Metalle werden in der additiven Fertigung in Branchen verwendet, die einen hohen Anspruch an Funktionalität und Individualisierung der Werkstücke haben. Diese sind die Luft- und Raumfahrt, die Medizintechnik, der Werkzeug- und Formenbau sowie die Automobilindustrie. Dort ist man eher bereit, die hohen Kosten des Metall-3D-Drucks in Kauf zu nehmen. Wir geben einen Überblick über die Metalle bis zu den 5 spannendsten Ideen zum Metall-3D-Druck.
überarbeitet und aktualisiert am 14.12.2022
– Evelin Eitelmann, Redakteurin, Konradin Industrie
Inhaltsverzeichnis
Welche Metalle werden in der additiven Fertigung verwendet?
In welchen 3D-Druck-Verfahren werden Metalle eingesetzt?
Benötigen solche Metall-Bauteile eine Nachbearbeitung?
Das sind die 5 spannendsten Ideen rund um den Metall-3D-Druck!
Gerade vollzieht der 3D-Druck mit Metall den Sprung vom Modell- und Prototypenbau zur Serienproduktion. Diese Entwicklung wird maßgeblich durch neue Entwicklungen der additiven Verfahren vorangetrieben. In der additiven Fertigung werden Metalle meist in Pulverform durch selektives Laserschmelzen (SLM) verarbeitet. Der Korndurchmesser liegt standardmäßig bei 20 bis 30 µm. Allerdings gibt es auch Fertigungsverfahren, in denen Metalldraht oder drahtförmiger metallhaltiger Kunststoff (Filament) verarbeitet werden.
Da Bauteile aus dem 3D-Drucker meist teuer sind, sind auch die Anforderungen an die Werkstoffe hoch. Die wichtigsten Eigenschaften sind die Festigkeit, das Gewicht, und die Korrosionsbeständigkeit und im Falle der Medizintechnik die Biokompatibilität. Die wichtigsten Metalle für die additive Fertigung sind Aluminium, Edelstahl, Titan, Kobalt-Chrom-Legierungen, und Edelmetalle. Viele Hersteller von 3D-Druckern, bieten auch Materialien und die dazugehörigen Datenblätter an.
Welche Metalle werden in der additiven Fertigung verwendet?
In welchen 3D-Druck-Verfahren werden Metalle eingesetzt?
Metalle werden in der additiven Fertigung bei folgenden Verfahren eingesetzt :
- Powder Bed Fusion: Selective Laser Melting und Electron Beam Melting
SLM: Aluminium, Edelmetalle, Kobaltchrom-Legierung, Kobaltlegierung, Nickellegierungen, diverse Metalllegierungen, Stahl, Titan
EBM: Kobaltchrom-Legierungen, Metallpulver des SLM-Verfahrens, Stahl, Titan - Direct Energy Deposition: Laser Engineering Net Shape und Wire and Arc Additive Manufacturing
LENS: Aluminium, Edelmetalle, Kobaltchrom-Legierung, Kobaltlegierung, Nickellegierungen, diverse Metalllegierungen, Stahl, Titan
WAAM: Metalle, die schweißbar sind - Material Extrusion: Fused Deposition Modeling
Metallpulver unterschiedlicher Art in polymeren Bindern, wie Bronze, Edelstahl, Kupfer, Stahl, Werkzeugstahl - Binder Jetting
Bronze, Edelstahl, Kupfer, Nickellegierungen, Titan - Material Jetting: Nano Particle Jetting
Edelstahl, Keramik
Benötigen solche Metall-Bauteile eine Nachbearbeitung?
Gerade für die Herstellung von additiv gefertigten Bauteilen aus Metall ist ein umfassendes Wissen notwendig, um alle Einzelprozesse zu beherrschen und die nötige Qualität zu erreichen. Beim Fused Deposition Modeling, dem Binder Jetting und dem Nano Particle Jetting ist das Sintern sehr gebräuchlich. Zunächst werden die Rohlinge additiv gefertigt und erst im anschließenden Sinterprozess entsteht das um bis zu 20 % kleinere eigentliche Bauteil. Bei den Direct-Energy-Deposition-Verfahren ist oftmals eine mechanische Nachbearbeitung notwendig.
Das sind die 5 spannendsten Ideen rund um den Metall-3D-Druck!
3D-Druck kann insbesondere dazu beitragen, Fertigungsprozesse und Produktionen zu dezentralisieren, Supply-Chains resilienter zu machen, ressourcenschonend und mit weniger Energieverbrauch zu produzieren, um damit innovative neue Produkte schneller auf den Markt zu bringen. Zudem trägt die additive Fertigung dazu bei, individualisierte Produkte leichter herstellen zu können.
Diese fünf Anwendungen finden wir spannend und erwähnenswert:
1) Ersatzteile für E-Bikes: Das Projekt „AddRE-Mo“, ein Verbund aus Unternehmen und Forschungseinrichtungen, hat sich zum Ziel gesetzt, Werterhaltungsnetzwerke für die urbane Elektromobilität zu entwickeln, um eine Kreislaufführung von E-Bikes zu ermöglichen. Ein Beispiel ist die additive Fertigung ihrer Ersatzteile.
Ersatzteile für E-Bikes aus dem 3D-Drucker schonen Ressourcen
2) Pulverbaukasten für die additive Fertigung: Wie kann die limitierte Werkstoffpalette für das pulverbasierte Laserstrahlschmelzen (LPBF) umgangen und das Marktpotenzial weiter ausgebaut werden? Dieser Frage gingen das IWM der RWTH Aachen und das Fraunhofer IFAM nach. Im Ergebnis konnte eine nachhaltige Lösung zur individuellen und robusten Herstellung von Metallpulvermischungen entwickelt werden. Mit dem „LPBF-Pulverbaukasten“, der beispielsweise aus Eisenbasispulver mit und ohne Kohlenstoff, Chrom, Nickel, Molybdän und Titancarbid besteht, lässt sich die Werkstoffpalette spezifisch erweitern.
3) Alternativer Raketenantrieb für Kleinsatelliten-Missionen: Die europäische Raumfahrtagentur ESA fördert das Projekt „AeroSPIke Rocket Engine Realisation“ (Aspirer), aus dem jüngst ein Aerospike-Triebwerk mit 6000 N Schub hervorgegangen ist. Forschende aus der Abteilung Additive Fertigung des Fraunhofer IWS nutzen das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen für die Fertigung der zwei Kernkomponenten des Triebwerks Stachel und Brennkammeraußenwand. Die Laseranlage schmilzt dafür eine Nickel-Basis-Superlegierung im Metallpulverbett auf und erzeugt Schicht für Schicht die Bauteile.
Pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen verhilft Triebwerk zum Durchbruch
4) Achsschenkel für einen getunten 800-PS-Golf: Für den Moderator und Autoenthusiasten Jean Pierre „JP“ Kraemer, Inhaber des Unternehmens JP Performance, ist das Hybridisieren eines Serienfahrzeugs Hobby und Beruf zugleich. Auch wenn das Originalbauteil des Seriengolfs aus Aluminium schon auf Leichtbau getrimmt war, konnte man in diesem Projekt dennoch weitere etwa 50 % Gewicht am Bauteil selbst einsparen – unter Beibehaltung der mechanischen Belastungskennwerte. Dazu tragen zum einen das verwendete Material AlSi10Mg, zum anderen aber auch die Einsparung an Material durch das topologisch optimierte Design des Bauteils bei.
5) Gitarrenbrücke aus amorphen Metall: Die einen schwören auf Messing, die anderen auf vernickeltes oder vergoldetes Aluminium: Beim Thema Brücke scheiden sich die Geister der Gitarristen. Denn je nachdem, wie die Brücke den Impuls der Saiten auf das Instrument überträgt, verändert sich ihr individuelles Klangbild. Nik Huber Guitars hat etwas Neues gewagt und in Zusammenarbeit mit Heraeus Amloy erstmals eine 3D-gedruckte Brücke aus amorphem Metall verbaut.
Heraeus und Nik Huber Guitars bauen Gitarre mit amorphen Metallen
