Kann man Metall 3D drucken?

Das man Metall 3D drucken kann ist für viele, die nicht im 3D-Druck tätig sind, unvorstellbar. Doch das funktioniert! In diesem Beitrag wird erklärt, was Metalldruck ist und näher auf die Funktionsweise eingegangen. Zudem werden die Vor- und Nachteile aufgezeigt und Vergleiche zu den konventionellen Verfahren gemacht.
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Wie funktioniert Metalldruck?

Tatsächlich gibt es im Metalldruck nicht nur eine Technologie. Grundsätzlich kann man von vier unterschiedlichen Technologien ausgehen, wobei es jeweils noch Unterkategorien und weniger etablierte Verfahren gibt. Die vier wichtigsten 3D-Drucktechnologien für Metall sind die folgenden:

SLM (Selective Laser Melting)
BJ (Binder Jetting)
DED (Direct Energy Deposition)
ADAM (Atomic Diffusion Additive Manufacturing)

Da diese Bezeichnungen nicht teils nicht sehr selbsterklärend und kompliziert sind, hier jeweils eine kurze Erklärung zu den einzelnen Verfahren.

Wie funktioniert SLM?
Weitere Bezeichnungen: Direktes Metall-Lasersintern (DMLS), Selektives Lasersintern (SLS), Direktmetalldruck (DMP), Laser-Pulverbettfusion (LPBF)
SLM oder auch DMLS ist ein Pulverbett basiertes Verfahren. Anstatt, wie bei der SLS Technologie mit Kunststoff, wird hierbei sehr feines Metallpulver eingesetzt. Dabei verschmilzt ein leistungsstarker Laser das Pulver Schicht für Schicht in der Geometrie des zu druckenden Bauteils. Nach jeder Schicht wird wieder eine dünne Pulverschicht auf die Bauplattform aufgetragen und verschmolzen. Dieses Verfahren ist auf dem Markt am besten etabliert und ermöglicht den Druck einer grossen Anzahl unterschiedlicher Metalle von Aluminium über Edelstahl bis in zu Titan oder Inconel.

Wie funktioniert Binder Jetting?
Auch dieses Verfahren setzt Metallpulver als Ausgangsmaterial ein. Allerdings wird das Pulver beim Druckprozess nicht direkt verschmolzen. Stattdessen wird es mit einem Binder verbunden. So wird das Pulver Schicht für Schicht in der Geometrie des Bauteils verklebt. Um schliesslich ein vollwertiges Metallbauteil zu erhalten, muss der gedruckte „Grünling“ anschliessend noch gesintert werden. Dabei wird das Bindermaterial entfernt und das Bauteil in einem Ofen bis knapp unter die Schmelzgrenze erhitzt. Der grosse Vorteil von diesem Verfahren ist die schnelle Durchlaufzeit. Die Druckgeschwindigkeit ist höher als bei allen anderen Metalldruckverfahren. Auch im Sinterofen kann je nach Grösse immer eine ganze Charge der Teile verarbeitet werden. Allerdings lohnt sich dieses Verfahren meist erst auch bei grösseren Stückzahlen

Wie funktioniert DED?
Weitere Bezeichnungen: Laserauftragschweissen (LMD), Pulverauftragschweissen
Sehr ähnlich wie das SLM Verfahren verwendet auch DED als Ausgangsstoff Metallpulver. Der grosse Unterschied zu den beiden zuvor genannten Technologien ist jedoch, dass nicht mit einem Pulverbett gearbeitet wird. Das Metallpulver wird aus einem Druckkopf ausgeblasen und direkt danach durch einen Laser verschmolzen. Somit hat das Verfahren auch Ähnlichkeiten zum FDM Verfahren mit Kunststoff. Die Verwendung des Druckkopfes bringt den zusätzlichen Vorteil, dass auch auf bestehende Bauteile gedruckt werden kann. So sind zum Beispiel Reparaturen an Turbinenblättern möglich, ohne diese direkt neu zu produzieren. Es existieren sogar Hybridverfahren, die das gelaserte Bauteil jeweils nach dem Druckvorgang spanend bearbeiten können.

Wie funktioniert ADAM?
Weitere Bezeichnungen: Bound Powder Deposition (BPD)
Als einziges der hier beschriebenen Verfahren verwendet die ADAM Technologie kein direktes Metallpulver als Ausgangsmaterial. Vielmehr werden Filamente (Metalldraht auf einer Spule) verdruckt. Das Filament ist eine Kombination von Metallpulver und einem Binder. Wie im FDM Verfahren wird dieses Material durch eine Düse extrudiert. Auch hier ist das Resultat, wie im Binder Jetting, erste in „Grünling“. Deshalb müssen die gedruckten Teile anschliessend ebenfalls vom Binder befreit und in einem Ofen gesintert werden. Der grosse Vorteile dieser Technologie ist das einfachere Handling bei der Produktion. Zudem sind die Teile meist günstiger als in den anderen Verfahren und können auch in kleineren Mengen produziert werden.

Welche Metalle können gedruckt werden?

Mittlerweile lassen sich im Metalldruck eine grosse Anzahl unterschiedlicher Metalle und Legierungen drucken. Folgend werden die gängigsten Metalle aufgezählt:

Aluminium (AlSi10MG): Eines der gängigsten Materialien, welchem im Metalldruck verarbeitet werden, ist die Aluminium-Legierung AlSi10Mg. Dieses Material wird vor allem für Bauteile eingesetzt, welche ein möglichst geringes Gewicht bei einer hohen Festigkeit aufweisen müssen. Zudem eignet sich das Material speziell auch für dünnwandige Bauteile.
Edelstahl (1.4404/316L): Beim 3D-Druck mit Metall können verschiedenste Edelstahllegierungen gedruckt werden. Der gängigste Edelstahl ist dabei die Legierung 1.4404 oder auch 316L. Diese Legierung besitzt nochmals eine höhere Korrosionsbeständigkeit als 1.4301 und zeichnet sich durch seine guten Verarbeitungseigenschaften aus.
Titan (TiAl6V4): Auch Titan-Legierungen werden in der Additiven Fertigung häufig verarbeitet. Es handelt sich um ein der am häufigsten verwendeten Titan-Legierungen und wird aufgrund seiner hohen Festigkeit und guten Korrosionsbeständigkeit eingesetzt. Tatsächlich sind gedruckte Bauteile aus Titan im Verhältnis nicht viel teurer als aus Edelstahl oder Aluminium. Dies ist ein Vorteil gegenüber der konventionellen Fertigung.
Inconel (IN718): Zu guter Letzt kann auch das Material Inconel 3D gedruckt werden. Die Wahl fällt auf dieses Material, wenn eine sehr hohe Wärmebeständigkeit (700°C), ausserordentliche Festigkeit oder eine hohe Korrosionsbeständigkeit gefordert sind. Auch hier ist der preisliche Unterschied zu den anderen Materialien nicht so hoch wie in der konventionellen Fertigung.

Wann macht 3D-Druck im Metall Sinn?

Das Thema Metalldruck hat einen regelrechten Hype durchlebt. Allerdings ist der Metalldruck nicht immer die beste Lösung und die Vor- und Nachteile der Technologie müssen genau überprüft werden. Für Bauteile, welche sich konventionell (Spanende Bearbeitung) relativ einfach herstellen lassen, ergibt der Druck im Metall wenig Sinn. In diesen Fällen ist der Metalldruck preislich meist nicht konkurrenzfähig. Für folgende Anforderungen oder Anwendungen ist es vorteilhaft, die Bauteile im Metall 3D zu drucken:

Formfreiheit: Wenn ein Bauteil aufgrund seiner Geometrie konventionell nicht oder nur sehr aufwändig gefertigt werden kann, ist der Metalldruck teils die einzige Lösung. Dank der additiven Fertigungsweise können Bauteile mit sehr komplexen und/oder organischen Strukturen hergestellt werden. Auch innenliegende Geometrien und Kanäle können teils nur additiv gefertigt werden.
Leichtbauweise: Vor allem für gewichtsoptimierte Bauteile kann die Additive Fertigung im Metall Vorteile bieten. Dabei spielt auch hier wieder die Formfreiheit eine grosse Rolle. So können topologieoptimierte Bauteile aufgrund der komplexen und/oder organischen Strukturen konventionell gar nicht hergestellt werden. Der Metalldruck ermöglicht zudem der Einsatz von Füllstrukturen. Anstatt ein Bauteil voll zu drucken, kann stattdessen eine innenliegende Gitterstruktur eingesetzt werden.
Fast Prototyping: Wenn es um Geschwindigkeit und geringe Stückzahlen geht, ist die Additive Fertigung meistens unschlagbar. Dies ist auch im 3D-Druck mit Metall so. Vor allem wenn es um die Entwicklung von Prototypen geht, bietet der Metalldruck teils grosse Vorteile gegenüber der konventionellen Fertigung. So können Prototypen in kürzester Zeit iteriert und weiterentwickelt werden.

Was muss im Metalldruck berücksichtig werden?

Auch wenn der Metalldruck häufig als einfach und kostengünstige Alternative zur konventionellen Fertigung dargestellt wird, müssen einige Dinge berücksichtigt werden. Wichtig ist dabei, dass grundsätzlich nicht direkt mit konventionell gefertigten Teilen verglichen wird. Auf folgende Punkte muss geachtet werden, wenn die der 3D-Druck in Metall erfolgreich umgesetzt werden soll:

Oberflächen: Die Oberfläche von 3D gedruckten Bauteilen ist an sich nicht vergleichbar mit gefrästen oder gedrehten Teilen. Da das Bauteil nicht spanend abgetragen, sondern aus einem Pulver gefertigt wird, ist die Oberfläche immer leicht rau. Soll also ein 3D gedrucktes Bauteil einen gewissen Rauheitswert aufweisen, muss es nachträglich konventionell bearbeitet werden.
Toleranzen: Dasselbe gilt für Toleranzen. Die Metalldrucktechnologien besitzen alle eine gewisse Fertigungstoleranz, welche grob bei +/- 0.2-0.3mm liegt. Dies ist auch stark von der Grösse des Bauteils abhängig. Wenn genaue Toleranzen oder Sitze/Passungen gefordert sind, müssen auch diese in mittels konventionellen Fertigungsmethoden umgesetzt werden.
Verzug: Ein grosses Thema im Metalldruck ist der Verzug. Da die Bauteile im Fertigungsprozess hohen Energien/Temperaturen ausgesetzt sind, kommt es immer zu einem gewissen Verzug. Bis zu einem gewissen Grad kann dies teilweise während dem Druck kompensiert werden. Allerdings kann es je nach Geometrie und Grösse des Bauteils zu mehr oder weniger Verzug kommen. Deshalb macht es häufig Sinn, dass gedruckte Bauteile anschliessend nochmals konventionell nachbearbeitet werden. Ein gutes Beispiel ist folgender 3D gedruckter Flansch. Da dieses Bauteil eine Dichtfläche aufweist, wurde diese Fläche nach dem Druck plangefräst. Zudem wurden entsprechende Gewinde geschnitten.