Das sind die wichtigsten additiven Fertigungsverfahren

Sie wollen ein Metall-Bauteil fertigen, das sehr komplexe, nahezu unmögliche Strukturen aufweist? Sie brauchen eine zuverlässige On-Demand-Produktion? Oder Sie wollen schnell einen Prototyp erstellen, ohne Ihre laufende Produktion unterbrechen zu müssen? Dann kann die additive Fertigung eine gute Alternative zur abtragenden Fertigung sein.

Nun ist die Anschaffung eines 3D-Druckers für metallische Werkstoffe nicht ganz einfach, denn Sie müssen sich zunächst für eines von vielen verschiedenen additiven Fertigungsverfahren entscheiden. Damit Ihnen das leichter fällt, stellen wir Ihnen die am häufigsten in der Industrie verwendeten Fertigungsverfahren vor und die Verfahren, die es in den nächsten Jahren ebenfalls schaffen werden.

Wer auf der Suche nach relevanten Anwendungsgebieten ist, der findet die passenden Informationen in diesem Artikel: "Wofür die Industrie 3D-Druck am häufigsten nutzt".

Selektives Laserschmelzen

Das selektive Laserschmelzen ist das am häufigsten verwendete Verfahren für den industriellen 3D-Druck mit Metall. Es wird auch als Laser Beam Melting (LBM), Selective Laser Melting (SLM) oder Laser Powder Bed Fusion (LPBF) bezeichnet. Bei dem Verfahren werden die Teile schichtweise in einem Pulverbett aufgebaut.

Zunächst wird die Kammer des 3D-Druckers mit Schutzgas gefüllt und eine dünne Schicht des zu verarbeitenden Metallpulvers auf eine Grundplatte aufgebracht. Anhand der CAD-Daten fährt ein (bei Multilaser-Systemen auch mehrere) Laser das Pulverbett ab und verschmilzt das Metall an den programmierten Konturen und Flächen. Dann wird die Platte abgesenkt, eine weitere Pulverschicht wird aufgetragen und der Laser verschmilzt die nächste Schicht mit der vorherigen. So entsteht nach und nach das Bauteil.

Ist es fertig, dann wird das überschüssige Pulver entfernt (und recycelt), das Teil von der Grundplatte abgetrennt sowie Stützstrukturen entfernt. Gegebenenfalls wird das Werkstück danach noch einer Wärmebehandlung unterzogen, um thermische Spannungen zu eliminieren, oder es wird anderweitig nachbearbeitet (Schleifen, Polieren,...).

Die Vorteile des selektiven Laserschmelzens im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren für Metalle sind die damit erreichbaren Oberflächen-Beschaffenheiten (Erreichbare Mittenrauwerte R_avon ungefähr 4 bis 10 Mikrometer) sowie die möglichen mechanischen Eigenschaften, wie eine sehr hohe Dichte. Diese Eigenschaften entsprechen häufig denen von Teilen, die mit herkömmlichen Verfahren gefertigt wurden. Außerdem ist das Angebot an Materialien für LBM besonders umfangreich und reicht weit über die Standard-Metalle hinaus.

Die Nachteile des Verfahrens sind, dass der Fertigungsprozess noch immer vergleichsweise langsam abläuft und relativ teuer ist.

3D-Drucker, die Metall mittels selektivem Laserschmelzen drucken, werden von vielen verschiedenen Herstellern angeboten, teils unter etwas abweichenden Bezeichnungen. Dazu gehören beispielsweise SLM solutions, DMG Mori, Coherent, GF Machining Solutions/3D Systems (Direct Metal Printing), Eos (Direct Metal Laser Sintering), Trumpf (Laser Metal Fusion) oder Concept Laser/GE Additive (Direct Metal Laser Melting mit Laser Cusing).

Wie es aussieht, wenn Teile mittels selektivem Laserschmelzen hergestellt werden, sehen Sie in diesem Video:

Video: So funktioniert selektives Laserschmelzen

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Selektives Elektronenstrahlschmelzen

Ein dem Laserschmelzen ähnliches Fertigungsverfahren ist das selektive Elektronenstrahlschmelzen, auch Electron Powder Bed Fusion (E-PBF) oder Electon Beam Melting (EBM) genannt. Der Prozess verläuft analog zum Laserstrahlschmelzen in einem Pulverbett, in dem das Bauteil schichtweise mittels dem Aufschmelzen des Materials entsteht. Allerdings wird anstatt des Lasers - wie es der Name schon sagt - ein Elektronenstrahl eingesetzt. Außerdem wird die Kammer des 3D-Druckers nicht mit Schutzgas befüllt, sondern gänzlich leer gepumpt, sodass ein Vakuum vorherrscht.

Die Voraussetzung für das Elektronenstrahlschmelzen ist, dass das Material leitfähig ist. Nur so kann die Wechselwirkung zwischen den Elektronen und dem Pulver auftreten. Dies ist bei den meisten Metallen allerdings gegeben, weshalb diese Eigenschaft der Elektronen im Bereich des metallischen 3D-Drucks nur selten ein Nachteil ist.

Ein Vorteil der Elektronen ist, dass sie tiefer in das Material eindringen, als die Photonen des Lasers; dementsprechend lassen sich Teile mit einer noch höheren Dichte herstellen. Außerdem kann der Elektronenstrahl aufgeteilt werden und somit an mehreren Stellen gleichzeitig arbeiten, während bei LBM dafür mehrere Laserquellen notwendig sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Prozess aufgrund der hohen Energiedichte des Elektronenstrahls eine höhere Produktivität hat als das Laserschmelzen.

Allerdings ist EBM weniger genau (zirka ± 0,2 Millimeter im Vergleich zu ± 0,05 bis 0,2 mm bei LBM) und produziert geringere Oberflächengüte (R_a von ungefähr 20 bis 25 Mikrometer), was daran liegt, dass der Elektronenstrahl breiter ist als ein Laser.

Erfunden wurde das Elektronenstrahlschmelzen von ArcamEBM (mittlerweile Teil von GE Additive); aber beispielsweise auch Mitsubishi Electric, Wipro 3D oder Freemelt bieten Maschinen dafür an.

Wie der Prozess abläuft und welche Teile damit entstehen können zeigt Ihnen auch dieses Video:

Video: So funktioniert selektives Elektronenstrahlschmelzen

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Laserauftragschweißen

Das Laserauftragsschweißen kann sehr vielseitig eingesetzt werden: zum Beispiel zur Beschichtung (Laser Cludding) oder Reparatur von Bauteilen und zur additiven Metallfertigung im Allgemeinen. Andere Bezeichnungen für das Verfahren sind Laser Metal Deposition (LMD), Direct Metal Deposition (DMD) oder Direct Energy Deposition (DED). Die industriell etablierte Variante verwendet dafür Metallpulver wie die beiden selektiven Schmelzverfahren, allerdings auf signifikant andere Weise.

Beim Laserauftragschweißen wird zunächst die Bauteiloberfläche, auf der die generativ gefertigten Strukturen entstehen sollen mithilfe eines Laser aufgeschmolzen, wodurch ein Schmelzbad entsteht; gleichzeitig bringt eine Düse Metallpulver ein. Dieses schmilzt auf und verbindet sich mit dem Grundwerkstoff. Die Schichten (Raupen) können jeweils zwischen 0,01 und 1,5 Millimeter dick sein.

Die Technologie wird häufig bei hybriden Verfahren eingesetzt, sprich, wenn abtragende und generative Fertigung in einer Maschine erfolgen oder wenn der 3D-Drucker eine andere Anlage in der Prozesskette ersetzt. Konventionelle Verfahren, die vom Laserauftragschweißen abgelöst werden können, sind beispielsweise das Metallschutzgasschweißen oder das thermische Spritzen.

Ein Vorteil von LMD ist, dass bei der generativen Fertigung zwischen verschiedenen Materialien hin und her gewechselt werden kann, was eine sehr hohe Gestaltungsfreiheit erlaubt. Es lassen sich Mischschichten erzeugen und sogar Legierungen herstellen. Außerdem kann verglichen mit anderen Verfahren im Bereich additive Fertigung eine besonders hohe Härte erreicht werden.

Allerdings erzeugt das Verfahren rauere Oberflächen und wird von vielen als nicht stabil und wiederholbar genug erachtet, um es als vollwertiges generatives Fertigungsverfahren zu nutzen. Deshalb sind Reparaturen momentan das Haupteinsatzgebiet, da Laserauftragschweißen hier mit dem geringen Materialverbrauch punkten kann und damit, dass es manche Reparaturvorgänge (zum Beispiel von Werkzeugen oder Turbinen) überhaupt möglich macht.

Angeboten werden Laserauftragschweißen-basierte 3D-Drucker zum Beispiel von Trumpf, Prima Additive, Coherent und Addi Tec. Mazak, Ibarmia, Okuma und DMG Mori bieten in diesem Bereich hybride Werkzeugmaschinen an.

Übrigens kann statt Pulver auch Draht verwendet werden; das nennt sich dann Wire Laser Deposition. Allerdings ist diese Art noch nicht so häufig im industriellen Einsatz.

Wie das Laserauftragschweißen mit Pulver abläuft, können Sie in folgenden Video beobachten. Ab 1:15 sehen Sie den Einsatz in der Additiven Fertigung.

Video: So vielfältig ist das Laserauftragschweißen

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Wire Arc / Plasma Arc Energy Deposition

Wie auch beim Schweißen ist das Auftragschweißen als generatives Verfahren nicht nur mit dem Laser möglich, sondern auch mit dem Lichtbogen oder Plasma-Lichtbogen. Dafür können stabile Schweißsysteme mit guter Wärmeableitung genutzt werden, was die technischen Voraussetzungen vereinfacht. Es gibt aber auch komplette 3D-Drucker, die dieses Fertigungsverfahren nutzen.

In den meisten Fällen wird hier Metalldraht als Werkstoff genutzt, was ein einfacheres Handling und eine höhere Materialausnutzung als bei Pulver ermöglicht.

Das Verfahren zeichnet sich mit kurzen Fertigungszeiten aus, da Abschmelzleistungen von bis zu vier Kilogramm in der Stunde möglich sind. Allerdings kann die Bauteilqualität nicht mit der von anderen additiven Fertigungstechnologien mithalten, weshalb die Teile lediglich als hochwertige Rohlinge gesehen werden können und stets noch spanend nachbearbeitet werden sollten.

Angeboten wird dieses Verfahren unter anderem von Norsk Titanium (Rapid Plasma Deposition), Gefertec (3DMP), Wayland Additive und Mazak (als Hybridmaschine).

Wofür das Lichtbogen-Auftragschweißen in Zukunft beispielsweise genutzt werden kann, zeigt dieses Video von Gefertec:

Video: Die Zukunft des Lichtbogen-Auftragschweißens

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Wire Feed Electron Deposition

Geht es um das auftragende Verschweißen von Metalldrähten, gibt es außerdem auch die Möglichkeit einen Elektronenstrahl anstatt Laser oder Lichtbogen zu verwenden.

Das Verfahren läuft ähnlich ab wie die zuvor genannten Auftragschweiß-Prozesse, muss aber im Vakuum stattfinden. Im Vergleich zu den anderen additiven Technologien, ermöglicht Elektronenstrahl eine schnellere Erstellung von besonders großen Bauteilen.

Hergestellt werden Maschinen für dieses Verfahren vom US-Unternehmen Sciaky. Wie sich damit große Teile produzieren lassen, zeigt das folgende Video:

Video: Elektronenstrahl-Auftragschweißen für große Teile

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Die oben beschriebenen Verfahren sind alle bereits industriell etabliert. Es gibt aber auch weitere Verfahren, die bereits weit fortgeschritten sind und die wir Ihnen im Folgenden vorstellen möchten.

Metal Binder Jetting

Das Metal Binder Jetting (MBJ) ist keine neue Technologie, sondern eines der ersten additiven Fertigungsverfahren. Allerdings wurde es einige Zeit vernachlässigt und hat demnach noch nicht den industriellen Reifegrad der zuvor beschriebenen Anwendungen erreicht. Doch nun erlebt das indirekte generative Fertigungsverfahren eine Renaissance: Laut einer Studie von AM Power wird MBJ in den kommenden zwei Jahren in der Industrie Fuß fassen und könnte innerhalb von zehn Jahren die Pulverbettverfahren überholen, was die Häufigkeit der industriellen Nutzung angeht.

Beim Metal Binder Jetting wird zunächst eine Pulverschicht auf die Druckplatte aufgetragen und dann von einem Druckkopf (wie beim Tintenstrahldrucker) selektiv ein flüssiges Bindemittel eingebracht, um Metallpulver-Teilchen Schicht für Schicht zu verbinden. Genau wie bei den anderen Technologien wird dies so lange wiederholt, bis alle einzelnen Schichten des Werkstücks fertig aufgebaut sind. Allerdings ist das Bauteil damit noch nicht fertig, sondern es handelt sich noch um ein zerbrechliches Grünteil. Es müssen also Nachbearbeitungsschritte wie Aushärten, Sintern oder Infiltration folgen.

Von Vorteil ist, dass beim MBJ das Metallpulver während der Fertigung nicht geschmolzen wird, was Spannungen im Zusammenhang mit dem Schicht-Aufbau vermeidet. Des Weiteren werden im Vergleich zu den Pulverbett-Fertigungsverfahren keine Stützstrukturen benötigt, was die Zahl Nachbearbeitungsoperationen verringert. Das bedeutet auch, dass der Bauraum des 3D-Druckers mit mehr Bauteilen aufgefüllt werden kann, da das Stapeln und vor allem Verschachteln möglich wird. 

Binder Jetting ist vergleichsweise schnell und preiswert, aber die mechanischen Eigenschaften der Teile sind eingeschränkt und hängen sehr stark von der Nachbearbeitung ab. 3D-Drucker für dieses Verfahren werden unter anderem von ExOne und Desktop Metal angeboten.

Diese kurze Animation von ExOne zeigt Ihnen in weniger als einer Minute, wie das Additive Fertigungsverfahren Binder Jetting abläuft:

Video: So funktioniert 3D-Druck mittels Metal Binder Jetting

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Cold Spray

Cold Spray Additive Manufacturing (CSAM) ist eine besondere Variante des Kaltgas-Spritzens, mithilfe derer frei stehende Bauteile oder Aufbauten hergestellt werden können. Dazu werden Pulverpartikel in einem komprimierten Gasstrom in Richtung einer Trägerplatte beschleunigt. Beim Aufprall auf diese Platte wird kinetische Energie frei, die zu einer plastischen Verformung führt: Die Partikel verbinden sich zu einer festen Schicht, auf die dann weitere aufgebaut werden können. Die Wechselwirkung zwischen den Metallpartikeln erzeugt zwar Wärme, allerdings nicht genug, um das Pulver zu verschmelzen - daher auch der Name Cold Spray.

Genau dieser kalte Ablauf ist auch der größte Vorteil des Fertigungsverfahrens. Denn die meisten Technologien für die additive Fertigung von Metall finden unter hohen Temperaturen statt, was eine thermische Reaktion der Werkstoffe zur Folge hat. Cold Spray gibt daher vor allem Sinn bei der Verarbeitung von Metallen, die bei schneller Erstarrung zu Rissen neigen.

Der Nachteil ist auch hier vor allem die geringe Genauigkeit von circa plus minus einem bis drei Millimeter und die gröberen Oberflächengüten R_a von ungefähr 10 bis 50 Mikrometern.

Systeme für dieses Verfahren fertigen beispielsweise Impact Innovations, Titomic und Spee3D. Auch Werkzeugmaschinenbauer Hermle bietet dieses Verfahren als Dienstleistung an (unter dem Namen MPA).

Wie das Verfahren genau funktioniert, zeigt diese Prozess-Animation:

Video: So funktioniert das additive Fertigungsverfahren Coldspray

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Fused Deposition Modeling

Fused Deposition Modeling (FDM), Schmelzschichtung oder Fused Filament Fabrication (FFF) beschreibt einen Prozess zur additiven Fertigung, bei dem ein Werkstoff-Draht geschmolzen wird, durch eine Düse extrudiert wird und dann auf eine Bauplatte aufgetragen wird. Dort kühlt das Material aus und härtet ab. Beim Fused Deposition Modeling sind wie bei den Pulverbett-Verfahren Stützstrukturen notwendig, um die Teile auf der Bauplatte zu befestigen und Überhänge abzusichern.

Bisher ist das Verfahren hauptsächlich für den 3D-Druck von Kunststoffen und Keramik im Einsatz - einige Anbieter entwickeln aber nun auch Metall-3D-Drucker im Umfeld von FDM, dazu gehören Stratasys, Markforged, Xerion und Triditive.

Vorteilhaft ist, dass sich mit FDM noch vielfältigere Gestaltungsmöglichkeiten ergeben. Zum Beispiel lassen sich verschiedene Materialien kombinieren, wie dieses Video zeigt:

Video: 3D-Druck eines Bauteils aus Edelstahl und Keramik mittels Fused Filament Fabrication

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Neben den in diesem Beitrag beschriebenen Verfahren gibt es noch einige weitere, die in etwas fernerer Zukunft ebenfalls Einzug in den industriellen 3D-Druck halten könnten. Zu diesen Newcomern gehören laut der AM-Power-Studie beispielsweise additive Fertigungsverfahren wie das Resistance Welding und die Friction Deposition.