Die Kraft der hybriden Metallfertigung: Nutzung von 3D-Druck und traditionellen Methoden

Die hybride Metallfertigung integriert additive und subtraktive Verfahren, um Design und Produktion von Metallteilen zu optimieren. In diesem Artikel erfahren Sie, wie die Kombination von 3D-Druck, Bearbeitung, Umformung und mehr neuartige Designs in Branchen ermöglicht, die komplexe, kundenspezifische Metallkomponenten mit verbesserten Eigenschaften suchen.

Hybride Metallherstellung: Die Kombination von Tradition und Technik

Ein neuer Ansatz für die Fertigung

Die konventionelle Herstellung von Hybridmetallen verändert sich durch die Möglichkeit, dass metallische 3D-Druck und der additiven Fertigung besitzen, in dem sie die Entwicklung neuer, in der Fertigung nicht verwendeter Formen ermöglichen. Aber auch diese neuen Techniken unterliegen Einschränkungen in Bezug auf die Größe und Komplexität der Konstruktion, die mögliche Auflösung und die Materialeigenschaften.

Das Beste aus beiden Welten vereinen

Der vorgeschlagene Ansatz besteht darin, die additive Fertigung in Synergie mit den herkömmlichen Metallbearbeitungstechniken einzusetzen. Komplexe innere Strukturen können 3D gedruckte Teile innerhalb größerer Bauvolumen. Komplizierte Außenflächen können mit hoher Präzision bearbeitet werden. Verschiedene Legierungen mit optimierten Eigenschaften können miteinander verbunden werden.

Dieser hybride Ansatz eröffnet neue Funktionalitäten und verbessert die Leistung der Teile. Komplexe Montageschritte können durch integrales Design reduziert oder eliminiert werden. Leichtere und dennoch hochfeste Komponenten sparen Materialkosten und verbessern die Nachhaltigkeit.

Die Zukunft der hybriden Metallfertigung liegt in der effektiven Kombination dieser Techniken auf der Grundlage der spezifischen Teileanforderungen. Sowohl Forscher als auch die Industrie erforschen aktiv neue hybride Arbeitsabläufe, um die Metallherstellung auf die nächste Stufe zu heben.

Hintergrund und Definitionen

In diesem Artikel wird die Additive Fertigung (AM), auch bekannt als 3D-Druck, als Technologie definiert, bei der dreidimensionale Teile durch Verfahren hergestellt werden, bei denen Schichten von Material aufgebaut werden. Im Falle der Metall-AM bedeutet dies, dass das Material mit einem Hochleistungslaser oder Elektronenstrahl geschmolzen wird, während die Metallpulver in einem schichtweisen Prozess miteinander verbunden werden. Herkömmliche Metallbearbeitungsverfahren umfassen mechanische Vorgänge wie Schneiden, Biegen und Lochen. Fabrikationsverfahren wie Gießen, Schmieden, Biegen und andere kennzeichnen die Metallformung durch Gießen oder mechanischen Druck. Verbindungstechniken wie Schweißen und Löten verschmelzen separate Metallteile miteinander.

Die hybride Metallfertigung kombiniert strategisch diese additiven und traditionellen Methoden. AM wird für komplexe Innengeometrien oder leichte Gitterstrukturen verwendet, die mit anderen Methoden nicht machbar sind. Die traditionelle maschinelle Bearbeitung liefert die erforderlichen hochpräzisen Oberflächen und engen Toleranzen. Im Automobilbau verwendete Legierungen wie hohe Festigkeit und hohe Korrosionsbeständigkeit können mühelos kombiniert werden. Durch diese Integration von Ansätzen wird das Beste aus jeder Methode herausgeholt und gleichzeitig werden ihre Auswirkungen überwunden, so dass funktionelle, leistungsstarke und kostengünstige Produkte für den Einsatz in Luft- und Raumfahrt, Elektronik, medizinischund andere Branchen.

Motivation für hybride Fertigung

Es gibt mehrere wichtige Gründe für die Einführung von Hybridmetallfertigungsverfahren:

• Sie ermöglicht die Herstellung von Teilen und Komponenten mit komplexen Geometrien, die mit traditionellen Methoden allein nicht möglich sind.
• Interne Merkmale können durch additive Verfahren auf Festigkeit, geringes Gewicht oder funktionale Anforderungen optimiert werden.
• Präzision und engere Toleranzen für Außenflächen und bewegliche Teile erfordern traditionelle Bearbeitungsmöglichkeiten.
• Verschiedene metallische Werkstoffe, die für unterschiedliche Anwendungen optimiert sind, wie Legierungen mit hoher Festigkeit oder Korrosionsbeständigkeit, können miteinander verbunden werden.
• Insgesamt ermöglicht es den Entwurf und die Herstellung von Strukturen mit verbesserter Funktionalität zu geringeren Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Methoden.
• Umfang der Überprüfung

Diese Übersicht gibt einen Überblick über die aktuelle Forschung und Anwendungen der hybriden Metallfertigung. Es werden einige der wichtigsten additiven und traditionellen Techniken vorgestellt, die in innovativen neuen Arbeitsabläufen kombiniert werden. Einige Beispiele für die Kombination verschiedener Methoden zur Herstellung komplexer Metallteile für Branchen wie die Luft- und Raumfahrt und die Biomedizin werden ebenfalls analysiert. Die Grenzen dieser Vision und einige der Probleme, die bei ihrer Umsetzung auftreten können, werden ebenfalls beleuchtet.

Ziel dieser Übersicht ist es, nicht nur den aktuellen Stand der Technik in der hybriden Metallfertigung der nächsten Generation darzustellen, sondern auch die zukünftigen Entwicklungen zu erörtern, die durch die in diesem Beitrag besprochenen hybriden Methoden möglich sind.

Klassifizierung der hybriden Fertigung

Es gibt mehrere Hauptklassifizierungen der hybriden Metallfertigung, die auf den Stufen basieren, die in die traditionellen Techniken integriert sind:

• Hybride Nachbearbeitungsverfahren nutzen subtraktive Methoden wie die maschinelle Bearbeitung, um die Oberflächengüte von additiv gefertigten Teilen zu verbessern.
• Near-Net-Shape-Hybride zielen darauf ab, die additiven Vorlaufzeiten durch eine erste traditionelle Formgebung vor dem 3D-Druck feiner Details zu reduzieren.
• Multimaterial-Hybride verbinden verschiedene AM-gefertigte Legierungen mit unterschiedlichen Eigenschaften.
• Tolerierte Hybride nutzen die Präzision des Fräsens oder Drehens, um AM-Vorformlinge nach technischen Zeichnungen zu bearbeiten.
• Topologie-Hybride optimieren interne Strukturen durch AM und traditionelles Fügen dieser Architektur.
• Hybride Fertigungstechnologien für Metall

Zeitplan für die Entwicklung

Metall-AM hat seine Wurzeln im Jahr 1980 und hat einen langen Weg zurückgelegt. Die ersten Technologien umfassten SLS und 3D-Druck von Metallen mit verbindenden polymeren Bindemitteln. Die Modernisierung der Pulverbettfusion und der gerichteten Energieabscheidung wurde in den 2000er Jahren kommerzialisiert. Die letzten Jahre haben die AM von Hochleistungslegierungen sowie von Multimaterial- und Multimaterial-3D-Druck.

Klassifizierung von AM-Prozessen

Es gibt zwei allgemeine Untergruppen von Metall-AM-Techniken: Pulverbettfusion und gerichtete Energieabscheidung. Bei der Pulverbettfusion werden Metallpulver miteinander verbunden, indem nacheinander dünne Schichten von Metallpulvern mit Hilfe von thermischer Energie wie Laser oder Elektronenstrahlen aufgetragen werden. Neue Pulverschichten werden aufgebracht und dann miteinander verschmolzen. Bei der gerichteten Energieabscheidung wird fokussierte thermische Energie (Laser- oder Elektronenstrahl) eingesetzt, um Materialien (Pulver oder Draht) zu verschmelzen, während sie additiv Schicht für Schicht aufgetragen werden.

Pulverbettschmelzverfahren

Selektives Laserschmelzen (SLM) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM) sind die beiden grundlegenden Ansätze des Pulverbettschmelzverfahrens. Beim SLM fegt ein Laser einfach durch das Pulverbett, um ein bestimmtes Teilchen mit einem anderen Teilchen zu verschmelzen. Beim EBM werden die Metallpulver mit Hilfe eines fokussierten Elektronenstrahls gut aufgeschmolzen und verschmolzen. Bauteile können aus 3D-Modelldaten mit variablen Hierarchieebenen auf laminare Weise konstruiert werden.

Gerichtete Energieabscheidungsprozesse

Zu den Verfahren der gerichteten Energieabscheidung (DED) gehören die lasergestützte Netzformung (LENS) und die Freiformherstellung mit Elektronenstrahlen. A Fused Deposition Modeling Eine thermische Energiequelle wird verwendet, um Materialien (z.B. Metalldraht oder Pulver) zu verschmelzen, während sie aufgebracht werden. Das Verfahren ermöglicht Reparaturen oder die Herstellung von Hybridmetall durch Aufbringen von Materialien auf ein bestehendes Teil. Die Teile werden direkt hergestellt, ohne dass Stützstrukturen erforderlich sind.

Hybride additive Fertigung mit mehreren thermischen Energiequellen

Das Interesse an hybriden AM-Ansätzen, die mehrere fokussierte thermische Energiequellen wie Laser und Elektronenstrahlen nutzen, hat zugenommen. Auf diese Weise können die Vorteile verschiedener Energie-Material-Wechselwirkungen kombiniert werden.

Laserunterstützte GMA-DED / PA-DED

GMAW-DED oder PAW-DED verwendet einen Gas-Metall-Lichtbogen oder Plasmaschneiden Brenner zum Auftragen des Schweißmaterials. Ein koaxialer Laser sorgt für zusätzliche lokale Erwärmung, um die Auftragrate und die Kontrolle zu erhöhen. Dies verbessert das Auftragen von reaktiven Legierungen und ermöglicht das Auftragen von unterschiedlichen Materialien.

Laserunterstützte GTA-DED

GTAW-DED verwendet einen Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißbrenner zum Auftragen des Materials. Ein Laser heizt das Schweißbad zusätzlich auf, um die Geometriekontrolle zu verbessern. Dies erleichtert die AM von schwer zu schweißenden Legierungen mit hoher Leitfähigkeit wie Kupfer.

Analyse und Herausforderungen

Die Verwendung von zwei Energiequellen schafft mehr Flexibilität bei der Konstruktion, führt aber zu einer höheren Komplexität bei der Prozesssteuerung und -optimierung. Faktoren wie Energiekopplung, Sequenzierung und Positionierung müssen berücksichtigt werden. Eigenspannungen und Verformungen durch die Erwärmung mit mehreren Energiequellen müssen ebenfalls analysiert werden. Weitere Arbeiten zielen darauf ab, die Materialleistung dieser fortschrittlichen Hybrid-Metallfertigungsverfahren vollständig zu charakterisieren.

Hybride additive Fertigung mit Materialabtragungsverfahren

Die Integration der Materialentfernung in die hybride Metallfertigung erweitert den Designspielraum und verbessert die Qualität der Teile. Dies geschieht in der Regel nach der Abscheidung, kann aber auch in der Mitte des Fertigungsprozesses erfolgen.

Integration während des Herstellungsprozesses

Ein gängiger Ansatz ist die Grobbearbeitung eines Substrats oder einer Grundplatte vor dem AM. Dadurch werden die ursprüngliche Teilegeometrie und die Klemmflächen für eine sichere Befestigung während der anschließenden Abscheidung festgelegt.

Alternativ können erste "Vorformen" von kritischen Merkmalen additiv hergestellt und dann mit subtraktiven Werkzeugen weiter bearbeitet werden. Zum Beispiel können komplizierte Kühlkanäle durch Laser-Metallabscheidung vorgeformt werden, bevor sie auf die endgültigen Abmessungen gebracht werden.

Bei einigen Technologien wie dem Shape Deposition Manufacturing (SDM) wird zwischen den vertikalen Abscheidungsschichten gefräst. Dadurch werden raue, geneigte Oberflächen verfeinert und die Positionsgenauigkeit für die nächste Ablagerung bewahrt.

Die Arbeit zielt auch auf die Entwicklung von Fähigkeiten zur In-Prozess-Bearbeitung ab. Ein einziehbarer Werkzeugkopf könnte Stützstrukturen während des Aufbaus entfernen oder die Ablagerungsbahn und die Geometrie in Echtzeit verändern.

Herausforderungen und Lösungen

Wenn Sie die Materialentfernung integrieren, besteht die Gefahr, dass das Material im abgeschiedenen Zustand beschädigt oder abgebaut wird. Laserschneidetechnik Schmier- und Kühlmittel müssen sorgfältig ausgewählt werden, damit sie nicht mit den Legierungen reagieren oder diese schwächen.

Die Robustheit von Spannvorrichtungen ist entscheidend für die präzise Positionierung von Teilen für die Nachbearbeitung. In-Prozess-Ansätze erfordern eng koordinierte Mehrkopfsysteme. Eigenspannungen durch lokales Erhitzen und Abkühlen erschweren die Stabilität der Teile zusätzlich.

Um dieses Problem zu lösen, verwenden viele hybride Metallherstellungsprozesse berührungslose Bearbeitungsmethoden wie Ultraschall oder Laserablation, um mechanische Belastungen zu vermeiden. Die Prozessüberwachung in Echtzeit ermöglicht auch eine Rückkopplungskontrolle der verschiedenen Fertigungsschritte.

Hybride additive Fertigung aus Metall mit Umformverfahren

Prozesse der Wärmebehandlung

Additiv gefertigte Teile werden häufig einer Wärmebehandlung durch Lösungsglühen und Glühen unterzogen, um innere Spannungen abzubauen und Kornstrukturen zu verfeinern. Bei einigen hybriden Metallfertigungstechniken werden lokale Wärmebehandlungen direkt in den AM-Prozess integriert.

Zum Beispiel kann die lasergestützte direkte Metallabscheidung das Material im Bereich des Schmelzbades sofort lösen, wenn es erstarrt. Dies verbessert die Streckgrenze und behebt Probleme wie Versprödung.

HIP und Kaltbearbeitung

Heißisostatisches Pressen (HIP) verdichtet poröse, abgeschiedene Materialien auf nahezu theoretische Dichten und verbessert so die Eigenschaften. Bei einigen Ansätzen wird HIP in der Mitte des Bauprozesses eingesetzt, um Bereiche wie tragende Regionen selektiv zu verdichten und gleichzeitig die Gitterstrukturen zu erhalten.

Kaltwalzen, Kugelstrahlen und andere Oberflächenbehandlungen werden ebenfalls eingesetzt, um die Vorteile der Kaltverfestigung zu erzielen, ohne dass es zu Verformungen durch die Massenverarbeitung kommt.

Integration mit Massivumformungsverfahren

Schmieden

Das Freiformschmieden oder Gesenkschmieden wird verwendet, um additiv geformte Vorformlinge zu netzförmigen oder netznahen Komponenten zu verfestigen und zu verformen. Die ersten AM-Designs optimieren die Materialplatzierung für eine effektive Umformung ohne Defekte.

Biegen und Drehen

Blechlaminierung oder lineare Abscheidetechniken ermöglichen die Formung zylindrischer oder konischer Hybridmetallteile durch spätere Drück- oder Biegevorgänge wie das Fließpressen.

Integration mit Blechumformungsprozessen

Plattenmaterial mit definierten Heterogenitäten kann additiv verarbeitet und dann mit herkömmlichen Stanz- oder Hydroforming-Methoden zu komplexen 3D-Formen geformt werden. Die durch die additive Strukturierung erzielte abgestufte Steifigkeit verbessert die Duktilität der Form.

Integration mit Fügeverfahren durch Umformen

Extrusionsbasierte AM ermöglicht ein schmiedeähnliches Fügen und Formen von Baugruppen aus der Hybridmetallfertigung. Die Ausgangsprofile können additiv abgeschieden und dann kontinuierlich durch lokale Hitze und Kompression zusammengefügt und konsolidiert werden. So entstehen komplexe integrierte Metallgerüste.

Fazit

Die hybride Metallfertigung ist ein sich schnell entwickelnder Bereich, der die Stärken sowohl der additiven als auch der traditionellen Metallbearbeitungstechniken nutzt. Durch die strategische Integration verschiedener Verfahren in verschiedenen Phasen der Komponentenherstellung können Hersteller geometrisch komplexe Metallteile mit optimierter Leistung herstellen. Die kundenspezifische Designfreiheit und die Materialeigenschaften, die durch hybride Arbeitsabläufe erreicht werden können, erweitern das Anwendungspotenzial von gefertigten Metallprodukten weiter.

Es sind jedoch noch weitere Entwicklungen erforderlich, um die Möglichkeiten dieses Ansatzes voll auszuschöpfen. Weitere Forschungen zur Synchronisierung mehrerer Köpfe, zur Prozesssteuerung für kombinierte Eingaben und zu robusten Vorrichtungslösungen können die Qualität der Teile und die Wiederholbarkeit der Fertigung verbessern. Neue Metalllegierungen und Wärmebehandlungsverfahren könnten ebenfalls erforderlich sein, um den Anforderungen integrierter Verarbeitungsprozesse gerecht zu werden. Es müssen weiterhin Standards entwickelt werden, um hybride Metallfertigungsteile für kritische Industrien zu qualifizieren.

FAQs

F: Was sind einige gängige Arbeitsabläufe in der Hybridfertigung?

A: Zu den gängigen Ansätzen gehören die hybride Metallfertigung komplexer Kerne und Einsätze in Kombination mit der traditionellen Bearbeitung der Außenflächen, die additive Schichtung verschiedener Legierungen, die durch Schweißen verbunden werden, und die Integration von Umformung, Wärmebehandlung oder Fügen mit 3D-gedruckten Vorformen.

F: Was sind die Vorteile der hybriden Fertigung?

A: Es ermöglicht die Optimierung des Teiledesigns für verschiedene hybride Metallfertigungstechniken, die Verbesserung der Eigenschaften durch die Integration mehrerer Materialien, die Reduzierung von Montageschritten und die Erzielung engerer Toleranzen im Vergleich zu rein additiven Ansätzen.

F: Welche Herausforderungen gibt es bei der hybriden Fertigung?

A: Die Integration verschiedener Prozesse birgt das Risiko von Beschädigungen oder Zersetzungen, Eigenspannungen durch mehrstufiges Erhitzen/Kühlen sind komplex zu bewältigen, und eng synchronisierte Mehrkopfsysteme erfordern eine verfeinerte Prozesssteuerung.

F: In welchen Branchen werden hybride Techniken eingesetzt?

A: Zu den Schlüsselsektoren gehören die Luft- und Raumfahrt, das Gesundheitswesen, die Automobilbranche und der Energiesektor, in denen die Anforderungen an Festigkeit, Komplexität und individuelle Anpassung innovative Metallverarbeitungsmethoden vorantreiben.\