Metallfertigung: Ein Leitfaden zur Fertigung von Metallteilen

Der CNC-Bearbeitungsservice von Protolabs hat fünf verschiedene Aluminiumsorten auf Vorrat: 2024-T351, 5083-H111, 6082-T651, 7075-T651 und 7075-T7351.
Die vierstellige Zahl steht für das International Alloy Designation System, 2000er-Legierungen verwenden Kupfer als primäres Legierungselement, 5000er Magnesium, 6000er sowohl Magnesium als auch Silizium und 7000er Zink.
Das Suffix gibt an, wie das Material wärmebehandelt wurde. T steht für wärmebehandelt (oder „Tempered“), H für kaltverfestigt (oder „Hardened“). T6 wird wärmebehandelt und anschließend künstlich gealtert, um Eigenspannungen zu minimieren. Dadurch wird das Material bei der Bearbeitung konsistenter und stabiler.

6082 Aluminium ist mit Magnesium und Mangan legiert und bietet eine Streckgrenze von 250 MPa. Es ist sehr korrosionsbeständig und mit geeigneter Ausrüstung schweißbar, somit die ideale Wahl für ermüdungsarme Anwendungen, wie z. B. für Strukturkomponenten in Maschinen, Hydraulikventilgehäuse, Schiffs- und Automobilteile und fast alle Anwendungen, die ein stabiles, leichtes Material erfordern.

7075 Aluminium ist eine stabilere Variante. Es ist härter und fester als 6082 und verfügt über eine Streckgrenze von über 500 MPa, also doppelt so hoch wie bei 6082, ist allerdings auch mit höheren Kosten verbunden. Seine wichtigsten Legierungselemente sind Zink, Magnesium und Kupfer. Die meisten modernen Flugzeuge verwenden 7075 in Bereichen mit Druckbelastung, zum Beispiel in den Flügelholmen. Es verfügt über eine sehr hohe Zähigkeit und Stärke. Der einzige Bereich, in dem 6082 besser abschneidet, ist bei der Korrosionsbeständigkeit sowie bei Teilen, die etwas mehr „Nachgiebigkeit“ erfordern als die aus 7075 bestehenden. Beide Materialien lassen sich leicht bearbeiten, obwohl 7075 ein wenig abrasiv ist.

Kupfer und seine Legierungen, wie Messing, sind sehr vielseitig. Mit Ausnahme von Umgebungen mit hohem Ammoniakgehalt und einigen Säuren sind sie extrem witterungs- und korrosionsbeständig.

Protolabs Europe bietet Messing an, sowohl Cz121 | C360 (Automatenmessing) als auch Cz112 | C464 (Schiffsmessing).
Cz121 | C360 enthält 36 % Zink und 3 % Blei und ist die universellste aller Messinglegierungen. Aber wie bei Zinn bleibt das Blei im Gefüge des Messings unlöslich, trägt jedoch zur Schmierung bei.
Cz112 | C464 eignet sich gut für Anwendungen in der Schifffahrt. Es besteht ebenfalls zu einem Drittel aus Zink, aber ein wichtiger Zusatz von nur 1 % Zinn sorgt für eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit und eine härtere und stärkere Duplexstruktur.
Kupferlegierungen in Form von Bronze und Messing gibt es schon seit langem. Es gibt Dutzende von Sorten mit feinen Unterschieden und unterschiedlichen Verwendungszwecken. Weicheres Messing, das sich für Nieten und Schrauben eignet, Muntz-Metall (auch als gelbes Metall bekannt), das für die Auskleidung von Bootsböden erfunden wurde und heute für die Gestaltung beeindruckender Architektur verwendet wird.

Für die CNC-Bearbeitung ist Messing ein einfach zu verwendender Werkstoff: mit außergewöhnlichen Werkzeugstandzeiten und ziemlich hohen Vorschubraten. Messing ist jedoch auch ein robustes Material, dessen Zugfestigkeit mit der von Baustahl konkurriert.

Auch wenn es das Hauptelement von Messing ist, gibt Kupfer ein vollständig anderes Bild ab. Die Bearbeitbarkeit von reinem Kupfer ist ungefähr fünfmal schlechter. Aufgrund der dehnbaren und zähen Eigenschaften des Kupfers brechen die Späne nicht. Das Material erwärmt sich beim Schneiden aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit sehr schnell.

Kupfer hat nach Silber die zweithöchste elektrische Leitfähigkeit. Diese Eigenschaft macht es zu einem der wichtigsten Metalle, die heute verwendet werden. Drähte aus Kupfer (und zum Teil Aluminium) machen Elektrizität überhaupt erst möglich. Ohne sie würden Lampen nicht leuchten, Autos nicht fahren und es wäre unmöglich, diesen Artikel online zu lesen.

Kupfer ist leicht zu löten, aber schwer zu schweißen. Seine extreme Duktilität macht es gleichzeitig stark und flexibel, was bei Metallen selten vorkommt. Doch Kupfer kann weit mehr als nur den Strom leiten, der zum Beheizen unserer Grills benötigt wird. Es wird in der Fertigung von Halbleitern als Element der Hochtemperatur-Supraleitung, in Glas-Metall-Dichtungen, wie sie für Vakuumröhren benötigt werden, eingesetzt und wurde sogar von der Europäischen Kommission für den Einsatz in Krankenhäusern und öffentlichen Einrichtungen als antimikrobielle Oberfläche zugelassen.

Da elementares Kupfer in der Natur vorkommt, haben die Menschen schon vor Jahrtausenden damit begonnen, es zu Münzen und Besteck zu verarbeiten. Heute gilt es als Bestandteil von mehr als 570 verschiedenen Metalllegierungen. Kupfer kann auch für Elektroden bei der Funkenerosionsbearbeitung (EDM) verwendet werden, einer Technologie, die häufig beim Spritzguss und beim Stanzen von Metall zum Einsatz kommt.

Hartmetalle: Stahl-, chrom-, nickel- und titanhaltige Legierungen wie Werkzeugstähle, rostfreie Stähle, Inconel® und 17-4 PH.

Doch es werden auch harte Metalle benötigt. Stahl wird in fast allem verwendet: in Autos, Schiffen, Brücken. Unabhängig von der Art der Legierung besteht Stahl hauptsächlich aus Eisen. Unsere Fertigungseinrichtung im Vereinigten Königreich befindet sich nahe der Ironbridge, einer im Jahr 1779 gefertigten gusseisernen Bogenbrücke, das als erstes Bauwerk der Welt aus Gusseisen errichtet wurde. Eisenverhüttung gibt es schon lange, aber erst das Bessemer-Verfahren, das Mitte des 18. Jahrhunderts erfunden wurde, ermöglichte die Massenproduktion von hochwertigem Stahl.

Wie bei den weichen Metallen kann eine geringe Menge an Legierungselementen einen dramatischen Effekt auf die Eigenschaften von Stahl haben. Es ist nur ein Bruchteil eines Prozentsatzes an Kohlenstoff, der Eisen in Stahl verwandelt.
Protolabs verarbeitet Baustahl S275JR, der auch 1,6 % Mangan und etwas Silizium enthält.
Karbon EN8 hat einen etwas höheren Kohlenstoffgehalt von 0,4 % und ist damit viel härter.

Es gibt jedoch auch eine Lösung: 1913 wurde der rostfreie Stahl erfunden. Die von Protolabs angebotenen rostfreien Stähle 304 und 316 enthalten mindestens 20 Prozent Chrom und eine beträchtliche Menge Nickel, wodurch sie schwieriger zu bearbeiten sind. Dennoch werden diese beliebten Materialien häufig für medizinische Instrumente, Vakuum- und Druckbehälter sowie für Geräte in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie verwendet. Edelstahl der Serie 300 ist recht zäh, kann aber nicht wie Karbon gehärtet werden. Wenn die Härte eine Voraussetzung für Ihre Anwendung ist, sollten Sie 17-4 PH in Betracht ziehen. Mit 17 % Chrom und 4 % Nickel kann die Legierung durch Ausscheidungshärten (Precipitation Hardened, PH) gehärtet werden.

Dieses vielseitige, aber sehr zähe Material gehört zur Familie der Edelstähle, die Bearbeitbarkeit im geglühten Zustand nähert sich jedoch dem Status einer Superlegierung. Bei der Wärmebehandlung erreicht es leicht eine Härte von 25 Rockwell C (HRC) und in Kombination mit Nitridhärtung 67 HRC. Eine Zugfestigkeit (UTS, Ultimate Tensile Strength) von 1.200 MPa oder mehr, dreimal höher als bei den meisten Stählen. Das Material wird vor allem in der Medizin, der Luft- und Raumfahrt und der Nuklearindustrie verwendet. Es wird überall eingesetzt, wo eine Kombination aus hoher Festigkeit und guter Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist.

Edelstahl wird häufig in der chemischen Industrie, der Textilverarbeitung und in der Schifffahrt verwendet. Viele Edelstähle sind auch hitzebeständig und können Temperaturen von über 900 °C (zeitweise) standhalten. Diese Temperatur reicht aus, um Aluminium, Messing und Kupfer in geschmolzene Pfützen zu verwandeln. Edelstahl 316 eignet sich beispielsweise hervorragend für Wärmetauscher und wird regelmäßig in Dampfturbinen und Abgaskrümmern verwendet.

Wenn Sie auf der Suche nach wirklich stabilen Legierungen sind, liegen Sie mit Kobalt-Chrom und Inconel genau richtig. Protolabs bearbeitet diese Materialien nicht, aber sein 3D-Druckservice verschmilzt sie gerne für Sie per selektivem Lasersintern (Laser Powder Bed Fusion-Verfahren, LPBF oder DMLS) zu festen Objekten. Jedes Material hat seine eigenen Stärken und Eigenschaften.

Inconel enthält über 50 Prozent Nickel, was ihm eine ausgezeichnete Festigkeit bei einer Vielzahl von Temperaturen verleiht. Es wird für extreme Anforderungen wie Gasturbinenschaufeln, Kompressorscheiben von Düsentriebwerken und sogar für Kernreaktoren und Brennkammern von Düsentriebwerken verwendet. Der hohe Nickelgehalt macht Inconel zu einem der am schwierigsten zu bearbeitenden Materialien, das verschleißfestes, beschichtetes Hartmetall und eine stabile Werkzeugmaschine erfordert. Direkt neben Nickel befindet sich im Periodensystem Kobalt, der Hauptbestandteil der Kobalt-Chrom-Legierung. Dieses Material ist für seine hervorragende Verschleißfestigkeit und Biokompatibilität beim Menschen bekannt und eignet sich daher ideal für Zahnimplantate, Hüft- und Knieprothesen sowie arterielle Stents.

Und zu guter Letzt gibt es noch Titan. Dieses leichte Material wird mit Aluminium und Vanadium legiert, wodurch ein starkes, korrosionsbeständiges Material entsteht (die gängigste Variante ist 5 Ti6Al4V). Wie Kobalt-Chrom ist auch Titan biokompatibel und wird in großem Umfang für Knochenschrauben, Stifte und Platten verwendet. Seine Zugfestigkeit ist mehr als doppelt so hoch wie die von Baustahl, wiegt dabei jedoch nur halb so viel. Dies macht Titan insbesondere für die Luft- und Raumfahrtindustrie und die Hersteller von Hochleistungsfahrzeugen interessant.

CNC-Drehmaschinen verwenden ein Spannfutter oder eine Spannzange, um das Werkstück zu spannen und es gegen ein feststehendes Schneidwerkzeug zu drehen. Sie müssen einen Satz Kerzenständer oder ein Anschlussstück für einen Gartenschlauch zuschneiden? Drehbänke erledigen solche Arbeiten und mehr im Handumdrehen. Fräs-Dreh-Maschinen, wie Protolabs sie verwendet, gehen einen Schritt weiter als Drehmaschinen, indem sie rotierende Werkzeuge und sekundäre Spindeln einsetzen, wodurch die früheren Nachbearbeitungsvorgänge entfallen.

3D-Druck mit Metall für komplexe Geometrien

Für Teile, die mit keiner der zuvor beschriebenen Methoden hergestellt werden können, gibt es das additive Fertigungsverfahren des direkten Metall-Lasersinterns (DMLS). DMLS geht einige Schritte weiter, wo andere Fertigungsverfahren nicht weiterkommen. Wie das selektive Lasersintern (SLS) als Gegenstück zur Kunststoffbearbeitung, bei dem ein Laser verwendet wird, um Pulver auf Nylonbasis in fast jede erdenkliche Form zu bringen, erzielt DMLS ähnliche Ergebnisse bei Metallen wie Aluminium, Kobalt-Chrom, Inconel, Edelstahl und Titan.

Wie bei den meisten additiven Verfahren werden auch beim DMLS die Teile wie die Schichten eines Kuchens von unten nach oben aufgebaut. Am Anfang steht ein 3D-CAD-Modell, das je nach Auflösung in etwa 0,02 bis 0,06 mm dicke Schichten zerlegt wird. Ein Laser „zeichnet“ dann jede hauchdünne Scheibe des CAD-Modells auf ein Bett aus Metallpulver, das die Konsistenz von Mehl hat. Beim Durchgang des Lasers werden die Metallpartikel geschmolzen und mit angrenzenden Partikeln verschmolzen. So entsteht ein Metall mit den gleichen mechanischen Eigenschaften wie das Endprodukt aus einem Stahlwerk. Nach Fertigstellung der einzelnen Schichten zieht ein Gummiblatt zusätzliches Material über das zu bearbeitende Teil, worauf der Laser wieder eingreift, um jede Ebene sukzessive mit der Vorgängerebene zu verschmelzen. Nach einige Stunden später ist ein fertiges Teil entstanden.

Mit DMLS sind Toleranzen von +/- 0,1 mm bis +/- 0,2 mm + 0,005 mm/mm sowie Teilemerkmale möglich, die kleiner sind als der Punkt am Ende dieses Satzes. Da es sich um sehr hohe Temperaturen handelt, sind oft kleine Verstrebungen erforderlich, um das Werkstück während des Fertigungsprozesses zu stützen und Verformungen zu verhindern – eine Nachbearbeitung ist notwendig, um diese Stützen zu entfernen. Außerdem ist je nach Material und Auflösung eine Oberflächenrauheit von 0,004 bis 0,010 mm Ra zu erwarten, so dass eine Art sekundärer Polier- oder Bearbeitungsvorgang erforderlich sein kann.

Nachbearbeitungsmethoden für Metall

Nachbearbeitungen sind bei vielen Fertigungsprozessen üblich, insbesondere bei Metallteilen.
Die Wärmebehandlung verbessert die Stärke und beseitigt interne Spannungen, die bei der Verarbeitung des Rohmaterials und bei der starken Zerspanung entstehen.
Karbon-Stähle wie EN8 können durch Nitridhärtung oder Aufkohlung durch- oder einsatzgehärtet werden. EN8 lässt sich auf eine Brinellhärte von 250 (HB) härten, was 25 Rockwell C (HRC) entspricht, oder durch Nitridbeschichtung auf bis zu 67 HRC.
Weiche Metalle wie Aluminium und Magnesium werden nicht auf die gleiche Weise gehärtet, obwohl sie durch Wärmebehandlung spannungsfrei gemacht oder „gealtert“ werden können.

Die Oberflächenbehandlung ist ein weiterer gängiger Nachbearbeitungsprozess. Aluminium wird häufig eloxiert, wodurch es eine kratzfeste Oberfläche in fast jeder Farbe erhält. Für einen elektrisch leitenden Schutz ist Chromat eine gute Option. Für eine wesentlich strapazierfähigere Oberfläche wird eine dickere Schicht aus Aluminiumoxid und eine extrem widerstandsfähige „keramische“ Beschichtung durch Harteloxieren erzeugt.
Kupfer und Messing verfärben sich, wenn sie Sauerstoff ausgesetzt sind. Daher kann eine stromlose Vernickelung oder Verchromung aufgetragen werden, wenn ein Schutz erforderlich ist. Rostfreier Stahl und Superlegierungen benötigen normalerweise keinen Schutz, aber durch Passivierung kann rostfreier Stahl weiter verbessert werden. Karbon-, Weich- und Werkzeugstähle werden in der Regel mit einer schwarzen Oxidschicht versehen oder mit Nickel oder Zink beschichtet. Lackierungen sind ebenfalls beliebt. Es wird jedoch empfohlen, die Oberfläche vor dem Lackieren durch Perlstrahlen oder eine andere Art von Strahlen vorzubereiten, um eine saubere, rostfreie Oberfläche zu erhalten.

Der Bearbeitungsservice von Protolabs bietet Perlstrahlen an, um Grate zu entfernen und den bearbeiteten Oberflächen ein einheitliches Aussehen zu verleihen, ebenso wie beim 3D-Druckservice für DMLS-Teile. Beim Perlstrahlen werden, wie der Name schon sagt, Partikel wie Keramik- oder Glasperlen mit hohem Druck gestrahlt, um scharfe Kanten zu glätten und Grate zu entfernen. Beim Gleitschleifen werden kleine Keramik- oder Kunststoffmedien in einer Trommelschale verwendet, um denselben Effekt zu erzielen. Bei Protolabs können Teile innerhalb der Standardvorlaufzeiten perlgestrahlt werden. In den meisten Fällen können die Kunden ihre Teile direkt im Anschluss außerhalb von Protolabs beschichten, lackieren oder eloxieren lassen oder sich an unseren Partner HUBS wenden, der eine größere Auswahl an Oberflächenbehandlungen anbietet.

Gleichgewicht zwischen Materialien und Prozessen bei Protolabs

Protolabs bietet Ihnen eine Vielzahl von Metallen an. Wenn Sie diese Metalle mit den verschiedenen Bearbeitungsprozessen kombinieren, sind Ihren zeichnerischen Entwürfen und Ideen kaum noch Grenzen gesetzt! Mit der additiven Fertigung von Metall kann anschließend fast jedes CAD-Modell möglich gemacht und zur physischen Realität werden.

Wir möchten uns nicht zu weit aus dem Fenster lehnen und auf das „Kleingedruckte“ hinweisen. Für Teile, die im 3D-Druck- und Bearbeitungsprozess von Protolabs hergestellt werden, gelten Beschränkungen hinsichtlich der Mindest- und Maximalgröße. Da die Teilehüllen bei Protolabs ständig erweitert werden, sehen Sie sich bitte die Designrichtlinien an, die für jeden Prozess online unter protolabs.com/de-de/ aufgeführt sind.

Bei bearbeiteten Teilen sind Wandstärken von weniger als 0,5 mm ebenfalls nicht empfehlenswert, und die Werkzeugtiefe sollte nicht mehr als 50 mm auf einer Seite betragen. Typisch sind Teiletoleranzen von ±0,1 mm. Derzeit kommen bei Protolabs Kobalt-Chrom und Inconel nicht als Materialien für die Fertigung zum Einsatz.

Beim direkten Metall-Lasersintern (DMLS) werden Teile aus vielen der bereits erwähnten Materialien hergestellt. Hinzu kommen Kobalt-Chrom und Inconel. Die DMLS-Fähigkeiten von Protolabs umfassen drei Ebenen der Präzision: normale, hohe und feine Auflösungen. Mit jeder Auflösung können sehr dünne Schichtdicken und minimale Strukturgrößen erzielt werden. Diese Funktionen werden ebenfalls regelmäßig erweitert. Mehr dazu finden Sie online unter protolabs.de. Mit DMLS gefertigte Teile erfordern in der Regel zusätzliche Prozesse zur Verbesserung der Oberflächenqualität sowie Schleifen oder maschinelle Bearbeitung, um die während des Fertigungsprozesses entstandenen Teilehalterungen zu entfernen.

Natürlich kann es sein, dass einige Teile nach der Bearbeitung durch Protolabs zusätzlich bearbeitet werden müssen. Eine schnelle Abwicklung und wettbewerbsfähige Preise sind der Grund dafür, dass Protolabs keine Universallösung parat hat. Viereckige Innenecken können erodiert werden, Löcher mit engen Toleranzen müssen eventuell gebohrt werden, Außendurchmesser und Oberflächen können geschliffen oder geläppt werden. Trotz dieser Einschränkungen produziert Protolabs Einzelstücke und Kleinserien aus Metall schneller als jeder andere Hersteller – und das mit einer großen Auswahl an Materialien, die den meisten Anforderungen unserer Kunden entsprechen.

Bei Protolabs können Dutzende von Kunststoffen bearbeitet werden, ebenso wie Hunderte von formbaren Thermoplasten und Silikonen. Unabhängig von Ihrem Projekt bieten wir Materialien, eine Reihe von Fertigungsdienstleistungen – 3D-Druck, CNC-Bearbeitung und Spritzguss – und Preise, die auf Ihre Bedürfnisse bei der Teilefertigung zugeschnitten sind.