Verschiedene Arten des 3D-Metalldrucks

Metallpulver ist das Rückgrat des 3D-Metalldrucks. Obwohl Metallpulver im Rohzustand schwierig und gefährlich zu handhaben ist, besitzt es einzigartige Eigenschaften, die es zum beliebtesten Materialtyp macht. In den meisten Metall-3D-Druckverfahren wird Metallpulver verwendet. Der Hauptunterschied zwischen den verschiedenen Arten von Metalldruckern liegt darin, wie diese das Pulver zu Metallteilen verschmelzen. Hier gibt es sehr unterschiedliche Methoden, die von der Verwendung von Hochenergielasern zum Verschmelzen von losem Pulver bis hin zum Extrudieren von gebundenem Metallpulverfilament reichen. In diesem Artikel werden die am häufigsten verwendeten Arten des 3D-Drucks von Metall sowie deren Funktionsweise und Vorteile erklärt.

Powder Bed Fusion (Pulverbettfusion)

Es gibt noch viele andere Bezeichnungen für die Powder Bed Fusion, das zurzeit am weitesten verbreitete Verfahren im 3D-Metalldruck. Diese Drucker verteilen eine feine Pulverschicht über eine Bauplatte und schmelzen selektiv einen Querschnitt des Werkstücks in die Pulverschicht ein. Es gibt zwei verschiedene Arten von Pulverbett-Schmelzverfahren: Selektives Laserschmelzen und Elektronenstrahlschmelzen.

Selektives Laserschmelzen (SLM)

Andere Bezeichnungen: Direktes Metall-Lasersintern (DMLS), Selektives Lasersintern (SLS), Direktmetalldruck (DMP), Laser-Pulverbettfusion (LPBF).

Bei den meisten Druckern für die Pulverbettfusion handelt es sich um SLM-Drucker. SLM-Drucker verwenden Hochleistungslaser, um Metallschichten zu Teilen zu verschmelzen. Nach dem Drucken entnimmt der Bediener das oder die Teile vom Pulverbett, schneidet das Teil von der Bauplatte ab und verarbeitet es weiter. Dies ist der aktuelle Standard für den Metalldruck und die meisten Unternehmen aus der Additiven Metallfertigung verkaufen heute SLM-Maschinen.

SLM ist die am weitesten entwickelte Art des Metall 3D-Drucks und wird oft als Standard angesehen, mit dem andere Technologien verglichen werden. Teile aus dem SLM-Druckverfahren eignen sich hervorragend für präzise, geometrisch komplexe Teile, die sonst nicht maschinell bearbeitet werden könnten. Sie eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen von der Zahnmedizin/Gesundheitspflege bis hin zur Luft- und Raumfahrt. Das Bauvolumen reicht von sehr klein (100-mm-Würfel) bis groß (800 mm x 500 mm x 400 mm) bei mittlerer Druckgeschwindigkeit. Die Präzision dieser Drucker wird durch die Breite des Laserstrahls und die Schichthöhe bestimmt. Die meisten Materialien, die zurzeit für den 3D-Druck verfügbar sind, können auf einem SLM-Drucker verwendet werden.

Es handelt sich um bahnbrechende Drucker, die sich aufgrund einer Vielzahl von Anforderungen an die Einrichtung und die Nachbearbeitung jedoch nur für industrielle Anwender eignen. SLM-Drucker können nur von Fachkräften bedient werden. Aufgrund des komplizierten Verfahrens müssen viele Teile mehrmals gedruckt und optimiert werden, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Nach dem Drucken sind bei den meisten Teile eine aufwendige Nachbearbeitung und Hitzebehandlung notwendig. Darüber hinaus ist das Metallpulver, das diese Drucker verwenden, extrem gefährlich und teuer in der Handhabung. Die meisten ausgereiften SLM-Drucker kosten bis zur Bereitstellung mehr als 1 Mio. Dollar, während für die Bedienung eine geschulte Fachkraft notwendig ist.

Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

EBM-Drucker verwenden für die Herstellung von Teilen einen Elektronenstrahl anstatt eines Lasers. GE Additive ist das einzige Unternehmen, das EBM-Drucker herstellt. Mit dem Elektronenstrahl wird ein weniger präzises Teil als im SLM-Verfahren hergestellt, aber das Verfahren insgesamt ist bei größeren Teilen schneller. Diese Drucker haben fast die gleichen Einschränkungen, Kosten und Probleme wie SLM-Maschinen, werden aber häufiger in der Luft- und Raumfahrt und in der Medizintechnik eingesetzt als in anderen Bereichen. Ähnlich wie SLM-Drucker kosten EBM-Drucker inklusive Einrichtung 1 Mio. und mehr und erfordern eine geschulte Fachkraft für die Bedienung.

Gerichtete Energieabscheidung (Direct Energy Deposition)

Beim Direct Energy Deposition werden fertigen Teile aus einem metallischem Rohmaterial mithilfe eines Lasers hergestellt. Anders als beim Pulverbettschmelzen sitzen das Material (Pulver oder Draht) und der Laser auf einem einzigen Druckkopf, der das Material gleichzeitig aufträgt und verschmilzt. Die Ergebnisse sind denen der Pulverbettfusion sehr ähnlich, aber es gibt wichtige Unterschiede und Vorteile.

Pulver-DED

Andere Bezeichnungen: Laserauftragschweißen (LMD), Pulverauftragschweißen

Laserauftragschweißen, das eng mit dem selektiven Laserschmelzen verwandt ist, verwendet zur Herstellung von Metallteilen ebenfalls einen Laser und Metallpulver. Aber anstatt Pulver auf einem Bett zu verteilen und es mit einem Laser zu schmelzen, blasen DED-Drucker das Pulver präzise aus einem Druckkopf auf ein Teil und verschmelzen es mit einem Laser auf dem Druckkopf mit dem Bauteil.

Da beide Drucker Metallpulver und einen Laser verwenden, sind die mit dem DED-Verfahren gedruckten Teile den mit SLM gedruckten Teilen mit einer entscheidenden Ausnahme sehr ähnlich: DED-Drucker können ihr einzigartiges Pulververteilungssystem nutzen, um nicht gedruckte (maschinell hergestellt) Teile mit Mängeln zu reparieren. Die Anforderungen an die verfügbaren Materialien, die Nachbearbeitung und das Pulvermanagement sind mit denen des SLM-Verfahrens vergleichbar, wobei die Drucker ebenfalls etwa 1 Million Dollar kosten.

DED mit Draht

Andere Bezeichnungen: Selektives Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Additive Manufacturing oder EBAM)

DED-Drucker mit Draht verwenden ähnlich wie andere DED-Drucker einen Laser zum Schmelzen des Ausgangsmaterials, wobei ihr Ausgangsmaterial aus Metalldraht und nicht aus Pulver besteht. Es handelt sich um eine Nischentechnologie, die bei größeren Bauvolumen (bis zu 5 m x 1 m x 1 m) und schnelleren Druckzeiten eingesetzt wird, wobei jedoch die Präzision und Qualität geringer sind. Deshalb ist der DED-Druck aus Draht für wesentlich größere und weniger präzisere Teile vorgesehen als beim Pulverbettdruck. Diese Drucker kosten mehrere Millionen Dollar und sind eher selten zu finden.

Binder Jetting

Binder Jetting ist ein präzises 3D-Metalldruckverfahren für große Stückzahlen, das SLM als führendes Verfahren des 3D-Drucks mit losem Pulver ablösen könnte. In der Branche gab es zunächst nur einen Hersteller, aber in den letzten zwei Jahren sind viele andere hinzugekommen (darunter führende Unternehmen in der Additiven Fertigung). Aufgrund der Schnelligkeit und Skalierbarkeit könnte es sich um die Technologie handeln, die die Additive Fertigung von Metallen in der Massenproduktion möglich macht.

Die Technologie, auf der Binder Jetting mit Metall beruht, entspricht der Technologie eines herkömmlichen (2D-)Druckers, mit der Tinte schnell auf Papier gebracht wird. Zunächst verteilt ein Binder-Jetting-Drucker das Metallpulver gleichmäßig über das Druckbett und bildet eine ungebundene Schicht. Dann verteilt ein Sprühkopf ähnlich wie bei einem 2D-Drucker das Bindemittel in der Form des Teil über den Bereich, wobei das Pulver locker haftet. Der Prozess wird so oft wiederholt, bis die Teile fertig gebaut sind.

Bei Teilen, die auf einem Binder Jetting-Drucker hergestellt werden, ist ein Nachbearbeitungsschritt notwendig, um zu Vollmetall zu werden, das „Sintern“. Bei diesem Verfahren wird das gedruckte Teil in einem Ofen bis knapp unter seine Schmelztemperatur erhitzt. Das Bindematerial wird entfernt und das Metallpulver verbindet sich zu einem Vollmetallteil. Dieser Prozess kann in Chargen durchgeführt werden, sodass er den Durchsatz nicht wesentlich beeinträchtigt.

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Das Binder Jetting bietet zwei wesentliche Vorteile gegenüber dem selektiven Laserschmelzen. Erstens können die Drucker viel schneller drucken, indem sie mehrere Köpfe verwenden, um an mehreren Stellen gleichzeitig zu drucken. Zweitens kann der Drucker Dutzende oder sogar Hunderte von ein und demselben Teil in einem Arbeitsgang herstellen. Diese Teile können in einem großen Ofen gesintert werden, um eine geeignete Infrastruktur für die Serienproduktion zu schaffen. Deshalb werden mit Binder Jetting Teile wesentlich schneller hergestellt als bei jedem anderen Metalldruckverfahren. Diese Geschwindigkeit (und die Anforderungen an das Pulvermanagement) bringen jedoch enorme Kosten mit sich. Bisher kosten die einzigen Drucker für dieses Verfahren weit über eine Million Dollar.

Bound Powder Extrusion

Andere Bezeichnungen: Atomic Diffusion Additive Manufacturing, Bound Powder Deposition

Das Verfahren Bound Powder Extrusion (BPE) ist ein interessanter Newcomer im Bereich der Additiven Metallfertigung. Im Gegensatz zu allen anderen größeren 3D-Druckprozessen benutzt BPE kein loses Metallpulver. Stattdessen wird das Pulver mit wachsartigen Polymeren gebunden, wie es auch bei der Herstellung von Metallspritzgussmaterial der Fall ist. Das Ergebnis ist ein Material, das viel sicherer und einfacher verwendbar ist als loses Pulver. Das gebundene Pulver kann von Hand und ohne die Sicherheitsmaßnahmen gehandhabt werden, die bei Druckern mit losem Pulver erforderlich sind. BPE-Filament wird ähnlich wie beim Standard-FFF 3D-Druck. aus einer Düse extrudiert. So entsteht ein „Grünling“, der Metallpulver enthält, das gleichmäßig in dem wachsartigen Polymer verteilt ist. Nach dem Druck sind im BPE-Verfahren zwei Nachbearbeitungsschritte notwendig. Zuerst wird das Polymer in einer „Waschmaschine“ weitgehend aufgelöst, anschließend wird das gewaschene Teil in einem Ofen gesintert (ähnlich wie beim Binder Jetting). Während des Sinterns schrumpft das Teil um das Volumen, in dem sich das gelöste Bindemittel befand, und es entsteht ein vollmetallisches Teil.

Da das Druckverfahren auf Filament basiert, entsprechen die Einschränkungen bei den BPE-Teilen weitgehend denen des konventionellen FFF-Kunststoffdrucks. Das Verfahren eignet sich für fast alle geometrischen Formen und kann mit offenen Zellfüllungen gedruckt werden. Auf BPE-Systemen gedruckte Teile müssen oft noch nachbearbeitet werden. Das kann eine Wärmebehandlung für Teile sein, bei denen besondere Eigenschaften notwendig sind (obwohl dies für jedes Metall erforderlich ist), und Nachbearbeitung/Polieren für verbesserte Oberflächen. Allerdings entfallen das Pulvermanagement und die hohen Anforderungen an die Ausstattung am Standort. Das Verfahren der BPE-Drucker ist einfacher, was sie kostengünstiger als alle anderen Systeme macht, die im Metall-3D-Druck verwendet werden. Die Preise für die Drucker liegen zwischen 120.000 und 200.000 US-Dollar. Weitere Informationen über dieses Verfahren, das auch vom Markforged Metal X verwendet wird, finden Sie in diesem Artikel zum Metal X.

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