Vorteile und Einschränkungen der additiven Fertigung mit Metallen

In LPM-Technologie hergestellte Komponenten. © Stratasys

Generell werden vornehmlich vier Techniken in der Welt der additiven Fertigung mit Metallen angewandt. Die erste Technik, das pulverbettbasierte Schmelzen (PBF – Powder Bed Fusing), wird am häufigsten für additive Fertigung mit Metallen eingesetzt. Sie erfolgt mithilfe eines Laser- oder Elektronenstrahls und bietet komplexe Formen, Präzision und Materialwiederverwendung. Materialauftrag mit gerichteter Energieeinbringung (DEC oder DMD) steht bei den Verfahren an zweiter Stelle. Es beruht auf pulver- oder strangförmigem Material und bietet als Vorteile hohe Produktivität, große Bauteile und niedrige Materialkosten. Beim Powder Binding (PB) wird ein Bindemittel auf ein Metallpulverbett gesprüht, um ein „grünes Teil“ zu formen. Dabei entstehen nur geringe Verarbeitungs- und Betriebskosten, und es kann gleichzeitig ein hoher Durchsatz erreicht werden. Abschließend ist noch das Metal Jetting (MJ) zu erwähnen, bei dem die Druckköpfe Tropfen mit Metall-Nanopartikeln abgeben. Dieses Verfahren dient zum Erstellen von Bauteilen in hoher Qualität.

Bei allen heute auf dem Markt erhältlichen Technologien der additiven Fertigung mit Metallen bestehen jedoch auch einige Nachteile, die einer Einbindung weiterhin im Wege stehen. Sowohl die Kosten für die Anschaffung als auch die Fertigungskosten pro Bauteil sind bei den meisten, wenn nicht sogar bei allen der oben genannten Technologien außerordentlich hoch. Derzeitige Technologien erfordern einen unverhältnismäßig hohen Wartungsaufwand sowie den Einsatz einer inerten Umgebung (auf Stickstoffbasis). Zudem können Vor- und Nachbearbeitungsphasen ausgesprochen komplex sein.

Bei der Vorbereitung muss sich der Anwender mit Hochtemperaturprozessen auseinandersetzen, die für das Laser-Sintern erforderlich sind. Bei der Nachbearbeitung sind häufig unverhältnismäßig umfangreiche Bearbeitungsvorgänge erforderlich, um die Verankerung und inneren Stützstrukturen zu entfernen. Die Nachbearbeitung kann heute oft genauso viel Zeit wie der Druck selbst in Anspruch nehmen. Mehr als doppelt so viel Zeit ist für die Erstellung der endgültigen Teile erforderlich. Darüber hinaus sind zusätzliche Sicherheitsrisiken zu berücksichtigen. Bei Metallpulvern besteht häufig Explosionsgefahr – sie können beim Ausfegen Feuer fangen –, während Laser- oder Elektronenstrahlen zusätzliche Sicherheitsrisiken mit sich bringen.

Verdichten der Pulverschichten. © Stratasys

Die Einschränkungen und Risiken der Technologie machen es der Industrie bislang unmöglich, auf additive Fertigung mit Metallen umzustellen. Die kürzlich angekündigte Layered Powder Metallurgy (LPM) könnte der Schlüssel dazu sein, viele dieser Probleme aus dem Weg zu räumen. LPM wurde in den vergangenen Jahren intern entwickelt. Bei dieser Technologie wird das geistige Eigentum im Bereich der Jetting-Technologie von Stratasys mit herkömmlich verwendeter Pulvermetallurgie kombiniert, für das Aluminiumpulver angeboten werden, die künftig noch um weitere Legierungen ergänzt werden sollen. Die LPM-Lösung besteht aus einem dreistufigen, additivem Fertigungsprozess. Bei diesem Prozess werden Konturen mit urheberrechtlich geschütztem Thermaldruckmaterial gedruckt, Pulver abgegeben und verteilt und dann die Pulverschichten verdichtet, um eine hohe Dichte und kontrollierbare Schrumpfung zu erreichen.

Das Endergebnis soll hinsichtlich der Stückkosten und des Durchsatzes wirtschaftlich und leicht nachzubearbeiten sein und eine hohe Bauteilqualität bieten. Interne Prüfungen von Stratasys und seinen OEM-Partnern haben ergeben, dass durch LPM die Stückkosten, im Vergleich zu anderen, heute verfügbaren Technologien der additiven Fertigung mit Metallen, um bis zu 80 Prozent gesenkt werden können. Außerdem werden komplexe Vor- und Nachbearbeitungsprozesse einfacher gestaltet, indem das Entfernen der Stützstruktur von mehreren Stunden auf nur einige Minuten verkürzt und der Druckvorgang bis zum fertigen Teil zehnmal schneller durchgeführt wird, als bei bestehenden Lösungen der additiven Fertigung mit Metallen. Diese Vorteile wurden bereits durch die frühzeitig einsetzbaren OEM-Partner an vorderster Front ihrer jeweiligen Branchen umgesetzt. Dabei ging es um Anwendungen des funktionalen Prototypings und Kleinserienfertigung für Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie sowie um den potentiellen Einsatz in der Rüstungsindustrie.

Endlich ist der Markt der additiven Fertigung mit Metallen an dem Punkt angelangt, in der tatsächlichen Herstellung eingesetzt zu werden. Jetzt, nachdem die technischen Hürden schrittweise abgebaut werden, können Hersteller beginnen, diese Technologie als tatsächlich zukunftsträchtige und wettbewerbsfähige Alternative zur traditionellen Metallverarbeitung einzusetzen.

Andreas Langfeld, President EMEA Stratasys / am