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Für Verbraucher & Kleinunternehmen

Metall-3D-Drucker-Guide 2018 – Alles über Metall-3D-Druck

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by Anatol Locker
Apr 5, 2018

Alles Wissenswerte zum Thema Metall-3D-Druck: Neue Trends, Desktop- und Industrie-Metall-3D-Drucker, Metall-3D-Druck-Technologien und Anwendungen, Metal-3D-Druck-Services und mehr.

In den letzten Jahren erfreut sich der Metall-3D-Druck immer größerer Beliebtheit. Und das zu Recht: jedes dieser Materialien bietet eine einmalige Kombination von praktischen und ästhetischen Eigenschaften, die zu einer Vielzahl von Produkten passen, seien es Prototypen, Miniaturen, Gebrauchsteile oder sogar Küchengeräte.

Metall-3D-Druck liegt deswegen so im Trend, weil viele Teile mittlerweile serienmäßig 3D-gedruckt werden können. Tatsächlich sind viele 3D-gedruckten Teile aus Metall genauso gut wie Teile, die auf traditionelle Weise gefertigt werden (oder besser).

Bei der traditionellen Fertigung von Metall- und Plastikteilen fällt viel Abfall an. Gußformen und überschüssiges Material werden verbraucht. Ein Beispiel: Im Luftfahrtbau wird bis zu 90% des Materials abgeschnitten und landet denn im Müll oder Recycling. Beim 3D-Druck von Metall muss weniger Energie aufgewendet werden und es wird nur ein Bruchteil des Materials gebraucht. Ein wichtiger Faktor  ist das geringere Gewicht 3D-gedruckter Produkte aus Metall. Sie sind bis zu 60% leichter als konventionell hergestellte Teile. Die Luftfahrtindustrie spart so Milliarden durch Gewichtseinsparung und Treibstoffreduktion.

Also, was auch immer du sonst noch über Metall-3D-Druck wissen wolltest? Hier findest du die Antworten…

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Metall-3D-Drucker-Guide 2018 - Alles über Metall-3D-Druck Die neuesten Technologien

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Bevor wir uns den Grundlagen von Metall-3D-Druck widmen, werfen wir einen Blick auf die neuesten Innovationen. Im Laufe der letzten Jahre sind eine Reihe neuer Anbieter aufgetaucht, die den Markt für Metall-3D-Drucker aufgewirbelt haben.

Auch wenn die Technologie Metall-3D-Druck noch nicht ganz das Privatkundengeschäft erreicht hat, konnte man doch entscheidende Schritte beobachten. Was früher ausschließlich ein Markt für die große Industrie war, ist heute zugänglich für kleine und mittelgroße Unternehmen.Anbei eine Liste von Firmen, die momentan den Metall-3D-Markt aufmischen:

Desktop Metal

Das Unternehmen mit Sitz in Massachusetts ist wahrscheinlich der größte Innovator im Metall-3D-Druck Markt. Letztes Jahr stellte die Firma zwei neue Metall-3D-Drucker vor, den Studio System und den Production System. Diese beiden revolutionären Geräte haben Metall-3D-Druck sehr viel günstiger gemacht und sind in der Lage viel schneller zu produzieren.

Der Studio System passt von der Größe her auf einen Schreibtisch und verwendet das patentierte BMD-Extrusionsverfahren („Bound Metal Deposition“). Dabei verwendet der Metall-3D-Drucker ähnlich wie bei der Schmelzschichtung (FDM/FFF-3D-Druck) ein Metallpulver (MIM), das durch eine Polymermischung zusammengehalten wird. Sobald der 3D-Druck fertig ist, kommt das Bauteil bei einer Temperatur von 1.400 °C in einen Ofen, wodurch die Polymere wegschmelzen und die Metallteile sich verbinden. Der Studio System, inklusive Ofen und der cloud-basierten Software, kostet um die 120.000 Dollar.

Mehr dazu: Interview with Desktop Metal: The Metal 3D Printing Hype is Real (And Made of Steel)

Auf der anderen Seite verwendet der deutlich größere Metall-3D-Drucker Production System ein Verfahren mit dem Namen „Single Pass Jetting“ (SPJ). Die Funktionsweise dieses 3D-Druckers sieht so aus, dass erst Metallpulver abgegeben wird und direkt danach ein Bindemittel. Das Gerät ist mit über 32.000 Düsen ausgestattet, die fähig sind, innerhalb von Sekunden Millionen von Tröpfchen zu sprühen. Der Metall-3D-Drucker Production System braucht auch einen Ofen für die Nachbearbeitung und kostet um die 360.000 Dollar (ohne Ofen).

Auch wenn durchschnittliche Verbraucher kaum solche Metall-3D-Drucker bezahlen können, markieren sie doch einen Quantensprung, da traditionelle Metall-3D-Druck-Systeme mindestens 800.000 Dollar kosten. Es besteht kein Zweifel, dass Desktop Metal auf dem richtigen Weg ist, da große Firmen wie BMW, Google, Lowe und andere auf das Start-up aufmerksam geworden sind und ordentlich investiert haben.

Digital Metal

Auf der anderen Seite, in etwas kleinerem Stil, brachte Digital Metal, ein Tochterunternehmen des schwedischen Metallpuderproduzenten Höganäs, den weltweit ersten Hochpräzisions-3D-Drucker mit Binder-Jetting-Technologie für Kleinteile heraus.

Mehr dazu: Interview With Digital Metal: One Giant Leap For Small Metal 3D Printed Parts

Der Metall-3D-Drucker mit dem Kurznamen DM P2500 kann extrem kleine und komplexe Bauteile herstellen. Das Gerät von Digital Metal hat ein Bauvolumen von 2.500 cm3 und druckt mit einer Layerhöhe von 42 µm bei 100 cc/hr. Es ist ein unglaublicher Metall-3D-Drucker, der eine Auflösung von bis zu 35 µm verspricht und dabei komplett auf Stützstrukturen verzichten kann.

Das schwedische Metall-3D-Druck-Unternehmen ist momentan dabei kommerziell erfolgreich zu werden indem es mit den Industrieriesen Honeywell Aerospace, dem französischen Centre Technique des Industries Mécanique (CETIM) und einem anonymen Mode-Imperium kooperiert.

MarkForged

Markforged ist ein weiteres 3D-Druck-Unternehmen, welches die ehemals unerschwingliche Technologie Metall-3D-Druck für ein breiteres Publikum interessant machen möchte. Der Markforged Metal X ist ein Metall-3D-Drucker, der den kompletten Druckprozess selber bewältigen kann. Laut Hersteller sind die Kosten für diesen Metall-3D-Drucker zehnmal so niedrig wie für vergleichbare 3D-Druck-Systeme.

Der Metal X besitzt einen Bauraum von 250 x 250 x 200 mm und eine Layerhöhe von 50 µm. Ähnlich wie der Studio System von Desktop Metal druckt dieser Metall-3D-Drucker Metallpuder, das durch eine Plastikmatrix festgehalten wird. Auf der Webseite präsentiert Markforged verschiedene Typen von Metallteilen, die mit dem Gerät gedruckt werden können sowie verschiedene Kalkulation über die Einsparmöglichkeiten mit dem Metal X.

Mehr dazu erfahrt ihr auf der Webseite.

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Metall-3D-Drucker-Guide 2018 - Alles über Metall-3D-Druck Zuhause

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Zum 3D-Drucken von Metall sind extrem hohe Temperaturen notwendig. Man kann also keinen normalen FDM-3D-Drucker verwenden. Aber was kann man dann machen, wenn man zuhause Metall 3D-drucken will?

Kurz gesagt: In diesem Jahrzehnt wirst du daheim kein reines Metall 3D-drucken können. Auch 2020 wird man noch keinen Metall-3D-Drucker daheim stehen haben. Aber in einigen Jahren, im Maße in dem sich die Nanotechnologie entwickelt, werden wir ein substantielles Wachstum neuer Anwendungen beobachten können. Beispielsweise leitfähiges 3D-druckbares Silber, das in Kartuschen ähnlich heutiger 3D-Drucker verwendet wird. Es wird auch möglich sein, verschiedene Materialien in einem Objekt zu mischen.

3D-Drucker & Metall: Die Materialien für Heim-3D-Drucker

Selbst wenn du keine Metallobjekte daheim 3D-drucken kannst, gibt es noch die Möglichkeit Plastikfilamente mit Metallzusätzen zu verwenden. ColorFabb, ProtoPasta und TreeD Filaments bieten interessante Metall-PLA-Verbundfilamente an. Diese Filamente enthalten eine erhebliche Menge Metall, aber auch genug Plastik, um sie mit den vergleichsweise niedrigen Temperaturen eines handelsüblichen FDM-3D-Druckers (200° bis 300° Celsius) verwenden zu können. Die Menge an Metall ist ausreichend, damit die Objekte das Aussehen, die Haptik und das Gewicht metallischer Gegenstände annehmen. Filamente auf Eisenbasis können unter gewissen Bedingungen sogar rosten.

Man kann es aber noch weiter treiben. Gewöhnliches Metall-Filament hat einen Metallpulveranteil von 50%. Der holländische Hersteller für 3D-Druck-Filamente Formfutura wirbt damit, dass sie den Anteil in ihrem Filament auf 85% Metallpulver hochgeschraubt hat. Diese Metall-3D-Druck-Filamente heißen MetalFil Ancient Bronze und Metalfil Classic Copper. Diese kann man bei „niedrigen“ Temperaturen von nur 190° bis 200° Celsius verarbeiten.

A spool of metal 3D printing filament - here Formfutura’s "Ancient Bronze" (image: Formfutura)
Eine Spule Metall-3D-Druck-Filament – Formfuturas „Ancient Bronze“ (image: Formfutura)

Die wichtigsten Fakten über Metall-3D-Druck-Filamente für Daheim:

  • Einzigartiges, metallisches Finish
  • Ideal für Schmuck, Plastiken, Haushaltsgeräte oder Reproduktionen von Kunstgegenständen
  • Hohe Beständigkeit
  • Geringe Verformbarkeit, funktionelle Konstruktion notwendig
  • Nicht löslich
  • Nicht lebensmittelecht
  • Durchschnittliche Drucktemperatur zwischen 195°C – 220°C
  • Sehr geringes Schrumpfen beim Abkühlen
  • Kein beheiztes Bett notwendig
  • Schwierig zu drucken: Feinabstimmung von Düsentemperatur, Fließgeschwindigkeit und Nachbearbeitung

3D-Drucker & Metall: Rüste deinen 3D-Drucker auf

Der Metall-3D-Druck ist schwierig durchzuführen. Daher solltest die Düse deines 3D-Druckers aufrüsten, das gilt besonders für den Fall, dass du einen Einsteiger-3D-Drucker benutzt. Metall-3D-Druck-Filament neigt dazu Düsen schnell abzunutzen. Zwar gibt es beständige Hotends (wie das V6 Hotend von E3D), die selbst aus Metall bestehen und hohen Temperaturen standhalten und in den meisten 3D-Druckern verbaut werden können. Trotzdem solltest du dich drauf einstellen, deine 3D-Drucker-Düsen häufiger austauschen zu müssen. Metall-3D-Druck-Filament ist einfach sehr rau.

Außerdem solltest du deinen Metall-3D-Druck veredeln (Bürsten, Sandstrahlen, Schmieren, Einwachsen oder Lackieren), um ihn wirklich zum Glänzen zu bringen.

Was kostet Metall-3D-Druck-Filament?

Also, wieviel kostet Metall-3D-Druck-Filament eigentlich? Hier ein paar Beispiele:

Eine Auswahl von Metall-3D-Druck-Filamenten für Zuhause findest du hier.

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Metall-3D-Drucker-Guide 2018 - Alles über Metall-3D-Druck Industriell

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Aber was tun, wenn du hohe Qualität oder gar einen Vollmetall-3D-Druck benötigst? Lohnt es sich, einen Metall-3D-Drucker für den Betrieb anschaffen? Wir raten davon ab, es sei denn du willst täglich Metall 3D-drucken. Die Preise für 3D-Drucker für Metall sind sehr hoch: ein professioneller Metall-3D-Drucker von EOS oder StrataSys kostet zwischen 100.000 und 500.000 Euro.  Dazu kommen die Kosten für eine Fachkraft, die das Gerät bedient, pflegt und die Metall-3D-Drucke nachbearbeitet.

Um es kurz zu machen: Zur Zeit gibt es einfach keinen günstigen Metall-3D-Drucker.

Die Kosten für Metall-3D-Druck lassen sich senken

Wer einen professionellen Metall-3D-Druck benötigt, dem empfehlen wir einen passenden 3D-Druck-Service (es sei denn, du hast vor selbst ins Metall-3D-Druck-Geschäft einzusteigen). 3D-Druck-Services wie Shapeways, Sculpteo und iMaterialise bieten Metall-3D-Druck an.

Metall-Materialien für den 3D-Druck:

  • Aluminum / Aluminium
  • Stahl
  • Messing
  • Kupfer
  • Bronze
  • Silber
  • Gold
  • Platin
  • Titan
  • Falls du Goldschmied bist, kann du auch Wachsmodelle für den Metallguss bestellen.

Apropos Wachsmodelle: Die 3D-Druck-Services führen die Aufträge für Metall-3D-Druck im Wachsausschmelzverfahren durch. Nicht alles wird in den Fabriken direkt gedruckt. Im allgemeinen werden die Aufträge an Spezialbetriebe für Metall-3D-Druck weitergegeben. Dennoch steigt die Zahl der  „Metall-3D-Druck-Services“ weltweit rapide an. Zudem finden die  3D-Drucker für Metall immer größere Verbreitung bei den 3D-Druck-Services.

Großkonzerne schwören auf Metall-3D-Druck, da sich auf diesee Weise vollautomatische Fabriken bauen lassen, die „topologisch optimierte“ Teile produzieren. Damit ist es nun möglich, das Material in einem Bauteil an den Stellen zu konzentrieren, die größeren Kräften standhalten müssen. Dadurch verringert sich das Gewicht drastisch, ohne dass man Abstriche hinsichtlich der Strukturfestigkeit machen muss. Dies ist aber nicht die einzige Technologie auf dem Markt. Einige sind deutlich kostengünstiger und zugänglicher für die Nutzer.

Denkt daran, dass für Metall-3D-Druck spezielle CAD-Programme notwendig sind. Shapeways hat einen Leitfaden über 3D-Druck für Metall veröffentlicht, der sehr lesenswert ist. Wenn du noch mehr erfahren willst, lies die Informationen von Stratasys über Metall-3D-Drucker und die Feinheiten des Metall-3D-Druckens.

Hier sind Preisbeispiele für Metall-3D-Drucke des beliebten Benchy-Test-Modells:

  • Alumide : 22,44 $, ca. 20 € (PLA mit Aluminium)
  • Rostfreier Stahl: 83,75 $, ca. 75 € (beschichtet, poliert)
  • Bronze: 299,91 $, ca. 267 € (massiv, poliert)
  • Silber: 713,47 $, ca. 635 € (massiv, poliert)
  • Gold: 87,75 $, ca. 78 € (goldbeschichtet, poliert)
  • Gold: 12.540 $, 11.160 € (massiv, 18 Karat)
  • Platin: 27.314 $, 24.300 € (massiv, poliert)

Wie erwartet, können die Preise für massiven Metall-3D-Druck ziemlich in die Höhe schießen.

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Metall-3D-Drucker-Guide 2018 - Alles über Metall-3D-Druck Metall-3D-Druck für Ingenieure und 3D-Designer

Was muss man als Ingenieur oder 3D-Designer über Metalldruck wissen?

Metall-3D-Druck-Technologien

Es gibt drei Metall-3D-Drucktechniken, die man kennen und verstehen sollte. Jede Technologie hat bestimmte Vorzüge und Nachteile.

  1. Direct metal laser sintering (DMLS), auch bekannt als Selective Laser Sintering (SLS) oder Selective Laser Melting (SLM), ist ein ein pulverbettbasiertes System und derzeit die beliebteste Metall-3D-Druck-Technologie. Kurz gesagt formt ein Laser selektiv ein 2D-Design in ein Metallpulverbett bevor eine neue Pulverschicht aufgetragen wird und der Prozess wiederholt wird. so entsteht Schicht für Schicht das gewünschte Objekt. Ein Nachteil ist, dass der Prozess langsam ist und die 3D-Design-Vorlagen speziell auf den Prozess angepasst werden müssen. Die Ergebnisse lassen sich jedoch sehen, vor allem in Sachen Haltbarkeit und Festigkeit.
  2. DED Metall-3D-Druck: Bei dieser 3D-Metallstück-Fertigung wird ein hochkonzentrierter Pulverstrom durch eine Extruderdüse geschossen – vergleichbar mit einem Sandstrahl-Gerät. Das Pulver trifft dann auf einen Laser, der es aushärtet. DED (Directed Energy Deposition) hat sich vor allem bei großen Werkstücken bewährt, die nicht zu viele Details aufwesen. Die Werkstücke können ausserdem genutzt werden, um andere kaputte Werkstücke zu reparieren. Alternativ zum Pulverstrom kann man auch mit Metalldraht arbeiten – das ist allerdings weniger präzise.
  3. Metal Binder Jetting trägt schichtweise flüssiges Harz auf ein Metall-Pulverbett auf. Diese Art der Metall-3D-Druck-Hherstellung wird gerne angewendet, wenn es schnell gehen soll. Das 3D-Druckverfahren ist außerdem schnell, relativ günstig, und kann für große Werkstücke genutzt werden. Der Nachteil liegt im Prozess selbst. Das Objekt ist weniger dicht und entsprechend anfälliger, wenn Druck oder Zug angewendet werden. Man kann die fertigen Werkstücke nachbehandeln, um sie zu verstärken – doch das kostet Zeit und Geld.

Mehr über Metall-3D-Druck-Technologien findest du hier (auf Englisch).

Was man vor dem 3D-Metall-Druckprozess beachten sollte

Wenn es um 3D-Metall-Druck geht, gibt es oft folgende Mißverständnisse:

  • Alle Materialien für 3D-Metall-Druck haben bestimmte Eigenschaften, die man im Designprozess berücksichtigen sollte. Man bekommt die Spezifikationen meist bei den 3D-Druck-Services direkt, so dass man sich viel Zeit und Geld sparen kann.
  • Die meisten 3D Designs können nicht ohne größere Umbauten in Metall gedruckt werden. Leider kann man nicht ein Design, das für Plastik-3D-Druck entworfen wurde, ohne weiteres in Metall drucken.
  • Auch 3D Objekte, die für CNC fräsen entworfen wurden, sind nicht automatisch kompatibel zu Metall-3D-Druck. CNC Objekte haben mehr Volumen – würde man solche Objekte einfach in Metall drucken, wird es sehr schnell sehr kostspielig.
  • Objekte, die auf Metall 3D Druckern geprintet wurden, haben andere physikalische Eigenschaften als gegossene Objekte.

Die Vorteile von Metall-3D-Druck:

  • Relativ zuverlässige, gleichbleibende Qualität
  • Man kann leichtgewichtige Werkstücke herstellen (gut für Luft- und Raumfahrt)
  • Die Druckobjekte sind belastbar
  • Wenig Abfall
  • Komplexe Strukturen, die nicht gegossen werden können.

Die Nachteile von Metall-3D-Druck:

  • Es ist schwer, die richtigen Parameter für Metall-3D-Druck zu finden
  • Kann nicht für die Massenproduktion eingesetzt werden
  • Ist recht zeitaufwändig
  • Große Werkstücke nicht herstellbar.
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Metall-3D-Drucker-Guide 2018 - Alles über Metall-3D-Druck Die 3D-Druck-Services

Weltweit bieten mehr als 100 Firmen einen Metall-3D-Druck an. Dies sind die beliebtesten Metall-3D-Druck-Services für Verbaucher.

Wenn du noch mehr erfahren willst, schau dir All3DPs Übersicht an: 3D Printing Service Guide 2018 - 34 Best 3D Printing Services

Wer keinen Zugriff auf einen 3D-Drucker hat, kann sein Modell über einen 3D-Druckservice drucken lassen. Um den besten Preis zu bekommen, hilft der Preisvergleich von All3DP.

Printing Button

Metall-3D-Druck-Service #1: Shapeways

shapeways best 3d printing service

Shapeways ist einer der weltweit beliebtesten Online 3D-Druck-Services, der zwei Dienste anbietet. Verbraucher können aus einer großen Zahl von Objekten wählen. Diese werden von Designer entworfen, können an individuelle Wünsche angepasst und konfiguriert werden.  Darüber hinaus bietet Shapeways, wie seine Wettbewerbern, die Möglichkeit Online-Shops einzurichten, in denen Designer ihre 3D-Druckervorlagen verkaufen und drucken können.  Shapeways kann ebenso für Rapid Prototyping verwendet werden. Dieser 3D-Druck-Dienstleister druckt auf industriellen Maschinen und bietet dezidierten technischen Support.

3D-Druck-Metalle: Aluminium, Messing, Bronze, Gold, Platin, Silber, Stahl und Wachsmodelle für den Metallguss.

Anmerkung: Shapeways kann auch über ALL3DP’s 3D-Druck-Service erreicht werden. Hier kann man in Echtzeit die Preise mit i.materialise und Sculpteo vergleichen.

Metall-3D-Druck-Service #2: Sculpteo

sculpteo best 3d printing service

Sculpteo ist wie Shapeways und i.materialise ein Online 3D-Druck-Service, bei dem man seine 3D-Druckervorlage hochladen und mit einer Vielzahl von Materialien drucken lassen kann. Auch bei Sculpteo ist es möglich einen eigenen Online-Shop einzurichten und eigene Designs zuverkaufen. Sculpteo druckt auf industriellen Geräten von 3D Systems, EOS, Stratasys, und ZCorp. Mit Hilfe der ausführlichen technischen Dokumentation kann man die Schwachstellen in den eigenen 3D-Modellen finden und das zum Projekt passende Material finden.

3D-Druck-Metalle: Alumide (PLA mit Aluminium), Messing, Silber.

Anmerkung: Sculpteo kann auch über ALL3DP’s 3D-Druck-Service erreicht werden. Hier kann man in Echtzeit die Preise mit Shapeways und i.materialise vergleichen.

Metall-3D-Druck-Service #3: iMaterialise

imaterialise 3d printing service

Materialise arbeitet mit Kunden aus der Industrie zusammen, um Prototypen und 3D-gedruckte Gegenstände herzustellen. Für die breite Öffentlichkeit und Künstler bietet Materialise einen Online 3D-Druck-Service namens i.materialise an. Wie bei Shapeways kann man eine 3D-Druckvorlage hochladen und drucken lassen. Designer und Künstler haben die Möglichkeit, ihre Objekte über eine Galerie auf i.materialise oder auf ihrer eigenen Webseite zu verkaufen.

3D-Druck-Metalle: Alumide (PLA mit Aluminium), Messing, Bronze, Kupfer, Gold, Silber, Stahl, Titan.

Anmerkung: i.materialise kann auch über ALL3DP’s 3D-Druck-Service erreicht werden. Hier kann man in Echtzeit die Preise mit Shapeways und Sculpteo vergleichen.

Metal 3D Printing Service #4: 3D Hubs

3D Hubs Best 3D Printing Service

Über 3D Hubs kann man nach 3D-Druckdienstleistern suchen, die zum Beispiel ganz in der Nähe liegen oder eine bestimmte 3D-Druckmethode beherrschen. Dazu lädt man eine STL-Datei hoch und bekommt sofort einen Kostenvoranschlag angezeigt, ist man zufrieden, schickt man seinen Druckauftrag los. In der Suchmaske kann man die Online 3D-Druck-Services nach Materialien, Nutzerbewertungen, Distanz und weiteren Faktoren filtern. Ganz gleich was für eine Vorlage man drucken möchte, wahrscheinlich gibt es in der Nähe jemanden der es für einen drucken kann. Einige Materialien lassen sich in Profiqualität 3D-drucken – diese sind als „HD“ in der Suchmaske getaggt.

3D-Druck-Metalle: Aluminium, Bronze, Cobalt Chrom, Rostfreier Stahl, Titan.

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Metall-3D-Drucker-Guide 2018 - Alles über Metall-3D-Druck Die Anwendungen

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(image: GE)

In einigen Industriezweigen werden Metall-3D-Drucker schon im Alltag verwendet – vielleicht weißt du bis jetzt garnicht, dass sie 3D-gedruckt sind.

  • Am verbreitesten sind medizinische und zahnmedizinische Implantate. Schon heute gelten sie als die beste Option für Patienten. Der Grund: Sie können an die individuellen Bedürfnisse angepasst werden.
  • Der zweite Bereich ist Schmuck. Mittlerweile wechseln die Hersteller von SLA-3D-Druck und Wachsausschmelzverfahren zu Verfahren, in denen der Werkstoff  ohne Zwischenschritte vom Metall-3D-Drucker verarbeitet wird (Direct Metal 3D Printing).
  • Auch die Luftfahrtindustrie wird immer abhängiger von 3D-gedruckten Metall-Objekten. Ge-AvioAero war die weltweit erste Fabrik, in der die Fertigung vollständig von 3D-Druckern durchgeführt wird. Hier werden Komponenten für das LEAP-Triebwerk gefertigt.
  • Als nächstes wird die Fahrzeugindustrie 3D-Drucker für Metall heranziehen. BMW, Audi und FCA ziehen ernsthaft in Betracht, nicht mehr nur Prototypen, sondern auch Teile für die Serienproduktion 3D zu drucken.

Aber bevor der Metall-3D-Druck seinen Durchbruch feiern kann, müssen noch einige Hürden genommen werden: Natürlich geht es erst mal um Kosten, die nicht durch Formen herunterskaliert werden können. Auch die niedrige Produktionsgeschwindigkeit stellt ein Problem für Objekte aus dem Metall-3D-Drucker dar.

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Metall-3D-Drucker-Guide 2018 - Alles über Metall-3D-Druck Die Technologien

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Es ließe sich einiges über Metall-3D-Drucker sagen. Die Probleme sind aber dieselben wie bei den meisten anderen 3D-Druckern: Software- und Hardwarebeschränkungen, Werkstoffoptimierung und Verwendung mehrerer Materialien. Hinsichtlich der Software belassen wir es bei dem Hinweis, dass die meisten großen Softwareanbieter wie Autodesk, SolidWorks und solidThinking Pordukte anbieten mit denen man dank des Metall-3D-Drucks jede erdenkliche Form fertigen kann.

Im Allgemeinen können 3D-gedruckte Metallkomponenten ebenso beständig sein, wie traditionell gefertigte Metallteile. Teile, die mit DLMS gefertigt wurden haben Materialeigenschaften, die gegossenen Metallteilen gleichkommen. Auch die Porosität eines Teils aus dem Metall-3D-Drucker kann eine Dichte von bis zu 99,5% erreichen. Der Hersteller Stratasys behauptet, das 3D-gedruckte Metallteile sogar über den Industriestandards für sensorische Prüfung abschneiden.

3D-gedruckte Metallteile gibt es in mehreren Auflösungen. Bei höchster Aulösung beträgt die Schichtdicke 0,02 – 0,03 mm und die X/Y-Auflösung 0,03 – 0,04 mm. Der kleinst mögliche Lochdurchmesser beträgt 0,088 – 0,011 mm.

An dieser Stelle stellen wir die verfügbaren Metall-3D-Drucktechnologien vor:

Metall-3D-Druck Technologie #1: Powder Bed Fusion (Pulverbett Versinterung)

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Die Metall-3D-Druck Technologie die derzeit viele große Unternehmen in Betracht ziehen ist als “powder bed fusion” bekannt. Ein Laser- oder ein anderer Energiestrahl sintert ein „atomisiertes“ Pulver – es wird in vollkommen runde, winzige, sphärische Partikel aufgeteteilt. Schicht um Schicht wird so das Objekt gefertigt.

Derzeit gibt es weltweit acht große Hersteller für Metall-3D-Drucker. Weitere bereiten sich derzeit für die Serienproduktion vor. Die meisten von ihnen stammen aus Deutschland. Ihre Technologien werden mit SLM (Selective Laser Melting) oder DMLS (Direct Metal Laser Sintering) abgekürzt.

Metall-3D-Druck Technologie #2: Binder Jetting

ExOne's 3DP technology 3D prints metal parts by binding the powder together before firing it up in a kiln (image: ExOne)
ExOnes 3DP-Technologie 3D-druckt Metallteile durch Verkleben des Metallpulvers. Danach wird es in einem Brennofen gesintert. (image: ExOne)

Eine weitere professionelle Technik, die auch ein Pulverbett verwendet, wird „binder jetting“ genannt. Hier werden die Schichten gebildet, indem die Metallpartikel zusammengeklebt werden. Später werden sie in einem Brennofen gesintert, wie man es auch mit Keramik tun würde.

Ein zweiter Ansatz, der Ähnlichkeiten zur Keramikherstellung aufweist, besteht darin, das Metallpulver zu einer Metallpaste zu verarbeiten. Diese wird mit einem pneumatischen Extrusionsdrucker (wie einem Spritzen-Bio-3D-Drucker oder einem günstigen Lebensmittel-3D-Drucker) in die gewünschte Form 3D-gedruckt. Im Anschluss kann das Objekt in einem Brennofen gesintert werden.

Diese Technologie wird vom Mini Metal Maker verwendet – vermutlich der einzige Metall-3D-Drucker für den kleinen Geldbeutel.

Metall-3D-Druck Technologie #3: Metal Deposition (Metall-Abschmelzung)

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Vielleicht glaubst du, dass jetzt nur noch ein 3D-Druckprozess wie Fused Filament Deposition im Metall-3D-Druck „fehlt“ – aber das stimmt nicht ganz. Natürlich kannst du nicht daheim Metallfilament sintern, um damit ein Objekt herzustellen. Große industrielle Hersteller können das aber. Es gibt folgende zwei Möglichkeiten Metall abzuschmelzen.

Die eine nennt sich DED (Directed Energy Deposition) oder auch Laser Cladding. Sie verwendet einen Laserstrahl, um Metallpulver zu sintern, das langsam freigesetzt und abgeschmolzen wird. Die Schichten des Objekts werden vom Arm eines Industrieroboters geformt.

Normalerweise findet dieser Prozess in einer abgeschlossenen Kammer statt. Ein aktuelles MX3D-Projekt hat einen ähnlichen Ansatz angewendet, um eine Brücke in voller Größe 3D zu drucken.

Der zweite heißt EBAM (Electron Beam Additive Manufacturing),dabei handelt es sich um eine Variante des Schweißens. Ein starker Elektronenstrahl sintert einen 3 mm-starken Titandraht – das geschmolzene Metall kann auf diese Weise in sehr große Metallstrukturen geformt werden. Es ist ziemlich unwahrscheinlich, dass du mit dieser Technologie in Berührung kommen wirst. Es sei denn, du arbeitest für das US-Verteidigungsministerium.

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Metall-3D-Drucker-Guide 2018 - Alles über Metall-3D-Druck Die Metalle

3D-Drucker Metall #1: Titan

Reines Titan (Ti64 or TiAl4V) ist eines der verbreitesten Metalle im 3D-Druck und bestimmt auch eines der vielseitigsten, da es sowohl massiv als auch leicht ist. Es wird im Powder Bed Fusion und Binder Jetting eingesetzt – vorwiegend in der Medizinindustrie (für individuell angepasste Prothesen) und der Luftfahrt-, Fahrzeugindustrie (zur Fertigung von Teilen und Prototypen). Wo liegt der Haken? Titan ist sehr reaktiv, es kann in Pulverform sehr leicht explodieren. Deshalb muss es in einem Vakuum oder einer Argon-Atmosphäre 3D-gedruckt werden.

3D-Drucker Metall #2: Rostfreier Stahl

Steel XXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXX (image: atlanticstainless.com)

Rostfreier Stahl ist eines der billigsten Metalle für den 3D-Druck. Es ist sehr stabil und kann in einer Vielzahl von industriellen und auch künstlerischen Anwendungen eingesetzt werden. Diese Art der Stahllegierung, die auch Cobalt und Nickel enthält, ist besonders bruchfest und dennoch sehr elastisch. Es wird hauptsächlich in der Industrie verwendet.

3D-Drucker Metall #3: Inconel

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Inconel ist eine Superlegierung von einem Hersteller names Special Metals Corporation, der auch die Namenrechte besitzt. Es besteht hauptsächlich aus Nickel und Chrom und weist eine hohe Temperaturbeständigkeit auf. Deswegen wird es meist in Öl- und Chemieverarbeitenden Betrieben und der Luftfahrtindustrie (für Flugschreiber) verwendet.

3D-Drucker Metall #4: Aluminium

Aluminium

Wegen seines geringen Gewichts und seiner Vielseitigkeit, ist Aluminium ein beliebtes Metall in vielen 3D-Druck Anwendungen. Meistens wird es in Form von Aluminiumlegierungen verarbeitet.

3D-Drucker Metall#5: Cobalt Chrom

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Diese Metallegierung zeichnet sich durch seine hohe Reißlänge aus (Festigkeit geteilt durch Dichte. Diese Formel zeigt die Gewichtskraft an, die ein Werkstoff aufnehmen kann, bevor er reißt.) Meistens wird es bei der Herstellung von Turbinen, Zahnimplantaten und orthopädischen Implantaten verwendet. Kurzum, in allen Bereichen, in denen 3D-Druck zur bevorzugten Fertigungsmethode wird.

3D-Drucker Metall #6: Kupfer und Bronze

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Abgesehen von ein paar Ausnahmen, finden Kupfer und Bronze hauptsächlich im Wachsabgussverfahren Verwendung und weniger in Powder Bed Fusion. Diese Metalle sind für industrielle Anwendungen nicht ideal, stattdessen findet man sie häufiger im Kunstgewerbe. ColorFabb bietet beide Metalle als Basis für Metallfilamente an.

3D-Drucker Metall #7: Eisen

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Eisen (auch magnetisches Eisen) wird zumeist auch als Zusatz zu PLA-Filamenten gedruckt, wie sie von ProtoPasta und TreeD hergestellt werden.

3D-Drucker Metall #8: Gold, Silber und andere Edelmetalle

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Die meisten Powder Bed Fusion-Drucker Hersteller können mit Edelmetallen, wie Gold, Silber und Platin 3D-drucken. Die Herausforderung liegt einmal darin, die ästhetsichen Eigenschaften der Materialien zu erhalten und dafür zu sorgen, dass nichts von den Edelmetallpulvern verloren geht. Edelmetalle werden in den Sparten Schmuck, Medizin und Elektronik 3D-gedruckt.

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Metall-3D-Drucker-Guide 2018 - Alles über Metall-3D-Druck Die 3D-Drucker

Vorab ist eines zu sagen: ein 3D-Drucker für Metall übersteigt womöglich die meisten Budgets. Ein Gerät kostet mindestens $100.000. Die Preise können aber auch $250.000 und mehr betragen. Hier nun eine Auswahl von Metall-3D-Druckern, die man teilweise bei Online-3D-Druck-Services finden kann.

Metall-3D-Drucker #1: Sciaky EBAM 300Metallfilament-3D-Druck

Sciaky-EBAM-110

Für den Fall, dass  man wirklich große metallene Strukturen 3D drucken will, wäre die beste Option Sciaky’s EBAM technology. Diese Firma kann Geräte in beinahe jeder Größe auf Bestellung  produzieren. Die Drucker werden hauptsächlich von der US-Luftfahrt- und Waffenindustrie verwendet.

Das größte Serienmodell von Sciaky ist der EBAM 300. Er hat ein Build Volume von 5791 mm Breite x 1219 mm Tiefe x 1219 mm Höhe.

Nach Angaben des Herstellers ist der EBAM 300 auch einer der schnellsten industriellen 3D-Drucker auf dem Markt. Er kann ein 3 Meter langes Titanbauteil innerhalb von 48 Stunden 3D-drucken, bei einer Druckgeschwindigkeit von 6,8 kg pro Stunde. Im Allgemeinen benötigen Schmiedearbeiten mit diesem Gerät nur noch zwei Tage. Dieselben Arbeiten dauern mit traditionellen Techniken 6 bis 12 Monate.

Die einmalige Technologie von Sciaky beruht auf einer Hochspannungs-Elektronenstrahlpistole, die ein 3 mm-starkes Titanfilament schmilzt. Die Abschmelzrate beträgt unter normalen Bedingungen 3 bis 9 kg pro Stunde.

Metall-3D-Drucker #2: Fabrisonic UAM – Ultraschall-Metall-3D-Druck

fabrisonic 7200

Eine weitere Möglichkeit große Metallteile 3D zu drucken ist die Ultrasound Additive Manufacturing Technology (UAM) von Fabrisonic. Die Geräte von Fabrisonic sind CNC-Fräsen auf drei Achsen, die zusätzlich einen Schweißkopf für additive Herstellung besitzen.

Die Metallschichten werden zuerst ausgeschnitten und dann mit Ultraschall zusammengeschweißt. Der größte 3D-Drucker für Metall von Fabrisonic, der 7200, hat ein Build Volume von 2 x 2 x 1.5 Metern.

Metall-3D-Drucker #3: Concept Laser XLine 1000 – Pulver-Metall-3D-Druck

Xline 2000R

Der größte Pulver-Metall-3D-Drucker auf dem Markt ist derzeit der XLine 100 von Concept Laser. Er hat ein Build Volume von 630 x 400 x 500 mm und ist so groß wie ein einstöckiges Haus.

Der deutsche Hersteller ist einer der primären Lieferanten von großen 3D-Druckern für Luftfahrtunternehmen wie Airbus und hat vor kurzem einen neuen Drucker vorgestellt, den XLine 2000.

Dieser hat zwei Laser und ein noch größeres Build Volume von 800 x 400 x 500 mm. Der XLine 2000 verwendet außerdem die LaserCUISING-Technolgie von Concept Laser (eine Variante des selektiven Lasersinterns) und kann Objekte in verschiedenen Legierungen 3D-drucken wie Stahl, Aluminium, Nickel, Titan, Edelmetalle und sogar eine Handvoll reine Materialien, wie Titan und hochwertige Stähle verarbeiten.

License: The text of "Metall-3D-Drucker-Guide 2018 – Alles über Metall-3D-Druck" by All3DP is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

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