In den letzten Jahren haben nicht nur 3D-Drucker für den Heimgebrauch, die Harzmaterialien verwenden, Aufmerksamkeit erregt, sondern auch "Metall-3D-Drucker", die Metallmaterialien verwenden. Da es sich hierbei um eine Methode handelt, bei der eine Schicht nach der anderen geformt wird, kann sie für Formen verwendet werden, die mit anderen Methoden nur schwer zu bearbeiten sind. Die oben genannte Lösung wird hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizintechnik eingesetzt und nutzt die Vorteile von 3D-Druckern. In diesem Artikel erläutern wir die Vor- und Nachteile von 3D-Druckern aus Metall und vergleichen sie mit 3D-Druckern vom Typ Fused Deposition, die Harzmaterialien verwenden. Wir werden auch auf die Branchen eingehen, die tatsächlich davon profitieren können.
Was ist ein 3D-Drucker aus Metall?
Ein Metall-3D-Drucker ist ein Gerät, das metallische Werkstoffe wie Titan, Aluminium und Edelstahl auf der Grundlage von 3D-CAD-Daten formt. Im Allgemeinen sind 3D-Drucker, die Kunstharz als Modelliermaterial verwenden, in der Industrie weit verbreitet, aber derzeit gibt es nur wenige Unternehmen, die teure Metall-3D-Drucker auf den Markt gebracht haben.
Wie funktioniert ein 3D-Metalldrucker?
Auf der Grundlage von Querschnittsdaten, die mit einer speziellen Software erstellt werden, erzeugen 3D-Metalldrucker Objekte beliebiger Form, indem sie Metallwerkstoffe Schicht für Schicht zusammenfügen und die Schichtung wiederholen. Im Gegensatz zum Schneiden, bei dem ein Metallklumpen abgeschabt wird, oder zum Schmieden, bei dem er unter Druck geformt wird, sind 3D-Metalldrucker darauf ausgelegt, Metallwerkstoffe zu schichten und zu formen, so dass sie komplexe Formen wie Gitterstrukturen und Hohlkörper herstellen können. Ein weiterer Punkt ist, dass Metallteile ohne Vorbereitung einer speziellen Form hergestellt werden können - ähnlich wie beim Gießen.
Welche Methoden gibt es für den 3D-Metalldruck?
Es gibt verschiedene Arten von 3D-Druckern für Metall. Die gängigsten Methoden, die sie anwenden, sind:
- Pulverbettverfahren,
- die Methode der gezielten Energieabscheidung,
- Heißlaminierungsverfahren,
- Binder-Jet-Verfahren
Wie funktioniert das Pulverbettverfahren in einem 3D-Drucker?
Das Pulverbettverfahren ist ein Formgebungsverfahren, bei dem ein Strahl auf ein mit Metallpulver beschichtetes Pulverbett gestrahlt wird und der Schmelz- und Erstarrungsprozess für jede Schicht wiederholt wird. Nach dem Formen mit dieser Methode kann das Pulver, das nicht vom Strahl bestrahlt wurde, aufgefangen und zur Wiederverwendung gesiebt werden, um Materialverluste zu vermeiden,
- Laser,
- Elektronen.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Eigenschaften des geformten Objekts, die mit jeder Wärmequelle erzielt werden, unterschiedlich sind.
Zum Beispiel ist es mit einem Laser möglich, ein Modell mit einer glatten Oberfläche zu schaffen, aber es ist schwierig, es auf Materialien anzuwenden, die den Strahl nicht absorbieren, verglichen mit der Elektronenstrahlmethode.
Darüber hinaus sollte das verwendete Metallpulver eine hohe Sphärizität und eine gute Fließfähigkeit aufweisen, damit es genau verteilt werden kann. Ein häufig verwendetes Rohmaterial ist daher kugelförmiges Pulver, das durch die "Gaszerstäubungsmethode" unter Verwendung eines Inertgases gewonnen wird.
Verfahren der gerichteten Energieabscheidung
Bei der Methode der gerichteten Energieabscheidung wird ein modelliertes Produkt hergestellt, indem ein Pulver oder ein Draht zugeführt, mit einem Laser- oder Elektronenstrahl geschmolzen und abgeschieden wird.
Im Allgemeinen werden Pulver verwendet und unter Schutzgas zugeführt. Da das zugeführte Material ohne Abfall für das Modell verwendet wird, handelt es sich um ein Herstellungsverfahren mit geringem Materialverlust und guter Produktivität. Das oben beschriebene Verfahren wird am häufigsten für die Reparatur von Metallteilen verwendet. Da es jedoch auch für große Teile mit einfachen Formen verwendet werden kann, wird der Einsatz dieses Verfahrens im Bereich der Luft- und Raumfahrt in Betracht gezogen. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Oberfläche während der Umformung bearbeitet werden kann, so dass eine Nachbearbeitung nicht erforderlich ist.
Was ist das Heißlaminierungsverfahren?
Das Heißlaminierungsverfahren, auch bekannt als "Materialextrusion", ist ein Formgebungsverfahren, bei dem Metallpulver in ein thermoplastisches Harz eingebracht und dann während des Schmelzens laminiert wird. Die Form kann dann nach Belieben geformt und mit dem thermoplastischen Harz, das bei Erwärmung erweicht, kontrolliert werden. Da das Harz jedoch nach dem Gießen zurückbleibt, wird es in einem Prozess, der als Abschöpfen bezeichnet wird, entfernt.
Nach dem Sintern der abgeschöpften Form und der Verfestigung des Metallpulvers ist die Formgebung abgeschlossen. Da das Harz während des Sinterns entfernt wird, verschwindet der Spalt und das Volumen schrumpft um etwa 20 %. Daher ist es wichtig, die CAD-Daten unter Berücksichtigung der Schrumpfung zu entwerfen und ein Modell in der richtigen Größe zu erstellen. Das Schmelzlaminierungsverfahren wird traditionell als 3D-Drucker für Harz verwendet.
Was ist das Binder-Jet-Verfahren?
Bei der Binder-Jet-Methode wird ein flüssiges Bindemittel aus einer Düse auf das Metallpulver gesprüht. Nachdem das Bindemittel aufgesprüht und für jede Schicht verfestigt wurde, wird die Modellierplatte abgesenkt und das Pulver erneut aufgelegt.
Dieser Vorgang wird wiederholt und schließlich in einem Hochtemperaturofen oder einer Heizung gesintert, um das Bindemittel zu entfernen. Während dieser Zeit schrumpft das Modell um etwa 20 %, so dass die Veränderung des Materialvolumens beim Modellieren berücksichtigt werden muss. Objekte, die mit der Bindermethode hergestellt werden, haben in der Regel eine geringere Dichte als solche, die mit der Pulverbettmethode hergestellt werden, was in der praktischen Anwendung ein Problem darstellt. Derzeit wird dieses Verfahren für kleine Teile mit feinen Formen verwendet.
Was sind die Vorteile von 3D-Druckern für Metall?
3D-Drucker für Metall haben Vorteile gegenüber herkömmlichen Bearbeitungsmethoden wie Schneiden, Gießen und Schmieden, und es bestehen hohe Erwartungen an ihre künftige technologische Weiterentwicklung.
3D-Metalldrucker:
- Sie können Metallteile mit hervorragender Festigkeit und Haltbarkeit drucken.
- Er ermöglicht die kurzfristige Herstellung von Prototypen und Kleinserienprodukten.
- Prototypen können aufgrund der geringeren Kosten leicht hergestellt werden.
Was sind die Nachteile von 3D-Druckern für Metall?
3D-Drucker für Metall haben verschiedene Vorteile, aber sie sind keine Universalgeräte. Es gibt nämlich drei Nachteile, die wir erwähnen müssen:
- Die Verwendung der Geräte erfordert Kenntnisse im Modellieren.
- Die Anschaffungskosten sind hoch.
- 3D-Metalldrucker sind teuer im Betrieb.
Wissenswertes
Mit 3D-Druckern für Metall können Materialien gestapelt und geformt werden, so dass auch komplexe Formen, die schwer zu schneiden sind, hergestellt werden können.
Beim Schneiden ist es schwierig, eine Kühlwasserleitung in der Form zu installieren, da die Fläche, die vom Werkzeug ausgeschnitten werden kann, begrenzt ist.
Mit 3D-Metalldruckern ist es jedoch möglich, auch hohle Strukturen zu formen und Produkte zu produzieren, die mit herkömmlicher Bearbeitung nicht hergestellt werden können.
Solche Geräte eignen sich auch für schwer zu bearbeitende Materialien", die zu kompliziert zu schneiden sind. Ein Beispiel: In der Luft- und Raumfahrtindustrie wurden Teile aus Titanlegierungen bisher durch Gießen und spanende Bearbeitung hergestellt. Die Titanlegierung ist jedoch ein schwer zu bearbeitendes Material, so dass 3D-Drucker für Metall, die nicht geschnitten werden müssen, bereits erfolgreich in der Praxis eingesetzt werden.
3D-Drucker in der Medizin
3D-Metalldrucker eignen sich auch für Produkte in der Medizinbranche. Hier ist es wichtig, künstliche Knochen und Prothesen in einer Form zu fertigen, die dem Skelett und der Form der Zähne des jeweiligen Patienten entspricht. Das traditionelle Gussverfahren erfordert Zeit und Mühe, um die Form für jeden Patienten neu zu bearbeiten. Mit einem 3D-Metalldrucker können Sie die Form des Produkts einfach durch Korrektur der CAD-Daten ändern, so dass Sie es schnell abformen können. Auf diese Weise sind 3D-Metalldrucker ein Fertigungsverfahren, das sich für eine hohe Variationsbreite und eine geringe Produktionsmenge eignet.
Beispiele für den Einsatz von 3D-Metalldruckern in der Industrie
3D-Metalldrucker werden aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile in den folgenden Branchen eingesetzt:
- Medizinischer Bereich.
- Luft- und Raumfahrt.
- Automobilbranche.
Medizinischer Bereich
In der Medizinbranche werden 3D-Metalldrucker immer häufiger eingesetzt. Denn es ist notwendig, "künstliche Knochen" und "Prothesen" bereitzustellen, die in der optimalen Form für den Patienten gestaltet sind. 3D-Metalldrucker können die Form anhand von CAD-Daten frei steuern, so dass für jeden Patienten das optimale Modell erstellt werden kann. Aus diesem Grund erhalten auch in Japan immer mehr Unternehmen und Forschungsgruppen eine "pharmazeutische Zulassung (Genehmigung für die Herstellung und Vermarktung)" für mit 3D-Metalldruckern hergestellte Kunstknochen.
Luftfahrt
Metall-3D-Drucker können auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt werden. Metall-3D-Drucker eignen sich für Turbinenschaufeln und Verbrennungsdüsen in Flugzeugtriebwerken, die komplexe Formen aufweisen, die sich nur schwer gießen und schneiden lassen. GE Aviation, einem US-amerikanischen Triebwerkshersteller, ist es gelungen, eine Verbrennungsdüse zu modellieren, die tatsächlich in einem Triebwerk eingebaut ist. Konventionell wurden mehr als 20 Teile zusammengesetzt, aber mit Hilfe von 3D-Metalldruckern kann das Produkt integriert werden.
Automobilbranche
Im Automobilbau werden zahlreiche schwer zu zerspanende Titanwerkstoffe und Teile mit komplexen Formen verwendet. Die Automobilindustrie ist daher ein Bereich, der von den Vorteilen der 3D-Metalldrucker leicht profitieren kann. Der italienische Autohersteller Bugatti produziert ein Modell, das ausschließlich aus Teilen besteht, die mit einem 3D-Metalldrucker hergestellt wurden. Bei dem Modell handelt es sich jedoch um einen auf 40 Exemplare limitierten Supersportwagen, der nicht in Serie produziert wird. 3D-Metalldrucker werden häufiger zum Einsatz kommen, wenn die Herausforderungen der Massenproduktion überwunden werden können.
Wie benutzt man einen 3D-Metalldrucker und schneidet?
Das Schneiden mit einem Bearbeitungszentrum oder einer NC-Drehmaschine hat eine hervorragende Bearbeitungsgenauigkeit. Wenn sich die Form also leicht herstellen lässt, sollten Sie das klassische Schneiden verwenden. Wenn die Form des Produkts jedoch komplex ist, sollten Sie bedenken, dass es manchmal schwierig ist, es zu bearbeiten, weil es keine Möglichkeit gibt, ein Messer einzusetzen. Außerdem ist es schwierig, klingenresistente Materialien wie "Titan" zu schneiden, bei dem sich die Späne beim Schneiden leicht entzünden, und "rostfreien Stahl", bei dem geschmolzenes Metall leicht an der Klinge haftet. Wenn das Produkt eine komplexe Form hat und nicht hergestellt werden kann oder wenn Sie schwer zu schneidende Materialien verarbeiten wollen, ist es besser, einen 3D-Drucker für Metall zu verwenden.
Bei Produkten, die mehrere Schneidevorgänge erfordern, kann der Einsatz eines 3D-Metalldruckers den Produktionsprozess verkürzen und die Produkte in kurzer Zeit herstellen. Wenn Sie Materialverluste vermeiden wollen, sollten Sie einen 3D-Drucker für Metall verwenden. Denn beim Schneiden geht Material verloren, weil die entstehenden Späne entfernt werden müssen. In der Praxis verbrauchen 3D-Metalldrucker nur die notwendige Menge an Material, was die Verschwendung von Rohstoffen reduziert und die Produktivität erhöht.
Zusammenfassung
3D-Metalldrucker werden hauptsächlich dort eingesetzt, wo Schneiden, Gießen und Schmieden schwierig sind, und für Produkte mit komplexen Formen. Da die Anschaffungs- und Betriebskosten jedoch sehr hoch sind, besteht ein Problem, das sich im Vergleich zu einem 3D-Drucker, der mit dem Schmelzlaminierungsverfahren arbeitet, nicht so leicht einführen lässt.So oder so - es ist ein teures und kompliziertes Gerät, aber wenn wir eine Nische finden, in der wir es einsetzen können, ist es das wert.