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3D-Druck – Metalle – moderne Produktentwicklung


Metalle werden in vielen Industriebereichen für die verschiedensten Zwecke nahezu überall eingesetzt. Von Konstruktion und Fahrzeugbau abgesehen, werden Metalle vor allem auch als Leiter und Halbleiter, Beschichtung, Elektronikbauteile oder Gehäuseteile in der Elektrotechnik eingesetzt. Besonders hier, im Automobil, Medizin sowie Luft- und Raumfahrtbereich sind die Anwendungen oft sehr speziell und erfordern kleine, passgenaue Strukturen. Um diese zu verwirklichen, wurden in der Vergangenheit immer modernere Fertigungsmethoden entwickelt, die jeweils höhere Präzision bei niedrigeren Kosten und auch niedrigerem Materialverbrauch mit sich brachten. Besonders die sogenannten 3D-Druck-Verfahren bilden hierbei einen wesentlichen Entwicklungsschritt.

Verfahren des 3D-Drucks mit Metallen

Direct Laser Metal Sintering

Zu den Verfahren des 3D-Drucks mit Metallen zählt vor allem das Direct Laser Metal Sintering (DMLS, auch LPBF – Laser Power Bed Fusion), das auf dem pulverbettbasiertem Schmelzverfahren basiert. Hierbei wird das Metall als Pulver vorgelegt und von einer Energiequelle, zumeist einem Laser, zielgenau lokal geschmolzen, um so eine 3-D-Struktur entstehen zu lassen.

Beim CLAD (Laserauftragsschweißen oder Cladding, auch DED – dorect emergy deposition – Prozess) wird in einem recht ähnlichen Verfahren ein Metallpulver aus einer Düse, ähnlich der Farbe eines richtigen Druckers, aufgebracht. Allerdings wird am Düsenausgang das Pulver direkt mit einem Laser aufgeschmolzen, so dass quasi direkt das flüssige Metall gedruckt werden kann.

Eine Kombination aus additiver Fertigung und additiver Bearbeitung ist das sog. Kaltschnittverfahren oder auch Kaltgasspritzen. Hier werden feine Metallpartikel mit einem Trägergas (meist Helium) mit hohem Druck durch eine feine Düse gepresst, so dass diese sich beim Aufschlag auf ein Substrat plastisch verformen und dadurch ohne echtes Aufschmelzen eine Schicht bilden, welche direkt bearbeitet werden kann. Dieses Verfahren wird aber aufgrund der hohen Kosten selten eingesetzt.

Metal Binder Jetting

Daneben gibt es noch das Metal Binder Jetting. Ähnlich dem Kunststoff-Pulverbettverfahren, wird hier das Metall mit einem Binder vermischt und zu einer homogenen Masse verklebt. Danach wird das so erhaltene Grünteil über thermische Prozesse, also durch Brennen oder mittels Lasererhitzung, vom Binder befreit und in seine finale Form gebracht.

Fused deposition modeling

Ebenfalls ähnlich wie beim Kunststoff-Verfahren gibt es auch noch das sog. Fused deposition modeling (FDM), bei welchem ein metallisches Filament (zumeist aus niedrig schmelzenden Metallen oder Legierungen) einfach bis zur Erweichung erwärmt und dann in Schichten über eine Düse aufgebracht wird.

3D gedrucktes Metallteil

Alle genannten Verfahren haben gemeinsam, dass sie nicht mit jedem Metall funktionieren. Die gängigen Metalle für metallischen 3D-Druck sind Aluminium und seine Legierungen, Stähle und Eisenlegierungen sowie Materialien wie Gallium, Indium, Titan, Kobalt oder Chrom. Trotz vergleichsweisen hohen Kosten werden inzwischen auch Edelmetalle wie Gold und Silber eingesetzt. Hier gestaltet sich die Formgebung jedoch etwas schwieriger. Schwermetalle und sehr harte oder hochschmelzende Metalle werden wenig bis gar nicht eingesetzt.

Anwendungen von metallischem 3D-Druck

Die häufigsten Anwendungen von metallischem 3D-Druck sind vor allem der Prototypenbau und Forschung und Entwicklung, insbesondere wenn nur einzelne Teile und keine Serien gefertigt werden sollen. Hier ist oft der Formenbau für ein gegossenes Werkstück sehr teuer und kann durch 3D-Druck geschickt vermieden werden. Auch die eingesparten Energiekosten im Vergleich zu einem gegossenen Werkstück sind nicht unerheblich. Ebenso die Materialersparnis am oft teuren metallischen Rohstoff. Daneben sind besonders bei individuell angefertigten Implantaten in der Medizintechnik oder speziell angepassten Maschinen-Ersatzteilen die Vorteile des 3D-Drucks mit Metallen nicht von der Hand zu weisen.

Im Gegensatz zum keramischen oder Polymer-3D-Druck sind beim Metallsintern oder Kaltgas-Druck nicht alle Formen oder Strukturen ohne weiteres umsetzbar, da verschiedene Metalle stark unterschiedliche Schmelzzonen aufweisen und eine Aufbringung von Mischungen oder bestimmten Schichten daher nicht immer realisiert werden kann. Dennoch wird aktuell an diesen Methoden weiter geforscht, um in der Zukunft noch flexiblere und vielfältigere Einsatzmöglichkeiten zu erschließen.

Thermische Analyse von 3D-Druckmetallen

Die thermische Analyse kann mit ihren Methoden die erzeugten Metalle hinsichtlich Ihrer Eigenschaften charakterisieren und dabei helfen, Abweichungen und Unterschiede zwischen massiv gefertigten und 3-D-gedruckten Bauteilen aufzuzeigen.

  • Mittels der DSC können Schmelzpunkte und Phasenübergänge bestimmt werden und die Legierungen somit optimal für den Einsatz im 3-D-Druck ausgelegt werden. (Applikation legierter Stahl)
  • Mittels Dilatometrie lassen sich das Ausdehnungsverhalten, sowie Härte und Phasenübergänge zeigen.(Applikation mit Eisen)
  • Die Wärmeleitfähigkeit und Wärmetransporteigenschaften sowohl der ausgehärteten Produkte als auch der Pulver und Legierungen lassen sich gut mittels THB und Laser-Flash-Verfahren charakterisieren. (Applikation mit Kupfer und Aluminium)
  • Und auch die thermo-elektrischen Eigenschaften wie elektrischer Widerstand, Leitfähigkeit und auch Seebeck-Koeffizient können mit den Methoden der modernen Thermoanalyse genauestens bestimmt werden. (Applikation mit Kupfer)