Wie sich die additive Metallfertigung im Laufe eines Jahrzehnts verändert hat

Hier produziert ein 3D-Metalldrucker ein Stahlteil. Materialhersteller investieren mehr in die Entwicklung neuer Metalladditivmaterialien. (Getty Images)

Da die additive Fertigung nun an Bedeutung gewinnt, investieren Materialhersteller mehr in die Entwicklung neuer Metalladditivmaterialien. Das ist eine große Veränderung im Vergleich zu vor zehn Jahren oder sogar vor fünf Jahren, als der Markt noch nicht groß genug und die Technologie nicht weit genug fortgeschritten war, um ein solches Unterfangen zu rechtfertigen. Wie weit hat sich die Metalladditivierung im letzten Jahrzehnt entwickelt und welche Zukunftsaussichten zeichnet sich für die schnell wachsende Technologie ab?

Der Additive Report wandte sich an vier Experten im Bereich der Metalladditive, um ihre Erkenntnisse zu gewinnen:

Cheryl MacLeod, globale Leiterin der 3D-Fusionswissenschaft und 3D-Druck bei HP Inc.: Als HP 2015 in die additive Fertigung einstieg, wollte der Computergigant aus dem Silicon Valley einen neuen Ansatz bei der Entwicklung von Metallmaterialien verfolgen. HP bemerkte damals, dass der Markt für Prototypengeräte fehlte, und startete daher in Zusammenarbeit mit dem britischen Luft-, Raumfahrt- und Automobilkomponentenhersteller GKN einen Metal Jet-Produktionsdienst. Daraus produziert HP nun maßgeschneiderte Edelstahlpulver für Kunden aus der Automobil-, Industrie- und Medizinbranche, darunter Volkswagen, GKN, Wilo und Parmatech. HP entwickelt weiterhin neue Materialien über seine Open Materials Platform sowohl für Metal Jet als auch für Multi Jet Fusion.

Keith Murray, Business Development Manager bei Sandvik Osprey Ltd.: Osprey CE entwickelt seit fast 20 Jahren gemeinsam mit Sandvik Legierungen und Metallpulver mit kontrollierter Ausdehnung. Das Materialprogramm, das weniger als 10 Meilen von Swansea in Südwales entfernt liegt, bietet die gesamte Palette an Materialien: Legierungen auf Eisenbasis (Edelstahl und Maraging-Stahl), Nickellegierungen, Kupferlegierungen und Kobaltlegierungen sowie kontinuierliche Entwicklung in Aluminium und Titan. Sandvik hat eine eigene Gaszerstäubungstechnologie entwickelt, deren Fähigkeiten von der Lieferung von Metallpulver in kleinen Mengen für die Prototypenentwicklung bis hin zu Großserien für die Produktion in großem Maßstab reichen.

Jacob Nuechterlein, Präsident und Gründer von Elementum 3D: Das AM-Material-, Parameter- und Forschungsentwicklungsunternehmen ist führend bei der Herstellung neuer Metalllegierungen und Verbundwerkstoffe. Nuechterlein, mit einem Hintergrund in der Metallurgie, gründete 2014 das in Erie, Colorado, ansässige Unternehmen, um das Legierungsportfolio zu erweitern. Vor vier Jahren waren nur 12 kommerzielle Metalllegierungen auf dem Markt, verglichen mit über 60 Aluminiummaterialien. Mit Schwerpunkt auf Laserpulverbetten hat Elementum 3D seitdem zahlreiche „Ultramaterialien“ aus Aluminiumlegierungen, feuerfesten Materialien wie Wolfram und Tantal, Stahl- und Nickelbasislegierungen und Kupfer entwickelt.

Andy Shives, Geschäftsführer der additiven Fertigung bei Praxair Surface Technologies: Der Industriegasehersteller Praxair Inc. stellt seit über 50 Jahren Metallpulver auf dem Markt für thermische Spritzbeschichtung her. Daher ist es nur natürlich, dass sich seine AM-Abteilung, Praxair Surface Technologies (PST), im letzten Jahrzehnt zu einem der größten globalen Hersteller von Additivmetallen entwickelt hat. PST betreibt jetzt ein 300.000 Quadratfuß großes. Anlage in Indianapolis, die sich der Herstellung von Metall- und Keramikpulvern widmet. PST zerstäubt Legierungen auf Nickel-, Kobalt-, Eisen-, Titan- und Kupferbasis für nahezu alle relevanten Märkte: Luft- und Raumfahrt, Energie und Industrie sowie eine wachsende Reichweite in der Automobil- und Medizinbranche.

Der Additivbericht:Wie schnell ist die Entwicklung von AM-Materialien im Vergleich zu vor fünf bis zehn Jahren?

Shives: Viele der großen Player waren vor 10 Jahren noch nicht einmal an der Additivierung beteiligt, geschweige denn an der Metalladditivierung. Aber auch heute noch ist es das Anfangsstadium. Die Anzahl der in Produktion befindlichen Anwendungen oder Teile ist noch sehr gering. Jetzt, insbesondere in den letzten fünf Jahren, hat sich das Wissen darüber, welche Legierungen druckbar sind und welche Legierungen für bestimmte Prozesse genauer untersucht werden müssen, dramatisch verbessert. Beispielsweise eignet sich eine Legierung möglicherweise gut für das Laser-Pulverbettverfahren, für das Elektronenstrahlverfahren jedoch nicht. Und Kunden recherchieren jetzt wirklich, welche Legierung für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist. Und wir haben gesehen, dass dieser Anstieg in den letzten zwei bis drei Jahren deutlich gestiegen ist.

Murray: Wenn wir dieses Gespräch im Jahr 2007 geführt hätten und Sie mich gefragt hätten, wohin sich die Technologie meiner Meinung nach entwickelt, wäre es meiner Meinung nach für niemanden schwierig, wirklich vorherzusagen, wie weit sie fortgeschritten ist. Wenn man in die Zeit zurückblickt, waren auf der ganzen Welt vielleicht 100 Maschinen installiert. Es handelte sich um eine Nischenanwendung und -technologie. Anfangs war es nur ein interessanter ergänzender Teil unseres Geschäfts, aber das hat sich im Laufe der Jahre natürlich stark verändert. Die Größe der Branche, das Innovationsniveau, das Interesse und die Nachfrage nach Materialien sind im Vergleich zu vor 10 Jahren nicht mehr wiederzuerkennen.

Nächtlich: Ein Teil davon hängt insbesondere mit der Rechenleistung und den Werkzeugen zusammen, die uns für die Materialentwicklung und das Drucken im Allgemeinen zur Verfügung stehen. Die Flexibilität der Ausrüstung hat uns ein ganzes Stück geöffnet, so dass wir tiefer in die Materie eintauchen können und wissen, wie sie funktioniert und wie wir sie verbessern können. Menschen, die in der Zerstäubungswelt tätig sind, verstehen jetzt, wie man Material für AM zerstäubt, und sie sehen, dass es dafür einen Markt gibt. In der Vergangenheit gab es viele Qualitätsunterschiede. Die Leute haben verschiedene Tricks gelernt, um ein konsistenteres Produkt zu erhalten. Es gibt mehr Orte, an denen man verschiedene Materialien beziehen kann. Ich denke, der Wettbewerb bringt ein besseres Produkt hervor.

Metallpulver wird in eine Kammer einer 3D-Druck-Laser-Sintermaschine gegossen. (Getty Images)

AR:Nehmen Hersteller den 3D-Druck offener als echte Fertigungsoption an?

MacLeod: Wir sehen absolut, dass Hersteller den 3D-Druck als echte Produktionsoption übernehmen, und wir glauben, dass es in Zukunft ein explosionsartiges Wachstum in der Materialentwicklung geben wird. Immer mehr Materialpartner sind daran interessiert, ihre Fähigkeiten zur Herstellung von AM-Pulvern auszubauen, und da sich die Technologien immer besser für die Produktion eignen, sehen wir, dass Unternehmen eher bereit sind, in eine breitere Palette von Hochleistungsmaterialien zu investieren. Wir befinden uns genau an dem Wendepunkt, an dem die Technologie endlich einen Reifegrad erreicht, der es ihr wirklich ermöglichen wird, über Prototypenbau und Kleinserienproduktion hinauszugehen und in die Serienproduktion überzugehen. Die Frage ist nicht, ob der 3D-Druck die neue Plattform für die globale Massenproduktion sein wird, sondern wann.

Nächtlich: Allein die Gespräche, die ich heute führe, sind völlig anders als zu der Zeit, als ich das Unternehmen gründete. Früher habe ich den Leuten schon vor vier Jahren beigebracht, was AM ist. Und jetzt geht es im Gespräch mehr darum, den Menschen den Umgang mit AM beizubringen. Und das sind sehr unterschiedliche Gespräche.

Shives: Vor fünf Jahren überlegten viele Unternehmen noch, ob sie sich eine oder mehrere Maschinen anschaffen sollten – oder ob sie mit externen Auftragnehmern zusammenarbeiten könnten, die über Maschinen verfügten. Mittlerweile haben viele dieser Unternehmen mindestens einen eigenen Metalldrucker, der ihre eigenen Studien durchführt. Sie haben also diese Anfangsinvestition getätigt. Es ist wichtig genug.

AR:Was beeinflusst derzeit die Entwicklung additiver Materialien?

Murray: Es ist immer noch ein recht vielfältiges Spektrum. Es gibt verschiedene Einflussfaktoren für Unternehmen, die sich in ihrem eigenen Herstellungsprozess bereits auf dem Weg zur additiven Fertigung befinden. Sie sind dabei, es als ernstzunehmendes Produktionswerkzeug einzusetzen, das die Entwicklung vorantreibt, um Materialien und Konsistenz nicht nur für eine bessere Reproduzierbarkeit des Prozesses, sondern auch der Materialeigenschaften zu verfeinern. Es geht also wirklich darum, die Details zu verstehen und die Spezifikationen zu verfeinern, um Ihnen einen Prozess zu bieten, der auf industrieller Basis stabil ist.

MacLeod: Den größten Einfluss hat derzeit die Umstellung der Hersteller vom Prototyping auf die Produktion. Dies hat große Auswirkungen auf die Materialien – von Materialien, die sich gut für die Prototypenherstellung eignen, hin zu Materialien, die sich besser für die Produktion eignen. Gerade bei Metallen kommt es auf die Produktion an. Wir sind uns bewusst, dass ein offenes Ökosystem von Branchenführern für mehr Innovation, bahnbrechende Wirtschaftlichkeit und eine schnellere Entwicklung von 3D-Druckmaterialien und -anwendungen von entscheidender Bedeutung ist. Wenn Sie sich vertikale Märkte oder überall dort ansehen, wo Sie Serienproduktion sehen, verfügen die meisten über spezifische Vorschriften, Dokumentationen und Prozesse, die in diesen Vertikalen zu etablierten Normen geworden sind.

Shives: Viele der Legierungen, die viele Kunden zu verwenden begannen, basierten auf Spezifikationen aus verschiedenen Märkten, beispielsweise Guss- und Schmiedelegierungen. Sie wurden nicht für das additive Verfahren geschrieben. Und was wir jetzt sehen, ist, dass die Kunden viel vertrauter mit den additiven Maschinen, den verschiedenen Technologien und der Erstellung kundenspezifischer Parametersätze werden. Und jetzt entwerfen wir Spezifikationen für AM. Daraus resultierten Optimierungen in der Legierungschemie und der Partikelgrößenverteilung. Hier kommen wir zu den Sonderlegierungen, bei denen es sich um Abweichungen von einer bekannten Standardlegierung handeln kann. Oder es könnte eine ganz neue Legierung sein, die wirklich für die Additivierung entwickelt und gebaut wurde.

AR:Welche Hindernisse stehen einer weiteren Weiterentwicklung der Materialentwicklung noch im Weg?

MacLeod: Da es den 3D-Druck schon seit über 30 Jahren gibt, denken viele Ingenieure trotz aller Innovationen in diesem Bereich immer noch an die Technologie und Materialien, die in der Sammlung ihrer ersten Einführung steckten. Wir lernen zum Beispiel immer noch, was das Pulverbett-AM-Verfahren aus materialtechnischer Sicht erfordert, und finden heraus, wie wir die Kernmaterialien besser an die tatsächlichen Profile jedes Prozesses anpassen können. Das Spritzgießen hatte ein Jahrhundert Zeit, um das herauszufinden.

Materialhersteller investieren mehr in die Entwicklung neuer Metalladditivmaterialien. (Getty Images)

Nächtlich: Hindernisse bei der Materialentwicklung sind insbesondere Kompetenz und Ergebnisse. Sie möchten sagen können, dass ein Grundstück dem anderen gleicht und dass Sie, wenn Sie eine tolle Immobilie erwerben, diese Immobilie problemlos auf dem Plan positionieren können. Kunden wollen viele Daten. Für jedes Material, das wir freigeben, müssen wir viele Daten generieren, um es dem Kunden zu erleichtern, bevor er große Mengen abgibt. Hier und da gibt es eine gewisse Flexibilität und Risikotoleranz. Wenn Sie jedoch über die Durchführung eines kompletten Fertigungslaufs sprechen und 20 oder 30 Drucker kaufen möchten, möchten Sie sich mit der Leistung des Materials in Ihrem Teil sehr vertraut machen.

Murray: Standardisierung ist ein wirklich großes Thema. Es gibt verschiedene Kommissionen wie die F42-Gruppe der American Society for Testing and Materials (ASTM) in den USA und das ISO/TC 261-Komitee, das eher in Europa angesiedelt ist. Aber es geht auch darum, eine Zusammenarbeit herauszufinden. Unser Materialunternehmen blickt auf eine mehr als 150-jährige Erfahrung in der Materialverarbeitung zurück. Wir verfügen über umfangreiches Wissen über die Materialseite – wahrscheinlich mehr als einige der Technologieunternehmen, die die Maschinen bauen. Sie haben also Kooperationen zusammengestellt und sich dabei auf relative Stärken – Materialien und Verfahren – gestützt, um die Gesamtlösung zu liefern. Die Verbreitung der Technologie geht so schnell vonstatten. Der Versuch, mitzuhalten und alles abzudecken, kann eine ziemliche Herausforderung sein.

AR:Spielen die Beziehungen zwischen Maschinenentwicklern und OEMs immer noch eine entscheidende Rolle, um die Entwicklung additiver Materialien voranzutreiben?

Shives: Es gibt einige Geräte-OEMs, die bei der Validierung sehr eng mit bestimmten Endkunden zusammenarbeiten. Wir sehen, dass viele OEMs, die proprietäre Parametersätze erstellen, viele Validierungen selbst durchführen. Es ist so geheim und proprietär, dass sie nicht möchten, dass der Ausrüstungshersteller oder andere Lieferanten genau wissen, an welcher Anwendung oder welchem ​​Design sie arbeiten.

MacLeod: Wir haben die Vision, unsere Open Materials Platform tiefer auf Metalle auszudehnen, damit jeder kommen und auf unserer Plattform problemlos Innovationen entwickeln kann. Fortschritt entsteht durch die Zusammenarbeit mit unseren zertifizierten Materialpartnern. Es könnte einen Punkt in der Addition geben, wenn die Wissenschaft so gut verstanden ist, dass sie auf eine Reihe prädiktiver Modellierungs- und Softwaretools reduziert wird, die praktisch jeder nutzen kann. Zu diesem Zeitpunkt wird die enge Beziehung zwischen den OEMs und den Materialunternehmen weniger wichtig sein, aber diese besteht für Additive noch nicht.

Nächtlich: Es wurde sogar darüber hinaus erweitert. Es gibt jetzt eine Reihe verschiedener Möglichkeiten, wie Sie Ihren Teil herstellen und warum Sie diesen Teil noch einmal erstellen. Sicherlich treiben Maschinenhersteller den größten Teil der Branche voran, aber nicht die gesamte Branche. Jetzt taucht es in einzelnen Anwendungen auf, die es herauszufinden gilt. Und AM eignet sich dafür perfekt, insbesondere für kleine Fertigungsunternehmen. Ich würde sagen, ein Viertel unseres Geschäfts besteht aus kleinen Unternehmen, die herausfinden möchten, wie man einzelne Teile mit funktionsfähigen Prototypen herstellen kann.

BIN:Was ist Ihrer Meinung nach eines der größten Dinge, die die Entwicklung additiver Materialien in naher Zukunft beeinflussen werden?

Shives: Eine große Veränderung könnte das Design für Additive sein. Die nächste Generation von Ingenieuren in der Branche wird anders geschult, um neue Teile zu entwerfen. Darauf wurde in den letzten Jahren viel Wert gelegt. Wir beginnen, die ersten Phasen davon bei den größeren OEMs zu sehen. Sobald diese neuen Designs für additive Anwendungen vom Markt bestätigt und validiert sind, werden wir einen noch stärkeren Produktionsanstieg erleben.

Murray: Ich bin mir nicht sicher, ob es das nächste große Ding gibt, aber es ist eine Kombination aus Leistungssteigerung und Kosteneffizienz. Können Sie ein Material mit geringeren Metallkosten entwickeln, um einige der vorhandenen zu ersetzen? Aber es geht darum, die materiellen Grenzen zu überschreiten. Bei eisenbasierten Materialien geht es darum, die Haltbarkeit und Leistung beispielsweise bei Werkzeuganwendungen zu verbessern. Und bei Hochtemperatur-Superlegierungen auf Nickelbasis befasst sich das Unternehmen mit der nächsten Generation dieser Materialien und versucht, sie für den Prozess zu optimieren.

Nächtlich: Ich denke, wir werden einen großen Zustrom verschiedener Stähle erleben und die Möglichkeit haben, Stähle zu drucken. Heutzutage ist Stahl wirklich schwierig zu drucken. Dafür gibt es mehrere Gründe, aber es kommt darauf an, herauszufinden, wie man diese verschiedenen Materialien richtig schweißt. Und nicht nur schweißen, sondern mit sehr, sehr hohen Abkühlraten, um Risse oder andere Probleme zu vermeiden. In Branchen wie der Automobil-, Werkzeug- und Öl- und Gasindustrie werden Superlegierungen auf Aluminium-, Titan- und Nickelbasis weniger verwendet. Sie brauchen Hochleistungsstähle. Viele dieser Drucker werden von Maschinenbauingenieuren oder Maschinisten verwendet, die nicht unbedingt über umfassende Kenntnisse darüber verfügen, wie das Material geformt wird. Sie müssen wirklich über das Wissen verfügen, das wirklich mit Metallurgie, Wärmebehandlung, Produktformung und der Formung verschiedener Phasen beim Drucken zusammenhängt.