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LUKAS-ERZETT – NEXT LEVEL 3D-DRUCK

Die additive Fertigung – oder auch 3D-Druck – bietet Entwicklern die Freiheit, Formen zu kreieren, die mit konventionellen Fertigungsmethoden nur schwer hergestellt werden können

Die additive Fertigung – oder auch 3D-Druck – bietet Entwicklern die Freiheit, Formen zu kreieren, die mit konventionellen Fertigungsmethoden nur schwer hergestellt werden können

Der 3D-Druck, auch additive Fertigung genannt, hat bereits in vielen Bereichen und Branchen der Industrie Einzug gehalten und entwickelt sich stetig weiter. Das Verfahren gibt Unternehmen und Entwicklern die Freiheit, Formen zu kreieren, die mit konventionellen Fertigungsmethoden niemals hätten hergestellt werden können. Unterstützt wird dieser Trend durch eine stetig wachsende Vielzahl an zur Verfügung stehenden Materialien, Verfahren und Maschinen, die an die Bedürfnisse einer Serienfertigung angepasst sind. Beim Bau von Anschauungs- und Funktionsprototypen, Klein- und Mittelserien und auch zunehmend in der umfangreichen Serienfertigung überzeugt dieses innovative und materialschonende Herstellungsverfahren mit Vorteilen, die konventionelle Fertigungstechnologien nicht haben. Und so hat die additive Fertigung längst den Sprung aus der Garage des Hobbybastlers hinein in die Produktionshallen international tätiger Konzerne geschafft. Weiterlesen

Vom Pulver zum additiv hergestellten Bauteil – Teil 2: Potenziale durch Pulvermischungen

Pulvermetallurgische Verarbeitung von Pulvermischungen

Pulvermischungen werden in der konventionellen Pulvermetallurgie (PM) beim Matrizenpressen von Formteilen standardmäßig eingesetzt. Beim herkömmlichen Pressen und Sintern von Eisen- und Stahlpulvern werden Legierungszuschläge mit einem gut pressbaren Grundpulver gemischt. Die Legierungszuschläge können als Elementarpulver oder sog. „Meisterlegierung“ zugesetzt werden. Meisterlegierungen enthalten die Legierungselemente in den gewünschten Verhältnissen und vermeiden so das Mischen von Vielkomponentenwerkstoffen. Die Partikelgröße der Zusätze ist abhängig von der Legierungsart. Nicht aufschmelzende Elemente werden in Form feiner Pulver zugemischt, um beim Sintern eine homogene Durchmischung mittels Festkörperdiffusion zu erreichen. Aufschmelzende Partikel können in gröberer Form zugemischt werden, da sich die Schmelze vor den Diffusionsprozessen gleichmäßig im Bauteil verteilt. Aus Pulvermischungen verschiedener Korngrößen und Dichten ergeben sich auch stets Entmischungsproblematiken. In der konventionellen Pulvermetallurgie wird daher zum Teil über ein vorgelagertes Diffusionsglühen feines Pulver an das Grundpulver angesintert oder es werden organische Bindemittel verwendet, um feines Pulver an das Grundpulver zu kleben. Organische Hilfsmittel werden nach dem Formgebungsprozess durch Sintern thermisch entfernt. [1] Weiterlesen

Elektronenstrahlschmelzen bringt sprödes Metall in Form

Bauteil aus Wolfram, hergestellt im 3D-Druck mit dem Verfahren des Elektronenstrahlschmelzens (Foto: Markus Breig, KIT)

Bauteil aus Wolfram, hergestellt im 3D-Druck mit dem Verfahren des Elektronenstrahlschmelzens (Foto: Markus Breig, KIT)

Forschenden des KIT ist es erstmals gelungen, Bauteile aus Wolfram für den Einsatz im Hochtemperaturbereich im 3D-Druck-Verfahren Elektronenstrahlschmelzen herzustellen.

Wolfram hat mit 3.422 Grad Celsius den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle. Ideal für den Einsatz dort, wo es richtig heiß wird, etwa für Weltraumraketendüsen, Heizelemente von Hochtemperaturöfen oder im Fusionsreaktor. Das Metall ist aber zugleich sehr spröde und daher schwer zu verarbeiten. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) fanden nun einen innovativen Ansatz, wie sie „den Spröden geschmeidig machen“: Sie entwickelten für das Verfahren des Elektronenstrahlschmelzens neue Prozessparameter, um damit auch Wolfram verarbeiten zu können. Weiterlesen

Vom Pulver zum additiv hergestellten Bauteil

Teil 1: Perspektiven durch heiß-isostatisches Pressen

Pulvermetallurgische Herstellung

Pulvermetallurgisch hergestellte Bauteile (PM) sind im Bereich des Motorenbaus, bei Getriebeteilen sowie im Werkzeug- oder Formenbau etabliert. Beim konventionellen Pressen und Sintern werden wasserverdüste, spratzige Metallpulver mit Additiven und weiteren Legierungselementen gemischt und in Pressformen zu Grünkörpern verdichtet, die bereits annähernd die endgültige Form aufweisen (near netshape). Während der Festphasensinterung unter Vakuum, Inertgas oder reduzierenden Atmosphären verbinden sich die Pulverpartikel durch Diffusion und stellen das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften ein. Pressen und Sintern wird als ein kostengünstiges Herstellungsverfahren für hohe Stückzahlen eingesetzt. Auch der Metallpulverspritzguss (MIM) ermöglicht Serienfertigung, typischerweise jedoch für kleine, komplex geformte Teile mit hoher Oberflächengüte und Maßhaltigkeit. Sehr feine Metallpulver werden mit thermoplastischen Bindern versetzt und unter erhöhten Temperaturen und hohem Druck in Spritzgusswerkzeuge gepresst. Die Grünteile werden thermisch oder chemisch entbindert und unter starker Sinterschwindung gesintert. Für Anwendungen, die herausragende mechanische Eigenschaften oder harte Werkstoffe erfordern, die durch Spanen, Schmieden oder Gießen nicht verarbeitet werden können, wird auf das Verfahren des heiß-isostatischen Pressens (HIP) zurückgegriffen. Kapseln, welche die Bauteilgeometrie abbilden, werden hierbei aus Stahlblech geschweißt, mit sphärischem, gasverdüstem Metallpulver gefüllt, evakuiert, verschlossen und bei hohen Temperaturen und Drücken zu voller Dichte konsolidiert. Zuletzt wird die Kapsel, die nur als Hilfsmittel zur Verdichtung genutzt wurde, entfernt. Weiterlesen

Neuartiger Fotolack ermöglicht 3D-Druck kleinster poröser Strukturen

Farbwechsel: Der rechte, mit dem neuartigen Fotolack gedruckte Mikro-Zylinder erscheint weiß, weil in seiner schwammartigen Struktur das Licht gestreut wird, während der aus herkömmlichem Fotolack gedruckte Zylinder transparent erscheint. (Abb.: 3DMM2O)

Farbwechsel: Der rechte, mit dem neuartigen Fotolack gedruckte Mikro-Zylinder erscheint weiß, weil in seiner schwammartigen Struktur das Licht gestreut wird, während der aus herkömmlichem Fotolack gedruckte Zylinder transparent erscheint. (Abb.: 3DMM2O)

Forschende des Exzellenzclusters 3D Matter Made to Order erweitern die Möglichkeiten des Zwei-Photonen-Mikrodrucks

Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Heidelberg haben einen Fotolack für den Zwei-Photonen-Mikrodruck entwickelt, mit dem erstmals dreidimen-sionale polymere Mikrostrukturen mit Hohlräumen in Nanogröße hergestellt werden können. Weiterlesen

Nachbearbeitung beim additiven Fertigungsverfahren Laserstrahlschmelzen – Herausforderungen und Optimierungspotential

Abbildung 1: Prinzipaufbau einer Maschine des Laserstrahlschmelzens

Abbildung 1: Prinzipaufbau einer Maschine des
Laserstrahlschmelzens

Chancen und Herausforderungen der additiven Fertigung

Additive Fertigungsverfahren gewinnen in den letzten Jahren zunehmend an Be­deutung. Als Gründe hierfür sind die wirtschaftliche und flexible Produktion kleiner Losgrößen, der Wegfall des Bedarfs an Bearbeitungswerkzeugen sowie die Realisierbarkeit von komplexen und bionischen Geometrien zu nennen. Zahlreiche Unternehmen setzen den schichtweisen Bauteilaufbau bereits zur Fertigung von Prototypen oder zur Fertigung von komplexen Funktionsbauteilen in Kleinserie ein. Dadurch werden Produktionskosten gesenkt, der Produktentstehungsprozess beschleunigt und neue Geschäftsfelder erschlossen. Die Anwendung additiver Fertigungsverfahren ist auch mit Herausforderungen verbunden. So erschwert insbesondere die prozessbedingt hohe Oberflächenrauigkeit metallbasierter additiver Fertigungsverfahren deren breite industrielle Anwendung. Die mit der notwendigen Bauteilnachbearbeitung einhergehenden Kosten können sich aufgrund der häufig sehr zeitaufwendigen und manuellen Tätigkeiten auf bis zu einem Drittel der bauteilbezogenen Gesamtkosten belaufen. Daher müssen die verfahrensspezifischen Gestaltungsprinzipien bei der Bauteilkonstruktion berücksichtigt werden und geeignete Nachbearbeitungsverfahren anwendungsspezifisch ausgewählt werden, um eine hohe Bauteilqualität und Produktivität der Nachbearbeitung zu erzielen. Weiterlesen

Breites EOS Werkstoff-Portfolio für metallbasierte additive Fertigung: DMLS Kompetenz für gewohnt zuverlässige Bauteileigenschaften und neue Anwendungsfelder

Kupfer Wärmetauscher Demoteil Quelle: EOS

Kupfer Wärmetauscher Demoteil Quelle: EOS

Das in Krailling bei München angesiedelte, 1989 gegründete Unternehmen ist weltweit führender Anbieter für die pulverbasierte additive Fertigung von Kunststoffen und Metallen. In diesem Artikel soll es speziell um das breite Spektrum der Metallwerkstoffe gehen.

Die metallbasierte additive Fertigung umfasst diverse Technologien, wie z. B. Powder Bed Fusion (PBF) oder Metall-Binder-Jetting. Die unter dem Namen DMLS bekannte PBF-Technologie von EOS gilt heute im Metall 3D-Druck als Standard. Das Fertigungsverfahren kommt vor allem in anspruchsvollen Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobil, Medizin, Werkzeug- und Turbomaschinenbau zum Einsatz, die eine einheitliche Bauteilqualität mit Eigenschaften ähnlich denen des konventionellen Guss- oder Schmiedeverfahrens verlangen. Weiterlesen

Autonomer Roboter spielt mit NanoLEGO

Rastertunnelmikroskop der Forschungsgruppe um Dr. Christian Wagner (PGI-3) am Forschungszentrum Jülich

Rastertunnelmikroskop der Forschungsgruppe um Dr. Christian Wagner (PGI-3) am Forschungszentrum Jülich
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Christian Wagner

Moleküle sind die Bausteine des Alltags. Die meisten Materialien setzen sich aus ihnen zusammen, vergleichbar mit einem Legomodell, das aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Steinen besteht. Doch während man beim Lego einzelne Steine ganz einfach versetzen oder wegnehmen kann, ist das in der Nanowelt nicht so ohne weiteres möglich. Atome und Moleküle verhalten sich völlig anders als makroskopische Gegenstände und jeder Baustein braucht seine eigene „Bedienungsanleitung“. Jülicher und Berliner Wissenschaftler haben jetzt eine künstliche Intelligenz entwickelt, die selbstständig lernt, wie sie einzelne Moleküle mittels eines Rastertunnelmikroskops greifen und bewegen kann. Die Methode ist nicht nur die für die Forschung, sondern auch für neuartige Fertigungstechnologien wie den molekularen 3D-Druck relevant. Weiterlesen

Additive Fertigung von multifunktionalen Bauteilen

Anlage für das Multi Material Jetting von Hochleistungs-Komponenten mit kombinierten Eigenschaften oder Funktionen.

© Fraunhofer IKTS
Anlage für das Multi Material Jetting von Hochleistungs-Komponenten mit kombinierten Eigenschaften oder Funktionen.

Die additive Fertigung gehört zu den derzeit wichtigsten Trends in der Industrie. Nun hat ein Team des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS eine Anlage für das Multi Material Jetting entwickelt, mit der sich unterschiedliche Werkstoffe zu einem einzigen additiv gefertigten Bauteil vereinen lassen. Dadurch sind Produkte mit kombinierten Eigenschaften oder Funktionen realisierbar. Besonders leistungsfähige Materialien wie Keramik und Metall kommen in dieser Anlage zum Einsatz. Weiterlesen

Elektrischer Strom bringt Metallbauteile aus dem 3D-Drucker hochpräzise in Form

Feinbearbeitung ist Spezialität der Saarbrücker Fertigungstechniker um Professor Dirk Bähre (l., hier mit dem technischen Mitarbeiter Stefan Wilhelm aus seiner Forschungsgruppe). Mit neuartigen Verfahren formen sie auf Tausendstel Millimeter genau komplizierte Bauteile aus hochbelastbaren Metallen, indem sie 3D-Druck und elektrochemisches Abtragen kombinieren.

© Oliver DietzeDie Feinbearbeitung ist Spezialität der Saarbrücker Fertigungstechniker um Professor Dirk Bähre (l., hier mit dem technischen Mitarbeiter Stefan Wilhelm aus seiner Forschungsgruppe). Mit neuartigen Verfahren formen sie auf Tausendstel Millimeter genau komplizierte Bauteile aus hochbelastbaren Metallen, indem sie 3D-Druck und elektrochemisches Abtragen kombinieren.

Das Forschungsteam von Professor Dirk Bähre an der Universität des Saarlandes verwandelt Metallbauteile aus dem 3D-Drucker berührungslos in hochpräzise technische Spezialanfertigungen. Mit ihren neuartigen Verfahren formen sie auf Tausendstel Millimeter genau komplizierte Bauteile aus hochbelastbaren, aber leichten Metallen: Die Fertigungstechnikerinnen und -techniker kombinieren hierfür 3D-Druck und elektrochemisches Abtragen. Weiterlesen