Metall-3D-Druck

Metall-3D-Druck (auch metallischer 3D-Druck, englisch Metal Additive Manufacturing) ist eine Gruppe additiver Verfahren, die Metallteile Schicht für Schicht direkt aus 3D-Daten aufbauen. Es entstehen vollmetallische Bauteile, deren Eigenschaften nach der passenden Wärmebehandlung denen von Knet- oder Gusswerkstoffen nahekommen.

Am weitesten verbreitet ist das Laserstrahlschmelzen im Pulverbett (L-PBF, Laser Powder Bed Fusion, nach DIN EN ISO/ASTM 52900 PBF-LB/M), auch bekannt als SLM (Selective Laser Melting) und DMLS (Direct Metal Laser Sintering). Der Laser schmilzt eine meist 0,02 bis 0,06 mm dicke Metallpulverschicht unter Schutzgas (Argon oder Stickstoff) lokal auf. Das Bauteil ist mit einer Bauplatte verschmolzen, und Flächen, die flacher als etwa 45° zur Horizontalen liegen, brauchen Stützstrukturen, die zugleich Wärme ableiten und den Verzug durch Eigenspannungen begrenzen. Die Dichte liegt meist über 99 %, die Genauigkeit bei etwa ±0,1 bis 0,2 mm und die Oberflächenrauheit im Druckzustand meist bei Ra 5 bis 15 µm.

Weitere Varianten sind Binder Jetting, bei dem ein Bindemittel das Pulver schichtweise verklebt und das Teil danach im Ofen gesintert wird, und der Druck mit metallpulvergefülltem Filament, bei dem das Teil nach dem Entbindern ebenfalls gesintert wird. Die deutliche Sinterschwindung wird in den Daten vorgehalten. Für große Teile und Reparaturen dient Directed Energy Deposition (DED): Pulver oder Draht wird mit Laser, Elektronenstrahl oder Lichtbogen (WAAM) aufgeschmolzen, und es entsteht ein endkonturnaher Rohling, der anschließend spanend bearbeitet wird.

Drucken lassen sich Edelstahl (316L, 17-4 PH), der Maraging-Stahl 1.2709 für Werkzeuge, die Aluminiumlegierung AlSi10Mg, die Titanlegierung Ti6Al4V, Nickelbasis-Superlegierungen wie Inconel 718, Kobalt-Chrom und Kupferlegierungen. Nach dem Druck folgen üblicherweise Spannungsarmglühen, Abtrennen von der Bauplatte, Entfernen der Stützen, bei anspruchsvollen Anwendungen heißisostatisches Pressen (HIP) und die spanende Bearbeitung der Funktionsflächen.

Metall-3D-Druck lohnt sich dort, wo sich eine Form durch spanende Bearbeitung oder Gießen gar nicht oder nur sehr teuer herstellen lässt: gekrümmte innere Kanäle (konturnahe Kühlung von Spritzgusswerkzeugen, Hydraulikblöcke, Wärmetauscher), leichte Teile nach einer Topologieoptimierung, Gitterstrukturen oder das Zusammenfassen einer Baugruppe aus vielen Einzelteilen zu einem Stück. Typische Einsatzfelder sind Luftfahrt, Motorsport, Medizintechnik (Implantate und Instrumente aus Titan) und der Werkzeugbau.

Sinnvoll ist er auch für Einzelstücke und Kleinserien geometrisch komplexer Teile sowie für Ersatzteile, für die es weder Werkzeug noch Gießereimodell mehr gibt. Einfache prismatische Teile sind dagegen fast immer per CNC-Bearbeitung günstiger, weil der Druckpreis mit dem Bauteilvolumen und der Bauhöhe steigt und mit der Stückzahl nur wenig sinkt.

Der häufigste Fehler ist, ein für Zerspanung oder Guss konstruiertes Teil unverändert zu drucken. Für den Druck müssen Bauteilausrichtung, Stützstrukturen und deren Zugänglichkeit beim Entfernen, minimale Wandstärken, das Entleeren des Pulvers aus inneren Kanälen und der Verzug durch Eigenspannungen gelöst sein. Konstruieren Sie Passungen, Dichtflächen und Gewinde mit einem Bearbeitungsaufmaß von meist einigen Zehntelmillimetern, und rechnen Sie damit, dass Flächen über Stützen rauer ausfallen.

Klären Sie mit dem Lieferanten den genauen Werkstoff mit seiner Normbezeichnung, die Wärmebehandlung und die geforderten mechanischen Eigenschaften, die Art der Prüfung (Maßkontrolle, mitgedruckte Probekörper, gegebenenfalls CT-Prüfung auf innere Fehler) sowie die mitgelieferten Werkstoffzeugnisse (etwa nach DIN EN 10204). Denken Sie bei zyklisch belasteten Bauteilen daran, dass die unbearbeitete Druckoberfläche die Dauerfestigkeit deutlich senkt.