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Was ist die Schwierigkeit beim Metall-3D-Druck?

Der 3D-Druck wird häufig für das Rapid Prototyping und die Anpassung von Kleinserienteilen verwendet. Der Begriff „3D-Druck“ ist gleichbedeutend mit additiver Fertigung und verrät, wie Teile hergestellt werden: Durch das Wachstum von Grundmaterialien entsteht die Form eines 3D-Modells. Mit anderen Worten, 3D-Drucker verwenden Materialien wie Filamente, Harz oder Pulver und kleben Querschnitte zusammen, um 3D-Teile zu bauen.

In den letzten Jahren hat der Metall-3D-Druck große Aufmerksamkeit in den Medien auf sich gezogen. Diese Metallteile werden zunehmend als Schlüsselkomponenten für Flugzeugtriebwerkskomponenten, medizinische Implantate und andere beeindruckende Anwendungen verwendet. Die Realität ist jedoch, dass die meisten 3D-Drucke eher aus Kunststoffteilen als aus Metallteilen bestehen. Warum also gibt es einen Unterschied?

Heute stellt Ihnen der Redakteur von Xianji.com die Unterschiede zwischen Metall-3D-Druck und Kunststoff-3D-Druck vor und wie diese Unterschiede zum Einsatz von Metalldruck in hochspezialisierten Anwendungen und zum Einsatz von Kunststoff-3D-Druck in anderen Bereichen führen.

Material- und Kostenüberlegungen

Beim Metalldruck wie Direct Metal Laser Sintering (DMLS) werden pulverförmige Metalllegierungen als Rohstoffe verwendet. Da DMLS-Druckprodukte, wie bereits erwähnt, in hochspezialisierten Szenarien wie Flugzeugen oder medizinischen Geräten eingesetzt werden, müssen die Materialien hohen Qualitätsansprüchen genügen.

Dies steht im Gegensatz zu 3D-Druckmaterialien aus Kunststoff, die im Allgemeinen geringere Rückverfolgbarkeits- und Qualitätsstandards aufweisen, da diese Drucke mehr für das Prototyping als für die Produktion verwendet werden.

Die Kosten für 3D-Druckmaterialien aus Kunststoff und Metall sind ebenfalls sehr unterschiedlich. Metallpulver, das für den Metall-3D-Druck verwendet wird, ist nach Gewicht teurer als Stahlknüppel, die für die Bearbeitung verwendet werden, und natürlich teurer als Kunststoff. Pulvermetall ist teuer, weil es durch einen Prozess namens Gaszerstäubung hergestellt wird. Bei diesem Verfahren wird das flüssige Metall durch Überschallgasspray zerstäubt und zu Mikrokügelchen gekühlt.

Die Kosten für den 3D-Druck von Kunststoffmaterialien hängen weitgehend von der Maschine und den Rohstoffen ab, aber die meisten Standardmaterialien wie ABS, Nylon und viele Harzpolymere sind viel billiger als Metalle. Aufgrund des niedrigen Preises sind Kunststoffe aus verschiedenen konkurrierenden Quellen weit verbreitet. Im Gegensatz dazu gibt es nur sehr wenige Hersteller von Metall-3D-Druckmaterialien, und die meisten Metallpulver werden nur von wenigen Unternehmen hergestellt.

Produktionsumgebung: kontrolliert und offen

Ein 3D-Drucker wird normalerweise als kleine Desktop-Maschine angesehen, etwa so groß wie ein Mikrowellenherd, und kann Teile im Freien herstellen. Dies ist in der Tat bei Desktop-3D-Druckern der Fall, bei denen sich das Material durch die Einwirkung von Sauerstoff nicht wesentlich ändert. Metalle werden jedoch leicht korrodiert oder oxidiert. Die beim 3D-Metalldruck verwendeten Mikrokugeln haben jedoch eine große Oberfläche und einen geringen Materialanteil. Eine vorzeitige Oxidation beeinträchtigt die Schmelzfähigkeit des Materials und führt dazu, dass die gedruckten Teile spröde werden.

Dies bedeutet, dass Metall-3D-Drucker zwangsläufig komplizierter sind als Kunststoffdrucker. Es erfordert einen geschlossenen luftdichten Bereich und spezielle Methoden, um nicht verfestigtes Pulver zu lagern, zu filtern und zu recyceln, ohne es der Luft auszusetzen. Um Qualitätsprobleme zu vermeiden, lagern Metall-3D-Drucker Materialien normalerweise in einer inerten Umgebung. Beispielsweise wird üblicherweise Stickstoff für Stahl verwendet, während Argon üblicherweise für Aluminium- und Titanlegierungen verwendet wird. Dieses Gas wird normalerweise durch einen leeren Tank aufgefüllt. Stickstoff kann auch mit einem Stickstoffgenerator aus der Luft abgetrennt werden. Das Metallpulver wird normalerweise in eine flaschenförmige Metallkammer mit Schleusenabsperrung verpackt Ventil für einfache Demontage und Austausch.

Thermische Anforderungen und Tragwerk

Beim Metall-3D-Druck werden Laser verwendet, um genügend Wärme zu erzeugen, um Metallpulver selektiv zu einem vollständig dichten Teil zu verschmelzen. Bei der Verwendung von DMLS ist ein Hochleistungslaser erforderlich, um kleine Mikroschweißnähte auf jeder Schicht zu erzeugen. Es braucht viel Hitze, um Metall zu schmelzen. Der Schmelzpunkt weicherer Metalle liegt bei 600 °C und der Schmelzpunkt härterer Metalle liegt über 1000 °C.

Der 3D-Druck von Kunststoff muss sein Substrat schmelzen, aber die meisten Schmelzpunkte liegen zwischen 100 ° C und 200 ° C. Aufgrund des niedrigeren Schmelzpunktes sind Kunststoffdrucker verbraucher- und geschäftsfreundlicher und ermöglichen es Bastlern und Unternehmen, schnell Prototypen zu erstellen. Ein faustgroßer Extruderkopf ist ein Beispiel für einen 3D-Kunststoffdrucker, der das von der Kunststoffspule geförderte Filament schmelzen muss, um eine Form zu erzeugen.

Was ist die Schwierigkeit beim Metall-3D-Druck?

Die DMLS-Plattform erfordert einen Laser, der Zehntausende von Dollar kostet und auch Peripheriegeräte wie einen Flüssigkeitskühler erfordert, um eine Überhitzung zu vermeiden. Im Vergleich zur Option Kunststoffdrucker stellt die gesamte Infrastruktur, die der DMLS-Drucker benötigt, eine höhere Barriere für den Markteintritt dar.

In einem 3D-Drucker erhöht eine Temperaturerhöhung auch den Druck im Inneren des Teils. Bei den meisten Prozessen wird beim Aufbringen des Materials zum Formen des Teils eine Stützstruktur benötigt, um das Teil stationär zu halten, und diese wird nach dem Drucken entfernt. Die Druckunterstützungsstruktur ist für die Erstellung von Funktionen wie Drapierung unerlässlich, bei denen das Material von der Unterseite des Teils „schweben“ muss.

Die Metall-3D-Druck-Stützstruktur besteht aus dem gleichen Metall wie das Teil und muss genügend Festigkeit haben, um das Teil während des Herstellungsprozesses zu stützen. Die in dem 3D-gedruckten Metallteil erzeugte Spannung kann groß genug sein, um die Metallstützstruktur zu durchdringen, und es können andere Materialien erforderlich sein, um das Werkstück stationär zu halten. Tatsächlich werden viele Metallteile erst nach dem Glühen von der Trägerbasis entfernt, um ein Verziehen zu verhindern.

Anforderungen an die Nachbearbeitung

Zusätzlich zur Verwendung eines Wärmebehandlungsofens, um die Spannungen beim Metalldruck zu beseitigen, muss die Metalltragstruktur nach Abschluss des Druckvorgangs entfernt werden. Bei Kunststoffen ist dies manchmal einfach, legen Sie es einfach in ein Flüssigkeitsbad, um das lösliche Trägermaterial aufzulösen. Im schlimmsten Fall können Zangen und Stanzen zum Einspannen des Trägermaterials verwendet werden.

Für den 3D-Metalldruck erfordert die Nachbearbeitung jedoch Werkzeuge wie Bandsägen, Bearbeitungszentren und sogar elektrische Funken. Aus diesem Grund bedeutet der Besitz oder die Verwendung eines Metall-3D-Druckers, dass Sie möglicherweise die CNC-Maschinenwerkstatt besitzen oder die Möglichkeit haben, diese zu betreten. Kunststoff erfordert nicht fast die gleiche Ausrüstung oder Erfahrung wie Metall. Für Tausende von Verbrauchern und Unternehmen ist es einfacher, Kunststoffdrucker zu besitzen und zu verwenden, da die Anforderungen an die Nachbearbeitung viel einfacher sind und keine Verarbeitungskenntnisse oder -geräte erforderlich sind.

abschließend

Einfach ausgedrückt ist der 3D-Druck auf Metall schwieriger als der 3D-Druck auf Kunststoff. Metall-3D-Druck wie DMLS erfordert professionelles Wissen, insbesondere Kenntnisse über die Verarbeitungssteuerung, die Maschinenanforderungen, die erforderliche Energie und die sekundäre Ausrüstung nach der Verarbeitung. Aber diese zusätzliche Komplexität lohnt sich in der Regel, denn DMLS kann einige sehr komplexe geometrische Figuren aus Materialien wie Edelstahl, Aluminium, Titan und Inconel herstellen. Metall hat normalerweise eine um Größenordnungen höhere Leistung als Kunststoff, und mit der Designfreiheit, die der 3D-Druck ermöglicht, kann DMLS einige unglaubliche Teile bauen.

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