Blog

Was bringen eigentlich neue Parameter im 3D-Metalldruck?

Als Maschinenbauer fällt einem ja die Vorstellung schwer, dass es ohne Änderungen an der Mechanik sondern nur durch eine bessere Software möglich ist die Bauteil-Qualität weiter zu steigern. Aber so ist es!

Wir haben unsere Software gewechselt und es zeigt sich bei 1.4404 ein deutlich besseres Bild bei Beschriftungen. Vor allem aber lässt sich der Downskin-Winkel von 45° auf 30° reduzieren. (Das Bild zeigt ein Musterteil, das dazu dient Grenzen auszutesten. Dazu ist es notwendig gezielt Zerstörungen herbeizuführen.)

Vorsicht ist die Mutter der Porzellankiste und deshalb tasten wir uns langsam an das Mögliche ran und setzen Stützen bis 35°, das ist auch schon eine deutliche Verbesserung, die den Nachbearbeitungsaufwand reduziert und mehr Freiheiten für innenliegende Strukturen eröffnet.

Kosten ~ Anzahl der Arbeitsgänge

Das Zusammenfügen vieler Kleinteile kann mit einem hohen Zeitaufwand verbunden sein. Auch in diesem Zusammenhang kann die additive Fertigung (pbf-lb) Sinn machen. Statt einzelne Pins in die dafür vorgesehenen Bohrung zu setzen und dort einzuschweißen fertigen Sie das Werkstück einfach in einem Schritt aus Metall.
Das spart Zeit und Geld und gibt Ihnen zudem die Möglichkeit die Pins so zu verändern, dass sie optimal zu der gewünschten Funktion passen.
Im Übrigen steigern Sie so auch die Qualität des Werkstückes, da sich die verschiedenen Toleranzen der Einzelteile und des Fügevorgangs nicht mehr aufaddieren und mögliche Schwachstellen durch unterschiedliche Gefügestrukturen vermieden werden.

Ausrichtung

Warum hat die Ausrichtung der Werkstücke auf der Bauplattform bei der additiven Fertigung von Metallteilen mittels powder bed fusion eine so große Bedeutung?
Lassen sie es mich an dem einfachen Beispiel eines kleinen Rohrstücks erklären. Dieses ist hier einmal liegend und einmal stehend abgebildet und mit den benötigten Stützstrukturen (blau) versehen.

Kosten des 3D-Metalldrucks:

Das liegende Rohr ist bei Betrachtung eines Einzelstückes günstiger zu drucken, da es eine geringere Höhe aufweist und damit weniger Schichten aufgeschmolzen werden müssen. Sollen viele Werkstücke hergestellt werden, wird der Vorteil zum Nachteil, da in der stehenden Orientierung mehr Rohre auf eine Plattform passen.

Kosten der Nachbearbeitung:

Das stehende Rohr ist günstiger in der Nachbearbeitung, da deutlich weniger Stützen abzulösen sind und die Bearbeitung der Stirnfläche des Rohres einfacher ist. Meist entfällt auch in der stehenden Variante die Nachbearbeitung der Bohrung, die bei der liegenden Variante auf jeden Fall notwendig ist.

Qualität
Schaut man auf die Zugfestigkeit ist die liegende Variante die bessere, da in X/Y-Richtung die entsprechenden Kennwerte um ca. 10% höher liegen als in der Z-Richtung (Anisotropie). Allerdings leidet das Bauteil bei zunehmender Länge in der liegenden Variante verstärkt unter Eigenspannungen, so dass die Bauteile eventuell gerichtet werden müssen.
Es wäre zu begrüßen, wenn schon der Konstrukteur in seiner Arbeit die o.g. Punkte miteinfließen ließe. Ohne klare Informationen entscheiden wir uns in der Regel in solchen Fällen für die stehende Variante um Verzug aufgrund von Eigenspannungen und auch die Nachbearbeitung zu reduzieren.

Zusatznutzen ~ Beschriftung

Ich denke nicht, dass ich schon mal einen Artikel zum Thema Beschriftung im Zusammenhang mit der additiven Fertigung gelesen habe. Dabei ist es zwar ein kleiner aber schnell zu realisierender Vorteil.
Der Vorteil ist schnell erklärt: Beim Verfahren powder bed fusion - laser beam brauchen Sie zur Beschriftung kein zusätzliches Werkzeug und auch keinen separaten Arbeitsgang. Sie wird fast kostenfrei in das Metallteil „gedruckt“.
Der Klassiker sind Artikelnummern, aber es sind natürlich auch alle anderen Texte möglich. Auch die Blindenschrift oder ein 2D-Barcode sind denkbar. Freiformen gehen natürlich auch. Also warum nicht gleich das Logo ins Bauteil integrieren oder das Werkstück mit einer Unterschrift signieren und damit individualisieren.
Die Beschriftung können Sie erhaben oder vertieft ausführen und dann ist der Schritt von der Freiform zur Textur auch nicht mehr groß. Das kann ästhetische Gründe haben oder auch neue Funktionen ermöglichen und dann ist der Zusatznutzen auch nicht mehr klein sondern groß, bleibt aber fast kostenfrei.

Durchlaufzeit bei der additiven Fertigung von Metallteilen

Fünf Arbeitstage benötigen wir in der Regel um Aufträge abzuwickeln und in den Versand zu bringen. In dieser Zeit führen wir im Wesentlichen, die in der Grafik genannten Arbeitsgänge durch. Nur ein Bruchteil der benötigten Zeit entfällt also auf den 3D-Druck selbst.
Aber keine Regel ohne Ausnahme. Manche Kunden brauchen ihre Werkstücke schneller. Das geht auch, aber dann muss alles passen. Die CAD-Modelle müssen einwandfrei sein. Die Maschine muss frei sein und die Nacharbeit gut von der Hand gehen. Dann ist ein Versand auch schon mal 24h nach Beauftragung möglich. Das ist allerdings nur bei kleineren Aufträgen erreichbar.
Im Übrigen spielt natürlich auch die Motivation ein Rolle. Ein kleiner preislicher Aufschlag erhöht diese. Wenn der Kunde im Vorfeld allerdings drei Wochen Zeit benötigt um seinen eigenen internen Bestellprozess abzuwickeln, dann möchten wir auch nicht unser Wochenende opfern.

Durchlaufzeiten verkürzen - Metallteile zerspanen oder additiv fertigen ?

Ehrlich gesagt ist die Unterscheidung aus meiner Sicht künstlich, denn der 3D-Metalldruck wird in der Regel mit einem Zerspanungsprozess verbunden um ein funktionsfähiges Werkstück zu erhalten. Wechselt man die Perspektive wird die Frage klarer: Wie kann die additive Fertigung die konventionelle Bearbeitungsprozesse ergänzen um die Durchlaufzeiten zu reduzieren?
Aus meiner Erfahrung als ehemaliger Leiter einer konventionellen Fertigung ergeben sich lange Durchlaufzeiten meist aus den folgenden Prozessschritten:

  • Die Beschaffung von speziellen Halbzeugen/Zuschnitten und die Notwendigkeit der Anschaffung von Sonderwerkzeuge kann sehr zeitraubend sein.
  • Die Verfügbarkeit von hochwertigen Maschinen ist häufig eingeschränkt, z.B. weil Serien darauf laufen, die für ein Einzelstück nicht mal eben schnell unterbrochen werden.
  • Häufig kommt es auch durch mangelhafte Koordination bei Werkstücken, die auf unterschiedliche Weise bearbeitet werden und am Ende zusammengefügt werden müssen, zu Wartezeiten.

Immer wenn einer oder mehrere der obigen Punkte absehbar sind, dann sollten sie eine Ergänzung durch die additive Fertigung prüfen.

  • Die additive Fertigung arbeitet immer mit dem gleichen Halbzeug (z.B. Metallpulver). Weiterhin werden weniger Sonderwerkzeuge benötigt, da auch sehr komplizierte Geometrien direkt umgesetzt werden können. Damit entfallen viele Beschaffungsprozesse komplett.
  • Im Verfahren powder bed fusion wird parallel gebaut und nicht seriell wie in der Zerspanung. D.h. einzelne Teile lassen sich gut dazwischenschieben ohne damit einen Serienprozess komplett aufzuhalten.
  • Die additive Fertigung reduziert die Komplexität des Produktionsprozesses in dem mehrere konventionelle Arbeitsgänge in einen zusammengefasst werden.

Wenn diese Punkte gegeben sind, kann die additive Fertigung ihre Durchlaufzeiten wesentlich reduzieren. Bei einfachen Prozessen mit wenigen Fertigungsschritten eher nicht.

Zusatznutzen ~ Knowhow schützen

Durch die Möglichkeit mit der additiven Fertigung innenliegende Strukturen zu schaffen, ergeben sich nicht nur viele technische Vorteile, sondern auch die Chance das eigene Knowhow zu schützen. Denn wer erkennt schon auf den ersten Blick die innenliegenden Strukturen, die sich im hier dargestellten Block befinden.
Der Ansatz ist simpel: Durch die Integration mehrerer Funktionen und deren Kapselung nach außen durch eine Geometrie, die sich gerade nicht an den Funktionen orientiert, können sie ihr Knowhow im Bauteil verbergen. Es wird erst sichtbar, wenn das Bauteil aufgeschnitten wird.
Dieses Vorgehensweise reduziert die Möglichkeit der Wettbewerber sich auf einfache Art und Weise Ihre neuen Prozesse „abzuschauen“.
Wir sind ausschließlich im Metallbereich mit dem Verfahren powder bed fusion - laser beam tätig, aber die Vorgehensweise ist sicherlich auf die meisten anderen Additiven Fertigungsverfahren übertragbar.

Gewinde additiv fertigen – oder besser nicht

Nun, es kommt drauf an. Mit dem Verfahren powder bed fusion – laser beam können sie direkt kein metrisches Gewinde aus Metall herstellen, das ohne Nachbearbeitung nutzbar ist. Das hat zwei Hauptursachen:

  1. Die Winkelverhältnisse in einem metrischen Gewinde sind grundsätzlichen ungünstig und unterschreiten bei den meisten Parametersätzen den minimalen Downskin-Winkel. Dadurch besteht die Gefahr das Partikel nicht voll verschmolzen werden und abreißen. Das Gewinde franst aus.
  2. Die Rauheit ist aufgrund der Winkelverhältnisse sehr hoch, so dass kein gangbares Gewinde entsteht.
    Trotzdem lassen viele Kunden ihre Gewinde mitdrucken. Wir verwenden hauptsächlich den Werkstoff 1.4404, das ist ein hochlegierter Chrom-Nickel Stahl. Das Material ist zäh und da ist ein vorgedrucktes Gewinde eine Arbeitserleichterung. Die Schwierigkeit liegt dann in der Nachbearbeitung, da der Gewindegang sauber getroffen werden muss. Es entsteht ein Gewinde das nach dem Schneiden funktioniert, aber eher nicht ganz normgerecht ist.

Technisch einwandfrei wäre es das Kernloch oder die Welle zu drucken und das Gewinde komplett in einem separaten Arbeitsgang zu schneiden, fräsen oder anders herzustellen.

Allerdings gibt es dann doch auch die Möglichkeit bestimmte Gewinde in bestimmten Werkstoffen ohne Nachbearbeitung zu erzeugen. Beispielhaft sei hier das abgebildete Rundgewinde genannt. Die Toleranzen in dem Gewindetyp sind hoch. Als Werkstoff wurde CuSn10 mit einer gegenüber 1.4404 deutlich besseren Oberfläche gewählt. Die Schichtdicke betrug 15µm und der Laserspot 30µm.

Kleine Bohrungen additiv fertigen – wo liegen die Grenzen?

Es ist grundsätzlich kein Problem Bohrungen mit geringem Durchmesser mittels powder bed fusion- laser beam aus Stahl zu drucken. Allerdings gibt es verschiedene Dimensionsklassen in denen unterschiedliche Effekte eine praktische Rolle spielen. Im Optimalfall werden diese konstruktiv berücksichtigt.
Bei dem von uns verwendeten Metallpulver und einem Laserspot von 55µm stellt sich die Situation für 1.4404 wie folgt dar:

Bohrungsdurchmesser:

>4,0 mm
Die Bohrung ist für die additive Fertigung kein Problem, muss aber je nach Orientierung im Bauraum gestützt werden. D.h. sie muss evtl. für eine Nachbearbeitung zugänglich sein.
0,5-4,0 mm
Die Bohrung ist für die additive Fertigung kein Problem und muss aufgrund des geringen Durchmessers auch nicht gestützt werden. Die Form trägt sich selbst.
0,3-0,5 mm
Das Pulver neigt dazu in den kleinen Bohrungen hängen zu bleiben und sie dauerhaft zu verstopfen. Deshalb ist darauf zu achten, dass diese Kanäle möglichst kurz sind. Die im Bild dargestellte Geometrie kann eine Lösung dieses Problems sein.
<0,3 mm
Hier wird es experimentell. Neben dem Problem der leichten Verstopfung spielt die Scan-Strategie des Lasers eine zunehmende Rolle. Diese fängt an die Geometrie der Bohrungen zu beeinträchtigen.

Das kleinste von uns bisher erfolgreich hergestellte Langloch hatte einen minimalen Abstand von 0,17mm bei einer Länge von 1mm. Bei kreisrunden Bohrungen fertigen wir alles unter einem Durchmesser von 0,3mm ausschließlich auf Kundenrisiko.

Konstruktiver Aufwand ~ Nutzen

Anbei ein einfaches, symbolhaftes Bild um auf den Punkt zu kommen. Auch kleine konstruktive Änderungen im Bauteil können bei Verwendung additiver Verfahren einen großen Nutzen bringen.
Hier angedeutet ist der Übergang von einem typischerweise zerspanend hergestellten Kanal zu einem additiv gefertigten. Der Aufwand für den Konstrukteur ist gering: ein Spline und ein Quadrat das diesem folgt. Der Nutzen: Der Kanal kann additiv ohne Stützstrukturen hergestellt werden. Das senkt die Kosten und verbessert die Strömung von was auch immer durch den Kanal muss.
Wie weit Sie das treiben und ob Sie dann noch weiter gehen und den Kanal in der dritten Dimension verbiegen (z.B. damit dieser einer Oberfläche folgt) oder auf den Klotz um den Kanal herum verzichten um weitere Kosten zu sparen, das ist natürlich Ihre Entscheidung und mit ziemlicher Sicherheit auch davon abhängig in welcher Stückzahl das Werkstück produziert werden soll.

Kosten ~ Nachbearbeitung

In einem Formnext Magazin habe ich es mal schwarz auf weiß gelesen knapp 47% der Fertigungskosten eines Unternehmens entfallen auf die Nachbearbeitung.
Ich bezweifle, dass man das generalisieren kann, aber Fakt ist, dass die Nachbearbeitung der Werkstücke ein wesentlicher Kostenfaktor in der additiven Fertigung von Metallteilen ist. Die schlechte Nachricht dazu ist, dass auch die neuesten am Markt verfügbaren Maschinenmodelle dies nicht grundsätzlich ändern und eine Automatisierung der Prozesse natürlich auch nicht umsonst zu haben ist.
Die gute Nachricht ist: Wer weiß wie es geht, kann den Aufwand für die Nachbearbeitung schon in der Konstruktion massiv reduzieren. In dem gezeigten Symbolbild bspw. dadurch, dass aus Sacklöchern Durchgangslöcher werden. Alternativ könnte man auch einfach das Ende der Sacklöcher spitz auslaufen lassen um Stützen zu vermeiden.

Qualität ~ Kosten

Viele Anwender haben verstanden, dass sie mit der Reduktion von Volumen bei der additiven Fertigung von Metallteilen Kosten sparen können. Und natürlich kann auch ein leichteres oder kleineres Bauteil eine Erhöhung der Qualität darstellen, aber darum soll es hier nicht gehen.
Denn auch wenn man nur das Verfahren powder bed fusion – laser beam selbst betrachtet, ist es vorteilhaft am Bauteilvolumen zu sparen, weil es tendenziell weniger Probleme verursacht dünnwandig zu bauen als massiv Material aufzutragen. Je mehr Material sie aufschmelzen,

  • desto eher kommt es zu Beschädigungen am Coater (insbesondere wenn es sich um eine Gummilippe handelt),
  • desto stärker werden die Eigenspannungen im Material (im Extremfall heben sich dann die Ecken des Werkstückes von der Bauplattform ab)
  • desto mehr Rauch entsteht beim Schweißprozess. Dieser wird zwar weitestgehend abgesaugt, aber der Rest setzt sich unweigerlich sowohl auf der Linse als auch auf den Pulverpartikeln ab. Dadurch verschlechtert sich die Strahlqualität des Lasers und das Aufschmelzverhalten des Metallpulvers.

Die Reduktion des Volumens von Bauteilen ist also auch wenn ausschließlich der Fertigungsprozess betrachtet wird sinnvoll. Die Einsparung von Kosten und Gewicht gibt es quasi als Zugabe mit obendrauf. Sie steigern die Qualität und senken die Kosten und das in einem Schritt!

Verbindungstechnik in Metall-3D-Druck-Teile integrieren

Für den eigenen Bedarf haben wir ein Verbindungselement aus 1.4404/316L konstruiert und produziert, das sich ohne Nachbearbeitungsaufwand herstellen lässt. Damit steht es im Gegensatz zu vielen klassischen Verbindungselementen (Gewinde, Passungen etc.), die sich in der Regel nicht direkt und ohne Nachbearbeitung erzeugen lassen.
Die im Bild gezeigte Lösung wird in einem Schritt mittels powder bed fusion - laser beam hergestellt. Der oben abgebildete Zapfen wird mit Kraft in die vorgesehene Vertiefung hineingedrückt. Dadurch werden die gedruckten Lamellen zuerst nach außen und dann nach oben und innen gedrückt. Natürlich lässt sich der Zapfen auch einfach auf einer Drehbank realisieren. Die Aufnahme eher nicht.
Die Verbindung ist nicht zerstörungsfrei lösbar. Das obere Teil ist fest mit dem unteren verbunden, kann aber um die eigene Achse verdreht werden. Das Schöne daran ist, dass sie es ohne Mehrkosten herstellen können, da zunehmende Komplexität im 3D-Druck kein Geld kostet, zusätzliches Volumen sowie zusätzlicher Nachbearbeitungsaufwand dagegen schon. Weiterhin sind die Kräfte, die notwendig sind um die Bauteile zu koppeln oder zu lösen, einstellbar und auch die Verdrehbarkeit kann eingeschränkt werden, wenn dies gewünscht ist.
Gerne stellen wir Ihnen das obige Beispiel als STEP-Datei via Email zur Verfügung. Melden Sie sich einfach kurz bei uns.

Metall-3D-Druck für KMU: Widerspruch oder perfekte Ergänzung?

Ich habe mich sehr über die vielen Zuhörer bei meinem Vortrag zum Thema „Metall-3D-Druck für KMU: Widerspruch oder perfekte Ergänzung?“ auf der INTEC 2023 gefreut. Deshalb hier eine kurze Zusammenfassung:

Unabhängig vom Anwendungsfeld der Werkstücke stellt sich immer die Frage wie diese hergestellt werden sollen. Die Antwort darauf besteht aus einem technischen Teil, klar, beinhaltet aber eben auch kaufmännische und materialwirtschaftliche Themen. Schaut man sich die konkreten Aufträge in unserer Werkstatt an, ergeben sich ganz andere Vorstellungen von sinnvollen Anwendung als dies aus vielen Marketingbeispielen großer Unternehmen oder Forschungsinstitute hervor geht.

Bekannt ist, dass das Verfahren powder bed fusion – laser beam die Realisierung von dünnen Wandstärken und Freiformen ermöglicht. Diese sind zerspanend nur aufwändig herstellbar, da sie schwierig zu spannen sind und die Gefahr des Flatterns und Einhakens besteht. Auch bei konventionellen Konstruktionen, die häufiges Umspannen erfordern oder Spannvorrichtungen benötigen, kann sich die additive Herstellung lohnen. Die Durchführung einer Topologieoptimierung ist dagegen weder der erste Schritt noch unbedingt erforderlich beim Einstieg in die neue Technik. Es stellt sich vielmehr die Frage, ob sich der Aufwand in der Konstruktion dafür überhaupt lohnt, gerade wenn nur Einzelteile oder Kleinserien gefertigt werden sollen.

Die additive Fertigung profitiert sehr stark davon, dass alle Werkstücke eines Materials immer aus dem gleichen Pulver entstehen. Dadurch entfällt die Anschaffung von speziellen Halbzeugen. Weiterhin können mehrere Bearbeitungsschritte häufig in einen zusammengefasst werden und die Werkstücke über Nacht mannlos gefertigt werden. Auch die Anschaffung von speziellen Werkzeugen zur Nachbearbeitung entfällt häufig. Dies zusammengenommen spart eine Menge Zeit und Geld. Aus Sicht der Materialwirtschaft ist das Verfahren dadurch für zeitkritische Werkstücke und kleine Stückzahlen attraktiv.

Massive Bauteile mit geringer Komplexität sind klassisch deutlich günstiger herstellbar. Die Komplexität eines Werkstückes kostet beim 3D-Druck dagegen fast kein Geld, solange die Flächen nicht aufwändig nachbearbeitet werden müssen. Die Kosten entstehen durch die Menge des Materials, das aufgebaut wird. Bei geschickter Herangehensweise können evtl. auch Montagekosten entfallen in dem bisher getrennte Bauteile miteinander verschmolzen werden.

Gerade kleine und mittlere Unternehmen haben häufig das Problem an kundenspezifische Werkstücke zu kommen, wenn sie nur einen sporadischen Bedarf haben und nur kleine Stückzahlen bestellen wollen. Deshalb kann die Additive Fertigung gerade für diese Unternehmen ein wichtiger Baustein sein um Materialengpässe zu vermeiden und eigene Entwicklungen voranzutreiben.

Minimale Wandstärken mit powder bed fusion - was ist möglich?

Um nicht nur pauschale Werte nennen zu können sprechen wir hier über ein konkretes Material und einen konkreten Fertigungsprozess: Wir nutzen eine TruPrint1000 mit 55µm Laserspot und einer Schichtdicke von 20µm zur Verarbeitung des Stahls 1.4404. Damit lässt sich eine minimale Wandstärke von 0,15mm realisieren.
Dazu sind allerdings gewisse Rahmenbedingungen zu beachten:

  • Es dürfen sich keine Supports an so dünnen Wänden befinden. Beim Entfernen würde die Wand mindestens verbogen, wahrscheinlich aber abgerissen, da die Supports ähnlich stark wie die Wand sind.
  • Dünne Wände fangen beim Kontakt mit der Beschichterlippe zu vibrieren an. Dies begrenzt die Höhe auf 1,5-2mm maximal.
  • Die hergestellten Bauteile müssen sich von der Bau-Plattform lösen lassen ohne dabei zerstört zu werden.

Diese drei Punkte führen dazu, dass wir die im Bild gezeigte Variante 2 gut fertigen können, Variante 1 aber nicht, weil wir sie beim Absägen zerstören würden. Interessant wäre ein Versuch mit einer Drahterodiermaschine. Aber ich bin mir nicht sicher, ob diese das Bauteil zerstörungsfrei ablösen kann. Eine Positionierung wie in Variante 3 gezeigt ist ungünstig und kritisch in der Herstellung, wenn sie sich denn nicht vermeiden lässt.

Genutzt werden solch feine Strukturen unter den gegebenen Randbedingung z.B. zur Herstellung von kleinen Antennen oder anderen elektronischen Anwendungen. Hauptsächlich ist eine gute Auflösung des 3D-Druckers allerdings in Bezug auf scharfe Ecken und Kanten interessant (z.B. die Spitze einer Pinzette). Freistehende Wände ohne die o.g. Einschränkungen lassen sich ab 0,3mm realisieren. Als Anwendung bieten sich hier filigrane Gehäuse an.
Übrigens unser zweiter Metalldrucker arbeitet mit einem Laserspot von 30µm. Damit können wir Bronzeteile ab einer Wandstärke von 0,1mm herstellen.

You are using an outdated browser. The website may not be displayed correctly. Close