Der Metall-3D-Druck hat in den letzten Jahren beeindruckende Fortschritte gemacht. Unternehmen investieren zunehmend in Technologien für hochkomplexe industrielle Anwendungen. Neben den Vorteilen bei der Herstellung von leichten und anspruchsvollen Metallbauteilen müssen beim Metall-3D-Druckprozess jedoch auch einige Herausforderungen gemeistert werden. Im heutigen Tutorial werden die Hauptprobleme beim 3D-Druck von Metallen und deren Lösung untersucht.

Metall 3D-Druck – Ein Überblick

Beim 3D-Metalldruck gibt es verschiedene Druckverfahren. Diese lassen sich grob in drei Gruppen einteilen:

    Pulverbettfusionsverfahren (SLM, EBM)
    Direkte Energieabscheidung (DED)
    Metallbindemaschinen

Die Pulverbettverschmelzung ist die gebräuchlichste Methode zur Herstellung von Metallteilen unter Verwendung von AM und umfasst die Verwendung eines Laserstrahls (SLM) oder Elektronenstrahls (EBM), um eine Schicht aus Pulvermaterial selektiv auf der Bauplattform gleichmäßig zu schmelzen.

Die direkte Energieabscheidung deckt einen Bereich von Technologien ab und umfasst typischerweise einen Prozess, bei dem das Material durch einen Laser- oder Elektronenstrahl geschmolzen wird, bevor es auf einer Bauplattform abgeschieden wird. Das Objekt wird dann Schicht für Schicht gebildet. Während Polymere und Keramiken mit diesem Verfahren verwendet werden können, wird DED typischerweise mit Metallen in Pulver- oder Drahtform verwendet.

Metallbindemittelstrahlen verwendet einen Druckkopf, um ein flüssiges Bindemittel auf Pulverschichten aufzubringen, wodurch die Pulverteilchen Schicht für Schicht miteinander verschmolzen werden. Das gebundene Pulver kann dann optional mit einem anderen Metall (normalerweise Bronze) infiltriert werden, um eine höhere Dichte zu erreichen.

Jeder der Prozesse hat seine Stärken und Grenzen, aber beim 3D-Druck von Metallen treten im Allgemeinen häufige Probleme auf. Diese Herausforderungen müssen sich ergeben, um bestmögliche mechanische Eigenschaften für Ihre 3D-Metalldruckteile zu erzielen.

5 Häufige Probleme, auf die Sie achten sollten

1. Porosität

3D-bedruckte Metallteile werden häufig mit einer hohen Porosität geplagt, die während des Druckvorgangs auftritt, wenn kleine Löcher und Hohlräume innerhalb des Teils gebildet werden. Diese winzigen, normalerweise mikroskopisch kleinen Poren können eine geringe Dichte verursachen – je mehr Poren vorhanden sind, desto geringer ist die Dichte Ihres Teils. Sie können auch die mechanischen Eigenschaften eines Teils direkt beeinflussen, wodurch es zu Rissen oder anderen Beschädigungen neigt, insbesondere wenn es hohen Belastungen ausgesetzt ist.

Für hochporöse 3D-gedruckte Metallteile gibt es in der Regel zwei Hauptgründe: Entweder liegt dies an einem Problem bei der Pulverherstellungstechnik oder am 3D-Druckverfahren. Beispielsweise kann die Verwendung der Gaszerstäubung manchmal dazu führen, dass sich Poren im Pulvermaterial bilden.

Die häufigere Quelle für solche winzigen Löcher ist jedoch der Druckvorgang, wenn die Energie der Löcher nicht ausreicht und das Metall daher nicht richtig schmelzen kann. Das Gegenteil kann auch zutreffen: Übermäßige Laserenergie kann dazu führen, dass die Tropfen des geschmolzenen Materials verspritzen, was zu Poren führt.

So verringern Sie die Porosität Ihrer Metallteile

Glücklicherweise gibt es mehrere Möglichkeiten, um die Porosität in Ihren 3D-gedruckten Metallteilen zu beseitigen und stärkere, langlebigere Teile zu erzielen: da die Materialqualität zuweilen die Quelle hoher Porosität sein kann, kaufen Sie unbedingt Rohstoffe von einem vertrauenswürdigen Lieferanten.

• Die während des Druckvorgangs verursachte Porosität kann durch Anpassen der Druckerparameter beseitigt werden.
• Die richtige Dichte kann mit Nachbearbeitungsverfahren erreicht werden, beispielsweise durch heißes isostatisches Pressen. Dies beseitigt mögliche Hohlräume und verbessert gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften eines 3D-gedruckten Metallteils.
• Bei Pulverbettschmelzteilen ist die Infiltration eine weitere Nachverarbeitungsoption. Mit dieser Methode werden die verbleibenden Hohlräume im Metallteil gefüllt.

2. Dichte

Industrielle Anwendungen von 3D-Metallteilen aus Metall erfordern häufig hohe mechanische Eigenschaften, weshalb die Dichte eines Teils äußerst wichtig ist. Wenn ein Teil unter zyklischen Beanspruchungen arbeitet, bestimmt seine Dichte, ob das Teil unter Last versagt oder nicht. Mit anderen Worten, je niedriger die Dichte eines Teils ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass es unter Druck reißt. Mit Pulverbett-Technologien (SLM, EBM) können Bauteile mit Dichten von 98% und mehr hergestellt werden, die für stressige Anwendungen entscheidend sind.

Die Dichte Ihrer Teile verbessern

Um sicherzustellen, dass ein Teil eine gleichbleibende Qualität und Dichte aufweist, müssen die spezifischen Parameter des Materials wie Partikelgröße, Form, Verteilung und Fließfähigkeit optimiert werden. Partikel mit Kugelform können beispielsweise zu einer höheren Dichte führen, da sie im Vergleich zu anderen Formen die maximale relative Dichte erreichen können.

Da es jedoch eine Reihe von Variablen gibt, die die Dichte eines Teils beeinflussen können, gilt als Faustregel, zunächst die Qualität Ihres Metallpulvers zu berücksichtigen und die Parameter des Prozesses entsprechend anzupassen.

3. Bauteil unter Spannung

Erwärmung und anschließende Kühlung sind die gemeinsamen Merkmale der metallischen AM-Prozesse. Wenn jedoch ein Bauteil solchen extremen thermischen Veränderungen ausgesetzt ist, kann dies zu Eigenspannungen führen. Die Restspannung wirkt sich ungünstig auf die Integrität eines gefertigten Teils aus und führt zu unterschiedlichen Verformungen. Die höchste Restspannungskonzentration wird an der Kontaktfläche zwischen dem Boden eines gedruckten Teils und einem Druckbett gefunden.
 
Restspannung reduzieren

Da Restspannungen den Unterschied zwischen einem erfolgreichen Metalldruck und einem strukturellen Versagen ausmachen können, sollte dieses Problem richtig angegangen werden. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten:

• Durch vorausschauende Modellierung und den Einsatz generativen Designs können die geeigneten Parameter wie Wärmeeintrag und Schichtdicke geschätzt werden, um Bauteile mit geringer Eigenspannung aufzubauen.
• Durch die Implementierung von Stützstrukturen und die Optimierung der Bauteilorientierung kann auch das Auftreten von Eigenspannungen minimiert werden.
• Durch das Vorwärmen des Druckbetts und des Baumaterials vor Beginn des Druckvorgangs werden Temperaturgradienten reduziert, die häufig die Restspannung verursachen. Da EBM jedoch bei niedrigeren Temperaturen arbeitet, ist diese Technik mit EBM erfolgreicher als mit SLM oder DED.
• Bei Pulverbett-Fusionsprozessen kann die Scanning-Strategie „Insel“ dazu beitragen, den Aufbau von Eigenspannungen zu mindern. Bei dieser Strategie wird der Belichtungsbereich in kleinere Abschnitte unterteilt, die als “Inseln” bezeichnet werden, und die Länge der Scanvektoren wird kürzer.

4. Risse und Verwerfungen

Restspannungen können sehr zerstörerisch sein, was zu einer Reihe struktureller Probleme in einem Teil führt, wobei Rissbildung und Verformung am häufigsten sind. Solche Probleme treten typischerweise auf, wenn das geschmolzene Metall nach dem Drucken abkühlt.

Das Abkühlen verursacht eine Kontraktion, wodurch sich Kanten eines Teils aufrollen und verformen. In extremen Fällen können Spannungen die Festigkeit des Teils übersteigen, was zum Reißen des Teils führen kann (Rissbildung kann auch auftreten, wenn das Pulvermaterial nicht ordnungsgemäß geschmolzen wurde).

Verhindern Sie das Reißen und Verziehen

Es gibt zwei Hauptmethoden, um das Reißen und Verziehen Ihres Metallteils zu verhindern. Eine Möglichkeit besteht darin, das Druckbett vorzuwärmen, eine andere besteht darin, die Haftung eines Teils am Druckbett zu verbessern und die erforderliche Menge an Stützstrukturen zu platzieren.

Die thermische Nachbearbeitung kann auch dazu beitragen, kleinere Risse zu reparieren, während die Festlegung der richtigen Anzahl von Stützstrukturen von Ihrer Seite im Wesentlichen dazu dient, Verzug zu vermeiden.

5. Nachbearbeitung und Oberflächenrauheit

Typischerweise sind Metallteile beim ersten Druckvorgang nicht für ihre endgültigen Anwendungen bereit und müssen sich einer Nachbearbeitung unterziehen, wie Pulver- und Trägerentfernung, thermische Behandlung und Oberflächenbehandlung. In den Nachbearbeitungsschritten stoßen Sie jedoch häufig auf einige Herausforderungen.

Zum Beispiel könnten Sie Schwierigkeiten haben, die Stützstrukturen an Ihren Teilen zu entfernen. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn Ihr Metallteil Halterungen in kleinen Löchern und Rohren hat. Diese können schwer zu entfernen sein, ohne das Teil zu beschädigen, und eine nachfolgende Bearbeitung ist erforderlich.

Die Oberflächenrauheit ist ein anderes Problem. Additiv gefertigte Komponenten für anspruchsvolle Anwendungen erfordern eine durchschnittliche Oberflächenrauheit. 3D-gedruckte Teile werden jedoch häufig mit rauen Oberflächen hergestellt und erfordern eine zusätzliche Nachbearbeitung wie Bearbeiten, Schleifen oder Polieren, um ein besseres Finish zu erzielen.

Da die Oberflächenrauheit direkt mit der Schichtdicke zusammenhängt, kann sie durch Drucken mit dünneren Schichten verringert werden. Durch die Herstellung eines Teils mit feineren Schichten kann jedoch die Bauzeit erheblich verlängert werden.

Raue Oberflächen können auch durch falsches Pulverschmelzen entstehen. Dies geschieht, wenn nicht genug Energie aufgebracht wurde, um das Metall vollständig zu schmelzen. In diesem Fall kann die Oberflächenrauheit reduziert werden, indem die Leistung Ihres Lasers erhöht wird.

Zusammenfassung

Zwar gibt es eine Reihe von potenziellen Herausforderungen bei der Verwendung von AM zur Herstellung von Metallteilen. Das Verständnis dieser Herausforderungen ist jedoch der erste Schritt zur Herstellung qualitativ hochwertiger und zuverlässiger Komponenten. Mit dem kontinuierlichen Wachstum des Metall-3D-Drucks werden wir sicherlich vermehrt additiv gefertigte Metallkomponenten für industrielle Anwendungen einsetzen.