3D-Metalldruck – eine Revolution in der Fertigungsindustrie

Veröffentlicht von Christine Allmendinger & Dr. Sebastian Kreft @Metalshub am 12. Februar 2018.

Executive Summary

Der 3D-Metalldruck ist ein innovatives Fertigungsverfahren mit enormen Wachstumspotential. Im folgenden Blogpost diskutieren wir die Vorteile dieser Methode, die verschiedenen Metallpulver, die als Rohstoffe eingesetzt werden und wie zwei innovative Start-up Unternehmen die Industrieunternehmen in diesem Bereich unterstützen.

Die Revolution in der Fertigungsindustrie ist in vollem Gange

Der 3D-Metalldruck ist ein neuartiges Fertigungsverfahren, um dreidimensionale Werkstücke aus Metall zu produzieren. Dabei wird zuerst eine dünne Schicht des Pulvers auf die Bauplattform aufgetragen. Auf Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten wird anschließend das Pulver von einem Laser exakt an den vorgegebenen Stellen geschmolzen. Diese Schicht verhärtet, die Fertigungsplattform wird daraufhin abgesenkt und weiteres Pulver aufgetragen, das erneut von dem Laser geschmolzen wird. Der Vorgang wird dann so lange wiederholt bis das gewünschte Produkt erreicht ist. Dieses Verfahren wird auf Grund der Beschaffenheit des Endproduktes, das aus mehreren Schichten besteht auch als „Additive Fertigung“ bezeichnet.

Das Verfahren hat das Potential die Fertigungsindustrie in Deutschland zu revolutionieren. Lag zunächst der Fokus im 3D-Druck auf Werkstücken aus Plastik, verzeichnet der 3-D Druck aus Metallpulvern nun die höchsten Wachstumsraten. Laut einer aktuellen McKinsey Studie wird der Markt auf ein Volumen von 10 Milliarden Dollar bis 2035 wachsen. Wird der 3D-Metalldruck heute nur von einzelnen Unternehmen, wie z.B. Siemens, für Serienfertigungen eingesetzt, wird er bis dahin für die Großserienproduktion in der Industrie weitläufig eingesetzt werden, so die Studie. Aktuell liegen die Hauptanwendungsgebiete für den 3D-Metalldruck in den Bereichen Medizin, Luft- und Raumfahrt, Schmuck und Automobil.

Der 3D-Metalldruck bietet viele Vorteile

Ähnlich wie in anderen Industrien, bringt der 3D-Druck entscheidende Vorteile für die Metallindustrie mit sich:

  • Kürzere Lieferzeiten

Der 3D-Druck erfordert nur zwei Produktionsschritte, die Herstellung des Metallpulvers und das eigentliche Drucken des Metallbauteils. Dadurch werden konventionelle Schritte, wie das Warmwalzen, Kaltwalzen, Schweißen, komplexe Logistik und die Montage überflüssig. Insbesondere auf Grund der Volatilität der Metallpreise, sind kürzere Produktions- und Lieferzeiten ein enormer Vorteil für die produzierenden Unternehmen.

  • Kosteneinsparungen bei Kleinserien und Prototypen

Häufig ist die Produktion von Metallteilen auf Massenproduktion ausgelegt. Der 3D-Metalldruck ermöglicht auch die Herstellung von Kleinserien und Prototypen zu günstigen Kosten.

  • Mehr Freiheit im Design

Der 3D-Metalldruck erlaubt die Produktion ganz neuer komplizierter Teile, die vorher technisch oder wirtschaftlich nicht produziert werden konnten

  • Hohe Materialeffizienz

Konventionelle Methoden verschwenden eine große Menge an Material. Der 3D-Metalldruck verwendet lediglich das für das Endprodukt benötigte Material. Dadurch werden Schrott-Raten von gerade einmal 1-3 % erreicht.

Skaleneffekte werden Wachstum des 3D-Metalldrucks beschleunigen

Trotz all dieser Vorteile und Erfolg verheißenden Zukunftsaussichten gibt es noch einige Hürden, die der 3D-Metalldruck in der Metallindustrie überwinden muss. Die Metallpulver Produktion ist derzeit noch relativ teuer. Zum einen, da es aufgrund des relativ geringen Volumens noch keine Skaleneffekte in der Produktion gibt, zum anderen da die Qualitätsanforderungen sehr hoch sind und die Produktionsverfahren noch nicht ausgefeilt sind. Die geringen Stückzahlen führen auch dazu, dass 3D-Metalldrucker noch relativ hohe Anschaffungskosten haben.

Außerdem gibt es noch Einschränkungen hinsichtlich der maximalen Größe der Werkstücke. Teile die größer als 15 x 15 x 15mm sind stellen die existierenden 3D-Drucker vor Probleme. Zudem können die meisten 3D Drucker nicht verschiedene Materialien für ein Werkstück verbinden. Forschung und Entwicklungsabteilungen von Unternehmen und Wissenschaftlern arbeiten intensiv daran diese Einschränkungen aus dem Weg zu schaffen.

Die Welt der Metallpulver

Eine technische Herausforderung ist die Auswahl des richtigen Materials für ein bestimmtes Bauteil. Die Wahl des Metalls für das Metallpulver hängt dabei von den gewünschten mechanischen und physikalischen Eigenschaften sowie der finalen Verwendung des Werkstücks ab.

Folgende Metalle werden für den 3D-Druck verwendet:

  • Titan: Reines Titan (Ti64 oder TiAl4V) ist das am häufigsten verwendete Metall für den 3D-Druck. Auf Grund der Eigenschaften, sowohl massiv, als auch leicht zu sein, ist pures Titan eines der vielseitigsten Metalle. Vor allem in der Medizinindustrie sowie der Luftfahrt-, Fahrzeugindustrie ist Titan attraktiv.
  • Rostfreier Stahl: Rostfreier Stahl zählt zu den günstigsten Materialien für den 3D-Druck. Er hat eine hohe Streckgrenze und Zugfestigkeit bei gleichzeit guter Verformbarkeit und kann so vielfältig in der Industrie eingesetzt werden.
  • Inconel: Bestehend aus Nickel und Chrom zeichnet sich die Superlegierung Inconel durch eine hohe Temperatur- sowie Korrosionsbeständigkeit aus. Meist wird es deshalb in Öl- und chemieverarbeitenden Betrieben oder der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet. Von Nickel wird erwartet, ein jährliches Wachstum von ganzen 30 % bis 2025 in 3D-Applikationen zu erfahren.

Weitere 3D-Druck Metalle sind z.B. Aluminium, Kobalt, Chrom, Kupfer, Bronze, Eisen, Gold, Silber und andere Edelmetalle.

Zur Pulverherstellung werden gewöhnlicherweise die Metalle in reiner Form oder als Legierungen verwendet und unterschiedliche Verfahren, die in mechanische, physikalische, chemische und elektrolytische Verfahren aufgeteilt werden können, angewandt. Die Art des Herstellungsverfahrens hat hierbei starken Einfluss auf die anschließenden Eigenschaften des Pulvers. Das für den 3D-Druck am häufigsten verwendete Verfahren beispielsweise ist die „Gasverdüsung“, das vor allem für Eisen, Nickel und Kobaltlegierungen verwendet wird, aber auch für Aluminium- und Titanlegierungen.

Zu den wichtigsten Herstellern von Metallpulver zählen ATI Powder Metals, Carpenter, Erasteel, Sandvik Osprey und Metalysis Technology. Auch der deutsche Technologiekonzern Thyssenkrupp hat die Chancen des 3D-Drucks bereits erkannt und im September 2017 ein neues TechCenter eröffnet mit dem Ziel, den 3D-Druck zu industrialisieren.

Effiziente Prozesse mit Metalshub & KREATIZE – von der Materialfindung bis hin zur Produktion von Prototypen und Kleinserien

Die innovativen deutschen Start-Ups Metalshub und KREATIZE helfen mittelständischen Unternehmen im internationalen Markt für Metallwerkstücke konkurrenzfähig und erfolgreich zu agieren.

Für verarbeitende Unternehmen bietet Metalshub eine einfache Lösung, bereits beim Einkauf von Metallen Kosten zu sparen. Metalshub stellt auf seinem digitalen Marktplatz die Möglichkeit bereit bei Metalllieferanten aus der ganzen Welt einzukaufen. Der Bestellprozess ist intuitiv, schnell und einfach. Das Liefersortiment erstreckt sich von den Rohstoffen zur Produktion von 3D-Metallpulvern über die Metallpulver selbst bis hin zu Ferrolegierungen und Metallen für traditionelle Schmelzbetriebe. Die Digitalisierung des gesamten Prozesses, von der Anfrage des gewünschten Produktes bis hin zur Einigung und automatisierten Erstellung des Vertrages, führt dazu, dass viel Zeit eingespart werden kann.

Auch Unternehmen, die Metallwerkstücke in kleinen Stückzahlen benötigen, können vom 3D-Metalldruck Verfahren profitieren. Mit KREATIZE als digitale Lösung können Unternehmen schnell und einfach Prototypen und Kleinserien online bestellen. Auf eine digitale Anfrage erstellt KREATIZE ein intelligentes Angebot für das Unternehmen und produziert mit einem ausgewählten Lieferantennetzwerk. Damit können Einkäufer Zeit und Kosten effektiv sparen und insbesondere bei der Beschaffung von Prototypen und Kleinserien einen erheblichen Vorteil beziehen.

Der Zugang zu einer breiten Auswahl an Anbietern, sowohl mit KREATIZE (deutschlandweit) sowie Metalshub (international), liefert darüber hinaus ein größeres Angebot und somit das Potential weitere Preisvorteile zu erzielen. Dadurch werden wichtige Ressourcen freigesetzt, die wiederum in Forschung und Entwicklung oder andere Bereiche gesteckt werden können. So können Unternehmen mit Metalshub und KREATIZE gemeinsam von der Materialfindung bis hin zur Prototypenherstellung und der Erfüllung des Auftrages schnell und kostengünstig ein Projekt abschließen.

Als neuartiges Fertigungsverfahren bringt der 3D-Druck neuen Schwung in die Metallindustrie. Erfolgsversprechende Vorteile, wie hohe Materialeffizienz, große Kosteneinsparungen bei Kleinserien, mehr Freiheit im Design sowie eine kürzere Wertschöpfungskette überzeugen immer mehr Unternehmen sich dieser Entwicklung anzuschließen. Auf Grund zusätzlich hoher Investitionen in Forschung und Entwicklung in diesem Gebiet wird weiterhin großes Wachstum im Bereich des 3D-Drucks erwartet. Innovative Technologieunternehmen, wie Metalshub und KREATIZE stellen Unternehmen der Industrie in diesem Wandel die geeigneten Tools zur Verfügung, um die Digitalisierung zu ihrem Vorteil zu nutzen.

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Christine Allmendinger & Dr. Sebastian Kreft
Christine Allmendinger & Dr. Sebastian KreftManaging Director & Co-Founder @Metalshub

By |2018-08-25T12:26:38+00:00Februar 12th, 2018|3D Druck, 3D Metalldruck, Metalshub, On-Demand Manufacturing|