Schmieden ist ein Herstellungsprozess, bei dem Metall durch die Anwendung von Druckkräften geformt wird. Dies kann durch Methoden wie Hämmern, Pressen oder Rollen erfolgen. Durch die Hochdruckanwendung beim Schmieden wird die Kornstruktur des Metalls so ausgerichtet, dass seine mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Beim Schmieden einer Automobilkurbelwelle aus Stahl beispielsweise führt das wiederholte Hämmern und Formen dazu, dass sich die Stahlkörner über die Länge des Teils ausdehnen. Diese Ausrichtung verleiht der Kurbelwelle eine hervorragende Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit, die entscheidend ist, um den hohen Belastungen und zyklischen Belastungsbedingungen in einem Motor standzuhalten.

Geschmiedete Metalle weisen typischerweise eine hohe Zugfestigkeit auf, was bedeutet, dass sie einer großen Zugkraft standhalten können, bevor sie brechen. Sie verfügen außerdem über eine gute Duktilität, die es ihnen ermöglicht, sich unter Belastung plastisch zu verformen, ohne zu brechen. Die Kombination dieser Eigenschaften macht geschmiedete Komponenten äußerst zuverlässig in anspruchsvollen Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt, wo Teile extremen Bedingungen standhalten müssen. Beispielsweise können geschmiedete Titanlegierungsteile in Flugzeugtriebwerken hohen Temperaturen, hohen Drücken und erheblichen mechanischen Belastungen während des Fluges standhalten.

Beim 3D-Druck oder der additiven Fertigung werden Metallteile Schicht für Schicht aufgebaut. Es gibt verschiedene Techniken, wie zum Beispiel die Pulverbettfusion, bei der ein Hochenergielaser oder ein Elektronenstrahl Metallpulverpartikel selektiv miteinander verschmilzt. Bei einem typischen Pulverbettschmelzverfahren für den 3D-Druck eines Metallteils wird eine dünne Schicht Metallpulver auf einer Bauplattform verteilt. Der Laser zeichnet dann die Querschnittsform des Teils für diese Schicht auf das Pulver auf und schmilzt und verschmilzt die Partikel. Dieser Vorgang wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das gesamte Teil geformt ist.

Anfänglich wiesen 3D-gedruckte Metalle einige Einschränkungen hinsichtlich der Festigkeit auf. Der schichtweise Aufbau kann manchmal zu Schwachstellen oder Porosität innerhalb des Teils führen. Es wurden jedoch erhebliche Fortschritte erzielt. Moderne 3D-Drucktechniken und Nachbearbeitungsmethoden wurden entwickelt, um die Festigkeit von 3D-gedruckten Metallen zu verbessern. Beispielsweise kann eine Wärmebehandlung nach dem 3D-Druck innere Spannungen abbauen, die Mikrostruktur des Materials verbessern und so seine Festigkeit erhöhen. Einige 3D-gedruckte Metalle können in bestimmten Anwendungen mittlerweile mit der Festigkeit ihrer geschmiedeten Gegenstücke mithalten.

Forschungsstudien haben gezeigt, dass 3D-gedruckte Metalle in einigen Fällen eine ähnliche Zugfestigkeit wie geschmiedete Metalle erreichen können. Beispielsweise ergab eine aktuelle Studie zu 3D-gedruckten Aluminiumlegierungen, dass bei optimierten Druckparametern und Nachbearbeitung die Zugfestigkeit der 3D-gedruckten Teile innerhalb von 90 % der Zugfestigkeit von herkömmlich geschmiedetem Aluminium lag. Dies ist angesichts der Unterschiede in den Herstellungsprozessen bemerkenswert. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Ergebnisse je nach Metalllegierung, verwendeter 3D-Drucktechnik und Komplexität des Teils variieren können.

Die Ermüdungsfestigkeit, also die Fähigkeit eines Materials, wiederholter Belastung ohne Ausfall standzuhalten, ist bei 3D-gedruckten Metallen ein Problem. Ursprünglich wurde angenommen, dass die Schichtschnittstellen in 3D-gedruckten Teilen potenzielle Orte für die Entstehung von Rissen unter zyklischer Belastung sind. Aber auch hier schließen 3D-gedruckte Metalle durch verbesserte Herstellungsprozesse und Oberflächenbehandlungen die Lücke. Einige fortschrittliche 3D-gedruckte Metallkomponenten weisen jetzt in Anwendungen mit relativ niedrigen Ermüdungszyklen eine mit Schmiedeteilen vergleichbare Ermüdungsfestigkeit auf. Beispielsweise können 3D-gedruckte Metalle bei bestimmten kundenspezifischen Werkzeuganwendungen, bei denen das Teil einer begrenzten Anzahl von Belastungszyklen ausgesetzt ist, hinsichtlich der Ermüdungsbeständigkeit eine ebenso gute Leistung erbringen wie geschmiedete.

In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden sowohl geschmiedete als auch 3D-gedruckte Metalle verwendet. Für hochkritische Komponenten wie Turbinenschaufeln von Strahltriebwerken sind geschmiedete Metalle aufgrund ihrer langjährigen Erfolgsgeschichte mit hoher Festigkeit und Leistung unter extremen Bedingungen immer noch die vorherrschende Wahl. Allerdings werden 3D-gedruckte Metalle zunehmend für weniger kritische Strukturkomponenten verwendet, bei denen ihre Designflexibilität ausgenutzt werden kann und gleichzeitig die erforderlichen Festigkeitsstandards erfüllt werden. In der Automobilindustrie werden 3D-gedruckte Metallteile für den Prototypenbau und die Kleinserienproduktion von Komponenten wie Halterungen und Motorhalterungen verwendet. Da sich die Technologie immer weiter verbessert, wird die Festigkeit dieser 3D-gedruckten Teile für solche Anwendungen mehr als ausreichend.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Während geschmiedete Metalle seit langem für ihre Festigkeit bekannt sind, holen 3D-gedruckte Metalle schnell auf. In vielen Anwendungen können 3D-gedruckte Metalle mit den richtigen Materialien, Prozessen und Nachbearbeitung tatsächlich genauso stark sein wie geschmiedete Metalle. In der Zukunft der Fertigung werden diese beiden Techniken möglicherweise zunehmend nebeneinander existieren und jeweils dort eingesetzt werden, wo ihre einzigartigen Vorteile in Bezug auf Festigkeit und andere Eigenschaften am besten genutzt werden können.