DMLS Bauteil, Bild: Proto Labs

Bauteile lassen sich mittels DMLS beispielsweise aus Titan fertigen. Bild: Proto Labs

Der Metall-3D-Druck macht eine schnelle und kostengünstige Herstellung voll funktionsfähiger Metallprototypen und Produktionsteile innerhalb weniger Tage möglich. Aus einer Reihe von Metallen lassen sich damit fertige Teile herstellen, die für Endanwendungen geeignet sind.

Typische Anwendungsfälle sind:

  • Sonderanfertigungen, zum Beispiel medizinische Implantate oder Sonderlösungen im Maschinenbau
  • Prototypenherstellung, beispielsweise Blechteile, Gehäuse, Vorrichtungen und Abdeckungen
  • Kleinserienfertigung, etwa Luftdüsen, Wirbelsäulenimplantate oder Dosiereinheiten
  • Ersatzteilbedarf, immer dann, wenn keine Werkzeuge oder Daten von veralteten Bauteilen mehr vorhanden sind
  • Fertigung von Formen, das heißt Einsätze mit internen Kühlkanälen für den Spritzguss

Bei diesem Verfahren gibt es bezüglich der Höhe der Stückzahl keine technischen Einschränkungen. Der Ausgangspunkt für eine wirtschaftliche Fertigung höherer Stückzahlen ist wie auch in anderen Verfahren ein speziell optimiertes und angepasstes Design.

So funktioniert DMLS

Das direkte Metall-Lasersintern (DMLS) ist das führende additive Verfahren zur Herstellung von Prototypen aus Metall. Es ähnelt dem selektiven Lasersintern mit Kunststoff (SLS), eignet sich jedoch vor allem für den Einsatz bei Metallen wie Aluminium, Edelstahl, Titan, Kobalt-Chrom und Inconel. Das sehr präzise und detailgetreue Verfahren bietet sehr gute mechanische Eigenschaften.

Eine DMLS-Maschine besteht aus einem Drei-Kammer-System. Sie setzt sich zusammen aus der Kammer, in der das lose Pulver bevorratet ist, aus der eigentlichen Baukammer und aus der Kammer für den Überfluss, wo überschüssiges Pulver hineingetragen wird. Der DMLS-Prozess läuft wie folgt ab:

Die DMLS-Maschine beginnt mit dem Aufschmelzen der einzelnen Schichten, zuerst der Stützkonstruktionen an der Grundplatte und dann des Bauteiles selbst. Dabei wird ein Laser – zwischen 100 und 1.000 Watt – auf ein Bett aus Metallpulver gerichtet. Nachdem eine Querschnittschicht von Pulver mikrogeschweißt wurde, härtet diese innerhalb von Millisekunden aus und die Bauplattform senkt sich ab. Anschließend bewegt sich ein Rakel (Beschichter) über die Plattform, um die nächste Pulverschicht in der inerten Prozesskammer aufzutragen. Der Laser verschmilzt die erste Schicht mit der nächsten. Dieser Prozess wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das gesamte Bauteil fertiggestellt ist. Das Bauteil wächst sozusagen in die Maschine hinein. Beim Entstehen der Schichten senkt sich das Niveau in der Prozesskammer ab, während es im Pulverzufuhrbehälter ansteigt.

Am Ende des Bauvorgangs werden die Teile zunächst manuell abgebürstet, um loses Pulver grob zu entfernen. Je nachdem mit welchem Metall die Teile gebaut wurden, werden sie der entsprechenden Wärmebehandlung unterzogen, während sie weiterhin durch die Stützkonstruktionen fixiert sind, um Spannungen abzubauen. Die Teile werden anschließend von der Plattform genommen, bevor die Stützkonstruktionen von den Teilen entfernt werden. Die Bauteile werden zur finalen Bearbeitung nach Bedarf perlgestrahlt und entgratet. Die fertigen DMLS-Teile verfügen über eine Dichte von annähernd 100 Prozent.

Vorteile von Metall-3D-Druck

DMLS-Drucker, Bild: Proto Labs
Proto Labs arbeitet mit mehreren DMLS-Druckern in seiner Fertigung. Bild: Proto Labs

Die Gründe für eine Fertigung mit Metall-3D-Druck sind vielfältig. Durch diese Art der Herstellung sind komplexe Geometrien möglich, die nicht fräsbar oder anderweitig konventionell herstellbar sind. So rückt der Fokus eines Bauteils weg von einem herstelloptimierten Design hin zu mehr Funktionsbezug. Beim Metall-3D-Druck werden außerdem weniger Komponenten benötigt, da diese zusammengeführt werden, sodass beispielsweise statt vier Komponenten nur eine einzige benötigt wird. Außerdem haben Bauteile durch intelligente Konstruktionen weniger Gewicht, was besonders für Leichtbauanwendungen interessant ist. Durch den Wegfall von Werkzeug- und Programmkosten lassen sich die Gesamtkosten reduzieren und auch die schnelle Verfügbarkeit von physikalischen Modellen ist ein großer Vorteil des Rapid Manufacturing von Metallen.

Herausforderungen bei der Fertigung

Es gibt geometrische Rahmenbedingungen, die eingehalten werden sollten, um das beste Design zu erhalten. Dies sind beispielsweise Wandstärken, welche einen Millimeter nicht unterschreiten sollten. Je dünner die Wandstärke ist, desto weniger hoch kann gebaut werden. Das liegt daran, dass die Leistung und Wärme bei der Aufschmelzung des Materials nicht mehr abgeführt werden können – und das Material verbrennt. So kann es zu Baufehlern und Lochbildungen kommen, weshalb dieses Minimum der Wandstärke unbedingt eingehalten werden sollte. Auch erhabene und vertiefte Details sollten mindestens 0,5 Millimeter hoch oder tief und breit sein.

Im Verfahren können außerdem Hohlräume hergestellt werden, die prozessbedingt immer mit Pulver gefüllt sind. Dieses muss am Ende des Fertigungsprozesses abgeführt werden. Dafür werden Austrittslöcher von mindestens 4,0 Millimeter Durchmesser bei einem Austrittsloch und 2,0 Millimeter Durchmesser bei zwei oder mehreren Austrittslöchern benötigt. Weiterhin müssen bei der Konstruktion von Teilen immer die Stützstrukturen mitberücksichtigt werden, die bei dieser Fertigungsmethode unabdingbar sind.

Notwendige Stützstrukturen

Stützstrukturen, auch Support genannt, sind das unvermeidbare Übel im DMLS-Prozess. Bauteile müssen fest mit einer Trägerplattform verbunden werden, um neu aufgeschmolzene Flächen zu unterstützen.

Ein Grund dafür ist, dass die Wärme abgeleitet werden muss, denn während des Prozesses wird ein metallischer Werkstoff aufgeschmolzen, der Prozess selbst ist jedoch kalt. Deswegen muss die Wärme, die je nach Material weit über 1.000 Grad beträgt, über die Stützen sehr schnell abgeführt werden. Zusätzlich führt die Wärme während des Herstellungsprozesses beim Material dazu, dass interne Spannungen aufgebaut werden. Die Stützstrukturen halten diese Spannungen während des Fertigungsprozesses, um Verformungen der Bauteile während des Bauprozesses zu vermeiden oder zu reduzieren. Die Beschichtung mit einem metallischen Recoater (Klinge) würde außerdem das Bauteil ganz einfach wegwischen, wenn dies nicht durch Stützstrukturen verhindert werden würde.

Die Stützstrukturen kosten Material und auch Zeit, denn sie verlängern die Bau- sowie die Nachbearbeitungszeiten, um diese am Ende wieder zu entfernen. Der Kunde benötigt am Ende in der Regel das fertige Bauteil und nicht die Stützstrukturen, sodass diese lediglich für den Herstellungsprozess von Nutzen sind und anschließend nicht mehr benötigt werden. Stützstrukturen können jedoch durch eine gute Designpraxis auf ein Minimum reduziert werden, um Material, Herstellzeit und schlussendlich auch Geld zu sparen.

Zukunft des Metall-3D-Drucks

Der Metall-3D-Druck wird sich auch in Zukunft durchsetzen, denn er bietet den klaren Vorteil, Metallprototypen und Produktionsteile ohne Werkzeug sehr schnell und kostengünstig innerhalb weniger Tage herstellen zu können. Zwar sind auch Kleinserien mit dieser Fertigungsmethode möglich, allerdings ist dies stark von der Geometrie und der benötigten Stückzahl abhängig. Interessenten sollten sich von 3D-Druck-Unternehmen wie Proto Labs zu Beginn eingehend beraten lassen, um die individuell sinnvollste Fertigungsmethode festzustellen. aru

ke-NEXT-Webinare zum 3D-Druck

Zu diesem und einigen anderen Themen haben Experten der 3D-Druckszene bereits zusammen mit ke-next.de Webinare abgehalten. Die Aufzeichnungen sind hier immer noch anzusehen.

Die folgenden Themen wurden bereits behandelt:

  • Von Metall zu Plastik: 3D-gedruckte Teile im Endprodukt
  • Fluidanwendungen im 3D Druck mittels HP Multi Jet Fusion Lösung
  • 3D-Druck: Wie mit Kunststoff serienreif gedruckt werden kann.
  • Teilekonstruktion im Metall-3D-Druck
  • Additive Fertigung - Veraussetzungen und Möglichkeiten des 3D-Drucks