3D-Druck-Herstellung von Metallteilen im Wachsausschmelzverfahren vs. DMLS

Die Welt des Prototyping von Metalllegierungen und der Kleinserienfertigung hat dank der 3D-Drucktechnologie einen weiten Weg zurückgelegt. Es gibt jedoch einige traditionelle Techniken, die nicht verschwunden sind, sondern sich weiterentwickelt haben.

Dies ist der Fall bei der Wachsausschmelztechnik, einer jahrtausendealten Technik, die sich von der mehr oder weniger handwerklichen Herstellung eines Originals in Wachs über die Herstellung leichter Wachsformen und die Möglichkeit, Kleinserien zu fertigen, bis hin zur Herstellung von Teilen in Harz-3D-Druckern wie Form 2 und Castable Resin oder in FDM-3D-Druckern mit speziellen Materialien für Wachsausschmelzverfahren (MoldLay) entwickelt hat, die den Markt revolutioniert haben, wie z. B. PolyCast, dank seiner hohen Präzision und hervorragenden Oberflächengüte.

Video 1: Herstellung von Wachsausschmelzteilen mit PolyCast. Quelle: Polymaker

Wenn wir zu den Anfängen des 3D-Drucks zurückgehen, finden wir PLA, ein billiges Material, das von fast allen 3D-Druckern (auch den häuslichen) verwendet wird. Es ist in der Lage, das Originalteil herzustellen, das dann in eine Masse aus Sand und Bindemittel eingebracht wird, um eine Form zu bilden, indem es im Ofen erhitzt wird.

Vor einigen Jahren (2015), als diese Technik noch nicht gebräuchlich war, wurden sie von ennomotive, einer Innovationsplattform mit einer globalen Gemeinschaft von Ingenieuren, auf Anfrage eines Kunden gebeten, einen innovativen, schnelleren und kostengünstigeren Weg vorzuschlagen, um ihre Prototypen in Titanlegierungen für die Welt der Luftfahrt zu fertigen und, wenn möglich, auch voll funktionsfähige Kleinserien herzustellen, ohne die wirtschaftlichen Kosten und den Zeitaufwand, der mit dem traditionellen Prozess der Herstellung von Metallformen für das Einspritzen oder Gießen von Teilen verbunden ist.

Damals schlug einer der aus dem Gazastreifen stammenden Ingenieure der Gemeinde, der sein Ingenieurstudium in den USA absolviert hatte und sich in seiner Abschlussarbeit mit dieser Technik des 3D-Drucks in PLA und der Herstellung mit dem Wachsausschmelzverfahren beschäftigt hatte, diese als Lösung vor. Er war sich seiner Vorzüge durchaus bewusst.

Der Kunde, ungläubig über eine Lösung, die ihm Monate und viele Tausend Euro ersparte und die von keinem der Tausenden von Ingenieuren, die das Unternehmen hatte, verwendet oder vorgeschlagen wurde, kommentierte: "Entspricht das so hergestellte Teil den strengen Normen der Luftvorschriften?" Die Antwort war niederschmetternd: "Ja, und es gibt auch welche, die damit anfangen, und wir können Sie mit jemandem in Kontakt bringen, der es für Sie herstellen kann, es wird 3 Tage plus Transport dauern".

Damals konnten die 3D-Drucker, die Metallteile herstellen konnten, dies nur mit einigen wenigen Legierungen tun. Sie erreichten weder die notwendigen Oberflächen, noch die gleichen technischen Spezifikationen eines Teils, das durch Gießen (und Zentrifugieren oder Vakuum, falls erforderlich) hergestellt wurde, abgesehen davon, dass sie langsam und teuer waren.

Aber die Technologie entwickelt sich ständig weiter, und die technischen Eigenschaften der hergestellten Teile haben sich verbessert, ebenso wie ihre Kosten und die Anzahl der verfügbaren Legierungen. Die Wachsausschmelztechnologie ist jedoch immer noch sehr lebendig und entwickelt sich weiter, unterstützt durch den FDM-3D-Druck. Obwohl die DMLS-Technologie einen langen Weg zurückgelegt hat, was wäre die Empfehlung der Ingenieure in der Community, wenn man sie auf ennomotive.com erneut fragen würde?

Nun, die Antwort ist, dass es variiert, und zwar sehr stark, je nach Teil, technischen Anforderungen, Abmessungen, Materialien usw., und es könnte durchaus passieren, dass, wenn sich die Fertigungsmethoden weiterentwickeln, einer der Ingenieure vorschlägt: "Ändern Sie das Design" oder "Ändern Sie das Material", so wie beim ersten Mal, als er fragte, warum dieses Teil aus einer Titanlegierung und nicht aus einer Art Harz gefertigt wurde, das die geforderten technischen Spezifikationen erfüllen konnte.

Deshalb gibt es eine Reihe von Empfehlungen bei der Wahl der Fertigungstechnologie, aber es ist das fachkundige Auge des Konstrukteurs, der diese Techniken gut kennt (und aufpasst, denn sie werden jeden Tag besser), der die beste Qualität/Kosten-Kombination finden kann.

• Momentan erzielen die beiden Techniken sehr ähnliche Oberflächen, wobei je nach Qualität des Prozesses und des Materials die eine oder andere hervorgehoben wird. So gibt es beispielsweise DMLS-Drucker, die eine sehr gute Oberflächenqualität bieten, aber auch Filamente für den FDM-3D-Druck (PolyCast), die eine völlig glatte und weiche Oberfläche erzielen.
• Wie bei der Oberflächengüte ist auch bei der geometrischen Genauigkeit die Debatte ziemlich ausgeglichen, wobei es stimmt, dass mit der DMLS-Technologie Endteile mit einer höheren Genauigkeit von 0,1 mm±0,3 % erzielt werden.
• In Bezug auf die Größe können mit Wachsausschmelzverfahren große Teile gedruckt werden, z. B. 2 m, während sie mit DMLS eher kleiner ausfallen, obwohl sie später zusammengefügt werden können und die erforderliche Größe erreichen.
• Der Vorteil des Wachsausschmelzverfahrens besteht darin, dass Sie das gewünschte Material ohne Einschränkungen wählen können, während der Materialkatalog für DMLS zwar wächst, aber begrenzt ist.
• Im Gegensatz dazu erlaubt die DMLS-Technologie komplexere geometrische Formen (z. B. innere Strukturen) und dünnere Wände, was mit dem Wachsausschmelzverfahren nicht möglich ist, das zwar komplexe Geometrien zulässt, aber mit einer Begrenzung.
• DMLS ermöglicht es, verschiedene Komponenten gleichzeitig zu drucken, die in ein und demselben Teil integriert sind (obwohl dies nicht der Fall war).
• Aber wenn wir die Geschwindigkeit und die Kosten berücksichtigen, etwas Grundlegendes für die Industrie, ist es im Moment günstig für das verlorene Wachs, so dass es immer noch weit verbreitet in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet wird, obwohl der schnelle Fortschritt der DMLS-Technologie macht es Ansatz und wird zunehmend in der Industrie verwendet.

Bei dem oben erwähnten Teil, dessen Geometrie nicht übermäßig kompliziert war und bei dem es sich um eine spezielle Legierung handelte, würden Sie sich für die Herstellung von Kleinserien wahrscheinlich wieder für das Wachsausschmelzverfahren entscheiden, insbesondere jetzt, da es Materialien für den FDM-3D-Druck gibt, wie PolyCast, ein Filament, das ausschließlich für das Wachsausschmelzverfahren entwickelt wurde. Wenn Sie diesen Artikel lesen, hat sich der Spieß allerdings vielleicht schon umgedreht - werden wir wieder die Ingenieurswelt fragen, oder werden wir auf dem neuesten Stand des 3D-Drucks sein?

Die Entwicklung von Materialien und Technologien ist so rasant, dass eine heute als gültig akzeptierte Lösung in weniger als 5 Jahren veraltet sein wird. Das rasante Tempo der Fortschritte in der additiven Fertigung ist unaufhaltsam.

Artikel in Zusammenarbeit mit  ennomotive.