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Technologie-Übersicht: Wann sie wirklich Metall-3D-Druck wählen sollten

Metall-3D-Druck: 4 Fallbeispiele, wann man ihn der CNC-Bearbeitung vorziehen sollte und wann nicht.

Seit ihrer Einführung hat die additive Fertigung mit Metallen aufgrund ihres unkonventionellen Bottom-Up-Ansatzes und ihren vielversprechenden Möglichkeiten die Aufmerksamkeit von Ingenieuren und Technik-Enthusiasten auf sich gezogen. Ist es wirklich vorteilhaft Teile, die jahrelang mit subtraktiven Verfahren zuverlässig angefertigt wurden nun mit additiver Fertigung herzustellen? In diesem Artikel diskutieren wir diese Frage und zeigen anhand von einigen Beispielen, wann der Metall-3D-Druck eine gute Wahl darstellt und wann nicht.

Metall-3D-Druck (DMLS): Überblick des Verfahrens

Herkömmliche Fertigungsverfahren wie die CNC-Bearbeitung arbeiten normalerweise subtraktiv. Dies bedeutet, dass Material abgetragen wird, um die gewünschte Form eines Produkts zu erreichen. Im Gegensatz dazu stehen additive Fertigungsverfahren wie der Metall-3D-Druck. Eine der häufigsten und beliebtesten 3D-Drucktechnologien für Metalle ist direktes Metall-Lasersintern (DMLS)

Der typische DMLS-Ablauf beginnt mit dem Aufteilen („Slicing“) des 3D CAD-Modells in extrem dünne Schichten, wobei für jede Schicht ein separates 2D-Modell erzeugt wird.

Die Maschine verwendet einen leistungsstarken Laser. In der Fertigungskammer befinden sich eine Pulverkammer, eine Bauplattform mit einer Walze, die neues Pulver auf der Bauplattform aufträgt. Das Verfahren verschmilzt Metallpulver zu einem festen Bauteil, indem es lokal durch einen fokussierten Laserstrahl zum Schmelzen gebracht wird. Die Teile werden Schicht für Schicht aufgebaut.

Fälle, bei denen man Metall-3D-Druck wählen sollte

3D-Druckverfahren mit Metallen besitzen einige Vorteile gegenüber herkömmlichen spanhebenden Fertigungsverfahren.  Hier haben wir einige Fälle aufgelistet, bei welchen man die Fertigung mittels Metall-3D-Druck anstelle der CNC-Bearbeitung in Betracht ziehen sollte.

Ihre Konstruktion ist kompliziert

Bezüglich der Gestaltungsfreiheit und der Komplexität der Konstruktionen ist der Metall-3D-Druck herkömmlichen Fertigungsverfahren weit überlegen. Viele komplizierte Konstruktionen können mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht so leicht hergestellt wie mit 3D-Druck. Betrachten wir das untenstehende Beispiel.

Komplexe Konstruktionen dieser Art lassen sich mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nur sehr schwer anfertigen, selbst wenn 5-achsige CNC-Maschinen eingesetzt werden.

Ein weiterer Vorteil sind die vergleichsweise niedrigen Kosten bei hoher Komplexität. Die Fertigung komplizierter mechanischer Bauteile erfordert in der traditionellen Fertigung ein hohes Maß an Präzision und Kompetenz, insbesondere bei komplexen Baugruppen. Daher steigen hier die Kosten mit dem Grad der Komplexität. Das ist beim 3D-Druck nicht der Fall, da hier ganze Gruppen in einem einzigen Vorgang angefertigt werden, statt jedes Teil vor dem Zusammensetzen einzeln anzufertigen. Daher führt Komplexität hier nicht zu zusätzlichen Kosten.

Sie benötigen dringend Metall-Prototypen

Bei niedrigen Stückzahlen, z.B. 1 bis 5 für die Prototypenentwicklung, ist die additive Fertigung mit Metall deutlich vorteilhafter. Da die Kosten für jede zusätzliche Einheit nahezu gleich bleiben, kann die notwendige Anzahl an Anpassungen vorgenommen werden. Das kann bei der Prototypenentwicklung eingesetzt werden: Hier wird ein Prototyp mittels 3D-Druck angefertigt und anschließend so lange angepasst, bis die gewünschten Merkmale erreicht werden. Dies ist ein wichtiger Schritt vor der Einführung eines Produkts in die Serienproduktion. Außerdem kann dieser Ansatz genutzt werden, um während des restlichen Fertigungsprozesses Einzelstücke herzustellen und schneller auf dynamische Anforderungen reagieren zu können.

Ein weiterer Vorteil ist die häufig kürzere Durchlaufzeit für Metall-3D-Drucke im Vergleich zu CNC-gefertigten Bauteilen. CNC-Bearbeitungsverfahren brauchen normalerweise mehr Zeit, um Material bereitzustellen, die Maschinen einzurichten und mit den richtigen Werkzeugen auszustatten. Daher kann es teilweise mehrere Wochen dauern, bis man das erste Bauteil in der Hand hält. Im Gegensatz dazu können beim 3D-Druck selbst mit dem etwas komplexeren DMLS-Verfahren Teile auf Nachfrage gedruckt und verschickt werden, ohne lange Vorlaufzeiten durch Hochfahren oder Werkzeug-Bestückung der Maschinen. Die Kombination aus kürzeren Vorlaufzeiten und einer effizienteren Prototypenentwicklung führt zu kürzeren Durchlaufzeiten. Dies ist einer der größten Vorteile des Metall-3D-Drucks.

Sie wollen leichte und langlebige Komponenten

Luft- und Raumfahrt und Medizintechnologiebranchen benötigen häufig leichte und gleichzeitig beständige Bauteile. Superlegierungen wie Inconel 718, AlSi10Mg und Kobalt-Chrom-Legierungen sind bekannt dafür, dass sie deutlich leichter sind als vergleichbare konventionell gefertigte Teile. Teile, die aus einem dieser Legierungen hergestellt werden, sind vergleichsweise leicht. Ein Beispiel hierfür sind die berühmten, 3D-gedruckten Kraftstoffdüsen von GE für ihre LEAP-Triebwerke. Diese Düsen wurden ursprünglich aus 20 Einzelteilen von unabhängigen Lieferanten zusammengesetzt. Der Einsatz von direktem Metall-Lasersintern (DMLS) ermöglichte schließlich die Fertigung eines einteiligen Bauelements, das 25% leichter und 5-mal stärker ist als die ursprünglichen Bauteile. Klicken Sie hier um mehr darüber zu erfahren.

Image: GE

Sie wollen Materialverschwendung vermeiden

Der 3D-Druck ist ein unglaublich ressourcenschonendes Verfahren, da nur das Material verbraucht wird, das vom Laser getroffen wird (bzw. durch den Extruder gedrückt wird). Im Gegensatz dazu bleiben bei herkömmlichen, spanhebenden Fertigungsverfahren Metallspäne und kleine Metallteile übrig, die recycelt werden sollten. Die Tatsache, dass die Fertigungsunternehmen keine so hohen Stückzahlen produzieren müssen, um die Einrichtungskosten abzugleichen, führt ebenfalls zu weniger Abfall.

Nachteile des Metall-3D-Drucks

Neben den Vorteilen des Metall-3D-Drucks gegenüber herkömmlichen Verfahren gibt es auch einige Punkte, die für konventionelle spanhebende Verfahren sprechen.

Körnige Oberflächenbeschaffenheit

Der 3D-Druck ist in additives Fertigungsverfahren. Das bedeutet, dass die erzeugten Oberflächen nicht so glatt werden wie bei der CNC-Bearbeitung und dass die gewünschten Oberflächenstrukturen sich nicht so leicht herstellen lassen. Wenn die Oberflächenbeschaffenheit bei Ihrem Projekt eine entscheidende Rolle spielt, ist die CNC-Bearbeitung häufig die bessere Wahl. Dennoch gibt es viele Nachbearbeitungsverfahren zur Entfernung der Stützstrukturen, Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit und Ästhetik, wobei es dementsprechend zu höheren Kosten kommen kann.

Körnige Struktur bei Metall-3D-Druck

Teile geringerer Festigkeit

Da es sich beim 3D-Druck um ein additives Verfahren handelt, weisen 3D-gedruckte Metallteile eine geringere Festigkeit auf als Teile, die aus einem massiven Metallblock herausgearbeitet wurden. Die Festigkeit des fertigen Teils hängt von der Konstruktion, Größe und Material ab. Im Allgemeinen ist die Druckfestigkeit eines 3D-gedruckten Metallteils durchschnittlich 40-50% niedriger als die eines CNC-gefertigten Bauteils.

Teure Serienproduktion

Die Serienproduktion großer Stückzahlen ist mit CNC-Bearbeitung günstiger. In vielen Branchen ist die Serienproduktion immer noch ein ausschlaggebender Faktor. Hier hinkt der 3D-Druck traditionellen Verfahren hinterher. Die Geschwindigkeit, mit der ein 3D-Drucker ein Objekt zusammenbauen kann ist häufig nicht mit den erreichbaren Geschwindigkeiten traditioneller Montagelinien vergleichbar.

Beschränktes Fertigungsvolumen

Wenn große Bauteilgrößen erforderlich sind, ist die CNC-Bearbeitung immer die bessere Wahl. Die maximal herstellbaren Maße betragen zum Beispiel 250 x 250 x 325 mm bei DMLS und 2000 x 800 x 1000 mm in der CNC-Bearbeitung. Dieser Größenvergleich verdeutlicht, dass der 3D-Druck aufgrund seiner begrenzten Pulverbettgröße sich nicht für die Fertigung großer Teile eignet.

Eingeschränkte Materialauswahl

Konventionelle Fertigungsmethoden wie der Spritzguss und die CNC-Bearbeitung können häufig eine größere Auswahl an Materialien anbieten. Im Vergleich dazu ist die Materialauswahl beim 3D-Druck kleiner. Dies kann der ausschlaggebende Faktor werden, wenn spezielle Materialien für ein bestimmtes Teil erforderlich sind und muss bei der Festlegung der gewünschten technischen Eigenschaften des Endprodukts berücksichtigt werden. Im Moment bietet Xometry fünf verschiedene Metall-/Legierungspulver an, die für DMLS geeignet sind. Falls das Teil in einem anderen Material angefertigt werden muss gibt es neben traditionellen Fertigungsverfahren keine anderen Möglichkeiten.

Zusammenfassung

Man kann nicht behaupten, dass der Metall-3D-Druck traditionelle Fertigungsverfahren in allen Bereichen ersetzt, da sie ihre eigenen Vor- und Nachteile haben und jeweils für bestimmte Anwendungen besser geeignet sind. In der folgenden Tabelle haben wir die jeweiligen Stärken der beiden Fertigungstechnologien zusammengefasst:

Metall-3D-DruckCNC-Bearbeitung
Kürzere DurchlaufzeitenGroßserienproduktion
Prototypenentwicklung und KleinserienproduktionFeste Oberflächenstruktur
Komplexe Konstruktionen leicht umsetzbarMaterialien und technische Eigenschaften, die bei 3D-Druck nicht verfügbar sind
Weniger MaterialverschwendungGroße Bauteile
Maßanfertigung und FlexibilitätTeile hoher Festigkeit

Falls Sie fertige Entwürfe haben, können Sie gerne unsere Plattform für Sofortangebote nutzen, um Preise und Lieferzeiten für CNC-Bearbeitung und DMLS 3D-Druck miteinander zu vergleichen.

Veröffentlicht in 3D Druck