“Metall-FFF begeistert mich, weil es den 3D-Druck von Metall in nie dagewesener Weise zugänglich macht. Unternehmen können aufhören, darüber zu reden, wie AM die Fertigung verändern wird, und anfangen, es zu tun. Als AM-Berater habe ich gesehen, wie viele Unternehmen erfolgreiche langfristige AM-Strategien entwickelt haben: Wenn Sie erfolgreich Polymere und Verbundwerkstoffe drucken, haben Sie bereits die Hälfte des Weges hinter sich.” -Ross Adams, Global Metal Product Manager bei Markforged
Nahezu jedes Unternehmen, das 3D-Metalldruck einsetzt, begann seine Reise in die additive Fertigung (AM) mit dem Druck von Polymeren. Nach einigen Jahren der Nutzung des Fused Filament Fabrication (FFF)-Drucks haben sie Kernkompetenzen wie Kenntnisse über das Design für die additive Fertigung (DfAM) und die Fähigkeit entwickelt, wirkungsvolle Anwendungen für kontinuierliche Prozessverbesserungen zu identifizieren.
Wenn Sie in Ihrer Fabrik die vielen Prozessverbesserungen erfahren haben, die sich durch den Druck von Polymeren und Verbundwerkstoffen erzielen lassen, fragen Sie sich vielleicht, wie Ihr Unternehmen diese Vorteile skalieren kann. Eine häufige Antwort ist der 3D-Druck von Metall.
Im Folgenden werde ich die Gründe erörtern, warum Hersteller mit 3D-Druckern für Verbundwerkstoffe häufig Metall-AM in ihren Werkzeugkasten aufnehmen, wann Metall gegenüber Kunststoffen und Verbundwerkstoffen bevorzugt werden sollte und wie Sie mit Kunststoff-Metall-Hybridteilen kreativ werden können, um ein noch breiteres Spektrum von Fertigungsherausforderungen zu bewältigen.
Auf dem Weg zum Metall: Start mit 3D-gedruckten Polymeren
Nach einigen Jahren des 3D-Drucks von Polymeren stellt sich in der Regel die Frage: “Wie kann ich die additive Fertigung in meinem Unternehmen ausweiten, um aggressivere und hochwertigere Anwendungen zu realisieren?” Während der 3D-Druck von Polymeren der schnellste und einfachste Weg ist, viele Herausforderungen in der Fertigung zu lösen, ist der 3D-Druck von Metallen ein Katalysator für die Ausweitung von AM auf noch mehr hochwertige Anwendungen.
Man verwendet Stahl nur, wenn man Stahl braucht… aber wenn man Stahl braucht, muss man Stahl verwenden. Es gibt keinen Ersatz für die Eigenschaften, die Stahl bietet. Die additive Fertigung von Metallteilen ist nicht nur oft schneller und billiger, sondern ermöglicht auch die Herstellung von Geometrien, die in der maschinellen Fertigung unpraktisch oder sogar unmöglich sind.
Der 3D-Metalldruck wird oft als teuer und kompliziert empfunden, aber das ist die Realität bei jeder Art von Metallfertigungsverfahren. Tatsächlich ist der 3D-Druck von Metall in vielen Fällen der einfachste und wirtschaftlichste Weg, ein Metallteil zu erhalten. Insbesondere die Metal Fused Filament Fabrication (Metal FFF)-Technologie macht den 3D-Druck von Metallteilen zugänglicher als andere Metall-AM-Technologien und erfordert eine deutlich geringere Investition (wir sprechen hier von Hunderttausenden von Dollar weniger) in Besitz und Betrieb. Sie ist auch sicherer und einfacher zu bedienen, da kein hochqualifizierter Bediener erforderlich ist: Eine breite Palette von Materialien wie Edelstahl, Werkzeugstähle, Inconel und reines Kupfer kann mit minimaler PSA und Sicherheitsvorkehrungen gedruckt werden. Dies ist auf das gebundene Pulver zurückzuführen, im Gegensatz zu anderen Metall-AM-Verfahren, die loses Pulver verwenden.
Wenn man das Wissen und die Vorteile des FFF-3D-Drucks von Polymeren verinnerlicht hat, ist der Übergang zum FFF-3D-Druck von Metallen nahtlos: Der zugrunde liegende Prozess ist weitgehend derselbe.
Wie sich 3D-gedruckte Metalle und Verbundwerkstoffe in ihren allgemeinen Materialeigenschaften unterscheiden
Der 3D-Druck von Polymeren und der 3D-Druck von Metallen sind zwei unterschiedliche Herstellungsverfahren. Jede von ihnen kann für sich genommen eine breite Palette von Fertigungsproblemen lösen. Der gemeinsame Nenner ist, dass sie beide vielseitige Möglichkeiten bieten, um Lieferketten an jedem Punkt zu ergänzen: von funktionalen Prototypen, Werkzeugen und Vorrichtungen, Ersatzteilen bis hin zu geringen Stückzahlen für die Endnutzung und Produktion.
Während sowohl Metalle als auch endlosfaserverstärkte Polymer-Verbundwerkstoffe in Anwendungen, die eine hohe Festigkeit erfordern, gut funktionieren, können anwendungsspezifische Erwägungen wie Oberflächenhärte und Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht dazu führen, dass entweder 3D-gedruckte Verbundwerkstoffe, Metalle oder Hybridteile aus Verbundwerkstoffen und Metall bevorzugt werden.
In der Regel werden Teile aus Metall statt aus Verbundwerkstoffen gedruckt, weil sie mindestens eine der folgenden Anforderungen erfüllen müssen: hohe Festigkeit, Verschleißfestigkeit, Hitzebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit oder Wärmeleitfähigkeit.
Häufig drucken Hersteller Verbundwerkstoffe, um schnell Prototypen von Teilen zu erstellen, die später aus Metall bestehen werden. Für einige Prototypen sind bestimmte Materialeigenschaften erforderlich, die verhindern, dass Prototypen aus Verbundwerkstoffen funktionsfähig sind. Oftmals fragen sich die Anwender nach der Herstellung von funktionierenden Prototypen mit Metall-FFF: Warum nicht dieses Verfahren in der Produktion einsetzen? Ein Vergleich der Werkzeugkosten für die Herstellung von Teilen durch Verfahren wie Gießen macht die Metall-Fertigteilproduktion zu einer sehr attraktiven Lösung für die Skalierung der Produktion auf erreichbare Stückzahlen.
Traditionell gegossene Kupplung, gedruckt auf dem Metal X System
Werkzeuge werden oft aus Verbundwerkstoffen gedruckt, aber Werkzeuge aus Metall sind in Bezug auf Verschleißfestigkeit und Betrieb unter extremen Hitzebedingungen haltbarer. Teile, die eine hohe Festigkeit mit dünnen Wänden oder komplizierten Geometrien erfordern – wie z. B. End of Arm Tooling (EOAT) – können auch zu klein für die kontinuierliche Faserverstärkung (CFR) sein, das Verfahren zur Verstärkung von 3D-gedruckten Verbundwerkstoffen.
Dünnwandige Werkzeuge
Eine höhere Oberflächenhärte und -festigkeit erhöht die Langlebigkeit von 3D-gedruckten Werkzeugen. Die Vermeidung von häufigem Austausch aufgrund von hoher Zyklusermüdung ist ein wertvoller Vorteil für Anwendungen wie Biege- und Stanzwerkzeuge, Greifer, Vorrichtungen und kundenspezifische Handwerkzeuge.
Gedrucktes Verbundstoffteil überlebt 10.000 Zyklen. Gedrucktes Metall überlebt mehr als eine Million Zyklen.
Die Möglichkeit, exotische Materialien wie reines Kupfer zu drucken, eröffnet auch Anwendungen, die elektrische Eigenschaften erfordern, wie z. B. Schweißschäfte, Stromschienen und Induktionsspulen.
Kabelschuh 3D gedruckt mit reinem Kupfer
Obwohl ein Metallteil schwerer ist als ein entsprechendes Bauteil aus Verbundwerkstoff, sind FFF-gedruckte Metallteile immer noch leichter als konventionell hergestellte Metalle, was auf die geschlossene Infill-Struktur zurückzuführen ist, die in der Slicer-Software Eiger von Markforged automatisch erzeugt wird. Diese geschlossene Infill-Struktur kann ein Metallteil um bis zu 50 % leichter machen.
3D-gedruckter Metallbügel mit geschlossenem Infill.
Schwanenhals-V-Block: traditionell hergestellt (links) vs. 3D-gedruckt auf dem Metal X System (rechts)
Auf dem Weg zum Metall: Start mit 3D-gedruckten Polymeren
Ein großer Vorteil der Aufnahme von Metall in den 3D-Druck-Werkzeugkasten ist die Möglichkeit, Hybridteile herzustellen. Durch die Verwendung verschiedener Kombinationen von Metall, Kunststoff und Verstärkungsfasern können unterschiedliche Materialeigenschaften genutzt werden, um die Leistung in komplexen Anwendungen zu ergänzen.
Hybridteile bedeuten, dass Sie größere Teile und Baugruppen, leichte Metallteile mit Verbundstoffkomponenten drucken, die Materialeigenschaften von Verbundstoffteilen verbessern, Teile mit besserer Belastbarkeit und Kraftoptimierung herstellen und die Modularität von Teilen erhöhen können. Teile und Merkmale von Metallteilen, die nicht die Materialeigenschaften von Metall erfordern, können mit Verbundwerkstoffen schneller gedruckt und durch Zusammenbau kombiniert werden.
Wenn Sie Zugang zu mehreren 3D-Druckern haben, können diese größeren Teile auch schneller hergestellt werden, indem sie gleichzeitig gedruckt werden: So können Sie mehr Teile herstellen, die für die Lieferkette wichtig sind.
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