Additive Fertigungsmaterialien aus Metall: Zusammensetzung, Eigenschaften, Anwendungen

Additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, revolutioniert die Fertigung in allen Branchen, von der Luft- und Raumfahrt bis hin zu medizinischen Geräten. Ein wichtiger Bereich des Fortschritts ist der 3D-Druck von Metallen, mit dem komplexe Metallteile direkt aus 3D-CAD-Modellen hergestellt werden können, ohne dass teure Werkzeuge oder Formen erforderlich sind.

Die additive Fertigung von Metallen erfordert spezielle Geräte und Materialien, um die extremen Temperaturen zu erreichen, die zum Schmelzen und Verschmelzen von Metallpulvern zu festen Objekten erforderlich sind. Die gebräuchlichsten 3D-Drucktechnologien für Metall sind heute das Pulverbettschmelzen, die gerichtete Energieabscheidung, das Binder-Jetting und die Blechlaminierung.

Die Materialeigenschaften der im 3D-Metalldruck hergestellten Teile hängen stark von der Zusammensetzung und den Eigenschaften der verwendeten Metallpulver und -legierungen ab. Dieser Artikel bietet einen Überblick über die gebräuchlichsten Materialien für die additive Fertigung aus Metall, ihre Eigenschaften, Anwendungen und Anbieter.

Arten von Materialien für die additive Fertigung von Metallen

Für den pulverbasierten 3D-Druck steht eine breite Palette von Metalllegierungen zur Verfügung. Zu den am häufigsten verwendeten gehören:

Diese Basismaterialien können in verschiedenen Kombinationen gemischt und legiert werden, um spezifische Materialeigenschaften zu erzielen, die für unterschiedliche Anwendungen benötigt werden.

Eigenschaften von Materialien für die additive Fertigung von Metallen

Zu den wichtigsten Eigenschaften von Metallpulvern, die in der additiven Fertigung verwendet werden, gehören:

Partikelgrößenverteilung

• Die Partikelgröße des Pulvers beträgt in der Regel 15-45 Mikrometer für das Pulverbettschmelzen.
• Kleinere Partikel <15 Mikrometer verbessern die Dichte, verringern aber die Fließfähigkeit.
• Größere Partikel >45 Mikrometer verringern die Präzision und Oberflächengüte.
• Die gleichmäßige Größenverteilung ermöglicht eine optimale Packungsdichte.

Morphologie und Form

• Die kugelförmige Form des Pulvers ermöglicht einen reibungslosen Fluss und eine gleichmäßige Verpackung.
• Unregelmäßige Formen können zu einer schlechten Schüttdichte und Gleichmäßigkeit des Pulverbettes führen.

Fließfähigkeit

• Das Pulver muss sich gleichmäßig über das Pulverbett verteilen, damit gleichmäßige Schichten entstehen.
• Die Fließfähigkeit wird durch Form, Größenverteilung und Oberflächentextur bestimmt.
• Zur Verbesserung des Pulverflusses können Fließmittel zugesetzt werden.

Dichte

• Eine höhere Packungsdichte des Pulvers führt zu einer geringeren Porosität der gedruckten Teile.
• Scheinbare Dichte typischerweise 40-60% der tatsächlichen Feststoffdichte.
• Die Klopfdichte zeigt den Durchfluss und die Packungseffizienz an.

Reinheit

• Die hohe Reinheit reduziert Defekte und Verunreinigungen.
• Der Sauerstoff- und Stickstoffgehalt wird unter 100 ppm gehalten.
• Minimale Satelliten (kleine Partikel, die an größeren Partikeln hängen).

Feuchtigkeitsgehalt

• Feuchtigkeit kann zur Verklumpung des Pulvers führen und den Durchfluss verringern.
• Der Feuchtigkeitsgehalt liegt unter 0,02% nach Gewicht.
• Pulver, die in einer Vakuum- oder Inertgasatmosphäre gelagert werden.

Zusätzlich zu den Pulvereigenschaften verleihen die Zusammensetzung und die Mikrostruktur der Metalllegierungen den AM-Teilen wichtige Leistungseigenschaften:

Stärke

• Streckgrenze 500 MPa bis über 1 GPa je nach Legierung.
• Eine Wärmebehandlung kann die Festigkeit durch Ausscheidungshärtung erhöhen.

Härte

• Vickershärte von 150 HV bis über 400 HV.
• Die Härte kann durch Wärmebehandlung lokal angepasst werden.

Dichte

• Es kann eine nahezu volle Dichte von >99% erreicht werden.
• Die Restporosität hängt von den Prozessparametern ab.

Oberflächengüte

• Die bedruckte Oberfläche ist rau, 10-25 Mikrometer Ra.
• Bearbeitungen, Schleifen, Polieren für eine präzise Ausführung erforderlich.

Ermüdungsfestigkeit

• Vergleichbar mit geschmiedeten Materialien, aber anisotrop.
• Abhängig von der Bauart und den internen Mängeln.

Korrosionsbeständigkeit

• Variiert je nach Legierungszusammensetzung erheblich von niedrig bis sehr hoch.

Thermische Eigenschaften

• Leitfähigkeit und Ausdehnungskoeffizienten nahe an denen von Knetlegierungen.
• Abhängig von der Gefügeorientierung.

Elektrischer Widerstand

• Innerhalb von 10-20% von geschmiedeten Materialien.
• Eine höhere Porosität erhöht den spezifischen Widerstand.

Durch die Auswahl optimierter Pulver und Legierungen ermöglicht die Metall-AM die Herstellung von dichten Teilen mit mechanischen Eigenschaften, die in vielen Fällen mit denen der traditionellen Fertigung vergleichbar sind. Allerdings bleiben die Eigenschaften je nach Baurichtung anisotrop.

Additive Fertigung von Metallwerkstoffen Anwendungen

Zu den wichtigsten Anwendungen, die von der additiven Fertigung von Metallen profitieren, gehören:

Luft- und Raumfahrt: Komplexe Komponenten für Strahltriebwerke, Raketen und Hyperschallfahrzeuge. Geringeres Gewicht, höhere Leistung.

Medizinisch: Maßgeschneiderte orthopädische Implantate, Prothesen, chirurgische Werkzeuge. Biokompatible Metalle, die auf die Anatomie zugeschnitten sind.

Automobilindustrie: Leichtbau von Komponenten, Leistungsteilen und Werkzeugen. Erhöhte Festigkeit und Funktionsintegration.

Industriell: Endverbrauchs-Produktionsteile für Pumpen, Kompressoren, Motoren. Reduzierte Vorlaufzeit und Lagerbestand.

Verbraucher: Schmuck, Modeaccessoires, kleine Gadgets. Einzigartige, hochwertige Geometrien.

Verteidigung: Robuste Teile für den Feldeinsatz, Schutzausrüstung, Bewaffnung. Fertigung auf Abruf.

Formenbau: Konforme Kühlkanäle sorgen für höhere Produktivität. Direkter Druck von Formwerkzeugen.

Energie: Öl-/Gas-Komponenten sind korrosionsbeständig und funktionieren auch unter extremen Bedingungen.

Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften, die Genauigkeit und die Designfreiheit, die Metall-AM ermöglicht, machen es zu einem wertvollen Werkzeug für Prototypen, Werkzeuge und Produktionsteile für den Endverbraucher in vielen Branchen.

Additive Fertigung von Metallen - Prozessfähigkeiten

Die verschiedenen Metall-3D-Druckverfahren bieten unterschiedliche Möglichkeiten in Bezug auf kompatible Materialien, Teilegrößen, Genauigkeit, Oberflächengüte und mehr:

Pulverbettfusion bietet die beste Genauigkeit und Oberflächengüte, aber langsamere Geschwindigkeiten. Gezielte Energiedeposition ermöglicht es, große, nahezu netzförmige Teile schnell, aber mit geringerer Präzision zu fertigen. Bindemittelausstoß ist schneller, erfordert aber eine Infiltration für die volle Dichte. Blattlaminierung ist auf dünnere Abschnitte beschränkt.

Das optimale Verfahren hängt von den Anforderungen der Anwendung ab - wählen Sie es je nach Teilegröße, Materialoptionen, Genauigkeit, Geschwindigkeit und Nachbearbeitungsbedarf.

Beliebte Legierungssysteme für die additive Fertigung von Metallen

Im Folgenden werden einige der gängigsten Metalllegierungssysteme, die in der additiven Fertigung verwendet werden, sowie ihre wichtigsten Eigenschaften vorgestellt:

Rostfreie Stähle

Aluminium-Legierungen

Titan-Legierungen

Nickel-Legierungen

Kobalt-Chrom-Legierungen

Durch die Auswahl der optimalen Legierung für die jeweiligen Anwendungsanforderungen ermöglicht die additive Fertigung den 3D-Druck von Hochleistungsmetallteilen auf Anfrage.

Beliebte Metallpulversorten für die additive Fertigung

Die meisten großen Metallpulverhersteller bieten inzwischen optimierte Pulversorten speziell für die additive Fertigung an. Hier sind einige der am häufigsten verwendeten Sorten:

Edelstahl-Pulver

Aluminiumlegierungspulver

Pulver aus Titanlegierungen

Pulver aus Nickellegierungen

Kobalt-Chrom-Legierungspulver

Diese optimierten Pulversorten gewährleisten eine hohe Qualität und wiederholbare Leistung bei der additiven Fertigung von Metallen aus gängigen Legierungen für die Luft- und Raumfahrt, Medizin und Industrie.

Additive Fertigung von Metall - Pulverkosten

Die Kosten von Metallpulvern für AM können je nach Legierungszusammensetzung, Reinheit, Partikelgrößenverteilung, Lieferant und Einkaufsvolumen erheblich variieren:

Die Kosten für das Pulver machen bei der Metall-AM einen beträchtlichen Teil der Gesamtkosten eines Teils aus. Zu den Branchen, die AM einsetzen, gehören die Luft- und Raumfahrt, die Medizintechnik, die Automobilindustrie sowie die Öl- und Gasindustrie, wo hochwertige Legierungen die Kosten rechtfertigen. Mit steigenden Stückzahlen sinken auch die Preise. Die Wiederverwendung von Abfallpulver über Pulverrückgewinnungssysteme trägt ebenfalls zur Senkung der Gesamtkosten pro Teil bei.

Additive Fertigung von Metallen - Nachbearbeitung

Die meisten Metall-AM-Verfahren erzeugen Teile mit einer rauen Oberfläche und einer gewissen inneren Porosität. In der Regel sind zusätzliche Nachbearbeitungen erforderlich:

• Entnahme von der Bauplatte - Schneiden, Schleifen oder Drahterodieren, um Halterungen zu entfernen und Teile zu trennen.
• Oberflächenbehandlung - Bearbeitung, Schleifen, Polieren, Strahlen zur Verbesserung der Oberflächengüte.
• Stressabbau - Wärmebehandlung zum Abbau von Eigenspannungen aus der AM-Herstellung.
• Heißisostatisches Pressen - Hoher Druck, um innere Hohlräume zu beseitigen und die Dichte zu erhöhen.
• Wärmebehandlung - Ausscheidungshärtung, Alterung zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften.
• Beschichtungen - Tragen Sie bei Bedarf funktionelle Beschichtungen für Verschleiß-/Korrosionsbeständigkeit auf.

Mit der richtigen Nachbearbeitung können AM-Metallteile eine extrem hohe Dichte und präzise Oberflächengüte erreichen, die mit traditionell hergestellten Metallteilen vergleichbar sind.

Konstruktionsrichtlinien für die Additive Fertigung von Metall

Um die Vorteile der Metall-AM voll auszuschöpfen und mögliche Fallstricke zu vermeiden, empfiehlt es sich, die Designrichtlinien zu befolgen:

• Minimierung von überhängenden Strukturen, die Stützen erfordern
• Teile ausrichten, um treppenförmige Oberflächeneffekte zu reduzieren
• Verwendung von dünnen Wänden und Gittern, um Gewicht und Materialverbrauch zu reduzieren
• Konsolidierung von Baugruppen zu einzelnen komplexen Teilen
• Integration von konformen Kühlkanälen und bionischen Designs
• Interne Kanäle und Hohlräume sind selbsttragend zu gestalten
• Zugangslöcher für nicht gepuderte Bereiche zulassen
• Berücksichtigung anisotroper Eigenschaften aufgrund der Gebäudeausrichtung
• Gestalten Sie großzügige Verrundungen und Radien in Ecken

Durch die Einführung einer Design-for-AM-Mentalität können Ingenieure diese innovativen Möglichkeiten voll ausschöpfen.

Die Zukunft der additiven Fertigung von Metallen

Die additive Fertigung von Metallen hat in Bezug auf Materialien, Verfahren, Anwendungen und Akzeptanz einen langen Weg zurückgelegt. Es gibt jedoch noch erhebliche Möglichkeiten zur Verbesserung von Geschwindigkeit, Kosten, Qualität und Materialoptionen.

Hersteller von Ausrüstung entwickeln größere Bauräume und Multilasersysteme, um die Produktivität zu steigern. Geschlossene Regelkreise und fortschrittliche Qualitätskontrollsysteme werden dazu beitragen, die Konsistenz und Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Materiallieferanten konzentrieren sich auf die Qualifizierung von mehr Legierungen, die für AM optimiert sind, einschließlich Werkstoffe für höhere Temperaturen wie Nickelsuperlegierungen, Werkzeugstähle und hochschmelzende Metalle. Funktional abgestufte und zusammengesetzte Metallpulver werden eine bessere Abstimmung der Eigenschaften ermöglichen.

Software Fortschritte in den Bereichen Design, Simulation, Optimierung, maschinelles Lernen und Automatisierung werden AM für ein breiteres Publikum zugänglich machen. Systemkonnektivität und digitale Fertigungsansätze werden eine dezentralere und agilere Produktion ermöglichen.

Anwendungen wird in der Luft- und Raumfahrt für Triebwerke und Strukturbauteile weiterhin schnell wachsen. Die Akzeptanz in der Automobilindustrie, der Öl- und Gasindustrie, bei medizinischen Geräten und in der Unterhaltungselektronik wird sich angesichts sinkender Kosten beschleunigen. Schnelle Fertigung und Massenanpassung werden Realität werden.

Es ist eine aufregende Zeit in der Metall-AM-Branche, da neue Akteure und neue Innovationen in diesen wachstumsstarken Markt eintreten, der bis 2028 schätzungsweise über $15 Milliarden erreichen wird.

Additive Fertigung von Metall - FAQ

Hier finden Sie Antworten auf einige häufig gestellte Fragen zu additiven Fertigungsmaterialien und -verfahren aus Metall:

Welche Arten von Metallen können in 3D gedruckt werden?

Die meisten wichtigen industriellen Legierungen sind druckbar, darunter rostfreie Stähle, Aluminium, Titan, Nickel, Kobalt-Chrom, Werkzeugstähle, Edelmetalle wie Gold und Silber und Kupferlegierungen. Neue Legierungen werden ständig qualifiziert.

Welche Art von Genauigkeit und Ausführung kann erreicht werden?

Die Maßgenauigkeit liegt in der Regel bei ±0,1-0,3% mit Toleranzen von ±0,1-0,2 mm. Die gedruckte Oberfläche ist mit 10-25 μm Ra rau, kann aber durch Bearbeitung und Polieren deutlich verbessert werden.

Wie sind die Materialeigenschaften im Vergleich zur herkömmlichen Fertigung?

Die Mikrostruktur und die Eigenschaften der meisten additiv gefertigten Teile sind mit denen von Guss- oder Knetwerkstoffen vergleichbar. Die mechanischen Eigenschaften erfüllen oder übertreffen die Normen für Werkstoffe wie Titan und Nickellegierungen in Luft- und Raumfahrtqualität.

Wie werden die Teile nach dem 3D-Druck nachbearbeitet?

Die Nachbearbeitung umfasst die Entfernung von Stützen, Spannungsentlastung, Oberflächenbearbeitung wie CNC-Bearbeitung, Schleifen und Polieren sowie die erforderliche Wärmebehandlung. Bei einigen kritischen Anwendungen kann heißisostatisches Pressen (HIP) erforderlich sein, um innere Hohlräume zu beseitigen und die Dichte zu erhöhen.

Was sind die wichtigsten Konstruktionsprinzipien für AM-Teile aus Metall?

Zu den Konstruktionsrichtlinien gehören die Minimierung von Überhängen, die Optimierung der Bauausrichtung, die Einbeziehung von Gittern und internen Strukturen, die Verwendung dünner Wände und die Konsolidierung von Baugruppen. Die Leistung kann durch bionische und konforme Kühlungskonzepte verbessert werden.