Übersicht
3D-Drucker mit Metallpulver verwenden einen Laser- oder Elektronenstrahl, um Metallpulver selektiv zu schmelzen und zu einem festen 3D-Objekt zu verschmelzen. Mit dieser additiven Fertigungstechnologie können komplexe Geometrien und leichte Teile direkt aus 3D-CAD-Daten erstellt werden.
Im Vergleich zu herkömmlichen subtraktiven Verfahren wie der CNC-Bearbeitung können mit dem 3D-Metalldruck komplizierte Konstruktionen ohne die typischen Einschränkungen durch den Zugang zu Werkzeugen oder die hohe Anzahl von Teilen bei der Montage erstellt werden. Er bietet Designfreiheit und eine kürzere Markteinführungszeit für Leichtbaukomponenten in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, in der Medizin und in allgemeinen industriellen Anwendungen.
Allerdings kann das Verfahren je nach Volumenanforderungen langsamer und teurer pro Teil sein. Um dichte, lunkerfreie Bauteile mit den gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erhalten, müssen mehrere Druckparameter und Nachbearbeitungsschritte optimiert werden.
Arten von 3D-Drucker mit Metallpulver
Es gibt zwei Haupttechnologien für das Metallpulverbettschmelzen - Direktes Metall-Lasersintern (DMLS) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Die wichtigsten Unterschiede liegen in der Wärmequelle, den atmosphärischen Bedingungen, den Pulveroptionen und den Anwendungen:
| Parameter | DMLS | EBM |
|---|---|---|
| Wärmequelle | Faserlaser | Elektronenstrahl |
| Atmosphäre | Inertes Argon | Vakuum |
| Materialien | Al-, Ti-, Ni-Legierungen, Werkzeugstähle | Ti-Legierungen, einige Ni-Legierungen |
| Auflösung | Höhere, dünne Wände bis zu 0,3 mm | Mäßig, Mindestwandstärke 0,8 mm |
| Genauigkeit | ± 0,1-0,2% mit 20-50 Mikrometer Genauigkeit | ± 0,2% mit 50-200 Mikrometer Genauigkeit |
| Oberfläche | Glatte Oberfläche wie gedruckt | Vergleichsweise raue Oberfläche |
| Geschwindigkeit | Moderate Bauraten | Sehr schnelle Bauraten |
| Anwendungen | Dental-, Medizin-, Luft- und Raumfahrtkomponenten | Orthopädische Implantate, Strukturen für die Luft- und Raumfahrt |
DMLS-Drucker verwenden einen Hochleistungs-Faserlaser, der von Galvoscannern oder Spiegeln präzise gesteuert wird, um mikroskopisch kleine Schichten von Metallpulver in einer inerten Argonatmosphäre selektiv zu schmelzen. Komplexe und empfindliche Strukturen mit feineren Details können mit hoher Genauigkeit und glatter Oberfläche hergestellt werden.
Zu den beliebten DMLS-Systemen gehören die EOS M-Serie, die GE Additive Concept Laser-Maschinen, der Renishaw RenAM 500 Quad-Laserdrucker und der Open-Source Lulzbot TAZ Pro.
EBM-Drucker nutzt einen Elektronenstrahl als hochintensive Wärmequelle zum vollständigen Aufschmelzen von Metallpulverschichten im Vakuum. Der schnelle Abtaststrahl ermöglicht sehr hohe Aufbauraten, aber eine gröbere Auflösung von etwa 100 Mikrometern.
EBM kann poröse Strukturen, die als Knochenimplantate verwendet werden, effizient drucken. Führende EBM-Systeme werden von ARCAM hergestellt, jetzt eine Marke von GE Additive, die die Arcam EBM-Drucker Spectra H, Q10plus und Q20plus herstellt.
Metallpulver-Materialien
Die meisten handelsüblichen Metallpulver für den 3D-Pulverbettdruck erfüllen die folgenden Spezifikationen:
| Parameter | Typischer Bereich |
|---|---|
| Partikelgröße | 10 - 45 Mikrometer |
| Fließfähigkeit | Geeignet für die Schichtabscheidung |
| Reinheit | >99,5% |
| Form | Sphärisch, Satellit, Unregelmäßig |
| Scheinbare Dichte | 60-80% der festen Dichte |
| Dichte des Gewindebohrers | Bis zu 98% Feststoffdichte nach Verdichtung |
Gängige Legierungen Verwendet werden Titan, Aluminium, rostfreier Stahl, Nickelsuperlegierungen und Kobalt-Chrom. Viele sind für AM-Prozesse maßgeschneidert und nach wiederholtem Recycling optimiert.
Titan Grad 5 Ti6Al4V ist wegen seines Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht und seiner Biokompatibilität beliebt. Komponenten aus der Aluminiumlegierung AlSi10Mg und martensitaushärtendem Stahl weisen eine hohe Festigkeit auf. Kobaltchrom wird in großem Umfang für zahnmedizinische und medizinische Implantate verwendet.
Nickelsuperlegierungen wie Inconel 718 und 625 bieten eine hervorragende Hitze- und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen. Werkzeugstähle können nach dem Druck auf 60 HRC gehärtet werden, um eine extreme Verschleißfestigkeit zu erreichen.
Exotische Metallpulver werden mit der Erweiterung der Technologie qualifiziert - Aluminium-Magnesium-Scandium, Kupfer-Nickel-Zinn, Edelmetalle wie Gold, Platin und Silber wurden bereits gedruckt.
Druckverfahren
Obwohl sich DMLS und EBM in der Hardware unterscheiden, sind die allgemeinen Schritte des Metallpulverbettschmelzens die gleichen:
- 3D-CAD-Modell, das unter Berücksichtigung der AM-Designprinzipien entworfen wurde
- STL-Datei, verarbeitet mit einer Slicing-Software
- Der Mechanismus der Pulverabscheidung verteilt die gemessene Schicht
- Laser oder E-Beam scannt Schichtmuster nach Datei
- Der Prozess wird wiederholt, bis das gesamte Objekt auf einer Grundplatte aufgebaut ist.
- Überschüssiges Pulver stützt das Teil und absorbiert Spannungen
- Drucker gewinnt ungeschmolzenes Pulver zur Wiederverwendung nach der Filtration zurück
- Fertig gedruckter 3D-Baukörper aus der Maschine entfernt
Für Metalle gilt Folgendes Nachbearbeitung ist entscheidend, bevor ein Teil in Betrieb genommen wird:
- Entfernung von Stützen durch Schneiden, Sprengen oder chemische Auflösung
- Heißisostatisches Pressen zur Beseitigung innerer Hohlräume
- Wärmebehandlungen zur Veränderung des Mikrogefüges
- Oberflächenbearbeitung - Perlstrahlen, Schleifen, Polieren
- Präzisionsbearbeitung zur Erfüllung der Toleranzanforderungen
- Qualitätsprüfungen je nach Anwendung - Maßhaltigkeit, Dichte, mechanische Eigenschaften, Mikrostruktur, Oberflächenfehler
Der 3D-Druck von Metallen eröffnet wichtige Anwendungsmöglichkeiten durch:
Entwurfskomplexität - Verschlungene Kühlkanäle, Gitter, bionische Formen
Personalisierung - patientenspezifische Implantate, maßgeschneiderte Legierungen
Gewichtsreduzierung - Leichtere Komponenten für die Luftfahrt und das Auto
Teil Konsolidierung - integrierte Baugruppen, die als ein Teil gedruckt werden
Schnelles Prototyping - schnellere Iteration von Entwürfen
Vor- und Nachteile des 3D-Drucks von Metall
| Vorteile | Benachteiligungen |
|---|---|
| Gestaltungsfreiheit für komplexe, organische Formen | Relativ langsame Aufbaugeschwindigkeit |
| Gewichtsreduzierung durch Optimierung der Massenverteilung | Beschränkungen der Teilegröße je nach Druckermodell |
| Schnellere Markteinführung von Produkten | Derzeit teure Technologie für die Produktion |
| Individualisierung und Personalisierung | Umfangreiche Nachbearbeitung erforderlich |
| Hohe Festigkeit und Härte erzielbar | Anisotrope Materialeigenschaften |
| Verschlungene Gitter- und Schaumstrukturen | Das Design muss die AM-Prinzipien berücksichtigen |
Einkaufsführer - Metall-Pulverbett-3D-Drucker
Die Wahl des besten 3D-Pulverbettdrucksystems für die industrielle Fertigung hängt davon ab:
1) Umschlag bauen: Maximale Teileabmessungen - gängige Größen von 100-500mm Würfeln
2) Laser-/Elektronenstrahl: Nennleistung von 50W-5kW; höhere Leistung ermöglicht schnellere Bauvorgänge
3) Materialien: Kosten, mechanische Anforderungen, Einfachheit der Nachbearbeitung, Zertifizierungsstufen
4) Genauigkeit/Oberflächengüte: Erreichbare Maßgenauigkeit und Toleranzen; Soll-Rauheit
5) Automatisierung: Pulverhandhabungssysteme, Siebtechnik, Recycling und Steuerungssoftware
6) Preis: Ausrüstungskosten von $100k bis über $1M; Betriebskosten berücksichtigen
7) Vorlaufzeit + Service: Installationspläne von Anbietern; Zugang zu Anwendungsfachwissen
| Spezifikation | Anfänger | Professionell | Industriell |
|---|---|---|---|
| Volumen aufbauen | 5 x 5 x 5 Zoll | 10 x 10 x 12 Zoll | 750 x 380 x 380 mm |
| Laserleistung | 100-200 W | 400-500 W | 1 kW |
| Schichthöhe | 20-50 μm | 20-30 μm | 20-50 μm |
| Materialien | rostfreie Stähle | ~10 Metalloptionen | Ti, Al, Ni-Legierungen, mehr |
| Genauigkeit | ± 0,5-1 mm | ± 0,1-0,2 mm | ± 0,075-0,2 mm |
| Oberflächenrauhigkeit | 15 μm Ra | 7-10 μm | 5-15 μm |
| Automatisierung | Manuelle Handhabung von Pulver | Automatisierte Entleerung | Pulververarbeitung im geschlossenen Kreislauf |
| Preisspanne | $100-250K | $300-750K | Über $1 Million |
Anwendungen des 3D-Drucks von Metall
Luft- und Raumfahrt
- Leichtgewichtige Flugzeugstrukturen und -komponenten - Titan- und Aluminiumlegierungen
- Integrierte Baugruppen, die zu einem einzigen gedruckten Teil zusammengefasst werden
- Komplexe Motorsektionen mit konformen Kühlkanälen
- Schnelle Prototypen für die Designvalidierung
Medizinische Geräte
- Maßgeschneiderte Schädel-, Wirbelsäulen- und orthopädische Implantate - Titan und Kobaltchrom
- Biomodelle für die chirurgische Planung und Anleitung
- Patientengerechte Implantate und Instrumente
Automobilindustrie
- Leichtes Fahrgestell und Strukturteile aus Aluminium und Stahl
- Personalisierte Automobilkomponenten
- Konsolidierung komplexer Teile - Motorblöcke mit Kühlung
Industrielle Fertigung
- Leichtgewichtige Komponenten und strukturelle Optimierung
- Konsolidierung von Teilen zur Verbesserung der Funktionalität
- Ersatzteile auf Abruf mit reduzierten Vorlaufzeiten
- Metall-Spritzgießwerkzeugeinsätze mit konformer Kühlung
Lieferanten von Metall-Pulverbett-3D-Druckern
| Hersteller | Modelle | Beschreibung |
|---|---|---|
| GE-Zusatzstoff | Konzept Laser M2, Mlab, Xline 2000R | Laser-Pulverbettdrucker von Concept Laser erworben |
| 3D-Systeme | DMP Flex 350, Fabrik 500 | Laserschmelzdrucker für Metalle mit Doppellasern |
| Renishaw | RenAM 500M | Modulares Lasersystem mit Vierfach-Laserkonfiguration |
| SLM-Lösungen | SLM 280 2.0, SLM 500 HL | Selektive Laserschmelzanlagen, Pioniere des Pulverbettschmelzens |
| Trumpf | TruPrint 3000 | Automatisierte Laser-Metall-3D-Drucker-Serie made in Germany |
| AddUp | FormUp 350 | Modularer Doppellaserdrucker für die Luft- und Raumfahrt |
| Sisma | Sisma MYSINT100 | Kostengünstiges Einführungssystem für das Metall-Laserschmelzen |
| Additive Industrien | MetallFAB1 | Hochproduktives Metall-AM-System für die Serienproduktion |
| OR Laser / Matsuura | LUMEX Avance-25 | Hybrider subtraktiver + Laser-Metall-3D-Drucker |
| Mazak | INTEGREX i-AM | Done-in-One Hybrid-Metall-3D-Drucker mit Fräsen |
| DMG Mori | Lasertec 12 SLM | Pulverdüse + Laser-Metall-3D-Drucker + 5-Achsen-Fräsen |
| ARCAM / GE Zusatzstoffe | Arcam Q20plus | EBM-Technologie-Drucker für orthopädische Implantate |
| Velo3D | Saphir | SupportFree Metalldrucker für niedrige Winkelmerkmale |
| Schreibtisch Metall | Produktionssystem | Binder Jetting + Sintering Workflow für den 3D-Druck von Metall |
| Markengeschmiedet | Metall X | Bound-Metal-Deposition-Drucker für Werkstätten erschwinglich |
| Tiertime | UP300M | Laser-Pulverbett-Schmelzanlage 'made in China' |
| Farsoon | FS721M | Metall-Pulverbett-System in Industriequalität |
| 3DGence | DOPPEL P255 | Laser- und EBM-Metalldrucker-Kombi-Hybridsystem |
| Aidro | hydrim M3 | Multilaser-Metalldrucker mit Schwerpunkt auf Hydraulik |
| Aurora-Labore | RMP-1 | Multi-Laserdrucker für hohen Durchsatz |
Metallpulver für den 3D-Druck - Lieferanten
| Unternehmen | Produkte | Beschreibung |
|---|---|---|
| AP&C | Titan-, Nickel- und Kobalt-Legierungen | Pulver für Luft- und Raumfahrt und Medizin |
| Zimmerer-Zusatzstoff | 17-4PH, 316L, Kobalt-Chrom, Inconel | Breites Portfolio an 3D-Druck-Legierungen |
| Sandvik Fischadler | Ti6Al4V, nichtrostende Stähle, Ni-Legierungen | Sphärische Pulver maßgeschneidert für AM |
| Praxair | Titan-, Nickel- und Werkzeugstahl-Legierungen | Hochreine reaktive und hochschmelzende Metalle |
| LPW-Technologie | Pulver aus Aluminiumlegierungen | Spezialisten für Aluminiumwerkstoffe |
| Höganäs | Nichtrostende Stähle, weichmagnetische Legierungen | Geformte Metallpulver aus der Zerstäubung |
| EOS | EOS MaragingSteel MS1, Edelstahl 316L | Materialien und Parameter vom System OEM |
Kostenanalyse
Wie die meisten additiven Technologien ist auch das Metallpulverbettschmelzen derzeit teurer für Einzelteile im Vergleich zur konventionellen Massenfertigung.
Sie bietet jedoch Kosteneinsparungen durch Teilekonsolidierung, Leichtbau, und beschleunigte Markteinführung während der Produktentwicklung.
| Kostenfaktor | Relative Größenordnung |
|---|---|
| Materialkosten für Metallpulver | $100-$500/kg |
| Druckereigeräte abgeschriebene Kosten | ~$50/Baustunde |
| Arbeit für die Vorverarbeitung | ~ca. 2-5 Stunden pro 20 Teile |
| Nachbearbeitungsvorgänge | 5X - 10X Materialkosten |
| Gesamtkosten des Teils heute | $100-$2000 pro kg |
| Kosten für CNC-gefräste Teile | $50-$500 pro kg |
| Künftige Kosten für Produktionsteile | ~$20-50 pro kg |
Mit den fortlaufenden Entwicklungen in der Automatisierung, den schnelleren Fertigungsgeschwindigkeiten und der Serienproduktion wird die Metall-AM Es wird erwartet, dass die Kosten für diese Teile mit den Kosten für maschinell gefertigte Komponenten in hochwertigen Industrien konkurrieren können.
Zukünftiger Ausblick
Das Metallpulverbettschmelzen wird sich weiterhin für kleine bis mittelgroße Teile durchsetzen, die an die Grenzen der konventionellen Fertigung stoßen.
Zu den aktuellen Trends im 3D-Druck mit Metallpulver gehören:
- Größere Bauumfänge über 500 mm Würfel
- Zusätzlich validierte Legierungen wie Kupfer, Gold, Aluminium
- Verbesserte Materialeigenschaften und Oberflächenbeschaffenheit
- Schnelleres Laserscanning mit bis zu 10 m/s für höhere Volumen
- Wiederholbarere mechanische Leistung bei allen Maschinen
- Erweitertes Angebot an Materialsorten auf einem einzigen System
- Verbessertes Pulverhandling und geschlossene Kreislaufprozesse
- Zusätzliche Hybridsysteme mit integrierter Bearbeitung
- Hochwertige Inline-Überwachung und -Messung
- Branchenspezifische Druckervarianten und Prozessparameter
- Zusätzliche hochproduktive Systeme für die Serienproduktion
In dem Maße, wie sich die Technologie ausbreitet und trotz ihrer Komplexität kostengünstiger wird, wird AM die Fertigung in allen Sektoren verändern und die Massenanfertigung von Metallteilen für den Endverbraucher auf Anfrage ermöglichen.
FAQ
F: Wie teuer sind 3D-Drucker für Metallpulver und die damit verbundenen Betriebskosten?
A: Industrielle Metalldrucksysteme reichen von $100.000 bis $1M+. Die Betriebskosten sind die höchsten unter den AM-Verfahren - Pulvermaterialien, inerte Atmosphären und Endbearbeitung machen den Großteil der Ausgaben aus.
F: In welcher Größe können Metallteile heute 3D-gedruckt werden?
A: Abmessungen von bis zu 500 x 500 x 500 mm sind möglich, wobei ca. 300 mm pro Seite der Durchschnitt sind. Viele industrielle Komponenten fallen in diesen Bereich. Es gibt auch größere Systeme mit einer Länge von über einem Meter.
F: Welche fortschrittlichen Metalle werden neben herkömmlichen Stählen und Titan für AM entwickelt?
A: Die Entwicklung von Metall-AM dehnt sich auf refraktäre Metalle wie Wolfram, Molybdän und Tantal sowie auf Edelmetalle aus, die in Schmuckstücken verwendet werden, darunter Gold-, Silber- und Platinlegierungen.
F: Wie gut sind die Genauigkeit und die Oberflächengüte bei einem 3D-Drucker mit Metallpulverbett?
A: Die Maßgenauigkeit nach der Nachbearbeitung liegt bei etwa ±0,1-0,3%, wobei Toleranzen von ±0,05 mm erreicht werden können. Vertikale Oberflächen weisen anfänglich eine Oberflächenrauhigkeit von 5-15 Mikron auf. Eine höhere Oberflächenqualität erfordert zusätzliches Fräsen/Polieren.
F: Welche Temperaturen und Drücke werden beim Sintern von Metallpulverdrucken bis zur vollen Dichte verwendet?
A: Hängt von der Legierung ab, aber die üblichen HIP- und Sinterparameter sind: 1100-1300°C Temperatur bei 100-200 MPa für 2-4 Stunden, um eine Feststoffdichte von >99% zu erreichen. SLM-Teile haben eine Festigkeit von 99,9% erreicht.
F: Welches Metall-3D-Druckverfahren ist für die Serienproduktion am schnellsten?
A: Elektronenstrahlschmelzsysteme (EBM) produzieren Teile mehr als viermal so schnell wie laserbasierte Verfahren, was sie für die Herstellung von Metallteilen attraktiv macht. Lasersysteme arbeiten daran, aufzuholen.
F: Werden beim 3D-Druck im Metallpulverbett isotrope oder anisotrope Materialteile hergestellt?
A: Aufgrund der extremen thermischen Gradienten zwischen dem geschmolzenen Pulver und den umgebenden Bereichen weisen Metalle, die im Pulverbett hergestellt werden, anisotrope Eigenschaften auf, bei denen sich die horizontalen Zugwerte von den vertikalen typischerweise um ~30% unterscheiden.
F: Ist für DMLS- und EBM-Metalldruckteile eine Wärmebehandlung erforderlich?
A: Ja, Wärmebehandlungen sind notwendig, um innere Spannungen aus dem schichtweisen Aufbau abzubauen und die Legierungen auf die angestrebten mechanischen Spezifikationen hinsichtlich Härte, Duktilität usw. zu bringen.
F: Wie nachhaltig ist der 3D-Druck von Metall im Pulverbett im Vergleich zur herkömmlichen Metallherstellung?
A: Bei AM-Systemen werden mehr als 90% überschüssiges Metallpulver während der Herstellung wiederverwendet. Und gedruckte Komponenten benötigen aufgrund leichter, optimierter Designs 25-50% weniger Grundmaterialgewicht - ein erheblicher Vorteil für die Nachhaltigkeit.
