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Wenn es um 3D-Druck geht, ist der Metall-3D-Druck aufgrund der hohen Festigkeit und Haltbarkeit von Metallen eine Überlegung wert. In erster Linie ist der 3D-Druck von Metallen gleichbedeutend mit der additiven Fertigung, bei der Produkte durch schichtweises Auftragen entstehen.
Es gibt verschiedene 3D-Drucktechniken für Metall. So können Sie zwischen verschiedenen Materialtypen wählen, um eine perfekte Kombination aus Haltbarkeit, Kosten, Oberflächengüte und Geschwindigkeit zu erzielen. Hier finden Sie einen vollständigen Leitfaden zu Verfahren, Funktionsweise, Arten und Anwendungen des 3D-Drucks von Metall.
Was ist die 3D-Drucktechnik für Metall und wie funktioniert sie?
Metall-3D-Druck ist eine additive Fertigungstechnologie, bei der Metallteile in Form von Schichten durch Sintern, Schmelzen und Schweißen hergestellt werden. Beim 3D-Metalldruck wird in der Regel Metallpulver für den Betrieb verwendet. In der Regel wird beim 3D-Metalldruck eine breite Palette von Metalllegierungen und Metallen verwendet, darunter rostfreier 3D-Druck sowie Stahl, Aluminium, Kobalt-Chrom und Titan.
Bei der Bearbeitung von Metall für 3D-Drucker geht es hauptsächlich um SLM und DMLS. Schauen wir uns also an, wie es funktioniert:
Bevor ich mich dem 3D-Druckverfahren für Metallteile zuwende, möchte ich die Bauplattform vorstellen. In der Regel werden die Metallteile durch Stützstrukturen aus demselben Material wie die Teile an ihnen befestigt. Die Bauplattform verhindert in erster Linie Verformungen oder Verbiegungen aufgrund hoher Temperaturen.
Schritt 1
Der erste Schritt besteht darin, die Wahrscheinlichkeit der Oxidation des Metallpulvers zu minimieren, indem die Baukammer mit Inertgas, z. B. Argon, gefüllt wird. Dann wird die Baukammer auf die optimale Temperatur aufgeheizt.
Schritt 2
Nach dem Auftragen der dünnen Metallpulverschicht wird der Querschnitt des Bauteils mit einem Hochleistungslaser abgetastet.
Dadurch verschmelzen die Metallteilchen und es entsteht eine weitere Schicht. Ebenso wird die gesamte Fläche des Metallteils überwacht, um die Bildung eines vollständig festen Produkts zu gewährleisten.
Schritt 3
Sobald der Scanvorgang abgeschlossen ist, bewegt sich die Bauplattform nach unten und trägt eine zweite dünne Metallschicht mit Hilfe eines Recoaters auf. Dieser Prozess wiederholt sich bis zur Herstellung des Endprodukts.
Schritt 4
Sobald das Produkt geformt ist und der Behälter auf Raumtemperatur abgekühlt ist, muss das überschüssige Metallpulver von Technikern manuell entfernt werden. Anschließend wird das Teil wärmebehandelt, ohne es von der Bauplattform zu lösen. In diesem Fall dient die Bauplattform dazu, Eigenspannungen des Teils abzubauen.
Schließlich ist es an der Zeit, das Bauteil durch Bearbeiten oder Schneiden von der Bauplattform zu trennen. Jetzt können Sie das Teil für die weitere Nachbearbeitung verwenden.
Welche verschiedenen Arten von 3D-Drucktechniken für Metall gibt es?
Wie bereits erwähnt, ist Metallpulver ein Schlüsselelement von Metalldruckmaschinen. Der Unterschied zwischen allen Arten von 3D-Metalldruckverfahren liegt daher in der Verschmelzung des Pulvers zu Metallteilen. Diese Techniken nutzen unterschiedliche Quellen für die Arbeit eines 3D-Metalldruckers.
|
Klassifizierung der 3D-Drucktechniken für Metall |
|||||||
| Typen |
Pulverbett Fusion |
Binder Jetting | Materialstrahlverfahren | Material-Extrusion | Kübelpolymerisation | Direkte Energiedeposition |
Blattkaschierung |
| Untertypen |
DMLS SLS MJF |
Bindemittelausstoß | Materialstrahlverfahren DOD | FDM
FFF |
SLA
DLP CLIP |
Laser DED
Bogen DED Elektronenstrahl DED |
LOM SLCOM PSL SDL |
| Materialien | EBM aus Stahl,
Rostfreier Stahl, Titan, Kobalt-Kupfer, Aluminium |
Wolframkarbid, Nickel-Basis-Legierungen Rostfreier Stahl |
Rostfreier Stahl |
Titanlegierungen, Nickellegierungen, Aluminiumlegierungen, Kupfer, rostfreier Stahl |
Harze |
Rostfreier Stahl, Nickellegierungen, Titanlegierungen, Kobaltlegierungen |
Papier, Metalle, Keramik, Polymer, |
Im Folgenden werden die wichtigsten Arten, ihre Funktionsweise und Verwendungszwecke erläutert:
1. Pulverbett Fusion
Das Pulverbettschmelzen ist die am häufigsten verwendete 3D-Direktdrucktechnik für Metall. Das Funktionsprinzip dieser Maschinen besteht darin, dass sie eine feine Pulverschicht auftragen und eine Wärmequelle nutzen, um einen Querschnitt des Teils in eine Pulverschicht zu schmelzen.
Um sich eingehend über dieses Verfahren zu informieren, sollten Sie sich die gängigen Typen ansehen. Wenn es um die besten Metall-3D-Drucker geht, sind die ersten Bilder, die einem in den Sinn kommen, DMLS und SLS. SLM (Selektives Lasersintern), DMLS (Direktes Metall-Lasersintern) und MJF (Multi Jet Fusion) sind in der Regel Arten der Pulverbettfusion. Lassen Sie uns diese Arten nacheinander besprechen:
● DMLS
Das Direkte Metall-Lasersintern zeichnet sich dadurch aus, dass man mit diesem Verfahren Teile aus jeder Metalllegierung herstellen kann. Andere 3D-Druckverfahren hingegen sind nur mit bestimmten Metalllegierungen oder polymerbasierten Materialien kompatibel. Obwohl die Funktionsweise von DMLS der von SLS sehr ähnlich ist, liegt der Unterschied auf molekularer Ebene. Anstatt das Metallpulver zu schmelzen, wird es nur zusammengesintert. Dadurch erhält man weniger poröse Teile als bei der Schmelztechnik.
Außerdem wird bei diesem 3D-Metallsinterdrucker weniger Energie benötigt, da er keine Hitze zum Schmelzen des Metallpulvers benötigt. Das Verfahren wird speziell für die Herstellung von Produkten mit Hinterschneidungen, Hohlräumen und Entformungswinkeln verwendet. Die wichtigsten Anwendungen sind funktionale Prototypen, Werkzeuge und medizinische Geräte oder Instrumente.
● SLS
Mit dieser Methode lassen sich extrem dichte und starke Druckobjekte herstellen. In der Regel wird ein Hochleistungslaser verwendet, um die kleinen Pulverpartikel zu einem dreidimensionalen Teil zu verbinden. Sobald eine Schicht geschmolzen ist, wird eine Walze über das Bett bewegt, um die Verteilung der nächsten Pulverschicht zu gewährleisten. Später wird der Großteil des losen Pulvers durch manuelles Bürsten entfernt.
SLS-Metalldrucker sind ideal für die Herstellung mechanischer Teile wie Propeller und Zahnräder. Außerdem werden mit diesem Verfahren Teile für die Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie die medizinische Industrie hergestellt.
● MJF
Die Multi Jet Fusion-Technologie arbeitet mit Kehrarmen. Zunächst trägt ein Kehrarm die Pulverschicht auf, dann trägt der zweite Arm, der aus Tintenstrahldüsen besteht, selektiv ein Bindemittel auf das jeweilige Werkstück auf. Darüber hinaus sorgt der Inkjet für glatte und präzise Oberflächen, indem er ein Detailierungsmittel um das Bindemittel herum aufträgt.
Vorteile von PBF
Im Folgenden werden einige allgemeine Vorteile des Pulverbettschmelzverfahrens genannt:
- Sie können eine breite Palette von Geometrien herstellen.
- Bietet die besten mechanischen Eigenschaften für die Produkte.
Benachteiligungen
Diese Methode hat gewisse Nachteile, wie hohe Kosten, begrenzte Baugrößen, Abfallproduktion und gefährliche Handhabung von Metallpulvern.
2. Binder Jetting
Die Binder-Jetting-Technik im 3D-Druck wurde in den 1990er Jahren entwickelt. Ziel war es, ein kostengünstiges druckbares Metall zu entwickeln, das gleichzeitig hocheffektiv sein sollte.
Das Verfahren beginnt damit, dass das Ausgangsmaterial für den 3D-Druck in Pulverform wie Sand, Metallpulver, Keramik oder Polymer in den Drucker eingebracht wird. Dann wird das Bindemittel per Tintenstrahl aufgetragen, und jede Schicht wird auf die Bauplattform gedruckt. Da sich der Prozess wiederholt, wird das Pulver nach jeder Schicht neu aufgetragen, bis der Druckvorgang abgeschlossen ist.
Mit dieser Technik kann eine große Anzahl hochwertiger Teile und Bearbeitungswerkzeuge in kurzer Zeit hergestellt werden. Außerdem kann es zur Herstellung von Sandgussformen, realistischen Modellen und kostengünstigen Prototypen eingesetzt werden.
Vorteile
Bei der Anwendung dieser Technik können Sie die folgenden Vorteile erwarten:
- Geringe Kosten.
- 2 mm Maßgenauigkeit.
- Ausgezeichnete Farbproduktion.
Benachteiligungen
Abgesehen von seinen bemerkenswerten Vorteilen sind die Ergebnisse noch immer nicht zufriedenstellend. Sie können es nur für Anwendungen mit geringer Intensität verwenden.
3. Materialstrahlverfahren
Das Materialstrahlen, auch als Polyjet bekannt, ist eine recht beliebte Technik für Bleche aus 3D-Druckern. Dabei werden viskose fotoreaktive Materialien wie Wachse und Fotopolymere (flüssig) aufgrund ihrer Viskosität als gängige Materialien verwendet. Aufgrund ihrer Viskosität bilden sie feine Tröpfchen, um Schichten zu bilden. Im Allgemeinen wird bei diesem Verfahren UV-Licht eingesetzt, um das Material auf den Teilen zu verfestigen. Das Produkt wird hauptsächlich Schicht für Schicht hergestellt, bis es fertig ist.
Diese Technik kann z. B. beim Prototyping eingesetzt werden, um leuchtende Prototypen für verschiedene Marken und medizinische Modelle zu erstellen.
Vorteile
- Die Genauigkeit kann bis zu 0,01 Millimeter pro dünner Schicht betragen.
- Es bietet eine glatte Oberfläche.
- Das Verfahren bietet eine breite Farbpalette für Materialteile.
Benachteiligungen
Die Nachteile des Materialstrahlverfahrens sind, dass es für mechanische Anwendungen ungeeignet ist und dass es sich um ein Druckverfahren mit niedriger Geschwindigkeit handelt.
4. Material-Extrusion
Wie der Name schon sagt, funktioniert diese 3D-Drucktechnik nach dem Prinzip der Extrusion, bei der das Material kurz vor seinem Schmelzpunkt durch eine kleine Öffnung geleitet wird. Bei dieser Technik werden 3D-Verbundfilamente aus Metall und thermoplastischen Materialien auf einem vorbestimmten Weg in Schichten aufgetragen. Die gängigen Materialien für die Materialextrusion sind PLA, PA, ABS, TPU, Kohlefaser und andere.
Normalerweise wird die Materialextrusion bei 3D-gedruckten Metallteilen für Elektronikgehäuse, Feingussmodelle, Vorrichtungen usw. verwendet.
Es gibt zwei Untertypen der Materialextrusion:
- FDM (Fused Deposition Modeling)
- FFF (Fused Filament Fabrication)
1) FDM
Bei der FDM-Technologie wird ein Kunststoff-Filament zunächst verflüssigt und dann in die gewünschte (bereits durch ein CAD-Modell vorgegebene) Form gebracht. In der Regel wird eine Extrusionsdüse erhitzt, um den Kunststoff zu schmelzen. Das geschmolzene Material neigt dazu, Schichten zu bilden, die nach dem Aushärten zu einem 3D-Objekt führen.
2) FFF
Die FFF-Technologie ist der FDM-Technologie sehr ähnlich. Allerdings gelten FDM-Teile als stabiler als FFF-Teile. Was die Funktionsweise von FFF anbelangt, so fehlt eine beheizte Druckumgebung, was ein Schlüsselfaktor für weniger genaue Ergebnisse der Produkte ist.
Vorteile
Hier sind einige große Vorteile der Metallextrusion:
- Kostengünstig
- Sie können es einfach und mit hoher Sicherheit bedienen.
- Schnelles Drucken für empfindliche Teile.
Benachteiligungen
Die Materialextrusion ist aufgrund des begrenzten Radius der Düse in Bezug auf Genauigkeit und Geschwindigkeit nicht zu bevorzugen. Außerdem müssen die Techniker die endgültige Qualität des Produkts aufrechterhalten.
5. Kübelpolymerisation
Die Bottich-Photopolymerisation ist eines der additiven Fertigungsverfahren, bei dem nur das Photopolymer als wesentliches Material für diese Technik verwendet wird. Das Photopolymerharz ist in der Regel in verschiedenen Farben erhältlich. Normalerweise wird UV-Licht verwendet, um das Harz zu härten und eine perfekte Oberfläche zu erhalten.
Darüber hinaus findet der Photopolymerisationsprozess statt, wenn die Moleküle der flüssigen Photopolymere verschiedenen Wellenlängen des Lichts ausgesetzt werden. Infolgedessen verbinden sie sich schnell miteinander und härten zu einem Feststoff aus.
Küvettenpolymerisationstechniken sind üblich für die Herstellung von Teilen mit feinen Details wie Schmuck und verschiedene zahnmedizinische und klinische Anwendungen.
Diese 3D-Technik hat noch weitere unterschiedliche Typen:
- SLA (Stereolithographie)
- DLP (Digitale Lichtverarbeitung)
- CDLP (Kontinuierliche digitale Lichtverarbeitung)
1) SLA
SLA ist vor allem dafür bekannt, dass es enge Widerstände, eine hohe Detailgenauigkeit und glatte Oberflächen bietet. Bei diesem Verfahren wird eine Bauplattform in einen mit Harz gefüllten Behälter getaucht. Dabei verbleibt nur eine Schicht Höhe zwischen dem Boden des Harzbehälters und der Bauplattform. Anschließend verfolgt ein Galvanometer mit Hilfe eines G-Codes den Laserstrahl, der für die Erzeugung einer Schicht auf dem Teil verantwortlich ist.
Später wird der Querschnitt eines bestimmten Teils erneut mit frischem Material beschichtet. Nach denselben Schritten können auf dieser neu beschichteten Oberfläche neue Schichten gebildet werden.
2) DLP
Wie der Name schon sagt, werden beim Digital Light Processing Verfahren Licht und lichtempfindliche Polymere zum Drucken verwendet. Es unterscheidet sich vom SLA-Verfahren nur durch die Lichtquelle. Es verwendet verschiedene projizierte Lichtquellen, wie z. B. Bogenlampen. Außerdem gilt es als schneller als SLA.
DLP ist ideal für den Druck von komplizierten Mustern auf Kunstharze, um Spielzeug, Zahnformen, Schmuckformen, Figuren und viele andere Produkte mit feinen Details herzustellen.
3) CDLP
CLIP ist die schnellste VAT-Polymerisationstechnik, mit der glatte Objekte in verschiedenen Formen hergestellt werden können. Bei dieser Technologie werden ein UV-Projektor, Sauerstoff und ein lichtempfindliches Harz verwendet, um ein 3D-Objekt herzustellen.
Die Bauplattform ist leicht in eine lichtempfindliche Harzwanne eingetaucht. Wenn die Bauplattform ansteigt, reagiert das UV-Licht mit dem Harz, was zur Aushärtung des Materials führt. An diesem Punkt werden UV-Licht und Sauerstoff angepasst, um die Form des Teils zu verändern, während es aus der Harzvertiefung aufsteigt. Eines der wichtigsten Ziele der CDLP ist die Erzeugung mechanischer Eigenschaften in wirklich isotropen Teilen.
Vorteile
- Sie liefert qualitativ hochwertige und detaillierte Arbeit.
- Außerdem kann es schnell drucken.
Benachteiligungen
Neben den Vorteilen der Küpenpolymerisation fehlt es auch an Festigkeit, und UV-Licht kann das Harz auch nach dem Druck beeinträchtigen. Außerdem kann sich das Harz mit der Zeit verziehen und verbiegen.
6. Direkte Energieabscheidung:
Direct Energy Deposition im 3D-Druck ist eine komplexe Technik, die typischerweise bei der Reparatur von Industrieteilen eingesetzt wird. Bei diesem Verfahren wird nur Metall in Form von Draht oder Pulver verwendet. Außerdem wird keine zusätzliche Stützstruktur benötigt und eine Hochenergiequelle wie ein Laser- oder Elektronenstrahl verwendet, um das Material gleichzeitig mit dem Druck zu schmelzen.
Je nach Anwendungsbereich wird diese Technik jedoch auch als DMD, LENS, EBAM usw. bezeichnet.
In der Industrie wird diese Technik bei der Reparatur von beschädigten Schaufeln oder Turbinenschaufeln eingesetzt.
Vorteile
- Größere Teile können mit höherer Effizienz hergestellt werden.
- Ermöglicht schnelles Drucken im Vergleich zu anderen 3D-Druckdiensten für Metall.
- Durch das Verfahren entstehen Produkte mit hoher Dichte und hervorragenden mechanischen Eigenschaften.
Benachteiligungen
Zweifellos ist die Gesamtleistung dieser Methode hervorragend, aber sie ist relativ teuer. Außerdem kommt sie ohne Stützkonstruktionen aus, so dass es nicht zu Überhängen kommen kann.
7. Blattkaschierung
Bei der Blechlaminierung wird das Phänomen des schichtweisen Aufbaus eines 3D-Metallteils genutzt. Bei diesem Verfahren werden dünne Metallbleche gestapelt und laminiert, so dass ein einziges Stück entsteht, das durch Schneiden in ein 3D-Objekt umgewandelt werden kann. Die Laminierung kann durch Ultraschallschweißen, Hartlöten oder Kleben erfolgen. Nach Abschluss des Druckvorgangs mit dieser Methode werden die entstandenen Produkte durch Bearbeitung oder Bohren verändert.
Vorteile
- Die Materialien sind leicht zu handhaben
- Es ist kein zusätzliches Unterstützungssystem erforderlich
- Die Verwendung von Standardmaterial spart Kosten
- Nach der Nachbearbeitung bietet es eine schnellere Druckzeit
Benachteiligungen
Die Folienkaschiertechnik bietet nur begrenzte Materialoptionen. Außerdem kann es schwierig sein, das überschüssige Material nach dem Laminieren zu entfernen. Vor allem aber führt diese Methode zu viel Abfall.
Merkmale des 3D-Drucks von Metall im Vergleich zu SLM und DMLS
1. 3D-Drucker-Parameter
Die Parameter werden von den Maschinenherstellern bereits im Drucker eingestellt. In der Regel wird eine Schichthöhe von 20 bis 50 Mikron verwendet. Andererseits beträgt die allgemeine Baugröße des Systems fast 250 * 150 * 150 mm, doch sind auch größere Systeme auf dem Markt erhältlich.
Darüber hinaus werden beim SLM und DMLS weniger als 5% des Metallpulvers in Form von Stützstrukturen verschwendet. Der größte Teil des Pulvers kann jedoch recycelt werden.
2. Schichthaftung
Die von DMLS- und SLM-3D-Druckern, die Metall drucken können, hergestellten Teile haben hohe thermische und isotrope mechanische Eigenschaften. Diese massiven Teile weisen eine sehr geringe innere Porosität auf. Im Vergleich zu anderen traditionellen Techniken weisen sie eine höhere Festigkeit und Härte auf.
Ihre hohe Oberflächenrauhigkeit macht sie jedoch anfällig für Ermüdung.
3. Leichte Strukturen
Beim 3D-Druck von Metall wird in der Regel eine Gitterstruktur verwendet, um leichte Teile zu erhalten. Sie können auch Topologie-Optimierungsalgorithmen verwenden, um organische, leichte Designs zu erhalten.
4. Unterstützende Strukturen
Stützstrukturen sind für SLM- und DMLS-3D-Drucker von entscheidender Bedeutung, um die Folgen der hohen Verarbeitungstemperaturen zu bewältigen. Die drei wichtigsten Funktionen dieser Strukturen sind wie folgt:
- Sie dienen der Befestigung des Werkstücks an den Bauplatten, um ein Verziehen zu vermeiden.
- Sie trägt dazu bei, die nächste Schicht zu bilden, auf der aufgebaut werden kann.
- Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Ableitung von Wärme aus dem Bauteil. Daher kühlt es schnell ab.
Endgültiges Urteil
Vielleicht haben Sie festgestellt, dass die verschiedenen 3D-Drucktechniken für Metall neben ihren Vorteilen auch gewisse Nachteile mit sich bringen. Vor allem, wenn man die relativ hohen Kosten von 3D-Druckern und Metallpulvern bedenkt, ist es die beste Lösung, maßgeschneiderte 3D-Drucke auf Anfrage zu erhalten.
