Metall 3D-Drucker: Funktionsweise & Top 6 Hersteller – Metalldruck in 2021

Metall 3D-Drucker: Funktionsweise & Top 6 Hersteller – Metalldruck in 2021

Metalldruck 3Dee Markforged

Lesedauer: 7 min

Metall 3D-Drucker – was können sie heute?

Die additive Fertigung ist ein junger, aber mittlerweile etablierter Bestandteil der industriellen Produktion. Jedoch sind diese Verfahren, auch knapp 20 Jahre nach dem Erscheinen der ersten kommerziell verfügbaren 3D-Drucker, vorwiegend eine Domäne für die Kleinserienfertigung. Das gilt besonders für den Metalldruck.

Zwar gibt es Metall 3D-Drucker schon sehr lange. Sie stehen aber aus diversen Gründen nur in geringer Konkurrenz zu den etablierten Fertigungsverfahren für metallische Werkstoffe. Doch die Metall 3D-Drucker Industrie arbeitet mit Hochdruck an neuen Wegen und Konzepten, dieses additive Fertigungsverfahren in die Serienproduktion zu bringen.

Metalldruck Funktionsweise: Zwei Ansätze – ein Ziel

Für die Herstellung von haptischen Produkten aus Metall mithilfe von additiven Verfahren stehen die folgenden beiden Ansätze zur Auswahl:

  • Selektive Laser-Sinterung
  • Metall-Filamente im FDM-Druck

Die selektive Laser-Sinterung (SLS) ist das traditionelle Verfahren, um Metall im 3D-Drucker zu verarbeiten. Dabei schießt ein Laser in ein Bett aus gepulvertem Metallstaub. Das Pulver verbackt zu größeren Strukturen. Das Bett wird abgesenkt und die nächste Schicht Pulver wird aufgebacken. So entsteht nach und nach der gewünschte Gegenstand. Nach der Fertigstellung wird das Pulver abgesaugt und wiederverwertet. Je nach Anspruch des Anwenders lässt sich das Produkt noch durch Schleifen oder Lackieren nachbearbeiten.

Die Verarbeitung von Metall-Filamenten im FDM-Druck ist hingegen erst einige Jahre verfügbar. Dabei wird ein Kompositwerkstoff aus einem Metallpulver und einem Bindemittel, beispielsweise Kunststoff, Harz oder Wachs als Filament extrudiert. Dieses lässt sich weitestgehend konventionell auf einem normalen 3D-Drucker zum gewünschten Produkt weiter verarbeiten. Der so entstandene “Grünling” kommt anschließend in einen Sinterofen. Dort verschwindet unter hoher Wärme das Bindemittel und die Metallpartikel verkleben miteinander. Dabei schrumpft der Grünling um 20 %. Diese Volumenreduktion ist sehr gleichmäßig und lässt sich gut berechnen.

Vor- und Nachteile der selektiven Laser-Sinterung (SLS)

Die traditionelle selektive Laser-Sinterung bietet folgende Vorteile:

  • Schnelle Fertigung
  • Ein-Schritt-Verfahren
  • Massentauglich
  • Hohe Effizienz

Metalldruck 3Dee Markforged

Das Sintern von Lagen aus Metallpulver mit Hilfe von Laserstrahlen geschieht wesentlich schneller, als das langsame Führen eines 3D-Druckkopfes im Filamentdruck. Dies und der Wegfall von Waschanlage und Sinterofen machen die selektive Laser-Sinterung produktiver als die FDM Drucker mit Metallfilament.

Die neuesten Maschinen können sehr interessante Stückzahlen produzieren und stehen damit in direkter Konkurrenz zu den traditionellen Fertigungsverfahren, wie beispielsweise dem Druckguss.

Die selektive Laser-Sinterung arbeitet extrem effizient. Die Produkte benötigen keine Stützstrukturen, wie es im FDM-Druck erforderlich ist. Das nicht gebrauchte Pulver lässt sich sofort wieder verwenden. Die benötigte Energie ist ebenfalls sehr gering, was den Metalldruck über Laser-Sinterung äußerst wirtschaftlich macht.

Nachteilig an der selektiven Laser-Sinterung sind die hohen Kosten für Druckmaterial und Geräte. Eine Laser-Sinteranlage kostet auch heute noch mehrere tausend bis über zehntausend Euro. Dies schloss bislang den Metalldruck für private Anwender aus. Das ist insofern bedauerlich, da aus der so genannten “Maker-Bewegung” viele Impulse zur Weiterentwicklung der additiven Fertigungstechnologien kommen.

Vor- und Nachteile des Filament-Drucks mit Metall

Sinterbare Metallfilamente sind seit ca. 2 Jahren für herkömmliche 3D-Drucker verfügbar. Das senkt die Einstiegskosten für dieses innovative Fertigungsverfahren enorm. Für den Metalldruck ist lediglich ein Umbau auf einen anderen Druckkopf erforderlich.

Sinterbare Metallfilamente für 3D-Metalldrucker sind sehr brüchig. Sie benötigen deshalb eine besonders schonende und sensible Führung. Die Druckmaterialien sind außerdem extrem abrasiv. Deshalb wird der 3D-Metalldrucker mit spezialgehärteten Düsen ausgestattet. Je nach Druckmaterial haben aber selbst die besten Düsen nur eine kurze Lebensdauer.

Doch auch mit neuem Druckkopf und Spezialdüsen sind die Kosten für einen Filament-3D-Metalldrucker wesentlich geringer als für eine selektive Laser-Sinteranlage.
Der Sinterofen gehört zum “echten” FDM Metalldruck dazu.. Zwar sind diese Öfen nicht allzu teuer, sie verbrauchen jedoch viel Energie und ihre Handhabung ist nicht ganz ungefährlich.

Ein komplett ausgestatteter Metall-3D-Drucker auf Filamentbasis kostet inklusive Ofen ca. 1000 – 2000 Euro.

Werkstoffe für Metall 3D-Drucker

Für das SLS-Verfahren stehen heute eine breite Auswahl an Werkstoffen bereit. Die Bandbreite reicht von Bronze, Kupfer, Stahl bis hin zum extrem harten Wolframkarbid.

Die Filament 3D-Metalldrucker stehen dieser Materialauswahl in nichts nach. Allerdings muss man hier aufpassen. Nicht jedes “Metall-Filament” ist auch tatsächlich zur Herstellung von gesinterten metallischen Objekten verwendbar.

Viele Produkte haben zwar einen hohen Metallanteil, sind im Wesentlichen aber normale Kunststoff-Filamente. Diese lassen sich anschließend durch Schleifen und Polieren zu Objekten aufwerten, die täuschend echt wie Metallprodukte aussehen. Metalltypische Eigenschaften wie eine harte Oberfläche, elektrische Leitfähigkeit oder Druckfestigkeit kann man von diesen Produkten aber nicht erwarten.

Dazu sind Spezialfilamente und eine Nachbearbeitung im Sinterofen erforderlich. Dennoch gibt es auch für diesen Ansatz eine große Auswahl an Werkstoffen, einschließlich dem harten Wolframkarbid.

Metall 3D-Drucker Top 6 Hersteller

Bekannteste Metall 3D-Drucker Hersteller für SLS sind folgende:

  • Markforged
  • Sinterit
  • Modix
  • 3D Systems
  • Nexa3D
  • Phenix Systems

Die Metall 3D-Drucker dieser Hersteller kosten ab 10.000 Euro und sind damit für private Anwender und kleine Unternehmen eher unerschwinglich. Sie sind eine gute Basis für eine eigene Metall 3D-Drucker Dienstleistung.

Für den FDM-Metalldruck kommen hingegen praktisch alle herkömmlichen Anbieter infrage. Die Kosten, um einen Kunststoffdrucker für Metalldruck umzurüsten sind gering.

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Faserverstärke Kompositwerkstoffe 3D-drucken: Die Alternative zum Metall-3D-Druck

Es kommt beim Metalldruck eben darauf an, was man erreichen möchte. Für die Fertigung metallisch anmutender Objekte gibt es für konventionelle FDM-Drucker bereits eine große Auswahl an Filamenten. Geht es aber um die Herstellung von Produkten, die typische metallische Eigenschaften besitzen, wird der Metalldruck anspruchsvoll.

Alternativ zum Metall-3D-Druck gibt es deshalb auch Spezialfilamente, welche die metalltypischen Eigenschaften ohne den dazugehörigen Aufwand anbieten können. Dazu zählen beispielsweise mit Glas- oder Karbonfaser verstärkte Filamente. Diese erreichen heute schon eine doppelt so hohe Zugfestigkeit wie Aluminiumprodukte aus dem 3D-Metalldrucker.

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Metall 3D-Drucker für Industrie, Handwerk und privat: ein Ausblick

Gleichgültig, welches Metalldruck Verfahren angewendet wird, an einigen grundsätzlichen Nachteilen hat diese Technologie auch heute noch zu kämpfen. Die Produkte sind in jedem Fall lediglich “gesintert”. Das bedeutet, dass die Metallpartikel so stark erhitzt werden, dass sie an ihren Berührungspunkten aneinanderkleben. Dies ist, vor allem im Vergleich zu gegossenem und gewalztem Stahl, ein sehr lockeres Gefüge. Bruch-, Zug- und Druckfestigkeit von Metalldruckprodukten sind deshalb auch heute noch mit traditionell zerspanten Erzeugnissen nicht vergleichbar. Dennoch: Wenn es um mechanisch gering belastete Teile geht, dann können die 3D Metalldrucker allmählich den Druck-, Stanz- und Spritzgussmaschinen Konkurrenz machen.

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