Wellengehäuse für Elektromotoren durch 3D-Metalldruck

Einführung - EV-Motorwellengehäuse: Das Herzstück der Elektromobilität

Die Automobilindustrie befindet sich in einem seismischen Wandel, der durch das unerbittliche Streben nach Elektrifizierung vorangetrieben wird. Elektrofahrzeuge (EVs) entwickeln sich schnell von einem Nischenprodukt zu einem Massenverkehrsmittel und verändern nicht nur die Art und Weise, wie wir Auto fahren, sondern auch, wie Fahrzeuge entworfen, konstruiert und hergestellt werden. Das Herzstück dieser Revolution ist der elektrische Antriebsstrang, ein komplexes System, bei dem jede Komponente eine entscheidende Rolle spielt, um Effizienz, Leistung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Zu diesen entscheidenden Elementen gehört die EV-Motor-Wellengehäuseeine Komponente, die oft übersehen wird, aber für die Funktion und Langlebigkeit des Elektromotors von grundlegender Bedeutung ist.  

Ein EV-Motorwellengehäuse dient als Schutzgehäuse und strukturelle Unterstützung für die rotierende Motorwelle und die zugehörigen Lager. Es gewährleistet eine präzise Ausrichtung, schützt empfindliche interne Komponenten vor Umwelteinflüssen (wie Schmutz, Feuchtigkeit und Verunreinigungen), unterstützt das Wärmemanagement, indem es die während des Betriebs entstehende Wärme ableitet, und bietet Befestigungspunkte für die Integration des Motors in das größere Fahrzeugchassis und die Antriebsstrangbaugruppe. Mit den Fortschritten in der EV-Technologie, die eine höhere Leistungsdichte, einen höheren Wirkungsgrad und kompaktere Konstruktionen erfordert, werden die Anforderungen an Komponenten wie das Motorwellengehäuse immer strenger. Sie müssen leicht sein, um die Reichweite des Fahrzeugs zu maximieren, stabil genug, um Betriebsbelastungen und Vibrationen standzuhalten, langlebig für eine lange Lebensdauer und präzise gefertigt, um enge Toleranzen einzuhalten, die für eine optimale Motorleistung entscheidend sind.

Traditionell wurden diese Gehäuse mit Methoden wie Gießen (Druckguss, Sandguss) oder umfangreicher CNC-Bearbeitung aus Knüppelmaterial hergestellt. Diese konventionellen Verfahren sind zwar effektiv, stoßen aber oft an ihre Grenzen, insbesondere wenn es um die komplexen Geometrien, die Möglichkeiten des Leichtbaus und die schnellen Entwicklungszyklen geht, die für die moderne EV-Landschaft charakteristisch sind. Dies ist der Punkt Additive Fertigung von Metall (AM)gemeinhin als Metall bekannt 3D-Druck, entwickelt sich zu einer transformativen Technologie. Metall-AM bietet eine nie dagewesene Designfreiheit und ermöglicht die Schaffung hoch optimierter, komplexer und leichter Strukturen, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer oder gar nicht hergestellt werden können. Sie erleichtert das Rapid Prototyping und die Iteration, was die Entwicklungszeiten erheblich beschleunigt, und ermöglicht die Konsolidierung von Teilen, was die Komplexität der Montage und das Gesamtgewicht des Systems verringern kann. Für Komponenten wie z. B. Motorwellengehäuse für Elektrofahrzeuge bietet der 3D-Metalldruck ein überzeugendes Wertversprechen, das es den Herstellern ermöglicht, die Grenzen von Leistung, Effizienz und Innovation in der Elektromobilität zu erweitern. Unternehmen, die bei dieser Technologie führend sind, wie Met3dpbieten die fortschrittliche Ausrüstung und die Hochleistungsmaterialien, die benötigt werden, um das volle Potenzial von AM in anspruchsvollen Automobilanwendungen auszuschöpfen. Diese Untersuchung befasst sich mit den Feinheiten des 3D-Metalldrucks für EV-Motorwellengehäuse und untersucht die Anwendungen, Vorteile, Materialien und Überlegungen, die mit der Einführung dieses innovativen Fertigungsansatzes verbunden sind.  

Anwendungen und Funktionen: Wo werden EV-Motorwellengehäuse eingesetzt?

Das Wellengehäuse des Elektromotors ist weit mehr als nur eine einfache Abdeckung; es ist eine multifunktionale Komponente, die für die Leistung, Zuverlässigkeit und Integration des Elektromotors in den Antriebsstrang des Fahrzeugs entscheidend ist. Sein Design und seine Ausführung wirken sich direkt auf die Motoreffizienz, Geräuschentwicklung, Vibration, Härte (NVH), thermische Stabilität und allgemeine Haltbarkeit aus. Das Verständnis seiner vielfältigen Funktionen verdeutlicht, warum die Optimierung des Design- und Fertigungsprozesses für EV-Hersteller so wichtig ist.  

Wichtige Funktionen und Anwendungen:

1. Strukturelle Unterstützung und Ausrichtung:
   • Lagerhalterung: Das Gehäuse bietet präzise Montageplätze für die Lager, die die Motorwelle tragen. Eine genaue Ausrichtung ist entscheidend, um Reibung, Verschleiß und Vibrationen zu minimieren, eine reibungslose Rotation zu gewährleisten und die Lebensdauer des Motors zu maximieren. Eine Fehlausrichtung kann zu einem vorzeitigen Ausfall der Lager und einem geringeren Wirkungsgrad des Motors führen.  
   • Befestigung der Komponenten: Sie dient als starre Struktur für die Montage anderer Motorkomponenten wie Sensoren (Positionssensoren, Temperatursensoren), Encoder und manchmal Teile des Kühlsystems.
   • Integration des Antriebsstrangs: Das Gehäuse verfügt über Befestigungspunkte (Flansche, Vorsprünge, Schraubenlöcher) zur sicheren Befestigung der Motorbaugruppe am Getriebe, Differential oder Hilfsrahmen des Fahrzeugs. Es muss den statischen und dynamischen Belastungen standhalten, die mit dem Betrieb des Fahrzeugs verbunden sind, einschließlich Drehmomentreaktion, Beschleunigung, Bremsen und straßeninduzierten Vibrationen.
2. Schutz und Versiegelung:
   • Umweltabschirmung: Das Gehäuse bildet eine Barriere, die die empfindlichen Innenteile des Motors (Rotor, Statorwicklungen, Lager, Welle) vor Umwelteinflüssen wie Staub, Schmutz, Spritzwasser, Feuchtigkeit und Straßenschmutz schützt. Dieser Schutz ist wichtig, um Korrosion, elektrische Kurzschlüsse und mechanische Schäden zu verhindern.  
   • Eindämmung: Sie enthält die für die Funktion des Lagers erforderlichen Schmiermittel und verhindert Leckagen, die zu einem Ausfall der Komponenten und zu Verunreinigungen der Umwelt führen könnten. Eine wirksame Abdichtung (oft mit Dichtungen oder Dichtungsmitteln in Verbindung mit präzise bearbeiteten Passflächen) ist von größter Bedeutung.
3. Wärmemanagement:
   • Wärmeableitung: Elektromotoren erzeugen während des Betriebs erhebliche Wärme, insbesondere bei hoher Belastung. Das Gehäuse spielt eine Rolle bei der Ableitung der Wärme vom Motorkern (Stator und Wicklungen) und den Lagern an die Umgebung oder ein spezielles Kühlsystem (Flüssigkeit oder Luft). Die Wärmeleitfähigkeit des Materials und die Oberfläche des Gehäuses sind wichtige Faktoren.  
   • Integration mit Kühlsystemen: Moderne Gehäusedesigns, die oft durch AM ermöglicht werden, können integrierte Kühlkanäle für Flüssigkeitskühlsysteme oder optimierte Rippenstrukturen für eine verbesserte Luftkühlung enthalten. Dies ermöglicht ein effektiveres Wärmemanagement und damit eine höhere Leistungsdichte und dauerhafte Leistung ohne Überhitzung.  
4. Geräusch-, Vibrations- und Härtereduzierung (NVH):
   • Steifigkeit und Dämpfung: Die strukturelle Steifigkeit des Gehäuses beeinflusst die NVH-Eigenschaften des Motors. Ein steifes Gehäuse trägt dazu bei, die von den elektromagnetischen Kräften und den rotierenden Komponenten des Motors ausgehenden Vibrationen zu minimieren. Die Materialauswahl und die Geometrie können ebenfalls zur Dämpfung von Vibrationen beitragen, was zu einem ruhigeren und sanfteren Fahrgefühl führt - ein wichtiges Verkaufsargument für Elektrofahrzeuge.
   • Schallschutzhaube: Bis zu einem gewissen Grad wirkt das Gehäuse wie eine Schallmauer und hilft, den von Motor und Getriebe erzeugten Lärm zu dämpfen.

Industriekontext:

Das EV-Motorwellengehäuse findet seine Anwendung im gesamten Spektrum der Elektrofahrzeuge, einschließlich:

• Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs): Von kompakten Stadtautos über Luxuslimousinen bis hin zu Hochleistungssportwagen.
• Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs): Gehäuseteile für den Elektromotor des Hybridantriebsstrangs.  
• Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs): Ähnliche Anwendungen in hybriden Systemen.
• Elektrische Nutzfahrzeuge: Dazu gehören Transporter, Lkw und Busse, bei denen Langlebigkeit und Zuverlässigkeit an erster Stelle stehen.
• Elektrische Zweiräder und andere Mobilitätshilfen: Auch wenn sie oft einfacher sind, gelten die gleichen Grundprinzipien.

Mit der Weiterentwicklung der Fahrzeugarchitekturen (z. B. In-Rad-Motoren, integrierte E-Achsen) werden das Design und die Integration von Motorgehäusen noch komplexer und kritischer, was die Designflexibilität der additiven Fertigung weiter begünstigt. Der Bedarf an maßgeschneiderten Lösungen für spezifische Fahrzeugplattformen, Leistungsziele und Verpackungsbeschränkungen macht AM zu einer zunehmend attraktiven Option für die Herstellung dieser wichtigen Komponenten.

Warum sollten Sie sich für den 3D-Metalldruck von EV-Motorwellengehäusen entscheiden?

Traditionelle Fertigungsverfahren wie Gießen und Zerspanen haben sich in der Automobilindustrie seit Jahrzehnten bewährt. Die besonderen Anforderungen bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen zwingen die Ingenieure jedoch dazu, fortschrittlichere Produktionsverfahren zu erforschen. Die additive Fertigung von Metallen bietet eine Reihe von überzeugenden Vorteilen, die speziell auf die Herausforderungen und Möglichkeiten von Motorwellengehäusen für Elektrofahrzeuge zugeschnitten sind. Ein Vergleich von AM mit konventionellen Methoden zeigt, warum es schnell an Zugkraft gewinnt:

Metall-AM vs. traditionelle Fertigung für EV-Motorwellengehäuse:

Merkmal	Additive Fertigung von Metallen (z. B. LPBF, EBM)	Traditionelles Gießen (z. B. Druckguss)	Traditionelle Bearbeitung (aus Knüppel)
Entwurfskomplexität	Sehr hoch: Ermöglicht komplizierte interne Merkmale (Kühlkanäle, Gitterstrukturen), organische Formen, Topologieoptimierung.	Mäßig: Begrenzt durch Entformungswinkel, Kerne und Wanddickenbeschränkungen. Interne Kanäle komplex/kostenintensiv.	Mäßig bis hoch: Abhängig von den Achsen der Maschine und dem Zugang zu den Werkzeugen. Tiefe Taschen oder komplexe innere Merkmale schwierig/kostenintensiv.
Gewichtsreduzierung	Ausgezeichnet: Topologieoptimierung und Gitterstrukturen ermöglichen eine erhebliche Gewichtsreduzierung bei gleichbleibender Steifigkeit. Material wird nur dort platziert, wo es benötigt wird.	Gut: Möglich durch die Wahl des Materials (z. B. Aluminium) und der Grundverrippung, aber begrenzt durch Prozessbeschränkungen.	Schön: Gewichtsreduzierung hauptsächlich durch Materialentfernung, weniger effizient als Topologieoptimierung. Erheblicher Materialabfall.
Teil Konsolidierung	Hohes Potenzial: Mehrere Komponenten (z. B. Halterungen, Befestigungen, Kanalabdeckungen) können in ein einziges gedrucktes Teil integriert werden, wodurch Montagezeit, Verbindungsstellen und potenzielle Leckagepfade reduziert werden.	Begrenzt: Bis zu einem gewissen Grad möglich, aber durch die Komplexität der Formen eingeschränkt.	Sehr begrenzt: Erzeugt im Allgemeinen einzelne, monolithische Teile. Die Konsolidierung erfordert separate Fügeverfahren.
Geschwindigkeit (Prototyping)	Sehr schnell: Ideal für schnelle Iterationen und funktionale Prototypen. Schnelle Umsetzung von Designänderungen ohne Werkzeug.	Langsam: Erfordert eine erhebliche Vorlaufzeit für den Entwurf und die Herstellung der Form. Änderungen sind kostspielig und zeitaufwendig.	Mäßig bis schnell: Schneller als Gießen für einfache Prototypen, aber komplexe Teile erfordern umfangreiche Programmierung und Einrichtung.
Geschwindigkeit (Produktion)	Mäßig: Skalierung erfordert mehrere Maschinen. Am besten geeignet für geringe bis mittlere Stückzahlen oder hochkomplexe Teile. Verbessert sich schnell.	Sehr schnell: Hervorragend geeignet für die Produktion hoher Stückzahlen, sobald die Werkzeuge eingerichtet sind. Niedrige Kosten pro Teil im Maßstab.	Langsam bis mäßig: Abhängig von der Komplexität und dem Volumen. Kann bei hohen Stückzahlen aufgrund von Maschinenzeit und Materialabfall kostspielig sein.
Werkzeugkosten	Keine: Die direkte digitale Fertigung macht Formen, Gesenke oder spezielle Vorrichtungen überflüssig.	Sehr hoch: Erhebliche Vorabinvestitionen in Werkzeuge. Wirtschaftlich nur bei großen Produktionsserien.	Gering bis mäßig: Erfordert Standard-Schneidwerkzeuge und -Vorrichtungen, aber keine teilespezifischen harten Werkzeuge wie Gussformen.
Materialabfälle	Niedrig: Verwendet Pulvermaterial hauptsächlich dort, wo es benötigt wird. Ungeschmolzenes Pulver wird in der Regel innerhalb des Prozesses recycelt.	Mäßig: Kufen, Tore und Blenden erzeugen Abfall, der jedoch häufig wiederverwertet werden kann.	Hoch: Beim subtraktiven Verfahren fallen naturgemäß erhebliche Späne an, insbesondere bei komplexen Geometrien, die von großen Knüppeln ausgehen.
Material-Optionen	Wuchsbereich: Verschiedene Legierungen (Al, Ti, Stahl, Ni-Basis) verfügbar, einschließlich kundenspezifischer Legierungen. Met3dp bietet eine breite Palette an.	Etablierter Bereich: Vor allem Al-, Mg-, Zn-Legierungen für Druckguss; Fe, Stahl, Al für Sandguss.	Größte Reichweite: Es kann praktisch jedes bearbeitbare Stangen-/Blockmaterial aus Metall verwendet werden.
Interne Merkmale	Ausgezeichnet: Komplexe interne Kühlkanäle, Passagen und leichte Strukturen lassen sich leicht erstellen.	Schwierig/Kostspielig: Erfordert komplexe Kerne, Einsätze oder Nachbearbeitungen.	Sehr schwierig/unmöglich: Begrenzter Zugang für Schneidwerkzeuge schränkt die komplexe Innengeometrie ein.

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Wichtigste Vorteile zusammengefasst:

• Unerreichte Designfreiheit: Ingenieure können die optimal gehäuse auf der Grundlage von Leistungsanforderungen (strukturell, thermisch, NVH) und nicht aufgrund von Fertigungsbeschränkungen. Dies ermöglicht:
  • Topologie-Optimierung: Algorithmen bestimmen die effizienteste Materialverteilung, um die Lastanforderungen zu erfüllen und das Gewicht drastisch zu reduzieren.
  • Integrierte Funktionen: Kühlkanäle, Sensorhalterungen, Flüssigkeitskanäle und komplexe Oberflächen können direkt in das Bauteil integriert werden.
  • Organische Formen: Glatte, komplexe Krümmungen, die für die Strömung (Kühlmittel oder Luft) oder die Spannungsverteilung optimiert sind.
• Rapid Prototyping und Iteration: Neue Entwürfe oder Änderungen können innerhalb von Tagen gedruckt und getestet werden, im Vergleich zu Wochen oder Monaten für Werkzeugänderungen beim Gießen. Dies beschleunigt den EV-Entwicklungszyklus erheblich.
• Gewichtsreduzierung: Entscheidend für die Verlängerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen. AM ermöglicht Gehäusedesigns, die 30-50 % leichter sind als konventionell hergestellte Pendants, während Steifigkeit und Leistung erhalten bleiben oder sogar erhöht werden.
• Teil Konsolidierung: Die Reduzierung der Anzahl der Komponenten in der Motorbaugruppe vereinfacht die Logistik, verringert die Montagezeit und -kosten, eliminiert potenzielle Fehlerquellen (wie Dichtungen oder Befestigungselemente) und kann das Gewicht weiter reduzieren.  
• On-Demand & Maßgeschneiderte Produktion: Ermöglicht die Produktion von Kleinserien, kundenspezifischen Versionen für verschiedene Fahrzeugmodelle oder Ersatzteilen, ohne dass große Lagerbestände oder kostspielige Werkzeuge erforderlich sind.
• Verbessertes Wärmemanagement: Die Fähigkeit, komplexe, konforme Kühlkanäle direkt in die Gehäusewände zu integrieren, ermöglicht eine hocheffiziente Wärmeableitung, die für die Aufrechterhaltung optimaler Betriebstemperaturen in Motoren mit hoher Leistungsdichte entscheidend ist.

Während Metall-AM bei sehr hohen Stückzahlen im Vergleich zu etablierten Gussverfahren höhere Kosten pro Teil haben kann heutedie Gesamtvorteile - insbesondere in Bezug auf Leistungssteigerung, Entwicklungsgeschwindigkeit und Designoptimierung - machen es zu einer zunehmend strategischen Wahl für kritische EV-Komponenten wie Motorwellengehäuse, insbesondere in der Entwicklungsphase, bei kleinen bis mittleren Produktionsmengen und bei Hochleistungsanwendungen. Zugang zu fortschrittlichen Metall-3D-Drucklösungen ermöglicht es den Herstellern, schneller Innovationen zu entwickeln und überlegene EV-Antriebsstränge zu schaffen.

Das Material ist entscheidend: Die Auswahl des richtigen Metallpulvers (AlSi10Mg & 17-4PH)

Die Leistung, Haltbarkeit und Kosteneffizienz eines 3D-gedruckten Motorwellengehäuses für Elektrofahrzeuge hängen stark von der Wahl des Materials ab. Die Auswahl des geeigneten Metallpulvers ist entscheidend, um die anspruchsvollen Anforderungen von Automobilanwendungen zu erfüllen. Zwei allgemein empfohlene Materialien für diese Anwendung, die jeweils eine Reihe von Eigenschaften aufweisen, sind AlSi10Mg (eine Aluminiumlegierung) und 17-4PH (ein ausscheidungshärtender rostfreier Stahl). Führende Anbieter wie Met3dp bieten hochwertige Versionen dieser Pulver an, die speziell für additive Fertigungsverfahren optimiert sind.  

1. AlSi10Mg (Aluminium-Silizium-Magnesium-Legierung)  

AlSi10Mg ist eine der am häufigsten verwendeten Aluminiumlegierungen in der additiven Fertigung von Metallen, insbesondere beim Laser Powder Bed Fusion (LPBF/SLM). Es handelt sich im Wesentlichen um eine für AM angepasste Gusslegierungszusammensetzung, die für ihre hervorragende Ausgewogenheit der mechanischen Eigenschaften, ihre geringe Dichte und ihre gute Verarbeitbarkeit bekannt ist.  

• Wichtige Eigenschaften & Vorteile für EV-Motorgehäuse:
  • Geringe Dichte: Aluminiumlegierungen sind wesentlich leichter als Stähle (ca. 2,68 g/cm³ für AlSi10Mg gegenüber ~7,8 g/cm³ für 17-4PH). Dies schlägt sich direkt nieder in Gewichtseinsparungen für das Gehäuse, was zu einer größeren Reichweite und Effizienz des Fahrzeugs beiträgt - ein vorrangiges Ziel bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen.
  • Gute Wärmeleitfähigkeit: Aluminiumlegierungen bieten im Allgemeinen eine gute Wärmeleitfähigkeit (ca. 130-150 W/m-K nach Spannungsabbau für AM AlSi10Mg), was für die Ableitung der vom Motor erzeugten Wärme von Vorteil ist. Dies unterstützt das Wärmemanagement und vereinfacht möglicherweise die Anforderungen an das Kühlsystem.
  • Ausgezeichnete Verarbeitbarkeit: AlSi10Mg ist gut bekannt und relativ einfach mit LPBF-Systemen zu bearbeiten. Es ermöglicht feine Details, dünne Wände und komplexe Geometrien. Es führt im Allgemeinen zu Teilen mit guter Oberflächengüte (as-built) im Vergleich zu einigen anderen Metallen.
  • Gutes Verhältnis von Stärke zu Gewicht: AlSi10Mg ist zwar nicht so fest wie Stahl, bietet aber ein sehr günstiges Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht, so dass es nach einer geeigneten Wärmebehandlung (z. B. T6) für viele Gehäuseanwendungen ausreichend mechanisch stabil ist.
  • Korrosionsbeständigkeit: Bietet eine angemessene Korrosionsbeständigkeit für typische Umgebungen unter der Motorhaube oder im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen, obwohl Beschichtungen für einen verbesserten Schutz unter rauen Bedingungen in Betracht gezogen werden können.
  • Kosten-Nutzen-Verhältnis: Aluminiumpulver ist im Allgemeinen kostengünstiger als spezielle Edelstähle oder Titanlegierungen.
• Erwägungen:
  • Geringere absolute Festigkeit und Steifigkeit im Vergleich zu Stahl. Die Konstruktion kann dickere Abschnitte oder Verstärkungsmerkmale (Rippen, optimierte Topologie) erfordern, um die gleiche Steifigkeit wie bei einem Stahlteil zu erreichen.
  • Niedrigere Betriebstemperaturgrenzen als bei Stahl. Ohne sorgfältiges Wärmemanagement möglicherweise nicht für extrem hochtemperaturbeständige Motorkonstruktionen geeignet.
  • Erfordert eine geeignete Nachbearbeitung (Spannungsarmglühen und in der Regel eine T6-Wärmebehandlung), um optimale mechanische Eigenschaften und Maßhaltigkeit zu erreichen.

2. 17-4PH Edelstahl (Ausscheidungshärtender martensitischer Edelstahl)  

17-4PH (AISI 630) ist ein vielseitiger rostfreier Chrom-Nickel-Kupfer-Stahl, der für seine hervorragende Kombination aus hoher Festigkeit, guter Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit bekannt ist. Es kann durch eine einzige Wärmebehandlung bei niedriger Temperatur (Ausscheidungshärtung oder Alterung) auf hohe Werte gehärtet werden.  

• Wichtige Eigenschaften & Vorteile für EV-Motorgehäuse:
  • Hohe Festigkeit und Härte: Erheblich fester und härter als Aluminiumlegierungen, insbesondere nach einer Wärmebehandlung (z. B. Zustand H900). Dies ermöglicht dünnere Wandabschnitte unter Beibehaltung der strukturellen Integrität und bietet eine hervorragende Verschleißfestigkeit für Lagersitze oder Befestigungsschnittstellen.
  • Gute Korrosionsbeständigkeit: Bietet im Vergleich zu AlSi10Mg eine bessere Korrosionsbeständigkeit und eignet sich daher für anspruchsvollere Umgebungen oder für Anwendungen, bei denen die Einwirkung korrosiver Flüssigkeiten ein Problem darstellt.
  • Höhere Betriebstemperaturen: Behält im Vergleich zu Aluminium gute mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen und bietet einen größeren Spielraum für das Wärmemanagement.
  • Gute Zähigkeit: Zeigt eine gute Bruchfestigkeit, wichtig für Bauteile, die Stoßbelastungen oder Vibrationen ausgesetzt sind.
  • Schweißeignung: Kann bei Bedarf geschweißt werden, ist aber bei AM-Teilen weniger üblich.
• Erwägungen:
  • Höhere Dichte: Erheblich schwerer als Aluminium (fast dreimal dichter). Die Verwendung von 17-4PH führt zu einem schwereren Gehäuse, es sei denn, es wird eine aggressive Topologie-Optimierung angewandt, die möglicherweise einige der Leichtbauvorteile von AM wieder aufhebt.
  • Geringere Wärmeleitfähigkeit: Hat im Vergleich zu Aluminium eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit (etwa 16-18 W/m-K). Das bedeutet, dass die Wärmeableitung durch das Gehäuse selbst weniger effektiv ist und möglicherweise ausgefeiltere integrierte Kühlkanäle oder externe Kühllösungen erforderlich sind.
  • Herausforderungen bei der Verarbeitung: Die Verarbeitung mittels LPBF kann schwieriger sein als bei AlSi10Mg und erfordert möglicherweise eine sorgfältigere Parameteroptimierung, um Eigenspannungen zu kontrollieren und eine optimale Dichte zu erreichen. Stützstrukturen können schwieriger zu entfernen sein.
  • Höhere Materialkosten: 17-4PH-Pulver ist in der Regel teurer als AlSi10Mg-Pulver.

Die Wahl zwischen AlSi10Mg und 17-4PH:

Die optimale Wahl hängt stark von den spezifischen Anforderungen des Elektromotors und der Fahrzeugplattform ab:

• Wählen Sie AlSi10Mg wenn:
  • Die Gewichtsreduzierung ist das oberste Gebot.
  • Die Betriebstemperaturen sind moderat.
  • Für die passive Wärmeableitung ist eine gute Wärmeleitfähigkeit erforderlich.  
  • Die Kosten sind ein wichtiger Faktor.
  • Eine ausreichende strukturelle Leistung kann durch Optimierung des Designs erreicht werden.
• Wählen Sie 17-4PH wenn:
  • Gefordert sind maximale Festigkeit, Steifigkeit und Haltbarkeit.
  • Das Gehäuse ist hohen mechanischen Belastungen oder Verschleiß an Schnittstellen ausgesetzt.
  • Die Betriebstemperaturen sind erhöht.
  • Hervorragende Korrosionsbeständigkeit ist erforderlich.
  • Das Gewicht ist zweitrangig, oder durch Topologieoptimierung kann trotz der höheren Dichte eine erhebliche Gewichtsreduzierung erreicht werden.
  • Die geringere Wärmeleitfähigkeit kann durch eine integrierte Kühlung kompensiert werden.

Die Bedeutung der Puderqualität:

Unabhängig von der gewählten Legierung ist die Qualität des Metallpulvers ausschlaggebend für eine erfolgreiche additive Fertigung. Faktoren wie:

• Partikelgrößenverteilung (PSD): Beeinflusst die Dichte des Pulverbettes, die Fließfähigkeit und die Auflösung des fertigen Teils.  
• Sphärizität: Hochkugelförmige Pulver fließen besser und sind dichter gepackt, was zu einer höheren Druckqualität mit weniger Hohlräumen führt.  
• Chemische Zusammensetzung: Muss sich streng an die Spezifikationen halten, um vorhersehbare Materialeigenschaften zu gewährleisten.
• Niedrige Verunreinigungswerte (z. B. Sauerstoff, Stickstoff): Verunreinigungen können die mechanischen Eigenschaften und die Schweißbarkeit beeinträchtigen.
• Fließfähigkeit: Entscheidend für die gleichmäßige Verteilung des Puders während des Druckvorgangs.  

Unternehmen wie Met3dp sind auf die Herstellung von hochwertigen Metallpulvern spezialisiert, die für AM-Verfahren wie LPBF und Electron Beam Melting (EBM) maßgeschneidert sind. Ihr Einsatz von fortgeschrittenen Techniken wie Vakuum-Induktions-Schmelzgaszerstäubung (VIGA) und Plasma-Rotations-Elektroden-Verfahren (PREP) gewährleistet die Herstellung von Pulvern wie AlSi10Mg und 17-4PH mit hoher Sphärizität, kontrolliertem PSD, geringem Verunreinigungsgehalt und ausgezeichneter Fließfähigkeit. Die Verwendung von Pulvern von einem renommierten Anbieter wie Met3dp bietet Vertrauen in die Materialkonsistenz und -leistung, was bei anspruchsvollen Anwendungen wie EV-Motorwellengehäusen, bei denen Zuverlässigkeit und Qualität nicht verhandelbar sind, entscheidend ist. Das Fachwissen von Met3dp stellt sicher, dass das Ausgangsmaterial die strengen Standards erfüllt, die für die Herstellung von Automobilkomponenten erforderlich sind.  

Design for Additive Manufacturing (DfAM) für optimale EV-Motorwellengehäuse

Die einfache Nachbildung eines Designs, das für den Guss oder die maschinelle Bearbeitung vorgesehen ist, mit Hilfe des 3D-Metalldrucks scheitert oft an der Nutzung des wahren Potenzials dieser Technologie und kann sogar neue Herausforderungen mit sich bringen. Um die Vorteile der additiven Fertigung für Komponenten wie EV-Motorwellengehäuse voll auszuschöpfen, müssen Ingenieure die folgenden Aspekte berücksichtigen Design für additive Fertigung (DfAM) grundsätze. DfAM ist eine Design-Philosophie, die die Möglichkeiten und Einschränkungen des AM-Prozesses von Anfang an berücksichtigt und die Erstellung von Teilen ermöglicht, die nicht nur herstellbar, sondern auch hinsichtlich Leistung, Gewicht und Funktion optimiert sind. Die Anwendung von DfAM auf EV-Motorwellengehäuse kann zu erheblichen Verbesserungen führen.

Die wichtigsten DfAM-Prinzipien für EV-Motorwellengehäuse:

1. Topologie-Optimierung:
   • Konzept: Mithilfe spezieller Softwarealgorithmen wird bei der Topologieoptimierung mathematisch die effizienteste Materialverteilung innerhalb eines definierten Konstruktionsraums ermittelt, wobei bestimmte Lastfälle, Einschränkungen (z. B. Montagepunkte, Sperrzonen) und Leistungsziele (z. B. Minimierung des Gewichts, Maximierung der Steifigkeit) berücksichtigt werden.
   • Anwendung: Für ein Motorgehäuse bedeutet dies, dass Material aus wenig beanspruchten Bereichen entfernt und gleichzeitig kritische Belastungspfade verstärkt werden. Das Ergebnis sind oft organische, knochenähnliche Strukturen, die deutlich leichter sind (oft 30-60 % Gewichtsreduzierung) als herkömmliche Konstruktionen, aber eine gleichwertige oder höhere Steifigkeit und Festigkeit aufweisen. Dies ist für die Verbesserung der Reichweite von Elektrofahrzeugen von entscheidender Bedeutung.
   • Erwägungen: Optimierte Entwürfe können komplex sein und erfordern möglicherweise eine Validierung durch Simulation (FEA). Die fertigungstechnischen Einschränkungen des gewählten AM-Verfahrens (z. B. Mindestgröße der Merkmale, Überhangwinkel) müssen in die Optimierung einbezogen werden.
2. Gitterstrukturen und Ausfachungen:
   • Konzept: Das Ersetzen von festen Volumina durch innere Gitterstrukturen (z. B. Kreisel, Waben, stochastische Schäume) kann das Gewicht und den Materialverbrauch weiter verringern und gleichzeitig eine erhebliche strukturelle Unterstützung bieten oder andere funktionelle Vorteile wie Schwingungsdämpfung oder eine größere Oberfläche für den Wärmeaustausch bieten.
   • Anwendung: Interne Gitter können selektiv in dickeren Abschnitten der Gehäusewände eingesetzt werden, um die Masse zu reduzieren, ohne die Gesamtsteifigkeit zu beeinträchtigen. Sie können auch dazu dienen, Aufprallenergie zu absorbieren oder Vibrationen zu dämpfen und so die NVH-Leistung zu verbessern.
   • Erwägungen: Die Konstruktion von Gittern erfordert eine sorgfältige Analyse, um die strukturelle Integrität zu gewährleisten. Die Entfernung des Pulvers aus komplexen inneren Gittern kann eine Herausforderung darstellen und muss geplant werden (z. B. durch die Planung ausreichender Abfluss-/Zugangslöcher).
3. Konsolidierung der Teile:
   • Konzept: Durch den Einsatz von AM’s Fähigkeit, komplexe Geometrien zu erstellen, können mehrere Komponenten, die traditionell separat hergestellt und dann zusammengebaut würden (z. B. Gehäusekörper, Montagehalterungen, Sensorhalterungen, Kühlkanalabdeckungen), in ein einziges, monolithisch gedrucktes Teil integriert werden.
   • Anwendung: Durch die Integration der Halterungen direkt in das Gehäuse entfallen Befestigungselemente, Dichtungen und Montageschritte. Die Komponenten des Kühlkreislaufs können in das Hauptgehäuse integriert werden.
   • Vorteile: Reduziert die Anzahl der Teile, vereinfacht die Lieferkette und die Montage, senkt die Arbeitskosten bei der Montage, eliminiert potenzielle Leckagepfade oder Fehlerstellen an Verbindungen und kann das Gesamtgewicht weiter reduzieren.
4. Integrierte Funktionsmerkmale:
   • Konzept: Entwurf von Merkmalen direkt in das AM-Teil, die dessen Funktionalität verbessern.
   • Anwendung – Konforme Kühlkanäle: Dies ist vielleicht einer der wichtigsten Vorteile für Motorgehäuse. AM ermöglicht die Schaffung komplexer Kühlkanäle, die genau den Konturen der wärmeerzeugenden Bereiche (wie Statorschnittstellen oder Lagersitze) innerhalb der Gehäusewände folgen. Diese "konforme Kühlung" ist weitaus effektiver als herkömmliche gebohrte Kanäle und ermöglicht ein besseres Wärmemanagement, eine höhere Leistungsdichte des Motors und möglicherweise den Verzicht auf separate Kühlmäntel.
   • Anwendung – Sensorhalterungen & Kabelverlegung: Präzise geformte Befestigungspunkte für Sensoren, integrierte Kanäle oder Clips für das Kabelmanagement können direkt in die Gehäusestruktur eingebaut werden.
   • Anwendung – Flüssigkeitspassagen: Anschlüsse und Durchlässe für die Schmierung oder den Kühlmitteleintritt/-austritt können nahtlos integriert werden.
5. Entwurf für die Minimierung der Unterstützung:
   • Konzept: Das Laser Powder Bed Fusion (LPBF) erfordert in der Regel Stützstrukturen für überhängende Merkmale (in der Regel unter 45 Grad zur horizontalen Ebene), um Verformungen zu vermeiden und das Teil auf der Bauplatte zu verankern. Diese Stützen verbrauchen zusätzliches Material, verlängern die Druckzeit und müssen in der Nachbearbeitung entfernt werden, was arbeitsintensiv sein kann und möglicherweise Oberflächen beschädigt. DfAM zielt darauf ab, den Bedarf an Stützen zu minimieren oder zu eliminieren.
   • Techniken:
     • Optimierung der Orientierung: Auswahl der optimalen Gebäudeausrichtung, um das Ausmaß der Überhänge zu minimieren.
     • Selbsttragende Winkel: Planung von Überhängen mit Winkeln, die größer sind als der kritische Schwellenwert (typischerweise >45 Grad).
     • Fasen und Filets: Das Ersetzen scharfer horizontaler Kanten durch schräge oder gekrümmte Flächen (Fasen/Flanken) kann Merkmale selbsttragend machen.
     • Geopferte Merkmale: Speziell entwickelte Funktionen zur Unterstützung kritischer Geometrien während der Herstellung, die dann bei der Nachbearbeitung leicht weggearbeitet werden können.
     • Tear-Drop-Formen: Modifizierung kreisförmiger horizontaler Löcher in selbsttragende Tropfen- oder Rautenformen.
6. Überlegungen zur Pulverentfernung:
   • Konzept: Ungeschmolzenes Metallpulver muss aus dem fertigen Teil entfernt werden, insbesondere aus inneren Kanälen und Hohlräumen. Eingeschlossenes Pulver erhöht das Gewicht und kann ein Funktionsrisiko darstellen.
   • Design-Strategien: Planen Sie strategisch platzierte Abfluss-/Zugangslöcher ein, damit das Pulver nach dem Druck leicht entfernt werden kann, insbesondere aus internen Kühlkanälen oder Gitterstrukturen. Stellen Sie sicher, dass die internen Durchgänge glatt und groß genug sind, um ein Verstopfen des Pulvers zu verhindern.
7. Mindestwanddicke und Größe der Merkmale:
   • Konzept: Jedes AM-Verfahren und jedes Material hat Einschränkungen hinsichtlich der Mindestwandstärke und der Größe der Merkmale (z. B. Stifte, Löcher), die zuverlässig hergestellt werden können.
   • Anwendung: Vergewissern Sie sich, dass Gehäusewände, Rippen und integrierte Merkmale den herstellbaren Mindestmaßen entsprechen (z. B. typischerweise >0,4-0,5 mm für LPBF, obwohl dickere Materialien oft robuster sind). Konsultieren Sie die Spezifikationen des verwendeten AM-Systems, wie sie beispielsweise von Met3dp angeboten werden.

Durch die systematische Anwendung dieser DfAM-Prinzipien können Ingenieure das EV-Motorwellengehäuse von einem Standardgehäuse in ein hoch optimiertes, leichtes und funktional integriertes Bauteil verwandeln. Dies erfordert ein Umdenken, das über die Beschränkungen traditioneller Methoden hinausgeht und die geometrische Freiheit, die die additive Fertigung bietet, voll ausschöpft. Die Zusammenarbeit mit AM-Experten, wie dem Team von Met3dp, während der Konstruktionsphase kann wertvolle Einblicke in die Prozessfähigkeiten liefern und dazu beitragen, die Vorteile von DfAM für bestimmte Druckverfahren.

Erreichen von Präzision: Toleranz, Oberflächengüte und Genauigkeit bei 3D-gedruckten Gehäusen

Während die additive Fertigung von Metallen eine unglaubliche Designfreiheit bietet, ist das Erreichen der erforderlichen Präzision für funktionale Komponenten wie EV-Motorwellengehäuse von entscheidender Bedeutung. Aspekte wie Maßgenauigkeit, erreichbare Toleranzen bei kritischen Merkmalen (wie Lagersitze und Gegenflansche) und Oberflächengüte wirken sich direkt auf die Leistung, Montage und Langlebigkeit des Elektromotors aus. Um realistische Erwartungen zu haben und die notwendigen Nachbearbeitungsschritte zu planen, ist es wichtig zu wissen, welche Präzisionsniveaus mit Metall-AM typischerweise erreicht werden können.

Schlüsselaspekte der Präzision bei der Metall-AM:

1. Maßgenauigkeit:
   • Definition: Wie genau die Abmessungen des gedruckten Teils mit den im CAD-Modell angegebenen Nennmaßen übereinstimmen.
   • Erreichbare Niveaus: Die typische Maßgenauigkeit für Metall-AM-Verfahren wie LPBF wird häufig mit ±0,1 mm bis ±0,2 mm für kleinere Abmessungen (z. B. bis zu 100 mm) und etwa ±0,1 % bis ±0,2 % für größere Abmessungen angegeben. Dies ist jedoch in hohem Maße von mehreren Faktoren abhängig:
     • Größe und Geometrie der Teile: Größere Teile und komplexe Geometrien sind anfälliger für thermische Spannungen während des Drucks, die zu Verformungen und Abweichungen führen können.
     • Orientierung aufbauen: Die Ausrichtung des Teils auf der Bauplatte wirkt sich auf die thermischen Gradienten, die Anforderungen an die Unterstützung und den möglichen Verzug aus.
     • Material: Verschiedene Materialien haben unterschiedliche thermische Eigenschaften und Schrumpfungsraten.
     • Kalibrierung der Maschine: Die exakte Größe des Laserspots, die Kalibrierung des Scanners und die Kontrolle der Schichtdicke sind von entscheidender Bedeutung. Hochwertige Maschinen, wie die von Met3dp entwickelten, die für ihre branchenführendes Druckvolumen, Genauigkeit und Zuverlässigkeitsind unerlässlich.
     • Wärmemanagement: Die Kontrolle der Temperatur in der Baukammer minimiert den Stress.
     • Nachbearbeiten: Wärmebehandlungen zum Spannungsabbau sind unerlässlich, um innere Spannungen abzubauen und die Maßhaltigkeit zu verbessern.
   • Milderung: Sorgfältiges Design (DfAM), Simulation des Bauprozesses, optimierte Bauparameter, geeignete Unterstützungsstrategien und Spannungsentlastung nach dem Druck sind der Schlüssel zur Maximierung der Maßhaltigkeit.
2. Toleranzen:
   • Definition: Die zulässige Schwankungsbreite für ein bestimmtes Maß. Kritische Merkmale eines Motorgehäuses, wie z. B. Lagerbohrungsdurchmesser, Wellendichtflächen, Pilotdurchmesser und Flanschflächenebenheit, erfordern enge Toleranzen für eine einwandfreie Funktion.
   • As-Built vs. Post-Processing: Metall-AM-Verfahren erreichen in der Regel Toleranzen, die mit denen des Feingusses vergleichbar sind, oft im Bereich von ISO 2768-m (mittel) oder manchmal ISO 2768-f (fein) für fertige Teile. Um jedoch die sehr engen Toleranzen zu erreichen, die für Lagersitze (z. B. H7) oder Dichtungsflächen erforderlich sind, ist es normalerweise notwendig nachbearbeitungen (CNC-Fräsen, Drehen, Schleifen) dieser spezifischen Merkmale.
   • Typische Werte:
     • Wie gebaut (LPBF): ±0,1 mm bis ±0,3 mm üblich, bei kleinen Merkmalen möglicherweise enger.
     • Nachbearbeitete Merkmale: Je nach Bearbeitungsprozess können Toleranzen von ±0,01 mm bis ±0,05 mm oder noch enger erreicht werden.
   • Strategie: Entwerfen Sie das AM-Teil mit ausreichendem Bearbeitungsmaterial (z. B. 0,5 mm bis 1,0 mm) auf kritischen Oberflächen, die enge Toleranzen erfordern. Der Großteil der komplexen Geometrie wird durch AM erzeugt, während die Präzisionsbearbeitung die endgültige Toleranz an wichtigen Schnittstellen liefert.
3. Oberflächengüte (Rauhigkeit):
   • Definition: Das Maß für die feinkörnige Struktur einer Oberfläche, die oft durch die durchschnittliche Rauheit (Ra) quantifiziert wird. Die Oberflächenbeschaffenheit wirkt sich auf Reibung, Verschleiß, Dichtungsfähigkeit und Ermüdungslebensdauer aus.
   • As-Built Ausführung: Die Oberflächenbeschaffenheit von LPBF-Bauteilen ist aufgrund der schichtweisen Verschmelzung der Pulverpartikel von Natur aus rauer als bei maschinell bearbeiteten Oberflächen.
     • Obere Oberflächen: Im Allgemeinen glatter (Ra 5-15 µm).
     • Vertikale Mauern: Mäßige Rauhigkeit (Ra 10-20 µm).
     • Daunenbelag/gestützte Oberflächen: Die rauesten Oberflächen (Ra 15-30 µm oder mehr), die oft Spuren von Stützstrukturen aufweisen.
     • Interne Kanäle: Sie können schwer zu bearbeiten sein und behalten in der Regel eine raue Oberfläche.
   • Beeinflussende Faktoren: Die Schichtdicke, die Laserparameter, die Größe der Pulverpartikel und die Ausrichtung des Aufbaus beeinflussen alle die Rauheit im eingebauten Zustand. Materialien wie AlSi10Mg ergeben bei LPBF oft etwas bessere Oberflächen als Stähle.
   • Nachbearbeitung für ein verbessertes Finish: Verschiedene Methoden können die Oberflächengüte verbessern:
     • Perlenstrahlen / Sandstrahlen: Sorgt für ein gleichmäßiges mattes Finish, entfernt teilweise geschmolzene Partikel (verbessert Ra auf ~5-10 µm).
     • Taumeln / Vibrationsgleitschleifen: Verwendet Medien zum Glätten von Oberflächen und Kanten, effektiv für Chargen von Teilen (kann Ra ~1-5 µm erreichen).
     • Elektropolieren: Elektrochemisches Verfahren, bei dem eine dünne Materialschicht abgetragen wird, so dass eine sehr glatte und saubere Oberfläche entsteht (Ra < 1 µm möglich).
     • CNC-Bearbeitung: Bietet die beste Oberflächengüte bei speziellen Merkmalen, die Glätte erfordern (z. B. Dichtungsflächen, Lagerbohrungen, Ra < 0,8 µm leicht erreichbar).
     • Manuelles Polieren: Arbeitsintensiv, kann aber bei Bedarf Hochglanzoberflächen erzielen.

Übersichtstabelle der erreichbaren Präzision (typische Werte für LPBF):

Parameter	Ist-Zustand	Nach der Bearbeitung (Besondere Merkmale)	Nach Oberflächenbehandlung (insgesamt)	Anmerkungen
Maßgenauigkeit	±0,1 bis ±0,2 mm (oder ±0,1-0,2 %)	N/A (durch Bearbeitung definiert)	Weitgehend unverändert	In hohem Maße abhängig von Größe, Geometrie, Material und Prozesssteuerung.
Toleranzen	ISO 2768-m / -f (ca.)	H7, ±0,01 – ±0,05 mm (oder fester)	Weitgehend unverändert	Enge Toleranzen erfordern eine maschinelle Bearbeitung.
Oberflächenrauhigkeit (Ra)	5 – 30 µm	< 0,8 µm (oder besser)	1 – 10 µm (Sprengen/Taumeln)	Variiert erheblich mit der Ausrichtung der Oberfläche (oben, seitlich, gestützt).
			< 1 µm (Polieren)

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Fazit zur Präzision: Metall-AM kann zwar nicht die Präzision der High-End-CNC-Bearbeitung über das gesamte Bauteil im Ist-Zustand erreichen, bietet aber eine sehr genaue Nettoform. Durch die Kombination der geometrischen Freiheit von AM mit einer gezielten Nachbearbeitung an kritischen Schnittstellen können Hersteller die erforderliche Präzision für anspruchsvolle Anwendungen wie EV-Motorwellengehäuse erreichen und dabei von Leichtbau und Designoptimierung profitieren, ohne die Funktionstoleranzen zu beeinträchtigen. Die Zusammenarbeit mit einem AM-Anbieter wie Met3dp, der mit präzisen Maschinen und robusten Qualitätskontrollprozessen ausgestattet ist, ist für das Erreichen zuverlässiger und genauer Ergebnisse unerlässlich.

Mehr als Drucken: Unverzichtbare Nachbearbeitung von EV-Motorwellengehäusen

Der additive Fertigungsprozess ist nur der erste Schritt zur Herstellung eines funktionalen EV-Motorwellengehäuses. Sobald das Teil aus dem Drucker kommt, sind eine Reihe wichtiger Nachbearbeitungsschritte erforderlich, um den Rohdruck in ein fertiges, montagefähiges Bauteil zu verwandeln. Diese Schritte sind notwendig, um innere Spannungen abzubauen, Stützstrukturen zu entfernen, die erforderlichen Toleranzen und Oberflächenbeschaffenheiten bei kritischen Merkmalen zu erreichen und die Gesamtqualität und Zuverlässigkeit des Gehäuses zu gewährleisten. Die einzelnen Schritte und ihre Reihenfolge können je nach Material (AlSi10Mg vs. 17-4PH), Designkomplexität und Anwendungsanforderungen variieren.

Gemeinsamer Nachbearbeitungsworkflow für AM-Gehäuse aus Metall:

1. Entstaubung / Entpuderung:
   • Zielsetzung: Entfernen Sie sämtliches loses, ungeschmolzenes Metallpulver vom Teil, insbesondere aus inneren Kanälen, Hohlräumen und komplexen Gitterstrukturen.
   • Methoden: Manuelles Bürsten, Abblasen mit Druckluft, Vibration, Ultraschallreinigung (manchmal in einem Lösemittelbad). Eine sorgfältige Konstruktion (DfAM) mit ausreichenden Abflusslöchern ist entscheidend für eine wirksame Reinigung von Inneneinrichtungen wie Kühlkanälen. In der Produktion werden zunehmend automatisierte Entpuderungsstationen eingesetzt.
   • Wichtigkeit: Eingeschlossenes Pulver erhöht das Gewicht, kann die Funktion beeinträchtigen (z. B. die Kühlkanäle blockieren) und sich während des Betriebs lösen. Die vollständige Entfernung ist entscheidend.
2. Stressabbau Wärmebehandlung:
   • Zielsetzung: Entlastung von inneren Spannungen, die während der schnellen Aufheiz- und Abkühlzyklen des schichtweisen Druckprozesses entstehen. Diese Spannungen können während oder nach dem Druck Verformungen, Verwerfungen und Risse verursachen, insbesondere beim Entfernen des Teils von der Bauplatte oder bei der nachfolgenden Bearbeitung.
   • Methoden: Durchgeführt, während das Teil oft noch an der Bauplatte befestigt ist (insbesondere bei größeren/komplexen Teilen), in einem Ofen mit inerter Atmosphäre (z. B. Argon), um Oxidation zu verhindern. Typische Zyklen umfassen das Erhitzen auf eine bestimmte Temperatur unterhalb der Alterungs- oder Glühtemperatur des Materials, das Halten für eine gewisse Zeit und das langsame Abkühlen.
     • AlSi10Mg: Normalerweise ~300°C für 2 Stunden.
     • 17-4PH: Normalerweise ~600-650°C (unterkritisches Glühen) für 1-2 Stunden.
   • Wichtigkeit: Unerlässlich für die Dimensionsstabilität, die Vermeidung von Verformungen beim Entfernen/Bearbeiten der Auflage und die Verbesserung der Gesamtintegrität des Teils.
3. Entfernen des Teils von der Bauplatte:
   • Zielsetzung: Trennen Sie das/die gedruckte(n) Gehäuse von der Bauplatte.
   • Methoden: Drahterodieren (Electrical Discharge Machining) ist ein gängiges Verfahren für präzises Schneiden mit geringer Kraft. Für weniger kritische Anwendungen oder spezielle Geometrien können Bandsägen oder manuelles Schneiden eingesetzt werden.
   • Erwägungen: Muss sorgfältig durchgeführt werden, um eine Beschädigung des Teils zu vermeiden. Ein vorheriger Spannungsabbau minimiert das Risiko, dass sich das Teil beim Lösen von der Platte verzieht.
4. Entfernung der Stützstruktur:
   • Zielsetzung: Entfernen Sie die während des Bauprozesses erforderlichen provisorischen Stützkonstruktionen.
   • Methoden: Die Stützen sind in der Regel mit schwächeren Schnittstellen versehen, damit sie leichter entfernt werden können. Zu den Methoden gehören:
     • Manueller Abbruch: Mit Zangen, Meißeln oder Handwerkzeugen (geeignet für zugängliche Stützen).
     • Bearbeitungen: Abfräsen oder Abschleifen von Stützstrukturen, insbesondere in kritischen oder schwer zugänglichen Bereichen.
     • Drahterodieren: Kann manchmal zur präzisen Entfernung verwendet werden.
   • Wichtigkeit: Halterungen sind nicht funktionsfähig und müssen entfernt werden. Der Prozess kann Spuren oder raue Stellen (Noppen) auf der Oberfläche des Teils hinterlassen, die eine weitere Nachbearbeitung erfordern können. DfAM zielt darauf ab, die Notwendigkeit einer komplexen Stützentfernung zu minimieren.
5. Lösungsglühen & Lampe; Alterungswärmebehandlung (Ausscheidungshärtung):
   • Zielsetzung: Entwicklung der gewünschten mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Härte, Zähigkeit) des Werkstoffs.
   • Methoden: Dies ist ein mehrstufiger Prozess, der für Materialien wie AlSi10Mg und 17-4PH besonders kritisch ist.
     • AlSi10Mg (Zustand T6): Beinhaltet eine Lösungsbehandlung (Erhitzen auf ~515-535°C, um Ausscheidungen aufzulösen), Abschrecken (schnelles Abkühlen, oft in Wasser) und künstliche Alterung (Wiedererwärmen auf eine niedrigere Temperatur, ~160-175°C, für mehrere Stunden), um Härtephasen auszufällen. Dadurch werden Festigkeit und Härte deutlich erhöht.
     • 17-4PH (z. B. H900, H1025, H1150): Wird in der Regel im lösungsgeglühten Zustand (Zustand A) geliefert. Die Alterung umfasst das Erhitzen auf eine bestimmte Temperatur (z.B. 482°C für H900, 552°C für H1025, 621°C für H1150) für 1-4 Stunden, um das gewünschte Gleichgewicht von Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu erreichen. Niedrigere Alterungstemperaturen ergeben eine höhere Festigkeit, aber eine geringere Zähigkeit.
   • Wichtigkeit: Passt die Materialeigenschaften an die Leistungsanforderungen des Gehäuses an. Muss nach dem Spannungsabbau und der Entfernung größerer Stützen, aber oft vor der Endbearbeitung durchgeführt werden, um geringfügige Änderungen der Abmessungen zu berücksichtigen.
6. CNC-Bearbeitung:
   • Zielsetzung: Erzielen Sie enge Toleranzen, spezifische Oberflächengüten und präzise geometrische Merkmale an kritischen Schnittstellen.
   • Anwendungen für Gehäuse:
     • Lagerbohrungen/Sitze: Bearbeitung nach präzisen Durchmessern und Toleranzen (z. B. H7) mit glatter Oberfläche für eine einwandfreie Passform und Funktion der Lager.
     • Passende Flansche: Plandreharbeiten zur Sicherstellung der Ebenheit und zur Erzielung der erforderlichen Oberflächengüte für die Abdichtung gegenüber Getrieben oder anderen Bauteilen.
     • Rillen/Oberflächen versiegeln: Bearbeitung von Nuten für O-Ringe oder Schaffung glatter Oberflächen für dynamische Dichtungen.
     • Gewindebohrungen: Gewindeschneiden oder Gewindefräsen von Befestigungslöchern.
     • Pilot-Durchmesser: Sicherstellung von genauen Durchmessern und Konzentrizität für die Ausrichtung mit Gegenstücken.
   • Methoden: 3-Achsen- oder 5-Achsen-CNC-Fräsen, Drehen (wenn die Geometrie es zulässt), Schleifen. Erfordert eine sorgfältige Vorrichtungskonstruktion, um das potenziell komplexe AM-Teil sicher und ohne Verformung zu halten.
   • Wichtigkeit: Schließt die Lücke zwischen der Netzformfähigkeit von AM’s und der hohen Präzision, die für funktionelle Schnittstellen erforderlich ist.
7. Oberflächenveredelung und Reinigung:
   • Zielsetzung: Verbessern Sie die allgemeine Oberflächenqualität, entfernen Sie Verunreinigungen, verbessern Sie das Erscheinungsbild, oder tragen Sie Schutzbeschichtungen auf.
   • Methoden:
     • Entgraten: Entfernen von scharfen Kanten oder Graten, die vom Druck oder der Bearbeitung stammen.
     • Perlstrahlen / Shot Peening: Erzeugt ein gleichmäßiges, mattes Finish, reinigt Oberflächen, kann die Ermüdungslebensdauer verbessern (Kugelstrahlen induziert Druckspannungen).
     • Taumeln / Vibrationsgleitschleifen: Glättet Oberflächen und Kanten, gut für Chargen.
     • Polieren: Zur Erzielung sehr glatter Oberflächen, wenn dies erforderlich ist (z. B. aus ästhetischen Gründen oder für spezielle Dichtungsanwendungen).
     • Passivierung (für 17-4PH): Chemische Behandlung zur Verbesserung der natürlichen Korrosionsbeständigkeit von rostfreiem Stahl durch Entfernung von freiem Eisen und Bildung einer dickeren passiven Oxidschicht.
     • Eloxieren / Konversionsbeschichtung (für AlSi10Mg): Bietet einen verbesserten Korrosionsschutz und kann eine verschleißfeste Oberfläche bieten.
     • Lackierung / Pulverbeschichtung: Für die Ästhetik und den zusätzlichen Schutz der Umwelt.
     • Endreinigung: Sicherstellen, dass das Teil vor der Montage frei von Bearbeitungsflüssigkeiten, Strahlmitteln, Fingerabdrücken und anderen Verunreinigungen ist.
   • Wichtigkeit: Es wird sichergestellt, dass das endgültige Teil die Anforderungen an Ästhetik, Funktion (Abdichtung, Verschleiß) und Umweltbeständigkeit erfüllt.
8. Inspektion und Qualitätskontrolle (QC):
   • Zielsetzung: Überprüfen Sie, ob das fertige Gehäuse alle Konstruktionsspezifikationen, Maßtoleranzen, Materialeigenschaften und Qualitätsstandards erfüllt.
   • Methoden:
     • Prüfung der Abmessungen: Verwendung von CMMs (Koordinatenmessmaschinen), 3D-Scannern, Messschiebern und Mikrometern zur Überprüfung kritischer Abmessungen und Toleranzen.
     • Zerstörungsfreie Prüfung (NDT): CT-Scans (Computertomographie) sind von unschätzbarem Wert für die Inspektion innerer Merkmale (z. B. Kühlkanäle auf Verstopfungen), die Erkennung innerer Porosität oder Defekte und die Überprüfung von Wandstärken, ohne das Teil zu zerstören. Mit der Farbeindringprüfung oder der Magnetpulverprüfung kann die Oberfläche auf Risse untersucht werden.
     • Überprüfung der Materialeigenschaften: Härteprüfung. Zugversuche an repräsentativen Proben, die neben dem Teil gedruckt werden. Überprüfung der chemischen Analyse.
     • Dichtheitsprüfung: Druckbeaufschlagung des Gehäuses (vor allem, wenn es Kühlkanäle enthält oder Schmiermittel abdichten muss), um es auf Lecks zu prüfen.
   • Wichtigkeit: Wesentlich für die Gewährleistung der Zuverlässigkeit und Sicherheit eines kritischen Automobilteils. Ermöglicht Rückverfolgbarkeit und Dokumentation.

Die spezifische Reihenfolge und Notwendigkeit dieser Schritte muss sorgfältig geplant werden. So erfolgt die Bearbeitung in der Regel nach Wärmebehandlungen, die zu Verformungen führen können, aber vor Oberflächenveredelungsverfahren wie Strahlen oder Eloxieren. Eine effektive Nachbearbeitung ist ebenso wichtig wie der Druckprozess selbst, um qualitativ hochwertige, funktionale AM-Komponenten aus Metall zu erhalten.

Überwindung von Herausforderungen beim 3D-Druck von EV-Motorwellengehäusen

Die additive Fertigung von Metallen bietet zwar ein transformatives Potenzial für EV-Motorwellengehäuse, ist aber nicht ohne Herausforderungen. Die erfolgreiche Implementierung von AM erfordert das Verständnis dieser potenziellen Hürden und die Anwendung von Strategien, um sie zu entschärfen. Die Bewältigung dieser Herausforderungen ist entscheidend für das Erreichen einer gleichbleibenden Qualität, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz, insbesondere beim Übergang von Prototypen zur Serienproduktion.

Gemeinsame Herausforderungen und Abhilfestrategien:

1. Eigenspannung, Verformung und Verzerrung:
   • Herausforderung: Die schnelle, örtlich begrenzte Erwärmung und Abkühlung, die LPBF/EBM mit sich bringt, erzeugt erhebliche Wärmegradienten, die zu inneren Spannungen innerhalb des Teils führen. Diese Spannungen können dazu führen, dass sich das Teil während des Drucks verzieht, reißt oder sich bei der Entnahme aus der Bauplatte oder bei der Nachbearbeitung (insbesondere bei der Wärmebehandlung oder Bearbeitung) verzieht. Große, flache Abschnitte oder scharfe Übergänge in der Dicke sind besonders anfällig.
   • Strategien zur Schadensbegrenzung:
     • Optimierte Teileausrichtung: Ausrichtung des Teils, um große Querschnittsflächen pro Schicht zu minimieren und thermische Gradienten zu verringern.
     • Robuste Stützstrukturen: Entwurf effektiver Stützen, um das Teil sicher auf der Bauplatte zu verankern, Wärme abzuleiten und Schrumpfungskräften entgegenzuwirken. Spezialisierte Software kann bei der Optimierung der Stützenerzeugung helfen.
     • Optimierung der Prozessparameter: Feinabstimmung von Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Schraffurstrategien zur Minimierung von Wärmeeintrag und Spannungsakkumulation. Einsatz von Inselscans oder anderen fortschrittlichen Scanmustern.
     • Build Plate Heating: Durch die Aufrechterhaltung einer hohen Temperatur in der Baukammer/Platte wird die Schwere der thermischen Gradienten verringert.
     • Thermische Simulation: Einsatz von Simulationssoftware zur Vorhersage der Spannungsverteilung und möglicher Verformungen, so dass vor dem Druck Konstruktionsänderungen oder Ausgleichsfaktoren vorgenommen werden können.
     • Obligatorischer Stressabbau: Die Durchführung eines Wärmebehandlungszyklus zum Spannungsabbau unmittelbar nach dem Druck und häufig vor der Entnahme des Teils von der Bauplatte ist entscheidend für den Abbau von Spannungen und die Gewährleistung der Maßhaltigkeit.
2. Porosität:
   • Herausforderung: Das Vorhandensein von kleinen Hohlräumen oder Poren im gedruckten Material. Porosität kann die mechanischen Eigenschaften (insbesondere Ermüdungsfestigkeit und Duktilität) verschlechtern, die Dichtigkeit beeinträchtigen und als Rissauslöser dienen. Ursachen sind u. a. Gaseinschlüsse im Pulver, unzureichende Energiedichte, die zu unvollständigem Schmelzen führt, Keyholing-Effekte (kollabierende Dampfdepressionen) oder schlechte Pulverqualität/Handhabung.
   • Strategien zur Schadensbegrenzung:
     • Hochwertiges Pulver: Die Verwendung von Pulver mit kontrollierter Partikelgrößenverteilung, hoher Sphärizität, geringer interner Gasporosität und ordnungsgemäßer Handhabung zur Vermeidung von Feuchtigkeitsaufnahme ist von entscheidender Bedeutung. Die Beschaffung von seriösen Lieferanten wie Met3dp, bekannt für ihre fortschrittliche Systeme zur Pulverherstellungist der Schlüssel.
     • Optimierte Prozessparameter: Sicherstellung einer ausreichenden Energiedichte (Laserleistung, Geschwindigkeit, Schichtdicke) für ein vollständiges Schmelzen und Verschmelzen zwischen den Schichten, ohne übermäßige Energie, die Keyholing oder Spritzer verursacht.
     • Kontrolle der inerten Atmosphäre: Durch die Aufrechterhaltung einer hochreinen Inertgasatmosphäre (Argon oder Stickstoff) in der Baukammer werden Oxidation und Reaktionen, die zu Gasporosität führen können, minimiert.
     • Heiß-Isostatisches Pressen (HIP): Ein Nachbearbeitungsschritt bei hoher Temperatur und hohem Druck (unter Verwendung eines Inertgases). HIP kann innere Poren wirksam schließen, die Dichte deutlich erhöhen (oft auf >99,9 %) und die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Ermüdungsfestigkeit, verbessern. Dieses Verfahren wird häufig für kritische Bauteile in Betracht gezogen, die ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit erfordern, ist jedoch mit zusätzlichen Kosten und Zeitaufwand verbunden.
     • NDT-Inspektion: Einsatz von CT-Scans zur Feststellung und Quantifizierung der inneren Porosität.
3. Unterstützung bei der Beseitigung von Schwierigkeiten:
   • Herausforderung: Das Entfernen von Stützstrukturen, insbesondere von internen Kanälen, komplexen Geometrien oder empfindlichen Merkmalen, kann zeit- und arbeitsintensiv sein und birgt das Risiko, die Oberfläche des Teils zu beschädigen. Unzugängliche interne Stützen lassen sich möglicherweise nicht vollständig entfernen.
   • Strategien zur Schadensbegrenzung:
     • DfAM für die Minimierung der Unterstützung: Die Konstruktion von Teilen mit selbsttragenden Winkeln, die Verwendung von Verrundungen/Fasen, die Optimierung der Ausrichtung und die Nutzung der Topologieoptimierung können den Bedarf an Stützen drastisch reduzieren.
     • Optimiertes Support-Design: Verwendung von Stützstrukturen mit geringerer Dichte, spezifischen Geometrien (z. B. Baumstützen) und leicht abbrechbaren Verbindungspunkten. Software-Tools können die Erzeugung optimierter Stützen automatisieren.
     • Barrierefreies Design: Sicherstellung eines angemessenen Zugangs für Werkzeuge, wenn eine manuelle Entfernung erforderlich ist. Gestaltung der inneren Kanäle, die groß und glatt genug für die Entfernung von Pulver/Träger sind.
     • Bearbeitbare Stützen: Konstruktion von Stützen an Stellen, an denen sie bei der Nachbearbeitung durch CNC-Bearbeitung leicht entfernt werden können.
     • Wahl des Materials: Einige Materialien erfordern möglicherweise stabilere Stützen als andere.
4. Erreichen von Dichtheit:
   • Herausforderung: Bei Gehäusen, die Kühlkanäle enthalten oder Schmiermittel abdichten müssen, ist die Gewährleistung der Dichtheit von größter Bedeutung. Porosität, Mikrorisse oder Probleme mit der Oberflächenbeschaffenheit der Dichtflächen können zu Leckagen führen.
   • Strategien zur Schadensbegrenzung:
     • Erreichen einer hohen Dichte: Optimierung der Druckparameter und mögliche Verwendung von HIP zur Minimierung der Porosität.
     • DfAM für die Versiegelung: Gestaltung geeigneter Nuten für O-Ringe oder Festlegung glatter, ebener Passflächen. Sicherstellung einer ausreichenden Wandstärke um die Flüssigkeitsdurchgänge.
     • Post-Process-Bearbeitung: Bearbeitung der Dichtflächen, um die erforderliche Ebenheit und Oberflächengüte zu erreichen.
     • Oberflächenbehandlungen/Imprägnierung: In einigen Fällen können Verfahren zur Imprägnierung mit Dichtungsmitteln eingesetzt werden, um kleinere Restporositäten abzudichten (was allerdings weniger ideal ist als das Erreichen der Dichtheit von sich aus).
     • Strenge Dichtheitsprüfungen: Durchführung von Druckabfall- oder Immersionsdichtheitsprüfungen als Teil des QC-Prozesses.
5. Kosten-Wirksamkeit für die Serienproduktion:
   • Herausforderung: Metall-AM eignet sich zwar hervorragend für Prototypen und komplexe Teile, aber die Kosten pro Teil können bei sehr hohen Stückzahlen aufgrund von Faktoren wie Maschinendurchsatz, Pulverkosten und notwendiger Nachbearbeitung höher sein als bei traditionellen Verfahren wie dem Gießen.
   • Strategien zur Schadensbegrenzung:
     • Optimierung des Designs: Maximierung der Vorteile von Leichtbau und Teilekonsolidierung zum Ausgleich höherer Herstellungskosten durch verbesserte Leistung oder geringere Montagekosten.
     • Verschachtelung und Build-Optimierung: Gleichzeitiges Drucken mehrerer Teile auf einer einzigen Bauplatte, um die Maschinenauslastung zu maximieren.
     • Automatisierung: Implementierung automatisierter Lösungen für die Handhabung von Pulver, die Entpuderung und Nachbearbeitungsschritte zur Senkung der Arbeitskosten.
     • Verbesserungen der Prozesseffizienz: Einsatz schnellerer Maschinen, Optimierung der Parameter im Hinblick auf die Geschwindigkeit (bei gleichbleibender Qualität) und Verringerung des Volumens der Stützstruktur.
     • Gezielte Anwendung: Konzentration auf Anwendungen, bei denen die Vorteile von AM (Komplexität, geringeres Gewicht, schnellere Markteinführung) den größten Nutzen versprechen, als Ergänzung zu den herkömmlichen Verfahren für einfachere Teile mit hohen Stückzahlen.
     • Kollaboration: Die enge Zusammenarbeit mit erfahrenen AM-Dienstleistern wie Met3dp, die über optimierte Arbeitsabläufe und Größenvorteile verfügen, kann zu einem effektiven Kostenmanagement beitragen.

Indem sie diese Herausforderungen durch sorgfältiges Design, Prozesskontrolle, Materialauswahl und Nachbearbeitungsstrategien proaktiv angehen, können Hersteller den 3D-Metalldruck vertrauensvoll nutzen, um leistungsstarke, zuverlässige und zunehmend kosteneffektive EV-Motorwellengehäuse zu produzieren.

Auswahl Ihres Fertigungspartners: Den besten 3D-Druckdienstleister für Metall finden

Die Wahl des richtigen Fertigungspartners ist ebenso entscheidend wie die Perfektionierung des Designs oder die Auswahl des idealen Materials, wenn es um die Einführung der additiven Fertigung von Metall für anspruchsvolle Anwendungen wie EV-Motorwellengehäuse geht. Der Unterschied zwischen einer erfolgreichen AM-Implementierung und einer frustrierenden Erfahrung hängt oft von den Fähigkeiten, dem Fachwissen und der Qualitätsverpflichtung des von Ihnen gewählten Dienstleisters ab. Für Ingenieure und Beschaffungsmanager, die sich in der Landschaft der Metall-AM-Lieferanten zurechtfinden müssen, ist es wichtig, bei der Bewertung potenzieller Partner nicht nur auf den Preis zu achten, sondern eine ganze Reihe von Faktoren zu berücksichtigen.

Schlüsselkriterien für die Bewertung von Anbietern von Metall-AM-Dienstleistungen:

1. Nachgewiesene Sachkenntnis und Erfahrung:
   • Erfolgsbilanz: Suchen Sie nach einem Anbieter mit nachweislicher Erfahrung in der Herstellung komplexer Metallteile, idealerweise im Automobilsektor oder speziell für EV-Antriebsstrangkomponenten. Fallstudien, Zeugnisse und Beispiele für frühere Projekte sind wertvolle Indikatoren.
   • Material-Spezialisierung: Vergewissern Sie sich, dass sie über umfassende Erfahrung in der Verarbeitung der von Ihnen beabsichtigten Materialien verfügen (z. B. AlSi10Mg, 17-4PH). Verschiedene Legierungen erfordern unterschiedliche Parametersätze und Handhabungsverfahren. Erkundigen Sie sich nach der Erfahrung des Unternehmens mit ähnlichen Anwendungen und Werkstoffen.
   • Branchenkenntnisse: Verstehen sie die spezifischen Anforderungen und Herausforderungen der Automobilindustrie, wie NVH, Wärmemanagement, Haltbarkeit und Einhaltung von Vorschriften?
2. Technische Fähigkeiten und Ausrüstung:
   • Technologische Übereinstimmung: Verwenden sie die geeignete AM-Technologie (z. B. Laser Powder Bed Fusion – LPBF/SLM, Electron Beam Melting – EBM), die am besten für die Anforderungen Ihres Gehäuses geeignet ist (Auflösung, Material, Eigenschaften)?
   • Maschinenpark: Beurteilen Sie die Qualität, die Quantität und das Bauvolumen ihrer Drucker. Ein vielfältiger und moderner Maschinenpark (wie die von Met3dp angebotenen Systeme) spricht für Kapazität, Redundanz und Zugang zu den neuesten Technologien für Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Berücksichtigen Sie die Größe des Bauraums bei größeren Gehäusen.
   • Materialportfolio & Qualitätskontrolle: Bieten sie die zertifizierten Materialien an, die Sie benötigen? Prüfen Sie kritisch die Verfahren zur Handhabung von Pulver und zur Qualitätskontrolle. Beziehen sie das Material von seriösen Lieferanten oder, wie Met3dpihre eigenen hochwertigen Pulver mit fortschrittlichen Verfahren wie VIGA oder PREP herstellen und so Konsistenz und Rückverfolgbarkeit gewährleisten? Fragen Sie nach den Verfahren für das Pulverrecycling und die Chargenprüfung.
3. Qualitätsmanagementsystem (QMS) & Zertifizierungen:
   • Zertifizierungen: Die Zertifizierung nach ISO 9001 ist eine Grundvoraussetzung für das Qualitätsmanagement. Für die Serienproduktion in der Automobilindustrie ist die IATF 16949-Zertifizierung sehr wünschenswert, da sie die Einhaltung der strengen Qualitätsstandards für die Automobilindustrie bestätigt. Erkundigen Sie sich, welche Zertifizierungen der Anbieter besitzt.
   • Verfahren zur Qualitätskontrolle: Verstehen Sie den QC-Prozess während des gesamten Arbeitsablaufs - von der Eingangsprüfung des Pulvers über die prozessbegleitende Überwachung (z. B. Schmelzbadüberwachung) bis hin zu Nachbearbeitungskontrollen und der Endprüfung (Maßkontrolle, NDT).
   • Rückverfolgbarkeit: Stellen Sie sicher, dass sie über robuste Systeme für die Rückverfolgbarkeit von Materialchargen und die Prozessdokumentation verfügen, die für die Einhaltung der Vorschriften in der Automobilindustrie entscheidend sind.
4. Integrierte Post-Processing-Funktionen:
   • In-House vs. Vernetzt: Bietet der Anbieter die wichtigsten Nachbearbeitungsschritte (Spannungsarmglühen, Wärmebehandlung, Entfernen von Halterungen, CNC-Bearbeitung, Oberflächenveredelung) im eigenen Haus an oder verwaltet er ein Netz von zuverlässigen Partnern? Inhouse-Kapazitäten führen oft zu einer besseren Integration, Kontrolle und potenziell kürzeren Vorlaufzeiten.
   • Kompetenz in der Bearbeitung: In Anbetracht der Notwendigkeit einer präzisen Bearbeitung von kritischen Gehäusemerkmalen sollten Sie die CNC-Bearbeitungsmöglichkeiten oder die Beziehungen zu qualifizierten Werkstätten mit Erfahrung im Umgang mit AM-Teilen prüfen.
   • NDT-Fähigkeiten: Der Zugang zur zerstörungsfreien Prüfung, insbesondere zum CT-Scannen für die Inneninspektion, ist für die Überprüfung der Integrität komplexer Gehäuse von entscheidender Bedeutung.
5. Unterstützung bei Technik und Design:
   • DfAM-Fachwissen: Ein wertvoller Partner sollte Unterstützung beim Design for Additive Manufacturing (DfAM) bieten und Ihnen dabei helfen, Ihr Gehäusedesign so zu optimieren, dass die Vorteile von AM voll ausgeschöpft werden (Leichtbau, Integration von Merkmalen, Verringerung des Supports).
   • Simulationsfähigkeiten: Können sie eine Simulation des Bauprozesses durchführen, um potenzielle Probleme wie Verformungen oder thermische Spannungen vorherzusagen und zu mindern?
   • Kollaborativer Ansatz: Suchen Sie nach einem Partner, der bereit ist, mit Ihrem technischen Team zusammenzuarbeiten und Feedback und Verbesserungsvorschläge zu liefern.
6. Kapazität, Vorlaufzeiten und Skalierbarkeit:
   • Kapazität: Sind sie in der Lage, die von Ihnen geforderten Stückzahlen zu bewältigen, von einzelnen Prototypen bis hin zu kleinen oder mittleren Produktionsserien?
   • Transparenz der Vorlaufzeiten: Liefern sie realistische und verlässliche Schätzungen der Vorlaufzeiten für Druck und Nachbearbeitung? Wie werden Fortschritte und mögliche Verzögerungen kommuniziert?
   • Skalierbarkeit: Wenn Sie mit einer Steigerung des Produktionsvolumens rechnen, hat der Anbieter die Kapazität oder einen klaren Plan, um das Volumen zu erhöhen?
7. Kostenstruktur und Kommunikation:
   • Transparente Preisgestaltung: Ist der Kostenvoranschlag klar und detailliert und werden die Kosten für Material, Druck, Träger und Nachbearbeitung aufgeschlüsselt?
   • Reaktionsfähigkeit: Wie schnell und effektiv reagieren sie auf Anfragen, technische Fragen und Angebotsanfragen? Eine gute Kommunikation ist während des gesamten Projektlebenszyklus von entscheidender Bedeutung.

Die Suche nach einem Partner wie Met3dpdas nicht nur seine eigenen branchenführenden AM-Systeme entwickelt und herstellt, sondern auch hochwertige Metallpulver sondern auch umfassende Anwendungsentwicklungsdienste anbietet, kann einen deutlichen Vorteil bieten. Ihr integrierter Ansatz, der auf einem umfassenden Fachwissen über die gesamte Metall-AM-Wertschöpfungskette beruht, gewährleistet ein ganzheitliches Verständnis des Prozesses, von den Pulvereigenschaften bis zur Leistung des fertigen Teils. Ihre Konzentration auf die Bereitstellung von Lösungen für unternehmenskritische Teile in anspruchsvollen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und der Automobilindustrie macht sie zu einem sachkundigen und kompetenten Partner für die Entwicklung innovativer EV-Komponenten. Wenn Sie sich die Zeit nehmen, potenzielle Lieferanten anhand dieser Kriterien gründlich zu prüfen, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Ergebnisses für Ihr EV-Motorwellengehäuseprojekt erheblich.

Kosten und Vorlaufzeiten für 3D-gedruckte EV-Motorwellengehäuse verstehen

Während die technischen Vorteile des 3D-Metalldrucks für EV-Motorwellengehäuse überzeugend sind, ist das Verständnis der damit verbundenen Kosten und typischen Fristen entscheidend für die Projektplanung, Budgetierung und das Treffen fundierter Fertigungsentscheidungen. Sowohl die Kosten als auch die Vorlaufzeit können je nach einer Vielzahl von Faktoren erheblich variieren.

Faktoren, die die Kosten von 3D-gedruckten Gehäusen beeinflussen:

1. Materialtyp und Volumen:
   • Pulverkosten: Verschiedene Metallpulver haben sehr unterschiedliche Kosten pro Kilogramm. Aluminiumlegierungen wie AlSi10Mg sind im Allgemeinen günstiger als nichtrostende Stähle wie 17-4PH, Titanlegierungen oder Nickelsuperlegierungen.
   • Teilband: Das schiere Volumen des Gehäuses wirkt sich direkt auf die Menge des verbrauchten Pulvers aus. DfAM-Techniken wie Topologieoptimierung und Gitterstrukturen sind der Schlüssel zur Reduzierung des Materialverbrauchs und damit der Kosten.
   • Unterstützungsstruktur Volumen: Halterungen verbrauchen ebenfalls Material und erhöhen den Gesamtpulververbrauch. Die Minimierung der Träger durch DfAM reduziert die Kosten.
2. AM Machine Time:
   • Bauzeit: Dies ist oft der wichtigste Kostenfaktor. Er hängt ab von:
     • Teilhöhe: Höhere Teile erfordern mehr Schichten, was die Druckzeit verlängert.
     • Teil Volumen/Komplexität: Mehr zu schmelzendes Material pro Schicht und komplexe Scanpfade erhöhen den Zeitaufwand.
     • Anzahl der Teile pro Build: Das Verschachteln mehrerer Gehäuse oder anderer Teile auf einer einzigen Bauplatte maximiert die Maschinenauslastung und reduziert die effektiven Maschinenzeitkosten pro Teil.
     • Schichtdicke & Parameter: Dickere Schichten werden schneller gedruckt, verringern aber die Auflösung und die Oberflächengüte; dünnere Schichten verbessern die Detailgenauigkeit, erhöhen aber den Zeitaufwand. Optimierte Parameter sorgen für ein Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Qualität.
   • Maschinenabschreibung & Betriebskosten: Die Kosten für die Anschaffung, den Betrieb (Strom, Gas) und die Wartung teurer industrieller Metall-AM-Systeme sind in den Maschinenstundensatz eingerechnet.
3. Komplexität des Designs:
   • Druckbarkeit: Hochkomplexe Entwürfe mit komplizierten Merkmalen oder großen Überhängen können anspruchsvollere Stützstrategien und längere Druckzeiten erfordern.
   • Nachbearbeiten: Komplexe interne Kanäle oder Merkmale können die Entrümpelung und den Ausbau der Unterstützung erschweren und zeitaufwändig machen.
4. Anforderungen an die Unterstützungsstruktur:
   • Lautstärke: Wie bereits erwähnt, verwenden Träger Material und erhöhen die Druckzeit.
   • Umzugsarbeiten: Das Entfernen von Stützen, insbesondere von komplizierten oder internen, erfordert manuelle Arbeit oder spezielle Bearbeitungszeit, was erhebliche Kosten verursacht.
5. Nachbearbeitungsintensität:
   • Wärmebehandlungen: Spannungsabbau- und Alterungszyklen erfordern Zeit und Energie des Ofens. Komplexe oder mehrfache Zyklen verursachen zusätzliche Kosten.
   • CNC-Bearbeitung: Der Umfang der für kritische Toleranzen erforderlichen Bearbeitung wirkt sich erheblich auf die Kosten aus. Mehr Merkmale, die enge Toleranzen erfordern, bedeuten mehr Einrichtungsaufwand und Laufzeit für die Bearbeitung. die 5-Achsen-Bearbeitung ist teurer als die 3-Achsen-Bearbeitung.
   • Oberflächenveredelung: Einfaches Strahlen ist relativ kostengünstig, während umfangreiches Polieren, Eloxieren oder Beschichten zusätzliche Kosten durch Arbeit, Material und Spezialausrüstung verursacht.
   • Inspektion: Grundlegende Maßprüfungen sind Standard, aber umfangreiche KMG-Programmierung/Laufzeit oder zerstörungsfreie Prüfungen wie CT-Scans verursachen erhebliche Kosten und sind kritischen Anwendungen oder Qualifizierungsteilen vorbehalten.
6. Arbeitskosten:
   • Dazu gehören das Einrichten der Maschine, die Überwachung der Fertigung, das Entladen, das Entfernen von Halterungen, die Handhabung der Teile, die Bearbeitung, die Endbearbeitung, die Inspektion und die Dokumentation der Qualitätssicherung.
7. Auftragsvolumen:
   • Prototypen: Sie haben in der Regel die höchsten Kosten pro Teil aufgrund von Einrichtung, Programmierung und mangelnder Optimierung für das Volumen.
   • Geringes bis mittleres Volumen: Die Kosten pro Teil sinken, wenn die Prozesse optimiert werden, die Bauplatten effizient verschachtelt werden und ein gewisser Grad an Automatisierung eingesetzt werden kann. Skalenvorteile werden deutlicher.

Faktoren, die die Durchlaufzeiten beeinflussen:

1. Designfinalisierung & Vorbereitung: Erforderliche Zeit für DfAM-Überprüfung, Build-Simulation, Support-Generierung und Vorbereitung der Build-Datei. (Kann 1-5 Tage betragen).
2. Warteschlangenzeit der Maschine: Verfügbarkeit der entsprechenden AM-Maschine. Bei beliebten Maschinen oder Materialien kann es Rückstände geben. (Kann von Tagen bis Wochen reichen).
3. Druckzeit: Die tatsächliche Dauer des AM-Build-Prozesses. (In der Regel 12 Stunden bis mehrere Tage, je nach Größe, Höhe und Menge des Teils pro Bauvorgang).
4. Nachbearbeiten: Dies macht oft einen erheblichen Teil der gesamten Vorlaufzeit aus.
   • Abkühlung und Entfettung: (Stunden bis 1 Tag).
   • Stressabbau: (1 Tag, einschließlich Ofenzyklus und Kühlung).
   • Ausbau von Teilen & Ausbau von Stützen: (Stunden bis Tage, je nach Komplexität).
   • Wärmebehandlung (Alterung): (1-2 Tage, einschließlich Ofenzyklen und Abkühlung).
   • CNC-Bearbeitung: (Tage bis Wochen, je nach Komplexität, Vorrichtungsdesign und Maschinenverfügbarkeit).
   • Oberflächenveredelung & Inspektion: (Tage bis zu einer Woche oder mehr, je nach Bedarf).
5. Versand: Transitzeit zu Ihrer Einrichtung.

Typische Vorlaufzeitschätzungen (sehr variabel):

• Prototypen: 1 bis 3 Wochen sind üblich, wenn man von einer schnellen Angebotserstellung, einer minimalen Wartezeit und einer Standard-Nachbearbeitung ausgeht.
• Kleinserien (z.B. 10-100 Einheiten): man kann mit 4 bis 8 Wochen rechnen, was eine optimierte Verschachtelung, Chargennachbearbeitung und Planung von Ressourcen wie Bearbeitungszentren ermöglicht.

Schlussfolgerung zu Kosten & Vorlaufzeit: Auch wenn sie potenziell schneller sind als werkzeuggestützte Methoden für erste Prototypen, ist die Gesamtvorlaufzeit für fertige AM-Metallteile in Produktionsqualität mit erheblicher Nachbearbeitungszeit verbunden. Die Kosten werden durch Material, Maschinenzeit und Nachbearbeitungsintensität bestimmt. Die Einholung detaillierter Angebote von potenziellen Lieferanten auf der Grundlage fertiger Designs und klar definierter Anforderungen ist für eine genaue Budgetierung und Planung unerlässlich. Eine offene Kommunikation mit Ihrem AM-Partner über die Kostenfaktoren und die erwarteten Vorlaufzeiten ist der Schlüssel zu einem erfolgreichen Projekt.

FAQ: 3D-gedruckte EV-Motorwellengehäuse aus Metall

Hier finden Sie Antworten auf einige häufig gestellte Fragen zum Einsatz der additiven Fertigung von Metallgehäusen für EV-Motoren:

F1: Was sind die Hauptvorteile des 3D-Metalldrucks für EV-Motorgehäuse im Vergleich zum herkömmlichen Gießen?

A: Der 3D-Metalldruck bietet mehrere entscheidende Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Gießen von EV-Motorgehäusen: * Gestaltungsfreiheit: Ermöglicht hochkomplexe Geometrien, einschließlich topologieoptimierter Strukturen und integrierter konformer Kühlkanäle, die nur schwer oder gar nicht zu gießen sind. * Gewichtsreduzierung: Ermöglicht eine erhebliche Gewichtsreduzierung (oft 30-60 %) bei gleichzeitiger Beibehaltung oder Verbesserung der Steifigkeit, die für die Erhöhung der Reichweite und Leistung von Elektrofahrzeugen entscheidend ist. * Rapid Prototyping und Iteration: Ermöglicht wesentlich schnellere Konstruktionszyklen, so dass Ingenieure Gehäusedesigns schnell testen und verfeinern können, ohne auf teure und zeitaufwändige Werkzeugänderungen warten zu müssen. * Teil Konsolidierung: Ermöglicht die Integration mehrerer Komponenten (z. B. Klammern, Halterungen) in ein einziges gedrucktes Teil, wodurch die Komplexität der Montage, das Gewicht und potenzielle Fehlerquellen reduziert werden. * Verbessertes Wärmemanagement: Integrierte konforme Kühlkanäle bieten eine bessere Wärmeableitung als herkömmliche Designs und ermöglichen eine höhere Leistungsdichte des Motors. * Beseitigung von Werkzeugen: Es vermeidet die hohen Vorlaufkosten und langen Vorlaufzeiten, die mit dem Gießen von Formen oder Gesenken verbunden sind, und ist daher kostengünstig für Prototypen, kleine bis mittlere Stückzahlen und kundenspezifische Designs.

Q2: Welches Material ist im Allgemeinen besser für ein EV-Motorgehäuse geeignet: AlSi10Mg oder 17-4PH-Edelstahl?

A: Es gibt nicht das eine, bessere Material; die Wahl hängt ganz von den spezifischen Leistungsprioritäten und Betriebsbedingungen des EV-Motors ab: * Wählen Sie AlSi10Mg, wenn: Das Hauptziel ist minimierung des Gewichts (aufgrund seiner geringen Dichte) und die Nutzung seiner guten Wärmeleitfähigkeit zur Wärmeableitung. Es eignet sich für Anwendungen mit mäßigen Betriebstemperaturen und mechanischen Belastungen, bei denen sein günstiges Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht ausreicht (oft verbessert durch Topologieoptimierung). Außerdem ist es im Allgemeinen kostengünstiger. * Wählen Sie 17-4PH-Edelstahl, wenn: Hohe Festigkeit, Steifigkeit, Härte und Haltbarkeit von größter Bedeutung sind, oder wenn das Gehäuse Erfahrungen erhöhte Betriebstemperaturen oder erfordert höhere Korrosionsbeständigkeit. Seine hohe Festigkeit ermöglicht in bestimmten Bereichen potenziell dünnere Wände, aber seine hohe Dichte bedeutet, dass eine aggressive Designoptimierung erforderlich ist, um Gewicht zu sparen. Die geringere Wärmeleitfähigkeit muss bei der Wärmemanagement-Strategie berücksichtigt werden (z. B. durch verstärkten Einsatz einer integrierten Flüssigkeitskühlung).

F3: Ist der 3D-Druck von Metall für die Massenproduktion von EV-Motorgehäusen geeignet?

A: Der 3D-Druck von Metall ist zunehmend geeignet für serienfertigunginsbesondere in geringe bis mittlere Volumen (Hunderte bis möglicherweise Tausende von Teilen pro Jahr) oder für Anwendungen, bei denen die einzigartigen Vorteile des Verfahrens die möglicherweise höheren Kosten pro Teil im Vergleich zum Großserienguss rechtfertigen. * Stärken für die Produktion: Ideal für hochkomplexe, optimierte Konstruktionen, bei denen die Leistungssteigerungen die Kostenvorteile überwiegen; bietet Flexibilität für Konstruktionsvariationen oder kundenspezifische Chargen; vermeidet Investitionen in Werkzeuge. * Herausforderungen für die Massenproduktion: Bei sehr hohen Stückzahlen (Zehn- oder Hunderttausende pro Jahr) ist der herkömmliche Druckguss aufgrund der kürzeren Zykluszeiten nach der Herstellung der Werkzeuge oft immer noch kostengünstiger. Die Geschwindigkeiten der AM-Maschinen steigen jedoch, Multilasersysteme erhöhen die Produktivität und die Automatisierung der Nachbearbeitung wird immer besser. * Aktueller Status: Sie wird häufig für Leistungsvarianten, Nischenmodelle für Elektrofahrzeuge, Vorserien oder spezielle Komponenten verwendet, bei denen die Vorteile entscheidend sind. Eine gründliche Kosten-Nutzen-Analyse, in der optimierte AM-Designs mit traditionellen Methoden verglichen werden, ist für jeden spezifischen Fall erforderlich. Die Technologie entwickelt sich rasch weiter und wird bei größeren Stückzahlen immer wettbewerbsfähiger.

F4: Welche Qualitätsstandards und Prüfungen sollte ich bei 3D-gedruckten Automobilkomponenten wie Motorgehäusen erwarten?

A: Bei Kfz-Komponenten, insbesondere im Antriebsstrang, ist eine strenge Qualitätskontrolle unerlässlich. Sie sollten Folgendes erwarten oder angeben: * Qualitätsmanagement-System: Der Anbieter sollte über ein zertifiziertes QMS verfügen, idealerweise IATF 16949 für die Automobilserienproduktion, mindestens aber ISO 9001. * Materialzertifizierung: Vollständige Rückverfolgbarkeit der Pulverchargen und Zertifizierung zur Überprüfung der chemischen Zusammensetzung und der Eigenschaften gemäß den einschlägigen Normen (z. B. ASTM, ISO). * Prozesskontrolle & Dokumentation: Dokumentierte Verfahren für Druck, Wärmebehandlung, Bearbeitung usw., mit Aufzeichnungen zur Rückverfolgbarkeit. Daten zur prozessbegleitenden Überwachung, falls vorhanden. * Prüfung der Abmessungen: Überprüfung der kritischen Abmessungen und Toleranzen mit Hilfe kalibrierter Geräte wie CMMs oder 3D-Scannern, mit entsprechenden Berichten. Vergleich mit dem nominalen CAD-Modell und den GD&T-Spezifikationen. * Zerstörungsfreie Prüfung (NDT): Je nach Kritikalität, CT-Abtastung wird dringend empfohlen, um die innere Unversehrtheit (Porosität, Defekte, Kanalspiel) zu prüfen und komplexe innere Geometrien zu verifizieren. Möglicherweise sind auch Farbeindring- oder andere Oberflächenprüfverfahren erforderlich. * Verifizierung der mechanischen Eigenschaften: Härteprüfung am fertigen Teil. Zugversuche an Musterproben, die zusammen mit den Bauteilen gedruckt wurden, um zu überprüfen, ob durch die Wärmebehandlung die erforderlichen Materialeigenschaften (Streckgrenze, Zugfestigkeit, Dehnung) erreicht wurden. * Dichtheitsprüfung: Gegebenenfalls (z. B. bei integrierten Kühlkanälen) sollten ein Druckabfall oder andere Dichtheitsprüfungen durchgeführt werden.

Schlussfolgerung: Beschleunigung der EV-Innovation mit additiver Fertigung von Metall

Der Weg zu einem nachhaltigen Verkehr ist untrennbar mit Innovationen in der Elektrofahrzeugtechnologie verbunden. Im Mittelpunkt dieser Entwicklung steht der Antriebsstrang, in dem Komponenten wie der EV-Motorwellengehäuse spielen eine entscheidende, wenn auch oft unbesungene Rolle. Wie wir erforscht haben, verändert die additive Fertigung von Metallen grundlegend die Art und Weise, wie diese wichtigen Komponenten entworfen, optimiert und hergestellt werden können. Durch die Überwindung der Beschränkungen des traditionellen Gießens und der maschinellen Bearbeitung ermöglicht die Metall-AM den Ingenieuren, ein noch nie dagewesenes Maß an Leistung und Effizienz zu erreichen.

Die Fähigkeit, zu nutzen, Design für additive Fertigung (DfAM) ermöglicht wirklich optimierte Strukturen durch Topologieoptimierung und Gitterfüllung, was zu erheblichen Leichtbau - ein Schlüsselfaktor für die Erweiterung der Reichweite von Elektrofahrzeugen. Die geometrische Freiheit, die AM mit sich bringt, ermöglicht die nahtlose integration komplexer Merkmalevor allem die konformen Kühlkanäle versprechen revolutionäre Verbesserungen im Wärmemanagement, die höhere Leistungsdichten und kompaktere Motorkonstruktionen ermöglichen. Außerdem wird die Kapazität für Teilkonsolidierung vereinfacht die Montage, reduziert potenzielle Fehlerquellen und trägt weiter zur Gewichtseinsparung bei.

Während die Wahl des Materials - ob das leichte und wärmeleitende AlSi10Mg oder die hochfesten, langlebigen 17-4PH-Edelstahl - Je nach den spezifischen Anforderungen der Anwendung ist die Qualität des Metallpulver-Rohmaterials von entscheidender Bedeutung. Fortschrittliche Verfahren zur Pulverherstellung gewährleisten die für einen zuverlässigen Druck erforderliche Materialkonsistenz. Das Erreichen der erforderlichen Präzision erfordert eine Kombination aus präzisen AM-Systemen und gezielter Nachbearbeitung, insbesondere CNC-Bearbeitung für kritische Schnittstellen und geeignete Wärmebehandlungen um die Materialeigenschaften zu optimieren und die Maßhaltigkeit zu gewährleisten.

Die erfolgreiche Einführung der Metall-AM erfordert auch die Anerkennung und Bewältigung von Herausforderungen im Zusammenhang mit Eigenspannungen, Porosität und Stützentfernung, oft durch sorgfältige Prozesskontrolle und DfAM-Strategien. Von entscheidender Bedeutung ist die Auswahl eines Fertigungspartners mit fundiertem Fachwissen, robusten Qualitätssystemen, umfassenden Fähigkeiten (einschließlich Nachbearbeitung) und einem kooperativen Ansatz. Verstehen der Faktoren, die kosten und Vorlaufzeit ermöglicht eine realistische Projektplanung und eine Bewertung des Nutzens von AM im Vergleich zu konventionellen Methoden, insbesondere wenn die Technologie in Richtung höherer Produktionsmengen reift.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der 3D-Metalldruck nicht nur eine alternative Herstellungsmethode für EV-Motorwellengehäuse ist, sondern eine Technologie, die Innovationen beschleunigt. Sie bietet die Werkzeuge, um leichtere, stärkere, effizientere und funktional integrierte Komponenten schneller als je zuvor herzustellen. Da der Markt für Elektrofahrzeuge weiterhin exponentiell wächst, wird die additive Fertigung von Metallen zweifellos eine immer wichtigere Rolle bei der Gestaltung der nächsten Generation von Antriebssträngen spielen.

Für Unternehmen, die das Potenzial der Metall-AM für ihre EV-Komponenten oder andere anspruchsvolle Anwendungen erkunden möchten, ist die Zusammenarbeit mit einem führenden Unternehmen auf diesem Gebiet unerlässlich. Met3dpmit seinem umfassenden Portfolio an fortschrittlichen SEBM-Druckern, Hochleistungsmetallpulverund umfangreiches Anwendungs-Know-how stehen bereit, um Ihnen zu helfen, die Möglichkeiten der additiven Fertigung zu nutzen. Wir ermutigen Sie zu besuchen Sie unsere Website oder kontaktieren Sie uns, um zu besprechen, wie unsere Lösungen die Ziele Ihres Unternehmens im Bereich der additiven Fertigung vorantreiben und Ihren Weg zur Innovation beschleunigen können.