Spezialisten für den Metall 3D-Druck
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Was ist additive Fertigung, Metall 3D-Druck und Selektives Laserschmelzen?

Das Selektive Laserschmelzen (SLM) ist ein additives Fertigungsverfahren zur form- und werkzeuglosen Herstellung von Bauteilen aus Metallpulver. Das Verfahren wird oft auch als SLM (Selective Laser Melting), DMLS (Direct Metal Laser Sintering), LaserCUSING, Additive Layer Manufacturing, LMF (Laser Metal Fusion), LBM (Laser Beam Melting) oder Metall 3D-Druck bezeichnet.

Das additive Fertigungsverfahren ist nicht an konventionelle Fertigungsrichtlinien gebunden. Das zu fertigende Bauteil wird aus Metallpulver Schicht für Schicht mithilfe des Lasers durch Mikroschweißprozesse aufgebaut. Dabei entsteht das physikalisch dichte Bauteil endkonturnah im Pulverbett. Nicht aufgeschmolzenes Metallpulver kann nach dem Bauprozess wiederverwendet werden.

Die Gesaltungsrichtlinien, die zum Beispiel bei der Zerspanung oder dem Gießen gelten, kommen nicht zur Anwendung. Dadurch kann die meist funktionsoptimierte Bauteilgeometrie unter Umständen nicht mehr durch konventionelle Fertigungsverfahren hergestellt werden. Durch den schichtweisen Aufbau beim Metall 3D-Druck können selbst hochkomplexe Geometrien ohne Mehraufwand erzeugt werden.

Zu funktionsoptimierten Geometrien zählen beispielsweise konturnahe, innenliegende Kanalstrukturen, durch die eine wesentlich bessere Kühl- oder Heizwirkung realisiert werden kann. Darüber hinaus ergeben sich auch Möglichkeiten, die Funktionen von komplexen Baugruppen in einem Bauteil zusammenzufassen. Bei diesem als Integralbauweise bezeichneten Design wird der Nachbearbeitungs- und Montageaufwand reduziert, da einzelnen Komponenten schon während der Fertigung miteinander kombiniert werden. Auch Leichtbauanwendungen profitieren vom Metall 3D-Druck, da durch Topologieoptimierung, eingebrachte Hohlräume oder Wabenstrukturen an unbelasteten Geometriebereichen hohe Gewichtseinsparungen bei guter Steifigkeit realisiert werden können.








Was ist der Unterschied zwischen Laserschmelzen und Lasersintern?

Beim Laserschmelzen handelt es sich um einen Mikroschweißprozess. Bei dem Verfahren werden die einzelnen Metallpulverpartikel soweit aufgeschmolzen, dass sie sich mit dem umliegenden Material verbinden. So entsteht eine stoffschlüssiger Zusammenhalt zwischen und innerhalb der einzelnen Schichten.

Das Lasersintern beschreibt ein Verfahren, welches vor allem bei Kunststoffen Anwendung findet. Hierbei wird der Pulverwerkstoff nicht vollständig aufgeschmolzen, sondern nur soweit erhitzt, dass sich die Partikel partiell verbinden. So entsteht unter Umständen ein poröses Bauteil.

Ein mittels Selektivem Laserschmelzen hergestelltes Bauteil zeichnet sich durch das vollständig dichte, metallische Gefüge durch gute mechanisch-technologischen Werkstoffeigenschaften aus. Daher sind die Produkte auch für hoch beanspruchte Anwendungsfälle einsetzbar.








Was muss bei der Konstruktion beachtet werden?

Das Metall 3D-Druck Verfahren Selektives Laserschmelzen ermöglicht hohe Freiheitsgrade bei der Gestaltung von Bauteilen. Viele der Restriktionen konventioneller Fertigungsverfahren gelten nicht oder nur in eingeschränkter Ausprägung. Trotzdem müssen Gestaltungsrichtlinien eingehalten werden, um qualitativ hochwertige, funktionale Bauteile wirtschaftlich fertigen zu können.

Beispielsweise müssen Formschrägen, die in Bezug auf die Aufbaurichtung einen Winkel größer oder gleich 45° haben, durch Stützstrukturen abgestützt werden. Andernfalls entstehen Überhänge, an denen es durch thermisch induzierten Eigenspannungen zu Prozessfehlern kommt. Daraus kann eine minderwertige Oberflächenqualität oder im schlechtesten Fall ein Prozessabbruck resultieren. Die Stützstrukturen werden im Preprocessing konstruktiv vorgesehen und später dann beispielsweise durch spanende Fertigungsverfahren entfernt.

Auch innenliegende, runde Kanäle müssen ab einem Durchmesser von 8 mm abgestützt werden. Alternativ können die Kanalgeometrien beispielsweise selbststützend ausgeführt werden.

Vor allem erfahrene Konstrukteure stehen vor der Herausforderung, ihr bestehendes Know-how auf die neue Denkweise des Metall 3D-Drucks anzupassen. Hierfür hat Rosswag Engineering ein angepasstes Workshopprogramm entwickelt.








Welche Vorteile ergeben sich durch den Metall 3D-Druck?

Der wirtschaftliche Nutzen durch den Metall 3D-Druck hängt stark von der Geometrie und dem Anwendungsfall ab. In der Regel können folgende Vorteile erzielt werden:

  • Produktionskosten unabhängig von der Bauteilkomplexität
  • Gewichtsreduktion durch Topologieoptimierung oder Leichtbaustrukturen
  • Funktionsoptimierung durch hybride oder integrale Bauweise
  • Konstruktive Freiheitsgrade bei der Bauteilentwicklung
  • Formlose und endkonturnahe Fertigung für verkürzten Produktentwicklungsprozess
  • Mehrwert im Materialsystem durch Werkstoffwahl und Parameteranpassung 








Welche Werkstoffe sind für den Metall 3D-Druck verwendbar?

Prinzipiell kann beim Selektiven Laserschmelzen jede schweißbare Metalllegierung verarbeitet werden. Allerdings müssen für jeden Werkstoff die individuellen Prozessparameter in mehreren Iterationszyklen qualifiziert werden. Die dafür notwendigen Parameterstudien stellen einen erheblichen Aufwand dar und werden von unseren erfahrenen Ingenieuren anwendungsspezifisch durchgeführt. 

In der Regel empfehlen wir deswegen für erste Musterbauteile auf unsere Standardwerkstoffe zurückzugreifen:

  • Edelstahl (1.4404 / 316L)
  • Werkzeugstahl (1.2709)
  • Aluminium (AlSi10Mg / 3.2382 / 3.2383)
  • Titan (Ti6Al4V / 3.7165)
  • Nickelbasis Legierung (Alloy 718 / 2.4668)

Weitere Werkstoffe können jederzeit auf Anfrage qualifiziert werden. Dafür verfügen wir über unsere eigene Verdüsungs-, Aufbereitungs- und Prüftechnologie. Bei Rosswag greifen wird auf das Know-how bei der Verarbeitung von über 400 Werkstofflegierungen zurück. Damit können wir Ihnen individuelle Werkstoffe entwickeln, herstellen und qualifizieren.








Für welche Bauteile und Anwendungen ist der Metall 3D-Druck geeignet?

Das Metall 3D-Druck-Verfahren Selektives Laserschmelzen hat den entscheidenden Vorteil, dass die Bauteile aus Metallpulver schichtweise, form- und werkzeuglos aufgebaut wird.

Das additive Fertigungsverfahren ist nicht für jeden Anwendungsfall und jede Baueilgeometrie geeignet. Vor allem bei einfachen Geometrien stellen die im Vergleich zur konventionellen Fertigung höheren Fertigungskosten der Rohteile einen Nachteil dar. Diese können nur dann wirtschaftlich gerechtfertigt werden, wenn durch die additive Herstellung ein funktionaler Mehrwert in das Bauteil eingebracht werden kann, der mit anderen Fertigungstechnologien nicht realisierbar ist.

Wir geben Ihnen gerne eine erste Einschätzung zur Machbarkeit und Wirtschaftlickeit Ihres Bauteils.

Durch die beschriebenen Prozesseigenschaften eignet sich der Metall 3D-Druck ideal zur Herstellung von Prototypen, Werkzeugen und Kleinserien direkt aus 3D CAD-Daten. Mittels Selektivem Laserschmelzen hergestellte Bauteile zeichnen sich durch komplexe, funktionsoptimierte Geometrie und gute Materialeigenschaften aus.

Die Bauzeit und damit die Fertigungskosten sind vorrangig abhängig vom aufzuschmelzenden Materialvolumen des Bauteils und der benötigten Stützstruktur. So beträgt die Fertigungsdauer im SLM-Prozess von der Bestellung bis zur Fertigstellung je nach Auftragslage lediglich wenige Stunden bis Tage. Anschließend sind meist noch weitere Prozesschritte der Nachbearbeitung und Qualitätssicherung bis zur Auslieferung des Bauteils notwendig. 








Ist der Metall 3D-Druck mit dem Kunststoff 3D-Druck vergleichbar?

Kunststoffe lassen sich in zahlreichen Verfahren additiv verarbeiten. Dazu gehört die Stereolithographie, das extrusionsbasierte Verfahren, das Binder-Jet-Verfahren und auch das Selektive Lasersintern. 

Bauteile aus Kunststoff werden häufig für Designprototypen ohne Funktion und Lastfall verwendet. Diese werden aber aufgrund ihrer geringen Festigkeit häufig nicht den mechanischen Anforderungen eines funktionalen Prototyps gerecht. Die Kunststoffbauteile weisen häufig sehr spröde Materialeigenschaften auf.

Auch die Konstruktionsrichtlinien unterscheiden sich von denen des Metall 3D-Drucks. Beim Kunststoff 3D-Druck werden weniger oder keine Stützstrukturen benötigt, da aufgrund geringerer Temperaturgradienten weniger Eigenspannungen entstehen. Falls doch Stützstrukturen benötigt werden, lassen sich diese in Wasser lösen oder durch manuelle Nacharbeitsprozesse einfach entfernen.