3D-Druck von Aluminium-Legierungen
Inhaltsübersicht
Aluminiumlegierungen für den 3D-Druck bieten mehrere vorteilhafte Eigenschaften wie ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit, die sie zu geeigneten Materialien für 3D-Druckanwendungen in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Konsumgüter- und anderen Branchen machen.
Selektives Laserschmelzen (SLM) und Direktes Metall-Lasersintern (DMLS) sind die wichtigsten 3D-Druckverfahren für Aluminiumlegierungspulver. Die Pulverpartikel werden mit einem Hochleistungslaser schichtweise zusammengeschmolzen, um komplexe und anpassbare Bauteilgeometrien zu konstruieren.
Arten von 3d-Druck von Aluminiumlegierungen
| Legierung | Zusammensetzung | Druckverfahren | Eigenschaften | Anwendungen |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | Aluminium (Al) + Silizium (Si) (10%) + Magnesium (Mg) | Laser-Pulver-Bett-Fusion (LPBF) | - Gute Ausgewogenheit von Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit - Hervorragende Schweißbarkeit - Aushärtbar für erhöhte Festigkeit | - Komponenten für die Luft- und Raumfahrt (Leichtbaustrukturen) - Automobilteile (Halterungen, Motorkomponenten) - Elektronikverpackungen |
| AlSi7Mg (F357) | Aluminium (Al) + Silizium (Si) (7%) + Magnesium (Mg) | LPBF | - Ähnliche Eigenschaften wie AlSi10Mg, aber etwas geringere Festigkeit - Leichter zu drucken aufgrund des niedrigeren Schmelzpunkts | - Allgemeine Anwendungen, die ein gutes Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht erfordern - Komponenten für die Handhabung von Flüssigkeiten - Halterungen und Gehäuse |
| Al2139 | Aluminium (Al) + Kupfer (Cu) (4%) + Magnesium (Mg) | LPBF | - Hohe Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit - Gute Bearbeitbarkeit | - Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, die eine hohe Festigkeit erfordern - Automobilteile (Aufhängungskomponenten) |
| 6061 | Aluminium (Al) + Magnesium (Mg) (0,9%) + Silizium (Si) (0,6%) + Kupfer (Cu) (0,3%) | LPBF (eingeschränkt), Binder Jetting (BJ) | - Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit - Gute Bearbeitbarkeit und Schweißbarkeit - Mäßige Festigkeit | - Prototypen und Funktionsteile, die gute Allround-Eigenschaften erfordern - Architektonische Komponenten - Kühlkörper |
| 7075 | Aluminium (Al) + Zink (Zn) (5,6%) + Magnesium (Mg) (2,5%) + Kupfer (Cu) (1,6%) | LPBF (eingeschränkt), Elektronenstrahlschmelzen (EBM) | - Sehr hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht - Ausgezeichnete Verschleißfestigkeit - Nicht schweißbar | - Bauteile für die Luft- und Raumfahrt, die hohe Festigkeit und geringes Gewicht erfordern - Sportartikel (Fahrradrahmen, Baseballschläger) |
| Scalmalloy | Aluminium (Al) + Scandium (Sc) (4%) + Magnesium (Mg) (6%) | LPBF | - Außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, das das von 7075 übertrifft - Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit - Hohe Rissbeständigkeit | - Hochleistungskomponenten für die Luft- und Raumfahrt - Verteidigungsanwendungen, die eine leichte Panzerung erfordern |
Zusammensetzung der 3d-Druck von Aluminiumlegierungen
| Bezeichnung der Legierung | Primäre Legierungselemente | Zusätzliche Elemente | Eigenschaften | Anwendungen |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | Silizium (10%) | Magnesium (0,3-0,5%) | * Ausgezeichnete Gießbarkeit (angepasst an Gussanwendungen) * Gute Schweißbarkeit * Hohe Festigkeit und Zähigkeit * Gute Korrosionsbeständigkeit | * Allgemeine Anwendungen * Automobilkomponenten * Luft- und Raumfahrtkomponenten (nicht kritisch) * Halterungen und Gehäuse * |
| AlSi7Mg (F357) | Silizium (7%) | Magnesium (0,3-0,5%) | * Ähnliche Eigenschaften wie AlSi10Mg, aber etwas geringere Festigkeit * Ausgezeichnete Gießbarkeit * Gute Schweißbarkeit * Gute Korrosionsbeständigkeit | * Ähnliche Anwendungen wie AlSi10Mg, oft verwendet, wenn ein etwas geringeres Gewicht erwünscht ist * Motorkomponenten * Fluid-Handling-Komponenten |
| AlSi12 | Silizium (12%) | * Hohe Festigkeit und Verschleißfestigkeit * Gute Gießbarkeit * Mäßige Schweißbarkeit * Geringere Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu AlSi10Mg und F357 | * Verschleißplatten * Zahnräder * Sandgussanwendungen (oft als Ausgangspunkt für 3D-gedruckte Teile verwendet, da man mit dem Material vertraut ist) | |
| Scalmalloy | Scandium (4.0-4.4%) | Magnesium (0,3-0,5%) | * Hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht * Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit * Gute Schweißbarkeit * Erfordert Wärmebehandlung für optimale Eigenschaften | * Komponenten für die Luft- und Raumfahrt (Hochleistung) * Komponenten für die Automobilindustrie (gewichtskritisch) * Verteidigungsanwendungen |
| EOS Aluminium Al2139 AM | Nicht öffentlich bekannt gegeben (wahrscheinlich Aluminium-Magnesium-Silizium) | * Speziell für die additive Fertigung entwickelt * Gute Festigkeit bei erhöhten Temperaturen (bis zu 200°C) * Verbesserte Verarbeitbarkeit im Vergleich zu Standard-Gusslegierungen * Für optimale Eigenschaften ist eine Wärmebehandlung erforderlich | * Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, die Hochtemperaturleistungen erfordern * Komponenten für die Automobilindustrie * Komponenten für Wärmetauscher |
Eigenschaften von 3D-druckbarem Aluminium
| Attribut | Einzelheiten |
|---|---|
| Oberfläche | Die Pulverhaftung kann ein halbraues, abgestuftes Oberflächenprofil hinterlassen |
| Genauigkeit | Generell ist eine hohe Maßgenauigkeit von bis zu ±0,1% möglich |
| Anisotropie | Richtungsabhängig schwächere mechanische Eigenschaften beobachtet |
| Porosität | <1% Porosität unter optimierten SLM-Parametern erreicht |
| Flexibilität der Legierung | Viele 2xxx-, 5xxx-, 6xxx- und 7xxx-Sorten druckbar |
Anwendungen von 3d-Druck von Aluminiumlegierungen
| Industrie | Typische Anwendungen |
|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Flugzeugkanäle, Wärmetauscher, strukturelle Halterungen |
| Automobilindustrie | Kundenspezifische Halterungen, Stützen, Kühlkörper, Werkzeuge |
| Architektur | Leichte Platten, dekorative Gitter, kleine Skulpturen |
| Medizinische | Firmware wie chirurgische Instrumente, Implantate |
| Elektronik | Wärmeableitungsvorrichtungen wie Kühlkörper |
| Verteidigung | Teile in kleinen Stückzahlen mit kurzen Vorlaufzeiten |
Aluminiumpulver-Spezifikationen für die additive Fertigung
| Parameter | Typ/Bereich |
|---|---|
| Materialien | AlSi10Mg, AlSi7Mg0,6, AlSi12, AlSi9Cu3 |
| Partikelgröße | 25 bis 65 Mikrometer |
| Partikelform | Überwiegend kugelförmig, einige Satelliten erlaubt |
| Scheinbare Dichte | Etwa 2,67 g/cc |
| Durchflussmenge | <30 s/50 g nach ASTM B964 |
| Restsauerstoff | <0,4% für hohe Zugfestigkeit |
Führende Anbieter von 3d-Druck von Aluminiumlegierungen
| Anbieter | Spezialität | Wichtige Produkte | Anwendungen | Zusätzliche Dienstleistungen |
|---|---|---|---|---|
| Elementum 3D | Innovative Puder | Gasverdüste Aluminiumlegierungspulver, einschließlich traditioneller und dispersionsverfestigter Varianten | Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Verteidigung | Materialentwicklung, Anwendungstechnik, Druckparameteroptimierung |
| APWorks | Hochleistungs-Legierungen | Skalierbare Aluminium-Silizium-Magnesium-Legierung (AlSiMg) für das Laserstrahlschmelzen (LBM) | Automobilkomponenten, Robotik, Industriemaschinen | Beratung zu Design for Additive Manufacturing (DFAM), Nachbearbeitungsdienste |
| SLM-Lösungen | Etablierter Hersteller | Aluminiumlegierungen, die für das selektive Laserschmelzverfahren (SLM) optimiert sind, einschließlich AlSi10Mg und Scalmalloy | Medizinische Implantate, Luft- und Raumfahrtkomponenten, Wärmetauscher | Verkauf und Unterstützung von Maschinen, Entwicklung von Parametern für bestimmte Legierungen |
| EOS GmbH | Multi-Process-Kompatibilität | Aluminiumlegierungen, die sowohl mit Laserstrahlschmelzen (LBM) als auch mit Elektronenstrahlschmelzen (EBM) kompatibel sind | Teile für die Luft- und Raumfahrt, Unterhaltungselektronik, medizinische Geräte | Beratung bei der Maschinenauswahl und Prozessoptimierung, Schulungsprogramme |
| Höganäs | Kompetenz in Metallpulver | Gaszerstäubte Aluminiumpulver mit genauer Kontrolle von Größe und Morphologie | Wärmetauscher, Automobilkomponenten, Elektronikgehäuse | Charakterisierung und Prüfung von Pulvern, Zusammenarbeit bei der Entwicklung neuer Legierungen |
| Königliche Legierung | Vielfältiges Legierungsportfolio | Große Auswahl an Aluminiumlegierungspulvern, einschließlich Scandium- und Lithiumzusätzen für verbesserte Leistung | Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, Verteidigungsanwendungen, Hochleistungswärmesenken | Beratung bei der Materialauswahl, Prüfung der Druckbarkeit, Entwicklung von kundenspezifischen Pulvern |
| Norsk Hydro | Nachhaltige Produktion | Pulver aus Aluminiumlegierungen, die mit dem Schwerpunkt auf minimaler Umweltbelastung hergestellt werden | Automobilteile, architektonische Komponenten, Unterhaltungselektronik | Daten zur Lebenszyklusanalyse (LCA) von Materialien, Unterstützung für nachhaltige Herstellungspraktiken |
| ExOne | Binder Jetting Technologie | Aluminiumlegierungen, die speziell für die additive Fertigung mit Binderstrahlverfahren (BJAM) entwickelt wurden | Prototypen für die Automobilindustrie, Sandgussformen, industrieller Werkzeugbau | Dienstleistungen im Bereich Design for Additive Manufacturing (DFAM), Nachbearbeitungsexpertise für BJAM-Teile |
| DMG Mori Seiki | Integrierte Lösungen | Pulver aus Aluminiumlegierungen für kompatible 3D-Metalldrucker | Werkzeug- und Formenbau, medizinische Implantate, Komponenten für die Luft- und Raumfahrt | Verkauf und Service von Maschinen, Schulungen zu Arbeitsabläufen in der additiven Metallfertigung |
| Tischler Additive Fertigung | Speziallegierungen | Aluminiumlegierungen mit hohem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und verbesserter Korrosionsbeständigkeit | Schiffskomponenten, Öl- und Gasanlagen, chemische Verarbeitungsanwendungen | Unterstützung bei der Materialauswahl, anwendungstechnische Dienstleistungen, Unterstützung bei der Herstellung von Prototypen |
Vor- und Nachteile von 3D-gedrucktem Aluminium
| Merkmal | Profis | Nachteile |
|---|---|---|
| Gestaltungsfreiheit | Unerreichte Komplexität: Ermöglicht komplizierte Gitterstrukturen, interne Kanäle und Leichtbaumerkmale, die mit herkömmlichen Methoden nicht möglich sind. Ermöglicht es Designern, Grenzen zu überschreiten und Hochleistungsteile zu entwickeln. Rapid Prototyping: Ermöglicht eine schnelle Iteration und Prüfung von Entwürfen und reduziert so Entwicklungszeit und -kosten. | Unterstützende Strukturen: Komplexe Geometrien erfordern oft komplizierte Stützstrukturen, was die Nachbearbeitungszeit verlängert und möglicherweise unerwünschte Oberflächentexturen erzeugt. |
| Materialeigenschaften | Ausgezeichnetes Verhältnis von Stärke zu Gewicht: Aluminium bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Gewicht und Festigkeit und eignet sich daher ideal für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie, bei denen eine Gewichtsreduzierung entscheidend ist. Korrosionsbeständigkeit: Viele Aluminiumlegierungen zeichnen sich durch eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aus, was besonders bei Teilen, die rauen Umgebungen ausgesetzt sind, von Vorteil ist. | Anisotropie: Der schichtweise Aufbau des 3D-Drucks kann zu anisotropen Eigenschaften führen, d. h. die Festigkeit des Materials kann je nach Druckrichtung variieren. Dies kann bei bestimmten Anwendungen Designanpassungen erfordern. Porosität: Je nach Druckverfahren können kleine Hohlräume oder Poren im Material vorhanden sein, die die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen können. Nachbearbeitungsverfahren wie das heißisostatische Pressen (HIP) können dies abmildern. |
| Herstellung | Reduzierte Vorlaufzeit: Der 3D-Druck ermöglicht eine Produktion auf Abruf, wodurch der Bedarf an komplexen Werkzeugen entfällt und die Vorlaufzeiten für Prototypen oder Kleinstserien minimiert werden. Minimaler Materialabfall: Durch den additiven Charakter des 3D-Drucks wird der Materialabfall im Vergleich zu herkömmlichen subtraktiven Fertigungsverfahren erheblich reduziert. | Hohe Kosten: Die Technologie und die Ausrüstung für den 3D-Druck von Aluminium sind immer noch relativ teuer, so dass sich das Verfahren für die Massenproduktion im Vergleich zu herkömmlichen Methoden weniger lohnt. Bauzeit: Das Drucken komplexer Metallteile kann zeitaufwändig sein und die Gesamtproduktionsgeschwindigkeit beeinträchtigen. |
| Nachbearbeitung | Oberfläche: Einige 3D-Drucktechnologien bieten zwar gute Oberflächengüten, aber die Rauheit ist ein häufiges Problem. Für bestimmte Anwendungen können Nachbearbeitungstechniken wie Bearbeitung, Polieren oder Sandstrahlen erforderlich sein. Wärmebehandlung: Bestimmte Aluminiumlegierungen können nach dem Druck eine Wärmebehandlung erfordern, um optimale mechanische Eigenschaften zu erzielen. | Zusätzliche Kosten und Zeit: Die Nachbearbeitung erhöht die Gesamtproduktionszeit und die Kosten des Teils. |
| Anwendungen | Luft- und Raumfahrt: Die Fähigkeit, leichte, hochfeste Komponenten mit komplexen Geometrien herzustellen, macht 3D-gedrucktes Aluminium ideal für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt wie Wärmetauscher, Halterungen und Strukturkomponenten. Automobilindustrie: Gewichtsreduzierung ist ein wichtiges Thema in der Automobilindustrie. 3D-gedruckte Aluminiumkomponenten können für Teile wie Räder, Motorkomponenten und leichte Fahrgestellstrukturen verwendet werden. Medizinisch: Biokompatible Aluminiumlegierungen können zur Herstellung von maßgeschneiderten Prothesen und Implantaten verwendet werden. | Begrenzte Anwendungen für hochbeanspruchte Komponenten: Aufgrund möglicher Anisotropie und Porosität ist 3D-gedrucktes Aluminium möglicherweise nicht für alle hochbelasteten Anwendungen geeignet. Sorgfältiges Design und Materialauswahl sind entscheidend. |
FAQ
F: Welche Aluminiumlegierung ist am besten für die additive Fertigung geeignet?
A: AlSi10Mg ist die am weitesten verbreitete Aluminiumlegierung und bietet eine gute Kombination aus Fließfähigkeit, Festigkeit, Härte und Korrosionsbeständigkeit sowie Kompatibilität mit verschiedenen Druckern.
F: Beeinflusst die Bauausrichtung die Eigenschaften von 3D-gedruckten Aluminiumkomponenten?
A: Ja, die vertikale Bauweise kann aufgrund des schichtweisen Aufbaus 20-30% niedrigere Zug- und Streckgrenzen aufweisen als horizontal gebaute Teile. Die mechanische Leistung variiert auch je nach der Belastung parallel oder senkrecht zu den Schichten.
F: Welche Lösungswärmebehandlungen können die Eigenschaften von Aluminium verbessern?
A: Die T6-Wärmebehandlung (Auflösen und anschließende künstliche Aushärtung) einiger additiv gefertigter Legierungen wie AlSi10Mg kann die Zugfestigkeit, Härte und Duktilität im Vergleich zum Ausgangszustand deutlich erhöhen.
F: Wie wird die Oberflächenbeschaffenheit von additiv gefertigten Aluminiumteilen verbessert?
A: Verschiedene Nachbearbeitungsverfahren wie Sandstrahlen, Perlstrahlen, Laserpolieren, CNC-Bearbeitung, Schleifen oder Linieren können dazu beitragen, die abgestuften Konturen zu glätten, die typischerweise bei Aluminiumoberflächen im Ist-Zustand aus dem Pulverdruck zu beobachten sind.
F: Beeinträchtigt die Wiederverwendung von Aluminiumpulver die Eigenschaften von 3D-Druckteilen?
A: Wenn Aluminiumpulver bis zu 10-20 Mal recycelt wird, hat dies in der Regel keine Auswirkungen auf die mechanische Leistung. Bei mehr als 25 Wiederverwendungszyklen können jedoch eine abnehmende Fließfähigkeit des Pulvers, eine geringere Dichte und höhere Sauerstoff-/Nitridverunreinigungen zu einer Verschlechterung der Materialqualität und -festigkeit führen.
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