Metall-3D-Druck ermöglicht die schnelle und kostengünstige Herstellung von Metallprototypen und -teilen in der Produktion.

Bild: Protolabs

Metall-3D-Druck Komplexe Metallteile fertigen

14.09.2018

Der Metall-3D-Druck im DMLS-Verfahren eignet sich nicht nur für die Herstellung von Prototypen aus Metall, sondern auch für die Produktion von geometrisch anspruchsvollen Metallteilen, die nicht fräsbar oder auf konventionelle Weise herstellbar sind.

Der Metall-3D-Druck ermöglicht die schnelle und kostengünstige Herstellung von voll funktionsfähigen Metallprototypen und Produktionsteilen. Und trotzdem weisen die hergestellten Teile Materialeigenschaften auf, die mit traditionell hergestellten Metallteilen vergleichbar sind. So rückt der Fokus eines Bauteils weg von einem Design, das primär auf die Herstellung optimiert worden ist, hin zu mehr Funktionsbezug. Beim Metall-3D-Druck lassen sich außerdem Aufwand und Material sparen, da Komponenten zusammengeführt werden, sodass beispielsweise statt vier Komponenten nur eine benötigt wird. Durch den Wegfall von Werkzeug- und Programmkosten lassen sich die Gesamtkosten reduzieren und auch die schnelle Verfügbarkeit physikalischer Modelle ist ein großer Vorteil des Rapid Manufacturing von Metallen.

Vorteile von Metall-3D-Druck

Bei der Herstellung von Teilen aus Metall gibt es zwei unterschiedliche Technologien: abtragende Verfahren (etwa Drehen oder Fräsen) und generative Verfahren (Metall-3D-Druck). Metall-3D-Druck beziehungsweise das direkte Metall-Lasersintern (DMLS) ähnelt dem selektiven Lasersintern mit Kunststoff (SLS). Es eignet sich jedoch besonders für den Einsatz mit Metallen wie Aluminium, Edelstahl, Titan, Kobalt-Chrom und Inconel. Mithilfe von DMLS können besonders kleine Teile oder Teile mit komplexen Geometrien gefertigt werden. Mit dem Verfahren ist es möglich, voll funktionsfähige Metallprototypen und Produktionsteile innerhalb weniger Tage herzustellen.

Typische Anwendungsfälle des Metall-3D-Drucks sind beispielsweise Sonderanfertigungen wie medizinische Implantate und Sonderlösungen im Maschinenbau, Prototypenherstellung von Blechteilen, Gehäusen und Vorrichtungen, Kleinserienfertigung von Luftdüsen, Wirbelsäulenimplantaten und Dosier­einheiten oder die Fertigung von Formen, beispielsweise von Einsätzen mit internen Kühlanlagen für Spritzguss. Auch im Ersatzteilbedarf spielt der Metall-3D-Druck eine Rolle, wenn Werkzeuge oder Daten von veralteten Bauteilen nicht mehr vorhanden sind.

Funktionsweise von DMLS

Nachdem ein 3D-CAD-Modell des Teileentwurfs online hochgeladen worden ist, wird dieses digital in dünne Schichten zerlegt. Zusätzlich werden Stützkonstruktionen entworfen, die in den meisten Fällen benötigt werden, um den Prozess zu unterstützen. Anschließend wird die Datei dann auf eine
DMLS-Maschine geladen. Diese Maschine basiert dabei auf einem Drei-Kammer-System. In der einen Kammer wird das lose Pulver gelagert; zusätzlich gibt es noch eine Baukammer und eine Kammer für den Überfluss, in der überschüssiges Pulver gesammelt wird.

Um den Lasersinterprozess zu starten, wird das Pulverbrett mit einer von vier hochfesten Legierungen gefüllt – mit Aluminium, Edelstahl, Warmarbeitsstahl oder Titan. Zudem wird eine dünne Schicht des ausgewählten Materials auf der Bauplattform verteilt. Die DMLS-Maschine beginnt anschließend mit dem Aufschmelzen der einzelnen Schichten – zuerst mit den Stützkonstruktionen an der Grundplatte und dann mit dem Bauteil selbst. Dabei wird ein Laser auf das Bett aus Metallpulver gerichtet. Nachdem eine Querschnittschicht von Pulver mikrogeschweißt wurde, härtet diese innerhalb von Millisekunden aus und die Bauplattform senkt sich ab. Anschließend bewegt sich eine Rakel über die Plattform, um die nächste Pulverschicht in der Prozesskammer aufzutragen. Der Laser verschmilzt die erste Schicht mit der nächsten. Dieser Prozess wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das gesamte Bauteil fertiggestellt ist. Bei der Entstehung der Schichten senkt sich dadurch das Niveau in der Prozesskammer ab, während es im Pulverzufuhrbehälter ansteigt.

Nach der Fertigstellung werden die Teile zuerst manuell abgebürstet, um loses Pulver grob zu entfernen. Je nach verwendetem Metall werden sie einer individuellen Wärmebehandlung unterzogen. Dabei sind die Teile weiterhin durch die Stützkonstruktionen fixiert, um Spannungen abzubauen. Anschließend werden sie von der Plattform genommen, bevor die Stützkonstruktionen entfernt werden. Die Bauteile werden zur finalen Bearbeitung nach Bedarf perlgestrahlt und entgratet. Danach können sie nach spezifischen Kundenanforderungen weiterbearbeitet werden.

Stützstrukturen zum Abbau von Spannungen

Stützstrukturen sind beim Metall-3D-Druck in den meisten Fällen dringend notwendig, da Bauteile mit einer Trägerplattform verbunden werden müssen, um neu aufgeschmolzene Flächen zu unterstützen. Während des Fertigungsprozesses wird ein metallischer Werkstoff aufgeschmolzen, der Prozess selbst ist jedoch kalt. Aus diesem Grund wird die Wärme, die je nach Material weit über 1.000 Grad betragen kann, abgeleitet, damit interne Spannungen abgebaut werden. Dies passiert über die Stützkonstruktionen. Diese halten die Spannungen, um Verformungen der Bauteile während des Prozesses zu reduzieren beziehungsweise um sie, im besten Fall, vollständig zu vermeiden.

Die Stützkonstruktionen haben jedoch auch Nachteile: Sie kosten Material sowie Zeit und verlängern die Bau- und Nachbearbeitungszeiten des Teiles, da diese am Ende wieder entfernt werden müssen. Der Kunde benötigt am Ende nämlich nur das fertige Bauteil, nicht jedoch die Stützkonstruktionen. Mithilfe einer guten Designpraxis können Stützstrukturen jedoch auf ein Minimum reduziert werden.

Wandstärken als Herausforderung im Prozess

Während des Fertigungsprozesses sollten einige geo­metrische Rahmenbedingungen eingehalten werden. Nur so wird ein ideales Design gewährleistet. Beispielsweise sollten die Wandstärken einen Millimeter nicht unterschreiten. Dies liegt daran, dass sich die Wandstärke auf die Höhe des Bauteils auswirkt: Je dünner die Wandstärke ist, desto weniger hoch kann das Teil gebaut werden. Der Grund dafür ist, dass die Leistung und Wärme, die bei der Aufschmelzung des Materials entstehen, nicht mehr abgeführt werden können – in der Folge verbrennt das Material. In diesem Fall kann es zu Lochbildungen oder allgemeinen Baufehlern kommen. Deswegen sollte immer auf das Minimum der Wandstärke geachtet werden. Auch bei erhabenen und vertieften Details gilt Vorsicht: Diese sollten mindestens 0,5 Millimeter hoch beziehungsweise tief und breit sein.

Bei der Integration von Hohlräumen im Bauteil muss außerdem darauf geachtet, dass diese während des Fertigungsprozesses immer mit Pulver gefüllt sind. Das wird am Ende der Produktion wieder abgeführt. Dafür sind Austrittslöcher mit einem Durchmesser von mindestens vier Millimetern bei einem Austrittsloch und zwei Millimetern bei zwei oder mehr Austrittslöchern notwendig.

DMLS – neue Möglichkeiten für die Industrie

Additive Fertigungsverfahren nehmen auch in Zukunft weiterhin eine Rolle als Schlüsseltechnologie ein, besonders im Zusammenhang mit Industrie 4.0 und einer zunehmend individualisierten Produktion. Im Unterschied zu konventionellen Verfahren wie Fräsen, Drehen, Gießen oder Schmieden erlaubt der 3D-Druck die Herstellung komplexer Geometrien und Strukturen. Durch die Reduzierung von Aufwand und Material sowie den Wegfall von Werkzeug- und Programmkosten reduzieren sich außerdem die Gesamtkosten.

Die zunehmende Anwendung im Bereich Metall-3D-Druck eröffnet der Industrie neue, innovative und effektive Möglichkeiten, die vorher nicht umsetzbar waren. Komplex gefertigte 3D-gedruckte Metallteile, die schnell und kostengünstig innerhalb von wenigen Tagen werkzeuglos hergestellt werden können, ermöglichen es Unternehmen, die Produktionszyklen zu verkürzen und damit dem Wettbewerbsdruck standzuhalten. Bevor Interessenten mit ihrem Vorhaben beginnen, ist es allerdings ratsam, sich zu Beginn von Spezialisten wie Protolabs eingehend zu beraten lassen, damit die Produktionsbedingungen auf die jeweiligen Bedürfnisse des Unternehmens zugeschnitten werden können.

Bildergalerie

  • Das DMLS-Verfahren eignet sich vor allem für die Fertigung komplexer Designs. Mehrteilige Baugruppen lassen sich dadurch reduzieren.

    Bild: Protolabs

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