Eine Revolution im 3D-Metalldruck mit neuer Technologie

3D Metalldruck ist bekannt als Direct Metal Laser Sintering und Direct Metal Laser Melting ist eine zusätzliche Innovationsschicht. Ein Metall-3D-Drucker hat einen Laserstrahl, der 20-60-Mikron-Schichten von Metallpulver übereinander erweicht. Dieses pulverisierte Metall wird über die gesamte Formschicht verteilt und anschließend selektiv auf die darunter liegenden Schichten geschmolzen. Dieser additive Schichtprozess ermöglicht es, Metallteile aus einem Bett aus Metallpulver zu erzeugen. Dieses Verfahren ähnelt anderen polymerbasierten 3D-Druckern, die die Pulverbettfusion nutzen.

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Der Metall-3D-Druck nimmt eine außergewöhnliche Position in der Produktentwicklung der modernen Zeit ein. Er ermöglicht die sofortige Herstellung komplexer Endverbrauchsteile und fördert die Werkzeugherstellung für herkömmliche Fertigungstechnologien, er senkt auch Kosten und Durchlaufzeiten. Diese Technologie ist auch bekannt als Direct Metal Laser Sintering (DMLS) und Selective Laser Melting (SLM).

Eine Revolution im 3D-Metalldruck

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Forscher an der Technischen Universität Graz haben eine neue Art von 3D-Drucker entwickelt, die LEDs anstelle von Laserstrahlen für die additive Fertigung von Metallteilen verwendet. Diese innovative Technologie kann den 3D-Metalldruck hinsichtlich der Nutzung von Metallpulver, Produktionszeit, Gerätekosten und Nachbearbeitungsarbeiten optimieren. Das Team hat auch ein Patent für ihre 3D-Metalldrucktechnologie beantragt.

Der 3D-Drucker nutzt Technologien wie Selective Laser oder Electron Beam Melting. Das Verfahren verwendet ein Metallpulver, das geschmolzen und dann aufgebaut wird, um ein Bauteil zu bilden. Die neue Methode wird als Selective LED-based Melting (SLEDM) bezeichnet und beseitigt zwei zentrale Probleme mit pulverbettbasierten Fertigungsprozessen.

Diese zentralen Probleme umfassen die zeitaufwändige Herstellung von großvolumigen Metallsegmenten und die mühsame manuelle Anpassung. SLEDM verwendet einen hochmodernen LED-Strahl, der LEDs nutzt, die speziell von Lichtprofis angepasst wurden, und bereitet das schwere Linsensystem vor, das es ermöglicht, den Durchmesser des LED-Strahls zu fokussieren.

Das Linsensystem ermöglicht es, den LED-Strahl während des Schmelzprozesses zwischen 0,05 und 20 mm zu ändern. Der verstellbare LED-Fokus ermöglicht es, größere Volumina pro Zeiteinheit zu schmelzen, ohne innere Gitterstrukturen innerhalb der Bauteile zu erstellen. Das Fehlen innerer Gitterstrukturen reduziert die Produktionszeit von Bauteilen und die Herstellung von Brennstoffzellen oder Medizintechnologien um den Faktor 20.

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Der Prozess bedeutet auch, dass im Gegensatz zu anderen Metallschmelzsystemen das Bauteil von oben nach unten aufgebaut wird, wodurch das Bauteil freigelegt wird und der benötigte Pulverbedarf auf ein Minimum reduziert wird. Grundlegende Nachbearbeitungen können während des Druckprozesses durchgeführt werden. Derzeit werden bioresorbierbare Metallimplantate mit dem Drucker hergestellt, zum Beispiel können Sie Knochen mit Schrauben behandeln, die aus Magnesiumlegierungen bestehen. Diese Implantate lösen sich im Körper auf, nachdem der Bruch zusammengewachsen ist, wodurch die Notwendigkeit einer zweiten Operation zur Entfernung der Schrauben entfällt.

Dank SLEDM wäre die Herstellung solcher Implantate für den direkten Einsatz im Operationssaal möglich, da „ein LED-Licht für den Eingriff weniger gefährlich ist als eine leistungsstarke Laserquelle,“ sagt Haas.

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Diese Technologie wird mit einer neu gestalteten Produktionsanlage kombiniert, die – im Gegensatz zu anderen Metallschmelzanlagen – das Bauteil von oben nach unten hinzufügt. Das Bauteil ist somit freigelegt, die benötigte Pulvermenge wird auf ein Minimum reduziert und die erforderliche Nachbearbeitung kann während des Druckprozesses durchgeführt werden. „Die zeitaufwändige, normalerweise manuelle Nachbearbeitung, die mit aktuellen Methoden erforderlich ist, wie das Glätten rauer Oberflächen und das Entfernen von Stützstrukturen, ist nicht mehr notwendig und spart weitere wertvolle Zeit,“ sagt Haas.

Selective LED-based Melting (SLEDM) – d.h. gezieltes Schmelzen von Metallpulver unter Verwendung von Hochleistungs-LED-Lichtquellen – ist der Name der neuen Technologie, die ein von Franz Haas geleitetes Team, Leiter des Instituts für Produktionsengineering an der TU Graz, entwickelt hat und nun ein Patent beantragt hat. Die Technologie ähnelt dem selektiven Laserschmelzen (SLM) und dem Elektronenstrahlschmelzen (EBM), bei dem Metallpulver mit einem Laser oder Elektronenstrahl geschmolzen und schichtweise in ein Bauteil integriert wird. SLEDM löst jedoch zwei zentrale Probleme dieser pulverbettbasierten Fertigungsprozesse: die zeitaufwändige Herstellung von großvolumigen Metallsegmenten und die mühsame manuelle Nachbearbeitung.

Weitere Pläne und Anwendungsbereiche

Ein Demonstrator des SLEDM-Verfahrens wird derzeit im K-Projekt CAMed der Medizinischen Universität Graz in Betracht gezogen, wo im Oktober 2019 das erste Forschungszentrum für klinischen 3D-Druck eröffnet wurde.

Der nächste Schwerpunkt liegt auf nachhaltiger Mobilität, insbesondere auf der Herstellung von Bauteilen, wie z.B. bipolaren Platten für Brennstoffzellen oder Bauteilen für Batteriesysteme. „Wir wollen die additive Fertigung mit SLEDM wirtschaftlich rentabel für die E-Mobilität machen und SLEDM in diesem Forschungsfeld frühzeitig positionieren,“ sagt Haas, der im nächsten Entwicklungsschritt einen attraktiven Prototyp dieses 3D-Metalldruckers – „made by TU Graz“ – entwickeln wird: weitere Fortschritte im Hochschulumfeld.

Das SLEDM-Verfahren wurde im FoE „Mobilität und Produktion“ entwickelt, das eines der fünf wissenschaftlichen Forschungsschwerpunkte der Technischen Universität Graz ist.

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