Grundlagen

Verfahren des 3D-Metalldrucks

| Autor: Simone Käfer

Renishaw druckt mit dem Pulverbettverfahren SLM. Es ist das verbreitetste Verfahren.
Renishaw druckt mit dem Pulverbettverfahren SLM. Es ist das verbreitetste Verfahren. (Bild: Simone Käfer/MM)

Eine schier unerschöpfliche Zahl an 3-Buchstaben-Begriffen stürzt auf den am 3D-Druck Interessierten ein. Unsere Redakteurin hat versucht, einen Überblick über die additiven metallischen Druckverfahren zu bekommen, und fand heraus: So viele sind es gar nicht.

  • Pulverbettverfahren: SLM/SLS, DML, LMF sowie EBM
  • Auftragverfahren: LMD, DED, DMD, Laser Cladding sowie MPA

Bevor man sich auf Abkürzungen wie SLM, EBM, LMD oder MPA stürzt, bietet es sich an, zuerst zwischen den Techniken Pulverbettschweißen und den Auftragverfahren, wie Laserauftragschweißen, zu unterscheiden. Beim Pulverbettschweißen wird mit einem Schieber eine dünne Schicht des metallischen Materials auf die Bauplattform aufgetragen. Dann schmilzt ein Laser oder ein Elektronenstrahl die gewünschte Form heraus. Nun wird der Bauraum ein wenig abgesenkt und die nächste Schicht Metallpulver wird über das Objekt geschoben. So entsteht Schicht um Schicht das Bauteil.

SLM – Selectives Laserschmelzen

Zu dieser Technik zählt das selektive Laserschmelzen (SLS). Es heißt auch Selective Laser Melting (SLM), direktes Metall-Lasersintern (DMLS) oder Laser Metal Fusion (LMF). Die Bezeichnung SLS wird auch für den Kunststoff-3D-Druck verwendet, wobei das letzte „S” für „Sintern” steht. Die durchschnittliche Pulvergröße beträgt 20 bis 50 µm, aber auch bis 100 µm wird gedruckt. Der Bauraum wird bis knapp unter die Schmelztemperatur des Materials vorgeheizt, so sowohl der Energieverbrauch des Lasers minimiert als auch Verzüge des Bauteils vorgebeugt werden. Außerdem ist die Atmosphäre im Bauraum stickstoffhaltig. Das Restpulver, im Fachjargon „Überkorn”, kann nach einem Siebdurchgang wiederverwendet werden. Stützstrukturen sind bei diesem Verfahren laut Renishaw nur nötig, wenn das Bauteil Überhänge > 45° hat. Grundlegend kompensieren Stützstrukturen natürlich auch Spannungen. Sie werden vor dem eigentlichen Bauprozess mit halber Energiezufuhr des Lasers und doppelter Scangeschwindigkeit hergestellt. Es ist das am weitesten verbreitete Verfahren, das unter anderen von Renishaw, Trumpf, Matsuura, 3D-Systems, Concept Laser, EOS und SLM Solutions umgesetzt wird.

EBM – Schmelzen mit einem Elektronenstrahl

Ein weiteres Pulverbettverfahren ist das Elektronenstrahlschmelzen (Electro Beam Melting, EBM). Die Unterschiede zum SLM-Verfahren entstehen durch den Elektronenstrahl. Er benötigt ein Vakuum, weshalb der Bauraum komplett abgedichtet werden muss. Allerdings muss er nicht vorgeheizt werden, denn die hohe Scangeschwindigkeit erzeugt genügend Vorwärme. Wodurch der Prozess noch schneller ist, aber auch heißer. Schnelligkeit rührt auch daher, dass der Elektronenstrahl aufgespalten werden kann und so an mehreren Stellen Pulver geschmolzen wird. Dieser Vorteil wird zum Nachteil, wenn es um feine Strukturen geht, denn der Elektronenstrahl ist breiter als der des Lasers. Hergestellt werden EBM-Drucker vom schwedischen Unternehmen Arcam.

LMD – Laserauftragschweißen

Bei den Auftragverfahren wird das Pulver punktuell aus einer Düse aufgetragen und erstarrt an Ort und Stelle. Hier unterschiedet man nochmals zwei Techniken: LMD und MPA. Bei beiden Verfahren sind Stützstrukturen meist unnötig. LMD steht für Laser Metal Deposition, zu Deutsch: Laserauftragschweißen. Andere Bezeichnungen sind: Direct Energy Deposition (DED), Direct Metal Depositon (DMD) oder Laser Cladding. Dabei wird das Pulver im Schutzgasstrom ausgedüst und im Schmelzbad des Lasers geschmolzen. So kann das Material punktuell aufgetragen werden. Laut OR Laser eignen sich Pulverteilchen zwischen 40 und 90 µm am besten sowie eine geringe Zufuhrgeschwindigkeit. Denn kleine Partikel und eine hohe Zufuhrgeschwindigkeiten würden die Laserstrahlen blockieren und damit die Effizienz und Qualität des Pulverauftragsschweißens beeinträchtigen.

Das Verfahren ist eine logische Weiterentwicklung des konventionellen Auftragschweißens. Daher eignet es sich besonders für Reparaturen, Beschichtungsarbeiten, Fügeprozesse oder für Bauteile aus unterschiedlichen Materialien. Und das sogar an einer Maschine, da sie von mehreren Pulverbehältern gespeist werden kann. So lassen sich eigene Legierungen mischen und Sandwich-Strukturen drucken. Auch in hybriden Maschinen, die zusätzlich zu additiven Verfahren auch Zerspanungstechnik nutzen, wird LMD eingesetzt. Hier ist zum Beispiel DMG Mori bekannt.

MPA – Wer braucht schon Laser?

Ohne Laser kommt der Metallpulverauftrag (MPA) aus. Sein Hauptvertreter ist Hermle Maschinenbau. Über ein Trägergas werden Pulverpartikel stark beschleunigt und auf ein Substrat oder eine vorherige gedruckte Schicht aufgebracht. Dabei werden sowohl das Pulver als auch die Oberfläche so stark plastisch verformt, dass eine bindende Kontaktfläche entsteht. Ein Pulverstrahl, der mehrere Millimeter umfasst, sowie Aufbauraten von über 200 cm³ pro Stunde prädestinieren das thermische Spritzverfahren für einen vergleichsweise massiven Volumenaufbau auf mittleren bis großen Bauteilflächen. Auch hier ist eine Kombination mehrere Materialien möglich. Dieses additive Verfahren kombiniert der Hersteller mit einer Zerspanungsmaschine.

3D-Metalldrucker fürs Laserschmelzen

Produktetrend

3D-Metalldrucker fürs Laserschmelzen

14.06.17 - Heute erschmilzt man sich seine metallischen Ersatzteile. Nebenbei können sie dann auch noch verbessert werden. Dafür stellen wir Ihnen heute drei 3D-Metalldrucker vor, die nach dem Laserschmelzverfahren arbeiten. lesen

Die neue Freiheit der Konstrukteure

3D-Druck

Die neue Freiheit der Konstrukteure

05.06.17 - Alles ist nun möglich, dem Design sind kaum noch Grenzen gesetzt, endlich geht es um Funktion. Also müssten überall frohlockende Konstrukteure stehen, die sich auf die Additive Fertigung stürzen. Aber dem ist nicht so. lesen

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben
  1. Avatar
    Avatar
    Ausklappen
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Ausklappen
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 44757111 / Konstruktion)

Dossier Biegen

Gekonnt biegen

Erfahren Sie hier mehr über die Möglichkeiten des Biegens und wie diese in der Praxis aussehen können. lesen

Kompendium Maschinensicherheit Ausgabe 2017

Zum Glück gibt es die Funktionale Sicherheit

Maschinensicherheit zählt zu den wichtigsten Themen für Konstrukteure und Entwickler. Grund genug für die konstruktionspraxis, die spannendsten Artikel rund um Funktionale Sicherheit in einem Kompendium zusammen zu fassen. lesen

Glossar 4.0

Diese 20 Begriffe rund um Industrie 4.0 müssen Sie kennen!

Predictive Maintenance, Retrofit und Digitaler Schatten – wer soll da noch den Überblick behalten? Wir haben 20 wichtige Begriffe zusammengefasst und kurz erklärt. lesen

DER BRANCHENNEWSLETTER Newsletter abonnieren.
* Ich bin mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung und AGB einverstanden.
Spamschutz:
Bitte geben Sie das Ergebnis der Rechenaufgabe (Addition) ein.