Der Metall-3D-Druck gilt als Höhepunkt des 3D-Drucks. Wenn es um Festigkeit und Haltbarkeit geht, ist nichts mit Metall zu vergleichen.

Das früheste Patent für den Metall-3D-Druck war DMLS (Direct Metal Laser Sintering), das in den 1990er Jahren von der deutschen EOS erworben wurde. Seitdem hat der Metall-3D-Druck nach und nach viele Arten von Druckverfahren entwickelt. Heute verwendet jeder Metall-3D-Drucker normalerweise einen der folgenden vier Arten von Verfahren: Pulverbettfusion, Bindemittelinjektion, direkte Energieabscheidung und Materialextrusion.

Metallpulverbett-Fusion

Gängige Prozesse:

 DMLS (Direct Metal Laser Sintering), SLM (Selective Laser Melting) und EBM (Elektronenstrahlschmelzen).

Beschreibung: Mit der PBF-Schmelztechnologie hergestellte Metallteile können Eigenspannungen und innere Defekte reduzieren, wodurch sie sich ideal für anspruchsvolle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie eignen.

Direktes Metall-Lasersintern (DMLS): 

Es kann verwendet werden, um Objekte mit fast jeder Metalllegierung zu bauen. Beim direkten Metall-Lasersintern wird eine sehr dünne Schicht Metallpulver auf die zu bedruckende Oberfläche aufgetragen. Der Laser überquert langsam und stetig die Oberfläche, um dieses Pulver zu sintern, und die inneren Partikel des Metalls verschmelzen miteinander, auch wenn sie nicht vollständig geschmolzen sind. Dann wird eine zusätzliche Pulverschicht aufgetragen und gesintert, um jeweils einen Querschnitt des Objekts zu "drucken". Nach dem Drucken kühlt das Objekt langsam ab und das überschüssige Pulver kann aus der Baukammer zurückgewonnen und recycelt werden. Der Hauptvorteil von DMLS besteht darin, dass die produzierten Objekte keine Eigenspannungen und inneren Defekte aufweisen, was für stark beanspruchte Metallteile (z.

Selektives Laserschmelzen (SLM):

 Verwenden Sie einen Hochleistungslaser, um jede Metallpulverschicht vollständig zu schmelzen und nicht nur zu sintern, damit das gedruckte Objekt sehr dicht und stark ist. Derzeit ist dieses Verfahren nur für bestimmte Metalle wie Edelstahl, Werkzeugstahl, Titan, Kobalt-Chrom-Legierungen und Aluminium anwendbar. Der hohe Temperaturgradient, der beim SLM-Herstellungsprozess auftritt, kann auch im Endprodukt Spannungen und Verschiebungen verursachen, die die physikalischen Eigenschaften beeinträchtigen.

Elektronenstrahlschmelzen (EBM): 

Es ist dem selektiven Laserschmelzen sehr ähnlich und kann dichte Metallstrukturen erzeugen. Der Unterschied zwischen diesen beiden Technologien besteht darin, dass EBM einen Elektronenstrahl anstelle eines Lasers verwendet, um Metallpulver zu schmelzen. Derzeit kann das Elektronenstrahlschmelzen nur für eine begrenzte Anzahl von Metallen verwendet werden. Obwohl auch Kobalt-Chrom-Legierungen verwendet werden können, sind Titanlegierungen nach wie vor der Hauptrohstoff für dieses Verfahren. Diese Technologie wird hauptsächlich zur Herstellung von Teilen für die Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet.

Technische Vorteile: Nahezu jede geometrische Form kann mit hoher Präzision hergestellt werden. Es wird eine breite Palette von Metallen verwendet, darunter die leichteste Titanlegierung und die stärkste Nickel-Superlegierung, die mit traditionellen Fertigungstechniken nur schwer zu verarbeiten sind. Die mechanischen Eigenschaften können mit geschmiedeten Metallen vergleichbar sein und können wie herkömmliche Metallteile bearbeitet, beschichtet und behandelt werden.

Technische Nachteile:

 hohe Material-, Maschinen- und Betriebskosten. Die Teile müssen über eine Stützstruktur mit der Bauplatte verbunden werden (um ein Verziehen zu verhindern), was Abfall erzeugt und eine manuelle Nachbearbeitung und Entfernung erfordert. Die Baugröße ist begrenzt und der Umgang mit Metallpulver ist gefährlich und erfordert eine strenge Prozesskontrolle.

Metallbindemittelstrahlen

Häufig verwendete Verfahren: MJF (Multi Jet Fusion), NPJ (Nano Particle Jet)

Beschreibung: 

Diese Technologie verwendet Tintenstrahl, um ein Bindemittel selektiv auf ein flaches Pulverbett zu tropfen. Der die Tröpfchen aufnehmende Bereich wird verfestigt und der Rest des Pulvers bleibt locker. Führen Sie die obigen Schritte Schicht für Schicht durch, bis das gesamte Objekt generiert ist. Mit diesem Verfahren können Metalle, Sand, Keramik und andere Materialien bearbeitet werden. Da die Metallkleber-Sprühmaschine bei Raumtemperatur arbeitet, gibt es keinen Verzug und es ist keine Unterstützung erforderlich. Daher kann die Bindemittel-Sprühmaschine viel größer sein als die Pulverbett-Schmelzmaschine, kann Objekte stapeln, den gesamten Bauraum voll ausnutzen und ist eine beliebte Wahl für die Kleinserienproduktion und die bedarfsgerechte Fertigung.

Technische Vorteile:

 großvolumiges Drucken ist möglich, Teile müssen nicht mit der Bauplatte verbunden werden, sodass sie verschachtelt werden können, um das gesamte verfügbare Bauvolumen zu nutzen. Es gibt wenige Einschränkungen bezüglich der Geometrie und normalerweise wird keine Unterstützung benötigt. Es gibt keinen Verzug, so dass größere Teile hergestellt werden können. Die Druckgeschwindigkeit ist sehr hoch und die Kosten sind niedriger als beim Pulverbettdrucken mit geschmolzenem Metall.

Technische Nachteile:

 Teile müssen nach dem Drucken zeitaufwendige Entfettungs- und Ofensinterprozesse durchlaufen, und die Maschinen- und Materialkosten sind hoch. Die Porosität ist höher als beim Pulverbettschmelzen, daher sind die mechanischen Eigenschaften nicht so gut und es stehen weniger Materialien zur Auswahl.

Direkte Energieabscheidung

Gängige Prozesse: 

DED (Direct Metal Deposition), WAAM (Arc Additive Manufacturing), LMD (Laser Material Deposition)

Beschreibung: Bei dieser Methode wird Metall, sei es Metallpulver oder Metalldraht, gequetscht und erhält dann sofort einen hochenergetischen Aufprall (Schmelzen kann durch Plasmalichtbogen, Laser oder Elektronenstrahl erreicht werden). Die Energie schmilzt das Metall und das Schmelzbad sinkt sofort in den 3D-Raum ab, und die Position wird vom mechanischen Arm bedient. Es ist dem Schweißen sehr ähnlich, daher besteht eine der Hauptanwendungen darin, vorhandene Metallteile zu reparieren und die Funktionalität der Teile zu erhöhen.

Technische Vorteile: 

Metalldraht ist die günstigste Form von Metall-3D-Druckmaterial, und einige Maschinen können sogar zwei verschiedene Metallpulver verwenden, um Legierungen und Materialverläufe zu erzeugen. 5-Achs- und 6-Achs-Bewegung können Modelle ohne die Verwendung von unterstützenden Materialien herstellen. Sie können beschädigte Metallteile reparieren und neue Komponenten hinzufügen. Das Bauvolumen ist groß, das Material wird effizient genutzt, die Teiledichte ist hoch, die mechanische Leistung ist gut und die Druckgeschwindigkeit ist hoch.

Technische Mängel: 

Die Oberflächenqualität der Teile ist schlecht, erfordert in der Regel eine maschinelle Bearbeitung und Endbearbeitung, und kleine Details sind schwer oder unmöglich zu erreichen. Die mechanischen und Betriebskosten sind hoch.

Metallmaterialextrusion

Gemeinsamer Prozess:

 FDM (Fused Deposition Modeling)/FFF (Fuse Manufacturing)

Beschreibung: Diese Technologie wurde speziell entwickelt, um den kostengünstigen 3D-Metalldruck zu ermöglichen, der von kleinen und mittleren Unternehmen verwendet werden kann. Designstudios, mechanische Werkstätten und kleine Hersteller verwenden Metallmaterial-Extruder, um iterativ zu entwerfen, zu erstellen Armaturen und Armaturenund komplette Kleinserienfertigung. Die neueste Entwicklung auf diesem Gebiet ist Metalldraht, der in den meisten Desktop-FDM-3D-Druckern verwendet werden kann und den Metall-3D-Druck für fast jeden verfügbar macht. Das Arbeitsprinzip der Metallextrusion:

Polymerfilamente oder -drähte, die mit kleinen Metallpartikeln imprägniert sind, werden entsprechend der entworfenen Form Schicht für Schicht 3D-gedruckt.

Reinigen Sie die 3D-gedruckten Teile und entfernen Sie etwas Klebstoff.

Die Teile werden in einen Sinterofen gelegt und die Metallpartikel werden zu festem Metall geschmolzen.

Technische Vorteile:

 kostengünstig, einfach und sicher zu bedienen.

Technische Mängel: 

Die Teile müssen den gleichen Entbinderungs- und Sinterprozess durchlaufen wie die bindemittelgespritzten Teile. Weitere Einschränkungen bei Geometrie und Unterstützung sind erforderlich, um Verzug zu verhindern, und die Teile haben eine hohe Porosität, die nicht die gleichen mechanischen Eigenschaften wie geschmiedete Metalle erreichen kann. Die Teile sind nicht so dicht wie bei PBF oder DED und die Schrumpfung im Ofen ist nicht genau.

Anderes Metall-3D-Druckverfahren

Joule-Druck: Der Joule-Druck von Digitallegierungen sieht dem DED sehr ähnlich, aber der Draht wird durch elektrischen Strom geschmolzen, anstatt durch einen Lichtbogen oder Lichtstrahl erhitzt zu werden. Dadurch wird das Drucken schneller und es können nachweislich bis zu 2 Kilogramm Titan pro Stunde gedruckt werden.

Flüssigmetall-Additive Fertigung (Flüssigmetall-Additive Fertigung): 

Vader Systems hat eine Flüssigmetall-Additive-Fertigungstechnologie entwickelt, die Flüssigmetalltröpfchen bei 1200 °C auf ähnliche Weise wie bei einem Tintenstrahldrucker abscheidet.

Elektrochemische Abscheidung (Elektrochemische Abscheidung): 

Der nanoskalige Metall-3D-Drucker CERES von Exaddon kann durch elektrochemische Abscheidung Metallobjekte kleiner als die Breite eines menschlichen Haares machen.

DLP-Metalldruck: 

ADMATEC und Prodways bieten Metall-DLP-Druck an. Ähnlich wie bei der Extrusion von Metallmaterialien, bei der Metallpulver mit Photopolymerharz vermischt wird, müssen 3D-gedruckte Teile den gleichen Entfettungs- und Sinterprozess durchlaufen, genau wie das Extrusionsverfahren von Metallmaterialien.

Kaltspray-Metalldruck: 

Cold Spray Metal Printing wurde ursprünglich von der NASA verwendet, um Metallobjekte im Weltraum zu bauen. Das Hauptmerkmal ist schnell (6 kg Aluminium oder Kupfer pro Stunde), der Nachteil ist, dass es nicht so genau ist. Die australischen Unternehmen Titomic und SPEE3D sind führend in dieser Technologie.

Ultraschallkonsolidierung (UAM): 

Verwenden Sie Schall, um dünne Metallfolienschichten miteinander zu verbinden, und verarbeiten Sie den überschüssigen Teil jeder Schicht, bevor Sie die nächste Folienschicht verkleben, sodass es sich um eine Kombination aus additiver Fertigung und subtraktiver Fertigung handelt. Die SonicLayer 3D-Druckerserie von Fabrisonic verwendet diese Technologie.

Lasertechnische Netzformung (LENS): 

ist eine laserbasierte Methode, die eine sehr kontrollierbare Umgebung erfordert. Dieser Prozess erfordert eine abgedichtete Kammer, und Argon wird normalerweise verwendet, um Sauerstoff zu spülen, um den Oxidationsgrad so niedrig wie möglich zu halten. Der Leistungsbereich von LENS-Lasern reicht von 500W bis 4kW. Mit ihr lassen sich Titan, Edelstahl und Inconel bearbeiten. Obwohl es schwierig ist, die anaerobe Kammer zu warten, bietet LENS dem Benutzer eine bessere Genauigkeit und Kontrolle.

Electron Beam Free Form Manufacturing (EBF3): Ursprünglich von der NASA entwickelt, ist es eine Methode, die hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet wird. Dieses Verfahren kann komplexe geometrische Formen ohne Materialverschwendung erzeugen und kann leichte Formen erzeugen, um Kraftstoffeinsparungen zu fördern.

Link zu diesem Artikel: Lernen Sie die vier Metall-3D-Drucktechnologien kennen

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