Es ist keine Überraschung, dass der 3D-Druck von Metall seit einiger Zeit ein heißes Thema ist, wenn man das Potenzial der Technologie betrachtet. Welche Faktoren beeinflussen den Preis von 3D-gedruckten Metallbestellungen? Es ist verständlich, dass die Größe und Geometrie des Teils die Preise des Metall-3D-Drucks beeinflussen, aber es gibt auch andere Faktoren, die dies tun können. Die additive Fertigung von Metall (AM) wird manchmal von Designern und Ingenieuren missverstanden, was sie davon abhalten kann, die Technologie weiter zu verfolgen.
Die industrielle Produktion wird durch additive Fertigung revolutioniert. Es gibt verschiedene Methoden und Materialien für den 3D-Druck von Metallen. Im Allgemeinen machen die Metall-3D-Drucker den Großteil der Kosten des 3D-Drucks aus, und der Rest verteilt sich auf Rohmaterialien, Arbeitskosten, Vorbereitung und Nachbearbeitung.
Eine kurze Geschichte des Metall-3D-Drucks
Ende der 1980er Jahre entwickelte Dr. Carl Deckard von der University of Texas den ersten Laser-Sinter-3D-Drucker für Kunststoffe. Durch diese Entwicklung wurde der 3D-Druck von Metall möglich. Das erste Patent für das Laserschmelzen von Metallen wurde 1995 vom Fraunhofer-Institut in Deutschland eingereicht. Unternehmen wie EOS und viele Universitäten führten die Entwicklung dieses Prozesses an. 1991 stellte Dr. Ely Sachs vom MIT einen 3D-Druckprozess vor, der heute besser als Binder Jetting bekannt ist. Binder Jetting von Metall wurde 1995 an ExOne lizenziert. Der 3D-Druck von Metall verzeichnete in den 2000er Jahren ein langsames, aber stetiges Wachstum. Dies änderte sich nach 2012, als die ursprünglichen Patente zu laufen begannen und große Investitionen von Unternehmen wie GE, HP und DM getätigt wurden. Heute schätzt der Wohler-Bericht den Markt für Metall-3D-Druck auf 720 Millionen Dollar und ein schnelles Wachstum. Der Verkauf von Metall-3D-Druckern stieg 2017 um 80 %.
Metall-3D-Druck vs. traditionelle Fertigung
Bei der Entscheidung zwischen Metall-3D-Druck und einer subtraktiven (CNC-Bearbeitung) oder formgebenden (Metallguss) Technologie sollte immer eine Kosten-Nutzen-Analyse durchgeführt werden. Die Produktionskosten werden in der Regel durch das Produktionsvolumen bestimmt, während die Leistung eines Teils weitgehend durch seine Geometrie bestimmt wird.
Der Metall-3D-Druck eignet sich am besten für Teile mit komplexen und optimierten Geometrien. Mit anderen Worten, er ist ideal für die Herstellung von Hochleistungsbauteilen. Er skaliert jedoch nicht so gut wie die CNC-Bearbeitung oder der Metallguss bei höheren Volumina.
Allgemein gesprochen:
Die hohen Kosten des Metall-3D-Drucks können finanziell nur gerechtfertigt werden, wenn sie mit einer Steigerung der Leistung oder Betriebseffizienz einhergehen.
Verschiedene industrielle Anforderungen werden durch verschiedene Metall-3D-Druckprozesse erfüllt. Im Folgenden finden Sie einige allgemeine Richtlinien, die Ihnen helfen, den richtigen Prozess für Ihre Bedürfnisse zu entscheiden:
DMLS/SLM: Um die Effizienz der anspruchsvollsten Anwendungen zu steigern, ist DMLS/SLM die beste Lösung für Teile mit hoher geometrischer Komplexität (organische, topologisch optimierte Strukturen).
Binder Jetting: Für kleine und mittlere Serien bietet Binder Jetting den wirtschaftlichsten Ansatz für Teile mit Geometrien, die nicht effizient durch subtraktive Methoden hergestellt werden können. Für kleine Teile bietet Binder Jetting die beste Alternative.
Metall-Extrusion: Metall-Extrusion ist die beste Option für Prototypen und die Herstellung von Einzelstücken mit komplexen Geometrien, die sonst eine 5-Achs-CNC-Maschine erfordern würden.
Vorteile und Einschränkungen des Metall-3D-Drucks
Es ist wichtig, die einzigartigen Vorteile des Metall-3D-Drucks zu verstehen. Allerdings machen seine Einschränkungen ihn nicht immer zur besten Option für die Herstellung von Metallteilen.
Vorteile des Metall-3D-Drucks
Geometrische Komplexität ohne zusätzliche Kosten
Die außergewöhnliche Designflexibilität ist der größte Vorteil des Metall-3D-Drucks im Vergleich zur „traditionellen“ Fertigung. Geometrien, die auf andere Weise (wie durch Formen oder Schneidwerkzeuge) nicht hergestellt werden können, können leicht 3D-gedruckt werden, da keine speziellen Werkzeuge erforderlich sind. Darüber hinaus hat sich der Herstellungsaufwand für Teile mit erhöhter geometrischer Komplexität nicht erhöht. Daher können organische, topologisch optimierte Strukturen auf Metallteilen gedruckt werden, um deren Leistung erheblich zu verbessern.
Optimierte Leichtbau-Strukturen
Designflexibilität und Leichtbauweise gehen Hand in Hand mit dem Metall-3D-Druck. Durch die Einhaltung der besten Designpraktiken für den Metall-3D-Druck sind leichte Lösungen immer möglich. Fortschrittliche CAD-Techniken wie Topologie-Optimierung und generatives Design werden typischerweise dafür verwendet. Infolgedessen sind die Teile sowohl leichter (typischerweise um 25 % bis 50 %) als auch steifer. Dies ist wichtig für High-End-Anwendungen in Branchen wie Luftfahrt und Raumfahrt.
Erhöhte Funktionalität der Teile
Teile mit internen Strukturen können mit Metall-3D-Druck hergestellt werden, da der Zugang zu Werkzeugen kein Problem darstellt. Interne Kanäle für konforme Kühlung sind zum Beispiel eine großartige Möglichkeit, die Leistung eines Teils zu erhöhen. Mit DMLS/SLM gefertigte Spritzgießkerne mit konformer Kühlung können die Spritzzyklen um bis zu 70 % reduzieren. Das Hinzufügen von Metall-Extrusion zur Funktionalität eines Bauteils ist eine weitere Möglichkeit, seine Funktionalität zu erhöhen. Dieser Prozess ermöglicht die Erstellung von maßgeschneiderten Vorrichtungen und Halterungen nach Bedarf, was die Effizienz anderer industrieller Prozesse auf dem Produktionsboden erhöht.
Zusammenführung von Baugruppen zu einem einzigen Teil
Eine weitere Stärke des Metall-3D-Drucks ist die Fähigkeit, eine Baugruppe in ein einzelnes Stück zu integrieren. Dies eliminiert die Notwendigkeit für Befestigungen und erstellt Teile, die mehrere Funktionen gleichzeitig erfüllen können. Auch Arbeitskosten und Lieferzeiten werden reduziert, ebenso wie Wartungs- und Serviceanforderungen. Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von Leichtbau-Strukturen besteht darin, die Anzahl der Teile zu reduzieren.
Einfachere Fertigungslieferketten
Es kann 20 oder mehr Prozesse erfordern, um ein komplexes Geometrie-Teil mit „traditionellen“ Methoden herzustellen, selbst wenn es mit „traditionellen“ Methoden hergestellt werden kann. Der Metall-3D-Druck ist in diesen Fällen eine gangbare Fertigungsoption. Binder Jetting kann beispielsweise die Gesamtanzahl der Schritte auf fünf oder weniger reduzieren (einschließlich Nachbearbeitung und Fertigstellung). Auf diese Weise wird die Fertigungslieferkette vereinfacht.
Exzellente Materialeigenschaften
Im Gegensatz zum 3D-Druck von Kunststoffen weisen mit DMLS/SLM oder Binder Jetting gefertigte Teile ein isotropes mechanisches Verhalten auf. Darüber hinaus ist ihre Materialstärke mit der von geschmiedetem Metall vergleichbar (und in einigen Fällen sogar besser). Daher haben 3D-gedruckte Metallteile in den anspruchsvollsten Branchen wie der Luftfahrt Anwendung gefunden. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass 3D-gedruckte Teile im Allgemeinen eine geringere Ermüdungsfestigkeit aufweisen. Oberflächenrauhigkeit und interne Porosität (typischerweise haben DMLS/SLM-Teile * 0,2 % Porosität und Binder Jetting-Teile * 2 % Porosität) spielen dabei eine Rolle.
Einschränkungen des Metall-3D-Drucks
Höhere Kosten als bei der traditionellen Fertigung
Die Kosten des Metall-3D-Drucks sind heute im Vergleich zu traditionellen Fertigungsmethoden sehr hoch. Ein typisches DMLS/SLM-Teil kostet etwa 5.000 bis 10.000 Dollar für den 3D-Druck und die Fertigstellung. Der Einsatz von Metall-3D-Druck lohnt sich nur, wenn er mit erheblichen Leistungsverbesserungen verbunden ist. Dennoch sind erschwingliche Lösungen für den Metall-3D-Druck gefragt. In naher Zukunft könnten neue Tischgeräte für Metall-Extrusion und Produktionssysteme für Binder Jetting diese Lücke schließen.
Begrenzte Skaleneffekte
In Bezug auf große Volumen kann der Metall-3D-Druck noch nicht mit der traditionellen Fertigung konkurrieren. Das Fehlen maßgeschneiderter Werkzeuge führt zu niedrigen Startkosten, bedeutet aber auch, dass die Gesamtherstellungskosten nicht signifikant vom Produktionsvolumen beeinflusst werden. Dies bedeutet, dass der Stückpreis bei höheren Mengen nahezu unverändert bleibt und Skaleneffekte nicht realisiert werden können. Dennoch arbeitet die Branche an Metall-3D-Drucksystemen, die die Produktion optimieren können. Derzeit werden DMLS/SLM-Maschinen mit mehreren Lasern und Binder-Jetting-Systeme für kontinuierliche Produktion auf den Markt gebracht.
Einzigartige Designregeln
Die Gestaltung von 3D-gedruckten Metallteilen folgt einem anderen Regelwerk als der „traditionellen“ Fertigung. Daher müssen bestehende Designs oft neu gestaltet werden. Zudem sind die Werkzeuge älterer CAD-Software möglicherweise nicht ausreichend, um die Vorteile des Metall-3D-Drucks voll auszuschöpfen. Im letzten Abschnitt dieses Leitfadens finden Sie eine detaillierte Beschreibung der wichtigsten Designüberlegungen, fortschrittlicher CAD-Tools und Designregeln für den Metall-3D-Druck.
Nachbearbeitung ist fast immer erforderlich
Metall-3D-gedruckte Teile benötigen fast immer eine Nachbearbeitung, bevor sie einsatzbereit sind. Dies erhöht die Gesamtkosten und die Lieferzeit. Um das Endteil zu produzieren, sind fast immer Wärmebehandlungen, Maschinenbearbeitung, Polieren und andere Fertigungsmethoden erforderlich, unabhängig von der gewählten Technologie. In späteren Abschnitten werden wir weitere Details zu den Nachbearbeitungsschritten für jede Technologie betrachten.
Metall-Pulverbett-Fusion 3D-Druck
Die beliebteste Methode des Metall-3D-Drucks ist die Metall-Pulverbett-Fusion. Selektives Lasersintern wird als SLS bezeichnet. Ein Hochleistungs-Laser wird verwendet, um Metallpulver in eine feste Struktur zu sintern.
Zuerst gibt die Maschine eine dünne Schicht Metallpulver auf die Bauplattform aus. Durch Erhitzen des Pulvers knapp unter seinem Schmelzpunkt kann der Laser ein festes Modell daraus erstellen. Nach einem langen Schichtprozess ist Ihr Prototyp schließlich fertig! Übrig gebliebenes Pulver unterstützt die Struktur während des Baus und kann für zukünftige Projekte wiederverwendet werden. Nach Abschluss kühlt die Struktur in der Maschine ab, um Verzug zu verhindern und ihre mechanischen Eigenschaften zu optimieren.
Eine Nachbearbeitung ist natürlich erforderlich. Das überschüssige Pulver muss entfernt und das Teil getrennt werden. Zur weiteren Verarbeitung des Stücks können Medien-Tumbling oder Sandstrahlen verwendet werden. Direktes Metall-Lasersintern (DMLS) oder selektives Laserschmelzen (SLM) sind weitere Bezeichnungen für diesen Prozess. Unabhängig vom Namen verbindet diese Technik selektiv die Metallpartikel eins nach dem anderen mithilfe von Lasern. Der durchschnittliche Preis eines SLS- oder SLM-Druckers liegt bei 550.000 Dollar, kann jedoch je nach gewählten Funktionen bis zu 2.000.000 Dollar betragen!
Directed Energy Deposition (DED)
Directed Energy Deposition, auch bekannt als DED, ist eine weitere Art des Metall-3D-Drucks. Da das Metallpulver durch eine spezielle Düse gepresst wird, kann diese Methode mit der Filament-Extrusion verglichen werden. Auch Metall in Drahtform kann verwendet werden, da es ebenfalls durch die Düse gepresst werden kann. Im Gegensatz zu SLS, das das Material auf der Druckplatte sintert, verfestigt DED das Material beim Abscheiden mit einem Laser. Es verfügt auch über einen Laser, der das Material auf der Druckplatte schmilzt, während der Roboterarm es ablegt. SLS-Maschinen sind für ihre große Menge an Materialabfällen bekannt, daher erhöht dieser Prozess die Geschwindigkeit und Effizienz des 3D-Drucks.
Um unerwünschte Oxidation zu verhindern und die Kontrolle zu maximieren, muss der gesamte Prozess auch in einer versiegelten Kammer erfolgen, die mit Inertgas gefüllt ist. DED-Maschinen sind ideal für die Reparatur von Teilen oder den Bau großer Metallobjekte. Ihre hohe Druckgeschwindigkeit macht sie ideal für die Herstellung großer Volumina von Teilen. Allerdings geht dabei die Oberflächenqualität und der Finish verloren. Es ist nicht unbedingt eine günstige Option, da die meisten DED-Maschinen über 500.000 Dollar kosten!
Metall-Filament-Extrusion
Ein Metall-3D-Drucker, der die Filament-Extrusion verwendet, ist ebenfalls eine Option. Durch Erhitzen des Metallmaterials oder Filaments kann es durch Düsen verarbeitet werden. Anstelle des gefährlichen Metallpulvers, das in den vorherigen Optionen verwendet wird, besteht dieses Filament aus Metallpartikeln, die mit einem Bindemittel gemischt sind. Mit anderen Worten, es ist einfach zu handhaben und sicher zu verwenden, erfordert jedoch zusätzliche Nachbearbeitungsschritte. Um seine endgültige Form zu erreichen, muss es einer Entbindungs- und Sinternbehandlung unterzogen werden.
Eine durchschnittliche Maschine dieses Typs kostet etwa 140.000 Dollar, einschließlich Nachbearbeitungswerkzeuge. Obwohl der Preis für eine größere, fortschrittlichere Maschine erheblich höher sein kann, gilt dies für jede Option.
Material Jetting und Binder Jetting
Man kann sich diese Maschinen wie Tintenstrahldrucker vorstellen – sie sprühen Metall auf die Bauoberfläche, und sobald es ausgehärtet ist, wird eine weitere Schicht Metall „Tinte“ hinzugefügt. Binder Jetting verwendet dasselbe Prinzip, jedoch wird zusätzlich ein flüssiges Bindemittel auf die Metallmaterialien aufgetragen. Der Prozess erfolgt schichtweise, daher dauert es eine Weile, bis er abgeschlossen ist. Das Ergebnis ist ein sehr zerbrechlicher Prototyp, bis alle Nachbearbeitungsschritte abgeschlossen sind. Sinterung und Infiltration verwandeln ihn von seinem grünen Zustand in ein stärkeres Metallteil. Mit diesem Prozess können Sie mehr Materialien als nur Metall verwenden, dank der einzigartigen Technologie. Sand oder Keramiken sind großartige Optionen für diejenigen, die sich für diese Themen interessieren.
Man kann mit Kosten von 400.000 Dollar oder mehr für ein Metall-Binder-Jetting-System rechnen.
Was ist DMLS/SLM 3D-Druck?
Zwei Verfahren des Pulverbett-Fusions-Metall-3D-Drucks sind DMLS (Direct Metal Laser Sintering) und SLM (Selective Laser Melting). SLM und DMLS weisen nur wenige praktische Unterschiede auf. Daher können sie als eine Technologie betrachtet werden.
Schicht für Schicht verwenden sie Hochleistungslaser, um Metallpulverpartikel miteinander zu verbinden. Aufgrund der extrem hohen Temperaturen erreicht SLM ein vollständiges Schmelzen, während DMLS die Metallpartikel auf molekularer Ebene miteinander verschmelzen lässt. Bei DMLS können Metalllegierungen verwendet werden, während bei SLM nur bestimmte (reine) Metallmaterialien verwendet werden können.
Wie funktioniert DMLS/SLM?
Die Schritte beim 3D-Druck mit DMLS und SLM sind wie folgt:
Zuerst wird die Baukammer mit Inertgas gefüllt und dann auf die optimale Temperatur zum Drucken erhitzt. Die Bauplattform wird mit einer dünnen Schicht Metallpulver (typischerweise 50 Mikrometer) bedeckt. Der Laser scannt den Querschnitt des Teils und verbindet selektiv die Metallpartikel.
Nachdem der gesamte Bereich gescannt ist, bewegt sich die Bauplattform um eine Schicht nach unten, und der Prozess wiederholt sich, bis der gesamte Bau abgeschlossen ist.
Nach dem Druck muss das Gebaute abkühlen, bevor das lose Pulver entfernt werden kann. Der 3D-Druck ist erst der Anfang des DMLS/SLM-Prozesses. Nach Abschluss des Drucks müssen zusätzliche (pflichtige oder optionale) Nachbearbeitungsschritte durchgeführt werden, bevor die Teile verwendet werden können. Erforderliche Nachbearbeitungsschritte umfassen:
Stressabbau: Aufgrund der sehr hohen Verarbeitungstemperaturen während des Drucks entstehen interne Spannungen. Diese müssen vor jeder anderen Operation durch einen thermischen Zyklus abgebaut werden.
Entfernung der Teile: SLM/DMLS schweißt Teile grundsätzlich an eine Bauplattform. Hier werden Bandsägen oder Drahtschneider verwendet.
Entfernung der Unterstützung: Um Verzerrungen und Verzug, die während des Drucks auftreten können, zu minimieren, ist DMLS/SLM-Unterstützung immer erforderlich. Diese Unterstützung wird entweder manuell entfernt oder CNC-bearbeitet.
Zusätzliche Nachbearbeitungsschritte sind oft erforderlich, um die Ingenieurspezifikationen zu erfüllen. Dazu können folgende Schritte gehören:
CNC-Bearbeitung: Um engere Toleranzen als die Standard-Toleranz von * 0,1 mm zu erfüllen, wird die Bearbeitung als Finish-Schritt verwendet. Dabei wird nur sehr wenig Material entfernt.
Wärmebehandlungen: Wärmebehandlungen oder Hot Isostatic Pressing (HIP) können verwendet werden, um die Materialeigenschaften eines Teils zu verbessern.
Glätten/Polieren: Eine glattere Oberfläche als die Standard-RA 10 *m der im Druckzustand befindlichen DMLS/SLM-Teile ist für bestimmte Anwendungen erforderlich. CNC-Bearbeitung, manuelles Polieren, Elektropolieren und chemisches Polieren sind alle verfügbare Optionen.
Metallpulver für 3D-Druck
Pulver ist das Rohmaterial, das bei DMLS/SLM und vielen anderen 3D-Druckprozessen verwendet wird.
Für das Endergebnis sind die Eigenschaften der Metallpulver sehr wichtig. Um einen guten Fluss und eine enge Packung zu gewährleisten, sollten die Metallpartikel kugelförmig und zwischen 15 und 45 Mikrometern groß sein. Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden häufig Methoden wie Gas- oder Plasma-Atomisierung verwendet. Ein entscheidender Kostenfaktor beim Metall-3D-Druck ist der hohe Preis für die Herstellung dieser Metallpulver.
Vorteile und Einschränkungen von DMLS/SLM
Die Hauptstärke von DMLS/SLM liegt in der Fähigkeit, hochoptimierte, organische Strukturen aus Hochleistungsmetalllegierungen zu erstellen. Wenn DMLS/SLM zur Herstellung von Teilen verwendet wird, können komplexe, organische Formen erzeugt werden, die die Steifigkeit maximieren und das Gewicht minimieren. Darüber hinaus können sie interne Geometrien haben, die mit keiner anderen Methode hergestellt werden können.
DMLS/SLM-Teile weisen ausgezeichnete Materialeigenschaften auf. Teile mit nahezu keiner inneren Porosität können aus einer Vielzahl von Metalllegierungen hergestellt werden, von Aluminium und Stahl bis hin zu Superlegierungen. DMLS/SLM sind jedoch kostspielig, wie wir in einem vorherigen Abschnitt gesehen haben. Daher sind diese Prozesse wirtschaftlich nur für hochpreisige Ingenieurteile rentabel. Technisch gesehen sind DMLS und SLM durch den Bedarf an umfangreichen Stützstrukturen begrenzt. Um Verzug zu vermeiden und das Teil an der Bauplattform zu verankern, sind diese notwendig. Darüber hinaus ist die Oberflächenrauhigkeit der produzierten Teile für die meisten Ingenieranwendungen hoch, sodass eine Nachbearbeitung erforderlich ist.
Vorteile:
- Hervorragende Designfreiheit
- Hohe Genauigkeit & feine Details
- Hochleistungsfähige Materialien
Nachteile:
- Hohe Fertigungs- & Designkosten
- Umfangreicher Bedarf an Stützstrukturen
- Hohe Oberflächenrauhigkeit
Materialien für den Metall-3D-Druck
Materialien für den Metall-3D-Druck werden immer häufiger verwendet. Ingenieure können heute aus Legierungen wie folgenden wählen:
- Edelstahl
- Werkzeugstähle
- Titanlegierungen
- Aluminiumlegierungen
- Nickelbasierte Superlegierungen
- Kobalt-Chrom-Legierungen
- Kupferbasierte Legierungen
- Edelmetalle (Gold, Silber, Platin…)
- Exotische Metalle (Palladium, Tantal…)
Die Geschwindigkeit des Metall-3D-Drucks
Es dauert mindestens 48 Stunden und im Durchschnitt 5 Tage, um ein Metall-3D-gedrucktes Teil herzustellen und fertigzustellen, unabhängig vom Prozess. Etwa die Hälfte der gesamten Produktionszeit entfällt auf den Druck. Offensichtlich hängt dies vom Volumen des Teils und dem Bedarf an Stützstrukturen ab. Als Referenz liegt die derzeitige Produktionsrate von Metall-3D-Drucksystemen zwischen 10 und 40 cm³/h.
Post-Processing- und Fertigungsanforderungen machen den Rest der Produktionszeit aus. Die Wärmebehandlungen tragen erheblich zur gesamten Produktionszeit bei: Ein typischer thermischer Zyklus dauert 10 bis 12 Stunden. Mechanische Oberflächenfinishs erfordern Fachkenntnisse (5-Achs-CNC-Bearbeitung) oder manuelle Arbeit (Handpolieren).
Preise von Metall-3D-Druckern
Ein Laser-Pulverbett-Fusionssystem (25 x 25 x 30 cm) kann zwischen 400.000 und 800.000 US-Dollar kosten. Der Metall-3D-Drucker von HP kostet etwa 400.000 US-Dollar. Ein Unternehmen namens Desktop Metals, das BMW, Ford und Google Ventures zu seinen Investoren zählt, hat letztes Jahr angekündigt, einen Metall-3D-Drucker anzubieten, der eine Vielzahl von Formen und Größen drucken kann. Die Preise für Unternehmen, die Metall 3D drucken müssen, werden voraussichtlich wettbewerbsfähiger, da immer mehr Firmen in den Markt für Metall-3D-Drucker eintreten. Sie sollten auch die Lizenzierungskosten für generatives Design in Betracht ziehen, einem iterativen Designprozess, der in Kombination mit Metall-3D-Druck verwendet wird.
Arbeitskosten
Derzeit erfordern Metall-3D-Drucker menschliches Eingreifen, um betrieben zu werden. Je nach Maschine können die Arbeitskosten von niedrig bis hoch reichen. Sicherheitsaspekte sollten ebenfalls berücksichtigt werden, abhängig vom verwendeten Drucksystem. Der Einsatz leistungsstarker Laser oder metallischer Pulver erfordert beispielsweise Sicherheitsmaßnahmen. Dennoch ist die Sicherheit bei Metal Binder Jetting, einer Methode, bei der der industrielle Druckkopf ein flüssiges Bindemittel auf eine Schicht von Pulverpartikeln aufträgt, besonders wichtig. Die Kosten für Sicherheitsmaßnahmen werden minimal sein.
Kosten der Nachbearbeitung gedruckter Teile
In der Nachbearbeitung werden Teile gereinigt, Stützstrukturen entfernt, Beschichtungen hinzugefügt oder andere Verbesserungen durchgeführt. Die damit verbundenen Kosten variieren je nach Prozess. Beispielsweise erfordert das Pulverbett-Fusion (PBF) Stützstrukturen, und da sie auch mehr Material erfordern, können die Teile teuer sein.
Wie viel kostet der Metall-3D-Druck wirklich?
Man kann mit Kosten von 15 US-Dollar pro Stück bis zu 800 US-Dollar für größere Modelle rechnen. Ähnlich wie bei den Kosten eines 3D-Druckdienstes hängen die Preise für den Metall-3D-Druck auch von Faktoren wie dem Volumen Ihres 3D-Modells, seiner Komplexität und der Art des Finishs ab, in diesem Fall Metall.
Wichtige Überlegungen vor dem 3D-Druck von Metall
Materialkosten
Zuerst müssen die für den Betrieb der Maschine benötigten Materialien gekauft werden, bevor Sie Metall 3D drucken können! Sie benötigen verschiedene Arten von Metall und Materialien für verschiedene Maschinen, aber dies wird eine fortlaufende Ausgabe sein. Ein Kilogramm dieses Pulvers kostet zwischen 300 und 600 US-Dollar und wird von den meisten Metall-Druckern verwendet, um Metallobjekte herzustellen. Wenn Sie jedoch einen SLM- oder DMLS-3D-Drucker verwenden, können die Materialkosten zwischen 2.000 und 4.000 US-Dollar liegen. Sie können eine einzige Bauplatte verwenden, um bis zu 12 Teile unterzubringen.
Wenn Sie planen, Objekte mit einem 3D-Drucker herzustellen, variieren Ihre Materialkosten, daher sollten Sie diese in Ihre Kalkulationen einbeziehen!
Nachbearbeitung
Metallteile oder Prototypen sind nur der Anfang des 3D-Druckprozesses. Im Nachbearbeitungsprozess muss das Objekt gereinigt, beschichtet und Stützstrukturen entfernt werden. Je nach Art der gekauften Maschine werden Sie dies unterschiedlich verwalten. Die Objekte für die Sintern müssen in einem Ofen erhitzt werden, wenn Sie eine Metall-Binder-Maschine verwenden. Stützstrukturen werden gebaut, um Pulverbettteile an Bauplatten zu verankern, also müssen sie entfernt werden, wenn das Teil fertig ist.
Dies sind einige Beispiele für Standard-Nachbearbeitungstechniken und deren Kosten:
- Stressabbau: 500 bis 600 US-Dollar pro Bau
- Wärmebehandlung: 500 bis 2.000 US-Dollar pro Bau
- Entfernung der Stützen: 100 bis 200 US-Dollar pro Teil
- Oberflächenbehandlung: 200 bis 500 US-Dollar pro Teil
- CNC-Bearbeitung: 500 bis 2.000 US-Dollar pro Teil
Betriebs- und Wartungskosten
Zuletzt müssen Sie die Kosten für den Betrieb und die Wartung des Metall-3D-Druckers berücksichtigen. Diese Geräte können nicht einfach ein- und ausgeschaltet werden. Sie erfordern umfangreiche Einrichtung und Fachkenntnisse für den Betrieb, daher müssen Sie jemanden einstellen, der sie verwaltet. Das bedeutet, dass Sie einen Vollzeitbetreuer benötigen würden, wenn Sie planen, den Drucker ganztägig zu betreiben. Metall-3D-Drucker haben eine Vielzahl von damit verbundenen Kosten, das ist offensichtlich!
Design für den Metall-3D-Druck
Der Metall-3D-Druck erfordert ein neues Denkweise und einen spezifischen Satz von Designregeln und Best Practices. Dieser Abschnitt stellt Ihnen die Prinzipien und Werkzeuge vor, die Ihnen helfen werden, das Beste aus Ihren Designs herauszuholen, einschließlich der Topologie-Optimierung.
Wichtige Designüberlegungen
Additive Fertigung folgt anderen Regeln als die traditionelle Fertigung. Aufgrund der einzigartigen Designfreiheiten und -beschränkungen muss der Designer seine Denkweise ändern.
Bestehende Designs sind möglicherweise nicht direkt übertragbar
Es ist selten machbar, Teile, die für einen traditionellen Prozess entworfen wurden, mit Metall-3D-Druck herzustellen, aufgrund der hohen Kosten. Es ist oft technisch unmöglich, diese Geometrien nachzubilden. Abschnitte, die dicker als 10 mm sind, neigen zum Verzug oder anderen Fertigungsfehlern und sollten vermieden werden.
Geometrische Komplexität ist ein Vorteil
Komplexität wird oft als nachteilig angesehen, da sie zu höheren Kosten führt. Beim Metall-3D-Druck ist das jedoch nicht der Fall. Der Schlüssel zur vollen Nutzung der Vorteile des Metall-3D-Drucks besteht darin, den Mehrwert zu maximieren, den geometrische Komplexität für ein System bietet.
Beginnen Sie mit der Definition der Grundanforderungen
Wenn Sie beginnen, ein Teil oder eine Baugruppe für den Metall-3D-Druck neu zu gestalten, ist es in der Regel eine gute Idee, bei null anzufangen. Auf diese Weise können Sie vermeiden, von vorgefassten Meinungen eingeschränkt zu werden. Die klare Definition der Designanforderungen (Belastungen, Randbedingungen, Teilgewicht usw.) ist wesentlich. Im nächsten Abschnitt werden wir sehen, wie moderne CAD-Software diese Anforderungen verwendet, um Strukturen mit organischen Formen zu erstellen.
Verwenden Sie immer minimale Stützstrukturen
Es ist eine gute Praxis, eine klare Vorstellung davon zu haben, wie das Teil in der Maschine ausgerichtet wird. Die Ausrichtung des Drucks bestimmt die Position und den Bedarf an Stützstrukturen. Es liegt in der Verantwortung des Designers, selbsttragende Merkmale zu erstellen, um den Bedarf an Stützen zu minimieren und den Erfolg des Druckvorgangs zu gewährleisten.
Nachbearbeitung ist immer erforderlich
Beim Metall-3D-Druck ist Nachbearbeitung immer erforderlich, unabhängig vom Prozess. Diese können obligatorisch (wie Stützabnahme bei DMLS/SLM oder Sintern bei Binder-Jetting und Metallextrusion) oder optional (wie ein CNC-Bearbeitungsschritt zur Erreichung engerer Toleranzen oder eine Wärmebehandlung zur Verbesserung der Materialeigenschaften) sein. Das Entwerfen eines Teils für den Metall-3D-Druck erfordert, dass Sie die Anforderungen und verfügbaren Optionen für die Nachbearbeitung im Auge behalten.
Optimierungstools und -software für das Design
CAD-Pakete bieten Werkzeuge, um die geometrische Freiheit des Metall-3D-Drucks voll auszunutzen. Mit diesen algorithmusgesteuerten Designwerkzeugen können Sie organische Strukturen erstellen, die Teile übertreffen, die mit traditionellen Methoden hergestellt wurden. Heute können drei Hauptstrategien verwendet werden. Je nach Designanforderungen können diese Strategien die Leistung bestehender Designs optimieren oder verwendet werden, um völlig neue Strukturen zu entwerfen.
Gitterstrukturen
Ein bestehendes Design kann durch die Verwendung eines Gittermusters optimiert werden. Neben der Erstellung leichter Teile können Gitterstrukturen die Oberfläche von Wärmetauschern vergrößern, die Fertigungskosten senken oder die Druckbarkeit bestehender Designs verbessern.
Topologie-Optimierung
Die Maximierung der Steifigkeit und Minimierung der Masse kann durch simulationsgesteuerte Topologie-Optimierung erreicht werden. Bei der Topologie-Optimierung werden Bereiche bestimmt, aus denen Material entfernt werden kann, indem der vom Benutzer definierte Designraum und die Lastfälle analysiert werden. Basierend auf den Simulationsergebnissen können Teile für die optimale Leistung unter diesen Lastszenarien entworfen werden.
Generatives Design
Die simulationsgesteuerte Topologie-Optimierung ist eine Variante des generativen Designs. Statt eines einzigen Outputs produziert das generative Design mehrere Designoptionen. Die resultierenden Designs sind alle herstellbar und erfüllen die Designanforderungen. Durch das Erforschen verschiedener Lösungen kann der Designer die am besten geeignete auswählen (zum Beispiel gemäß sekundären Kompromissen).
Lohnt es sich, einen 3D-Metalldrucker zu kaufen?
Kann man mit Sicherheit sagen, ob es sich lohnt, Geld für einen 3D-Metalldrucker auszugeben? Es hängt davon ab, was Ihre Ziele sind. Um herauszufinden, was funktioniert, sollten Sie Ihre Kollegen befragen und Ihre Optionen recherchieren.
Durch das Drucken von Metall-3D-Teilen können Sie komplexe Designs zum Leben erwecken und die Produktion nach Bedarf unterstützen. Es verbessert Ihre Kontrolle und Flexibilität in der Produktion, anders gesagt! Zudem erzeugt der Metall-3D-Druck weniger Abfall als CNC-Fräsprozesse, wodurch die Kosten im Laufe der Zeit gesenkt werden. Metall-3D-Drucker haben den offensichtlichen Nachteil, dass sie teuer in der Nutzung sind. Eine positive Rentabilität kann eine beträchtliche Zeit in Anspruch nehmen, daher sollten Sie den Wert Ihres Durchsatzes vor der Investition bestimmen. Die Nachbearbeitung ist ebenfalls fast immer erforderlich, da der Druck nicht perfekt ist. Es spielt keine Rolle, ob Sie sintern oder entbinden; Sie müssen dem Endprodukt noch einige Feinschliffe hinzufügen.
Wie man die Kosten des Metall-3D-Drucks senken kann
Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, die Kosten des Metall-3D-Drucks zu reduzieren, obwohl es nie eine „günstige“ Methode sein wird. Hier einige:
Reduzierung der CNC-Finish-Kosten des Metall-3D-Drucks
Mehrere aufkommende Techniken helfen dabei, die Zeit, die Ihre Teams mit der CNC-Finish-Bearbeitung verbringen, zu reduzieren. Studien zeigen, dass die Verwendung von Stützstrukturen, die sich in Säure auflösen können, die Nachbearbeitungszeit von Tagen auf nur wenige Stunden reduzieren kann. Sie können auch eine Möglichkeit zur einfacheren Entfernung von Stützstrukturen mit spezieller SLM-Bearbeitungssoftware entwerfen.
Reduzierung der Entwurfszeit durch Automatisierung
Die Schönheit des Metall-3D-Drucks besteht darin, dass die Teile vollständig individuell und einzigartig gestaltet werden können. Dies würde erfordern, dass ein Designer jedes Design von Grund auf im Software-Tool erstellt – was viele Stunden in Anspruch nehmen könnte. Die heutige 3D-Metalldruck-Software kann Ihnen jedoch helfen, viele Schritte dieses Prozesses zu automatisieren, um das Volumen der druckbaren Teile zu erhöhen.
Mit dem 3D-Metalldruck könnten Sie möglicherweise Zahnteile erstellen, die einzigartig für jeden Patienten sind. Dieser Prozess kann erheblich beschleunigt werden, wenn Sie Software verwenden, die das Design automatisiert. Fast die gesamte grundlegende Geometrie eines Zahnteils ist identisch; Sie müssen noch bestimmte Elemente für den Mund des Patienten anpassen, aber der Großteil der Arbeit ist bereits erledigt. Die Ausrichtung des Teils, die Generierung von Stützstrukturen, die Platzierung und das Schneiden und Anpassen können von einem Design zum nächsten wiederholt werden. Der Designer kann dann einige Anpassungen an einer vorhandenen Design-Datei vornehmen, ohne jedes Mal von vorne beginnen zu müssen.
Durch die Verwendung von 3D-Bearbeitungssoftware mit Automatisierungsfunktionen können Sie die Menge der routinemäßigen Arbeit reduzieren, die Ihre 3D-Designer leisten müssen. Maschinenbibliotheken und vordefinierte Stützstrukturen ermöglichen eine schnellere Datenaufbereitung, das Design zusätzlicher Teile und damit eine Steigerung Ihrer Gewinne bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten.
Optimierung des 3D-Metalldrucks
Sie können Ihrem Unternehmen durch die Optimierung Ihrer 3D-Metalldruckprozesse erhebliche Geldbeträge sparen und die Produktivität steigern.
Die Mission von Layers.app ist es, Ihnen zu helfen, Ihre 3D-Druckprozesse zu automatisieren und zu verbessern. Mit unserer Software können Sie viele Aspekte des Designs automatisieren und erhalten leistungsstarke und benutzerfreundliche Werkzeuge für den Metall-3D-Druck. Dies entlastet Fachkräfte von wiederholten Aufgaben und ermöglicht es ihnen, mehr Teile schneller herzustellen.