Der Einfluss des 3D-Metalldrucks auf die traditionellen Metallverarbeitungstechniken

In diesem Artikel wird erörtert, wie der 3D-Metalldruck neue Techniken zur Herstellung von Metall hervorbringt, die sich auf Methoden wie Gießen, Bearbeiten und Formen auswirken. Es wird auch erklärt, wie Metall durch kundenspezifischer 3D-Druck durchgeführt wird, und geben Sie eine allgemeine Bewertung der Auswirkungen auf die Lieferkette und die Kosten, Anwendungen, Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden und Nachteile.

Der Einfluss des 3D-Metalldrucks auf die traditionellen Metallverarbeitungstechniken

Metalldrucktechnik

Wir bezeichnen die 3D-Metalldrucktechnologie einfach als additive Fertigung von Metallen. Sie bezieht sich auf den Prozess der Herstellung von Metallobjekten durch eine additive Schichtfertigungstechnik. Einige wichtige Dinge, die Sie über die Metalldrucktechnologie wissen sollten:

Prozesse: Gängige 3D-Druckverfahren für Metall sind selektives Laserschmelzen (SLM), direktes Metall-Lasersintern (DMLS) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Bei diesen Verfahren werden mehrere dünne Schichten von Metallpulver geschmolzen und verschmolzen, um das endgültige feste Objekt zu bilden.

Materialien: Die verwendeten Materialien können unter anderem Edelstahl, Aluminium, Titan, Nickellegierungen, Kupfer und Kobalt-Chrom-Legierungen sein. Die Auswahl wird immer größer, da sich die Reaktionsfähigkeit verbessert.

Wie es funktioniert: Bei dieser Technik werden Schichten aus Metallpulver oder -draht mit Hilfe von Laser- oder Elektronenstrahlen mit Energie beaufschlagt und so verbunden, dass sie das geplante Design bilden. Jede nachfolgende Schicht haftet fest an der vorherigen Schicht und bildet so Schicht für Schicht das endgültige Teil.

Die wichtigsten Verfahren für den 3D-Druck von Metall

Die bekanntesten Methoden des 3D-Metalldrucks, die heute verwendet werden, sind SLM - selektives Laserschmelzen, DMLS - direktes Metall-Lasersintern und EBM - Elektronenstrahlschmelzen. Beim SLM und DMLS wird der Laserstrahl zum Schmelzen des Metallpulvers verwendet, während beim EBM die Pulverschichten mit Hilfe eines Elektronenstrahls geschmolzen werden. Auch beim selektiven Lasersintern wird das Multi-Jet-Fusion-Verfahren eingesetzt. Es wird immer besser, da es schneller druckt und in der Lage ist, verschiedene Materialien während des Druckvorgangs zu kombinieren.

Materialien für den 3D-Druck aus Metall

Materialien, die beim 3D-Metalldruck verwendet werden, sind Edelstahl, Aluminium, Nickellegierungen, Titan und Kupfer. Die Auswahl an Materialien wird immer größer, da sich die Technologie weiterentwickelt, um mehr industrielle Anforderungen und Wünsche zu erfüllen.

Herstellungstechniken

Traditionelle Metallverarbeitungsmethoden

Vor dem Aufkommen der additiven Fertigung gehörten zu den gängigen Verfahren zur Formung von Metallrohmaterial maschinelle Bearbeitungsverfahren wie Drehen, Fräsen und Schleifen, Umformverfahren wie Stanzen, Biegen und Drehen sowie das Gießen von geschmolzenem Metall in Formen. Diese subtraktiven und formgebenden Verfahren entfernen oder formen Schüttgut, um Teile in großen Mengen herzustellen, sind aber durch die Geometrien und Designs, die sie erzeugen können, begrenzt.

CNC-Bearbeitung

Bei der CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control) werden an mehrachsigen Maschinen angebrachte Schneidwerkzeuge verwendet, um auf der Grundlage von programmierten G-Code-Anweisungen überschüssiges Material von Metallwerkstücken zu entfernen. Sie bietet zwar Präzision, CNC-Bearbeitung erzeugt Späne und eignet sich am besten für die Herstellung von einfachen Profilen und nicht für komplizierte Innenausstattungen und leichte Konstruktionsmöglichkeiten.

Metallgießen

Bei Gießtechniken wie Sand-, Druck- und Feinguss werden verflüssigte Metalllegierungen in Formen gegossen und erstarren zu endkonturnahen Komponenten. Beim Gießen werden komplexe Teile hergestellt, die sich für die Produktion kleiner bis mittlerer Stückzahlen eignen, aber mit Kosten für die Herstellung der Formen verbunden sind.

Blechumformung

Verfahren wie Stanzen, Prägen, Biegen und Drehen formen Metallbleche und -platten durch Druckkräfte, die zwischen den Werkzeugen wirken, zu Teilen. Die Massenformung stellt identische Teile effizient her, hat aber im Vergleich zu den Möglichkeiten des 3D-Metalldrucks konstruktive Einschränkungen.

Auswirkungen auf die Produktion

Kürzere Lieferketten

Leitfaden zum 3D-Druck vereinfacht die Lieferketten durch die Integration mehrerer Fertigungsschritte in einen einzigen Prozess. Zwischenschritte wie Warm-/Kaltbearbeitung, Schneiden, Fügen oder Montage sind nicht mehr erforderlich. Teile können bei Bedarf überall dort hergestellt werden, wo ein 3D-Metalldrucker und Pulverlieferanten vorhanden sind, wodurch lange Fertigungsvorlaufzeiten und der Bedarf an Sicherheitsbeständen reduziert werden.

Reduzierter Abfall und Materialverbrauch

Da nur genau das Material aufgetragen wird, das benötigt wird, minimiert der 3D-Metalldruck den Abfall im Vergleich zu subtraktiven Techniken, bei denen überschüssiges Material entfernt wird. Teile mit nahezu voller Dichte benötigen 5-10% weniger Material als herkömmliche Gegenstücke und bis zu 97% Metallpulver können wiederverwendet werden. Dies senkt den Energieverbrauch und die Kosten und reduziert gleichzeitig die Umweltbelastung.

Niedrigere Kosten für kundenspezifische und Kleinserienproduktion

Die hohen Fixkosten herkömmlicher Massenproduktionsanlagen werden durch 3D-Drucker aus Metall vermieden, die geringere Investitionskosten erfordern. Dies macht die additive Fertigung für die Kleinserienproduktion attraktiv, da die Kosten pro Teil für nicht standardisierte oder maßgeschneiderte Komponenten nicht wesentlich steigen. Die Produktion von nur einer Auflage ist erschwinglich.

Erhöhte Designfreiheit und komplexe Geometrien

Additive Verfahren stellen weniger geometrische Anforderungen an das Teiledesign als die subtraktive Bearbeitung oder der 3D-Metalldruck mit formgebenden Verfahren. Komplizierte interne Gitterstrukturen, konforme Kühlkanäle und patientenspezifische Implantate sind ohne Werkzeugbeschränkungen möglich. Leichtbau kann auf Festigkeit optimiert werden.

Anwendungen für den Metalldruck

Luft- und Raumfahrtindustrie

Der 3D-Metalldruck ermöglicht es den Herstellern von Flugzeugen und Raumfahrzeugen, immer komplexere, kleinvolumige Komponenten wie Turbinenschaufeln und Wärmetauscher herzustellen. Teile mit optimierten Designs, die das Gewicht reduzieren, bringen erhebliche Leistungs- und Treibstoffeinsparungen. Titan- und Nickellegierungen werden häufig verwendet, um strenge mechanische Spezifikationen zu erfüllen.

Autoindustrie

Motorsport und High-End-Fahrzeuge sind die ersten Anwender von 3D-Metalldruckteilen für Anwendungen wie Motorkomponenten, da sie schnell und individuell angepasst werden können. Automobilhersteller, die in der Massenproduktion tätig sind, untersuchen ebenfalls Möglichkeiten, wie z.B. Hitzeschilde, die leichte Gitterstrukturen nutzen. Aluminiumlegierungen sind beliebte Materialien.

Medizinische Industrie

Die regulierte Produktion von biokompatiblen Implantaten, Prothesen und chirurgischen Instrumenten aus Titan- und Kobalt-Chrom-Legierungen ist gut etabliert. Maßgeschneiderte Produkte verbessern die Ergebnisse für den Patienten und die Kosteneffizienz im Vergleich zu Alternativen von der Stange.

Andere Industrien

Die additive Fertigung unter Verwendung von Metallen wie rostfreiem Stahl dehnt sich auf Bereiche wie Industriemaschinen, Öl/Gas, Verteidigung und Energieerzeugung aus. Spezialanwendungen nutzen die Designfreiheit, während die allgemeine Fertigung die Kosteneffizienz im Vergleich zur traditionellen Produktion untersucht.

Prozess-Vergleich

Vorteile des 3D-Drucks von Metall

Die additive Fertigung ermöglicht im Vergleich zu subtraktiven Techniken eine höhere geometrische Komplexität, Designoptimierung und personalisierte Fertigung. Die Vereinfachung der Lieferkette und die Reduzierung des Abfalls senken die Kosten, während die Skalierbarkeit der Produktion bei kleinen bis mittleren Stückzahlen von Vorteil ist. Komplexe interne Gitterstrukturen sind möglich.

Beschränkungen des 3D-Drucks von Metall

Die gesamten mechanischen Eigenschaften können je nach Ausrichtung des Materials variieren. Manchmal ist eine Nachbearbeitung erforderlich. Höhere Materialkosten und längere Bauzeiten als bei der Massenproduktion schränken die Anwendungen ein. Große Teile können die Abmessungen des Druckers überschreiten. Es gibt weniger verfügbare Metallsorten im Vergleich zu Standard-Knetlegierungen.

Wann wird die traditionelle vs. die additive Fertigung eingesetzt?

Die herkömmliche Fertigung bietet Vorteile für standardisierte Komponenten in großen Stückzahlen, da sie Größenvorteile bietet. Komplexes Gießen ist für große, niedrigvolumige Spezialteile geeignet. Die Wahl des optimalen Verfahrens hängt vom Design/Material des Teils, dem Produktionsumfang/der Produktionshäufigkeit und der Frage ab, ob die Standard- oder kundenspezifische Geometrie den Herstellungsansatz beeinflusst. Oftmals werden beide Methoden innerhalb einer Branche integriert.

Technologie-Integration

Kombination von traditionellen und additiven Methoden

Anstatt alte Techniken zu ersetzen, 3D-Druck im Prototyping integriert sich in das Ökosystem der Fertigung. Der endkonturnahe Guss liefert Material für die CNC-Bearbeitung. Gedruckte Formen stellen Gussteile auf konventionelle Weise her. Subtraktive Verfahren stellen halbfertige gedruckte Teile her, die enge Toleranzen erfordern. Hybride Verfahren nutzen die Vorteile der jeweiligen Methode für Multi-Materialien und Multi-Attribute-Ergebnisse.

Outsourcing an spezialisierte Hersteller

Während größere OEMs über eigene 3D-Metalldruckkapazitäten verfügen, profitieren viele Zulieferer vom Outsourcing additiver Metalldruckaufträge. Auftragsfertiger bieten einen kostengünstigen Zugang zu fortschrittlicher Fertigung ohne große Kapitalanlage. Die Partner bieten Unterstützung bei der Anwendungsentwicklung, Produktionsoptimierung, Nachbearbeitung, Tests und Zertifizierungsdienste. Kunden konzentrieren sich auf ihre Kernkompetenzen, während Spezialisten die technische und regulatorische Konformität für neue Produkteinführungen sicherstellen.

Fazit

Die Integration des 3D-Metalldrucks in die reguläre Fertigung gewinnt an Dynamik, da sich beide Technologien rasch weiterentwickeln. Während die traditionelle Fertigung für die Großserienproduktion wichtig bleiben wird, sorgen die Vorteile der additiven Fertigung in Bezug auf die Komplexität des Designs, die Effektivität der Lieferkette und die kundenspezifischen Komponenten in kleinen Stückzahlen dafür, dass sie sich in allen Branchen durchsetzen wird.

Da Verbesserungen bei Material und Geschwindigkeit die Kosten der Technologie senken, wird der 3D-Metalldruck zunehmend mit der traditionellen maschinellen Bearbeitung konkurrieren, nicht nur bei Prototypen, sondern auch bei Produktionsteilen für den Endverbrauch. Die sich ergänzenden Vorteile beider Fertigungsverfahren werden auch durch hybride automatisierte Lösungen verstärkt genutzt werden. Letztendlich werden die revolutionären Fähigkeiten der additiven Fertigung, Design- und Fertigungsabläufe zu verändern, ihren wachsenden Einfluss auf zukünftige Industriestandards und die globale Wettbewerbsfähigkeit vorantreiben.

FAQs

Welche Materialien können für den 3D-Metalldruck verwendet werden?

Zu den gängigen Materialien gehören Stahl, Aluminium, Titan, Nickelsuperlegierungen und Kupfer. Eine zunehmende Vielfalt von Metalllegierungen wird für additive Verfahren bewertet und optimiert.

Wie lange dauert es, ein Metallteil in 3D zu drucken?

Die Druckzeiten variieren erheblich und hängen von Faktoren wie Material, Teilegröße und Druckertyp/-einstellungen ab. Einfache Teile können ein paar Stunden dauern, während komplexere Designs mehrere Tage benötigen, um Schicht für Schicht aufgebaut zu werden.

Ist eine Nachbearbeitung für 3D-gedruckte Metalle erforderlich?

Einige Arten der Nachbearbeitung wie Reinigung, Wärmebehandlung oder Bearbeitung können erforderlich sein, um die endgültigen Abmessungen und mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Auch die Entfernung von Stützstrukturen ist in der Regel erforderlich.

Welche Branchen verwenden 3D-gedruckte Metallteile?

Zu den wichtigsten Sektoren gehören die Luft- und Raumfahrt, das Gesundheitswesen, die Automobilindustrie, Industrieanlagen und Konsumgüter. Spezialisierte Anwendungen finden sich in den Bereichen Verteidigung, Öl/Gas, Marine und mehr.

Wie hoch sind die Kosten für den 3D-Druck von Metall im Vergleich zur herkömmlichen Fertigung?

Für kleine Chargen und komplexe, kundenspezifische Designs ist die additive Fertigung oft günstiger. Bei größeren Produktionsmengen sind konventionelle Verfahren aufgrund ihrer Skaleneffekte in der Regel vorzuziehen.