In den letzten Jahren ziehen nicht nur Heim-3D-Drucker, die Harzmaterialien verwenden, Aufmerksamkeit auf sich, sondern auch "Metall-3D-Drucker", die Metallmaterialien verwenden. Da es sich um eine Methode handelt, die eine Schicht nach der anderen formt, kann sie für Formen verwendet werden, die schwer auf andere Weise zu bearbeiten sind. Die oben genannte Lösung wird hauptsächlich in der Luftfahrt- und Medizinindustrie eingeführt und nutzt die charakteristischen Vorteile von 3D-Druckern. In diesem Artikel werden wir die Vor- und Nachteile von 3D-Druckern für Metall im Vergleich zu Fused Deposition Modeling 3D-Druckern, die Harzmaterialien verwenden, erläutern. Wir werden auch die Branchen vorstellen, die tatsächlich davon profitieren können.
Was ist ein 3D-Metalldrucker?
Ein 3D-Metalldrucker ist ein Gerät, das Metallmaterialien wie Titan, Aluminium und Edelstahl auf Basis von 3D-CAD-Daten formt. Im Allgemeinen sind 3D-Drucker, die Harz als Modellierungsmaterial verwenden, weit verbreitet in der Industrie, aber die aktuelle Situation ist, dass nur wenige Unternehmen teure 3D-Metalldrucker eingeführt haben.
Wie funktioniert ein 3D-Metalldrucker?
Auf Basis von Querschnittsdaten, die mit spezieller Software erstellt wurden, erzeugen 3D-Metalldrucker Objekte jeder Form, indem sie Metallmaterialien Schicht für Schicht verbinden und die Laminierung wiederholen. Im Gegensatz zum Schneidprozess, der Metallblöcke abträgt, oder zum Schmiedeprozess, der sie unter Druck formt, sind 3D-Metalldrucker darauf ausgelegt, Schichten aufzutragen und Metallmaterialien zu formen, so dass sie komplexe Formen wie Gitterstrukturen und hohle Designs im Inneren handhaben können. Eine weitere Frage ist, dass Metallteile ohne die Vorbereitung einer speziellen Form hergestellt werden können - ähnlich wie beim Gießen.
Welche Methoden des 3D-Drucks von Metall gibt es?
Es gibt verschiedene Arten von 3D-Druckern für Metall. Die beliebtesten Methoden, die sie durchführen, sind:
- Pulverbettverfahren,
- Methode der gerichteten Energieabscheidung,
- Heißlaminierverfahren,
- Bindemittelstrahlverfahren,
Wie funktioniert das Pulverbettverfahren im 3D-Drucker?
Es muss hier festgestellt werden, dass die Eigenschaften des durch jede Wärmequelle geformten Gegenstandes unterschiedlich sind.
Zum Beispiel - mit einem Laser im Vergleich zur Elektronenstrahlmethode ist es möglich, ein Modell mit einer glatten Oberfläche zu erstellen, aber es ist schwierig, es auf Materialien anzuwenden, die den Strahl nicht absorbieren. Darüber hinaus sollte das verwendete Metallpulver einen hohen Grad an Kugelform und Fließfähigkeit aufweisen, damit es genau verteilt werden kann. Daher ist das üblicherweise verwendete Rohmaterial sphärisches Pulver, das durch das Verfahren der "Gasatomisierung" hergestellt wird, bei dem ein inertes Gas verwendet wird.
Methode der gezielten Energieeinbettung
Bei der Methode des gerichteten Energieeinbringens wird das modellierte Produkt hergestellt, indem Pulver oder Draht zugeführt, mit einem Laser- oder Elektronenstrahl geschmolzen und abgeschieden wird. In der Regel werden Pulver verwendet und mit einem inerten Gas zugeführt. Da das zugeführte Material für das Modell ohne Abfall verwendet wird, handelt es sich um einen Produktionsprozess mit geringem Materialverlust und guter Leistung. Die oben genannte Methode wird am häufigsten zur Reparatur von Metallteilen verwendet. Dennoch, da sie es ermöglicht, große Teile mit einfachen Formen zu formen, wird die Anwendung dieses Schemas in der Luft- und Raumfahrt in Betracht gezogen. Ein Vorteil der Verwendung dieser Vorrichtung besteht darin, dass die Oberfläche während der Formgebung bearbeitet werden kann, was die Notwendigkeit einer Endbearbeitung beseitigt.
Was ist die Methode des Heißlaminierens?
Die Heißlaminiermethode, auch als "Materialprägung" bezeichnet, ist ein Formverfahren, bei dem Metallpulver in ein thermoplastisches Harz eingeführt und dann beim Schmelzen laminiert wird. Dann kann die Form beliebig geformt und mit dem thermoplastischen Harz, das beim Erhitzen weich wird, gesteuert werden. Da das Harz jedoch nach der Formgebung verbleibt, wird es in einem Prozess, der als Entfetten bezeichnet wird, entfernt. Nach dem Sintern des entfetteten Formteils und dem Erstarren des Metallpulvers ist die Formgebung abgeschlossen. Da das Harz während des Sinterns entfernt wird, verschwindet die Spalte und das Volumen schrumpft um etwa 20%. Daher ist es wichtig, die CAD-Daten unter Berücksichtigung der Schrumpfgröße zu entwerfen und ein Modell der entsprechenden Größe zu erstellen. Die Schmelzlaminierungsmethode wurde traditionell als 3D-Drucker für Harz verwendet.
Was ist die Methode des Flussmittelflusses?
Die Bindemittelstrahlmethode ist ein Verfahren, bei dem ein flüssiges Bindemittel "Bindemittel" aus einer Düse auf Metallpulver gesprüht wird. Nach dem Besprühen und Aushärten des Bindemittels für jede Schicht wird die Modellierplatte abgesenkt und das Pulver erneut dort platziert. Dieser Prozess wird wiederholt und schließlich in einem Hochtemperaturofen oder Heizkörper gesintert, um das Bindemittel zu entfernen. Während dieser Zeit schrumpft das Modell um etwa 20%, daher sollte die Volumenänderung des Materials während der Modellierung berücksichtigt werden. Objekte, die mit der Bindemittelstrahlmethode hergestellt werden, haben in der Regel eine geringere Dichte als solche, die mit der Pulverablagerungsmethode hergestellt werden, was ein Problem in der praktischen Anwendung darstellt. Derzeit handelt es sich um ein Formverfahren, das für kleine Teile mit feinen Formen verwendet wird.
Was sind die Vorteile von 3D-Metalldruckern?
3D-Metalldrucker haben Vorteile gegenüber herkömmlichen Bearbeitungsmethoden wie Schneiden, Gießen und Schmieden, und es gibt große Erwartungen an ihre zukünftige technologische Entwicklung.
Ein 3D-Metalldrucker:
- Kann Metallteile von hervorragender Festigkeit und Haltbarkeit drucken.
- Bietet kurzfristige Herstellung von Prototypen und Kleinserienprodukten.
- Prototypen können leicht hergestellt werden, dank der Kostensenkung.
Was sind die Nachteile von 3D-Druckern für Metall?
3D-Metalldrucker haben verschiedene Vorteile, sind aber keine universellen Geräte. Dies liegt daran, dass es drei Nachteile gibt, die wir erwähnen müssen:
- Die Nutzung der Ausrüstung erfordert Kenntnisse im Modellieren.
- Die Anfangskosten sind teuer.
- 3D-Metalldrucker sind teuer im Betrieb.
Wissenswertes
Dank 3D-Metalldruckern können Materialien gestapelt und geformt werden, wodurch sogar komplizierte Formen hergestellt werden können, die schwer zu schneiden sind. Beim Schneiden ist es schwierig, ein Kühlwasserrohr in der Form zu installieren, da es eine Begrenzung des Bereichs gibt, der vom Werkzeug geschnitten werden kann. Mit 3D-Metalldruckern können jedoch sogar hohle Strukturen geformt und Produkte hergestellt werden, die mit herkömmlicher Bearbeitung nicht hergestellt werden können. Solche Geräte eignen sich auch für "schwierig zu bearbeitende Materialien", die zu kompliziert zum Schneiden sind. Zum Beispiel wurden in der Luftfahrtindustrie bisher Teile aus Titanlegierungen durch Gießen und Zerspanen hergestellt. Titanlegierungen sind jedoch schwer zu bearbeiten, daher wurden 3D-Metalldrucker, die kein Schneiden erfordern, eingeführt und erfolgreich in die Praxis umgesetzt.
3D-Drucker in der Medizin
3D-Metalldrucker eignen sich auch für Produkte aus der Medizinbranche. Es ist wichtig, künstliche Knochen und Prothesen so zu gestalten, dass sie dem Skelett und der Zahnform jedes Patienten entsprechen. Der traditionelle Gussprozess erfordert Zeit und Mühe, um die Form für jeden Patienten zu bearbeiten. Wenn Sie einen 3D-Metalldrucker verwenden, können Sie die Form des Produkts einfach ändern, indem Sie die CAD-Daten anpassen, sodass Sie es schnell formen können. Auf diese Weise sind 3D-Metalldrucker ein geeigneter Produktionsprozess für eine Produktion mit hoher Diversifikation und geringem Volumen.
Beispiele für 3D-Metalldrucker in der Industrie
3D-Metalldrucker finden in den folgenden Branchen aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile Anwendung:
- Medizinbereich.
- Luftfahrt
- Automobilindustrie.
Medizinbereich
In der Medizinbranche werden 3D-Metalldrucker zunehmend effektiv eingesetzt. Dies geschieht, weil es notwendig ist, "künstliche Knochen" und "Prothesen" bereitzustellen, die in einer für den Patienten optimalen Form gestaltet sind. 3D-Metalldrucker können die Form frei mit CAD-Daten steuern, wodurch es möglich ist, ein optimales Modell für jeden Patienten zu erstellen. Aus diesem Grund erhalten in Japan immer mehr Unternehmen und Forschungsgruppen die "pharmazeutische Zulassung (Erlaubnis zur Herstellung und Vermarktung)" für künstliche Knochen, die mit 3D-Metalldruckern hergestellt wurden.
Luftfahrt
3D-Drucker für Metall können auch in der Luftfahrtindustrie eingesetzt werden. Metall-3D-Drucker eignen sich für Turbinenschaufeln und Brennkammern, die in Flugzeugmotoren verwendet werden und komplexe Formen aufweisen, die schwer zu gießen und zu schneiden sind. GE Aviation, einem amerikanischen Hersteller von Flugzeugmotoren, ist es gelungen, eine Brennkammer zu modellieren, die tatsächlich im Motor montiert ist. Traditionell wurden über 20 Teile montiert, aber mit Metall-3D-Druckern kann das Produkt integriert werden.
Automobilindustrie
Autos verwenden eine große Anzahl von Titanmaterialien, die schwer zu schneiden sind, sowie Teile mit komplexen Formen. Daher ist die Automobilindustrie ein Bereich, der leicht von den Vorteilen von 3D-Metalldruckern profitieren kann. Der italienische Autohersteller Bugatti produziert ein Modell, das ausschließlich aus Teilen besteht, die mit einem 3D-Metalldrucker hergestellt werden. Dieses Modell ist jedoch ein Superauto, das auf 40 Stück limitiert ist und nicht in die Serienproduktion eingeführt wurde. 3D-Metalldrucker werden häufiger verwendet, wenn es gelingt, die Herausforderungen der Massenproduktion zu bewältigen.
Wie benutzt man einen 3D-Metalldrucker und schneidet?
Das Schneiden mit einem Bearbeitungszentrum oder einer NC-Drehmaschine zeichnet sich durch eine hervorragende Bearbeitungsgenauigkeit aus. Daher, wenn die Form leicht herzustellen ist - verwenden Sie klassisches Schneiden. Wenn jedoch die Form des Produkts kompliziert ist, beachten Sie, dass es Fälle gibt, in denen es schwierig zu bearbeiten ist, da es keine Möglichkeit gibt, das Messer einzusetzen. Darüber hinaus ist es schwierig, schnittfeste Materialien wie "Titan", das beim Schneiden leicht Späne entzündet, und "Edelstahl", bei dem geschmolzenes Metall leicht am Messer haftet, zu schneiden. Wenn das Produkt eine komplizierte Form hat und nicht hergestellt werden kann oder wenn Sie schwer zu schneidende Materialien bearbeiten möchten, ist es besser, einen 3D-Drucker für Metall zu verwenden. Darüber hinaus kann bei Produkten, die viele Schneidprozesse erfordern, die Verwendung eines 3D-Druckers für Metall den Produktionsprozess verkürzen und sie in kurzer Zeit herstellen. Wenn Sie Materialverluste vermeiden möchten, ist es eine gute Idee, einen 3D-Metalldrucker zu verwenden. Dies liegt daran, dass beim Schneiden Materialverluste durch die Entfernung von Spänen entstehen, während 3D-Metalldrucker in der Praxis nur die notwendige Menge an Materialien verbrauchen, was die Verschwendung von Rohstoffen reduziert und die Effizienz verbessert.
Zusammenfassung
3D-Metalldrucker werden hauptsächlich in Situationen eingesetzt, in denen Schneiden, Gießen und Schmieden schwierig durchzuführen sind und für Produkte mit komplexen Formen. Da jedoch die Anfangskosten und die Betriebskosten sehr hoch sind, besteht ein Problem, das im Vergleich zu einem 3D-Drucker, der das Schmelzschichtverfahren verwendet, nicht leicht einzuführen ist. So oder so - es ist teure und komplizierte Ausrüstung, aber wenn wir eine Nische finden, in der wir sie nutzen können, lohnt es sich, dies zu tun.