Additive Fertigung von Metallpulvern: Ein Überblick

Additive FertigungBeim 3D-Druck werden Metallpulver als Rohmaterial verwendet, um Metallteile und Produkte Schicht für Schicht aufzubauen. Die Eigenschaften und Merkmale des Metallpulvers haben einen erheblichen Einfluss auf die Qualität, die mechanischen Eigenschaften, die Präzision und die Leistung von 3D-gedruckten Metallteilen. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über Metallpulver für die additive Fertigung.

Arten von Metallpulvern für die additive Fertigung

Es gibt verschiedene Arten von Metallen und Legierungen, die in Pulverform für den Einsatz in 3D-Drucktechnologien erhältlich sind. Zu den am häufigsten verwendeten Metallpulvern gehören:

Arten von Metallpulvern für die additive Fertigung

Die Partikelform, die Größenverteilung, die Fließeigenschaften und die Mikrostruktur des Metallpulvers können je nach Herstellungsverfahren stark variieren. Dies wirkt sich auf die Packungsdichte, die Verteilbarkeit und das Sinterverhalten beim 3D-Druck aus.

Produktionsmethoden für Metallpulver

Für die Herstellung von Metallpulvern für die additive Fertigung gibt es verschiedene Produktionsverfahren:

Methoden zur Herstellung von Metallpulver

Gaszerstäubung und Wasserzerstäubung sind die gängigsten Verfahren zur Herstellung feiner Pulver für 3D-Druckverfahren mit Pulverbettschmelzen. Die Pulverherstellungstechnik beeinflusst Zusammensetzung, Partikelform, Porosität, Fließeigenschaften, Mikrostruktur und Kosten des Metallpulvers.

Eigenschaften und Merkmale von Metallpulvern

Die Eigenschaften von Metallpulvern, die in der additiven Fertigung verwendet werden, spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Qualität, der mechanischen Eigenschaften, der Präzision, der Oberflächengüte und der Leistung des Endprodukts. Zu den wichtigsten Eigenschaften gehören:

Eigenschaften von Metallpulvern für die additive Fertigung

Die Erfüllung der strengen Anforderungen an diese Pulvereigenschaften ist entscheidend für das Erreichen einer hohen Dichte, guter mechanischer Eigenschaften und Qualität für additiv gefertigte Bauteile.

Metallpulver-Spezifikationen

Metallpulver, die in der additiven Fertigung verwendet werden, müssen bestimmte Spezifikationen in Bezug auf Zusammensetzung, Partikelgrößenverteilung, Fließgeschwindigkeit, Schüttdichte und Mikrostruktur erfüllen. Einige gängige Spezifikationen für Metallpulver sind:

Typische Spezifikationen für Metallpulver für die additive Fertigung

Die Größenverteilung ist entscheidend, wobei die üblichen Partikelgrößen D10, D50 und D90 zwischen 5 und 100 Mikron liegen. Engere Verteilungen verbessern die Pulverbettdichte und die Auflösung. Normen wie ASTM F3049, F3301 und ISO/ASTM 52921 enthalten strenge Regeln für Metallpulver-Rohstoffe, die in der additiven Fertigung verwendet werden.

Anwendungen von Metallpulvern in der additiven Fertigung

Metallpulver werden in verschiedenen additiven Fertigungstechnologien verwendet, um funktionale Metallteile in unterschiedlichen Branchen zu drucken:

Anwendungen von Metallpulvern in der additiven Fertigung

Die additive Fertigung mit Metallpulvern eignet sich ideal für die Herstellung komplexer, kundenspezifischer Komponenten mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und Formen, die bei der herkömmlichen Fertigung nicht möglich sind. Die wachsende Palette der verfügbaren Metalllegierungen erweitert die Anwendungsmöglichkeiten in allen Branchen.

Kostenanalyse von Metall-Pulver

Die Art des Metallpulvers und die erforderliche Qualität haben einen erheblichen Einfluss auf die Materialkosten bei der additiven Fertigung. Einige typische Kosten für Metallpulver sind:

Preisspannen bei Metallpulvern für die additive Fertigung

Die Preise variieren je nach Legierungszusammensetzung, Partikeleigenschaften, Pulverqualität und Abnahmemenge. Die Verringerung des Materialabfalls durch Recycling von ungenutztem Pulver kann die Kosteneffizienz des Drucks mit teuren Legierungen verbessern.

Detaillierte Preisaufschlüsselung für Metallpulver

Die mit Metallpulvern verbundenen Kosten können einen erheblichen Anteil an den Gesamtkosten der additiven Fertigung ausmachen. Dieser Abschnitt enthält nähere Angaben zu den aktuellen Preisspannen für verschiedene Metalllegierungen:

Preise für Titanlegierungspulver

Die am häufigsten verwendete Ti-6Al-4V-Legierung für Luft- und Raumfahrtanwendungen liegt zwischen $250-500/kg. Höherwertige Titanlegierungen können über $800/kg kosten.

Aluminiumlegierung Pulver Preisgestaltung

Aluminiumlegierungen kosten in der Regel $80-150/kg, wobei für spezielle Zusammensetzungen und nanoverstärkte Pulver Spitzenpreise von $250-500/kg verlangt werden.

Preise für Nickellegierungspulver

Nickel-Superlegierungen reichen von $120-800/kg, je nach Legierungszusammensetzung, Partikeleigenschaften und Auftragsvolumen.

Edelmetalle, die für Schmuck und medizinische Geräte verwendet werden, erzielen sehr hohe Preise von $1500-3000/kg für Gold, Silber und Platinlegierungen.

Die Kenntnis des aktuellen Preisniveaus der gängigsten Legierungen ermöglicht eine fundierte Auswahl kostengünstiger Materialien für bestimmte Anwendungen.

Preise für Edelstahl-Pulver

Die Preise für Edelstahlpulver liegen je nach Sorte zwischen $30-200/kg. Speziellere Legierungen und Zusammensetzungen mit engeren Spezifikationen erfordern höhere Preise.

Preise für Werkzeugstahl-Pulver

Die Preise für Werkzeugstahlpulver reichen von $80-250/kg, je nach Härte, Legierungszusammensetzung und Partikeleigenschaften.

Preise für Kupferlegierungspulver

Die für ihre thermischen und elektrischen Eigenschaften verwendeten Kupfer- und Kupferlegierungspulver sind $50-150/kg.

Preise für Kobalt-Chrom-Legierungspulver

Kobalt-Chrom-Legierungen in medizinischer Qualität reichen von $170-300/kg je nach Zusammensetzung und Partikeleigenschaften.

Die Preise für Metallpulver liegen je nach Legierung, Produktionsverfahren, Qualität und Auftragsvolumen in einem breiten Spektrum. Die Kenntnis der aktuellen Marktpreise ist jedoch eine hilfreiche Orientierungshilfe bei der Produktgestaltung und Materialauswahl für die additive Fertigung.

In der additiven Fertigung gibt es zwei Hauptansätze, die Metallpulver als Ausgangsmaterial verwenden: Pulverbettschmelzverfahren und Verfahren zur gezielten Energieabscheidung. In diesem Abschnitt werden die unterschiedlichen Pulveranforderungen und -eigenschaften von Pulverbett- und Blaspulververfahren verglichen.

Pulverbettschmelzverfahren

Bei Pulverbettschmelzverfahren wie dem selektiven Lasersintern (SLS) und dem Elektronenstrahlschmelzen (EBM) wird das Metallpulver in dünnen Schichten auf einer Bauplatte verteilt und durch eine Wärmequelle selektiv Schicht für Schicht geschmolzen, um ein Teil herzustellen. Zu den wichtigsten Unterschieden bei den Pulvereigenschaften gehören:

Anforderungen an das Pulver für das Pulverbettschmelzen

Sphärische, gaszerstäubte Pulver mit kontrollierter Größenverteilung und guter Fließfähigkeit sind ideal für AM-Prozesse im Pulverbettschmelzverfahren.

Geblasenes Pulver - gerichtete Energieabscheidung

Bei DED-Verfahren wie dem Laser Engineered Net Shaping (LENS) und dem Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM) wird das Metallpulver direkt in ein Schmelzbad injiziert, das durch eine Laser- oder Elektronenstrahl-Wärmequelle erzeugt wird. Wichtige Unterschiede zwischen Pulver und Pulverbett:

Pulveranforderungen für Blown Powder DED

Beim DED-Verfahren mit geblasenem Pulver sind die Anforderungen an das Ausgangsmaterial flexibler als beim Pulverbettschmelzverfahren. Ein entscheidender Vorteil von DED ist die Möglichkeit, kostengünstigere Pulverherstellungsmethoden einzusetzen.

Überlegungen zu Qualität und Kosten des Pulvers

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Pulverbettschmelzen strengere Anforderungen an die Pulvereigenschaften stellt, um Defekte zu vermeiden und Teile mit hoher Dichte zu erhalten. Dies erfordert in der Regel die Verwendung teurerer gaszerstäubter Pulver. Das DED-Verfahren mit geblasenem Pulver bietet mehr Flexibilität bei der Verwendung preiswerterer Pulver, was sich jedoch auf die mechanischen Eigenschaften und die Genauigkeit auswirken kann. Die Größe der Teile, die Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit, die mechanische Leistung und das Budget sind die Schlüsselfaktoren bei der Auswahl eines geeigneten additiven Fertigungsverfahrens und Pulverrohstoffs.

Additive Fertigung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen

Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (MMC) mit keramischen Verstärkungen sind ein aufstrebender Bereich in der pulverbasierten additiven Fertigung. Dieser Abschnitt bietet einen Überblick über das Drucken von MMCs mit Hilfe des Pulverbettschmelzens und der gerichteten Energieabscheidung durch Blasen von Pulver.

Additive MMC-Fertigung durch Pulverbettfusion

Verstärkungsstoffe wie Karbide, Boride und Oxide können mit Metalllegierungspulvern gemischt werden, um partikelverstärkte Metallmatrix-Verbundwerkstoffe mit verbesserten Eigenschaften zu drucken:

MMC-Pulver für Pulverbettfusion AM

Allerdings können Faktoren wie unterschiedliche Schmelzpunkte, schlechte Benetzbarkeit und Agglomeration der Verstärkungen zu Defekten und Problemen beim Druck hochwertiger MMC-Teile führen. Nanoskalige Verstärkungen und maßgeschneiderte Pulvermischungs- und -verteilungsparameter sind erforderlich, um dichte, isotrope MMCs mit Pulverbettschmelzverfahren erfolgreich zu drucken.

MMC Additive Manufacturing mit geblasenem Pulver DED

Das DED-Verfahren für geblasene Pulver bietet Vorteile für den Druck von MMCs:

• Verstärkungen können direkt in die Schmelze eingespritzt werden, um Agglomerationsprobleme zu vermeiden
• Schnelles Schmelzen und Erstarren verbessert die Keramikverteilung
• Größere Partikelgrößen und höhere Verstärkungsanteile können verwendet werden

Die Kontrolle des Verstärkungsgehalts über die gesamte Bauhöhe und die gleichmäßige Verteilung bleiben jedoch eine Herausforderung. Hybride AM-Systeme, die Pulverbettschmelzen und DED kombinieren, ermöglichen es, Metalle mit hoher Dichte wie Kupfer als kontinuierliche Matrix mittels Pulverbettschmelzen zu drucken, während gleichzeitig keramische Verstärkungen injiziert werden, um Bereiche lokal zu verstärken oder zu härten.

Insgesamt ermöglicht die additive Fertigung die Herstellung komplexer netzförmiger MMC-Bauteile mit lokal maßgeschneiderten Zusammensetzungen und Eigenschaften, die bei der konventionellen Herstellung von Verbundwerkstoffen nicht möglich sind. Um das volle Potenzial des Drucks von partikelverstärkten MMCs mittels AM auszuschöpfen, ist jedoch die Entwicklung von Rohpulvern und Druckparametern, die auf bestimmte Metall-Keramik-Systeme zugeschnitten sind, unerlässlich.

FAQ zu Metallpulvern für die additive Fertigung

Hier finden Sie Antworten auf einige häufig gestellte Fragen zu Metallpulvern, die in additiven Fertigungsverfahren verwendet werden:

FAQs zu Metallpulvern für AM

F: Welches ist das am häufigsten verwendete Metallpulver für den 3D-Druck?

A: Aluminiumlegierungen, insbesondere AlSi10Mg, sind aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer Kostenvorteile gegenüber Titan- und Nickellegierungen eines der beliebtesten Metalle für pulverbasiertes AM in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und in industriellen Anwendungen.

F: Welches ist das teuerste Metallpulver?

A: Edelmetalle wie Gold, Silber und Platin haben mit $1500-3000 pro Kilogramm die höchsten Materialkosten. Titanlegierungen sind mit über $200/kg ebenfalls relativ teuer. Nickelsuperlegierungen liegen je nach Zusammensetzung bei $100-300/kg.

F: Was ist der Unterschied zwischen neuem und recyceltem Metallpulver?

A: Neupulver ist frisch hergestellter Puder, der noch nicht für den Druck verwendet wurde. Recycelter Puder ist Puder, der nach einem Druck zurückgewonnen und wiederverwendet wird. Recycelter Puder kann 20-30% billiger sein, birgt aber das Risiko von Verunreinigungen und Eigenschaftsänderungen nach mehreren Wiederverwendungszyklen.

F: Was ist bei der Bestimmung der Größenverteilung von Metallpulver entscheidend?

A: Eine enge Partikelgrößenverteilung ist für das Pulverbettschmelzverfahren AM entscheidend, um eine gleichmäßige Schichtdicke, eine hohe Packungsdichte, einen guten Fluss und eine gute Auflösung zu ermöglichen. Typische Verteilungen zielen auf D10: 20-40 Mikrometer, D50: 20-45 Mikrometer, D90 unter 100 Mikrometer.

F: Wie wirkt sich Feuchtigkeit in Metallpulver auf AM-Prozesse aus?

A: Feuchtigkeit, die von Pulverpartikeln aufgenommen wird, kann dazu führen, dass das Pulver verklumpt und der Fluss beeinträchtigt wird. Überschüssige Feuchtigkeit führt auch zu Porosität in gedruckten Teilen. Die meisten Verfahren erfordern einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 0,2 wt% durch Trocknung.

F: Welche Rolle spielt die Wiederverwertbarkeit von Pulver bei AM?

A: Die Wiederverwendung von unbenutztem Pulver nach dem Druck reduziert den Materialabfall und die Kosten, insbesondere bei teuren Legierungen. Nach der Wiederverwendung kann es jedoch zu Verunreinigungen kommen. Prozesse mit inerten Atmosphären oder Vakuum minimieren die Oxidation und verbessern die Wiederverwertbarkeit.

F: Wie werden Metallpulver mit bimodaler Verteilung bei AM verwendet?

A: Bimodale Pulver mit zwei unterschiedlichen groben und feinen Pulverfraktionen können die Packungsdichte und die Druckauflösung verbessern. Das feinere Pulver wird zwischen größeren Partikeln verpackt. Solche Pulver erfordern jedoch Fachwissen, um die richtige Mischung und Handhabung sicherzustellen.

F: Erlaubt AM die Verwendung von billigeren Pulvern geringerer Qualität als andere Verfahren?

A: Bei der DED-AM mit geblasenem Pulver können kostengünstigere Pulver aus anderen Produktionsverfahren verwendet werden, die möglicherweise nicht den strengen Spezifikationen für das Pulverbettschmelzen entsprechen. Dies kann jedoch die mechanischen Eigenschaften und die Genauigkeit im Vergleich zu gaszerstäubten Pulvern beeinträchtigen.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Metallpulver ein grundlegender Rohstoff für die Herstellung von 3D-gedruckten Metallkomponenten mittels Pulverbettschmelzen und additiver Fertigung durch gerichtete Energieabscheidung ist. Die Eigenschaften und die Qualität des Ausgangsmaterials für das Metallpulver haben einen großen Einfluss auf die Eigenschaften, die Präzision, die Oberflächenbeschaffenheit und die Leistung des fertigen Teils in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Automobilindustrie und bei industriellen Anwendungen. Gasverdüsung und Wasserverdüsung sind die wichtigsten Produktionsmethoden. Wichtige Pulvereigenschaften wie Partikelgrößenverteilung, Morphologie, Schüttdichte, Fließeigenschaften und Mikrosauberkeit müssen strenge Spezifikationen für AM-Prozesse und die Anforderungen an das Endprodukt erfüllen. Kontinuierliche Fortschritte bei der Entwicklung, Modellierung und Charakterisierung von maßgeschneiderten Metallpulvern werden entscheidend sein, um das volle Potenzial der additiven Fertigung mit Metallen zu erschließen.