Metall-3D-Druck (SLM): Edelstahl 316L und Titan TC4

Der Metall-3D-Druck galt lange als Technologie der Luftfahrt und der Medizintechnik. Heute ist er auch für Einzelteile und Kleinserien zugänglich: Für eine Halterung, einen Flansch oder ein Sensorgehäuse nach Maß senden Sie eine Anfrage online genauso einfach wie für ein Kunststoffteil. In diesem Artikel erklären wir, wie das SLM-Verfahren funktioniert, was Edelstahl 316L und Titan TC4 (Ti6Al4V) leisten, welche Konstruktionsregeln gelten und wann der Metalldruck die klügere Wahl gegenüber der CNC-Bearbeitung ist.

So funktioniert SLM

Das selektive Laserschmelzen (SLM, auch DMLS oder LPBF) findet in einer mit Inertgas (Argon oder Stickstoff) gefüllten Kammer statt. Auf die Bauplattform wird eine Schicht Metallpulver von 20 bis 50 µm aufgetragen, und ein leistungsstarker Laser schmilzt das Pulver an den Stellen vollständig auf, die zum Querschnitt des Modells gehören. Die Plattform senkt sich, eine neue Schicht wird aufgetragen, und der Vorgang wiederholt sich. Nach einigen Tausend Schichten ist ein vollständig dichtes Metallteil entstanden, das mit der Bauplattform verbunden ist.

Anders als beim Nylondruck (MJF, SLS) benötigt ein Metallteil beim Druck Stützstrukturen. Diese halten nicht nur Überhänge, sondern leiten auch Wärme ab und verhindern, dass sich das Teil durch Eigenspannungen verzieht oder von der Plattform abreißt. Nach dem Druck wird das Teil zusammen mit der Plattform zum Spannungsabbau wärmebehandelt, anschließend von der Plattform getrennt; die Stützstrukturen werden mechanisch entfernt und die Oberfläche gestrahlt.

Das Ergebnis ist Metall mit einer Dichte über 99,5 %, mechanisch vergleichbar mit Gusswerkstoffen und in manchen Eigenschaften sogar mit Knetwerkstoffen.

Werkstoffeigenschaften

Die Werte sind Richtwerte für den wärmebehandelten Zustand und schwanken zwischen den Chargen leicht.

Wählen Sie 316L, wenn Korrosionsbeständigkeit, Zähigkeit oder hohe Temperaturen wichtig sind: Halterungen in feuchter Umgebung, Teile mit Kontakt zu Flüssigkeiten, Werkzeuge, Schraubelemente und alles, was Stößen standhalten muss. Außerdem lässt er sich gut polieren.

Wählen Sie Titan TC4, wenn Sie hohe Festigkeit bei geringem Gewicht oder eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit benötigen: Halterungen für Elektronik in Drohnen und Fahrzeugen, Teile, die Meerwasser oder Chemikalien ausgesetzt sind, sowie leichte, aber stark belastete Elemente. Es ist fast halb so schwer wie Stahl und zugleich fester. Wärme leitet es schlecht, für Kühlkörper ist es daher nicht geeignet; außerdem ist es teurer und anspruchsvoller in der spanenden Nachbearbeitung.

Aluminium bieten wir im Metalldruck nicht an. Für Kühlkörper und Aluminiumgehäuse ist die CNC-Bearbeitung besser geeignet.

Konstruktionsregeln für SLM

Der Metalldruck hat eigene Regeln, die schon beim Modellieren berücksichtigt werden sollten:

• Wandstärke: mindestens 0,8 mm, empfohlen 1,0 mm und mehr. Dünnere Wände verziehen sich beim Druck.
• Überhänge: Flächen, die weniger als 45 Grad gegen die Horizontale geneigt sind, benötigen Stützstrukturen. Gestalten Sie Überhänge nach Möglichkeit mit 45 Grad oder mehr oder ersetzen Sie sie durch Bogenformen.
• Horizontale Bohrungen: bis zu einem Durchmesser von 6 bis 8 mm ohne Stützstrukturen druckbar; größere gestalten Sie tropfen- oder rautenförmig, damit sich die Decke der Bohrung selbst trägt.
• Vertikale Bohrungen: Mindestdurchmesser 1 mm; Gewindebohrungen modellieren Sie als glatte Bohrungen mit Kerndurchmesser und schneiden das Gewinde nach dem Druck.
• Innenkanäle: Mindestdurchmesser 1,5 mm, mit angefasten oder tropfenförmigen Querschnitten; lange Kanäle benötigen Öffnungen zur Pulverentfernung.
• Scharfe Innenecken: mit einem Radius von mindestens 0,5 mm abrunden, da sie Spannungen konzentrieren.
• Große ebene Flächen parallel zur Bauplattform neigen zum Verzug; ergänzen Sie Rippen oder neigen Sie die Fläche.
• Massive Blöcke: Metall ist nach Volumen teuer; höhlen Sie massive Teile aus oder gestalten Sie sie, wo sinnvoll, mit einer Gitterstruktur; Öffnungen zur Pulverentfernung sind Pflicht.
• Toleranzen: Rechnen Sie nach dem Druck mit ±0,1 mm bzw. ±0,2 %. Funktionsmaße (Lagersitze, Dichtflächen, Bohrungen mit enger Passung) sehen Sie mit einer Bearbeitungszugabe von 0,3 bis 0,5 mm vor.

Exportieren Sie für den Metalldruck immer eine STEP-Datei, da sie die exakten Zylinder und Ebenen erhält, die für die Vorbereitung der Bearbeitung benötigt werden.

Stützstrukturen und Ausrichtung

Beim SLM sind die Stützstrukturen der wichtigste Faktor für Preis und Qualität. Sie werden mechanisch entfernt (Trennen, Schleifen) und hinterlassen eine raue Oberfläche. Bei der Konstruktion gilt deshalb:

• Legen Sie fest, welche Flächen sichtbar oder funktional sind, und gestalten Sie das Teil so, dass diese beim Druck oben liegen oder senkrecht stehen können,
• vermeiden Sie Stützstrukturen in inneren Hohlräumen, die kein Werkzeug erreicht,
• vermerken Sie bei Teilen, bei denen eine schöne Oberfläche wichtig ist, dies in der Anmerkung zum Modell.

Die Ausrichtung des Teils legt unser Fertigungspartner anhand der Geometrie fest – ein besseres Modell bedeutet jedoch weniger Stützstrukturen und einen niedrigeren Preis.

Nachbearbeitung

Standardmäßig wird das Teil nach dem Druck gestrahlt, was die Oberfläche zu einem matten Grau vereinheitlicht. Weitere Möglichkeiten:

• Spanende Bearbeitung der Funktionsflächen (CNC-Fräsen, Bohren, Gewindeschneiden) für Toleranzen von ±0,02 mm.
• Polieren für eine glänzende Oberfläche bei 316L.
• Gleitschleifen (Trowalisieren) für abgerundete Kanten und eine gleichmäßige Oberfläche bei kleineren Teilen.

Wann der Metalldruck die CNC-Bearbeitung schlägt

Das CNC-Fräsen bleibt die beste Wahl für einfache, prismatische Teile aus Stangen- oder Plattenmaterial, wenn eine glatte Oberfläche und hohe Genauigkeit am gesamten Teil wichtig sind. SLM ist besser, wenn:

• das Teil Innenkanäle hat (Kühlkanäle, Fluidführung), die sich nicht fräsen lassen,
• die Geometrie organisch oder topologieoptimiert ist und das Fräsen mehrere Aufspannungen oder fünf Achsen erfordern würde,
• die CNC-Bearbeitung mehr als 80 % des Materials aus dem Rohteil entfernen würde,
• es sich um ein oder wenige Teile mit komplexer Form handelt, bei denen die Erstellung des CNC-Programms und der Spannvorrichtung mehr kostet als der Druck selbst,
• das Gewicht zählt und sich mit Gitterstrukturen und Optimierung um ein Drittel oder mehr senken lässt.

Bei Serien von mehr als einigen Dutzend einfachen Teilen bleiben CNC oder Guss günstiger. Bewährt hat sich, ein gedrucktes Metallteil nur dort mit CNC nachzubearbeiten, wo die Genauigkeit wirklich nötig ist.

Typische Anwendungen in der Elektronik

Bei der Entwicklung elektronischer Geräte setzen wir den Metalldruck am häufigsten ein für:

• Leichte Halterungen aus Titan für Drohnen, Fahrzeuge und tragbare Geräte, bei denen jedes Gramm zählt.
• Halterungen und Konsolen zur Befestigung von Platinen, Sensoren und Antennen in Fahrzeugen, Maschinen oder Gehäusen, wo Kunststoff zu schwach ist oder zu warm wird.
• Metallgehäuse mit EMV-Schirmung für empfindliche Messmodule und Funkbaugruppen.
• Flansche und Adapter für Sensoren, Kabelverschraubungen und Steckverbinder in Industriegeräten.
• Werkzeuge und Vorrichtungen für die Prüfung von Platinen: Halter für Prüfnadeln, Spannvorrichtungen und Montagehilfen.
• Teile aus 316L für feuchte oder chemische Umgebungen: Sonden, Sensorgehäuse, Halterungen in der Lebensmittelindustrie.

So erhalten Sie ein Angebot

Der Ablauf ist derselbe wie bei Kunststoff: Laden Sie eine STEP- oder STL-Datei in den 3D-Druck-Konfigurator hoch und wählen Sie das Verfahren SLM, den Werkstoff und die Menge. Die Preisschätzung pro Stück erscheint sofort, das Angebot mit dem Endpreis erstellen wir nach der Prüfung des Modells. Die Lieferzeit ist bei Metall wegen der Wärmebehandlung und der Entfernung der Stützstrukturen länger als bei Kunststoff, in der Regel zwei bis drei Wochen.

Sie benötigen Unterstützung?

Wenn Sie über ein Metallteil nachdenken, laden Sie es in den 3D-Druck-Konfigurator hoch und prüfen Sie die Preisschätzung. Wenn Sie das Modell erst noch benötigen – etwa eine Halterung oder einen Flansch, abgestimmt auf Ihre Platine –, erstellen wir es im Rahmen unserer 3D-Konstruktion unter Berücksichtigung aller Regeln für SLM, einschließlich Ausrichtung und Bearbeitungszugaben.