Wolfram 3D-Druck: Spezifikationen, Preise, Vorteile

Pulver aus Wolfram und Wolframlegierungen ermöglichen den Druck von Bauteilen mit hoher Dichte und hervorragenden mechanischen und thermischen Eigenschaften mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF) und Electron Beam Melting (EBM). Dieser Leitfaden bietet einen Überblick über den 3D-Druck von Wolframmetallen.

Einführung in Wolfram 3D-Druck

Wolfram ist aufgrund seiner Eigenschaften ein einzigartiges Material für die additive Fertigung:

• Außergewöhnlich hohe Dichte - 19 g/cm3
• Hohe Härte und Festigkeit
• Ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit
• Hoher Schmelzpunkt von 3422°C
• Anspruchsvolle Verarbeitbarkeit und Bearbeitbarkeit

Hauptanwendungen von gedruckten Wolframteilen:

• Strahlungsabschirmung
• Komponenten für die Luft- und Raumfahrt und den Motorsport
• Strahlentherapiegeräte und Kollimatoren
• Medizinische Implantate wie Zahnpfosten
• Gegengewichte und Auswuchtkomponenten
• Elektrische Kontakte und Heizelemente

Gängige Wolframlegierungen für AM:

• Wolfram-Schwermetall-Legierungen mit Ni, Fe, Cu, Co
• Wolframkarbide
• Kaliumdotierte Wolframoxide

Reines Wolfram-Pulver

Reines Wolframpulver bietet die höchsten Dichten:

Eigenschaften:

• Dichte von 19,3 g/cm3
• Hervorragende Strahlenabschirmung und Abschirmung
• Hohe Härte bis zu 400 Hv
• Festigkeit bis zu 1200 MPa
• Schmelzpunkt von 3422°C
• Gute elektrische und thermische Leitfähigkeit

Anwendungen:

• Medizinische Strahlenabschirmung
• Röntgenkollimatoren und -apperturen
• Gegengewichte für die Luftfahrt
• Schwingungsdämpfung im Rennsport
• Elektrische Kontakte und Heizungen

Anbieter: TRU-Gruppe, Buffalo Tungsten, Midwest Tungsten

Wolfram-Schwermetalllegierungen

Wolfram-Schwerlegierungen mit Nickel, Eisen und Kupfer bieten ein ideales Gleichgewicht von Dichte, Festigkeit und Duktilität:

Gemeinsame Noten:

• WNiFe (90W-7Ni-3Fe)
• WNiCu (90W-6Ni-4Cu)
• WNi (90W-10Ni)

Eigenschaften:

• Dichte von 17-18 g/cm3
• Festigkeit bis zu 1 GPa
• Gute Korrosions- und Verschleißfestigkeit
• Hohe Temperaturbeständigkeit

Anwendungen:

• Automobil- und Motorsportkomponenten
• Luft- und Raumfahrt und Verteidigungssysteme
• Schwingungsdämpfende Gewichte
• Strahlungsabschirmung
• Medizinische Implantate wie Zahnpfosten

Lieferanten: Sandvik, TRU-Gruppe, Nanosteel

Wolframkarbide

Mit Wolframkarbidpulvern werden extrem verschleißfeste Teile gedruckt:

Typen

• WC-Co Hartmetalle mit 6-15% Kobalt
• WC-Ni-Hartmetalle
• WC-CoCr-Cermets

Eigenschaften

• Härte bis zu 1500 HV
• Druckfestigkeit über 5 GPa
• Hoher Elastizitätsmodul
• Ausgezeichnete Abrieb- und Erosionsbeständigkeit

Anwendungen

• Schneidwerkzeuge und Bohrer
• Verschleißteile und Dichtungen
• Ballistische Panzerkomponenten
• Werkzeuge für die Metallumformung und das Stanzen

Lieferanten: Sandvik, Nanosteel, Buffalo Tungsten

Dotierte Wolframoxide

Kaliumdotierte Wolframoxide wie K2W4O13 bieten einzigartige elektrische Eigenschaften:

Merkmale

• Halbleitendes Verhalten
• Durch Dotierung abstimmbare elektrische Leitfähigkeit
• Hohe Dichte von bis zu 9 g/cm3
• Hohe Strahlungsstabilität

Anwendungen

• Elektronik und elektrische Komponenten
• Elektroden, Kontakte und Widerstände
• Thermoelektrische Generatoren
• Strahlungsdetektoren

Lieferanten: Inframat Advanced Materials

Vergleich der Materialeigenschaften

Methoden zur Herstellung von Wolfram-Pulver

1. Wasserstoff-Reduktion

• Das häufigste und wirtschaftlichste Verfahren
• Mit Wasserstoff reduziertes Wolframoxid
• Unregelmäßige Morphologie des Pulvers

2. Plasma Sphäroidisierung

• Verbessert Form und Fließfähigkeit des Pulvers
• Geschehen nach der Wasserstoffreduktion
• Bietet hohe Reinheit

3. Plasma-Zerstäubung

• Hervorragende Sphärizität und Fließfähigkeit des Pulvers
• Kontrolle der Partikelgrößenverteilung
• Geringere Sauerstoffaufnahme als bei der Gaszerstäubung

4. Chemische Dampfsynthese

• Ultrafeine nanoskalige Wolfram-Pulver
• Hohe Reinheit mit kleinen Partikelgrößen
• Verwendet für Wolframoxid-Pulver

Druckertechnologie für Wolfram

Laser-Pulver-Bett-Fusion (LPBF)

• Hochleistungs-Faserlaser > 400W
• Inerte Argon-Atmosphäre
• Präzise Kontrolle des Schmelzbades entscheidend

Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

• Leistungsstarker Elektronenstrahl > 3kW
• Hochvakuum-Umgebung
• Am besten geeignet für sehr dichte Materialien

Binder Jetting

• Bindemittel für die selektive Verbindung von Pulver
• Nachbearbeitung für volle Dichte erforderlich
• Geringere Bauteilfestigkeit im Vergleich zu LPBF und EBM

LPBF und EBM ermöglichen das Drucken von Komponenten aus Wolfram mit hoher Dichte.

Technische Daten

Typische Wolframpulverspezifikationen für AM:

Die Kontrolle der Pulvereigenschaften wie Partikelgrößenverteilung und Morphologie ist entscheidend für Drucke mit hoher Dichte.

Entwicklung von Druckverfahren

Optimierung der LPBF-Prozessparameter für Wolfram:

• Vorwärmen zur Kontrolle der Rissbildung - typ. 100-150°C
• Hohe Laserleistung > 400 W mit präziser Steuerung
• Geringe Schichtdicke um 20-30μm
• Scanning-Strategien zur Minimierung von Spannungen
• Kontrollierte Abkühlung nach dem Druck

Für EBM:

• Erhitzen auf >600°C zum Sintern des Pulvers
• Hoher Strahlstrom bei geringer Punktgröße
• Langsamere Scan-Geschwindigkeiten für vollständiges Schmelzen
• Minimierung thermischer Gradienten

Zur Charakterisierung der Eigenschaften sind Testdrucke erforderlich.

Lieferanten und Preisgestaltung

• Reines Wolfram kostet ~$350 bis $850 pro kg
• Schwere Legierungen kosten ~$450 bis $1000 pro kg
• Dotierte Oxide bis zu $1500 pro kg

Der Preis hängt von der Reinheit, der Morphologie, der Pulverqualität und dem Auftragsvolumen ab.

Nachbearbeitung

Typische Nachbearbeitungsschritte für AM-Teile aus Wolfram:

• Entfernen von Stützen durch EDM oder Wasserstrahl
• Heißisostatisches Pressen zur Beseitigung von Hohlräumen
• Infiltration mit niedrigschmelzenden Legierungen
• Bearbeitungen zur Verbesserung der Oberflächengüte
• Verbindung mit anderen Komponenten, falls erforderlich

Die richtige Nachbearbeitung ist entscheidend für die Qualität des Endprodukts.

Anwendungen von gedruckten Wolframkomponenten

Luft- und Raumfahrt: Turbinenschaufeln, Satellitenkomponenten, Gegengewichte

Automobilindustrie: Auswuchtgewichte, schwingungsdämpfende Teile

Medizinische: Strahlenabschirmung, Kollimatoren, Zahnimplantate

Elektronik: Kühlkörper, elektrische Kontakte, Widerstände

Verteidigung: Strahlungsabschirmung, ballistischer Schutz

Gedruckte Wolframkomponenten ermöglichen Leistungssteigerungen in anspruchsvollen Anwendungen in allen Branchen.

Vor- und Nachteile von Tungsten AM

Vorteile

• Hohe Dichte zur Strahlenabschirmung
• Ausgezeichnete Festigkeit und Härte
• Gute thermische und elektrische Eigenschaften
• Maßgeschneiderte Geometrien
• Konsolidiert mehrere Teile

Benachteiligungen

• Schwierig und teuer in der Verarbeitung
• Sprödes Material, das Abstützungen erfordert
• Geringe Duktilität und Bruchzähigkeit
• Erfordert spezielle Ausrüstung

Fehlerbehebung bei Druckproblemen

FAQs

F: Was ist die typische Partikelgröße für Wolframdruckpulver?

A: Üblich sind 15-45 Mikrometer, wobei die Partikelgrößenverteilung bei 20-35 Mikrometer engmaschig kontrolliert wird.

F: Welcher Grad an Porosität ist bei gedruckten Wolframteilen zu erwarten?

A: Eine Porosität von weniger als 1% wird in der Regel durch Prozessoptimierung und heißisostatisches Pressen erreicht.

F: Welche Legierungen bieten ein gutes Gleichgewicht zwischen Dichte und mechanischen Eigenschaften?

A: Wolfram-Schwerlegierungen mit 6-10% Ni, Fe und Cu bieten eine hohe Dichte mit guter Duktilität und Bruchzähigkeit.

F: Welche Nachbearbeitungsschritte sind bei gedruckten Wolframteilen erforderlich?

A: Trägerentfernung, heißisostatisches Pressen, Infiltration und maschinelle Bearbeitung sind gängige Nachdruckverfahren.

F: Welche Vorwärmtemperaturen werden verwendet?

A: Bei LPBF ist ein Vorwärmen auf bis zu 150 °C üblich, um Eigenspannungen und Rissbildung zu verringern.

F: Welche Sicherheitsvorkehrungen sind beim Umgang mit Wolframpulver erforderlich?

A: Verwenden Sie geeignete PSA, vermeiden Sie das Einatmen und befolgen Sie die vom Lieferanten empfohlenen Verfahren zur sicheren Handhabung des Pulvers.

mehr über 3D-Druckverfahren erfahren

F: Welche Normen werden für die Qualifizierung von Wolframdruckpulver verwendet?

A: ASTM B809, ASTM F3049 und MPIF Standard 46 behandeln chemische Analysen, Probenahmen und Tests.

Schlussfolgerung

Wolfram und seine Legierungen ermöglichen die additive Herstellung von Bauteilen mit hoher Dichte und unübertroffener Steifigkeit, Festigkeit, Härte und thermischen Eigenschaften mit fortschrittlichen 3D-Druckverfahren wie LPBF und EBM. Aufgrund seines extrem hohen Schmelzpunkts, seiner Dichte und seiner strahlungshemmenden Eigenschaften werden gedruckte Wolframkomponenten in der Luft- und Raumfahrt, im Motorsport, in der Medizin, in der Verteidigung und in der Elektronik eingesetzt. Die anspruchsvollen Anforderungen an die Druckbarkeit und Nachbearbeitung erfordern jedoch eine strenge Prozesskontrolle und Parameteroptimierung, um eine vollständige Verdichtung und ideale Materialeigenschaften zu erreichen. Mit zunehmender Kompetenz und Erfahrung im Druck von Wolfram können dessen einzigartige Vorteile genutzt werden, um Hochleistungskomponenten herzustellen, die über die herkömmlichen Fertigungsgrenzen hinausgehen.