3D-Druck mit Metall–Verfahren & Anwendung erklärt

Das 3D-Metalldruckverfahren ist die derzeit wohl innovativste, sowie zugleich faszinierendste Technik auf dem Markt. Es gibt kaum einen Industriezweig, der nicht von der Verfahrenstechnik profitieren kann. Sie denken darüber nach, auch Ihre Produktion auf 3D-Druck umzustellen?

Dann ist dieser Artikel etwas für Sie. Hierin beschreiben wir interessante Hintergründe rund um das Thema und stellen Ihnen eine Übersicht über die wichtigsten Verfahren des Metalldruckens zur Verfügung. Auch über die Vor- und möglichen Nachteile des 3D Drucks in Metall informieren wir. Sie erfahren, innerhalb welcher Branchen sich die 3D-Drucktechnologie bereits etabliert hat und wie ein Modell in 3D hergestellt wird.

Wie funktioniert ein 3D-Druck mit Metall?

Der Begriff 3D-Druck ist ein Sammelbegriff und beschreibt ein Sammelsurium an additiven Fertigungstechniken, bei denen Material schichtweise zu einem dreidimensionalen Werkstück führt. Nachfolgend erhalten Sie eine Übersicht über die vier wichtigsten 3D-Druckverfahren.

Fused Deposition Modeling (FDM)

Dieses Verfahren kommt primär für die Herstellung funktionaler Prototypen und Werkzeuge infrage. Dabei wird ein Kunststoffdraht (Filament) im sogenannten Hotend des Druckers geschmolzen und landet danach Schicht für Schicht wieder im Druckbett. Das Material verhärtet sich im Anschluss wieder. 

Für die FDM-Methohode geeignete Materialien: 

• PLA (Polyactic)
• PVA (Polyvinylalkohol)
• HIPS (High-Impact Polystyrene)
• PET (Polyethylenterephthalat)
• Nylon
• Filamente auf Basis von z. B. Metall, Stein, Holz

Polyjet-Verfahren (Multijet-Modelling MJM)

Feinste Tröpfchen eines Photopolymers werden beim Multijet-Modelling per Druckkopf auf eine Plattform aufgetragen. Diese wird anschließend unter UV-Licht gelegt und härtet dort aus. Im Polyjet-Verfahren können nicht nur unterschiedliche Materialien verwendet, sondern sogar gemischt werden. Dadurch und durch die Möglichkeit der Verarbeitung hauchdünner Schichten von bis zu 14 μm ist das Polyjet-Verfahren für die Herstellung individueller Prototypen sehr beliebt. 

Stereolithographie (SLA)

Wer das Ziel hat, komplexe geometrische Bauteile herzustellen, ist mit SLA gut beraten. Bei dieser Methode ist die Grundlage ein mit Resin (Photopolymer-Harz) gefülltes Becken. Verwendet werden kann photosensitives Material. Dieses wird unter Einsatz eines UV-Lasers ausgehärtet und die Plattform abgesenkt. Dieser Prozess erfolgt nun Schicht um Schicht, durch eingesetzte Stützstrukturen entstehen erstaunlich präzise Ergebnisse. 

Selective-Laser-Sintering (SLS)

Prototypen sowie fertige Bauteile können auch im SLS-Verfahren hergestellt werden. Hierbei handelt es sich um ein pulverbettbasiertes 3D-Druckverfahren. Der SLS-3D-Drucker formt dabei Bauteile durch selektives Lasersintern. Auch dabei wird jede Schicht einzeln aufgetragen. Genaue Ergebnisse sind Ihnen auch bei dieser Methodik garantiert.  

Wofür werden gedruckte Objekte aus Metall benötigt?

Von der innovativen Technologie des 3D Metall-Druckverfahrens profitieren eine weitläufige Anzahl an Industrien. Nachfolgend einige Beispiele: 

• Automobilbranche

Innerhalb der Automobilindustrie hat sich die additive Fertigungstechnologie bereits vor einiger Zeit etabliert. Sowohl Prototypen als auch End- und Ersatzteile werden erfolgreich damit hergestellt. Die mit Abstand größte Abnehmerschaft von Metallteilen in 3D Druck zeichnet sich im Motorsport ab. 

Das hat zum einen den Grund, dass unter dem Einsatz von 3D Metalldruckern deutlich an Geld und Zeit gespart werden kann und das bei gleichbleibender Qualität. Weiterhin sind komplexe Eigenschaften von Einzelkomponenten in der Regel schnell umsetzbar. Die Zahl der Kooperationspartnerschaften im Bereich 3D-Druck im Amateur- sowie Profi-Motorsport wächst stetig. Darüber hinaus finden 3D-Metallbauteile Einsatz in der Restauration von Oldtimern, an deren defekte Bauteile ansonsten nur noch schwer heranzukommen ist. 

• Luft- und Raumfahrtindustrie

Für die Luft- und Raumfahrt ist die Leichtbauweise von 3D Metalldruck-Komponenten von entscheidender Bedeutung. Mit dem Verfahren produziert werden unter anderem Prototypen sowie Bauteile und Komponenten für Trägerraketen, Satelliten und Transportfahrzeuge. 

Selbst wenn qualitativ hochwertige 3D-Metalldrucker gut und gerne rund eine Million Euro im Budget verschlingen, rechnen sie sich laut Luftfahrinstitutionen aufgrund ihres geringen Materialverschleißes, ihrer kurzen Fertigungszeit sowie der hervorragenden Materialfestigkeit gegenüber konventionellen Herstellungsmethoden. 

• Industrie und Handel

Der 3D-Metalldruck ist auch in der Werkzeugherstellung eine beliebte Verfahrensmethode. Diverse Industriewerkzeuge können mit Zusatzfunktionen ausgestattet werden und können damit andere Produktionseinsätze schneller und wirtschaftlicher gestalten. Auch innerhalb dieses Industriezweiges rechtfertigen die langfristigen Leistungsverbesserungen die hohen Anschaffungskosten 3D-Geräte. 

Beliebt ist etwa die Herstellung von Metallformen mit internen, gleichmäßigen Kühlkanälen unter Verwendung des DMLS-/SLM-3D-Drucks. Eine noch preisgünstigere Alternative für die Produktion moderner 3D-Druckkomponenten kann die Auslagerung der Produktion an professionelle Produktionswerkstätten wie CNC24 sein. Hier entfällt die Anschaffung eines 3D-Druckgerätes komplett. Gerne beraten wir Sie zu Ihren individuellen Wünschen und Anforderungen Ihres Projektes. 

• Medizin- und Biomedizinbranche

3D-Metalldrucker sind außerdem in der Lage, organische Strukturen zu erstellen. So ist die Herstellung kundenspezifischer Prothesen und Implantate heutzutage eine der Haupteinsatzgebiete des 3D-Druckverfahrens in der Medizin. Dazu verwendet werden biokompatible Materialien wie Titan. 

Zusätzlich dienen Chirurgen 3D-Modelle auch zum Training und der OP-Vorbereitung. Gerade in den USA werden sie regelmäßig eingesetzt und sollen medizinische Fehler in der Zukunft reduzieren. Zusätzlich können die Modelle auch Anschauungsmaterial für Patienten darstellen. Die Biomedizin befindet sich in der fortlaufenden Forschungsphase des Druckens von menschlichen Organen und Stammzellen. 

• Forschung und Innovation
  

Für die Forschung war und ist die Erfindung des 3D-Drucks ein großer Schritt in Richtung Zukunft. Druckverfahrenstechniken, wie die Metallextrusion, sind zeitersparend. Sie verkürzen Markteinführungsprozesse im Vergleich zu traditionellen und firmeninternen Möglichkeiten teils um ein Vielfaches. 

Ferner sind dank der 3D-Metalldrucktechnik Innovationen möglich, die unsere Vorstellungskraft im letzten Jahrzehnt noch überschritten hätte. Beispielsweise ist es, neuesten Nachrichten des 3D Grenzenlos Magazins zufolge, Forschern gelungen, einen 3D-Medikamentendrucker zu entwickeln. Auf den Patienten abgestimmte, gedruckte Medikamente erlauben die Freisetzung von Wirkstoffen an den Körper über bestimmte Geometrien oder Oberflächen. Weitere Vorteile könne der Drucker unter anderem in der Präzisionsmedizin mit sich bringen. 

Mit welchen Metallen kann ein Metalldruck durchgeführt werden?

Grundsätzlich steht Ihnen im 3D Druckverfahren von Metall eine große Bandbreite zur Verfügung. CNC24 bietet Ihnen unter anderem Edelstahl, Bronze oder Kupfer zur Bearbeitung an. Aufgrund seiner Leichtigkeit und gleichzeitigen Robustheit können wir insbesondere auch Aluminiumlegierungen für die Prototypenherstellung empfehlen. Zumeist handelt es sich beim 3D-Druck um Aluminiumlegierungen.

Ferner bieten wir auch Titan im 3D-Druck an. Titan zeigt Biokompatibilität und wird daher unter anderem gerne in der Medizintechnik genutzt. Darüber hinaus weisen gedruckte Titanteile gute mechanische Eigenschaften auf. Ihre Produktion können in einer Charge erfolgen, wodurch für das Metall empfindliche Schweißschritte entfallen. 

Ansonsten ist Inconel ein Material, das für die Herstellung von 3D-Drucken hervorragend geeignet ist. Es zeigt eine außerordentlich gute Wärmebeständigkeit und ist höchst korrosionsbeständig. Aus den genannten Gründen wird Inconel in 3D-Druck gerne in der Automobilindustrie sowie in der Luft- und Raumfahrt für Funktionsprototypen und leistungsfähige Komponenten genutzt.

Verfügbare Metallwerkstoffe bei CNC24

• Aluminum
• Edelstahl
• Bronze
• Kupfer
• Inconel
• Titan

Der Werkstoff Ihrer Wahl ist nicht aufgeführt? Sprechen Sie uns in dem Fall gerne an. Durch unser großes Partnernetzwerk stehen die Chancen in den meisten Fällen sehr gut, dass wir es Ihnen auf schnellstem Weg beschaffen können.

Warum sollten Sie sich für einen 3D-Druck aus Metall entscheiden?

Einer der größten Vorteile des 3D-Metalldruckverfahrens ist die Möglichkeit, in vergleichsweise kurzer Zeit sowohl komplexe als auch filigrane Formen und Geometrien umsetzen zu können. Selbst Hohlräume und Hinterschneidungen sind dabei kein Problem und eine verfahrensgerechte Konstruktion in hoher Qualität ist möglich. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass es sich um einen werkzeuglosen Fertigungsprozess handelt und der Materialverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Methoden weitaus geringer ausfällt. 

Selbst bionische Strukturen sind mit der 3D-Drucktechnik möglich und insgesamt kann in allen Branchen von einer kundennahen Produktion gesprochen werden. Letzteres bedeutet, dass es kürzere Lieferketten gibt. Die moderne Verfahrenstechnik ist insbesondere für die Produktion von Einzelkomponenten sowie Kleinserien gedacht. Durch eine Produktionsweise, die primär On-Demand stattfindet, entsteht ferner ein nicht zu vernachlässigender Nachhaltigkeitsfaktor. 

Die größten Vorteile des 3D Metalldrucks im Überblick

• geringer Materialverbrauch
• komplexe Formen und Geometrien möglich
• Entstehung ästhetischen Designs und Finish
• funktionale Verbesserungen von Bauteilen möglich
• nachträgliche Anpassungen sind möglich
• kundennahe Produktion
• steigende Wirtschaftlichkeit (bei kleineren Stückzahlen und nach Komplexität)
• keine Werkzeuge erforderlich
• vielfältige Möglichkeiten in der Leichtbautechnik
• Möglichkeit der verfahrensgerechten Konstruktion von Bauteilen
• Hohes Potenzial für die Forschung und Produktentwicklung

Gibt es beim 3D-Druck auch Einschränkungen?

Das Druckverfahren ist grundsätzlich nicht für große Serienproduktionen gedacht und gemacht. Das liegt hauptsächlich daran, dass ein 3D-Drucker eine relativ kleine Aufbaugeschwindigkeit hat. Ein 3D-Metalldruckteil benötigt mindestens 48 Stunden oder durchschnittlich etwa fünf Tage bis zum Finish. Hauptsächlich dann, wenn es sich um die Fertigung komplexer Formationen handelt, muss unter Umständen auch mit einer Nachbearbeitung gerechnet werden – was für komplexe Prototypen jedoch auch wiederum von entscheidendem Vorteil sein kann. 

Ferner ist ein Spezialist notwendig, um anhand der Materialeigenschaften zu entscheiden, welches 3D-Metalldruckverfahren für den jeweiligen Auftrag das richtige ist. Ein 3D-Metalldrucker ist kostenintensiv, aus welchem Grund sich viele Unternehmen für das Outsourcing dieser Aufgabe an ein Expertenteam entscheiden. 

Wie entwirft man Modelle für einen 3D-Druck?

Zur Vorbereitung des Entwurfs für den 3D-Metalldruck sollten Sie sich intensiv mit dem gewünschten Design auseinandersetzen. Grundsätzlich ist der Vorentwurf eines 3D-Drucks mit dem anderer Fertigungstechniken zunächst vergleichbar. Doch das Besondere ist, dass sie nicht eingeschränkt sind und komplexe Designs bis ins Detail tatsächlich umsetzen können. Nutzen Sie diesen Vorteil aus, denn das ist einer Ihrer Hauptnutzen dieser Verfahrenstechnik. 

Wichtig zu wissen ist jedoch, dass bereits auf traditionellen Weg angefertigte Teile nicht einfach 1:1 in den 3D-Druck übertragen werden können. Das endet häufig in Herstellungsfehlern und schränkt Sie außerdem oftmals im Design ein. Optimierungen für bestehende Werkstücke stehen auf einem anderen Blatt. Beginnen Sie beim 3D-Druck mit einer leeren Arbeitsfläche. Folgend definieren Sie Ihre Designanforderungen im Detail. Hier geht es etwa um Lasten, Randbedingungen, Teilegewichte und mehr.

Für die Position der Stützstrukturen ist zudem die Druckausrichtung entscheidend, diese sollte Sie bestimmen können. Die Erstellung von Teilen mit selbsttragenden Merkmalen mit daraus folgernd minimalen Abstützstrukturen ist an dieser Stelle vorteilhaft. Ferner sollte beim Modellentwurf auch immer im Hinterkopf behalten werden, dass eine optionale oder erforderliche Nachbearbeitung in vielen Fällen nötig sein wird. 

Designsoftware im 3D-Druck von Metall

Für 3D-Entwürfe bieten sich CAD-Pakete wie etwa Altair, Autodesk Fusion 360 oder nTopology Element an, die Sie bei der Planung unterstützen. Durch moderne Algorithmik ist die Erstellung organischer Strukturen möglich. Sie können nun auch einen eigenen, neuen Entwurf starten und mit der Grundstruktur und der Eingabe von Anforderungen beginnen oder einen vorhandenen bearbeiten oder optimieren. 

• Gittermuster
  Sie möchten ein bestehendes Design optimieren? Dann bieten sich Gittermuster an. Sie können dazu dienen, die Bedruckbarkeit zu verbessern, die Oberfläche von Wärmeaustauschern vergrößern und Herstellungskosten zu optimieren.
• Topologieoptimierung
  Sie haben minimale Masse und wünschen sich eine Struktur mit optimaler Steifigkeit? Möchten Sie die gewünschten Teile an ihre Belastungsgrenze führen und damit dem Ultimativtest aussetzen? Dann bietet sich hierfür die simultan gesteuerte Topologieoptimierung an. Innerhalb derer werden ihre Eingaben hinsichtlich des Entwurfsraums sowie die Lastfälle analysiert. So stellt das System fest, an welchen Stellen Material jeweils entfernt werden kann. 
• Generatives Design
  Hierbei sprechen wir von einer Variante des soeben erwähnten Topologieoptimierungsprozesses. Generatives Design führt zu unterschiedlichen Designvarianten, die allesamt seinen Ansprüchen gerecht würden. Sie können dann ausgedruckt, ausgiebig getestet und vom Designer in aller Ruhe miteinander verglichen werden. 

Unterschätzen Sie das Modellieren für den 3D-Druck nicht und achten Sie beim Kauf von CAD-Paketen unbedingt auf deren Aktualität und Qualität. Das Designen von 3D-Elementen für den Metalldruck ist komplex und Laien nur sehr bedingt zu empfehlen. Selbst Profis müssen in einigen Fällen lange tüfteln, bis sie zum optimalen Ergebnis gelangen. Ein erfahrener Profi wie CNC24 nimmt Ihnen hier viel Arbeit ab, während Sie sich weiterhin zu 100% um Ihr Tagesgeschäft kümmern können. 

Warum CNC24 Ihr bester Ansprechpartner für Metalldrucke ist

Der 3D-Druck mit Metall ist derzeit wohl eine der eindrucksvollsten Verfahrenstechniken und bietet Unternehmen branchenübergreifend viele Möglichkeiten. Gleichzeitig ist das Verfahren jedoch sehr komplex und setzt insbesondere im professionellen Druckbereich ein hohes Know-how voraus. 

Überlassen Sie Ihre Arbeit doch einfach uns!  

Bei CNC24 sind Sie richtig, wenn es Ihnen um die Herstellung von Prototypen oder Kleinserien per 3D-Druckverfahren bei schneller Verfügbarkeit geht. Denn genau hier liegt unser Fokus in diesem Herstellungsverfahren. Unser Service bietet Präzision und Replizierbarkeit für Ihre gewünschten Komponenten. Wir unterstützen Sie im Rapid Prototyping, Rapid Tooling und in der Produktion von Kleinserien.

Unsere 3D-Druck Verfahren auf einen Blick

• Polyjet (MJM)
• Selektives Lasersintern (SLS)
• Selektives Lasermelting (SLM)
• Fused Deposition Modeling (FDM)
• Multi Jet Fusion (MJF)
• Stereolithografie SLA

3D-Druck Technische Daten

• Materialstärke: 0,1 mm - 10 mm
• Verfügbare Längen: 10 mm - 2.000 mm
• Toleranzen: +/- 0,1 mm bis +/-1 0,3 mm
• Oberflächengüte: 3.2 Ra µm
• Ideale Losgrößen: 1 - 50.000 Stück

Was Sie bei uns erwartet

CNC24 steht für jederzeit flexible und freie Kapazitäten sowie attraktive Preise. Während des gesamten Projektes steht Ihnen ein persönlicher Vertrags- und Ansprechpartner zur Verfügung. Die Qualitätskontrolle nach ISO 9001:2015 ist für uns selbstverständlich. Und wenn es mal schnell gehen muss, bieten wir auch Expressfertigung im Rahmen der jeweiligen Verfahrenstechnik und bis zu 72 Stunden an. 

Neben dem 3D-Metalldruck verfügen wir darüber hinaus über weitere Verfahrenstechniken wie dem Druck- und Spritzguss sowie diverser CNC-Techniken wie beispielsweise dem CNC-Drehen. Kombinationsangebote sind möglich. 

Überzeugen Sie sich am besten selbst und fordern Sie sich Ihr persönliches Angebot noch heute an. Innerhalb von 48 Stunden nach Eingang Ihrer Anfrage senden wir Ihnen ein Angebot zu. Sie haben Fragen? Dann unterstützt Sie unser Team unter der Telefonnummer +49 (0)30 994 04 904 gerne auch telefonisch.