Metall 3D Drucker in der additiven Fertigung

Der 3D Druck Metall kombiniert die Flexibilität eines 3D Druckers mit den haptischen und mechanischen Merkmalen von Metalllegierungen. So können funktionsfähige Prototypen ohne den Einsatz spanender Fertigungsmethoden hergestellt werden.

Die Metall-Druckteile bringen die gleichen Eigenschaften mit sich, die auch gefräste oder gegossene Werkstücke besitzen. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass der Metall 3D Drucker aufwendige Teile schneller bzw. überhaupt unter Berücksichtigung von Leichtbauaspekten fertigen kann. Wo der herkömmlichen Fertigung Grenzen gesetzt sind, fängt der Metall 3D Druck erst an. 

Mit der Möglichkeit des Metalldrucks können Bauteile und Prototypen nicht nur als optisches Anschauungsmaterial hergestellt werden, wie es beim Kunststoffdruck der Fall ist. Die aus den CAD-Daten entstehenden Metallbauteile sind meist aus dem Drucker heraus direkt verwendbar und können für Testzwecke und Belastungsproben verwendet werden.

Bei den Druckverfahren der Metall 3D Drucker wird grundsätzlich zwischen zwei verschiedenen Verfahren unterschieden. Beide bieten individuelle Vor- und Nachteile, die anhand des Einsatzgebiets und dem Verwendungszweck über die Auswahl entscheiden. Beim Metall 3D Druck kommt es, genauso wie beim Kunststoffdruck, darauf an, wie das gedruckte Teil verwendet wird und welche Eigenschaften es besitzen soll.

Die SLS Technologie beschreibt das sogenannte Selektive Laser Sintern und wird mittlerweile in den verschiedensten Ausbaustufen und Unterteilungen eingesetzt. Über die Jahre wurde das Verfahren von vielen Metall 3D Drucker Herstellern aufgegriffen, auf eine spezifische Art und Weise weiterentwickelt und leicht abgeändert. So gibt es heutzutage neben der LPBF-Technologie („Laser Powder Bed Fusion“) das sog. SLM-Verfahren („Selektives Laser Schmelzen“) und das DMLS-Verfahren („Direktes Metall Laser Sintern“).

Alle Verfahren funktionieren nach einem gemeinsamen Prinzip und unterscheiden sich nur wenig. Ein Laser schmilzt dünne Schichten eines in einem Trägerpulver eingebetteten Metalls und baut das Bauteil so Schicht für Schicht auf. Nach jedem Durchgang fährt die Bauplattform um die vorher festgelegte Schichtstärke nach unten, es wird eine neue Pulverschicht aufgezogen und der Schmelzprozess beginnt erneut, bis das gesamte Bauteil schichtweise fertiggestellt ist. Da hier kein anschließender Sinterprozess notwendig ist, sind im SLS-Verfahren hergestellte Bauteile aus dem Metall 3D Drucker schneller und effizienter produzierbar.

Als weiteres Herstellungsverfahren gibt es die FDM-Technologie. Beim sog. „Fused Deposition Modeling“ befindet sich der Kompositwerkstoff bestehend aus einem Metallpulver & einem Bindemittel aus Kunststoff, Harz oder Wachs als Filamentfaden aufgewickelt auf einer Rolle. Dieser Faden wird dann vom Metall 3D Drucker in den Druckkopf gezogen, an den Schmelzpunkt gebracht und kann auf die Bauplattform extrudiert werden. Auch hier erfolgt der Druck Schicht für Schicht, jedoch ist bei diesem Verfahren die Nachbehandlung der Druckteile entscheidend.

Mit abgeschlossenem Druck erhält man den sog. „Grünling“. Dieser muss aufgrund seiner geringen Festigkeit zuerst entbindert werden. Hierbei wird mittels thermischem, katalytischem oder dem lösungsmittelhaltigen Entbindern das Bindepolymer zum Großteil entfernt. Der daraus entstehende „Bräunling“ besteht nun fast nur noch aus Metallpulver, ist jedoch sehr brüchig. Beim anschließenden Sintern bei über 1300°C erhält das Teil metallische Eigenschaften und alle restlichen Bindemittelreste verbrennen.

Metall 3D Drucker finden in der Regel dann Verwendung, wenn herkömmliche Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren an ihre Grenzen stoßen. Werden Teile, die einen aufwendigen und komplizierten Aufbau oder Hohlkonstruktionen verbunden mit einer hohen Festigkeit und gleichzeitig Leichtbaueigenschaften benötigt, kommt das additive Verfahren des Metall 3D Drucks zum Einsatz.

Besonders beim Thema Leichtbau wird gerne auf den weitverbreiteten Werkstoff Aluminium zurückgegriffen. Die Kombination aus geringem Gewicht und hoher Stabilität kommt in den verschiedensten Bereichen zum Einsatz. Spielt das Gewicht eine geringere Rolle und die Festigkeit & Belastbarkeit des Werkstücks soll erhöht werden, kommt in der Regel Stahl zum Einsatz.

Dieser kann in unterschiedlichen Legierungen und somit mit unterschiedlichen Eigenschaften im Bereich der Metall 3D Drucker eingesetzt werden. Dank der guten mechanischen Eigenschaften und der hohen erreichbaren Oberflächengüte ist Stahl der am häufigsten verwendete Metallwerkstoff im Bereich des Metall 3D Drucks.

Auch das besonders leichte, stabile und korrosionsfeste Titan kann mittlerweile gedruckt werden. Daneben sind auch Metallwerkstoffe wie Bronze, Kupfer, Wolframkarbid und weitere Legierungen wie Kobalt-Chrom, welches häufig in der Medizin zum Einsatz kommt, mit dem Metall 3D Druck herstellbar.

Verwendung finden Metall 3D Drucker vermehrt in der fertigenden Industrie. Hier werden Teile, die mit den herkömmlichen Herstellungsmethoden wie CNC-Fräsen oder Gießen nur schwer herstellbar sind, gedruckt. Doch auch die Automobilindustrie profitiert von den Metall 3D Druckern. Besonders für Kleinserien und Prototypenbauteile kommen sie hier zum Einsatz. Weitere Einsatzgebiete der Drucker finden sich in der Flugzeug- und Raumfahrtindustrie, sowie in der Medizintechnik.

Generell kann man sagen, dass Metall 3D Drucker dann zum Einsatz kommen, wenn aufwendige Strukturen, geringes Gewicht und eine schnelle individuelle Fertigung gefordert sind. 

Der US-amerikanische Hersteller will seine Metall 3D Drucker nicht nur für kapitalreiche Unternehmen anbieten, sondern jedem die Möglichkeit bieten, den Metall 3D Druck mit allen Vorteilen zum besten Preis nutzen zu können. Dank der einfachen und intuitiven Bedienung können mit den Modellen XACT Metal XM 200C und dem XACT Metal XM 200G hochwertige Bauteile aus den unterschiedlichsten Materialien gefertigt werden.

Die nach dem Selektiven Laser Sinter Verfahren funktionierenden Maschinen haben den Metall 3D Druck mit dem sog. Laser Powder Bed Fusion Technologie (LPBF) in Kombination mit dem Xact Core™ -Portalsystem revolutioniert und sich auf dem Markt der Metall 3D Drucker fest etabliert.