Die additive Fertigung mit Metallen umfasst eine Vielzahl fortschrittlicher Produktionsverfahren, bei denen industrielle Metallteile Schicht für Schicht ausgehend von einem digitalen Entwurf unter Verwendung von Draht- oder Pulvermaterial aufgebaut werden. Dieser umfassende Leitfaden behandelt die wichtigsten Technologien des Metall-3D-Drucks, die spezifischen Materialien, die mit den einzelnen Verfahren hergestellt werden können, typische industrielle Anwendungen sowie die Frage, wie Ingenieurteams die richtige Produktionsmethode für ein bestimmtes Bauteil auswählen können. Als Pionier im Bereich der robotergestützten Draht-Lichtbogen-Additiven Fertigung (WAAM) hat MX3D diese Systeme erfolgreich in stark regulierten Branchen eingesetzt und kürzlich eine Partnerschaft mit Framatome geschlossen, um fortschrittliche Robotersysteme für eine neue, mehrere Millionen teure 3D-Druckanlage für den Nuklearbereich in Frankreich zu liefern.
Was ist die additive Fertigung mit Metall?
Die additive Fertigung mit Metall (Metal AM) umfasst eine Reihe von Fertigungsverfahren, bei denen Metallteile Schicht für Schicht anhand eines digitalen 3D-Modells aus Ausgangsmaterial in Form von Draht, Pulver oder Blech aufgebaut werden. Die wichtigsten in der modernen Industrie eingesetzten Verfahren sind die Pulverbettfusion, die gerichtete Energieabgabe, das Binder-Jetting und die Blechlaminierung. Der Begriff additive Fertigung bedeutet, dass das Metall additiv und nicht subtraktiv aufgebracht wird. Während bei der subtraktiven Fertigung Teile durch Materialabtrag hergestellt werden, entstehen bei der additiven Fertigung Teile durch Materialauftrag. Bei den traditionellen Verfahren kommen in der Regel eher subtraktive Verfahren zum Einsatz.
Als spezialisierter Teilbereich der breiter gefassten additiven Fertigungsindustrie stellt die additive Metallfertigung einen grundlegenden Wandel in der Herangehensweise der Schwerindustrie an die Teilefertigung dar. Sie ermöglicht die Herstellung hochkomplexer Geometrien, drastisch verkürzte Vorlaufzeiten und dezentrale Produktionsstrategien, mit denen herkömmliche Guss- und Schmiedeverfahren einfach nicht mithalten können. Es ist zudem wichtig zu beachten, dass die Begriffe „3D-Metalldruck“ und „additive Metallfertigung“ synonym sind und in der Branche synonym verwendet werden.
Die wichtigsten Technologien der additiven Fertigung mit Metall
Es gibt keine einheitliche „beste“ Methode für den Metalldruck. Es wurden verschiedene Technologien entwickelt, um unterschiedlichen technischen Anforderungen gerecht zu werden – von mikroskopisch kleinen medizinischen Implantaten bis hin zu massiven Schiffspropellern.
| Prozess | Ausgangsmaterial | Typische Abscheidungsrate | Typisches Bauvolumen | Am besten geeignet für |
| Draht-Lichtbogen-Additive Fertigung (WAAM) | Schweißdraht | 2–15 kg/h | Bis zu 6 m+ | Große Bauteile |
| Laser-Pulverbett-Fusion (L-PBF / SLM) | Metallpulver | 0,1–0,5 kg/h | ca. 300–500 mm | Kleine, komplexe Präzisionsteile |
| Elektronenstrahlschmelzen (EBM) | Metallpulver | 0,2–0,8 kg/h | ~350 mm | Reaktive Legierungen (Ti, TiAl) |
| Laser-Pulver-DED (LP-DED) | Metallpulver | 0,5–3 kg/h | Je nach Fall | Reparatur, Verkleidung, mittlere Teile |
| Elektronenstrahl-DED (EBAM) | Metalldraht | 3–10 kg/h | Sehr groß | Große Strukturen für die Luft- und Raumfahrt |
| Binder-Jetting (BJT) | Metallpulver | Je nach Charge | ca. 800 mm | Serienteile mittlerer Komplexität |
| Kaltes Spray | Metallpulver | 5–45 kg/h | Öffnen | Beschichtung, Reparatur (keine kompletten Teile) |
Draht-Lichtbogen-Additive Fertigung (WAAM)
Bei der Draht-Lichtbogen-Additiven Fertigung (WAAM ) kommen handelsüblicher Schweißdraht und eine Lichtbogen-Wärmequelle zum Einsatz, die in der Regel von einem mehrachsigen Roboterarm oder einem Portalsystem gesteuert werden. Da der Prozess im offenen Raum stattfindet, bietet WAAM das größte Bauvolumen aller metallbasierten AM-Verfahren. WAAM ist der technologische Schwerpunkt von MX3D. Die Abscheidungsraten liegen im Allgemeinen zwischen 2 und 8 kg/h; diese Geschwindigkeiten sind jedoch sehr variabel und hängen vom jeweiligen Material, der Bauteilgeometrie, den Umgebungsbedingungen, dem Einsatz aktiver Kühlung sowie davon ab, ob Einzel- oder Doppelroboterkonfigurationen eingesetzt werden. Darüber hinaus sorgt die Verwendung von Standard-Schweißdraht für äußerst wirtschaftliche Materialkosten, die in der Regel zwischen 5 und 15 € pro Kilogramm liegen. Beachten Sie, dass dies von Variablen wie der Legierungszusammensetzung und der Drahtqualität abhängt.
Laser-Pulverbett-Fusion (L-PBF / SLM / DMLS)
Die Laser-Pulverbettfusion ist derzeit das bewährte Verfahren der Branche zur Herstellung kleiner, hochkomplexer Bauteile. Bei diesem Verfahren werden dünne Schichten aus Metallpulver auf einer Bauplatte aufgetragen, die anschließend durch einen Hochleistungslaser selektiv geschmolzen werden. Zwar bietet die L-PBF eine außergewöhnlich hohe Auflösung, die sich ideal für Halterungen in der Luft- und Raumfahrt sowie für medizinische Implantate eignet, doch ist sie durch ein begrenztes Bauvolumen (in der Regel unter 500 mm) und langsame Schichtauftragsraten eingeschränkt.
Elektronenstrahlschmelzen (EBM)
Ähnlich wie beim L-PBF-Verfahren wird auch beim Elektronenstrahlschmelzen ein Pulverbett verwendet, doch zum Schmelzen des Metalls kommt ein Elektronenstrahl zum Einsatz, der in einer Hochvakuumkammer arbeitet. Diese hochtemperaturgeführte, vakuumgesteuerte Umgebung macht das EBM-Verfahren zur bevorzugten Technologie für die Verarbeitung reaktiver Metalle und Hochleistungs-Superlegierungen wie beispielsweise Titanaluminid.
Direkte Energieabscheidung (DED)
Der Begriff „Directed Energy Deposition“ (DED) umfasst Verfahren, bei denen eine gebündelte Energiequelle das Ausgangsmaterial während des Aufbringens schmilzt. Zu dieser weit gefassten Kategorie gehören WAAM (Draht + Lichtbogen), LP-DED (Pulver + Laser) und EBAM (Draht + Elektronenstrahl). DED-Verfahren eignen sich hervorragend zum Auftragen von Material auf bestehende Substrate und sind daher ideal für die Reparatur von Bauteilen, die Oberflächenbeschichtung und den Aufbau großflächiger Strukturen.
Binder-Jetting (BJT)
Beim Binder-Jetting wird das Metall während des Druckvorgangs nicht geschmolzen. Stattdessen trägt ein Druckkopf ein flüssiges Bindemittel auf ein Metallpulverbett auf, um ein „grünes“ Bauteil zu bilden. Diese Bauteile müssen anschließend einem sekundären thermischen Sinterprozess unterzogen werden, um die volle metallische Dichte zu erreichen. Das Binder-Jetting eignet sich hervorragend für die Serienfertigung von Bauteilen mittlerer Komplexität.
Folienlaminierung und Kaltverspritzen
Es handelt sich hierbei nach wie vor um hochspezialisierte Nischenverfahren. Bei der Blechlaminierung werden aufeinanderfolgende Metallfolien miteinander verbunden und zu einer Form zugeschnitten, während beim Kaltspritzverfahren Metallpulverpartikel mithilfe von Überschallgasstrahlen auf ein Substrat beschleunigt und dort allein durch kinetische Energie ohne Schmelzen verbunden werden. Beide Verfahren sind in der Regel speziellen Beschichtungszwecken oder nichttragenden Anwendungen vorbehalten.
Materialien für die Metall-Additive Fertigung
Die Verfügbarkeit und die Kosten der Materialien entscheiden darüber, welches AM-Verfahren für eine bestimmte Anwendung wirtschaftlich sinnvoll ist.
| Materialfamilie | Beispiele | Gängige Verfahren | Typische Anwendungsbereiche |
| Kohlenstoffstähle und niedriglegierte Stähle | ER70S-6, S355 | WAAM, DED | Konstruktionsteile |
| Rostfreie Stähle | 316L, 308L | WAAM, L-PBF, BJT | Korrosionsbeständige Teile, Schifffahrt |
| Duplex und Super-Duplex | 2205, 2507 | WAAM | Öl und Gas, Schifffahrt |
| Nickellegierungen | Inconel 625, 718, 825 | WAAM, L-PBF | Hochtemperatur, Kerntechnik, Luft- und Raumfahrt |
| Titanlegierungen | Ti-6Al-4V | L-PBF, EBM, EBAM | Luft- und Raumfahrt, Medizin |
| Aluminiumlegierungen | AlSi10Mg, 4043 | L-PBF, WAAM | Gewichtsreduzierung, Automobilindustrie |
| Kupferlegierungen | CuNiAl, Bronze | WAAM, L-PBF | Schifffahrt, Wärmetauscher |
| Werkzeugstähle | H13, M2 | L-PBF, BJT | Werkzeuge |
Für kritische industrielle Anwendungen sind die mechanische Leistungsfähigkeit und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften bei diesen gedruckten Werkstoffen von entscheidender Bedeutung. Für stark regulierte Branchen fertigt MX3D aktiv Komponenten, die der Europäischen Druckgeräterichtlinie (PED) und den strengen ASME-BPVC-Vorgaben entsprechen. Die Fähigkeit zur Einhaltung dieser Standards wird zudem durch DNV-Zertifizierungen für die Produktionsanlagen untermauert. Um mehr über die spezifischen Schweißdrähte und die mechanischen Eigenschaften zu erfahren, die mit lichtbogenbasierten Verfahren erzielt werden können, lesen Sie unseren umfassenden Leitfaden zu WAAM-Werkstoffen.
Metall-AM im Vergleich zur traditionellen Fertigung
Die additive Fertigung mit Metallen und herkömmliche subtraktive Verfahren ergänzen sich in der Regel eher, als dass sie sich gegenseitig ausschließen. Da Metall-AM-Technologien (insbesondere DED und WAAM) Bauteile in nahezu endkonturgetreuer Form erzeugen, erfordern fast alle funktionalen Industrieteile ein gewisses Maß an herkömmlicher Nachbearbeitung, um strenge Maßtoleranzen einzuhalten.
Der wichtigste Entscheidungsfaktor für Ingenieure ist die Wirtschaftlichkeit: Ab welchem Produktionsvolumen, bei welchen Lieferfristen und bei welcher geometrischen Komplexität ist ein 3D-gedrucktes Bauteil wettbewerbsfähiger als ein herkömmliches Guss- oder Schmiedeteil?
| Faktor | Metall-AM (WAAM) | Metall-AM (PBF) | CNC-Bearbeitung | Besetzung | Schmieden |
| Maximale Teilegröße | ab 6 Monaten | ca. 500 mm | Maschinenbett | Foundry GmbH | Die Limited |
| Lieferzeit | Tage bis Wochen | Tage bis Wochen | Stunden bis Tage | Wochen bis Monate | Monate |
| Werkzeugkosten | €0 | €0 | Spielplan | 10.000–100.000+ € | 50.000–500.000+ € |
| Materialverschwendung | ~10% | ~5% | 70–90 % | ~5% | ~5% |
| Materialkosten | Niedrig (Draht) | Hoch (Pulver) | Niedrig (Rohling) | Niedrig | Niedrig |
| Geometrische Freiheit | Hoch | Sehr hoch | Mittel | Mittel | Niedrig |
Für eine detailliertere wirtschaftliche Analyse empfehlen wir Ihnen, unsere ausführlichen Vergleiche zwischen WAAM und Guss- sowie Schmiedeverfahren zu lesen und zu prüfen, ob sich WAAM für Anwendungen in der Schwerindustrie als kosteneffizient erweist.
Industrielle Anwendungen nach Branchen
Energie (Erdöl, Erdgas, Kernenergie und Windkraft)
Der Energiesektor nutzt den Metall-3D-Druck in großem Umfang für große Ventile, Laufräder und Druckkomponenten. So hat MX3D beispielsweise kürzlich ein hochbelastbares Ersatzteil für eine Dampfturbine von TotalEnergies aus ER70SG-Stahl mittels Reverse Engineering entwickelt und gedruckt. Das Near-Net-Shape-Bauteil wurde in nur 5 Tagen in einem durchgehenden Druckvorgang gefertigt, hat die hydrostatische Druckprüfung bestanden und ermöglicht einen vollständig zertifizierten, schnellen Einsatz. Darüber hinaus liefert MX3D zwei robotergestützte WAAM-Systeme an Framatome für deren 26 Millionen Euro teure 3D-Druckanlage für den Nuklearbereich, mit der die Vorlaufzeiten für Reaktorkühlkreisläufe und Brennelemente um bis zu 50 % verkürzt werden sollen.
Maritim
Die maritime Lieferkette setzt auf den Metall-3D-Druck, um die langen Gusszeiten für schwere, kritische Bauteile wie Propeller, Ruderrohre und maßgefertigte Rumpfausrüstungen zu umgehen. Durch den Einsatz korrosionsbeständiger Legierungen wie Duplex-Edelstahl und Nickel-Aluminium-Bronze können Werften Notfall-Ersatzteile nach Bedarf drucken.
Verteidigung und Luft- und Raumfahrt
Im Bereich Verteidigung und Luft- und Raumfahrt sorgt die additive Fertigung für lokale Produktionsnetzwerke, wodurch Militärstützpunkte und Erstausrüster anfällige globale Lieferketten umgehen können. Sie wird in großem Umfang zur Herstellung großer Strukturbauteile aus Titan sowie zur Fertigung veralteter Ersatzteile für ältere Fahrzeugplattformen eingesetzt.
Architektur und Bauwesen
In der Bauindustrie wird die Metall-Additive-Fertigung genutzt, um topologisch optimierte Knotenpunkte und komplexe, maßgeschneiderte Fassadenelemente herzustellen. Indem Material nur dort gedruckt wird, wo es die Lastpfade erfordern, können Architekten das Gesamtgewicht und den ökologischen Fußabdruck von Stahlbauprojekten erheblich reduzieren.
So wählen Sie das richtige Metall-AM-Verfahren aus
Um sich in den verschiedenen Technologien zurechtzufinden, müssen die Prozessfähigkeiten auf die spezifischen technischen Anforderungen des Bauteils abgestimmt werden.
Entscheiden Sie sich für WAAM, wenn:
- Das Teil ist größer als ~500 mm.
- Die Vorlaufzeit ist ein entscheidender Faktor.
- Die Materialkosten machen den größten Teil der Gesamtkosten des Bauteils aus (z. B. bei Verwendung von Inconel- oder Titandraht anstelle von sehr teurem Pulver).
- Für die Produktion sind kleine bis mittlere Stückzahlen (1 bis 100 Teile) erforderlich.
- Sie stellen Ersatz- oder Ersatzteile für ältere Geräte her, für die keine Formen mehr vorhanden sind.
- Wenn Ihre Gussteile zur Endbearbeitung auch CNC-bearbeitet werden müssen, ist WAAM die bessere, schnellere und kostengünstigere Wahl.
Entscheiden Sie sich für die Pulverbettfusion, wenn:
- Das Bauteil erfordert extrem feine Details oder komplexe innere Gitterstrukturen.
- Das Bauteil passt problemlos in einen Bauraum von ca. 500 mm.
- Die Oberflächenbeschaffenheit des Druckergebnisses muss hochwertig sein, ohne dass in großem Umfang auf Nachbearbeitung zurückgegriffen werden muss.
- Sie fertigen Präzisionsteile in kleinen bis mittleren Stückzahlen.
Entscheiden Sie sich für das Binder-Jetting, wenn:
- Sie benötigen die Serienfertigung kleiner bis mittelgroßer Teile.
- Die Kosten pro Teil sind wichtiger als die absolut kürzeste Lieferzeit.
Entscheiden Sie sich für traditionelle Verfahren (Gießen, Schmieden), wenn:
- Die Produktionsmenge ist sehr hoch (>1.000 identische Teile).
- Die Geometrie des Teils ist einfach und lässt sich leicht bearbeiten.
- Die enormen Vorlaufkosten für die Werkzeuge haben sich bereits durch frühere Produktionsläufe vollständig amortisiert.
Kostenaspekte bei der Metall-Additiven Fertigung
Um die Wirtschaftlichkeit des 3D-Metalldrucks zu verstehen, muss die gesamte Kostenstruktur betrachtet werden: Investitionen in Maschinen, Rohstoffe, Arbeitskosten, erforderliche Nachbearbeitung und die Zertifizierung der Endteile.
Die Art des Ausgangsmaterials spielt eine entscheidende Rolle für die Wirtschaftlichkeit der Anlage. Pulverbasierte Verfahren verursachen deutlich höhere Rohstoffkosten, die je nach Legierung oft zwischen 50 und 200 Euro pro Kilogramm liegen. Im Gegensatz dazu verwenden drahtbasierte Verfahren wie WAAM handelsüblichen Schweißdraht, wodurch die Materialkosten auf 5 bis 15 Euro pro Kilogramm sinken, auch wenn sie unter Umständen eine umfangreichere CNC-Nachbearbeitung erfordern, um enge Toleranzen zu erreichen.
Eine umfassende Aufschlüsselung der Investitionskosten und Betriebskosten finden Sie in unserem ausführlichen Leitfaden zur Preisgestaltung für WAAM-Maschinen.
Häufig gestellte Fragen
Was ist die additive Fertigung mit Metall?
Die additive Fertigung mit Metall umfasst eine Reihe von Fertigungsverfahren, bei denen Metallteile ausgehend von einem digitalen Modell Schicht für Schicht unter Verwendung von Draht- oder Pulvermaterial aufgebaut werden. Zu den wichtigsten Technologien zählen die Draht-Lichtbogen-Additive Fertigung (WAAM), die Pulverbettfusion (PBF), die gerichtete Energieabscheidung (DED) und das Binder-Jetting.
Was sind die wichtigsten Verfahren des 3D-Metalldrucks?
Die wichtigsten Verfahren des industriellen Metall-3D-Drucks sind das Draht-Lichtbogen-Additive-Fertigungsverfahren (WAAM), die Laser-Pulverbettfusion (L-PBF), das Elektronenstrahlschmelzverfahren (EBM), die gerichtete Energieabscheidung (DED) und das Binder-Jetting. Jedes Verfahren bietet spezifische Vorteile hinsichtlich Bauteilgröße, Auflösung und Materialverträglichkeit.
Welche Metalle lassen sich im 3D-Druck verarbeiten?
Eine breite Palette schweißbarer Industrielegierungen kann im 3D-Druckverfahren hergestellt werden, darunter Kohlenstoff- und niedriglegierte Stähle, rostfreie Stähle, Duplex- und Super-Duplex-Stähle sowie Aluminium- und Kupferlegierungen. Darüber hinaus werden für die Luft- und Raumfahrt sowie den Energiesektor häufig Hochleistungs-Superlegierungen wie Inconel und Titan gedruckt.
Wie viel kostet der 3D-Metalldruck?
Die Kosten variieren stark je nach der eingesetzten Technologie. Pulverbasierte Verfahren verwenden teure Ausgangsmaterialien (50–200 €/kg), die sich für kleine Präzisionsteile eignen. Drahtbasierte Verfahren wie WAAM nutzen sehr kostengünstigen Standard-Schweißdraht (5–15 €/kg), erfordern jedoch oft ein Budget für die CNC-Bearbeitung nach dem Druck.
Wozu wird die additive Fertigung mit Metall eingesetzt?
Die Metall-Additive Fertigung wird zur Herstellung komplexer Industriekomponenten in kleinen bis mittleren Stückzahlen eingesetzt, wobei die Kosten für herkömmliche Werkzeuge und die damit verbundenen Vorlaufzeiten vollständig entfallen. Zu den gängigen Anwendungsbereichen zählen große Schiffsschrauben, Druckbehälter für den Energiesektor, Strukturknotenpunkte für die Luft- und Raumfahrt sowie dringende Ersatzteile auf Abruf.
