Additive Fertigungstechnologien im Vergleich
3D-Metalldruck
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Der Metall-3D-Druck wird immer beliebter. Dieser Leitfaden zeigt Ihnen, wie Sie das Meiste aus der additiven Fertigung mit Metall herausholen. Sie erhalten einen umfassenden überblick über die Metall-3D-Druck-Landschaft von heute und erfahren mehr über die einzigartigen Vorteile und Einschr?nkungen dieses Verfahrens sowie wann und wie Sie die drei beliebtesten Metall-3D-Druckverfahren nutzen: DMLS/SLM, Binder-Jetting und Materialextrusion. Falls Sie mithilfe des Metall-3D-Drucks gefertigte Teile ben?tigen, sehen Sie sich bitte die Metall-3D-Druckdienste von Protolabs an.
Part 1
3D Druck Metall: Die Grundlagen
Wie funktionieren 3D-Metalldrucker? Was sind ihre wichtigsten Vorteile und Einschr?nkungen? Wie wird der 3D-Metalldruck heute in der Industrie eingesetzt?
In diesem Abschnitt werden wir diese Fragen beantworten und mehr über die grundlegenden Mechanismen jedes 3D-Metalldruckprozesses erfahren. Durch den Vergleich mit der ?traditionellen“ Fertigung erhalten Sie ein tieferes Verst?ndnis für den aktuellen Stand des 3D-Metalldrucks und dessen gro?es Potenzial.
Wie funktionieren 3D-Metalldrucker?
?hnlich wie bei allen anderen 3D-Druckverfahren verarbeiten 3D-Metalldrucker Teile, indem sie auf der Grundlage eines digitalen 3D-Designs jeweils eine Materialschicht hinzufügen - daher der alternative Begriff ?Additive Fertigung“.
Auf diese Weise k?nnen Teile mit Geometrien hergestellt werden, die keine ?herk?mmliche“ subtraktiver (CNC-Bearbeitung) oder formgebenden (Metallguss-)Technologien erfordern, also ohne spezielle Werkzeuge (z. B. eine Form).
Ab hier variieren die spezifischen Schritte, die jeder 3D-Metalldrucker zur Herstellung eines Teils durchführt, je nach Technologie erheblich:
Pulverbettfusion
Ein Hochleistungslaser (beim DMLS/SLM) oder ein Elektronenstrahl (beim EBM) wird verwendet, um Metallpulverpartikel selektiv miteinander zu verschmelzen, wobei Schicht für Schicht das Metallteil gebildet wird.
Hersteller: EOS, 3D Systems, Renishaw, SLM Solutions, Concept Laser, Arcam
Binder Jetting
Metallpulverteilchen werden Schicht für Schicht mit einem Klebstoff zusammengebunden und bilden ein ?rohes“ Teil, das thermisch nachbearbeitet (gesintert) werden muss, um das Bindemittel zu entfernen und ein vollst?ndig metallisches Teil zu erhalten.
Hersteller: Desktop Metal, ExOne, Digital Metal, HP
Extrusion von Metallwerkstoffen
Ein aus Polymer bestehender, stark mit Metallpulver vermischter Faden oder Stab wird durch eine Düse extrudiert (wie beim FDM), um den Rohling zu formen, der dann nachbearbeitet (von Binder befreit und gesintert) wird, um ein Vollmetallteil zu erhalten.
Hersteller: Desktop Metal, Markforged
Additive Fertigung mit Ultraschall
Metallfolien werden durch Ultraschallschwei?en Schicht für Schicht verbunden und anschlie?end durch CNC-Bearbeitung in die gewünschte Form gebracht.
Hersteller: Fabrisonic
Weitere Prozesse
Im Laufe der Jahre wurden andere 3D-Metalldrucksysteme entwickelt, die auf etablierten Kunststoff-3D-Drucktechnologien (wie Materialauftrag per Düse oder SLA) basieren.
Der 3D-Druck wird mittlerweile auch zur Erstellung von Werkzeugen für die ?traditionelle“ Metallherstellung verwendet, z. B. Sandguss oder Feinguss.
Die heute am h?ufigsten verwendeten 3D-Metalldruckverfahren sind Direct Metal Laser Sintering (DMLS) / Selective Laser Melting (SLM), gefolgt von Binder Jetting und Metallextrusion.
Wenn Sie sich eingehender mit den grundlegenden Mechanismen, den besonderen Vorteilen und Einschr?nkungen sowie den Funktionen jeder dieser Technologien befassen m?chten, fahren Sie direkt mit dem n?chsten Teil dieses Handbuchs fort.
Im weiteren Verlauf dieses Abschnitts konzentrieren wir uns auf die allgemeinen Aspekte des 3D-Metalldrucks, die für alle Prozesse gelten. Wir werden auch untersuchen, wie sie sich mit ?traditionellen“ Herstellungsprozessen vergleichen lassen. Auf diese Weise erhalten Sie ein umfassenderes Verst?ndnis dafür, wie Sie diese einzigartige Fertigungstechnologie optimal nutzen k?nnen. Aber zuerst eine kurze Geschichtsstunde…
Eine kurze Geschichte des 3D-Metalldrucks
- Ende der 80er Jahre entwickelte Dr. Carl Deckard von der University of Texas den ersten Laser-Sinter-3D-Drucker für Kunststoff. Diese Erfindung ebnete den Weg für den 3D-Metalldruck.
- Das erste Patent zum Laserschmelzen von Metallen wurde 1995 vom Fraunhofer-Institut in Deutschland eingereicht. Firmen wie EOS und viele Universit?ten führen die Entwicklung dieses Prozesses an.
- 1991 stellte Dr. Ely Sachs vom MIT ein 3D-Druckverfahren vor, das heute besser unter dem Namen Binder Jetting bekannt ist. Der Binderauftrag für Metall wurde 1995 an ExOne lizenziert.
- Der 3D-Metalldruck verzeichnete in den 00er Jahren ein langsames, aber stetiges Wachstum. Dies ?nderte sich nach 2012, als die ursprünglichen Patente abliefen und gro?e Investitionen von Unternehmen wie GE oder [HP](https:// www8.hp.com/us/en/printers/3d-printers.htm) und DM get?tigt wurden.
- Heute sch?tzt der Wohler-Bericht, dass der 3D-Metalldruck ein 720-Millionen-Dollar-Markt ist und schnell w?chst. Alleine im Jahr 2017 stieg der Umsatz mit 3D-Metalldruckern um 80%.
Vorteile und Einschr?nkungen des 3D-Metalldrucks
Es ist wichtig zu verstehen, dass der 3D-Metalldruck ein leistungsstarkes Werkzeug ist, das viele einzigartige Vorteile bietet. Aufgrund seiner derzeitigen Beschr?nkungen ist er jedoch nicht immer die beste Wahl, wenn es um die Herstellung von Metallteilen geht.
Hier haben wir die wichtigsten Vor- und Nachteile des 3D-Metalldrucks zusammengefasst. Nutzen Sie sie, um zu verstehen, wo der 3D-Metalldruck heute steht und wohin er in naher Zukunft führen wird.
Vorteile des 3D-Metalldrucks
Der gr??te Vorteil des 3D-Metalldrucks im Vergleich zur ?traditionellen“ Fertigung liegt in seiner au?ergew?hnlichen Gestaltungsflexibilit?t. Da kein spezielles Werkzeug erforderlich ist (z. B. eine Form oder ein Schneidwerkzeug), k?nnen Geometrien, die mit anderen Verfahren nicht hergestellt werden k?nnen, problemlos in 3D gedruckt werden.
Noch wichtiger ist, dass die Erh?hung der geometrischen Komplexit?t eines Teils fast keine Auswirkungen auf die Herstellungskosten hat. Dies bedeutet, dass beim 3D-Metalldruck topologieoptimierte organische Strukturen verwendet werden k?nnen, um die Leistung der produzierten Teile erheblich zu verbessern.
Erfahren Sie, wie Sie Entwürfen für den 3D-Metalldruck erstellen →
Die gro?e Designflexibilit?t des 3D-Metalldrucks geht Hand in Hand mit der Schaffung von Leichtbaustrukturen. Die Befolgung der besten Entwurfspraktiken für den 3D-Metalldruck bietet immer eine leichtgewichtige L?sung.
Zu diesem Zweck werden in der Regel fortgeschrittene CAD-Techniken wie Topologieoptimierung und generatives Design verwendet.
Dies führt zu Teilen mit sowohl geringerem Gewicht (typischerweise um 25% bis 50%) als auch h?herer Steifheit. Dies ist der Schlüssel für High-End-Anwendungen in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt.
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Da die Werkzeugzug?nglichkeit beim 3D-Metalldruck kein Thema ist, k?nnen auch Teile mit Innenstrukturen hergestellt werden.
Beispielsweise sind interne Kan?le für die gleichm??ige Kühlung eine hervorragende M?glichkeit, die Leistung eines Teils zu steigern. Spritzgusskerne mit gleichm??iger Kühlung - hergestellt mit DMLS/SLM - k?nnen die Einspritzzyklen um bis zu 70% verkürzen.
Ein weiteres Beispiel für eine verbesserte Teilefunktionalit?t ist die Metallextrusion. Mit diesem Verfahren k?nnen bei Bedarf kundenspezifische Vorrichtungen und Einspannungen mit komplexen Geometrien erstellt werden, um die Effizienz der Abl?ufe anderer industrieller Prozesse in der Produktion zu steigern.
Eine weitere St?rke des 3D-Metalldrucks ist die M?glichkeit, eine Baugruppe zu einem einzigen Teil zusammenzuführen.
Dadurch sind keine Befestigungselemente mehr erforderlich, und es entstehen Teile, die mehrere Funktionen gleichzeitig erfüllen k?nnen. Au?erdem werden Arbeitskosten und Vorlaufzeiten minimiert und die Wartungs- und Serviceanforderungen verringert.
Als zus?tzlicher Vorteil ist die Reduzierung der Gesamtteilezahl eine weitere Methode zur Erstellung von Leichtbaustrukturen.
Selbst wenn ein Teil mit komplexer Geometrie mit ?traditionellen“ Methoden hergestellt werden kann, k?nnen dazu 20 oder mehr Produktionsschritte erforderlich sein.
In diesen F?llen sollte der 3D-Metalldruck als echte Fertigungsoption angesehen werden. Mit Binder Jetting kann beispielsweise die Gesamtanzahl der Bearbeitungsschritte auf fünf oder weniger reduziert werden (einschlie?lich Nachbearbeitung und Endbearbeitung). Auf diese Weise wird die Komplexit?t der Fertigungslieferkette erheblich reduziert.
Im Gegensatz zum 3D-Druck von Kunststoffen weisen mit DMLS/SLM oder Binder Jetting hergestellte Teile ein isotropes mechanisches Verhalten auf. Auch ihre Materialfestigkeit ist vergleichbar mit Schmiedemetall (und in einigen F?llen sogar besser). Aus diesem Grund finden mittlerweile 3D-gedruckte Metallteile in den anspruchsvollsten Branchen wie der Luft- und Raumfahrt ihre Anwendung.
Beachten Sie jedoch, dass 3D-Druckteile im Allgemeinen eine geringere Dauerfestigkeit aufweisen. Dies ist auf ihre Oberfl?chenrauheit und ihre innere Porosit?t zurückzuführen (typischerweise haben DMLS-/SLM-Teile eine Porosit?t von <0,2% und Binder Jetting-Teile von <2%).
Einschr?nkungen des 3D-Metalldrucks
Im Vergleich zu herk?mmlichen Herstellungsverfahren sind die Kosten für den 3D-Metalldruck heutzutage betr?chtlich. Durchschnittlich kostet ein typisches DMLS/SLM-Teil ca. 5.000 bis 10.000 US-Dollar für den 3D-Druck und die Oberfl?chenbearbeitung. Daher ist zu beachten, dass der Einsatz von 3D-Metalldruck nur dann wirtschaftlich sinnvoll ist, wenn er mit einer erheblichen Leistungsverbesserung verbunden ist.
Es besteht jedoch ein Bedarf an erschwinglichen 3D-Metalldruckl?sungen. Die neuen ?Benchtop“-Metallextrusionssysteme und Binderauftrag-Strahlsysteme für die Produktion k?nnten diese Lücke in naher Zukunft schlie?en.
Eine weitere Einschr?nkung des 3D-Metalldrucks besteht darin, dass er bei gr??eren Auflagen noch nicht mit der herk?mmlichen Fertigung mithalten kann.
Das Fehlen von Spezialwerkzeugen führt zu geringen Anlaufkosten, aber auch dazu, dass die gesamten Herstellungsstückkosten nicht wesentlich vom Produktionsvolumen beeinflusst werden. Mit anderen Worten, der Stückpreis bleibt bei h?heren Stückzahlen nahezu unver?ndert, und es k?nnen keine Skaleneffekte eingesetzt werden.
Die Branche arbeitet jedoch an 3D-Metalldrucksystemen, mit denen die Produktion rationalisiert werden kann. So kommen derzeit beispielsweise DMLS/SLM-Maschinen mit mehreren Lasern und Binderauftrag-Systemen auf den Markt, die eine kontinuierliche Produktion erm?glichen.
Das Entwerfen von Teilen für den 3D-Metalldruck folgt anderen Regeln als für die ?traditionelle“ Fertigung. Dies führt h?ufig dazu, dass bestehende Entwürfe neu gestaltet werden müssen.
Darüber hinaus sind die Tools ?lterer CAD-Software m?glicherweise nicht ausreichend, um die Vorteile des 3D-Metalldrucks voll auszusch?pfen. Um eine umfassende Einführung in die wichtigsten Konstruktionsaspekte, erweiterte CAD-Tools und Konstruktionsregeln für den 3D-Metalldruck zu erhalten, springen Sie zum letzten Abschnitt dieses Handbuchs.
Nahezu jedes 3D-gedruckte Metallteil muss nachbearbeitet werden, bevor es einsatzbereit ist. Dies erh?ht die Gesamtkosten und die Fertigungszeit.
Unabh?ngig von der gew?hlten Technologie sind für die Herstellung des endgültigen Teils fast immer Kombinationen aus W?rmebehandlung, Bearbeitung, Polieren und anderen Endbearbeitungsverfahren erforderlich. Weitere Informationen zu den erforderlichen Nachbearbeitungsschritten für jede Technologie finden Sie in sp?teren Abschnitten.
Anwendungen des 3D-Metalldrucks
Hier haben wir Beispiele für wichtige industrielle Anwendungen des -3D- Metalldrucks zusammengestellt. Sie veranschaulichen einige der Hauptvorteile und -einschr?nkungen der Technologie. Nutzen Sie die Beispiele, um einen Einblick zu bekommen, warum Ingenieure -3D- Metalldruck jeweils für ihre spezielle Anwendung gew?hlt haben.
Weltraum
Die Schaffung von Leichtbaustrukturen ist für die Raumfahrtindustrie von gr??ter Bedeutung. Die aktuellen Kosten für den Start eines Kilogramms Nutzlast in den Weltraum betragen ca. 10.000 bis 20.000 US-Dollar. Der 3D-Metalldruck topologieoptimierter Teile bietet hier also ein gro?es Potenzial.
Beispielsweise ist Optisys ein Anbieter von Mikroantennenprodukten. Optisys verwendete DMLS/SLM, um die Anzahl der diskreten Teile ihrer Tracking-Antennenfelder von 100 auf nur 1 zu reduzieren. Mit dieser Vereinfachung gelang es Optisys, die Vorlaufzeit von elf Monaten auf zwei Monate zu verkürzen und gleichzeitig eine Gewichtsreduzierung von 95% zu erzielen.
Gesundheitswesen
Die M?glichkeit, organische Strukturen zu erstellen, die auf die Anatomie jedes Einzelnen zugeschnitten sind, macht den 3D-Metalldruck zu einer sehr attraktiven L?sung für die Medizinbranche. Medizinische Implantate aus biokompatiblen Materialien (z. B. Titan) geh?ren heute zu den Hauptanwendungen des 3D-Metalldrucks.
Bereits im Jahr 2007 war Dr. Guido Grappiolo der erste Chirurg, der ein 3D-gedrucktes Hüftpfannenimplantat implantierte. Mit Hilfe von LimaCorporate und Arcam entwarf er den Delta-TT Cup, ein Titanimplantat mit einer Gitterstruktur, die die Rehabilitation der Patienten und das Knochenwachstum beschleunigt. Ein Jahrzehnt sp?ter wurden mehr als 100.000 dieser Hüftpfannen erfolgreich bei Patienten implantiert.
Automobilbranche
Der Einsatz des 3D-Metalldrucks als Fertigungsoption für Endteile in der Automobilindustrie nimmt rasant zu. Derzeit sind Hochleistung und Rennsport die Hauptanwendungen des 3D-Metalldrucks.
Das Team TU Delft Formula Student, eines der erfolgreichsten Teams in der Geschichte dieses Sports, fertigte mit DMLS die topologieoptimierte Halterung für sein Formelauto. Diese Halterung ist der Hauptverbindungspunkt zwischen dem Rad und dem Fahrgestell und h?lt Kr?ften von bis zu 400 kg stand. Die neu gestaltete Titanhalterung hat das halbe Gewicht und die doppelte Festigkeit eines aus Stahl gefertigten Teils.
Industriewerkzeuge
Der 3D-Metalldruck wird heute verwendet, um Industriewerkzeuge mit zus?tzlichen Funktionen zu erstellen. Diese fortschrittlichen Werkzeuge k?nnen die Produktivit?t anderer Prozesse erheblich steigern.
Beispielsweise k?nnen Metallformen mit internen gleichm??igen Kühlkan?len unter Verwendung des DMLS-/SLM-3D-Drucks hergestellt werden. Diese Kühlkan?le k?nnen in beliebiger Form und n?her am Teil gedruckt werden, als dies mit subtraktiven Methoden m?glich ist. Eine gedruckte Metallform kann ungef?hr 10.000 USD kosten, was im Vergleich zu den 4.000 USD, die eine CNC-bearbeitete Form kosten würde, betr?chtlich ist. Die erh?hten Kosten bringen aber erhebliche Leistungsverbesserungen mit sich. Die Anwender berichteten von Injektionszyklen, die um 60% bis 70% kürzer sind und fast keinen Ausschuss enthalten.
Produktenwicklung
Die Hauptanwendung der Metallextrusion ist heute die Herstellung von Metallprototypen. Im Vergleich zu anderen firmeninternen L?sungen kann die Zeitersparnis, welche die Metallextrusion bietet, die Markteinführungszeit neuer technischer Produkte erheblich verkürzen.
Lumenium ist ein Start-up, das innovative Verbrennungsmotoren entwickelt. Dort suchte man nach einem schnelleren und kostengünstigeren Ansatz für die Prototypenerstellung der eigenen Motorteile. Traditionell betrug der Entwicklungszyklus bei Lumenium ungef?hr 3,5 Jahre. Durch die Einbeziehung der Metallextrusion in den Workflow konnte man die Entwicklungsdauer um 25% auf 2 Jahre und 9 Monate verkürzen.
Materialien für den 3D-Metalldruck
Die Anzahl der für den 3D-Metalldruck verfügbaren Metallmaterialien nimmt rapide zu. Ingenieure k?nnen heute aus folgenden Legierungen ausw?hlen:
- Edelst?hle
- Werkzeugst?hle
- Titanlegierungen
- Aluminiumlegierungen
- Superlegierungen auf Nickelbasis
- Kobalt-Chrom-Legierungen
- Legierungen auf Kupferbasis
- Edelmetalle (Gold, Silber, Platin …)
- Exotische Metalle (Palladium, Tantal …)
Die Kosten für den 3D-Metalldruck
Die Kosten für einen 3D-Metalldrucker variieren stark zwischen den Technologien. Der Verkaufspreis eines DMLS-/SLM-Druckers liegt im Durchschnitt bei 550.000 USD und kann 2 Millionen USD erreichen. Metallbinder-Strahlsysteme kosten ungef?hr 400.000 US-Dollar. Ein Metall-Extrusionsdrucker kostet Sie einschlie?lich der Nachbearbeitungseinheiten etwa 140.000 US-Dollar.
Die Herstellungskosten eines typischen DMLS-/SLM-Teils betragen ca. 5.000 bis 10.000 USD (einschlie?lich Endbearbeitung). Bei Binderauftrag mit Düse und Metallextrusion k?nnen die Kosten pro Teil bis zu 5-10 mal niedriger sein als bei DMLS-/SLM-Teilen. Zum jetzigen Zeitpunkt ist es jedoch noch zu früh, die vollen Betriebskosten dieser Systeme zu ermitteln.
Die folgende Tabelle enth?lt eine Aufschlüsselung der durchschnittlichen Kosten der verschiedenen Herstellungsschritte für DMLS/SLM. Beachten Sie, dass die Materialkosten sowie die Kosten für die Nachbearbeitung erheblich zu den Gesamtkosten beitragen.
| Produktionsschritt | Bedienung | Kosten |
|---|---|---|
| Herstellung | Materialkosten | 200 USD - 500 USD pro Kilogramm |
| DMLS-/SLM-Kosten | $ 2.000 - $ 4.000 pro Rohling ? | |
| Nachbearbeitung | Spannungsabbau | $ 500 - $ 600 pro Rohling ? |
| Entfernung des Teils/der Stützen | $ 100 - $ 200 pro Teil | |
| W?rmebehandlung / HIP | $ 500 - $ 2.000 pro Rohling ? | |
| CNC-Bearbeitung | $ 500 - $ 2.000 pro Teil | |
| Oberfl?chenbehandlungen | $ 200 - $ 500 pro Teil |
? In der Regel passen sechs bis zw?lf Teile auf dieselbe Rohlingplatte.
Die Geschwindigkeit des 3D-Metalldrucks
Unabh?ngig vom Prozess ben?tigt ein 3D-Metalldruckteil mindestens 48 Stunden und durchschnittlich 5 Tage , um hergestellt und fertigbearbeitet zu werden.
Etwa 50% der gesamten Produktionszeit entfallen auf den Druck. Dies h?ngt natürlich vom Teilevolumen und dem Bedarf an Stützstrukturen ab. Als Referenz variiert die aktuelle Produktionsgeschwindigkeit moderner 3D-Metalldrucksysteme zwischen 10 und 40 cm3/h.
Die verbleibende Produktionszeit h?ngt mit den Nachbearbeitungs- und Veredelungsanforderungen zusammen. W?rmebehandlungen tragen erheblich zur Gesamtproduktionszeit bei: Ein typischer W?rmezyklus dauert 10 bis 12 Stunden. Mechanische Oberfl?chennachbehandlungen k?nnen auch ein zeitaufw?ndiger Schritt sein, da sie von einem Experten (5-Achsen-CNC-Bearbeitung) oder von Hand (Handpolieren) durchgeführt werden müssen.
3D-Metalldruck vs. traditionelle Fertigung
Beginnen Sie immer mit einer Kosten-Leistungs-Analyse , wenn Sie zwischen einem 3D-Metalldruck und einer subtraktiven (CNC-Bearbeitung) oder formgebenden (Metallguss-)Technologie w?hlen.
Generell h?ngen die Herstellungskosten haupts?chlich vom Produktionsvolumen ab, w?hrend die Leistung eines Teils stark von seiner Geometrie abh?ngt.
Die St?rke des 3D-Metalldrucks liegt in der F?higkeit, Teile mit komplexen und optimierten Geometrien zu erstellen. Dies macht ihn ideal für die Herstellung von Hochleistungsteilen. Andererseits skaliert er nicht so gut wie CNC-Bearbeitung oder Metallguss bei h?heren Stückzahlen.
Als Faustregel gilt:
Die hohen Kosten des 3D-Metalldrucks sind nur dann finanziell zu rechtfertigen, wenn sie mit einer signifikanten Steigerung der Leistung oder der betrieblichen Effizienz verbunden sind.
Selbstverst?ndlich erfüllt jedes 3D-Metalldruckverfahren unterschiedliche industrielle Anforderungen. Verwenden Sie die folgenden Tipps als allgemeine Richtlinien, um zu verstehen, welcher Prozess für Sie am besten geeignet ist:
- DMLS/SLM ist die beste L?sung für Teile mit hoher geometrischer Komplexit?t (organische, topologieoptimierte Strukturen), die hervorragende Materialeigenschaften erfordern, um die Effizienz der anspruchsvollsten Anwendungen zu steigern.
- Binder Jetting ist die beste L?sung für die Produktion in kleinen bis mittleren Serien, welche die hohe wirtschaftliche Investition eines Formgebungsverfahrens nicht rechtfertigen, sowie für Teile mit Geometrien, die mit einem subtraktiven Verfahren nicht effizient hergestellt werden k?nnen.
- Metallextrusion ist die beste L?sung für Metallprototypen und Einzelteile mit Geometrien, die ansonsten für die Fertigung eine [5-Achsen-CNC-Maschine] (http://www.slotmm.online/de/leitfaden/zerspanung/#5-axis-cnc-machining) erfordern würden.
Die folgende Tabelle ist eine Matrix aus : Volumen vs. Teilekomplexit?t , welche die Bereiche zeigt, in denen jeder Herstellungsprozess (additiv, subtraktiv oder formgebend) seine beste Leistung erbringt. Verwenden Sie diese als Referenz:
| Menge | Geringe Komplexit?t | Titel | Titel |
|---|---|---|---|
| < 10 Teile | CNC-Bearbeitung | Metallextrusion CNC-Bearbeitung |
DMLS/SLM |
| < 100 Teile | CNC-Bearbeitung | Binder Jetting CNC-Bearbeitung |
Binder Jetting DMLS/SLM |
| < 1000 Teile | CNC-Bearbeitung Metallguss |
Binder Jetting CNC-Bearbeitung |
Binder Jetting |
| > 1000 Teile | Blech Metallguss |
Metallguss | - |
Part 2
DMLS und SLM
Direktes Metall-Lasersintern (DMLS) und selektives Laserschmelzen (SLM) sind die heute am h?ufigsten verwendeten 3D-Metalldruckverfahren. Sie eignen sich besonders für High-End-Anwendungen, da sie gro?e Gestaltungsfreiheit und fortschrittliche Materialeigenschaften bieten.
In diesem Abschnitt werden wir uns eingehender mit dem Herstellungsprozess, den technischen Eigenschaften sowie den Vorteilen und Einschr?nkungen dieser beiden sehr ?hnlichen Prozesse befassen.
Was ist DMLS-/SLM-3D-Druck?
DMLS (Direct Metal Laser Sintering, direktes Metall-Lasersintern) oder SLM (Selective Laser Melting, selektives Metallschmelzen) sind zwei Pulverbettschmelz-3D-Metalldrucktechnologien. Der praktische Unterschied zwischen SLM und DMLS ist sehr gering. Für Designzwecke k?nnen die beiden Technologien als gleich behandelt werden.
Beide verwenden einen Hochleistungslaser, um Metallpulverteilchen Schicht für Schicht zu einem Teil zusammenzufügen. SLM erreicht eine vollst?ndige Schmelze, w?hrend DMLS die Metallpartikel aufgrund der sehr hohen Temperaturen nur auf molekularer Ebene miteinander verschmelzen l?sst. Die meisten Metalllegierungen sind mit dem DMLS-Verfahren kompatibel, w?hrend in SLM nur bestimmte (reine) Metallmaterialien verwendet werden k?nnen.
Wie funktioniert DMLS/SLM?
Hier sind die grundlegenden Schritte des DMLS-/SLM-3D-Druckprozesses erkl?rt:
- Die Rohlingkammer wird zuerst mit Inertgas gefüllt und dann auf die optimale Drucktemperatur vorgeheizt.
- Eine dünne Schicht Metallpulver (typisch 50 μm) wird auf der Rohlingplattform verteilt.
- Der Laser f?hrt den Querschnitt des Teils ab und bindet die Metallpartikel selektiv.
- Wenn der gesamte Bereich bestrahlt wurde, bewegt sich die Rohlingplattform um eine Schicht nach unten und der Vorgang wird wiederholt, bis der gesamte Rohling fertiggestellt ist.
- Nach dem Drucken muss der Rohling erst abkühlen und dann wird das lose Pulver abgesaugt.
Der 3D-Druckschritt ist erst der Anfang des DMLS-/SLM-Herstellungsprozesses. Nach Abschluss des Druckvorgangs sind mehrere (obligatorische oder optionale) Nachbearbeitungsschritte erforderlich, bevor die Teile einsatzbereit sind. Die obligatorischen Nachbearbeitungsschritte umfassen:
- Entspannung: Durch die sehr hohen Verarbeitungstemperaturen beim Drucken entstehen innere Spannungen. Diese müssen vor jeder anderen Operation durch einen W?rmezyklus freigesetzt werden.
- Entfernung der Teile: Beim DMLS/SLM werden die Teile im Wesentlichen auf die Rohlingplattform geschwei?t. Hier wird eine Bands?ge oder ein EDM-Drahtschneider verwendet.
- Entfernung der Stützelemente: Beim DMLS/SLM ist immer eine Abstützung erforderlich, um die beim Drucken auftretenden Verwerfungen und Verzerrungen zu verringern. Die Stützelemente werden manuell entfernt oder per CNC-bearbeitet.
Um die technischen Spezifikationen zu erfüllen, sind h?ufig zus?tzliche Nachbearbeitungsschritte erforderlich. Diese k?nnen Folgendes umfassen:
- CNC-Bearbeitung: Wenn engere Toleranzen als der Standard ± 0,1 mm erforderlich sind, wird die Bearbeitung als Endbearbeitungsschritt verwendet. Auf diese Weise wird nur minimal wenig Material entfernt.
- W?rmebehandlungen: Um die Materialeigenschaften des Teils zu verbessern, k?nnen W?rmebehandlungen oder hei?es isostatisches Pressen (HIP) verwendet werden.
- Gl?tten / Polieren: Bestimmte Anwendungen erfordern eine glattere Oberfl?che als die Standardoberfl?chenrauheit von-RA 10 μm von DMLS/SLM im gedruckten Zustand. CNC-Bearbeitung und manuelles, Vibro- oder chemisches Polieren sind die verfügbaren L?sungen.
Metallpulver für den 3D-Druck
Der beim DMSL/SLM und vielen anderen 3D-Druckverfahren verwendete Rohstoff liegt in Pulverform vor.
Die Eigenschaften der Metallpulver sind für die Endergebnisse sehr wichtig. Um einen guten Fluss und eine dichte Packung zu gew?hrleisten, müssen Metallpartikel eine Kugelform und eine Gr??e zwischen 15 und 45 Mikrometern aufweisen. Um diese hohen Anforderungen zu erfüllen, werden üblicherweise Methoden wie Gas- oder Plasma-Zerst?ubung verwendet.
Die hohen Kosten für die Herstellung dieser Metallpulver tragen wesentlich zu den Gesamtkosten des 3D-Metalldrucks bei.
Vorteile und Einschr?nkungen von DMLS/SLM
Die Hauptst?rke von DMLS/SLM ist die F?higkeit, hochoptimierte organische Strukturen aus Hochleistungsmetalllegierungen zu erzeugen.
Mit DMLS/SLM hergestellte Teile k?nnen eine komplexe organische Form haben, die auf geringes Gewicht und gleichzeitig maximale Steifigkeit optimiert ist. Oder sie k?nnen interne Geometrien haben, die mit keiner anderen Methode hergestellt werden k?nnen.
Die Materialeigenschaften von DMLS-/SLM-Teilen sind hervorragend. Teile fast ohne innere Porosit?t k?nnen aus einer Vielzahl von Metalllegierungen hergestellt werden, von Aluminium und Stahl bis hin zu hochfesten Superlegierungen.
In einem früheren Abschnitt haben wir jedoch festgestellt, dass die mit DMLS/SLM verbundenen Kosten hoch sind. Aus diesem Grund ist es nur wirtschaftlich sinnvoll, diese Verfahren für optimierte Teile in hochwertigen technischen Anwendungen einzusetzen.
Aus technischer Sicht besteht die Haupteinschr?nkung von DMLS und SLM darin, dass sie umfangreiche Abstützelemente ben?tigen. Diese werden ben?tigt, um Verwerfungen zu vermeiden und das Teil auf der Rohlingplattform zu verankern. Frisch vom Drucker ist die Oberfl?chenrauheit der hergestellten Teile für die meisten technischen Anwendungen relativ hoch, so dass eine Nachbearbeitung erforderlich ist.
Technische Eigenschaften von SLM und DMLS
In der folgenden Tabelle sind die grundlegenden technischen Funktionen eines typischen DMLS-/SLM-3D-Metalldruckers zusammengefasst. Weitere Gestaltungsrichtlinien finden Sie unter Designregeln.
| Eigentum | DMLS / SLM |
|---|---|
| Materialauswahl | Derzeit gro?e Auswahl an Materialien verfügbar Aluminiumlegierungen, Titan, Edelstahl, Werkzeugstahl, Kobalt-Chrom-Legierungen, Nickelsuperlegierungen, Edelmetalle usw. |
| Ma?haltigkeit | ± 0,1 mm |
| Typische Rohlinggr??e | 250 x 150 x 150 mm (bis zu 500 x 280 x 360 mm) |
| Gemeinsame Schichtdicke | 20 - 50 μm |
| Typische Oberfl?chenrauheit | RA 8 - 10 μm |
| Abstützung | Immer erforderlich |
| Innere Porosit?t | Weniger als 0,2 - 0,5% |
| Kosten pro Teil | $$$$$ |
Part 3
Metall Binder Jetting
Der Düsenauftrag von Metallbindemitteln wird immer beliebter. Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften eignet sich das Verfahren besonders für kleine bis mittlere Auflagen.
In diesem Abschnitt befassen wir uns eingehender mit den Schritten des Binder Jettings und den grundlegenden Eigenschaften der hergestellten Metallteile.
Was ist Metall Binder Jetting?
Binder Jetting baut Teile auf, indem ein Bindemittel durch Tintenstrahldüsen auf eine dünne Pulverschicht aufgetragen wird. Dieses Verfahren wurde ursprünglich verwendet, um vollfarbige Prototypen und Modelle aus Sandstein herzustellen. Eine Variante des Verfahrens erfreut sich aufgrund seiner M?glichkeiten zur Chargenproduktion derzeit wachsender Beliebtheit.
Der Druckschritt beim Metall Binder Jetting erfolgt bei Raumtemperatur. Dies bedeutet, dass thermische Effekte (wie Verwerfungen und innere Spannungen) wie bei DMLS/SLM kein Problem darstellen und keine Abstützung erforderlich ist. Ein zus?tzlicher Nachbearbeitungsschritt ist erforderlich, um ein Vollmetallteil zu erstellen.
Wie funktioniert Metall Binder Jetting?
Metall Binder Jetting ist ein zweistufiger Prozess. Er beinhaltet einen Druckschritt und einen wesentlichen Nachbearbeitungsschritt. Und so funktioniert der Druckprozess:
- Eine dünne Schicht Metallpulver (typisch 50 μm) wird auf der Rohlingplattform verteilt.
- Ein Wagen mit Tintenstrahldüsen f?hrt über das Bett und scheidet selektiv Tr?pfchen eines Bindemittels (Polymer und Wachs) ab, die die Metallpulverteilchen verbinden.
- Wenn eine Schicht fertig ist, f?hrt die Rohlingplattform herunter und der Vorgang wird wiederholt, bis das gesamte Werkstück fertiggestellt ist.
Das Ergebnis des Druckvorgangs ist ein Teil im sogenannten ?rohen“ Zustand. Es ist ein Nachbearbeitungsschritt erforderlich, um das Bindemittel zu entfernen und vollst?ndig metallische Teile herzustellen.
Für diesen Nachbearbeitungsschritt gibt es zwei Varianten:
- Durchdringung: Vom Rohling wird zuerst das Bindemittel abgewaschen, um ein ?braunes“ Teil mit starker innerer Porosit?t (~ 70%) zu erzeugen. Das ?braune“ Teil wird dann in einem Industrieofen in Gegenwart eines Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt (typischerweise Bronze) erhitzt. Die inneren Hohlr?ume werden aufgefüllt, was zu einem ?Bimetallteil“ führt.
- Sintern: Der Rohling wird in einen Industrieofen gegeben. Dort wird zun?chst das Bindemittel abgebrannt und anschlie?end die restlichen Metallpartikel miteinander versintert. Das Ergebnis ist ein Vollmetallteil mit Abmessungen, die etwa 20% kleiner sind als das ursprüngliche ?rohe“ Teil. Um diese Schrumpfung auszugleichen, werden die Teile gr??er gedruckt.
Heutzutage wird in den meisten Anwendungen das Sintern eingesetzt, da durch die Durchdringung Teile mit schlechteren Materialeigenschaften und einem nicht gut dokumentierten mechanischen und thermischen Verhalten entstehen.
Binder Jetting und Metallspritzguss (MIM)
Binderauftragteile haben nach dem Sintern sehr ?hnliche Eigenschaften wie Teile, die mit MIM hergestellt wurden. MIM ist ein Herstellungsverfahren, mit dem fast jedes kleine Metallteil, das heutzutage in der Unterhaltungselektronik oder im Auto vorkommt, in Serie hergestellt wird.
MIM ist eine Variante des Kunststoffspritzgussverfahrens. In ein Kunststoffbindemittel eingemischtes Metallpulver wird in eine Form eingespritzt, um den Rohling zu erhalten, der dann gesintert wird, um zu Metall zu werden.
Metallbinder-Auftrag baut also auf dem Know-how des MIM-Prozesses auf.
Vorteile und Einschr?nkungen des Metall Binder Jettings
Binder Jetting ist heute die einzige 3D-Metalldrucktechnologie, die kostengünstig für die Produktion von Metallteilen in kleinen bis mittleren Stückzahlen eingesetzt werden kann.
Da zum Drucken keine Stützstrukturen ben?tigt werden, k?nnen Binder Jetting-Systeme ihr gesamtes Bauvolumen nutzen. Dies erm?glicht es, selbst bei kleinen bis mittleren Stückzahlen kostengünstig mit der herk?mmlichen Fertigung zu konkurrieren.
Darüber hinaus weisen Teile, die per Binder Jetting hergestellt werden, eine glattere Oberfl?che und sch?rfere Kanten als DMLS/SLM-Teile auf, sodass zus?tzliche Endbearbeitungsvorg?nge m?glicherweise entfallen k?nnen. Im Vergleich zu DMLS/SLM sind auch die Kosten für das Rohmetallpulver niedriger, was eine gro?e Rolle für den Stückpreis spielt.
Andererseits haben mit Binder Jetting hergestellte Teile immer eine innere Porosit?t von etwa 0,2 bis 2%. Beachten Sie, dass innere Hohlr?ume die in den technischen Datenbl?ttern angegebene Zugfestigkeit m?glicherweise nicht beeintr?chtigen, jedoch die Ermüdungsfestigkeit eines Teils erheblich verringern k?nnen.
Denken Sie daran, dass der Sinterschritt mit einer erheblichen Schrumpfung der Teile verbunden ist. Diese Schrumpfung ist inhomogen und schwer mit hoher Pr?zision vorherzusagen. In der Praxis werden mehrere Probedrucke ben?tigt, um eine CAD-Datei zu erhalten, die das Teil mit den gewünschten Endabmessungen erzeugt. Die Wiederholbarkeit des Prozesses ist jedoch hervorragend. Dies bedeutet, dass nach erfolgreicher Kalibrierung gr??ere Mengen dieses Teils hergestellt werden k?nnen.
Technische Eigenschaften des Metall Binder Jettings
In der folgenden Tabelle sind die grundlegenden technischen Funktionen eines typischen 3D-Druckers mit Metall Binder Jetting zusammengefasst. Weitere Gestaltungsrichtlinien finden Sie unter Gestaltungsregeln.
| Eigenschaft | Metall Binder Jetting |
|---|---|
| Materialauswahl | Derzeit begrenzt Edelstahl, Werkzeugstahl, Hartmetall |
| Ma?haltigkeit | ± 0,2 mm (± 0,1 nach Versuchen) |
| Typische Werkstückgr??e | 400 x 250 x 250 mm (-20% effektive Werkstückgr??e nach dem Sintern) |
| übliche Schichtdicke | 35 - 50 μm |
| Typische Oberfl?chenrauheit | RA 6 μm |
| Abstützung | Nicht zum Drucken erforderlich |
| Innere Porosit?t | Zwischen 0,2 und 2,0% |
| Kosten pro Teil | $$$ |
Part 4
Metallextrusion
Metallextrusion ist ein alternatives, kostengünstiges 3D-Metalldruckverfahren, das sich haupts?chlich für Prototyping-Zwecke oder für einmalige kundenspezifische Teile eignet.
In diesem Abschnitt werden die Merkmale und Hauptvorteile und -einschr?nkungen dieses additiven Verfahrens eingehend untersucht, damit Sie besser verstehen, wie es am effektivsten eingesetzt wird.
Was ist 3D-Druck per Metallextrusion?
Metallextrusion ist eine Variante des klassischen FDM-Verfahrens für Kunststoffe. Die ersten 3D-Drucker für die Metallextrusion wurden 2018 auf den Markt gebracht. Die Technologie ist auch unter den Namen Bound Metal Deposition (BMD) oder Atomic Diffusion Additive Manufacturing (ADAM) bekannt.
Wie bei FDM wird ein Teil Schicht für Schicht aufgebaut, indem Material durch eine Düse extrudiert wird. Im Gegensatz zu FDM ist das Material kein Kunststoff, sondern ein Metallpulver, das mit einem Polymerbindemittel zusammengehalten wird. Das Ergebnis des Druckschritts ist ein ?rohes“ Teil, das vom Binder befreit und gesintert werden muss, um vollst?ndig aus Metall zu werden.
Wie funktioniert die Metallextrusion?
Die Metallextrusion ist ein dreistufiger Prozess. Sie umfasst einen Druckschritt, einen Binderentfernungsschritt und einen Sinterschritt. So funktioniert der Druckschritt:
- Das Rohmaterial liegt in Form eines Filaments oder einer Stange vor, die typischerweise aus Metallpartikeln besteht, die durch Polymer und/oder Wachs miteinander verbunden sind.
- Dieser Stab oder Faden wird durch eine beheizte Düse extrudiert und schichtweise aufgetragen, wobei ein Teil auf der Grundlage des CAD-Modells aufgebaut wird.
- Gleichzeitig werden bei Bedarf Stützstrukturen aufgebaut. Die Schnittstelle zwischen dem Tr?ger und dem Teil ist mit einem keramischen Tr?germaterial bedruckt, das sp?ter leicht manuell entfernt werden kann.
Wenn der Druck abgeschlossen ist, muss das resultierende ?rohe“ Teil nachbearbeitet werden, um mit ?hnlichen Schritten wie beim Binder Jetting zu Metall zu werden. Der Rohling wird zuerst mehrere Stunden in einer L?sung gewaschen, um den gr??ten Teil des Bindemittels zu entfernen. Anschlie?end wird er in einem Ofen gesintert, um die Metallpartikel miteinander zu verbinden und ein Vollmetallteil zu bilden.
Beim Sintern reduzieren sich die Teileabmessungen um ca. 20%. Um dies auszugleichen, werden die Teile entsprechend gr??er gedruckt. Wie beim Binderauftrag ist diese Schrumpfung nicht homogen. Dies bedeutet, dass einige Versuche und Irrtümer erforderlich sind, um genaue Ergebnisse für ein bestimmtes Design zu erzielen.
Metallextrusion FDM aus Kunststoffen
Die Art und Weise, wie die Drucker für Metallextrusion und Plastik-FDM funktionieren, ist sehr ?hnlich. Beispielsweise drucken beide Prozesse Teile hohl, wobei ein Zellenumriss und eine Füllung verwendet werden.
Neben dem Material gibt es zwei weitere wichtige praktische Unterschiede zwischen Metallextrusion und FDM, die Sie berücksichtigen sollten. Beide sind mit der Mechanik des Binderentfernungs- und Sinterprozesses verbunden.
- Wandst?rke: Bei der Metallextrusion sollten Teile immer eine gleichbleibende Wandst?rke haben (vorzugsweise kleiner als 10 mm). Ist dies nicht der Fall, kann sich die Zeit zur vollst?ndigen Binderentfernung und zum Sintern der Teile um mehrere Stunden erh?hen.
- Abstützungsstrukturen: Wie bei FDM sind bei der Metallextrusion Stützelemente w?hrend des Drucks h?ufig erforderlich. Bei der Metallextrusion ist jedoch auch eine Abstützung beim Sinterschritt erforderlich. Bei diesen sehr hohen Temperaturen wird das Metallmaterial weich und biegsam und kann unter seinem eigenen Gewicht zusammenbrechen.
Vorteile und Einschr?nkungen der Metallextrusion
Die Metallextrusion eignet sich hervorragend für funktionale Prototypen und kleine Produktionsserien von Metallteilen, für deren Herstellung ansonsten eine 5-Achsen-CNC-Bearbeitung erforderlich w?re.
Mit einem Bruchteil der Kosten von DMLS/SLM oder Binder Jetting sind Metallextrusionsdrucker das wirtschaftlichste Metalldrucksystem, das es bisher gibt. Auf diese Weise kann ein breiteres Publikum von den Hauptvorteilen des 3D-Metalldrucks (optimierte Strukturen, Bauteilezusammenführung, interne Kan?le) profitieren, insbesondere für den Prototypenbau und Kleinserien. Darüber hinaus sind diese Systeme aufgrund ihrer Benutzerfreundlichkeit und ihrer geringen Anforderungen an Gesundheit und Sicherheit für die Eigenfertigung von kundenspezifischen Teilen oder Werkzeugen zur Unterstützung anderer Vorg?nge geeignet.
Im Vergleich zu anderen Fertigungstechnologien (wie CNC-Bearbeitung und Blechbearbeitung) sind die Kosten für die Metallextrusion jedoch immer noch betr?chtlich. Bei einfachen Geometrien ist es wirtschaftlicher (und in der Regel schneller), ein traditionelles Herstellungsverfahren zu w?hlen, selbst wenn die Produktion ausgelagert wird. Der gr??te Beitrag zu diesen endgültigen Kosten ist die Zeit, die erforderlich ist, um die gedruckten ?rohen“ Teile von Binder zu befreien und zu sintern. Dies dauert im Durchschnitt 24 bis 72 Stunden.
Aus technischer Sicht sind die mit diesen Systemen hergestellten Teile nicht für anspruchsvolle Anwendungen geeignet, da sie aufgrund ihrer inneren Porosit?t (ca. 2-4%) schlechtere mechanische Eigenschaften aufweisen als Schmiedemetall (~ 33% geringere Festigkeit).
Technische Eigenschaften der Metallextrusion
In der folgenden Tabelle sind die grundlegenden technischen Funktionen eines typischen 3D-Druckers für Metallextrusion zusammengefasst. Weitere Gestaltungsrichtlinien finden Sie in den Konstruktionsregeln.
| Eigenschaft | Metallextrusion |
|---|---|
| Materialauswahl | Derzeit sehr begrenzt Edelstahl |
| Ma?haltigkeit | ± 0,5 mm mit einer Untergrenze von ± 0,5 mm |
| Typische Werkstückgr??e | 300 x 200 x 200 mm (-20% effektive Werkstückgr??e nach dem Sintern) |
| übliche Schichtdicke | 50 - 200 μm |
| Abstützung | Erforderlich zum Drucken und Sintern |
| Innere Porosit?t | Zwischen 2,0 und 4,0% |
| Kosten pro Teil | $$$ |
Part 5
Design für den 3D-Metalldruck
Das Entwerfen für den 3D-Metalldruck erfordert eine neue Denkweise und verfügt über einzigartige Designregeln und eigene gute Praktiken.
In diesem Abschnitt stellen wir Ihnen die grundlegenden Prinzipien und Tools vor, mit denen Sie Ihre Entwürfe optimal nutzen k?nnen, z. B. die Topologieoptimierung.
Zu berücksichtigende Designaspekte
Das Design für einen additiven Prozess folgt anderen Regeln als das Design für die ?traditionelle“ Fertigung. Die einzigartige Gestaltungsfreiheit sowie die einzigartigen Beschr?nkungen erfordern ein Umdenken des Designers.
Hier ist eine Liste der wichtigsten Ideen, die Sie beim Design für den 3D-Metalldruck berücksichtigen sollten:
Wichtige Design-überlegungen
Aufgrund der hohen Kosten ist es selten wirtschaftlich m?glich, Teile mit 3D-Metalldruck herzustellen, die für ein traditionelles Verfahren entwickelt wurden.
Tats?chlich ist es technisch oft unm?glich, diese Geometrien zu reproduzieren. Beispielsweise neigen Querschnitte mit einer Dicke von mehr als 10 mm dazu, sich zu verziehen oder zu anderen Herstellungsfehlern und sollten vermieden werden.
Designkomplexit?t wird oft als sch?dlich betrachtet, weil sie mit erh?hten Kosten verbunden sei. Beim 3D-Metalldruck ist dies nicht der Fall. Im Gegenteil, um die Vorteile des 3D-Metalldrucks voll auszusch?pfen, ist es entscheidend, einen Weg zu finden, den Mehrwert zu maximieren, den geometrische Komplexit?t für ein System mit sich bringt.
Wenn Sie ein Teil oder eine Baugruppe für den 3D-Metalldruck neu entwerfen, ist es normalerweise sinnvoll, mit einer ganz leeren Arbeitsfl?che zu beginnen. Auf diese Weise k?nnen Sie vermeiden, durch vorgefasste Designs eingeschr?nkt zu werden.
Entscheidend ist dabei die eindeutige Definition der Designanforderungen (Lasten, Randbedingungen, Teilegewicht etc.). Wir werden im n?chsten Abschnitt sehen, dass moderne CAD-Software diese als Eingabe verwendet, um optimierte Strukturen mit organischen Formen zu erstellen.
Es ist eine gute Praxis, eine klare Vorstellung davon zu haben, wie das Teil in der Maschine ausgerichtet sein wird. Die Druckausrichtung ist wichtig, da sie die Position und den Bedarf von Stützstrukturen festlegt.
Das Ziel des Konstrukteurs sollte es sein, Teile mit selbsttragenden Merkmalen zu erstellen, um den Bedarf an Abstützung zu minimieren und den Erfolg des Aufbauens sicherzustellen.
Unabh?ngig vom Prozess ist im 3D-Metalldruck immer eine Nachbearbeitung erforderlich. Dies kann obligatorisch sein (wie das Entfernen von Abstützelementen beim DMLS/SLM oder das Sintern beim Binder Jetting und der Metallextrusion) oder optional (wie ein CNC-Bearbeitungsschritt, um engere Toleranzen zu erzielen, oder eine W?rmebehandlung, um die Materialeigenschaften zu verbessern).
Daher ist es wichtig, die Nachbearbeitungsanforderungen und die verfügbaren Optionen im Kopf zu behalten, w?hrend Sie ein Teil für den 3D-Metalldruck entwerfen.
Tools und Software zur Designoptimierung
Moderne CAD-Pakete bieten Tools, mit denen Sie die geometrische Freiheit des 3D-Metalldrucks voll aussch?pfen k?nnen. Mit diesen algorithmischen Entwurfswerkzeugen k?nnen Sie organische Strukturen erstellen, die Teile übertreffen, die mit herk?mmlichen Methoden entworfen wurden.
Es gibt drei Hauptstrategien, die heute angewendet werden k?nnen. Diese Strategien k?nnen entweder die Leistung eines vorhandenen Entwurfs optimieren oder bei der Erstellung von Strukturen von Grund auf, n?mlich auf der Grundlage einer Reihe von Entwurfsanforderungen helfen.
Gitterstrukturen
Das Anwenden eines Gittermusters ist eine hervorragende M?glichkeit, ein vorhandenes Design zu optimieren.
Gitterstrukturen k?nnen leichte Teile erzeugen, die Oberfl?che von W?rmetauschern maximieren oder die Bedruckbarkeit verbessern und die Herstellungskosten eines vorhandenen Designs senken.
Topologieoptimierung
Die simulationsgesteuerte Topologieoptimierung hilft bei der Erstellung von Strukturen mit minimaler Masse und maximaler Steifigkeit.
Bei der Topologieoptimierung werden der benutzerdefinierte Entwurfsraum und die Lastf?lle analysiert, um die Bereiche zu bestimmen, aus denen Material entfernt werden kann. Das Ergebnis der Simulation kann dann verwendet werden, um Teile für optimale Leistung in diesen Belastungsszenarien zu entwerfen.
Generatives Design
Generatives Design ist eine Variation des simulationsgesteuerten Topologieoptimierungsprozesses.
Beim generativen Design werden bei der Analyse anstelle einer einzelnen Ausgabe mehrere Designkandidaten erstellt. Die resultierenden Designs sind alle herstellbar und erfüllen die Designanforderungen. Auf diese Weise kann der Designer verschiedene L?sungen untersuchen und diejenige ausw?hlen, die zur Anwendung passt (z. B. basierend auf sekund?ren Kompromissen).
Es wird dringend empfohlen, eine dieser fortschrittlichen CAD-Techniken zu verwenden - insbesondere beim Entwerfen von DMLS/SLM-Teilen. Nachfolgend haben wir eine kurze Liste von CAD-Paketen zusammengestellt, die Tools zur Konstruktionsoptimierung für den 3D-Metalldruck bieten, um Ihnen den Einstieg zu erleichtern:
Designregeln
Selbst wenn Sie moderne CAD-Tools verwenden, müssen Sie bestimmte Konstruktionsrichtlinien befolgen. Diese haben mit der Grundmechanik der 3D-Metalldruckprozesse zu tun. Hier eine Liste der wichtigsten Gestaltungsregeln:
Minimale Wandst?rke
DMLS / SLM: 0,4 mm
Binderauftrag per Düse: 1,0 mm
Metallextrusion: 1,0 mm
Binder Jetting- und Metallextrusions-Teile sind im ?rohen“ Zustand zerbrechlich. Dickere Wandquerschnitte verringern die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs.
Maximales Seitenverh?ltnis
DMLS/SLM: 8: 1
Binderauftrag: 8: 1
Metallextrusion: 8: 1
über Stützrippen (?hnlich wie beim Spritzgie?en) k?nnen hohe Werkstückdetails besonders stabilisiert werden.
Kleinste Strukturgr??e
DMLS/SLM: 0,6 mm
Binderauftrag: 2,0 mm
Metallextrusion: 3,0 mm
Isolierte Merkmale sind beim Drucken oder bei der Handhabung anf?lliger als Wandabschnitte. Verwenden Sie für Stifte lieber einen handelsüblichen Einsatz.
Minimale Detailgr??e
DMLS / SLM: 0,4 mm
Binder Jetting: 0,1 mm
Metallextrusion 0,5 mm
Die maximale Detailaufl?sung h?ngt von der Gr??e des Lasers, des Bindertropfens oder der Düse ab.
Minimaler Lochdurchmesser
DMLS/SLM: ?1,5 mm
Binderauftrag: ? 1,0 mm
Metallextrusion: ?1,5 mm
Verwenden Sie bei L?chern, die nicht entlang der Rohlingrichtung ausgerichtet sind, besser eine Tropfenform, um die Notwendigkeit einer Abstützung zu vermeiden.
Maximaler überhangwinkel
DMLS / SLM: 50°
Binderauftrag: nicht zutreffend
Metallextrusion: 45°
M?glicherweise ist eine zus?tzliche Abstützung für das Sintern beim Binder Jetting und bei der Metallextrusion erforderlich.
Nicht abgestützte Kanten
DMLS / SLM: 0,5 mm
Binderauftrag: 20 mm
Metallextrusion 0,5 mm
Erw?gen Sie, den überhang zu beseitigen, indem Sie eine 45° -Fase unter den nicht abgestützten Kanten hinzufügen.
Folgen Sie den Links unten, um mehr über die Konstruktion für die verschiedenen 3D-Metalldruckverfahren zu erfahren:
Part 6
Hilfreiche Ressourcen
In diesem Handbuch haben wir alles angesprochen, was Sie für den Einstieg in den 3D-Metalldruck ben?tigen. Es gibt jedoch noch viel mehr zu lernen.
Im Folgenden finden Sie die besten und nützlichsten Ressourcen zum 3D-Metalldruck und anderen digitalen Fertigungstechnologien für diejenigen, die sich eingehender mit diesem Thema befassen m?chten.
Protolabs Network Wissensbasis
Hier haben wir alles angesprochen, was Sie für den Einstieg in den 3D-Druck ben?tigen. In unserer Wissensbasis, einer Sammlung technischer Artikel zu allen Fertigungstechnologien, die von Experten von Protolabs Network und der Fertigungsindustrie verfasst wurden, gibt es noch viel mehr zu erfahren.
Hier finden Sie eine Auswahl unserer beliebtesten Artikel zum Thema 3D-Druck:
Leitf?den zu anderen Fertigungstechnologien
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