Metall-3D-Druckverfahren im Vergleich

Es gibt mittlerweile unterschiedliche Verfahren zur Herstellung von 3D-gedruckten Teilen, mit denen viele verschiedene Materialien verarbeitet werden können. Eine Besonderheit ist immer noch die Verwendung von metallischen Werkstoffen, werden diese doch eigentlich nicht mit additiven Fertigungsverfahren in Bezug gesetzt.

Welche 3D-Druckverfahren werden bei metallischen Werkstoffen eingesetzt? Welche Vorteile haben diese Verfahren? Gibt es Nachteile, die den Einsatz für eine bestimmte Anwendung schwierig machen?

Mit den Antworten auf diese Fragen kann die Auswahl eines passenden 3D-Druckers für metallische Werkstoffe erleichtert werden.

Es gibt momentan drei führende 3D-Metalldrucker-Technologien: FFF (Fused Filament Fabrication), Pulverbettverfahren und Binder-Jetting. Dieser Beitrag soll die Funktionsweise der einzelnen Arten von Metall-3D-Druckern, ihre Unterscheidungsmerkmale und Perspektiven für den Einsatz erläutern.

Metall-Fused Filament Fabrication

Beim Metall-Fused Filament Fabrication-Verfahren ist das Metallpulver in eine wachsartige Kunststoffmatrix eingebunden. Es liegt als Filament vor und wird schichtweise verarbeitet. Dieses Verfahren hat den besonderen Vorteil, dass es sehr sicher und einfach in der Anwendung ist. Nach dem Druckvorgang benötigt es zusätzlich ein Entbinderungssystem und einen Sinterofen, um gebrauchsfertige Teile herzustellen.

Die Alleinstellungsmerkmale von Metall FFF

• Erschwinglichkeit: FFF-Metalldrucker sind in Bezug auf Anschaffung und Betrieb günstiger als andere Metalldrucker.

• Sicherheit: Metallisches 3D-Druckerfilament, das aus gebundenem Pulver besteht, ist relativ sicher in der Anwendung, und die Maschinen können mit minimaler Schulung und Schutzausrüstung effektiv genutzt werden.

• Gute Materialeigenschaften der fertigen Teile: Durch das abschließende Sintern des fertigen Teils werden innere Spannungen im Material abgebaut.

• Materialverfügbarkeit: Es gibt schon jetzt eine große Anzahl an Materialien, die mit diesem Verfahren verarbeitet werden können. Durch die fortlaufende Entwicklung können industrielle 3D-Drucker auch exotische Metallsorten und Legierungen verwenden.

Was ist beim Metall-FFF zu beachten?

Metall FFF ist nicht optimiert für Vollmaterialteile. In der Regel werden Teile mit geschlossenen Hohlräumen gedruckt. Zwar können auch Teile aus Vollmaterial gedruckt werden, doch kann dies zu längeren Druckzeiten führen oder die Vielfalt der herstellbaren Teile einschränken.

Herstellung nahezu vollständig geformter Teile. Obwohl die Teile bei Bedarf nachbearbeitet werden können, um enge Toleranzen einzuhalten, werden mit dem Metall-FFF-Verfahren in der Regel endkonturnahe Teile gedruckt.

Ausblick

Das Metall-Fused Filament Fabrication-Verfahren entwickelt sich momentan rasch weiter, wobei die 3D-Drucker immer leistungsfähiger und zuverlässiger werden. Durch neue Funktionen wird die Anwendungspalette ständig erweitert. Viele Branchen erschließen mit der Metall-Fertigteilproduktion innovative Anwendungen.

Auf längere Sicht werden weitere Materialien und Möglichkeiten hinzukommen, die die Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie erweitern. Metall-FFF-Drucker werden aufgrund ihrer Erschwinglichkeit, Zugänglichkeit und Vielseitigkeit beim 3D-Druck von Metallteilen mit komplexem Design zu einem festen Bestandteil von Fertigungseinrichtungen werden.

Pulverbettverfahren

Bei diesem, auch als Selective Laser Melting – SLM oder Direct Metal Printig – DMP genannten Verfahren wird ein Laser an einem Portal montiert. Dieser wird über eine dicke Schicht aus Metallpulver bewegt und verschmilzt dieses schichtweise. Nach jeder vom Laser verschmolzenen Schicht wird eine neue Schicht Pulver aufgebracht. Dies geschieht mit einem System zur Pulververteilung. Wenn das gedruckte Teil fertiggestellt ist, wird es entnommen, gereinigt und weiterbearbeitet.

Die Alleinstellungsmerkmale vom Pulverbettverfahren

Mit dem Verfahren können Teile mit speziellen Anforderungen hergestellt werden. Dazu gehören ultrakomplexe Geometrien, große Teile und große Teile aus Vollmaterial.

Die Technologie an sich ist sehr weit  ausgereift. Infolgedessen gibt es eine große Auswahl an Materialien und mehrere Hersteller, die eine große Auswahl an Maschinen anbieten.

Was ist beim Pulverbettverfahren zu beachten?

• Hoher Anschaffungspreis: Das Pulverbettschmelzen ist nach wie vor teuer, und die Preise für 3D-Metalldrucker für diese Technologie liegen in der Regel bei über 500.000 € für Anschaffung und Installation.

• Betrieb: Für den Betrieb ist ein geschulter Bediener erforderlich, es wird viel Platz in der Fertigungshalle benötigt, und es sind teure persönliche Schutzausrüstungen (PSA) und Änderungen an den Einrichtungen erforderlich. Dies erhöht die Kosten für den 3D-Metalldruck.

• Einarbeitung bei anspruchsvollen Teilen: Komplexe 3D-gedruckte Metallteile erfordern viele Iterationen, um einen erfolgreichen und genauen Druck zu erhalten. Der Prozess führt zu inneren Spannungen, die zu Rissen und Verformungen führen können. Sobald jedoch die Druck- und Designparameter eingestellt sind, können qualitativ hochwertige Teile gedruckt werden.

Ausblick

Das Pulverbettschmelzen ist der Marktführer in der Metall-3D-Druckbranche. Neben den führenden, etablierten Anbietern mit fortschrittlichen Fähigkeiten gibt es einige neue Wettbewerber, die spezifische oder kostengünstigere Lösungen anzubieten.

Branchen, die für hochspezialisierte Anwendungen bekannt sind, haben bei der Einführung des Pulverbettverfahrens eine Vorreiterrolle übernommen – darunter die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und die Medizintechnik.

In der Zukunft wird die Akzeptanz in der Industrie dazu führen, dass noch mehr innovative Anwendungen der Pulverbettschmelztechnologie hervorbringen wird. Je mehr Branchen diese 3D-Metalldrucktechnologie nutzen, desto mehr unterschiedliche Anwendungen werden entstehen. Ein verstärkter Wettbewerb trägt dazu bei, dass weitere unterschiedliche Drucker entwickelt werden.

Binder Jetting

Bei diesem 3D-Metalldruckverfahren trägt ein tintenstrahlähnlicher Druckkopf ein spezielles Bindemittel präzise auf ein Bett aus Metallpulver auf. Nach einer Trocknung trägt die Maschine ähnlich wie bei der Pulverbettfusion weiteres Pulver auf und wiederholt den Druck- und Trocknungsprozess, bis die Teile fertig sind. Nach einer Abschließenden Trocknung können die noch unfertigen Grünteile entnommen und gereinigt werden. Danach folgt ein Sinterprozess, mit dem die Teile fertiggestellt werden.

Beim Sintern wird das Material bis knapp unter den Schmelzpunkt erhitzt, was eine genaue Prozesskontrolle erfordert. Während des Sinterprozesse schrumpft das Bauteil stark zusammen, was eine entsprechende Skalierung des Grünteils erforderlich macht.

Die Binder Jetting Technologie ist im Metallbereich noch relativ neu. Sie wird laufend weiterentwickelt und hat großes Potential.

Die Alleinstellungsmerkmale vom Binder Jetting

3D-Drucker, die diese Technologie einsetzen, überzeugen vor allem durch die schnelle Druckgeschwindigkeit und die hohe Präzision, mit der die Drucke ausgeführt werden. Bei dem Druckprozess können viele Teile gleichzeitig hergestellt werden, deren Geometrie sehr komplex mit filigranen Details sein kann.

Was ist beim Binder Jetting zu beachten?

• Sicherheit und Handhabung: Die Verwendung von losem Pulver ist mit Sicherheits- und Handhabungsproblemen verbunden. Es ist geschultes Personal und Schutzausrüstung für den Umgang mit den Rohstoffen notwendig.

• Der hohe Anschaffungspreis: Die Preise für 3D-Drucker, die mit diesem Verfahren arbeiten, sind noch sehr hoch. Kosten zwischen 300.000 € und 2 Mio. € sind keine Seltenheit.

• Eigenschaften der Teile: Durch das noch recht neue Verfahren fehlen noch zuverlässige Daten über die Haltbarkeit der hergestellten Teile und deren mechanische Eigenschaften. Auch die Auswirklungen von unterschiedlichen Designs hat eine große Auswirkung auf das Verhalten im Einsatz.

Ausblick

Das Binder-Jetting von Metallen befindet sich noch in der Entwicklung. Bisher wird es nur von wenigen Unternehmen eingesetzt. Dennoch ist es eine Technologie mit Zukunft, in die mehrere große Anbieter investieren.

Einige Branchenanalysten sagen voraus, dass das Binder-Jetting die Zukunft der Massenproduktion beim 3D-Druck von Funktionsteilen aus Metall sein könnte. Diese Prognosen hängen jedoch von den Entwicklungen in dieser Technologie ab und von den Erfahrungen mit den so hergestellten Teilen.

Sie interessieren sich für die unterschiedlichen Verfahren, mit denen Sie Teile aus Metall mit dem 3D-Drucker herstellen können?

Möchten Sie Ihre Fertigung um einen 3D-Drucker erweitern?

Kontaktieren Sie uns gerne, um die passende Technologie für Ihre Anwendung zu finden.