Der 3D-Druck ist auch bekannt als Additive Fertigungund die additive Fertigung ist ein Konzept, das im Gegensatz zur traditionellen subtraktiven Fertigung vorgeschlagen wird. Wir wissen, dass die subtraktive Fertigung der Prozess des Schneidens und Sinterns von Rohstoffen zur Herstellung von Teilen ist, die Pulvermetallurgie und die Schneidverfahren sind alle Teil der subtraktiven Fertigung. Was also bedeutet die entsprechende additive Fertigungstechnologie? Und welche Technologien werden bei der additiven Fertigung eingesetzt? In diesem Artikel wird erörtert, welche Technologie beim 3D-Druck verwendet wird.
Das Prinzip des 3D-Drucks
Vor der Beantwortung der Frage, welche Technologie beim 3D-Druck verwendet wird, ist es notwendig, die Grundsätze des 3D-Drucks zu verstehen. Der 3D-Druck ist eine Technologie, bei der digitale Modelldateien als Grundlage für die Konstruktion von Objekten verwendet werden, indem Schicht für Schicht mit verbindbaren Materialien wie Metallpulver oder Kunststoff gedruckt wird.
Für den 3D-Druck werden in der Regel Materialdrucker mit digitaler Technologie eingesetzt. Es wird oft verwendet, um Modelle in Formenbau und Industriedesign zu machen, und dann allmählich für die direkte Herstellung von einigen Produkten und Teilen wurden mit dieser Technologie gedruckt.
Im Vergleich zu herkömmlichen Drucktechnologien und Fertigungsverfahren weist der 3D-Druck mehrere Merkmale auf. Erstens erfolgt der Druck in einem einzigen Durchgang, wodurch das wiederholte Schneiden und Schleifen entfällt, der Prozess der Produktherstellung vereinfacht und die Produktion verkürzt wird
Dies vereinfacht den Produktionsprozess und verkürzt den Produktionszyklus. Zweitens sind die niedrigeren Kosten, insbesondere bei der Serienproduktion, ein erheblicher Kostenvorteil gegenüber der traditionellen Fertigung. Und schließlich ein höherer Grad an Produktausgereiftheit.
3D-Drucktechnologien
FDM
Fused Deposition Modeling (FDM) ist eine Methode zum Erhitzen und Schmelzen verschiedener heißer, geschmolzener Filamentmaterialien (Wachs, ABS, Nylon usw.) in Form und ist eine Art von 3D-Drucktechnologie. Das FDM-Verfahren nutzt die Heißschmelz- und Klebeeigenschaften von thermoplastischen Materialien, die unter SPS-Steuerung Schicht für Schicht aufgeschichtet werden. Zu den gebräuchlichen Basismaterialien gehören thermoplastische Werkstoffe, eutektische Systemmetalle, essbare Materialien usw.
EBF
Das Elektronenstrahl-Freiformen (EBF) ist ein Verfahren, bei dem ein Elektronenstrahl als Wärmequelle verwendet wird, um Teile mit außeraxialen Metalldrähten zu fertigen. Nahezu netzgeformte Teile, die mit diesem additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden, müssen anschließend in einem Reduktionsverfahren nachbearbeitet werden.
Mit der EBF-Technologie können Metalle wie Aluminium, Nickel, Titan oder Edelstahl direkt umgeformt werden, und es ist möglich, zwei Materialien zu mischen oder eines in das andere einzubetten. Das Verfahren eignet sich für fast alle legierten Metallwerkstoffe.
DMLS
Das Direkte Metall-Lasersintern ist ein Verfahren, das zur Massenproduktion von Formen für Spritzgussteile und zur Herstellung von Metallprodukten eingesetzt wird, aber auch in Technologien wie Extrusion oder Blasformen und anderen Kunststoffverarbeitungsprozessen verwendet werden kann. DMLS eignet sich für den 3D-Druck von fast allen Legierungen.
Das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) ist eine in den letzten Jahren aufkommende fortschrittliche Technologie zur additiven Fertigung von Metallen. Das Prinzip besteht darin, die 3D-Volumenmodelldaten des Teils in die EBM-Anlage zu importieren und dann eine dünne Schicht aus feinem Metallpulver flach in die Arbeitskammer der EBM-Anlage zu legen. Die hohe Energiedichte, die im Brennpunkt durch die Ablenkung und Fokussierung des hochenergetischen Elektronenstrahls erzeugt wird, führt dazu, dass die Metallpulverschicht abgetastet wird, um in winzigen lokalisierten Bereichen hohe Temperaturen zu erzeugen, was zum Schmelzen der Metallpartikel führt, und die kontinuierliche Abtastung des Elektronenstrahls bewirkt, dass die winzigen Metalllachen verschmelzen und erstarren und sich zu linearen und facettierten Metallschichten verbinden.
Das selektive Laserschmelzen ist eine der wichtigsten Technologien für die additive Fertigung von Metallwerkstoffen. Dabei wird ein Laser als Energiequelle verwendet und das Metallpulverbett Schicht für Schicht entsprechend der Bahnplanung im 3D-CAD-Ausschnittmodell abgetastet. Das gescannte Metallpulver wird geschmolzen und verfestigt, um eine metallurgische Verbindung zu erzielen, die zu dem vom Modell entworfenen Metallteil führt. Hauptsächlich geeignet für den 3D-Druck auf Titan, Kobalt-Chrom, rostfreiem Stahl, Aluminium, etc.
SLS
Das SLS-Verfahren, auch selektives Lasersintern genannt, wurde 1989 von C.R. Dechard an der University of Texas in Austin, USA, entwickelt. Das SLS-Verfahren verwendet pulverförmiges Material zum Formen. Das pulverförmige Material wird auf die Oberseite des Formteils gestreut und abgekratzt; mit einem hochintensiven CO2-Laser wird der Querschnitt des Teils über der frisch aufgetragenen neuen Schicht abgetastet; das pulverförmige Material wird unter dem hochintensiven Laserlicht zusammengesintert, um einen Querschnitt des Teils zu erhalten, der mit dem darunter liegenden Formteil verbunden wird; wenn eine Schicht des Querschnitts gesintert ist, wird eine neue Schicht aus Materialpulver aufgetragen und die nächste Schicht des Querschnitts selektiv gesintert.
Oben haben wir einige der im 3D-Druck verwendeten Technologien beschrieben. In den letzten Jahren hat die 3D-Drucktechnologie in vielen Bereichen starke Anwendungsvorteile gezeigt, und viele Präzisionsteile und Produkte, die auf der 3D-Drucktechnologie basieren, haben einen positiven Einfluss auf die Förderung der industriellen Entwicklung und Innovation.
Mit der Entwicklung komplementärer Technologien werden in Zukunft mehr Druckmaterialien zur Verfügung stehen, und der 3D-Druck wird die Kosten für die Druckausrüstung senken und den menschlichen und intelligenten Charakter der Druckvorgänge verbessern, wodurch die soziale und wirtschaftliche Entwicklung technisch unterstützt wird.
Damit wird technische Unterstützung für die soziale und wirtschaftliche Entwicklung geleistet.
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Frequently Asked Questions (Supplemental)
1) Which 3D printing technology should I choose for functional metal parts?
- Selective Laser Melting (SLM)/Direct Metal Laser Sintering (DMLS) or Electron Beam Melting (EBM) are best for end-use metal parts. SLM/DMLS offers finer features and smoother surfaces; EBM provides faster builds and lower residual stress for Ti alloys.
2) How do SLS and SLM differ in practice?
- SLS typically sinters polymers (PA12, TPU) or metal/polymer composites; SLM fully melts metal powders to near‑wrought density. SLS excels in durable polymer prototypes; SLM suits structural metal components.
3) What are typical build sizes and layer thicknesses across 3D printing?
- FDM: 100–400 μm layers; desktop to 300×300×400 mm. SLS: 80–150 μm; 300×300×400 mm common. SLM/DMLS: 20–60 μm; 250×250×300 mm up to >400 mm cubes. EBM: 50–100 μm; similar or larger build volumes.
4) How do material properties compare between AM and wrought?
- With optimized parameters and post‑processing (HIP/heat treatment), SLM/DMLS and EBM can reach ≥99.8% density and tensile properties close to or exceeding wrought in certain alloys (e.g., Ti‑6Al‑4V, 17‑4PH). Anisotropy and surface roughness must be managed.
5) What standards govern validation of 3D printed parts?
- ISO/ASTM 52900 series for terminology; 52904 (metal PBF); 52921 (design); ASTM F3122 (property reporting), F3301/F3303 (process control). Medical/aerospace add ISO 13485 or AS9100 quality systems.
2025 Industry Trends and Data
- Multi‑laser coordination: Advanced scan strategies reduce stitch defects and boost throughput in metal PBF.
- High‑throughput polymers: SLS with faster IR sources and automated powder handling lowers part cost.
- Copper and aluminum in PBF: Green/blue lasers improve conductivity parts yield for EV and thermal management.
- Software‑first workflows: Build simulation and in‑situ monitoring shorten qualification cycles.
- ESG reporting: Powder passports with recycled content and O/N/H data increasingly required in RFQs.
| KPI (3D Printing, 2025) | 2023 Baseline | 2025 Typical/Target | Tech area | Why it matters | Sources/Notes |
|---|---|---|---|---|---|
| Metal PBF layer thickness (μm) | 30–60 | 20–50 | SLM/DMLS | Feature resolution, density | ISO/ASTM 52904; OEM specs |
| As‑built density after HIP (%) | 99.5–99.8 | 99.8–99.95 | Metal PBF | Fatigue/leak‑tightness | OEM/peer‑reviewed data |
| Polymer SLS refresh ratio (new:used) | 30:70 | 20:80 | SLS | Cost, consistency | Vendor apps guides |
| Multi‑laser productivity gain | 20–40% | 35–60% | Metal PBF | Kosten pro Teil | Machine vendors |
| Build failure rate with in‑situ monitoring | 8–12% | 3–6% | PBF/EBM | Ausbeute | NIST AM Bench; case studies |
| Copper PBF conductivity vs. wrought | 80–90% IACS | 90–95% IACS | Green/blue laser PBF | Electrical performance | OEM test data |
Authoritative resources:
- ISO/ASTM 52900 family: https://www.iso.org
- ASTM F3122, F3301, F3303: https://www.astm.org
- NIST AM Bench datasets: https://www.nist.gov/ambench
- SAE AMS7000 series (AM metals): https://www.sae.org
- FDA AM guidance (medical devices): https://www.fda.gov
Latest Research Cases
Case Study 1: Blue‑Laser PBF for High‑Conductivity Copper Busbars (2025)
- Background: An EV supplier needed dense Cu components with >90% IACS conductivity for compact power modules.
- Solution: Blue‑laser PBF with high‑sphericity Cu powder (D50 ≈ 30 μm), optimized hatch and contour, in‑situ melt‑pool monitoring; stress relief and surface tumbling.
- Results: Density 99.7% as‑built; conductivity 92–94% IACS; scrap rate reduced from 11% to 4%; assembly footprint −18% due to integrated cooling features.
Case Study 2: Hybrid EBM + CNC for Ti‑6Al‑4V Orthopedic Implants (2024)
- Background: A medical OEM sought porous‑core stems with consistent osseointegration and tight taper fits.
- Solution: EBM lattices (pore 500–800 μm) fused to solid features; HIP + aging; precision CNC on taper surfaces; validated per ISO 10993 and ASTM F3001.
- Results: Shear strength across lattice/solid interface +22% vs. prior design; pore interconnectivity >95%; CT porosity <0.1%; regulatory submission time reduced by 3 months due to standardized datasets.
Expert Opinions
- Dr. Brent Stucker, Senior Director of Additive Manufacturing, Ansys
- Viewpoint: “Predictive simulation of distortion and melt‑pool behavior is now table stakes—closing the loop with in‑situ sensing cuts trial‑and‑error and qualifies builds faster.”
- Prof. Iain Todd, Professor of Metallurgy, University of Sheffield
- Viewpoint: “Alloy design tailored for PBF—especially for Al and Cu—removes fundamental printability barriers without sacrificing properties.”
- Dr. Laura Ely, Managing Director, AM Research Consortium (AMRC)
- Viewpoint: “Standardized test artifacts and powder passports are accelerating cross‑platform comparability and supplier qualification.”
Affiliation links:
- Ansys Additive: https://www.ansys.com
- University of Sheffield (Materials): https://www.sheffield.ac.uk
- AMRC: https://www.amrc.co.uk
Practical Tools/Resources
- Design/simulation: Ansys Additive; Autodesk Netfabb; Simufact Additive; nTopology for lattices
- Standards: ISO/ASTM 52900, 52904, 52910; SAE AMS7000 series
- Databases: Senvol Database (https://senvol.com/database) for machine/material/process data
- Metrology: CT scanning best practices (NPL, NIST); surface roughness and porosity guides
- QA/Monitoring: Sigma Additive Quality, EOS EOSTATE, Renishaw InfiniAM; powder passport templates
- Safety: NFPA 484 (combustible metals), ISO 80079 (explosive atmospheres), supplier SDS
Last updated: 2025-08-22
Changelog: Added 5 supplemental FAQs; included 2025 KPI table and trends; added two recent case studies (blue‑laser copper PBF; hybrid EBM+CNC implants); provided expert viewpoints with affiliations; compiled practical tools/resources for 3D Printing selection and validation.
Next review date & triggers: 2026-02-01 or earlier if ISO/ASTM standards update, major OEMs release new alloy/process parameters, or new datasets on in‑situ monitoring and multi‑laser coordination are published.
