Metalle
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3D-Druck aus Metall für Prototypen
3D-Druck ist immer stärker im Alltag implementiert. Inzwischen ist es problemlos möglich, sich einen eigenen 3D-Drucker für kleine private Projekte nach Hause zu holen. Doch die Entwicklung der Technologie steht nicht still. Besonders für die Industrie ist es wichtig, zuverlässige und robuste Möglichkeiten zu haben. Der 3D-Druck mit Metall bietet die idealen Voraussetzungen: Er ist weiterhin flexibel, aber bringt die Eigenschaften von Metall in die Produktion. Diese Kombination sorgt für eine Vielzahl an Anwendungsgebieten, darunter die Herstellung von Gussformen und Werkzeugen, von Ersatzteilen oder sogar Prototypen.
Im Folgenden klären wir Sie über folgende Themen auf:
- Vorteile des 3D-Drucks mit Metall für Prototypen
- Die Herstellungsverfahren des 3D-Drucks mit Metall
- Pulverbasierte Verfahren im 3D-Druck mit Metall
- 3D Druck mit Metall bei Protoland
- Extrusionsbasiertes Verfahren beim 3D-Druck mit Metall
- Das Nano-Particle-Jetting für den 3D-Druck mit Metall
- Mögliche Metalle beim 3D-Metalldruck
Vorteile des 3D-Drucks mit Metall für Prototypen
Der 3D-Druck aus Metall eignet sich besonders gut für die Herstellung von Prototypen. Die Gestaltung ist variabel und lässt bei Bedarf kleinste Anpassungen im Handumdrehen zu. Selbst die Produktion verschiedener Ausführungen mit minimalen Unterschieden ist kein Problem. Bei ausgereifter Technik ist die Herstellung schnell und dabei dennoch flexibel, wodurch sie nach Anfrage sofort durchgeführt werden kann.
Die Produkte sind sehr genau gearbeitet und sogar kleinteilig möglich. Diese Präzision verringert die Nachbearbeitung und damit die Kosten, insbesondere auch, weil die sofortige Produktion die Lagerzeit reduziert. Die Herstellung mittels 3D-Druck aus Metall beschränkt sich dabei nicht auf einfache Bauteile. Statt viele einzelne zu kombinieren, lassen sich damit stattdessen komplexe Konstrukte drucken. Das bedeutet, dass Sie Einzelteile einsparen, weil weniger für einen Prototyp produziert werden müssen.
Die Herstellungsverfahren des 3D-Drucks mit Metall
In der kurzen Zeit, in der es den 3D-Metalldruck erst gibt, wurden bereits viele Verfahren entwickelt. Und noch immer kommen weitere hinzu. Sie alle basieren auf der Verwendung von pulverisiertem Metall und Hitze. Die wird entweder zugeführt oder entsteht durch den Vorgang selbst. Einige davon sind vielversprechender als andere. Bisher ist das größte Problem, dass Verfahren und Geräte zu kostenintensiv für eine Serienproduktion sind. Aber mit der Zeit verbessert sich die Herstellung immer weiter. Von den ursprünglichen Varianten waren alle pulverbasiert, aber inzwischen gibt es auch extrusionsbasierte, die stabiler und zukunftsträchtiger sind.
Pulverbasierte Verfahren im 3D-Druck mit Metall
Weitere Varianten des 3D Drucks mit Metall
Die am weitesten verbreiteten sind das selektive Lasersintern (SLS) beziehungsweise Laserschmelzen (SLM). Bei beiden Verfahren wird das zu druckende Bauteil in feine Schichten aufgeteilt. Beim 3D-Druck mit dem Metall wird das Pulver je Schicht auf einer Plattform verteilt. Ein Laser sintert oder schmilzt die richtige Form dann heraus, ehe die neue Schicht folgt. Der nächste Durchgang mit dem Laser verbindet gleichzeitig die Schichten miteinander. Der Unterschied zwischen den beiden Vorgehen besteht primär in der Temperatur und damit den Eigenschaften der finalen Produkte. Das Sintern geschieht durch Erwärmung bis kurz vor dem Siedepunkt, das Schmelzen überschreitet ihn. Gesinterte Prototypen sind poröser als geschmolzene, dafür aber näher an den Ausgangsmaterialien. Beide sind dabei sehr robust und gleichmäßig.
Weitere Varianten sind das Metall-Binder-Jetting, das Electro-Beam-Melting und das Binder-Jetting mittels Formen. Das Metall-Binder-Jetting funktioniert ähnlich wie ein Tintenstrahldrucker: Das Pulver wird mit einem Binder gemischt und durch Hitzeeinwirkung gebunden. Stabilisiert wird es anschließend durch die Infiltration durch ein anderes Material, wie beispielsweise Bronze. Bei der Variante mit Formen werden Sandformen für das Metall gedruckt, die teilweise über 2 Meter lang sind. Da dabei kaum Supportstrukturen entstehen, ist dieses Verfahren freier im Design und hat kürzere Druckzeiten. Das Electro-Beam-Melting ist ähnlich wie das Laserschmelzen oder -sintern. Allerdings kommt ein Elektronenstrahl anstelle eines Lasers zum Einsatz. Das Verfahren ist teurer und aufwändiger, die Produkte aber stabiler und exakter.
Extrusionsbasiertes Verfahren beim 3D-Druck mit Metall
Bisher gibt es in diesem Bereich zwei Herstellungsverfahren. Das eine ist das von Desktop Metal beziehungsweise Markforged entwickelte. Die beiden Firmen haben es parallel erarbeitet. Dabei wird das Metallpulver mit einem Binder gemischt und in der Form aufgebracht. Nachträgliche Anpassungen sind hierbei möglich. Anschließend kommt es in den Ofen, wo der Binder ausgebrannt und das Metall gesintert wird. Dadurch wird es gleichmäßiger und hat eine höhere Stabilität in Z-Richtung. Dieses Vorgehen hat am ehesten das Potenzial, den 3D-Druck mit Metall auf die nächste Ebene zu bringen.
Das Nano-Particle-Jetting für den 3D-Druck mit Metall
Hierbei werden Nanopartikel des Metalls in einer Flüssigkeit gelöst, ehe die Mischung durch Druckköpfe auf eine Plattform aufgetragen wird. Die Hitze lässt die Flüssigkeit verdunsten, sodass nur noch das sich dabei verbindende Metall bleibt. Da die Schichten die dünnsten von allen Verfahren sind, gilt das Nano-Particle-Jetting als besonders detailreich.
Mögliche Metalle beim 3D-Metalldruck
Bei den verschiedenen Verfahren können auch unterschiedliche Metalle zum Druck verwendet werden. Bei SLS und SLM sind das typischerweise Aluminium, Titan, Edelstahl, Werkzeugstahl oder Kobald-Chrom-Legierungen. Edelstahl kommt außerdem beim Metal-Binder-Jetting häufig zum Einsatz, veredelt mit Bronze. Statt dieser sind zudem Eisen, Chrom- oder Kobald-Legierungen denkbar. Bei den extrusionsbasierten Herstellungsmethoden sind bisher primär Standardlegierungen im Einsatz. Geplant ist hier, dass bis zu 200 Materialien bei der von Desktop Metal und Markforged entwickelten Variante zur Verfügung stehen sollen. Geplant ist, diese auf den Möglichkeiten beim Metallpulverspritzgießen zu basieren.
Allgemein ist auch Messing denkbar, ebenso Kupfer, Inconel und Bronze.
Aluminium bietet gute thermische und Festigkeitseigenschaften, dabei ist es besonders leicht und außerdem flexibel in der Nachbearbeitung. Titan hat bei gleichzeitig geringem Gewicht fantastische mechanische Eigenschaften und ist äußerst rostbeständig. Edelstahl ist dazu noch leitfähig und mit guten Wärmeeigenschaften ausgestattet. Inconel ist besonders wärmebeständig sowie auch bei hohen Temperaturen fest. Kupfer wie Bronze sorgen für eine schön schimmernde Optik und kommen daher eher bei der Schmuckproduktion zum Einsatz. Messing ist ebenfalls besser für Schmuck, weil es durch das hohe Gewicht hochwertig wirkt.
3D-Druck mit Metall bei Protoland
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