Proto Labs

So funktioniert Direktes Metall-Lasersintern. - Grafik: Proto Labs

Ähnlich wie das selektive Lasersintern (SLS)  bei der Kunststoffbearbeitung, das einen Laser verwendet, um Polyamid-basiertes Pulver in nahezu jede denkbare Form zu verschmelzen, erreicht DMLS komplexe Ergebnisse mit Metallen wie Aluminium, Maraging-Stahl und Titan.

So können mittels DMLS etwa kleine, präzise Teile wie Metallkomponenten für medizinische Anwendungen gebaut werden. Wie die meisten additiven Verfahren baut DMLS die Teile wie die Schichten einer Torte von unten nach oben auf. Alles beginnt mit einem 3D-CAD-Modell, das in etwa 0,025 mm dicke Schichten zerlegt wird.

Ein Laser „graviert“ dann jede hauchdünne Schicht des CAD-Modells auf einem Bett aus Metallpulver, das die Konsistenz von Mehl besitzt. Beim Passieren des Laserstrahls werden die Metallpartikel mit den umliegenden Partikeln verschmolzen, wodurch ein Metall mit denselben mechanischen Eigenschaften entsteht wie das in einem Stahlwerk hergestellte Metall. Wenn alle Schichten fertiggestellt sind, wird mit einer Gummirakel zusätzliches Material über das Teil gezogen und der Laser macht sich erneut an die Arbeit, um jede Schicht mit ihrer Vorgängerschicht zu verschmelzen. Dies dauert in der Regel einige Stunden.

Industrie 4.0: Erfolgreich nutzen und umsetzen

Daten, Digital Threads und Industrie 4.0

Einer der bedeutenden Unterschiede zu den Grundpfeilern früherer Revolutionen – Stahl, Dampfmaschinen, Fertigungslinien und integrierte Schaltkreise – ist der, dass man diese sehen, berühren und auch riechen konnte. Nicht so die jetzt bereits einige Jahre andauernde neueste Revolution. Ein Ziel ist es, die unterschiedlichen Mittel und Wege zusammenzubringen und durch die verschiedenen Netzwerke bestehende Design- und Fertigungsprozesse zu rationalisieren. Die besten Optionen und effizientesten Prozesse zur Herstellung von Produkten liegen auf der Hand:

  • Fabriken und Hersteller benötigen verbesserte und angepasste Strukturen
  • Soft- und Hardware werden automatisiert – hierbei dürfen auch die Auswirkungen nicht außer Acht gelassen werden
  • an verkürzte Produkteinführungszeiten sollten auch die vor- und nachgelagerten Prozesse angepasst werden

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Wärmebehandlung verbessert Festigkeit

Dabei betragen die Toleranzen +/- 0,1 mm bzw. 0,1%. So sind laut Proto Labs Teilemerkmale möglich, die kleiner sind als der Punkt am Ende dieses Satzes. Aufgrund der sehr hohen Temperaturen werden häufig kleine Streben benötigt, um das Werkstück während des Bauprozesses zu stützen und Verformungen zu vermeiden. Diese werden im Nachgang wieder entfernt.

Da die Oberflächenrauheit allerdings ähnlich wie beim Druckguss je nach Material und Auflösung variiert, können zudem bestimmte sekundäre Polier- oder sonstige Bearbeitungsschritte notwendig sein. Solche Nachbearbeitungen sind bei vielen Fertigungsverfahren, insbesondere mit Metallteilen, die Regel. Die Wärmebehandlung verbessert die Festigkeit und beseitigt Eigenspannungen, die während der Rohstoffverarbeitung und Hochleistungszerspanung entstehen.

Auch die Oberflächenbehandlung ist ein weiteres gängiges Nachbearbeitungsverfahren. Aluminium wird häufig eloxiert, wodurch es eine kratzfeste Oberfläche in nahezu allen Farben erhält. Mit einem chemischen Film oder durch Chromatieren lässt sich ein guter nicht-dekorativer Schutz erzielen. Diese Methoden funktionieren auch bei Magnesium, obgleich hierbei andere Chemikalien benötigt werden. Kupfer und Messing verfärben sich in Verbindung mit Sauerstoff. Daher kann eine stromlose Vernickelung oder Verchromung durchgeführt werden, wenn ein Schutz benötigt wird.

Edelstahl und Superlegierungen hingegen benötigen nicht viel Schutz, doch Stahl wird in der Regel einer Schwarzoxid-Oberflächenbehandlung unterzogen oder mit Nickel, Cadmium, Zink und anderen Materialien plattiert. Das Lackieren von Stahl ist ebenfalls eine beliebte Option. In diesem Fall wird jedoch eine Vorbehandlung mittels Perlstrahlen oder einem anderen abrasiven Verfahren empfohlen, um vor der Lackierung eine saubere, rostfreie Oberfläche sicherzustellen.

Der Bearbeitungsservice von Proto Labs bietet Perlstrahlen und Rommeln an, um Grate zu entfernen und ein einheitliches Aussehen bearbeiteter Oberflächen zu gewährleisten. Bei DMLS-Teilen werde dies durch das additive Verfahren sichergestellt.

Vielzahl an Hart- und Weichmetallen

Beim Perlstrahlen werden Partikel wie Sand oder Glasperlen unter Hochdruck aufgesprüht, um scharfe Kanten zu glätten und Grate zu beseitigen. Beim Rommeln erzielt man in einem Rommelfass mit Keramik- oder Plastikgranulat den gleichen Effekt erzielt. In der Regel rommelt oder  perlstrahlt  Proto Labs die Teile innerhalb der normalen Bearbeitungszeiten.

Dies ist laut  Proto Labs bei anderen Anbietern oft nicht der Fall und Lieferzeiten um einige Stunden bis eine Woche verlängern. Ferner könne der Kunde seine Teile in den meisten Fällen direkt im Anschluss außerhalb von Proto Labs plattieren, lackieren oder eloxieren lassen.

Proto Labs bietet laut eigenen Angaben eine Vielzahl an Hart- und Weichmetallen an, um allen Bedürfnissen bei der Herstellung von Teilen gerecht zu werden. Werkstoffe wie Stähle und Edelstähle, Kobalt-Chrom und Inconel Superlegierungen, sowie Nichteisenmetalle wie Aluminium und Kupfer decken den größten Teil der physikalischen und chemischen Anforderungen ab.

Allerdings unterliegen die mit den Bearbeitungs- und 3D-Druckverfahren von Proto Labs hergestellten Teile Beschränkungen bei der minimalen und maximalen Größe. Da sich die Möglichkeiten von Proto Labs bei der Fertigung von Teilen ständig erweitern, empfiehlt das Unternehmen die Designempfehlungen für das jeweilige Verfahren, die online unter www.protolabs.de einzusehen sind. Bei CNC-bearbeiteten Teilen wird außerdem von Wänden, die dünner sind als 0,5 mm abgeraten, die Bearbeitungstiefe sollte außerdem 50 mm von jeder Seite nicht überschreiten. Die Toleranzen betragen +/- 0,1 mm. Auch stünden Kobalt-Chrom und Inconel  derzeit nicht für Proto Labs CNC-Bearbeitung zur Verfügung.

Schließlich sind mit dem Verfahren des Direkten Metall-Lasersinterns von Proto Labs zwei Präzisionsniveaus möglich: normale und hohe Auflösungen. Mit beiden lassen sich sehr dünne Schichtdicken und minimale Merkmalgrößen erzielen.

Whitepaper: Schnellfertigung mit Metallen

Das aktuelle werkstofforientierte Whitepaper von Proto Labs informiert über Metalleigenschaften und die Verfahren wie Spritzguss, CNC-Bearbeitung und 3D-Druck, die zur Schnellfertigung benutzt werden. Der Ratgeber untersucht Materialien von Weichmetalle wie Aluminium und Magnesium bis hin zu Hartmetallen wie Stahl oder Edelstahl. Erfahren Sie beispielsweise, welche Werkstoffe die Festigkeit steigern oder Gewicht reduzieren. Das Whitepaper hilft Ihnen, den richtigen Weg zu Prototypen oder Kleinserienteile aus Metall zu finden.

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