3D-Drucktechnologie gehört Rapid Prototyping-Technologie. Anders als bei der traditionellen subtraktiven Fertigung wird die 3D-Drucktechnologie genannt additive Fertigungstechnologie. Die Herstellung herkömmlicher Teile erfordert im Allgemeinen Werkzeuge und Formen, und es ist schwierig, Teile mit komplexen Formen und unebenen Oberflächen zu verarbeiten. Die 3D-Drucktechnologie verwendet moderne Mittel wie Computer, Laser und CNC, um eine 3D-Modelldatei des zu verarbeitenden Teils im Computer zu erstellen. Nachdem das Modell erstellt wurde, wird es in die Slicing-Software importiert, um die Verarbeitungsparameter wie Verarbeitungsgeschwindigkeit, Schichthöhe usw. einzustellen. Nachdem die Einstellungen abgeschlossen sind, wird es in den 3D-Drucker importiert. Der Drucker nimmt die Verarbeitungsparameter auf und realisiert die Verarbeitung des Objekts, indem er das Material Schicht für Schicht druckt. Die in der gewöhnlichen 3D-Drucktechnologie verwendeten Materialien sind im Allgemeinen Harze, PLA, ABS-Kunststoffe usw., während die in der Metall-3D-Drucktechnologie verwendeten Materialien Metalle oder Legierungsmaterialien sind. Nach den verschiedenen Metall-3D-Druckverfahren kann man grob in selektive Lasersintertechnologie (SLS), selektive Laserschmelztechnologie (SLM), selektive Elektronenstrahlschmelztechnologie (EBSM), Laser Near-Net Shaping-Technologie (LENS), direkte Metall-Lasersintertechnologie (DMLS) und andere neue Technologien einteilen. Die Metall-3D-Drucktechnologie wird aufgrund ihrer Fähigkeit, Teile beliebiger Form zu verarbeiten, in vielen Bereichen wie der Präzisionsfertigung, der Luft- und Raumfahrt und der Medizintechnik häufig eingesetzt.

Mit der Entwicklung der Gesellschaft und dem kontinuierlichen Fortschritt von Wissenschaft und Technologie hat die 3D-Metalldrucktechnologie mit ihrer hohen Materialausnutzungsrate, kurzen Fertigungszyklen und hohen Flexibilität schnell eine wichtige Position in der Metallverarbeitungsindustrie eingenommen. Mit der 3D-Metalldrucktechnologie können einige kleine, komplexe und hochpräzise Metallteile gedruckt werden. Daher spielt diese Technologie eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung der Qualität und Effizienz der gesamten industriellen Produktion, der Verbesserung des aktuellen Status der Metallteileherstellung, der Bereitstellung weiterer Möglichkeiten im Prozess der Herstellung von Metallteilen und der Förderung der Entwicklung der Metallverarbeitungsindustrie.

1 Anwendung der Metall-3D-Drucktechnologie

Die wichtigsten 3D-Drucktechnologien für Metall, die derzeit direkt auf dem Markt zur Herstellung von Metallteilen eingesetzt werden, sind: Selektives Lasersintern (SLS), Selektives Laserschmelzen (SLM), Direktes Metall-Lasersintern (DMLS), Laser-Nahfeldformung (LENS) und Elektronenstrahlselektives Schmelzen (EBSM).

1.1 Selektives Lasersintern (SLS)

Die selektive Lasersintertechnologie (SLS) ist die älteste 3D-Drucktechnologie für Metall. Der verwendete metallurgische Mechanismus ist der Flüssigphasensintermechanismus. Das verwendete Material ist ein gemischtes Pulver aus hochschmelzendem Metall und niedrigschmelzendem Metall oder Polymermaterial. Während des Schmelzvorgangs schmilzt das niedrigschmelzende Metall- oder Polymermaterialpulver, während das hochschmelzende Metallpulver nicht schmilzt und seinen festen Phasenkern als Strukturmetall behält. Das geschmolzene Material fungiert als Bindemetall und erzeugt während des Schmelzvorgangs eine flüssige Phase, um das feste Metall zu bedecken, zu benetzen und zu binden, um eine Sinterverdichtung zu erreichen. Das gesamte Prozessgerät besteht aus zwei Teilen: einem Pulverzylinder und einem Formzylinder. Während des Betriebs steigt der Pulverzylinder auf der linken Seite um eine Schicht an, und dann verteilt die Pulverwalze eine Schicht Pulver gleichmäßig im Formzylinder. Der vom Computer gesteuerte Laserstrahl scannt das Pulver gemäß dem geschnittenen Modell, sodass das Metallpulver den Schmelzpunkt erreicht und sintert, um eine Schicht des Teils fertigzustellen. Nach der Fertigstellung lässt der Formzylinder eine Schicht fallen, und die Pulverwalze verteilt erneut eine gleichmäßige Pulverschicht im Formzylinder, um die nächste Schicht zu sintern. Dieser Vorgang wird wiederholt, um die Produktion des gesamten Teils abzuschließen.

Merkmale des selektiven Lasersinterns: Vorteile: (1) Es können verschiedene Materialien verwendet werden. Darunter Polymermaterialien, Metallpulver, Keramikpulver, Nylonpulver usw. mit starker Selektivität. (2) Es ist keine Unterstützung erforderlich. Denn das ungesinterte Pulver kann die erzeugte Schwebeschicht während des Druckvorgangs stützen. (3) Hohe Materialausnutzungsrate. Während des Druckvorgangs ist keine Unterstützung erforderlich und der Materialpreis ist niedrig. Zu den Nachteilen gehören: (1) Raue Oberfläche. Die Oberfläche des im SLS-Verfahren hergestellten Prototyps ist pulverisiert und gebunden und liegt in Form von Pulverpartikeln vor, sodass die Oberflächenqualität nicht hoch ist. (2) Während des Verfahrens entsteht ein Geruch. Dies liegt daran, dass Polymermaterialien oder Pulverpartikel beim Sintern einen Geruch abgeben.

1.2 Selektives Laserschmelzen (SLM)

Die Technologie des selektiven Laserschmelzens (SLM) wurde auf der Grundlage von SLS entwickelt. Das Grundprinzip ist dem von SLS ähnlich. Zuerst wird mit der 3D-Modellierungssoftware des Computers das Modell erstellt, dann werden mit der Slice-Software die Parameter angepasst und die Daten jeder Schicht abgerufen, und dann steuert der Computer den Laserstrahl, um Schicht für Schicht zu scannen und zu schmelzen, um Schicht für Schicht zu bilden. Es ist zu beachten, dass der SLM-Prozess unter Inertgas durchgeführt werden muss, um zu verhindern, dass das Metall bei hohen Temperaturen mit anderen Gasen reagiert. Im Gegensatz zum SLS-Prozess muss beim SLM-Prozess das Metallpulver vollständig geschmolzen und dann abgekühlt werden, um es zu formen. Daher ist ein Laser mit hoher Leistungsdichte erforderlich, um das Pulver zu scannen.

Merkmale des selektiven Laserschmelzens: Vorteile: (1) Das Pulver wird während der Verarbeitung vollständig geschmolzen und es wird kein Bindematerial benötigt. Daher sind die Präzision und die mechanischen Eigenschaften der durch die Verarbeitung hergestellten Teile besser als die durch SLS hergestellten. (2) Hohe Dichte. Der Durchmesser des Laserstrahlflecks ist fein und die Dichte liegt bei nahezu 100 %, was fast der Metallurgie entspricht. (3) Es können einfach und direkt Metallteile mit komplexen Formen hergestellt werden. Zu den Nachteilen gehören: (1) Teure Ausrüstung und komplexe Bedienung. Für die Bedienung sind Fachkräfte erforderlich. (2) Komplexe Nachbearbeitung. Das SLM-Verfahren erfordert das Hinzufügen von Stützen, und die geformten Teile müssen nachbearbeitet werden, um die Stützen zu entfernen.

1.3 Elektronenstrahlselektives Schmelzen (EBSM)

Die beiden wichtigsten Teile der EBSM-Ausrüstung sind die Elektronenkanone und die Vakuumkammer. Die Elektronenkanone umfasst eine Anode, eine Kathode, ein Gitter, einen Glühfaden, eine Ablenkspule und eine Fokussierungsspule. Die Vakuumkammer umfasst einen Pulververteiler, einen Kolben und eine Pulveraufbewahrungsbox. Das Funktionsprinzip besteht darin, dass der Glühfaden an der Spitze der Elektronenkanone (normalerweise ein Wolframfilament) unter Hochtemperaturbedingungen eine große Anzahl heißer Elektronen auf seiner Oberfläche erzeugt und diese durch die Kathode emittiert. Oben im Gitter befindet sich ein kleines Loch. Die relative Position zur Kathode kann die Menge des durchtretenden Elektronenstrahls steuern. Unter der Beschleunigung der Anode erhält sie eine sehr hohe kinetische Energie, die auf etwa die Hälfte bis ein Drittel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden kann. Der Elektronenstrahl wird durch die Fokussierungsspule fokussiert und tritt dann in die Ablenkspule ein. Der Elektronenstrahl kann durch die Ablenkspule abgelenkt werden und das Pulver wird unter der Steuerung des Computers selektiv gescannt. Das Pulver wird in die Pulveraufbewahrungsbox gegeben. Während des Betriebs wird eine Pulverschicht durch den Pulververteiler gleichmäßig auf dem Pulverbett verteilt. Das Pulverbett wird durch einen Elektronenstrahl mit niedriger Energie und niedriger Scangeschwindigkeit vorgewärmt, um die Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Metallpulvers zu halten. Dann werden eine höhere Energie und Scangeschwindigkeit verwendet, um das Pulver zu schmelzen. Wenn der Elektronenstrahl mit dem Metallpulver kollidiert, wird seine kinetische Energie in Wärmeenergie umgewandelt, um das Metallpulver zu schmelzen. Nach Abschluss des Scannens einer Schicht senkt sich der Kolben um eine Schicht ab, und der Pulververteiler verteilt erneut Pulver, um die neue Pulverschicht vorzuwärmen und zu schmelzen. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das Metallteil vollständig geformt ist. Es ist zu beachten, dass der EBSM-Prozess unter Vakuumbedingungen durchgeführt werden muss. Nachdem das Teil hergestellt ist, muss das Gerät in die Nachbearbeitungsanlage bewegt werden, um das umgebende Pulver durch Einblasen von Druckgas zu entfernen, um den endgültigen Druck zu erhalten, und das verbleibende Pulver kann wiederverwendet werden.

Eigenschaften des selektiven Elektronenstrahlschmelzens: Vorteile: (1) Die EBSM-Technologie verfügt über eine hohe Vorheiztemperatur unter Vakuumbedingungen, wodurch Metalle mit hohem Schmelzpunkt geschmolzen, die thermische Spannungskonzentration verringert und ein Verbiegen und Verformen der Formteile vermieden werden können. (2) Während des Formprozesses ist keine Stütze erforderlich. Ungesintertes Pulver wird als Stütze verwendet und nach Abschluss der Produktion muss nur das Pulver weggeblasen werden. Nachteile: (1) „Pulverblas“-Phänomen. Das vom Pulververteiler auf dem Pulverbett verteilte Pulver verlässt unter der Einwirkung des Elektronenstrahls die vorab abgelegte Position. Der Grund dafür ist, dass der Elektronenstrahl dazu führt, dass Pulver mit schlechter Leitfähigkeit statische Elektrizität leitet und die abstoßende Kraft der statischen Elektrizität zum Kollabieren des Pulvers führt. (2) „Sphäroidisierungs“-Phänomen. Dabei wird das Metall nicht vollständig geschmolzen und bildet eine Gruppe von Metallkugeln, die voneinander getrennt sind. (3) Die Ausrüstung muss unter Vakuumbedingungen fertiggestellt werden, was mit hohen Wartungskosten verbunden ist. Außerdem werden während des Elektronenstrahlabscheidungsprozesses Gammastrahlen erzeugt, die zu Leckagen führen und die Umwelt verschmutzen können.

1.4 Laser Near Net Shape (LENS)-Technologie

Diese Technologie wurde erstmals im letzten Jahrhundert vom Sandia National Laboratory in den USA eingeführt. Dieses Verfahren kombiniert die Laserauftragschweißtechnologie mit der selektiven Lasersintertechnologie (SLS). Dabei wird eine koaxiale Pulverzufuhr verwendet, um mit dem Laser ein Schmelzbad zu bilden. Das Pulver im Schmelzbad schmilzt und verfestigt sich, um die Herstellung von Teilen zu ermöglichen.

Merkmale der Laser-Near-Net-Shape-Herstellung: Vorteile: (1) Die LENS-Technologie nutzt schnelles Schmelzen und Erstarren von Metallen, und die durch Formen erhaltenen Teile weisen eine hohe Dichte und gute mechanische Eigenschaften auf. (2) Es ist keine Form erforderlich, was Kosten spart und die Verarbeitung heterogener Materialien ermöglicht. Nachteile: (1) Die Oberflächenqualität der Formteile ist nicht hoch, die Oberfläche ist rau, die thermische Belastung ist während des Formprozesses groß und es treten leicht Risse auf. (2) Während des Formprozesses ist Schutzgas erforderlich. Gleichzeitig sind die Kosten aufgrund der Verwendung von Titanlegierungspulver relativ hoch.

1.5 Direktes Metall-Lasersintern (DMLS)

Die DMLS-Technologie ist ein Zweig der SLS-Technologie. Sie begann in den 1990er Jahren Gestalt anzunehmen. Bei der DMLS-Technologie wird Metallpulver direkt zum Sintern verwendet. Der Unterschied zur SLM-Technologie besteht darin, dass bei der SLM-Technologie das Metallpulver vollständig geschmolzen werden muss, während bei DMLS nur das Sintern erreicht werden muss.

Eigenschaften des direkten Metalllasersinterns: Vorteile: (1) Metallteile können direkt gesintert werden. (2) Es können verschiedene Materialien verwendet werden. Zum Beispiel Edelstahl, Kobalt- oder Nickel-basiertes Material usw. (3) Das durch die Verarbeitung geformte Werkstück weist eine dichte Struktur und eine hohe Bindungsfestigkeit auf. Nachteile: (1) „Sphäroidisierungs“-Phänomen. (2) Leicht zu sintern und zu verformen, und die Dichte ist nicht hoch.

1.6 Neue Technologien

Beispiele hierfür sind die additive Fertigung mit Lichtbogenverfahren (WAAM), die Metallumformung mit Nanopartikeln (NPJ) und die Ultraschallkonsolidierung (UAM) usw. Diese Technologien bieten in der Zukunft noch viel Entwicklungspotenzial.

2 Entwicklungsperspektiven der Metall-3D-Drucktechnologie

2.1 Erweiterung der Anwendungsfelder

Heute ist der 3D-Druck mit Metall nicht mehr auf die Bereiche der mechanischen Formenbearbeitung und -herstellung beschränkt, sondern kann auch in anderen Bereichen eingesetzt werden. Er kann in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. Mithilfe der 3D-Drucktechnologie für Metall können einige beschädigte Teile ersetzt werden, wodurch der teure Austausch der gesamten Maschine vermieden und ihre Lebensdauer verlängert wird. Außerdem können damit wichtige Flugzeugkomponenten gedruckt werden. Im November 2018 wurde beispielsweise die von GE entwickelte 3D-gedruckte Motorhalterung aus Metall für den Einsatz im Flugzeugbau zugelassen[7]. Sie kann im Bildungs- und Lehrbereich eingesetzt werden. Der 3D-Druck mit Metall kann als Lehrinstrument verwendet werden, um Schülern diese Technologie näherzubringen. Außerdem können Lehrmodelle gedruckt werden, um Schülern ein intuitiveres Verständnis des Modells zu vermitteln und die Unterrichtsqualität zu verbessern. Er kann im Automobilbereich eingesetzt werden. Im Jahr 2017 hat der von Volkswagen gedruckte Bremssattel professionelle Tests bestanden und die Ziele minimales Gewicht und höchste Festigkeit erreicht. Er kann auch zur Reparatur von Autoteilen verwendet werden. Darüber hinaus kann er auch im medizinischen Bereich eingesetzt werden. Titanlegierungen sind das am häufigsten verwendete Material für Zahnimplantate. Die traditionelle Herstellungsmethode ist nicht nur teuer, sondern auch in Einzelgrößen erhältlich und kann nicht personalisiert werden. Jetzt kann sie direkt verwendet werden, indem der Mund des Patienten gescannt wird, ein Zahnimplantatmodell erstellt und dieses dann mithilfe der Metallsintertechnologie direkt gedruckt wird, was die Kosten und Verarbeitungsschritte erheblich reduziert. Es gibt auch potenzielle Anwendungsbereiche wie die Herstellung einiger Einrichtungsgegenstände, Spielzeuge und Animationsmodelle.

2.2 Druckerausstattung und Materialspezialisierung

Die 3D-Drucktechnologie für Metalle befindet sich noch in den Kinderschuhen, es gibt nur wenige und unvollkommene Druckgeräte, und ihre Entwicklung ist ins Stocken geraten. Wenn diese Situation verbessert werden soll, müssen kostengünstige Geräte entwickelt und der Druckmechanismus weiter ausgebaut werden. Beispielsweise müssen Metall-3D-Druckmechanismen wie Paralleldruck, Mehrmaterialdruck, Mehrdüsendruck, Großstückdruck und Endlosdruck eingehend erforscht und auf dieser Grundlage auf die Produktherstellung angewendet werden. Die Einschränkungen der Druckmaterialien schränken auch die Entwicklung des Metall-3D-Drucks in gewissem Maße ein. In Bezug auf die Druckmaterialien sollte es möglich sein, unterschiedliche Materialien zu drucken und unterschiedliche Materialien für unterschiedliche Orte zu drucken. Beispielsweise können Kobaltmaterialien in Gasturbinen verwendet werden; Nickelmaterialien können in Brennkammern verwendet werden; Edelmetalle können bei der Integration elektronischer Geräte verwendet werden, ebenso wie einige feuerfeste Metallmaterialien wie Wolfram. Neue Druckmethoden und der Druck neuer Metallmaterialien werden in Zukunft die Forschungsschwerpunkte und -schwerpunkte sein, mit dem Ziel, die Qualität und Leistung des 3D-Metalldrucks zu verbessern, um der Produktion in verschiedenen Szenarien und Bedingungen gerecht zu werden.