3D-Druck mit Metallpulver revolutioniert die Fertigung in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und der Automobilindustrie. Mit dieser fortschrittlichen additiven Fertigungstechnologie können komplexe Metallteile direkt aus 3D-CAD-Daten durch selektives Schmelzen von Schichten aus feinem Metallpulver hergestellt werden.
Dieser umfassende Leitfaden beleuchtet alle Aspekte des 3D-Drucks mit Metallpulver, damit Sie die Technologie und ihre Anwendungen besser verstehen.
Überblick über den 3D-Druck mit Metallpulver
Der 3D-Druck von Metall, auch bekannt als direktes Metall-Lasersintern (DMLS) oder selektives Laserschmelzen (SLM), ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein Hochleistungslaser eingesetzt wird, um feines Metallpulver zu festen 3D-Objekten zu verschmelzen.
Ein 3D-Drucker baut Metallteile Schicht für Schicht aus pulverförmigen Metallmaterialien wie Aluminium, Titan, Nickellegierungen und Edelstahl auf. Die Technologie bietet eine beispiellose Designfreiheit und beeindruckende Materialeigenschaften, die von der herkömmlichen Fertigung nicht erreicht werden.
Wichtige Details zum 3D-Druck mit Metallpulver:
| Parameter | Einzelheiten |
|---|---|
| Technologie | Pulverbettschmelzverfahren mit Laser zum selektiven Schmelzen von Metallpulver |
| Materialien | Aluminium, Titan, Nickel, rostfreier Stahl, Kobalt-Chrom, Edelmetalle |
| Hardware | 3D-Drucker mit Hochleistungslaser, Pulverbett, Rake-System |
| Prozess | Auftragen einer dünnen Pulverschicht, selektives Schmelzen mit dem Laser, Hinzufügen von Schichten zur Herstellung von Teilen |
| Eigenschaften | Hohe Festigkeit, gleichmäßig verteiltes Material, komplexe Innengeometrie |
| Anwendungen | Luft- und Raumfahrt, medizinische Implantate, Automobilbau, Werkzeugbau, Schmuck |
| Vorteile | Designfreiheit, Gewichtsreduzierung, Teilekonsolidierung, Rapid Prototyping |
| Beschränkungen | Hohe Gerätekosten, begrenzte Größe, Nachbearbeitung erforderlich |
Diese additive Fertigungsmethode bietet zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen subtraktiven Verfahren wie der CNC-Bearbeitung, z. B. eine größere Designfreiheit, die Konsolidierung von Teilen, die schnelle Erstellung von Prototypen und eine erhebliche Gewichtsreduzierung. Die Möglichkeit, komplexe Metallkomponenten in 3D zu drucken, ermöglicht wichtige Innovationen in allen Branchen.
Metallpulver-3D-Druckverfahren
Für den 3D-Druck von Metallen gibt es mehrere ähnliche Pulverbettschmelzverfahren:
Metall-Pulverbett-Schmelzverfahren
| Prozess | Einzelheiten |
|---|---|
| Direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS) | Verwendet einen Laser zum selektiven Schmelzen von Metallpulver in einer Inertgasatmosphäre |
| Selektives Laserschmelzen (SLM) | Sehr ähnlich wie DMLS, schmilzt Pulver vollständig zu festen Teilen |
| Elektronenstrahlschmelzen (EBM) | Verwendet Elektronenstrahl anstelle von Laser für höhere Aufbauraten |
| Selektives Laser-Sintern (SLS) | Sintert Pulver zu einem festen Teil zusammen, ohne vollständig zu schmelzen |
| Direktes Metall-Laserschmelzen (DMLM) | Ein anderer Begriff für das DMLS-Verfahren |
| LaserCUSING | Von Concept Laser entwickeltes Verfahren |
| LASFORM | Prozess von DMG MORI |
Die am häufigsten verwendeten Technologien sind DMLS und SLM. Bei beiden wird ein leistungsstarker Ytterbium-Faserlaser verwendet, um das Metallpulver vollständig zu schmelzen und zu verschmelzen, um 3D-Objekte aus CAD-Daten zu erzeugen.
Der Hauptunterschied zwischen SLM und DMLS besteht darin, dass SLM auf ein vollständiges Aufschmelzen und dichte Teile abzielt, während DMLS Teile mit einer gewissen Porosität zwischen den Pulverpartikeln erzeugen kann. Die Begriffe werden jedoch häufig synonym verwendet.
Beim Elektronenstrahlschmelzen (EBM) wird anstelle eines Lasers eine Elektronenstrahl-Wärmequelle verwendet, was eine höhere Fertigungsgeschwindigkeit ermöglicht. EBM kann jedoch nur bei leitfähigen Materialien wie Titan- und Nickellegierungen eingesetzt werden.
Beim selektiven Lasersintern (SLS) werden niedrigere Temperaturen verwendet, um das Pulver zu festen Teilen zu verschmelzen, ohne den vollen Schmelzpunkt zu erreichen. Dadurch entstehen porösere Metallteile.
Metallische Werkstoffe für den 3D-Pulverbettdruck
Eine Reihe von Metallen und Legierungen kann zu feinen Pulvern verarbeitet werden, die in 3D-Pulverbettdruckverfahren verwendet werden:
Metalle für den 3D-Pulverbettdruck
| Material | Einzelheiten | Anwendungen |
|---|---|---|
| Titan | Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, biokompatibel | Luft- und Raumfahrt, medizinische Implantate |
| Aluminium | Leichtes Gewicht, hohe Festigkeit | Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt |
| Nickel-Legierungen | Korrosionsbeständigkeit, hohe Festigkeit | Luft- und Raumfahrt, Marine |
| Rostfreier Stahl | Korrosionsbeständigkeit, hohe Härte | Industrieller Werkzeugbau, Formen |
| Kobalt-Chrom | Biokompatibel, trägt sich gut | Zahnärztliche, medizinische Implantate |
| Edelmetalle | Schmuck, Haltbarkeit | Juwelen, Luxusgüter |
| Werkzeugstähle | Hitzebeständigkeit, Härte | Metallumformung, Spritzgussformen |
| Legierte Stähle | Hohe Festigkeit, Schlagzähigkeit | Industrielle Verschleißteile |
Die am weitesten verbreiteten Metalle sind Titanlegierungen und Aluminium aufgrund ihres hohen Festigkeits-/Gewichtsverhältnisses. Inerte Nickellegierungen wie Inconel werden gerne in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Pulver aus rostfreiem Stahl und Werkzeugstahl ergeben haltbare Metallteile mit hervorragender Härte und Verschleißfestigkeit.
Edelmetalle wie Gold, Silber und Platin ermöglichen den direkten 3D-Druck von Schmuck und Luxusartikeln. Für maßgeschneiderte medizinische Implantate werden oft biokompatible Legierungen wie Titan oder Kobalt-Chrom verwendet.
Metallpulver für AM werden durch Gas- oder Wasserverdüsung zu präzisen Partikelgrößen hergestellt, die optimal für die Auflösung des Pulverbettdrucks geeignet sind.
Anwendungen des Metallpulverbett-3D-Drucks
Die additive Fertigung von Metallen ermöglicht die Herstellung komplexer, leichter Teile in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin-, Dental-, Automobil- und Industrietechnik.
Industrieanwendungen für den 3D-Druck im Metallpulverbett:
| Industrie | Anwendungen | Vorteile |
|---|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Flugzeugkomponenten, Turbinen, Raketenteile | Gewichtsreduzierung, optimierte Geometrie |
| Medizinische | Orthopädische Implantate, chirurgische Instrumente | Biokompatibel, personalisiert |
| Automobilindustrie | Leichte Teile, kundenspezifische Werkzeuge | Schnellere Entwicklung, Konsolidierung |
| Industriell | Spritzgussformen, Vorrichtungen, Halterungen | Optimierte konforme Kühlung |
| Schmuck | Ringe, Anhänger, Uhren | Einzigartige Geometrien, Gold/Silber |
| Zahnärztliche | Kronen, Brücken, Aligner | Individuelle Passform, schnelle Produktion |
In der Luft- und Raumfahrt wird Metall-AM eingesetzt, um leichtere Flugzeugbauteile wie Titanhalterungen und Fahrwerksteile aus Edelstahl mit optimierten Festigkeits-/Gewichtseigenschaften herzustellen.
Die Technologie ist ideal für maßgeschneiderte medizinische Implantate wie Hüftgelenke, die sich der Anatomie des Patienten anpassen und die Lasten besser verteilen. Der Metalldruck rationalisiert die Automobilherstellung durch die Konsolidierung von Teilen und optimierte Leichtbaukonstruktionen.
In Branchen wie dem Spritzguss steigern 3D-gedruckte konforme Kühlkanäle in Werkzeugen die Produktivität erheblich. Juweliere nutzen das Verfahren für einmalige Schmuckkreationen aus Edelmetallen.
Vorteile des Metallpulverbett-3D-Drucks
Vom Prototyp bis zum Endprodukt bietet Metall-AM erhebliche Vorteile gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren wie Zerspanung oder Metallguss:
Die wichtigsten Vorteile des 3D-Drucks im Metallpulverbett
- Designfreiheit - Erstellen komplexer organischer Formen und interner Gitter, die mit subtraktiven Methoden nicht möglich sind
- Schnellerer Prozess - Additiver Prozess ohne Werkzeuge, geringer Abfall - direkt vom CAD zum Metallteil
- Gewichtsreduzierung - Optimierung der Topologie für leichtere, stabilere Metallkomponenten
- Teilekonsolidierung - Kombinieren Sie Baugruppen zu einem einzigen 3D-gedruckten Teil, um Fertigungsschritte zu reduzieren.
- Rapid Prototyping - Testen Sie Metallteilkonstruktionen schnell während der Entwicklung
- Kundenspezifische Teile - Einfaches Anpassen von medizinischen Implantaten und anderen Metallteilen
- Hohe Festigkeit - As-printed Metallteile konkurrieren mit traditionellen Methoden wie Gießen
- Reduzieren Sie Ihren Lagerbestand - Drucken Sie bei Bedarf Metallersatzteile, keine Vorproduktion
- Abfallreduzierung - Additives Verfahren hat Materialabfallraten unter 5%
Die optimierten Eigenschaften von AM-Metallteilen wie konforme Kühlkanäle in Formen oder komplexe Gitterstrukturen in Implantaten lassen sich nicht durch Fräsen oder Gießen herstellen.
Der 3D-Druck komplexer oder kundenspezifischer Metallteile direkt aus CAD-Daten minimiert auch die Produktionsschritte im Vergleich zu subtraktiven Methoden, die umfangreiche Werkzeugherstellung, Bearbeitung und Montage erfordern. Dies führt zu enormen Zeit- und Kosteneinsparungen und ist daher ideal für die Kleinserienfertigung.
Grenzen und Herausforderungen des Metallpulverbettdrucks
Trotz vieler Vorteile gibt es einige Einschränkungen, die bei der Einführung des 3D-Drucks im Metallpulverbett zu beachten sind:
Grenzen des Metallpulverbett-3D-Drucks
- Hohe Maschinenkosten - Metall-3D-Drucker beginnen bei etwa $100.000. Große Systeme übersteigen $1M
- Begrenzte Teilegröße - Bauvolumen unter 500mm x 500mm x 500mm derzeit
- Nachbearbeitung - zusätzlicher Arbeitsaufwand für die Entfernung von Stützen, Oberflächenbearbeitung
- Anisotropes Material - Mechanische Eigenschaften variieren je nach Bauausrichtung
- Benötigte Normen - Für die Luft- und Raumfahrt und die Medizintechnik fehlen Pulver- und Prozessnormen
- Begrenzte Materialoptionen - Weniger Legierungen verfügbar als bei Guss oder MIM-Pulvermetallurgie
- Probleme mit der Porosität - Der Prozess kann abhängig von den Parametern kleine innere Hohlräume erzeugen.
- Management von unbenutztem Pulver - Handhabung von Metallpulver, Recyclinganforderungen
Die Kosten des Druckers und die Beschränkung der Baugröße können die Einführung von Metall-AM auf relativ geringe Produktionsmengen beschränken. Stützstrukturen und Überhänge der Bauplatte erfordern ebenfalls eine Nachbearbeitung, wie z. B. eine spanende Bearbeitung.
Die Entwicklung von Industriestandards für Werkstoffe, Verfahren und Pulverhandhabung schreitet voran, da sich die Anwendung in stark regulierten Sektoren ausbreitet. Derzeit ist nur eine Teilmenge der Metalllegierungen als optimierte vorlegierte Pulver für AM verfügbar.
Anisotrope Materialeigenschaften, bei denen die Festigkeit in X/Y- und Z-Richtung variiert, erfordern eine Kompensation in Design und Prozess. Interne Hohlräume oder Porosität müssen ebenfalls durch die Wahl der idealen Verarbeitungsparameter gemildert werden.
Metall-Pulverbett 3D-Druckverfahren
Beim Pulverbettfusions-3D-Druckverfahren für Metalle werden dünne Schichten von Metallpulver aufgetragen und selektiv geschmolzen, um Teile zu erstellen:
Metall-Pulver-Bettfusions-3D-Druckverfahren:
| Schritt | Beschreibung |
|---|---|
| 1. 3D-Modell | Das CAD-Modell wird in 3D-Schichten zerlegt |
| 2. Streupulver | Maschine trägt eine dünne Schicht (~20-100μm) Metallpulver auf |
| 3. Laserschmelzen | Hochleistungslaser verschmilzt selektiv Pulver zum Schmelzen der Schicht |
| 4. Unteres Bett | Bauplatte senkt sich, neue Pulverschicht wird aufgetragen |
| 5. Wiederholen Sie die Schritte | Die Schritte 2-4 werden wiederholt, bis der gesamte Teil aufgebaut ist. |
| 6. Teil entfernen | Ungeschmolzenes Pulver trägt Teil, dann entfernt |
| 7. Post Prozess | Zusätzliche Reinigung und Oberflächenveredelung |
Der Prozess beginnt mit einem 3D-CAD-Modell, in der Regel im STL-Format, das von einer Slicer-Software verarbeitet wird. Diese zerlegt das Modell in Schichten, wobei im Wesentlichen 2D-Profile für jede Schicht erstellt werden, und generiert Bauanweisungen für den Drucker.
Der Drucker verteilt mit Hilfe eines Wischersystems eine dünne Schicht Metallpulver auf dem Pulverbett. Der Laserstrahl fährt dann über die Schicht und schmilzt das Metallpulver entsprechend dem Profil der Schicht selektiv auf.
Der Hochleistungslaser verschmilzt die Metallpartikel vollständig zu einer festen Schicht. Dann senkt sich die Bauplatte, so dass die nächste Schicht frischen Pulvers auf die vorherige Schicht aufgetragen werden kann, und der Vorgang wiederholt sich, bis das gesamte 3D-Objekt von unten nach oben aufgebaut ist.
Ungesintertes Pulver dient während des Drucks als Stütze. Nach dem Druck wird es einfach weggebürstet, um das fertige Metallteil freizulegen. Oft folgt eine Bearbeitung oder Oberflächenbehandlung, um die 3D-gedruckten Oberflächen zu glätten.
Pulverbett-Fusionsdrucker Hardware
Spezialisierte Metall-3D-Drucksysteme verwenden die Pulverbettschmelztechnologie zur Verarbeitung von Metallpulvern. Zu den Kernkomponenten gehören:
Komponenten für Pulverbett-Schmelzdrucker:
| Komponente | Beschreibung |
|---|---|
| Laser-System | Hochleistungsfaserlaser ~100-400W zum Schmelzen von Metallpulver |
| Pulverbett | Metallpulver, das in dünnen Schichten über dieses bewegliche Bett verteilt wird |
| Pulverspender | Dosiert und verteilt das Pulver gleichmäßig im Bett |
| Pulversammlung | Fängt überschüssiges Pulver zur Wiederverwendung auf |
| Inertgasfluss | Versiegelte Kammer, gefüllt mit Argon oder Stickstoff |
| Platte bauen | Senkt sich, wenn Schichten aufgedruckt werden |
| Optisches System | Fokussiert und lenkt den Laserstrahl über das Pulverbett |
| Kontrollsystem | Steuerung von Laser, Optik und Pulverbett in Koordination |
Ein leistungsstarker Ytterbium-Faserlaser ist erforderlich, um die Metallpulver vollständig zu schmelzen und zu dichten Teilen zu verschmelzen. Die Energiedichte und der Fokus des Lasers müssen genau gesteuert werden, um ideale Schmelzbäder und Verbindungen zu erzielen.
Der Laser fokussiert bis auf etwa 10 Mikrometer genau auf das Pulverbett, um die Geometrie jeder einzelnen Schicht nachzuzeichnen. Galvospiegeloptiken lenken den Laser präzise über das Bett.
Das Metallpulver wird mit einem Rakelsystem aus Kartuschen dosiert und gleichmäßig in einer Dicke von etwa 20-100 Mikrometern über den Druckbereich verteilt. Das Pulver wird von der Vorderseite des Systems dosiert und der Überschuss wird auf der Rückseite aufgefangen.
Ein inertes Gas wie Argon oder Stickstoff füllt die Baukammer, um die Oxidation reaktiver Metalle wie Aluminium oder Titan zu verhindern. Das gesamte System wird von einer speziellen Software gesteuert, die den Laser, das Pulverbett und andere Aktoren integriert.
Prozessparameter der Pulverbettschmelze
Die Optimierung der verschiedenen Prozessparameter beim Pulverbettschmelzen ist entscheidend für die Herstellung qualitativ hochwertiger Metallteile:
Wichtige Parameter des Pulverbettschmelzverfahrens:
| Parameter | Typischer Bereich | Auswirkungen auf die Teilequalität |
|---|---|---|
| Laserleistung | 100-400W | Beeinflusst die Größe des Schmelzbeckens, kontrolliert die Bindung |
| Balkengröße | ~50-100μm | Die Größe des Fokuspunkts beeinflusst Auflösung und Präzision |
| Scan-Geschwindigkeit | Bis zu 10.000 mm/s | Schnelleres Scannen beeinflusst thermische Gradienten |
| Abstand zwischen den Luken | ~50-200μm | Abstand zwischen den Scan-Spuren, Verdichtung |
| Höhe der Schicht | 20-100μm | Dünnere Schichten verbessern Auflösung und Oberflächengüte |
| Puderschicht | 20-50μm | Gleichmäßigkeit und Dicke der Pulverschicht |
| Temperatur der Bauplatte | 60-200°C | Vorwärmen reduziert Spannungen und Rollneigung |
Die Laserleistung muss hoch genug sein (in der Regel 100 W bis 400 W), um die Metallpulverpartikel vollständig zu einem festen Teil zu verschmelzen. Eine zu hohe Leistung kann jedoch zu Keyholing-Effekten führen.
Eine schnellere Abtastung des Lasers erhöht die Produktionsgeschwindigkeit, kann aber zu mehr Eigenspannungen und Materialanisotropie führen. Mit dem Schraffurabstand wird der Abstand zwischen benachbarten Scanspuren festgelegt.
Dünnere Pulverschichten von etwa 20-50 Mikron verbessern die Auflösung, die feinen Details und die Oberflächengüte. Das Vorheizen der Bauplatte hilft auch, Spannungen zu reduzieren.
Die Optimierung der Parameter ist spezifisch für das Pulvermaterial, die Laseroptik, den Inertgasfluss und andere voneinander abhängige Faktoren. Um die idealen Einstellungen zu wählen, ist eine Feinabstimmung erforderlich.
Nachbearbeitungsschritte für Metall-AM-Teile
Nach dem Druck komplexer Metallteile durch Pulverbettschmelzen ist in der Regel eine zusätzliche Nachbearbeitung erforderlich:
Übliche Nachbearbeitungsschritte für Metall-AM-Teile:
- Entfernen der Halterung - Entfernen Sie ungesinterte Pulverhalterungen durch Vibration, Strahlen usw.
- Thermischer Spannungsabbau - Glühen von Teilen, um innere Spannungen aus dem Prozess abzubauen
- Oberflächenbearbeitung - Traditionelle Methoden zur Glättung von Oberflächen wie Fräsen, Drehen, Schleifen
- Heißisostatisches Pressen - Anwendung von hoher Hitze und Druck zur Verbesserung der Materialdichte
- Wärmebehandlungen - Veränderung der Mikrostruktur durch kontrollierte Wärme- und Kühlzyklen
- Oberflächenbearbeitung - Auftragen von Beschichtungen, Polieren von Oberflächen für gewünschte Oberflächeneigenschaften
Das Stützpulver wird sorgfältig durch eine Kombination aus Vibration, Strahlen mit Perlen oder Luft und Absaugen entfernt. Dieses Pulver kann oft gesiebt und wiederverwendet werden.
Glühende Wärmebehandlungen tragen zum Abbau von Spannungen bei, die durch die intensive lokale Erwärmung beim Laserschmelzen entstehen. Eine zusätzliche Oberflächenbearbeitung verbessert die Maßgenauigkeit und die Oberflächengüte.
Bei einigen Anwendungen werden die Teile durch heißisostatisches Pressen weiter verdichtet, indem ein hoher gleichmäßiger Gasdruck bei erhöhten Temperaturen angewendet wird. Auf diese Weise wird die Porosität der gedruckten Teile minimiert.
Gewünschte Materialgefüge und -eigenschaften können durch Lösungsglühen, Altern oder andere auf die Legierung zugeschnittene Wärmebehandlungen erreicht werden. Zusätzliche Oberflächenbearbeitungsschritte wie Polieren und Beschichtungen sorgen für die gewünschten Oberflächeneigenschaften.
Industrielle Metallpulver für die additive Fertigung
Es wurden spezielle Metallpulver entwickelt, die ideale Eigenschaften wie Fließfähigkeit, Packungsdichte und Laserabsorption aufweisen, wenn sie im 3D-Pulverbettdruck verarbeitet werden:
Eigenschaften von Metallpulvern und Produktionsmethoden
| Pulvereigenschaft | Typische Spezifikation | Produktionsverfahren |
|---|---|---|
| Größenbereich | 15-45 μm | Gaszerstäubung mit Inertgas |
| Morphologie | Sphärisch | Erzeugt einen guten Pulverfluss und eine gute Packung |
| Verunreinigungen | <100 ppm O2 | Behält die mechanischen Eigenschaften der Legierung bei |
| Scheinbare Dichte | Bis zu 80% an Materialdichte | Zeigt an, dass Pulver verpackt und gestreut wird |
| Durchflussmenge | Hall-Durchflussmesser >15s/50g | Sicherstellung einer gleichmäßigen Verteilung des Pulvers während des Drucks |
Für eine hohe Druckauflösung, eine gute Oberflächenbeschaffenheit und angemessene Fließeigenschaften ist eine präzise Partikelgrößenverteilung zwischen 15 und 45 Mikrometern erforderlich. Sphärische Pulvermorphologien ermöglichen eine gleichmäßige Zuführung und Verteilung des Pulvers über das Bett.
Die chemische Reinheit ist entscheidend, um die beabsichtigte Leistung des gedruckten Materials zu erreichen. Jede Oxidation oder Verunreinigung kann die Festigkeit und Duktilität verringern.
Die Fließgeschwindigkeiten werden gemäß der Norm ASTM B213 mit einem Hall-Durchflusstrichter geprüft. Für gleichmäßige Pulverschichten ist eine gute Schüttdichte von über 4 g/cm³ erforderlich.
Gas- und Wasserzerstäubung sind gängige Verfahren zur Herstellung von kugelförmigen Metallpulvern, die den Anforderungen der additiven Fertigung entsprechen. Die Pulver werden gesiebt, um eine einheitliche Partikelgröße zu gewährleisten.
Auswahl eines 3D-Druckdienstes für Metallpulverbetten
Die Auswahl des richtigen Metall-AM-Dienstleisters ist der Schlüssel zu qualitativ hochwertigen gedruckten Teilen. Die folgenden Faktoren sind zu beachten:
Bewertung und Auswahl eines 3D-Druckdienstes für Metall
- Erfahrung - Achten Sie auf jahrelange Erfahrung speziell mit Metall-AM, um die Kompetenz zu bewerten
- Materialien - Sicherstellen, dass der Anbieter die erforderlichen Metalle wie Titan, Werkzeugstahl und Edelmetalle anbietet
- Teilegröße - Wählen Sie einen Service mit einem Bauvolumen, das den Abmessungen des gewünschten Teils entspricht.
- Qualitätsprozesse - sollten in allen Phasen strenge Qualitätskontrollprotokolle befolgen
- Nachbearbeitung - Prüfen Sie, ob der Anbieter Nachbearbeitungen wie CNC-Bearbeitung anbieten kann.
- Anwendungserfahrung - wichtig für stark regulierte Sektoren wie Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik
- Zertifizierungen - Achten Sie auf ISO- und branchenspezifische Zertifizierungen für Prozesse
- Kundenservice - Ein reaktionsschnelles technisches Supportteam ist entscheidend für Design und Anwendungsberatung
- Lieferzeiten - Informationen über typische Lieferzeiten und Optionen für Eilaufträge
- Preisgestaltung - Berücksichtigen Sie die Komplexität von Material und Geometrie, Nachbearbeitung und Volumen
- NDA/IP-Schutz - Ihre geschützten Designdaten sollten vertraglich geschützt werden
Bewertung von Druckern, Materialien, Qualitätsprozessen und besonderen Fähigkeiten wie Vakuumkammern oder speziellen Nachbearbeitungsmethoden.
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Hier finden Sie die Fortsetzung des Artikels über den 3D-Druck mit Metallpulver:
Konstruktionsrichtlinien für Metall-AM-Teile
Um die Vorteile der additiven Fertigung von Metallen voll auszuschöpfen, sollten die Konstruktionen den DfAM-Grundsätzen (Design for Additive Manufacturing) folgen:
Wichtige Metall-AM-Design-Richtlinien:
- Optimierung zur Gewichtsreduzierung mit Gitterstrukturen
- Konsolidierung von Baugruppen zu einzelnen komplexen Teilen
- Interne Designmerkmale wie konforme Kühlkanäle
- Verwendung von organischen, frei geformten Formen, die bei der maschinellen Bearbeitung nicht möglich sind
- Minimierung von Überhängen und Konstruktion von Winkelstützen
- Ausrichten, um die Höhe der Teile zu verringern und große flache Bereiche zu vermeiden
- Entwurf von Gewindelöchern zur Vermeidung von Problemen beim Entfernen von Stützen
- Zusätzliche Dicke bei dünnen Wänden, die zu Porosität neigen, zulassen
- Kompensieren Sie anisotrope Materialeigenschaften in verschiedenen Richtungen
- Gestaltung von Oberflächen mit kontrollierter Porosität, wenn dies von Vorteil ist
Komplexe Gitterstrukturen mit dünneren Gliedern können beim 3D-Druck das Gewicht reduzieren und gleichzeitig die Festigkeit erhalten. Die Konsolidierung von Baugruppen zu Einzelteilen ist ein großer Vorteil gegenüber der konventionellen Fertigung.
Kühlkanäle und andere nützliche innere Hohlräume müssen nicht mehr gebohrt werden und können optimalen organischen Bahnen folgen. Überhänge, die zum Durchhängen neigen, können durch schräge Gitter oder geneigte Konstruktionen vermieden werden.
Bei der Ausrichtung der Teile sollte darauf geachtet werden, die Z-Höhe während des Drucks zu minimieren, um Eigenspannungen zu verringern. Dünne Wände, die zu Porosität neigen, benötigen möglicherweise eine zusätzliche Dicke, um die angestrebte Materialdichte zu erreichen.
Kostenmodellierung und Wirtschaftlichkeit von Metal AM
Um festzustellen, ob ein Metallzusatz wirtschaftlich sinnvoll ist, müssen alle Kosten bewertet werden:
Kostenfaktoren für Metallpulverbett-AM:
- Abschreibung des Geräts - Verteilen Sie hohe Druckerkosten über die gesamte Lebensdauer
- Materialkosten - Metallpulver können zwischen $100-$500/kg liegen.
- Arbeit - Arbeit des Bedieners, Entwurf, Nachbearbeitung
- Energieverbrauch - Hochleistungslaser und andere Systeme benötigen viel Strom
- Produktionsgeschwindigkeit - Druckvolumen pro Stunde basierend auf Parametern, Maschinengrenzen
- Nachbearbeitung - Bearbeitungs- und Nachbearbeitungsschritte verursachen zusätzliche Ausfallzeiten und Kosten
- Anlagenkosten - Erforderliche Pulverhandlingsysteme, Inertgas, Platz
- Qualitätskontrolle - Prüfung von Teilen während der Produktion und Prozessqualifizierung
- Sicherheit und Konformität - Für regulierte Anwendungen ist die Dokumentation umfangreich
Die hohen Kosten von Metalldruckern bedeuten, dass die Nutzungsdauer der Maschine für eine optimale Auslastung durch höhere Produktionsmengen bewertet werden muss. Auch die Materialkosten sind erheblich, insbesondere bei exotischen Legierungen.
Alle Arbeitskräfte müssen berücksichtigt werden - Bediener, Ingenieure, Konstrukteure, Qualitätstechniker. Der Energieverbrauch ist hoch. Ausfallzeiten bei der Nachbearbeitung verringern die Produktionsgeschwindigkeit.
Bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und in der Medizintechnik sind die Kosten für die Einhaltung von Vorschriften wie Dokumentation und Qualitätssysteme sehr hoch. Eine sorgfältige Kostenmodellierung bestimmt, wann Metall-AM kosteneffektiv ist.
Trends und Zukunft der additiven Fertigung von Metallen
Die Metallpulverbettschweißung entwickelt sich rasant weiter und wird immer beliebter:
Zukünftige Trends für den 3D-Druck im Metallpulverbett:
- Größere Bauvolumen - Gehäuse mit mehr als 500 mm Würfel in der Entwicklung
- Höhere Baugeschwindigkeiten - Verbesserte Scan-Strategien und Multi-Laser-Systeme
- Neue Materialoptionen - Mehr Legierungen wie Aluminium F357 und Maraging-Stahl M300
- Hybride Fertigung - Kombiniertes Drucken, Fräsen, Prüfen in einem einzigen System
- Automatisiertes Pulverhandling - Geschlossene Kreislaufsysteme für das Pulvermanagement
- Neue Anwendungen - Expansion in den Bereichen Öl und Gas sowie Elektronik
- Sinkende Systemkosten - Die Industrialisierung wird die Druckerkosten im Laufe der Zeit senken
- Verbesserte Materialeigenschaften - durch Prozessverbesserungen und HIP-Verdichtung
- Expandierte Metallurgie - Verbesserte Charakterisierung von Mikrostrukturen und Eigenschaften
- Industriestandards - Für Prozesse und Materialqualität in der Luft- und Raumfahrt und der Medizintechnik
Größere Bauvolumen ermöglichen eine komplexere Produktion und höhere Stückzahlen. Optische Systeme mit mehreren Lasern können die Baugeschwindigkeit drastisch erhöhen.
Geschlossene Kreislaufsysteme für das Pulverhandling werden das Recycling und die Wiederverwendung automatisieren und gleichzeitig die Qualität und Sicherheit verbessern. Jährlich werden neue exotische Legierungsoptionen eingeführt. Die hybride Fertigung kombiniert additive und subtraktive Verfahren für eine vollständige In-Situ-Bearbeitung.
Sinkende Kosten mit zunehmender Reife der Technologie werden die Anwendungsmöglichkeiten weiter erhöhen. Weitere Materialforschung und Benchmarking werden die verarbeiteten Legierungen erweitern und die Materialleistung verbessern. Umfassende Arbeiten an Industriestandards sollen die Einführung in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und der Automobilindustrie beschleunigen.
Schlussfolgerung
Dieser Leitfaden behandelt die wichtigsten Aspekte des 3D-Drucks im Pulverbettverfahren, vom Druckverfahren und den Materialien bis hin zu Anwendungen, Vorteilen, Einschränkungen und Trends.
Die additive Fertigung mit Metallen ermöglicht dank ihrer einzigartigen Fähigkeiten branchenübergreifend bahnbrechende Innovationen. Die Technologie ermöglicht Gewichtsreduzierung, Teilekonsolidierung, Designfreiheit, schnelles Prototyping und die Herstellung kundenspezifischer Metallteile.
Trotz der Einschränkungen bei den Druckerkosten, der Baugröße, der Nachbearbeitung und den Materialoptionen wird die Metall-AM für eine wachsende Zahl von kritischen Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin, der Automobilindustrie und der Industrie immer häufiger eingesetzt.
Laufende Prozessverfeinerungen, neue Materialien, größere Bauvolumen, hybride Systeme, automatisiertes Pulverhandling und sinkende Kosten werden den Einsatz des 3D-Metalldrucks für Produktionsteile für den Endgebrauch weiter vorantreiben. Dieser Leitfaden behandelt den aktuellen Stand und die Entwicklung dieser transformativen Fertigungstechnologie.
Häufig gestellte Fragen zum 3D-Druck mit Metallpulver
Hier finden Sie Antworten auf einige häufig gestellte Fragen zur additiven Fertigung im Metallpulverbett:
F: Welche Materialien können mit der Metallpulverbettschmelze 3D-gedruckt werden?
A: Zu den gängigen Legierungen gehören Titan, Aluminium, Nickel, Edelstahl, Werkzeugstahl, Kobalt-Chrom, Edelmetalle wie Gold und Silber und Kupfer. Es werden ständig neue Legierungen entwickelt.
F: In welchen Branchen wird Metall-AM heute eingesetzt?
A: Luft- und Raumfahrt, Medizin- und Zahntechnik, Automobilbau, Öl- und Gasindustrie, Industriemaschinen und Schmuck sind die führenden Anwender von Metall-AM. Die Technologie ist ideal für komplexe Teile in kleinen Stückzahlen.
F: Wie genau ist der 3D-Druck im Metallpulverbett?
A: Die Maßgenauigkeit kann bis zu ±0,1-0,2% erreichen, wobei je nach Parametern und Nachbearbeitung eine feinere Auflösung um ±50μm möglich ist.
F: Sind für Metal AM besondere Einrichtungen erforderlich?
A: Während des Drucks ist eine Inertgasatmosphäre erforderlich, normalerweise Argon. Pulverhandhabungssysteme mit Entlüftung und Siebung werden ebenfalls empfohlen. Weitere spezielle Einrichtungen sind nicht erforderlich.
F: Welche Faktoren beeinflussen die Oberflächengüte?
A: Schichthöhe, Laserparameter, Pulvergrößenverteilung und Nachbearbeitung wie Polieren beeinflussen die Oberflächengüte. Ra-Werte unter 10 μm sind möglich.
F: Wodurch werden die mechanischen Eigenschaften bestimmt?
A: Legierungszusammensetzung, Pulverqualität und -morphologie, Prozessparameter, Wärmebehandlungen und HIP wirken sich auf die endgültigen Eigenschaften der gedruckten Metallteile aus.
F: Wie teuer ist der Metallpulverbettdruck?
A: Druckersysteme reichen von $100.000 bis über $1.000.000. Die Materialkosten variieren je nach Legierung von typischerweise $100-$500/kg. Auch die Betriebskosten sind hoch.
F: Wie lange dauert der Druck eines mittelgroßen Teils?
A: Die Bauraten liegen in der Regel bei 5-20 cm3/Stunde, je nach Teilegeometrie, Material, Parametern und Druckermodell. Ein schuhkartongroßes Teil kann 5-15 Stunden dauern.
F: Wie groß sind die Teile, die ein Metalldrucker herstellen kann?
A: Derzeit liegt das maximale Bauvolumen bei 500 x 500 x 500 mm, aber größere Systeme sind in der Entwicklung. Größere Teile können in mehrere Teile aufgeteilt werden.
F: Welche Nachbearbeitung ist nach der Metall-AM erforderlich?
A: Stützentfernung, Spannungsentlastung, maschinelle Bearbeitung, Bohren, Oberflächenveredelung, Wärmebehandlung und manchmal heißisostatisches Pressen.