Überblick über die Additive Fertigung von Aluminium
Additive Fertigung von Aluminiumauch bekannt als 3D-gedrucktes Aluminium, bezieht sich auf den Prozess der Herstellung von Aluminiumteilen Schicht für Schicht mit Hilfe von 3D-Drucktechnologien. Es ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien und kundenspezifischer Aluminiumteile, ohne dass herkömmliche Bearbeitungsmethoden erforderlich sind.
Einige wichtige Details zur additiven Fertigung von Aluminium:
- Einsatz in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, Medizintechnik und Konsumgüterindustrie für Prototypen, Werkzeuge und Endverbrauchsteile
- Bietet Gestaltungsfreiheit, reduziert das Gewicht, fasst Baugruppen in einem Stück zusammen
- Produziert starke, haltbare Aluminiumteile mit ähnlichen Materialeigenschaften wie bei der traditionellen Fertigung
- Verwendet 3D-Metalldrucktechnologien wie Pulverbettfusion und gerichtete Energieabscheidung
- Aluminiumlegierungen wie AlSi10Mg, Scalmalloy, Al6061 werden häufig verwendet.
- Nachbearbeitung wie heißisostatisches Pressen, CNC-Bearbeitung erforderlich, um die endgültige Qualität des Teils zu erreichen
Aluminium Additive Manufacturing Ausrüstungstypen
| Gerätetyp | Beschreibung | Materialien | Größe bauen | Genauigkeit | Oberfläche | Kosten |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Pulverbett Fusion | Verwendet einen Laser- oder Elektronenstrahl zum selektiven Schmelzen und Verschmelzen von Metallpulverschichten | Aluminiumlegierungen, Titan, Stähle, Superlegierungen | Klein bis mittel | Hoch (bis zu 0,1 mm) | Grob wie gedruckt, gut nach der Bearbeitung | Hoch (>$500K Maschine) |
| Gezielte Energieabscheidung | Fokussiert eine Energiequelle wie einen Laser-/Elektronenstrahl auf bestimmte Punkte, während das Metallpulver für die Herstellung des Teils hinzugefügt wird | Aluminiumlegierungen, Titan, Stähle, Superlegierungen | Mittel bis groß | Mittel (0,5 mm bis 1 mm) | Grob wie gedruckt, schön nach der Bearbeitung | Hoch (>$500K Maschine) |
| Binder Jetting | Bindet Metallpulver mit flüssigem Bindemittel, sintert das Teil nach dem Druck | Aluminiumlegierungen, Stähle | Mittel | Mittel (0,5 mm bis 1 mm) | Grob (erfordert infiltrierende Legierung) | Niedriger ($150K bis $300K Maschine) |
Anwendungen der Additiven Fertigung von Aluminium
| Industrie | Anwendungsbeispiele | Vorteile |
|---|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Teile von Flugzeug- und Raketentriebwerken, Halterungen, tragende Strukturen | Leichtgewichtige, kundenspezifische Geometrien |
| Automobilindustrie | Kundenspezifische Halterungen, Wärmetauscher, Vorrichtungen und Halterungen | Konsolidierte Baugruppen, Rapid Prototyping |
| Medizinische | Zahnkappen, orthopädische Implantate, chirurgische Instrumente | Biokompatibel, individuelle Größenanpassung |
| Konsumgüter | Drohnenrahmen, Sportartikel, Modeaccessoires | Kleinserienproduktion, schnelle Design-Iteration |
| Werkzeugbau | Spritzgussformen, Vorrichtungen, Lehren | Schneller und billiger als herkömmliche Werkzeuge |
Spezifikationen für die Additive Fertigung von Aluminium
| Parameter | Einzelheiten |
|---|---|
| Materialien | Aluminium-Legierungen: AlSi10Mg, Al6061, Scalmalloy, Sonderlegierungen |
| Teilgrößen | Bis zu 500mm x 500mm x 500mm für Pulverbettschweißen <br> 1m x 1m x 1m für gerichtete Energiedeposition |
| Ebene Auflösung | 20 Mikrometer bis 100 Mikrometer typisch |
| Oberfläche | Wie gedruckt: Ra 10-25 Mikrometer <br> Bearbeitet: Ra 0,4 - 6,3 Mikrometer |
| Mechanische Eigenschaften | Zugfestigkeit: 330-470 MPa <br> Streckgrenze: 215-350 MPa <br> Bruchdehnung: 3-8% |
| Genauigkeit | ± 100 Mikrometer für Pulverbettschmelzen <br> ± 300 Mikrometer für Bindemittelausstoß <br>± 500 Mikrometer bei gerichteter Energieabscheidung |
| Design-Standards | ISO/ASTM 52900: Anforderungen an das Design der additiven Fertigung <br> ISO/ASTM 52921: Norm für das Metallpulverbettschmelzverfahren |
Aluminium Additive Manufacturing Lieferanten und Kosten
| Anbieter | Ausrüstung Marken | Durchschnittliche Teilekosten |
|---|---|---|
| 3D-Systeme | DMP, Abbildung 4 | $8-$12 pro cm3 |
| EOS | EOS M-Serie | $6-$10 pro cm3 |
| GE-Zusatzstoff | Konzept Laser M2, X Line 2000R | $8-$15 pro cm3 |
| Velo3D | Velo3D Sapphire | $20+ pro cm3 |
Die Kosten der Teile hängen von der Fertigungsrate, den verwendeten Materialien, der geometrischen Komplexität, den Nachbearbeitungsanforderungen und den Bestellmengen ab. Im Allgemeinen bietet die additive Fertigung von Aluminium Kosteneinsparungen für die Produktion von Kleinserien, in der Regel weniger als 10.000 Stück.
Anforderungen an die Installation der Additiven Fertigung von Aluminium
| Parameter | Anforderungen |
|---|---|
| Art der Einrichtung | Dedizierte Metall-AM-Anlage mit Klimakontrolle, Pulverhandlingstationen |
| Stromversorgung | 200V bis 480V, 30 bis 150 kW, 30 bis 70A pro Maschine |
| Gasversorgung | Argon, Stickstoff für die Pulverbettschmelze <br> Argon für gerichtete Energiedeposition |
| Auspuffanlagen | Rauchabzugsanlagen, HEPA-Filter für Pulverpartikel |
| Software | CAD, AM-Maschinensteuerungssoftware wie Materialise Magics, Autodesk Netfabb |
| Nachbearbeitung | Heißisostatische Presse, Strahlkabine, CNC-Bearbeitung |
Für die additive Fertigung von Metallen wird eine saubere, temperaturkontrollierte Umgebung zwischen 15 und 30 °C empfohlen. Außerdem müssen geeignete Einrichtungen für die Lagerung und Handhabung von Pulver sowie für die Abfallentsorgung bereitgestellt werden.
Additive Fertigung von Aluminium - Betrieb und Wartung
| Aktivitäten | Frequenz |
|---|---|
| Kalibrierung | Tägliche Überprüfung der Laserleistung, vierteljährliche Kalibrierung |
| Materialwirtschaft | Kontrolle des Pulvers Siebanalyse, Morphologie vierteljährlich |
| Service der Ausrüstung | Optik, Filter, täglich bis wöchentlich reinigen <br> Austausch von Verbrauchsmaterialien wie Wischtüchern und Filtern <br> Vorbeugende Wartung gemäß OEM-Zeitplan |
| Software-Aktualisierungen | Regelmäßige Firmware- und Software-Updates |
| Instandhaltung der Einrichtungen | Heizung, Kühlung, Abgassysteme prüfen <br> Saubere Pulver-Handling-Stationen |
Die tägliche Reinigung der Geräte und die Überwachung aller Systeme sind von entscheidender Bedeutung. Personalschulung und PSA für den Umgang mit Metallpulvern sind obligatorisch. Befolgen Sie die OEM-Richtlinien für vorbeugende Wartung und Kalibrierung.
Auswahl eines Partners für die additive Fertigung von Aluminium
Bei der Auswahl eines AM-Dienstleisters für Aluminiumteile sollten Sie Folgendes beachten:
- Erfahrung mit AM-Prozessen - suchen Sie nach Jahren im Geschäft, Fallstudien speziell zu Aluminium
- Materialien und Nachbearbeitungsmöglichkeiten - Aluminiumlegierungen, HIP, Wärmebehandlungen, Bearbeitung
- Qualitätszertifizierungen - ISO 9001, ISO/IEC 17025, Nadcap
- Designkompetenz - können sie Teile für AM optimieren?
- Installierte Ausrüstung - moderne, gut gewartete Maschinen
- Nachbearbeitungsgeräte - was haben sie im Haus?
- Schneller Durchlauf für Prototyping-Anforderungen
- Skalierbarkeit für die Produktion - können sie das Volumen erfüllen?
- Standort und Logistik - hilfreich, wenn in der Nähe
- Kostenwettbewerbsfähigkeit - transparente Angebotsabgabe, wirtschaftlich für den Projektumfang
- Kundenrezensionen - suchen Sie online oder fragen Sie nach Referenzen
Vor- und Nachteile der Additiven Fertigung von Aluminium
| Vorteile | Benachteiligungen |
|---|---|
| Komplexe Geometrien, konsolidiert Baugruppen | Begrenzte Größe aufgrund des Bauvolumens |
| Gewichtsreduzierung, geringere Anzahl von Teilen | Nachbearbeitung erhöht die Durchlaufzeit |
| Schnelles Prototyping, digitale Bestandsaufnahme | Höhere Kosten als bei herkömmlichen Methoden für große Mengen |
| Gestaltungsfreiheit, optimierte Formen | Geringere Dehnung im Vergleich zu Knetlegierungen |
| Minimaler Materialabfall | Anisotrope Eigenschaften in horizontaler und vertikaler Richtung |
| Verkürzung der Entwicklungszeiträume | Porositätsprobleme können heißisostatisches Pressen erfordern |
| Werkzeuglose Fertigung, keine Vorrichtungen erforderlich | Spezifische Ausbildung und Einrichtungen für Metall-AM |
Aluminium-AM bietet Vorteile wie Designflexibilität, Teilekonsolidierung und schnelle Durchlaufzeiten. Aber es erfordert auch spezielle Ausrüstung und Fachwissen. Für die Herstellung von Endverbrauchsteilen ist ein gründliches Prozessverständnis erforderlich.
FAQs
Welche verschiedenen Aluminiumlegierungen werden in der additiven Fertigung verwendet?
Einige häufig verwendete Aluminiumlegierungen sind:
- AlSi10Mg - Ausgezeichnete Festigkeit und Oberflächengüte. Die beliebteste Aluminiumlegierung in der AM.
- Al6061 - Höherfeste Legierung mit guter Korrosionsbeständigkeit. Leicht verfügbar.
- Scalmalloy - Von Airbus entwickelte Aluminiumlegierung mit hoher Festigkeit und Duktilität.
- Kundenspezifische Legierungen - können zur Optimierung bestimmter Eigenschaften entwickelt werden. Erfordert F&E.
Welche Nachbearbeitung ist für AM-Teile aus Aluminium erforderlich?
Zu den üblichen Nachbearbeitungsschritten gehören:
- Von der Bauplatte entfernen
- Kugelstrahlen oder Perlstrahlen zur Glättung der Oberfläche
- Heißisostatisches Pressen zur Verbesserung der Dichte
- Wärmebehandlungen für optimale mechanische Eigenschaften
- CNC-Bearbeitung - Bohren, Gewindeschneiden, Fräsen für Maßgenauigkeit
- Oberflächenbehandlungen - Eloxieren, Pulverbeschichtung für die Ästhetik
Wie hoch sind die Kosten für Aluminium-AM im Vergleich zur CNC-Bearbeitung?
Bei der Produktion von Kleinserien (unter 100 Teilen) ist AM im Allgemeinen kostengünstiger als die CNC-Bearbeitung. Es sind keine Werkzeuge erforderlich und die Vorlaufzeiten sind kürzer. Bei höheren Stückzahlen über 1000 Stück ist die CNC-Bearbeitung aufgrund des Materialabfalls bei AM kostengünstiger. Hybride Ansätze, die AM und maschinelle Bearbeitung kombinieren, können kostengünstige Lösungen für mittlere Stückzahlen bieten.
Wie groß sind Aluminiumteile, die mit 3D-Metalldruck hergestellt werden können?
Bei Pulverbetttechnologien wie DMLS und EBM beträgt die maximale Teilegröße etwa 500 mm x 500 mm x 500 mm. Großformatige Maschinen überschreiten die Abmessungen von 1 m x 1 m x 1 m. Beim Binder-Jetting und der gerichteten Energieabscheidung gibt es weniger Größenbeschränkungen, einige Maschinen erlauben Teile im Metermaßstab.
Welche Oberflächengüte ist bei der additiven Fertigung von Aluminium zu erwarten?
Die gedruckte Oberfläche von AM ist mit etwa Ra 10-25 Mikrometer relativ rau. Verschiedene Nachbearbeitungsschritte können dies deutlich verbessern:
- CNC-Bearbeitung - Ra 0,4 bis 6,3 Mikrometer
- Polieren - Ra < 1 Mikron
- Eloxieren - glatte, gleichmäßige Oberfläche für verbesserte Korrosionsbeständigkeit
Mit der richtigen Nachbearbeitung können AM-Teile aus Aluminium eine glatte Oberfläche erreichen, die mit der traditionellen Fertigung vergleichbar ist.
Welche Branchen nutzen die additive Fertigung von Aluminium?
Zu den Schlüsselindustrien, die Aluminium-AM einsetzen, gehören:
- Luft- und Raumfahrt - Flugzeugkomponenten, Halterungen, Triebwerksteile
- Automotive - Wärmetauscher, kundenspezifische Halterungen, Werkzeugbau
- Medizinisch - Zahnkronen, Implantate, chirurgische Instrumente
- Konsumgüter - Drohnenkomponenten, Sportgeräte, Gadgets
- Industrie - Vorrichtungen für Endanwendungen in der Fertigung und Montage
Aluminium-AM ermöglicht leichte, optimierte Designs in diesen Segmenten.
Welches Fachwissen ist für die interne Aluminium-AM erforderlich?
Die erfolgreiche Umsetzung von Aluminium-AM im eigenen Haus erfordert:
- AM-Ingenieure zur Optimierung von Konstruktionen und Qualifizierung von Prozessen
- Techniker für Betrieb und Wartung der Geräte
- Qualitätsteam zur Validierung von Teilen und Verfahren
- Pulverhandhabungstechniker, die in Gesundheit und Sicherheit geschult sind
- Bereitstellung von Strom, Kühlung, Gasversorgung und Abluft
- Software, Netzwerkunterstützung für AM-Datenmanagement
Es wird ein funktionsübergreifender Teamansatz empfohlen, um in der gesamten Organisation AM-Fachwissen aufzubauen.
Welche Normen gelten für die additive Fertigung von Aluminium?
Zu den wichtigsten Normen gehören:
- ISO/ASTM 52900 - Standardterminologie für AM
- ISO/ASTM 52921 - Norm für Anlagen für das Pulverbettschmelzverfahren
- ASTM F3001 - Norm für medizinische AM-Teile
- ASTM F3301 - Norm für die gerichtete Energieabscheidung von AM-Metallen
- ASTM F3302 - Norm für das Bindemittelstrahlen von AM-Metallen
Die Zertifizierung von Teilen nach diesen Normen ist ein Beweis für Qualitätsmanagement und Konformität.
Schlussfolgerung
Die additive Fertigung von Aluminium ermöglicht leichte, optimierte Aluminiumkomponenten für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, die Medizintechnik und den Konsumgütersektor. Mit der richtigen Prozesskenntnis und dem richtigen Fachwissen können Endverbrauchsteile aus Aluminium mit der schichtbasierten Flexibilität des 3D-Drucks hergestellt werden. Da die Aluminium-AM-Technologie immer ausgereifter wird, werden die Kosten sinken und die Akzeptanz dieses vielseitigen Metallmaterials weiter steigen.