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Jun 18, 2023

Metallteile herstellen: Nichts für Dummies

Stellen wir uns vor, Sie wüssten nichts über additive Fertigung (AM), besser bekannt als 3D-Druck. Angesichts der Tatsache, dass diese branchenverändernde Technologie seit mehr als drei Jahrzehnten bei uns ist,

Stellen wir uns vor, Sie wüssten nichts über additive Fertigung (AM), besser bekannt als 3D-Druck. Angesichts der Tatsache, dass diese branchenverändernde Technologie seit mehr als drei Jahrzehnten bei uns ist, ist diese Annahme höchst unwahrscheinlich, aber dennoch die Prämisse hinter diesem „Dummies“-Artikel. Wenn Sie bereits ein Experte auf diesem Gebiet sind, können Sie gerne etwas Interessanteres tun, wie zum Beispiel ein paar coole Teile in 3D drucken oder sich die neueste Netflix-Serie anschauen.

Für alle anderen beginnen wir mit einem sehr vereinfachten Überblick über die additive Fertigung. Jede der sieben von der American Society for Testing and Materials (ASTM) anerkannten AM-Technologien beginnt mit einem 3D-CAD-Modell des gewünschten Werkstücks. Diese Datei wird wie ein Brotlaib digital in Tausende oder vielleicht Hunderttausende hauchdünne Scheiben gerendert, bevor sie dem 3D-Drucker zugeführt wird.

Einige der gebräuchlichsten Technologien verwenden eine Laser- oder LED-Lichtquelle, um das Profil und die Innenabschnitte jeder Schicht nacheinander auf die Oberfläche eines Harzbehälters oder eines Betts aus Metall- oder Polymerpulver zu zeichnen und so diese Bereiche zu verfestigen. Sobald jede Schicht fertig ist, wird zusätzliches Material über das entstehende Werkstück gezogen und der Prozess wird immer wieder von unten nach oben fortgesetzt, bis das Teil fertig ist.

Es gibt auch Systeme, die zum Bau von Teilen einen Extrusionskopf wie eine Heißklebepistole verwenden. Einige sprühen Metallpulver oder extrudieren dünnen Draht in den Weg einer fokussierten Energiequelle (Laser oder Elektronenstrahl) und tragen so geschmolzenes Metall auf der Arbeitsfläche auf, während andere selektiv Polymerbindemittel auf ein Pulverbett sprühen und so ein „grünes“ Teil erzeugen das muss später im Ofen gesintert werden. Es gibt noch andere Methoden und weitere Details folgen, aber das ist AM auf den Punkt gebracht. Ganz einfach, oder?

Wie bereits erwähnt, ist AM schon lange bei uns. Einst auf den Polymerdruck beschränkt, hat sich das Verfahren inzwischen auf technische Keramik, Verbundwerkstoffe mit Kohlenstofffasern oder Aramid (Kevlar) und vielleicht am bemerkenswertesten auf Metalle und deren verschiedene Legierungen ausgeweitet. Wir werden den 3D-Druck von Polymeren und anderen nichtmetallischen Materialien in einem zukünftigen Additive Manufacturing Industry Report besprechen – der Rest dieses Berichts wird sich jedoch auf Metall-AM konzentrieren, das viel jüngere (und vorerst kleinere, aber dennoch schnellste) ist (wachsendes) Segment eines mittlerweile milliardenschweren Marktes.

Hans Langer, Gründer von Electro Optical Systems (EOS) in Krailling, Deutschland, könnte den „viel jüngeren“ Punkt argumentieren. Im Jahr 1994 – nur acht Jahre nach der Gründung von 3D Systems durch den Stereolithographie-Erfinder Charles Hull – nutzte Langers Unternehmen sein Fachwissen im Polymerpulverdruck (auch bekannt als selektives Lasersintern oder SLS), um die EOSINT M 160 auf den Markt zu bringen, eine Maschine, die er und viele andere in Betracht ziehen der erste Metall-3D-Drucker zu sein.

Diese Maschine verwendete eine Mischung aus pulverförmigen Metallen wie Nickel und Bronze, um Teile zu drucken, die über mechanische Eigenschaften verfügen, die denen ähneln, die mit der Metallspritzguss-Technologie (MIM) hergestellt werden. Es war eindeutig ein großer Sprung nach vorne, aber es sollte noch ein Jahrzehnt dauern, bis EOS mit dem Verkauf von 3D-Druckern begann, die in der Lage waren, „völlig dichte“ Metallteile herzustellen, was den Weg für eine immer breitere Verbreitung in der Luft- und Raumfahrt-, Medizin-, Transport- und Energiebranche ebnete.

Langer und sein Team nannten diese frühe Technologie „Direct Metal Laser Sintering“ oder DMLS, eine Abkürzung, die nicht mehr ganz korrekt ist. Wie bereits erwähnt, benötigten diese frühen Pulverbettmaschinen Bronze oder ein ähnliches Metall mit niedriger Schmelztemperatur als Bindemittel; Im Gegensatz dazu verfügen moderne DMLS-Drucker über ausreichend Laserleistung, um selbst die hitzebeständigsten Materialien zu schmelzen oder zu „verschmelzen“, darunter Titan, Inconel, Hastelloy und hochschmelzende Metalle wie Wolfram und Niob. Aus diesem Grund hat EOS inzwischen das DMLS-Verb „sintering“ durch „schmelzen“ (deutsch für „schmelzen“) ausgetauscht, ein genauerer Begriff, der es ihnen auch ermöglicht, ihr seit langem bestehendes und markenrechtlich geschütztes Akronym beizubehalten.

Abgesehen von einer kurzen Geschichtsstunde hat EOS jede Menge Konkurrenz durch andere 3D-Druckerhersteller, viele davon mit ihren eigenen, speziellen Akronymen. Beispielsweise hat die SLM Solutions Group AG ihre gleichnamige Metallpulverbetttechnologie SLM, kurz für Selective Laser Melting, als Marke schützen lassen. Concept Laser, jetzt Teil von GE Additive, verfügt über seine LaserCUSING-Technologie, 3D Systems bietet DMP (Direct Metal Printing) an, TRUMPF hat Laser Metal Fusion (LMF) entwickelt und Velo3D bietet sein Sapphire-System mit dem zugrunde liegenden Intelligent Fusion-Prozess an.

Bei allen handelt es sich um Beispiele für Laser Powder Bed Fusion (LPBF), eine Metalluntergruppe der von ASTM International als Powder Bed Fusion (PBF) beschriebenen Technologie, zu der auch Polymerdruck gehört. Wie der Name schon sagt, verwenden LPBF-Drucker ein Bett aus Metallpulver, über dem ein Laser oder eine Reihe von Lasern sitzt, die die eingangs beschriebene Aufgabe erfüllen – den Umriss und das Raster nachzeichnen oder auf andere Weise das Innere jeder digitalen Teilschicht füllen. Dadurch entsteht ein kleiner „Pool“ aus geschmolzenem Metall, der mit der darunter liegenden Schicht verschmilzt, abkühlt und sofort erstarrt, sobald der Laser den Laser passiert hat.

Eng verwandt mit LPBF ist das Elektronenstrahlschmelzen (EBM), bei dem, wie Sie sich vorstellen können, ein Elektronenstrahl anstelle eines Lasers zum Schmelzen verwendet wird. Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es nur einen großen EBM-Anbieter – Arcam, jetzt im Besitz von GE Additive. Ungeachtet der Art der Energiebereitstellung sind die beiden Prozesse recht ähnlich. Beide sind auch viel komplexer als bisher beschrieben, und hier beginnt jeder 3D-Druckerhersteller, sich von der Masse abzuheben.

Beispielsweise erhitzen Bauunternehmer ihre Metallpulverbetten, um den Thermoschock zu reduzieren, der auftritt, wenn Laserlicht oder hochenergetische Elektronen auf ansonsten kaltes Metallpulver treffen. Je nach Material, Drucker und Teilegeometrie kann diese Temperatur mehrere hundert Grad Celsius betragen ( ca. 600 °F) oder mehr.

Und da Sauerstoff und Feuchtigkeit jede Menge Schaden an Elektronenstrahlen und geschmolzenen Schmelzbädern anrichten und auch dazu neigen, mit Metallen wie Titan und Aluminium zu reagieren, muss die Umgebung in der Baukammer eines Metall-3D-Druckers streng kontrolliert werden. In den meisten Fällen wird ein Vakuum erzeugt, um Luft und andere Verunreinigungen aus der Kammer abzusaugen. Anschließend wird die Kammer mit einer genauen Menge Argon oder einem ähnlich inerten Gas gefüllt. Auch hier hat jeder Bauunternehmer seinen eigenen, einzigartigen Ansatz, auch wenn jeder den gleichen physikalischen Gesetzen folgen muss.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Methode des Einbringens von frischem Rohmaterial, sobald jede Schicht fertig ist. Einige 3D-Drucker verwenden eine Hartmetall- oder Kunststoffklinge, um eine dünne Pulverschicht über das entstehende Werkstück zu kratzen. Andere verwenden eine Walze, die das Material während des Transports verdichtet, und einige verwenden einen steifen Gummirakel oder ein alternatives berührungsloses Wiederbeschichtersystem. Die Herausforderung besteht in allen Fällen darin, eine gleichmäßige und vorhersehbare Pulvermenge auf eine Oberfläche zu verteilen, die nicht unbedingt flach ist und tatsächlich kleine Vorsprünge und scharfe Kanten aufweisen kann, an denen sich die Klinge beim Vorbeibewegen verfangen kann, ein unglücklicher Vorgang, der als „Absturz“ bekannt ist bauen."

Dieser letzte Punkt führt uns zum Heiligen Gral der Laser-Pulverbettschmelzung – der Bewältigung der intensiven thermischen Spannungen, die dazu führen, dass sich einzelne Teilschichten während des Aufbaus verziehen oder nach oben kräuseln, Spannungen, die anschließend eine Wärmebehandlung erfordern, um sie zu lindern. Wie bei bestimmten Arten des Polymerdrucks besteht die Lösung auch hier darin, das Teil mithilfe strategisch platzierter gerüstähnlicher Strukturen an der Bauplatte (der abnehmbaren Halterung, auf der die meisten Metallteile aufgebaut sind) und an anderen Teilen oder Teilabschnitten zu verankern. Eine präzise Steuerung der Laserleistung und der Atmosphäre in der Baukammer kann jedoch dazu beitragen, die Notwendigkeit solcher Strukturen zu reduzieren oder in einigen Fällen sogar ganz zu beseitigen.

Unabhängig davon müssen diese „Stützen“, sobald das 3D-gedruckte Teil mit einer hochpräzisen Säge oder Drahterodiermaschine von der Bauplatte abgeschnitten wurde, durch CNC-Bearbeitung, manuelles oder Roboterschleifen oder Vibrationsentgratungsmethoden entfernt werden. Hier besteht auch die Möglichkeit, die charakteristisch rauen Oberflächen, die bei den meisten AM-Prozessen entstehen, zu glätten und Teile mit engen Toleranzen oder anwendungskritischen Merkmalen maschinell zu bearbeiten. All dies ist ein integraler Bestandteil des 3D-Druckprozesses. Unter anderem aus diesem Grund werden sich der Metall-3D-Druck und die traditionelle Bearbeitung – auch subtraktive Fertigungstechnologien genannt – auch in absehbarer Zukunft weiterhin ergänzen.

Es gibt mehr Möglichkeiten, die Metall-AM-Katze zu häuten als LPBF und EBM. Eine davon ist Directed Energy Deposition (DED), eine Technologie, die üblicherweise zur Reparatur von Teilen wie Turbinenschaufeln eingesetzt wird, sich aber auch gut für den Neuaufbau von Metallkomponenten eignet. Wie beim Laser-Pulverbett – und eigentlich bei allen 3D-Drucktechnologien – gibt es zahlreiche markenspezifische Iterationen, darunter Laser Engineered Net Shaping (LENS) von Optomec, TRUMPFs Laser Metal Deposition (LMD) und Direct Metal Deposition (DMD) von Precision Optical Fertigung (POM).

Viele DED-Systeme spritzen einen Metallpulverstrom in den Pfad eines Hochleistungslasers, der auf ein vorhandenes Werkstück oder auf eine Bauplatte gerichtet wird. Wenn die beiden verschmelzen, bildet sich auf der Oberfläche ein Schmelzbad, was zu einer Nettoablagerung von Material innerhalb eines genau definierten Bereichs führt. Für reaktive Metalle wie Titan ist eine versiegelte, mit Inertgas gefüllte Baukammer erforderlich. Andernfalls wird bei weniger reaktiven Legierungen wie Edelstahl ein Schutzgas verwendet, das den Strahl umgibt und Sauerstoff aus dem Baubereich entfernt.

Andere DED-Maschinenbauer verbrauchen Draht als Ausgangsmaterial anstelle von Metallpulver. Eines davon ist Sciakys EBAM, die Abkürzung für Electron Beam Additive Manufacturing. Aber es gibt auch Norsk Titanium mit seiner Rapid Plasma Deposition (RPD), Gefertecs 3DMP (3D-Metalldruck), Lincoln Electric und WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) und zahlreiche andere. Im Großen und Ganzen fallen alle unter das Dach des DED, egal ob es sich um Wire-DED, DED-Arc oder WAAM handelt.

Ironischerweise ist Letzteres die früheste bekannte Form von Metall-AM. Im Jahr 1925 meldete der Erfinder Ralph Baker aus Wilkinsburg, Pennsylvania, zusammen mit seinem Arbeitgeber Westinghouse Electric ein Patent auf Bakers „Methode zur Herstellung dekorativer Artikel“ an. Darin wird die Verwendung des Lichtbogenschweißens „zur Herstellung von Gefäßen oder Behältern mit dekorativen und nützlichen Formen“ beschrieben, ein Prozess, der sich praktisch nicht von dem der heutigen Drahtplattierung, Hartauftragung und anderen bekannten Methoden zum Aufbau von Teileoberflächen unterscheidet.

Was sich gegenüber der Baker-Ära geändert hat, ist die Verwendung eines CNC-Portals oder einer Roboterbewegungssteuerung zum Antrieb des Abscheidekopfs, was es ihm ermöglicht, komplexe Teilegeometrien in drei Dimensionen zu verfolgen. Dies gibt DED große Flexibilität, ganz zu schweigen von der Produktivität. Einige DED-Systeme erreichen Abscheidungsraten von etwa einem Dutzend Kilogramm pro Stunde in einer breiten Palette von Hochleistungslegierungen, darunter Kupfer, Titan, Edelstahl und hochschmelzende Metalle.

Die NASA erforscht beispielsweise die Verwendung von DED auf Pulverbasis zur Konstruktion von Abgasdüsen mit einem Durchmesser von mehreren Metern. In ähnlicher Weise hat Relativity Space ebenso massive Treibstofftanks erfolgreich in 3D gedruckt und soll die für den Bau einer typischen Rakete benötigten Teile von 100.000 auf nur 1000 Komponenten reduziert haben. Lincoln Electric und andere DED-Anbieter sind in der Lage, schnell großformatige Werkzeug- und Maschinenkomponenten herzustellen, deren Herstellung früher Monate dauerte. Durch die Ausstattung von Fünf-Achsen-Bearbeitungszentren mit DED-Köpfen, wie es die Maschinenbauer DMG MORI, Okuma und Mazak getan haben, kann die sogenannte Hybridfertigung hochpräziser und komplexer Werkstücke in einem einzigen Arbeitsgang durchgeführt werden.

Pulver kann auch auf andere Weise aufgetragen werden. Beispielsweise hat Markforged die Möglichkeit entwickelt, Metallpulver mit einem wachsähnlichen Material zu langen Filamentspulen zu verbinden, die denen in Unkrautvernichtern sehr ähnlich sind. Dieses mit Metall gefüllte Material ist im Betrieb identisch mit der Herstellung von geschmolzenen Filamenten (FFF) auf Polymerbasis und wird durch einen beheizten Extrusionskopf geführt und auf der darunter liegenden Arbeitsfläche abgelegt, wobei es dabei Teile bildet. Anschließend werden diese gewaschen, um den Großteil des Bindemittels zu entfernen, und dann in einem Ofen gesintert, bis sie ausgehärtet sind. Sie nennen ihr Prozessmetall FFF.

Desktop Metal hat eine ähnliche Technologie erfunden. Sein Studio-System nutzt die gebundene Metallabscheidung (BMD), die, wie der Name schon sagt, auf Stäben aus vorverpacktem gebundenem Metallpulver beruht, die Schicht für Schicht extrudiert werden, um das Werkstück aufzubauen. Anstelle eines zweiten Waschvorgangs durchlaufen die Teile jedoch einen zweistufigen Sinterprozess. Beide Systeme sind darauf ausgelegt, den Druckprozess zu vereinfachen und den Bedarf an losen Metallpulvern zu eliminieren, sodass sie sogar in Büroumgebungen eingesetzt werden können.

Dann gibt es noch das Binder Jetting. Hierbei wird ein Bindemittel auf Polymerbasis selektiv über die Oberfläche eines Metallpulverbetts gesprüht, das die Partikel vorübergehend zusammenhält. Ähnlich wie bei LPBF-Systemen wird dann eine Schicht frisches Pulver über die Oberfläche gezogen und der Vorgang wiederholt sich, wodurch letztendlich ein „grünes“ Teil entsteht. Wie bei anderen auf Sintern basierenden AM-Systemen müssen diese relativ fragilen Konstruktionen in Lösungsmittel gewaschen oder mit UV-Licht ausgehärtet werden, bevor sie zum endgültigen Verschmelzungsprozess in den Ofen gelangen, wo sie vollständig dicht werden.

Es gibt noch viel mehr als sinterbasierte Technologien. Beispielsweise verwendet Fabrisonics additive Ultraschallfertigung (UAM) ein „Horn“, um extrem hochfrequente Schallwellen auf dünne Metallbleche zu projizieren und diese miteinander zu verbinden. Sogar unterschiedliche Metalle wie Titan und Aluminium können zu Metallsandwiches verbunden werden, und in Kombination mit einem CNC-Fräskopf sind komplexe Teile mit integrierter Elektronik möglich. Dann ist da noch Jason Jones von Hybrid Manufacturing Technologies, der das Laserauftragschweißen und Polymerextrusionsköpfe erfunden hat, die an jeder CNC-Fräsmaschine, Multitasking-Drehmaschine oder jedem Roboterarm nachgerüstet werden können. Und die Werkzeugmaschinenhersteller Matsuura und Sodick haben LPBF noch einen Schritt weiter gebracht, indem sie Metall-AM in bestimmte Modelle vertikaler Bearbeitungszentren integriert haben und Herstellern damit die Möglichkeit gegeben haben, Kunststoffspritzgussformen mit konformen Kühlkanälen in einem einzigen Arbeitsgang zu drucken und zu bearbeiten.

Das wegnehmen? Der Metall-3D-Druck steht gerade erst am Anfang.

Kein Artikel über Metall-AM wäre vollständig ohne eine kurze Erwähnung des Designs für additiv gefertigte Teile, Prinzipien, die viele als DfAM bezeichnen. In gewisser Weise ist es der wichtigste Teil des Gesprächs, insbesondere wenn es um Metall-AM geht. Das liegt daran, dass alle Formen des 3D-Drucks – ob Metall, Polymer oder anders – Designern bisher nicht verfügbare Möglichkeiten für stärkere, leichtere und effektivere Produkte bieten, die für die beabsichtigte Anwendung optimiert wurden.

Die Nutzung dieser Funktionen hängt jedoch von zwei Dingen ab: den Fähigkeiten des Designers und der von ihm verwendeten Software. Um die erste davon zu erreichen, sind Bildung, Erfahrung und nicht wenig harte Arbeit erforderlich. Die gute Nachricht ist, dass Hersteller von 3D-Druckern und die AM-Community im Allgemeinen zahlreiche Ressourcen für jedes Thema bereitstellen, ganz zu schweigen von der Tatsache, dass Universitäten wie die Penn State damit begonnen haben, Abschlüsse in additiver Technik anzubieten. Für einen jungen Menschen (oder auch einen nicht ganz so jungen) ist es eine tolle Zeit, in der Fertigung zu arbeiten.

Was AM-bezogene Software angeht, hat die CAD-Branche gute Arbeit geleistet, indem sie mit der Entwicklung von 3D-Druckern Schritt gehalten und diese in einigen Fällen sogar übertroffen hat, und bietet jetzt Produkte an, die weit über die zuvor erwähnten Slicing- und Build-Vorbereitungstools hinausgehen. Topologieoptimierung, generatives Design, AM-Workflow-Management – ​​das sind nur einige der Systeme, die großen und kleinen additiven Herstellern zur Verfügung stehen und die dazu dienen, AM-Teiledesigns robuster und den 3D-Druckprozess effizienter zu machen.

Dafür gibt es einige sehr gute Gründe. Die additive Fertigung verspricht zahlreiche Vorteile, die weit über die Fabrik hinausgehen. Wie Benny Buller, CEO von Velo3D, kürzlich sagte, ermöglicht AM, lokal zu drucken und global zu revolutionieren. Diese scheinbar einfache Aussage hat tiefgreifende Auswirkungen. Dies bedeutet kürzere Lieferketten, beschleunigte Design- und Entwicklungszyklen, geringere Ausfallzeiten der Geräte und eine höhere Produkteffizienz. Am wichtigsten ist vielleicht, dass es viel weniger Verschwendung bedeutet – sowohl an Zeit, Energie als auch an natürlichen Ressourcen, was alles eine gute Nachricht für den Planeten und die Menschen ist, die von ihm abhängig sind.

Besonderer Dank geht an die Experten für additive Fertigung und Lösungsanbieter 3D Systems, Nexa3D, Markforged, Optomec, Stratasys Direct Manufacturing und Velo3D für ihren Input und die Faktenprüfung beim Schreiben dieses Artikels.

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