus entstandenen „grüne“ Teil wird daraufhin zum Entfernen des Bindemittels thermisch nachbearbeitet (entbindert) 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.
Metal Material Extrusion
Bei der Material Extrusion mit Metall wird ein Filament oder Stab aus Polymer und Metallpulver aufgeschmolzen und durch eine Düse auf eine Plattform extrudiert, um den Rohling schichtweise aufzubauen (FDM-Verfahren). Dieser wird sodann nachbearbeitet (entbindert und gesindert), wodurch das vollmetallische Werkstück 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)
Das Auftragschweißverfahren in Kombination mit Metallen (Pulver oder Draht) kommt häufig bei der Oberflächenveredelung oder zur Reparatur und Modifikation von bestehenden Bauteilen zum Einsatz. Abhängig vom Verfahren wird der Werkstoff mit einem Laser, einem Elektrostrahl 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)
Metallfolien werden bei der Ultraschall-Additiv-Fertigung (UAM) per Ultraschallschweißen Schicht für Schicht verschmolzen und mittels 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, existieren verschiedene Metall 3D Druckverfahren, die gezielt nach den gewünschten Anforderungen ausgewählt werden. Zu den heute vorherrschenden 3D Druckverfahren mit Metall gehören: das Pulverbettverfahren (DMLS/SLM und EBM), gefolgt vom Binder Jetting und der 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 eignen sich dabei am besten für die meisten industriellen Anwendungen. Von der Luft- und Raumfahrt bis hin zur Medizintechnik. Bemerkenswert ist, dass die verfügbaren Materialien für den Metall 3D Druck stetig wachsen. Dies spricht für die Verbreitung und die 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
Der Metall 3D Druck gehört neben dem Kunststoffdruck zu den wichtigsten Verfahren der Additiven Fertigung, welche auf dem Schichtbauprinzip stützen.
Traditionelle Metallfertigungen, wie der subtraktiven- oder formgebenden Fertigungsverfahren, haben ihre eigenen Vorzüge und Einsatzmöglichkeiten. Im Vergleich zu diesen, bietet der 3D Druck mit Metall signifikante Vorteile, die in Hinblick auf Passgenauigkeit, komplexer Formen, hoher Individualisierungsmöglichkeiten und Kleinserienfertigungen für bestimmte Branchen besonders interessant sind.
Hierzu zählt das Gesundheitswesen (Prothetik in der Medizin- und Dentaltechnik), die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie sowie der Werkzeug- und Maschinenbau. Ein Beispiel zur Medizintechnik sind passgenaue Hüftimplantate aus Titan für Patienten.
Heutzutage konnte sich der Metall 3D Druck aufgrund dieser Vorteile bereits in vielen Branchen bewähren und bietet auch zukünftig erhebliche Chancen, um effizient weiterentwickelt und in anderen Gebieten eingesetzt zu werden.
FAQ: 3D-Druck von Metall
Können 3D Drucker Metall drucken?
3D Metall Drucker sind speziell konzipierte Maschinen, die über Softwareanweisungen Informationen zur Erstellung eines Objektes erhalten (CAD-Datei). Nach diesen Konstruktionsdaten werden die jeweiligen Ebenen mit dem Metallwerkstoff, beispielsweise mithilfe eines Lasers, aufgeschichtet (SLM-Verfahren).
Wie funktioniert der 3D Metalldruck?
Der Metall 3D Druck gehört zur Additiven Fertigung und zeichnet sich dadurch aus, dass Ebenen eines Objektes Schicht für Schicht aufgebaut werden. Dies kann beispielsweise durch das Aufschmelzen von metallischem Pulver mittels Laser erfolgen (SLM-Verfahren).
Wie unterscheidet sich der Metall 3D Druck zu konventionellen Methoden?
Bei der subtraktiven Metallfertigung wird Material von einem Block kontrolliert entfernt, bis die gewünschte Form erreicht wird. Bearbeitungsmethoden können sein: Drehen, Fräsen, Schleifen und Bohren manuelle oder per 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.
Welche Vorteile bietet die Additive Fertigung mit Metall?
Metalldruckverfahren bieten im Vergleich zu traditionellen Metallfertigungsverfahren folgende Vorteile: das Erstellen von sehr komplexen Geometrien, hochgradige Präzision und Individualisierungsmöglichkeiten, Leichtigkeit, Kosteneffizienz und Zeiteinsparung, reduzierte Co-2 Emissionen und weniger Materiabedarf - bzw. abfall.
Unsere beiden Metall-3D-Drucker, 2Create 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 werden Metall 3D Druck Anwendungen durchgeführt?
Diejenigen Branchen, deren Fertigungen einen hohen Individualisierungsgrad sowie komplexe Strukturen und Kosteneffizienz erfordern, profitieren besonders von der 3D Metalltechnologie.
Kennzeichnende Industrien sind dabei: Die Medizin (Prothetik in der Medizin- und Dentaltechnik), die Luft- und Raumfahrt, die Fahrzeugindustrie sowie der Werkzeug- und Maschinenbau.
Was sind die bekanntesten 3D Metalldruckverfahren?
Es existieren verschiedene Metall 3D Druckverfahren, die abhängig von den Fertigungszielen infrage kommen können. Zu den heute vorherrschenden Verfahren gehören: Laser Powder Fusion (DMLS/SLM und EBM), gefolgt vom Metal Binder Jetting und der Metal Extrusion.
Welche Metalle können mittels 3D Druck genutzt werden?
Metalle, die im Schichtbauverfahren (3D-Druck) in ein Objekt gedruckt werden, können in verschiedenen Materialzusammensetzungen (Pulver, Draht, Flüssigkeit, Filament) vorliegen.
Häufig verwendete Metalle für industrielle Anwendungen sind Edelstahl, Werkzeugstähle, Titanlegierungen, Aluminiumlegierungen, Nickelbasis-Superlegierungen, Kobalt-Chrom-Legierungen und Kupferbasislegierungen.
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
Leidenschaftlich für den 3D-Druck und gleichzeitig
CTO und Mitbegründer von 2oneLab.
