3D Druck Metall – Verfahren im Überblick

Unter dem Oberbegriff Metall-3D-Druck werden verschiedene additive Fertigungsverfahren zusammengefasst, die sich im Wesentlichen in zwei Kategorien einordnen lassen. Selektives Lasersintern, selektives Laserschmelzen und Laserauftragschweißen/Directed Energy Deposition arbeiten beispielsweise mit hochenergtischen Laserstrahlen. Gas Metal Arc Wielding und Tungsten Gas Wielding basieren auf Schweißprozessen ohne Laser- oder Elektronenstrahl.

Allen gemeinsam ist die Möglichkeit, aus einem formlosen Werkstoff – meist Metallpulver oder Metalldrähte – komplexe, dreidimensionale Formen in einem Fertigungsprozess zu generieren. Gegenüber herkömmlichen Verfahren der Metallverarbeitung – formende Verfahren wie Gießen bzw. zerspanende Verfahren wie Drehen oder Fräsen – haben 3D-Druckteile aus Metall eine Reihe von Vorteilen. Ein Überblick:

• Die Fertigung ist werkzeugfrei und erfordert keinen zeitaufwändigen und kostenintensiven Werkzeug- und Formenbau. Designanpassungen lassen sich einfach und schnell virtuell am 3D-CAD-Modell vornehmen und direkt drucken.
• Eine Funktionsintegration beispielsweise von Kühlkanälen im Fahrzeugbau ist einem Prozessschritt möglich. Sie müssen nicht nachträglich gebohrt werden. Auch Baugruppen können integriert werden.
• Komplexe geometrische Formen wie Hohlkörper oder Hinterschnitte, die mit konventionellen Verfahren nicht zu fertigen sind, lassen sich herstellen.
• Prototypen, Einzelanfertigungen (z.B. in der Prothetik) und Kleinserien (z.B. bei Schmuckstücken oder im Automobilbau) lassen sich wirtschaftlich sinnvoll
• Qualitativ sehr hochwertige, hochbelastbare und dabei maßgenaue Werkstücke mit hoher Dichte und nahezu ohne Lufteinschlüsse sind möglich. Filigrane Mikrostrukturen lassen sich dabei ebenso realisieren wie sehr große Teile in einem Stück.
• Die schweißprozess-basierten additiven Fertigungsverfahren punkten zudem gegenüber konventionellen Schweißverfahren mit hochwertigen Schweißnähten bei einer sehr hohen Arbeitsgeschwindigkeit.
• Eine dezentrale Fertigung nach Bedarf ist möglich, beispielsweise von Ersatzteilen. Außerdem können bereits bestehende Bauteile ausgebessert oder additiv ergänzt werden.

Von A wie Aluminium bis T wie Titan

Metalle und Metalllegierungen für 3D-Druckverfahren werden meist in Pulverform oder  Drahtform als Werkstoff verwendet. Je nach Branche und Verwendungszweck kommen dabei Stahl, Aluminium, Edelmetalle, Titan und andere wie beispielsweise Nickellegierungen zum Einsatz.

Gegenüber additiv gefertigten Kunststoffteilen punkten Metallteile dabei in der Regel mit hoher Temperaturbeständigkeit, Widerstandsfähigkeit und Robustheit. Die Maßhaltigkeit und Dichte unterscheidet sich dabei je nach verwendetem Fertigungsverfahren. Allerdings ist aufgrund rauer Oberflächen oftmals eine Nachbearbeitung erforderlich (Ausnahme: Schweißprozess-basierte Verfahren).

Additiv gefertigte Metallteile – als Prototypen, maßgefertigte Einzelstücke oder in Kleinserien – finden sich beispielsweise im Maschinen-, Werkzeug- und Formenbau (z.B. aus Werkzeugstahl, Chromstahl oder hochtemperaturbeständigem Stahl), in Automobilbau und Motorsport sowie in der Luft- und Raumfahrttechnik (z.B. aus Aluminium und Aluminiumlegierungen), in Prothetik und Medizintechnik (Titan/Titanlegierungen), in Kunst, Design und Schmuckherstellung (Bronze, Kupfer und andere Edelmetalle sowie deren Legierungen, aber auch Aluminium und Edelstahl) sowie – bei den Schweißtechniken – in der Kernenergie, im Rohrleitungs- und Behälterbau.

Metallverarbeitende 3D-Druckverfahren im Überblick

Alle Metall-3D-Druckverfahren sind werkzeugfrei und benötigen nur ein 3D-CAD-Modell als Basis für den Fertigungsprozess. Dieses CAD-Modell wird mithilfe spezieller Programme durch das so genannte Slicing in ein .stl-Format (stl = Surface Tesselation Language) umgewandelt. Dabei wird das Modell des zu fertigenden Werkstücks virtuell schichtweise in geometrische Daten zerlegt, die das 3D-Fertigungsgerät direkt auslesen kann. Die einzelnen Datenschichten entsprechen dabei den aufzutragenden Materialschichten.

Selektives Lasersintern (SLS)

Beim Selektiven Lasersintern wird der Werkstoff im Bauraum mit einer Rakel gleichmäßig verteilt. Ein oder mehrere hochenergetische Laser erhitzen die einzelnen Metallpulverkörner punktuell bis kurz vor dem Schmelzpunkt erhitzt. Dabei schmilzt die oberste Schicht der Partikel auf, ohne dass die Pulverkörner komplett aufschmelzen. Beim Abkühlen verbinden sich die Partikel mit den umliegenden, so dass schichtweise das Bauteil entsteht. Nach jeder gefertigten Schicht wird die Bauplatte im Bauraum abgesenkt und eine neue Materialschicht aufgetragen, und der Fertigungsprozess beginnt erneut. Stützelemente sind nicht notwendig.

SLS-Teile sind leicht porös und haben eine raue Oberfläche, so dass sie in der Regel durch Schleifen oder Glätten nachbearbeitet werden. SLS ist in der Industrie weit verbreitet, sowohl im Bau von Prototypen und individualisierten Einzelteilen als auch in der Kleinserienfertigung.

Selektives Lasersintern ist nicht nur mit Metallen, sondern auch mit Kunststoffen möglich. Daher wird mitunter der Begriff DMLS (Direct Metal Laser Sintering) zur Unterscheidung des Verfahrens je nach verwendetem Werkstoff verwendet.

Eine Variante des SLS ist das Elektronenstrahlschmelzen (Electro Beam Melting/EBM), das statt eines Lasers einen Elektronenstrahl zum Verschmelzen des Metallpulvers einsetzt. Das Verfahren kommt nicht  bei Kunststoffen zum Einsatz.

Selektives Laserschmelzen (SLM)

Selektives Laserschmelzen entspricht in seinem Fertigungsprozess weitgehend dem des Selektiven Laserschmelzen. Der wesentliche Unterschied: Die einzelnen Metallpulverpartikel werden komplett aufgeschmolzen.

SLM-Teile weisen eine hohe Dichte auf, die nahezu der gegossener Metallteile entspricht. Sie sind nahezu frei von Lufteinschlüssen und daher sehr robust und belastbar. Wichtig: Anders als SLS-Teile können SLM-Teile prozessbedingt deutlich schrumpfen, wenn sie abkühlen. Diese Maßabweichungen müssen bei der Entwicklung des 3D-CAD-Modells des Bauteils eingeplant werden.

Directed Energy Deposition/Laser-Auftragschweißen

Das Laser-Auftragschweißen nimmt eine Sonderstellung unter den laserbasierenden Metall-3D-Druckverfahren ein. Der Grund: Mittels Laser-Auftragschweißen lassen sich nicht nur neue Teile additiv fertigen bzw. an ein bestehendes Werkstück anfügen. Auch Reparaturen sind möglich – in sehr hoher Genauigkeit, Dichte und Maßhaltigkeit.

Beim Laser-Auftragschweißen schmilzt ein Laser zuerst die Oberfläche des zu bearbeitenden oder auszubessernden Bauteils auf. Das so genannte Substrat entsteht. Dann wird der verwendete Werkstoff in Pulver- oder Drahtform über eine Düse auf das Bauteil aufgetragen und dort mittels Diode oder Faserlaser ebenfalls aufgeschmolzen. Der Werkstoff verbindet sich mit dem Substrat.

Wichtig: Anders als SLS und SLM ist Laser-Auftragschweißen nur mit Metallen als Werkstoff möglich. Für Kunststoffe gibt es kein vergleichbares, additives Verfahren.

Eine Variante des Laser-Auftragschweißens ist das Electron Beam Freeform Fabrication (EBF3), das statt eines Lasers einen Elektronenstrahl als Energiequelle zum Schmelzen des Werkstoffs einsetzt (ähnlich SLS/EBM).

Gas Metal Arc Welding (GMAW/MIG- und MAG-Schweißen)

Gas Metal Arc Welding – auch Metall-Schutzgas-Schweißen genannt – zählt zu den Lichtbogenschweißverfahren. Wie beim Laser-Auftragschweißen kann auch hier auf ein bereits bestehendes Werkstück gefertigt oder ein komplett neues Teil schichtweise additiv aufgebaut werden. Das Prinzip:  Ein Motor wickelt einen endlosen Schweißdraht ab und führt diesen direkt an die Schweißstelle. Unter Schutzgas-Atmosphäre wird ein Lichtbogen erzeugt, der den Schweißdraht vollständig aufschmilzt.  In der Schmelzzone verbindet sich der Draht mit dem Werkstück. Die Schutzgas-Atmosphäre verhindert dabei den Einfluss von Sauerstoff und sorgt für eine oxidationsfreie Verbindung der Metallteile. (weitere Infos auch in diesem Paper des MIT)

Wichtig: Gas Metal Arc Welding erfordert hohe Sicherheitsmaßnahmen und umfassende Schweißerfahrung und kann nur in speziellen Räumen, niemals aber im Freien durchgeführt werden. Besonderes Augenmerk gilt dabei der sorgfältigen Vorbereitung der Schweißnähte.

Mittels Gas Metal Arc Welding lassen sich sowohl dünne Bleche ab 0,8 mm Materialstärke, als auch stärkere Bleche über 10 mm Dicke verbinden. Dabei lässt sich das Fertigungsverfahren bei nahezu allen schweißgeeigneten Werkstoffen einsetzen. Kupfer, Aluminium und Aluminiumlegierungen, Magnesium, Nickellegierungen und Titan werden unter Argon- oder Helium-Atmosphäre oder mit einem anderen inerten Gas verschweißt, daher auch der Name MIG-Schweißen (Metall-Inertgas-Schweißen). Der Grund: Inerte Gase ermöglichen höhere Schweißtemperaturen, ohne dass Werkstoff oder Werkstück oxidieren. Bei unlegierten und legierten Stählen kommen dagegen bevorzugt aktive Gase zum Einsatz, oftmals ein Gasgemisch aus Argon, Kohlendioxid und Sauerstoff zum Einsatz (Metall-Aktivgas-Schweißen/MAG).

Gas Metal Arc Welding ist im Rohrleitungsbau, im Maschinen- und Automobilbau sowie Feinwerktechnik und Kerntechnik weit verbreitet.

Gas Tungsten Arc Welding (GTAW/WIG-Schweißen)

Das Gas Tungsten Arc Welding – auch Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen) genannt – funktioniert ähnlich wie MIG- und MAG-Schweißen. Auch hier wird ein Schweißdraht an die Schweißstelle geführt und aufgeschmolzen. Als Drahtelektrode bzw. Energiequelle dient eine Wolframelektrode, die den Lichtbogen erzeugt. Da Wolfram einen sehr hohen Schmelzpunkt aufweist, schmilzt jedoch anders als bei MIG und MAG die Elektrode nicht selbst, sondern ein Schweißzusatz wird gesondert zugeführt. Ein – meist inertes – Schutzgas, beispielsweise Argon oder Helium, verhindert dabei den Einfluss von Sauerstoff und sorgt für hochwertige Schweißnähte.

WIG-Schweißen wird vor allem zur Verbindung dünner Aluminium- oder Edelstahlbleche verwendet und kommt in erster Linie in Luft- und Raumfahrt, Stahlbau und Rohrleitungsbau zum Einsatz, wenn besonders hohe Ansprüche an die Qualität und Beschaffenheit der Schweißnaht vorliegen.

Eine Sonderform des WIG-Schweißen ist das 3D Micro Welding (3DMW), das die Fertigungsmethode in miniaturisierten Maßstab einsetzt, beispielsweise in der Feinmechanik.

Warum Metall-3D-Drucker nur in Industrie und Forschung zu finden sind

Wichtig: Alle metall-basierten, additiven Fertigungsverfahren kommen derzeit fast auschließlich im industriellen Umfeld bzw. in Forschungseinrichtungen zum Einsatz. 3D-Drucker für private Verwendungen – vergleichbar den 3D-Druckern, die mit Kunststoffen als Werkstoff arbeiten und die Designer und Erfinder zur Visualisierung ihrer Ideen im eigenen Atelier oder Studio einsetzen können – gibt es für metallbasierende, generative Fertigungsverfahren kaum. Aus mehreren Gründen:

• Kosten: Metall-3D-Druck ist deutlich teurer als solcher mit Kunststoffen. Nicht nur Geräte und Werkstoffe sind teurer, auch dauern die Fertigungsprozesse länger und der Energiebedarf ist um ein Vielfaches höher.
• Patentrechte: Alle generativen Fertigungsverfahren gemeinsam ist, dass es vergleichsweise wenige Anbieter von Geräten und Werkstoffen gibt, je neuer und innovativer die Technik, desto weniger. Das liegt in erster Linie an den zahlreichen Patenten in diesem Bereich, die teilweise noch Jahrzehnte laufen und den Wettbewerb erschweren.
• Sicherheit: Metall-3D-Druckverfahren – unabhängig davon, ob sie mit Laser oder Schweißprozessen arbeiten – erfordern sehr hohe Temperaturen. Aluminium hat beispielsweise einen Schmelzpunkt von 660 Grad Celsius, Titan von 1668 Grad Celsius. Zum Vergleich: Polyactide (PLA), die zu den am häufigsten in 3D-Druck-Verfahren eingesetzten Kunststoffen zählen, schmelzen bei 150 bis 160 Grad Celsius. Zudem erfolgt der sachgemäße Umgang mit Laser wie auch mit Schweißgeräten umfangreiches Fachkenntnisse und große Umsicht, um hochwertige Ergebnisse zu erzielen und zugleich Verletzungen vorzubeugen.

Das bedeutet: Ein Gerät für den „Hausgebrauch“ müsste einfach zu bedienen sein und dabei extrem hohe Sicherheitsstandards erfüllen, damit auch unbedarfte Anwender nicht zu Schaden kommen – kaum durchführbar und aufgrund möglicher Schadenersatzklagen verletzter Anwender auch unternehmerisch sehr riskant.

• Fachkenntnisse: Insbesondere die schweißprozess-basierten Verfahren erfordern umfassende Expertise und Erfahrung im Schweißen, um hochwertige Schweißnähte gewährleisten.

Aus dem industriellen Umfeld und für professionelle Verwendungen sind additive Fertigungsverfahren für Metalle nicht mehr wegzudenken. Im Gegenteil: Brancheninsider rechnen mit einer wachsenden Verbreitung in den kommenden Jahren. Denn die Kosten- und Zeitvorteile gegenüber konventionellen Verfahren der Metallverarbeitung sind teils erheblich, manche Prototypenentwicklung und Kleinserienfertigung durch additive Herstellungsverfahren überhaupt erst wirtschaftlich sinnvoll umsetzbar geworden.

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