Wie ausgereift sind die 3D-Metalldrucktechnologien? 

Der Metall-3D-Druck umfasst eine breite Palette von Technologien von denen jede ihre eigenen Vorteile und Anwendungen sowie ihren eigenen Reifegrad aufweist.
 
Wenn Sie eine bestimmte Metall-3D-Drucktechnologie für ihre Produktion einsetzen möchten, ist es wichtig zu verstehen, wo sich die Funktionen und Einschränkungen derzeit befinden. Wenn es um Metall-3D-Druck geht, stehen Unternehmen jedoch häufig vor der Herausforderung, die Realität vom Hype zu trennen.
 
Um Unternehmen dabei zu helfen, den Reifegrad der wichtigsten Metall-3D-Drucktechnologien leichter einzuschätzen, werden wir heute anhand eines von der NASA entwickelten TRL-Systems (Technology Readiness Level) prüfen, ob sie für die Endteilproduktion bereit sind. 
 

Der von der NASA in den frühen 1970er Jahren entwickelte „Technology Readiness Level“ Test ist ein Ansatz, mit dem bewertet wird, ob eine aufkommende Technologie für die Weltraumforschung geeignet ist. In den 1990er Jahren wurden TRLs in vielen US-Regierungsbehörden angewendet und wird heute von vielen anderen Branchen ebenfalls verwendet. 
 
Das TRL-System misst den Reifegrad einer Technologie von Stufe 1 (Konzeptbewertung) bis Stufe 9 (erfolgreiche Bereitstellung). Jede dieser neun Ebenen ist ein Meilenstein in der Technologieentwicklung. 
 

Wir haben diesen Ansatz angewendet um den Reifegrad der verschiedenen 3D-Drucktechnologien zu bewerten. Um einen TRL für jede Metall-3D-Drucktechnologie zu ermitteln, haben wir deren Entwicklung, die Branchen, die Verwendung heute und die Entwicklungen die sich für die Zukunft gestaltet, analysiert. 
 
Insbesondere kann der TRL Test in einigen Fällen anwendungsspezifisch sein. Beispielsweise befindet sich die Direct Energy Deposition-Technologie auf eine TRL 8 Ebene für Produktionsanwendungen, während die Anwendungen für Reparaturen Ebene 9 erreicht haben. 
 
Basierend auf unserer Forschung glauben wir, dass die Mehrheit der Metall-3D-Drucktechnologien die TRL 7 überschritten hat. Dies bezieht sich auf das Testen in einer Betriebsumgebung zur Behebung von Leistungsproblemen sowie auf Anwendungen im Bereich funktionaler Prototypen und Werkzeuge.
 
Einige haben sich auch unter normalen Betriebsbedingungen als erfolgreich erwiesen (TRL 8) und streben eine Integration in das umfassendere Fertigungsökosystem (TRL 9) an.
 

Technology Readiness Ebene 8

Selektives Laserschmelzen (SLM) ist eine der etabliertesten 3D-Metalldrucktechnologien auf dem Markt. Beim SLM-Verfahren wird selektiv ein leistungsstarker, fein abgestimmter Laser auf eine Metallpulverschicht aufgebracht. Auf diese Weise werden Metallpartikel Schicht für Schicht zu einem Teil verschmolzen. 
 
Die Ursprünge von SLM reichen zurück bis 1995, als das Fraunhofer-Institut in Aachen das erste Patent für das Laserschmelzen von Metallen einreichte. Seitdem sind viele Unternehmen, darunter etablierte Unternehmen wie EOS, Concept Laser (von GE übernommen) und SLM Solutions mit der Übernahme der Technologie in den SLM-Markt eingetreten. 
 
In den letzten zehn Jahren haben die Hersteller von SLM-3D-Druckern intensiv an der Optimierung der Produktionstechnologie gearbeitet. Zu diesem Zweck haben wichtige Marktteilnehmer Lösungen für die automatisierte und integrierte Produktion auf den Markt gebracht. 
 
Die meisten dieser Lösungen weisen ähnliche Merkmale auf: Sie sind modular und konfigurierbar und bieten einen hohen Automatisierungsgrad an, um die Effizienz zu maximieren und den manuellen Arbeitsaufwand zu reduzieren.
 
Gleichzeitig wurde die Materialauswahl für SLM kontinuierlich erweitert. Beispielsweise hat EOS im vergangenen Monat vier neue Metallpulver für seine Metall-3D-Drucker eingeführt. Unter Edelstahl CX, Aluminium AlF357, Titan Ti64 Grade 5 und Titan Ti64 Grad 23. 
 
Dank dieser Entwicklungen hat SLM seinen Weg in viele Branchen und Anwendungen gefunden. Eine Branche, die sich besonders für die Einführung von SLM interessiert, ist die Luft- und Raumfahrtindustrie.
 
Heute treiben 3D-gedruckte SLM-Teile wichtige Luft- und Raumfahrtsysteme wie Triebwerke an. Hier strahlen die Kernkompetenzen der Technologie – die Herstellung komplexer Teile mit vereinfachter Montage und weniger Materialverschwendung. 
 
Die SLM-Technologie ist schon jetzt in der Lage, Funktionsteile wiederholt zu liefern. Es sind jedoch noch einige Feinabstimmungen und Tests erforderlich, bevor sich die Hersteller auf die Produktion in vollem Umfang festlegen können. Aus diesem Grund bewerten wir die Technologie derzeit in der Technologie-Bereitschaftsstufe 8. 
 
In Zukunft werden sich die Benutzerfreundlichkeit und Zuverlässigkeit von SLM-Systemen verbessern, was in vielerlei Hinsicht von den Fortschritten bei der Software und dem gesamten Workflow abhängt. 
 
Ein Beispiel, das diesen Trend unterstützt, ist der in Kalifornien ansässige Metall-3D-Druckerhersteller VELO3D. 
 
Bei der Entwicklung der SLM-Technologie namens Intelligent Fusion legte das Unternehmen einen Schwerpunkt auf die Integration von Software und Hardware. Das Ergebnis ist ein eng integriertes System, das Teile mit weniger Trägern, besserer Oberflächenbeschaffenheit und angeblich höherer Erfolgsquote drucken kann. Dies führt wiederum zu einer höheren Zuverlässigkeit, einer schnelleren Produktion und einer geringeren Nachbearbeitung.
 
SLM bleibt weiterhin die treibende Kraft der Metall-3D-Druckindustrie. SLM-3D-Drucker haben die größte Basis unter anderen installierten 3D-Metalldrucktechnologien. Die Hersteller von SLM-3D-Druckern haben im Vergleich zu Unternehmen, die andere Arten von 3D-Metalldruckern herstellen, den größten Anteil am Markt für den 3D-Metalldruck.
 
Aus diesem Grund werden zunächst eine Reihe von Materialien für die SLM-Technologien entwickelt. Dies bedeutet, dass die Weiterentwicklung dieser Technologie fortgesetzt wird. Angetrieben wird sie dabei von der Nachfrage nach leistungsstarken, komplexen 3D-gedruckten Metallteilen. 
 

Elektronenstrahlschmelzen

Technology Readiness Ebene 8

Elektronenstrahlschmelzen (EBM) gehört wie SLM zur Pulverbettschmelzfamilie der 3D-Drucktechnologien. EBM funktioniert ähnlich wie SLM, da die Metallpulver auch geschmolzen werden, um ein vollständig dichtes Metallteil zu erzeugen.
 
Der entscheidende Unterschied zwischen beiden Technologien liegt in der Energiequelle: EBM-Systeme verwenden anstelle eines Lasers einen leistungsstarken Elektronenstrahl als Wärmequelle, um Metallpulverschichten zu schmelzen.
 
Seit der Patentierung der Technologie im Jahr 2000 ist das schwedische Unternehmen Arcam der wichtigste Hersteller von EBM-3D-Druckern geblieben.
 
Nach der Übernahme des Unternehmens durch GE im Jahr 2016 wurde die EBM-Technologie weiterentwickelt. Im Jahr 2018 brachte Arcam die nächste Generation von EBM-Maschinen auf den Markt, die Spectra H.
 
Das “H” steht für “heißes Metall”, was bedeutet, dass es bei Temperaturen von bis zu 1000 ° C Materialien wie Titanaluminid (TiAl) die eine hohe Hitze und Rissanfälligkeit aufweisen, verarbeiten kann.
 
Die Arcam EBM Spectra H verfügt über eine Reihe neuer Funktionen zur Steigerung der Produktivität und zur Senkung der Gesamtkosten. 
 
Zum Beispiel ist der EBM Spectra H mit einem 6-kW-Hochspannungsaggregat ausgestattet, mit dessen Hilfe sich die Schritte vor und nach dem Aufheizen im Vergleich zu anderen derzeit auf dem Markt befindlichen EBM-Maschinen um 50% reduzieren lassen.
 
Darüber hinaus wurde der Schichtungsprozess verbessert, um die hohen Temperaturen zu senken. 
 
Auf diese Weise können Hersteller bei einer Fertigung in voller Bauhöhe bis zu fünf Stunden einsparen und die Druckgeschwindigkeit im Vergleich zu anderen EBM-Maschinen um bis zu 50% steigern.
 
Bei Avio Aero von GE Aviation werden Berichten zufolge 35 Arcam-Maschinen eingesetzt: 31 Arc am A2X-Maschinen und 4 Arcam EBM Spectra H-Maschinen. Bei Avio Aero werden mit den 3D-Druckern TiAl-Schaufeln für Niederdruckturbinen des neuen großen GE9X-Triebwerks hergestellt.
 
Neben der Luft- und Raumfahrt setzt auch die medizinische Industrie die Technologie in großem Umfan g zur Herstellung medizinischer Implantate ein. Die früheste Verwendung von EBM für diese Anwendung stammt aus dem Jahr 2007.
 
Gestützt auf die Ressourcen und das Know-how von GE im Bereich Metall-AM ist die EBM-Technologie auf de m Weg zur Industrialisierung. Die Technologie wird in Produktionsumgebungen in stark regulierten Branchen wie die Luft- und Raumfahrt und Medizintechnik eingesetzt. In Anbetracht dieser Anwendungen hat EBM die TRL 8 erreicht. 
 

Direkte Energieabscheidung 

[c aption id=”attachment_11195″ align=”aligncenter” width=”700″] Lockheed Martin 3D druckt mithilfe der EBAM-Technologie von Sciaky große Titankuppeln für Raumfahrzeuge [Bildnachweis: Lockheed Martin][/caption]

Technology Readiness Ebene 8 

Beim Direct Energy Deposition (DED), das aus Schweißprozessen stammt, wird Metall mit einem Laser oder einem Elektronenstrahl geschmolzen, während das Material durch eine Düse auf eine Bauplattform geschoben wird. 
 
DED-Systeme verwenden entweder Draht oder Pulver als Ausgangsmaterial. Die meisten Systeme verwenden handelsübliche Materialien, die für das Schweißen oder die Pulvermetallurgie entwickelt wurden. Die Verwendung von handelsüblichen Materialien bietet viele Vorteile, einschließlich einer größeren Materialauswahl, höherer Qualität und niedrigerem Preis.
 
Eine der ersten und erfolgreichsten Anwendungen des DED war die Reparatur beschädigter Bauteile. Die Technologie wird verwendet, um die beschädigten Teile wie Turbinenschaufeln und Spritzgussformeinsätze mit Material zu versorgen. Durch die Reparatur verschlissener Teile hilft DED, Ausfallzeiten und die mit dem Austausch eines Teils verbundenen Kosten zu reduzieren und gleichzeitig die Lebensdauer des Teils zu verlängern.. 
 
Um den Einsatz von DED über Reparaturanwendungen hinaus zu ermöglichen, haben Hersteller von DED-Systemen Lösungen für die Herstellung von funktionellen Metallteilen entwickelt und optimiert.
 
Zum Beispiel hat Sciaky, einer der Pioniere der DED-Technologie, eine Regelung für seine Systeme zur additiven Herstellung von Elektronenstrahlen eingeführt. Das Prozessüberwachungssystem von Sciaky kombiniert optische Echtzeitbildgebung mit Bildverarbeitung, um Größe, Form und Temperatur des Schmelzbades zu messen.
 
Basierend auf den aus dem Bild erhaltenen Daten gibt ein Regelungssystem dann Einstellbefehle an die Software, die die Strahlleistung, die Drahtvorschubrate und die Bewegung der Maschine regelt. Dank dessen kann die Prozesswiederholbarkeit wesentlich verbessert werden.
 
Die DED-Technologie wurde bereits in zahlreichen Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsanwendungen eingesetzt. Beispiele hierfür sind Titan-Treibstofftanks für Satelliten, strukturelle Titan-Teile für den Boeing 787 Dreamliner und Ersatzteile für Militärfahrzeuge.
 
Die Technologie hat sich als leicht verfügbare Wartungslösung etabliert. Mit dieser Anwendung steht DED auf der TRL Ebene 9.
 
Bei Produktionsanwendungen kann DED auch als Fertigungswerkzeug eingesetzt werden. Es sind jedoch weitere Entwicklungen erforderlich, um die In-Process-Kontrolle voranzutreiben und die Druckauflösung zu verbessern.
 
Ab sofort produziert die Technologie netznahe Formen, für die eine umfangreiche maschinelle Bearbeitung erforderlich ist, um Teilespezifikationen und eine gute Oberflächengüte zu erzielen. Durch die Verbesserung der Druckauflösung können Hersteller den Zeit- und Kostenaufwand für die Sekundärbearbeitung reduzieren. 
 

Metallbindemittel Jetting

Technology Readiness Ebene: Unterschiedlich 

Metallbindemittel Jetting entwickelt sich schnell zu einer vielversprechenden Fertigungstechnologie. Die technologische Bereitschaft variiert jedoch stark zwischen den heute auf dem Markt befindlichen Metallbindemittel-Strahltechnologien. 
 
Das Metallbindemittel wurde erstmals 1993 an der MIT entwickelt. Der Druckvorgang beginnt mit dem Verteilen einer dünnen Pulverschicht, wobei die Druckköpfe strategisch Binder-Tropfen in das Pulverbett ablagern. Der Prozess wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das Teil vollständig ist. Nicht verwendetes Pulver (ca. 95%) wird recycelt. 
 
ExOne, das die Technologie seit 1996 vom MIT lizenziert, war bis Anfang der 2010er Jahre das einzige Unternehmen das Dienstleistungen und Systeme für das Spritzen von Metallbindemitteln anbot. Die Metallbindemittel-Sprühsysteme von ExOne wurden hauptsächlich zur Herstellung von Metallprototypen und Werkzeugen verwendet.
 
Mit dem Auslaufen der Patente für Metallbindemittel-Sprühverfahren verschärfte sich jedoch der Wettbewerb und ermutigte das Unternehmen, Lösungen auf Produktionsebene zu entwickeln. Der neueste, der 3D-Drucker X1 25PRO, wurde vor einigen Monaten auf den Markt gebracht. 
 
Ein weiterer großer Player auf dem Metallbindemittel-Spritzmarkt ist Digital Metal. Die 2017 erstmals vorgestellten 3D-Drucker DM P2500 haben Berichten zufolge über 300.000 Komponenten in verschiedenen Branchen hergestellt, darunter in Luft- und Raumfahrt, Luxusgütern, Dentalwerkzeugen und Industrieausrüstungen.
 
Es gibt auch ein paar Neulinge auf dem Gebiet der Metallbinder-Düsen, darunter HP und Desktop Metal.
 
Nachdem HP 2016 die Multi Jet Fusion-Technologie für Polymerteile vorgestellt hatte, stellte HP 2018 die nächste Erweiterung seines Additivangebots vor: ein Metal Jet 3D-Drucksystem. Mit diesem neuen System möchte HP die Technologie in eine hochvolumige Produktionsumgebung integrieren. 
 
Um dies zu erreichen, hat das Unternehmen sein System mit weiteren Düsen ausgestattet und innovative Bindemittel eingeführt. Zusammengenommen sollen diese Verbesserungen den Druckprozess beschleunigen und vereinfachen.
 
Die Technologie hinter dem 3D-Drucker von Desktop Metal nennt das Unternehmen Single Pass Jetting (SPJ), eine schnellere Version des typischen Binder-Jetting-Prozesses. Das Unternehmen behauptet, sein System könne mit bis zu 12.000 cm3 / h drucken, was mehr als 60 kg Metallteilen pro Stunde entspricht.
 
Interessanterweise teilen das HP Metal Jet- und das Desktop Metal-Produktionssystem ein ähnliches Wertversprechen. Beide auf Binder-Jets basierenden Maschinen scheinen die traditionelle Fertigung zu stören, indem sie eine höhere Geschwindigkeit und Skalierbarkeit ermöglichen.
 
Während das Desktop Metal-Produktionssystem Anfang dieses Jahres veröffentlicht wurde, ist die HP-Technologie für 2020 vorgesehen und derzeit nur über den HP Metal Jet Production Service erhältlich. 
 
Zugegebenermaßen sind viele der Metallbindemittel-Strahltechnologien erst vor kurzem aufgetaucht. Dies bedeutet, dass sie einige Zeit benötigen, um durch weitere interne oder kundenseitige Tests nachzuweisen, dass sie für Serienanwendungen bereit sind.
 
Die älteren Technologien, wie die von Digital Metal und ExOne, weisen eine Erfolgsgeschichte in Produktionsanwendungen auf und liegen zwischen den Technologie-Bereitschaftsebenen 7 und 8. Wir gehen davon aus, dass neuere Metallbinder-Strahltechnologien in den nächsten Jahren die TRL 8 erreichen und übertreffen werden.
 

Gebundene Metallabscheidung 

Technology Readiness Ebene 7

Gebundene Metallabscheidung ist ein aufregender Neuling auf dem Gebiet der Metalladditivherstellung. Die Technologie funktioniert ähnlich wie bei der Fused Filament Fabrication (FFF), bei der ein Filament erhitzt und durch eine Düse extrudiert wird, wodurch ein Teil Schicht für Schicht entsteht. Im Gegensatz zu den in FDM verwendeten Kunststofffilamenten werden bei der Metallextrusion jedoch Filamente aus Metallpulvern oder Pellets verwendet, die in Kunststoffbindemitteln eingeschlossen sind
 
Die beiden bekanntesten Unternehmen in diesem Bereich sind Markforged und Desktop Metal. Beide Unternehmen haben zum ersten Mal 2017 ihre Metall-3D-Drucksysteme (Metal X von Markforged und Studio System von Desktop Metal) vorgestellt.
 
Gegenwärtig wird die Technologie hauptsächlich zur schnelleren und kostengünstigeren Herstellung von Metallprototypen und Werkzeugen eingesetzt.
 
Ein Beispiel ist Dixon Valve & Coupling Company, ein Hersteller und Zulieferer von Zubehör für die Fluidtransferindustrie. Das Unternehmen hat Markforgeds Metal X für den 3D-Druck von Greifbacken verwendet. Diese Werkzeuge sind im Wesentlichen Klammern, die an einem Roboterarm montiert sind, der Stahlkupplungen mit Dichtringen versieht.
 
Die Herstellung solcher Werkzeuge dauert 14 Tage und kostet 355 US-Dollar. Zum Vergleich: Der 3D-Druck eines Metallgreifers kostet 7 US-Dollar und dauert 1,25 Tage. Dies bedeutet eine Reduzierung der Kosten und der Vorlaufzeit um mehr als 90%.
 
Während die Technologie der gebundenen Abscheidung große Fortschritte beim kostengünstigen Prototyping und bei der Verkürzung der Markteinführungszeit erzielt, ist ihr Einsatz auf der Produktionsseite nach wie vor begrenzt. Zum einen weil solche Systeme als kompakte Metall-3D-Drucker positioniert sind, die sich nur schwer skalieren lassen.
 
Da jedoch immer mehr Unternehmen die Technologie einsetzen, insbesondere für abgelegene Standorte wie Ölplattformen, werden in den kommenden Jahren möglicherweise weitere Beispiele für Ersatz- und Endverbrauchsteile zu sehen sein, die durch gebundene Metallabscheidung hergestellt werden. 
 

Innovationen im 3D-Metalldruck 

Die meisten Metall-3D-Drucktechnologien haben bereits eine recht hohe technologische Bereitschaft erreicht, sodass sie für Produktionsanwendungen geeignet sind.
 
Es liegt auf der Hand, dass noch viel zu tun ist, insbesondere um die Wirtschaftlichkeit und Geschwindigkeit der Metall-3D-Drucktechnologien zu verbessern. Gegenwärtig sind Pulverbettverfahren, DED und Metallbindemittelstrahlung erheblich teurer als herkömmliche Fertigungssysteme.
 
Preisgünstigere Systeme für die gebundene Pulverabscheidung bieten einen gewissen Zugang zum 3D-Metalldruck und könnten einen guten Einstiegspunkt für kleinere Unternehmen darstellen. 
 
Letztendlich ist die Weiterentwicklung der Technologie nur ein Teil des Puzzles. Ebenso wichtig ist dass sich das Ökosystem rund um den 3D-Metalldruck weiterentwickelt. Dies kann die Entwicklung einer besser integrierten und benutzerfreundlicheren Softwarelösung, die Automatisierung von Nachbearbeitungsvorgängen und die Erstellung optimierter Workflows
 
umfassen.
 
Nur wenn alle Teile zusammengefügt werden, können mit dem 3D-Metalldruck signifikante Prozess- und Produktinnovationen erzielt werden.