Top Metal-3D-Druck-Pulver 2020: Der ultimative Leitfaden

Für jedes Unternehmen, das in den Metall-3D-Druck einsteigen will, ist es entscheidend zu wissen, welche Metalle heute mit dieser Technologie verarbeitbar sind. Vom Design bis zur Fertigung sichert die richtige Materialwahl höchste Standards für das Endprodukt.
 
Um Sie mit dem aktuellen Metalle-Ökosystem für AM vertraut zu machen, erkunden wir kommerziell verfügbare Legierungen für Powder Bed Fusion, zentrale Materialanforderungen für erfolgreichen Druck und wie sich Metalleinsatz künftig entwickelt. Zuerst aber: Was ist Powder Bed Fusion?
 

Kurzer Überblick: Metall-Powder-Bed-Fusion-Technologien

 

 
Metall-Powder-Bed-Fusion (PBF) ist die etablierteste Metall-Additive-Manufacturing-Technologie heute.
 
Beim PBF werden Schichten aus Metallpulver gleichmäßig auf die Bauplattform aufgetragen und selektiv durch eine Energiequelle – Laser oder Elektronenstrahl – verschmolzen.
 
Zwei Schlüsselprozesse fallen unter Powder Bed Fusion:
 

• Selective Laser Melting (SLM) / Direct Metal Laser Sintering (DMLS)

 

• Electron Beam Melting (EBM)

 
Beim SLM wird ein leistungsstarker, feinjustierter Laser selektiv auf eine Metallpulverschicht appliziert. So werden Metallpartikel verschmolzen, um ein Bauteil zu schaffen.
 
Wichtige SLM-Anforderung: geschlossene Baukammer mit Inertgas (z. B. Argon). Dies verhindert Sauerstoffkontamination des Pulvers und hält korrekte Temperatur während des Drucks.
 
EBM funktioniert ähnlich wie SLM – Metallpulver wird ebenfalls geschmolzen für voll dichte Metallteile. Zur Vermeidung von Kontamination und Oxidation läuft EBM in Vakuumumgebung.
 
Der Schlüsselunterschied zwischen SLM/DMLS und EBM ist die Energiequelle: Statt Laser nutzt EBM einen hochenergetischen Elektronenstrahl als Wärmequelle zum Schmelzen der Metallpulverschichten.
 
Da Elektronenstrahl typischerweise leistungsstärker als Laser, wird EBM oft mit Hochtemperatur-Superlegierungen für anspruchsvollste Anwendungen wie Strahltriebwerke und Gasturbinen eingesetzt. Zudem kann EBM aufgrund der Abhängigkeit von elektrischen Ladungen nur mit leitfähigen Metallen wie Titan und Kobalt-Chrom-Legierungen genutzt werden.
 

Anforderungen an Metall-3D-Druck-Pulver

 
Für präzise, reproduzierbare Metall-AM-Produktion müssen Pulver konsistente Eigenschaften aufweisen.
 
Durch unterschiedliche Pulverherstellungsverfahren variieren Eigenschaften nach Prozess und Legierung. Wichtigste Charakteristika:
 

• Partikelgrößenverteilung (PSD): Kleinere Partikel ermöglichen feinere Auflösung von Bauteilabmessungen und Oberflächenfinish. Im PBF nutzen EBM-Systeme traditionell 45–105 µm PSD, laserbasierte Systeme meist 15–45 µm PSD.

 

• Morphologie: Glatte, regelmäßig geformte Metallpulverpartikel sind vorzuziehen. Sie packen sich gut, resultieren in dichtem Produkt mit gewünschten mechanischen Eigenschaften.

 

• Fließfähigkeit: Pulverfließfähigkeit spielt große Rolle bei homogener Pulverschichtbildung, da Pulver durch Recoater verteilt wird.

 

• Dichte: Optimale Packungsdichte während Fließens und Verarbeitung wirkt sich positiv auf Integrität und Oberflächenfinish 3D-gedruckter Teile aus. Ellipsoidale Partikel haben bessere, konsistentere natürliche oder zufällige Packung.

 

• Chemische/Phasenzusammensetzung: Erklärt, warum nicht alle Legierungen als Pulver verfügbar sind. PBF begünstigt generell schweißbare Metalle.

 

Welche Metalle lassen sich im Powder Bed Fusion 3D-drucken?

 

Stahl

 
Für AM verfügbare Legierungen: 316L, H13 Werkzeugstahl, Maraging Steel, Einsatzstahl, Edelstahl 15-5 PH, 17-4 PH, 300er-Serie, 400er-Serie, niedriglegierte Stähle

 
Stahl ist das am weitesten verbreitete und recycelte Metallmaterial der Welt. Von rostfreien und hochtemperaturbeständigen Stählen bieten diverse Formen und Legierungen unterschiedliche Eigenschaften für breite Anwendungen.
 
Im Metall-PBF gibt es heute nur etwa zehn primäre Stahllegierungen, die breit gedruckt werden. Obwohl das gedruckte Stahlsortiment im Vergleich zu traditioneller Metallbearbeitung klein ist, entwickeln Firmen wie Carpenter, Sandvik, Höganäs, GKN und Oerlikon aktiv neue Stähle für AM, um neue Märkte zu erschließen.
 
Beispielsweise hat GKN Additive Materials kürzlich neue niedriglegierte Stahlpulver für AM pioniert. Durch Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit eröffnen sie AM-Chancen in Sektoren wie Automotive, wo Skalierbarkeit und Kosten Schlüsselfaktoren sind.
 
Heute wächst der Einsatz von Stahl für Endteil-AM-Produktion, besonders in neuen 3D-Druck-Märkten wie Maritime und Automotive. Das macht Stahl zu einem Schlüssel für weitere AM-Adoption über traditionelle Medizintechnik und Luftfahrt hinaus.
 
Diese Fortschritte deuten darauf hin, dass Stähle in den kommenden Jahren sehr wahrscheinlich die am weitesten verbreiteten Metall-AM-Materialien werden.
 

Aluminium

 
Für AM verfügbare Legierungen: Al-Si10Mg, AlSi12, AlSi7Mg, AlSi9Cu3, Al4047, Al-Si-Mg (F357), Scalmalloy (Al-Mg-Sc), Al-Cu-Ti-B2 (A205/A20X)
 
Aluminium ist stark, leicht und vereint hervorragende mechanische und thermische Eigenschaften. Deshalb finden Aluminiumlegierungen breiten Einsatz in Luftfahrt, Automotive und Biomedizin.
 

 
AM-Forschungsfirma SmarTech schätzt, dass Aluminium-3D-Druck 2018 etwa 10 % des gesamten Metalldrucks ausmachte. Seither gab es signifikanten Anstieg in Entwicklung und Kommerzialisierung von Aluminiumlegierungen für AM, getrieben durch Nachfrage in Luftfahrt und Automotive.
 
Beispielsweise entwickelte APWORKS mit Airbus Scalmalloy für Luftfahrtanwendungen. Das Material bietet niedrigstes Buy-to-Fly-Ratio – ein besonderer Vorteil für Luftfahrt.
 
Obwohl für Luftfahrt entwickelt, sind seine Eigenschaften auch für Motorsport attraktiv – Scalmalloy wurde kürzlich in die Liste zugelassener AM-Materialien für Formel 1 aufgenommen.
 
Viele Aluminiumlegierungen für AM bleiben jedoch sehr teuer und erfüllen Zielindustrien-Anforderungen nicht. Automotive verlangt, dass 3D-gedruckte Aluminiumteile Crashtests bestehen für Serieneinsatz.
 
Engineering-Gruppe EDAG entwickelte neue Aluminiumlegierung CustAlloy im Forschungsprojekt ‚CustoMat_3D‘, fokussiert auf AM-Anpassung für Automotive-Serienproduktion.
 
Das neue Material überwindet diese Herausforderungen durch höhere Festigkeit und höhere Dehnung bei Bruch – essenzielle Eigenschaften für Crashtest-Performance.
 

Titan

 
Grade: Ti-6Al-4V (Grad 5), Ti-6Al-4V (Grad 23), Cp-Ti (Grad 1), Cp-Ti (Grad 2), Ti-Al, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti5553, Ti6242
 
Titan hat exzellente Materialeigenschaften, aber hohe Kosten limitierten Einsatz historisch auf High-Value-Luftfahrtanwendungen.
 
Da Metall-3D-Druck zunehmend als viable Fertigungsmethode anerkannt wird, macht die Technologie Titan für Branchen wie Medizintechnik, Automotive und Motorsport zugänglicher.
 
Großes Potenzial für Titan-3D-Druck, besonders bei orthopädischen Implantaten, dank Titans Nicht-Toxizität, hoher Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
 
Mit 3D-Druck können Medizintechnikhersteller Titan-Implantate mit komplexen, porösen Strukturen fertigen. Bemerkenswert: Diese Strukturen imitieren menschlichen Knochenaufbau, sodass Knochenzellen sie als Gerüst zum Einwachsen erkennen.
 

 
Wachsende Nachfrage nach Titanpulver trieb einige Pulverhersteller zum Bau neuer Titanproduktionsanlagen und andere zur Produktionssteigerung – was Kosten des historisch sehr teuren Titanpulvers senkte.
 
Beispiel: Sandvik eröffnete Ende 2019 Pulverwerk für Titan und Nickel-Superlegierungen unter Osprey®-Marke. Im selben Jahr steigerte PyroGenesis, kanadischer Hersteller plasmatomisierter Metallpulver, Titanpulver-Produktionsrate und senkte Kosten.
 

Kupfer und Edelmetalle

 
Für AM verfügbare Legierungen: CuNi3Si, CuNi2SiCr, CuCrZr, CuAl10Fe5Ni5, Cu High Oxygen
 
Nicht alle Metalle eignen sich gut für 3D-Druck. Kupfer ist besonders herausfordernd – die meisten 3D-gedruckten Kupferteile basieren auf Kupferlegierungen, nicht Reinkupfer.
 
Reinkupfer hat Laserreflexionsrate über 90 %, Laser kann reines Kupferpulver nicht kontinuierlich und regelmäßig schmelzen.
 
Ein Weg: neue Systeme für 3D-Druck solcher Metalle entwickeln.
 
Auf Formnext 2018 demonstrierte TRUMPF Grüne-Laser-Technologie, die Reinkupfer und andere Edelmetalle drucken kann.
 
Das Unternehmen glaubt, 3D-Druck von Reinkupfer kann alternative Weg sein für leitfähige Induktoren und Wärmetauscher – nützlich für Elektronik, Automotive und Raumfahrt.
 
Bei Edelmetallen wie Gold, Silber, Platin liegt Vorteil des 3D-Drucks in Möglichkeit komplexer Designs, ideal für Schmuck, Accessoires, Dekorationsobjekte.
 
3D-Druck von Edelmetallen ist meist indirekt: Wachssmodellherstellung, dann Wachsausschmelzverfahren.
 
Direkter 3D-Druck mit Edelmetallen via PBF ist auch möglich, aber Maschinenkompatibilität begrenzt.
 

Superlegierungen

 
Superlegierungen, Familie von Metallmischungen auf Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis, widerstehen Hochtemperaturverformung, Korrosion und Oxidation, besonders nahe ihrem Schmelzpunkt.
 
Ursprünglich für Gasturbinenkomponenten in Strahltriebwerken entwickelt, finden Superlegierungen heute breiten Einsatz in Hochtemperaturanwendungen in Luftfahrt und Energieerzeugung.
 

Nickel

 
Für AM verfügbare Legierungen: Inconel 625, 718, 738, 939, Ni-Ti, Waspaloy, Hastelloy, ABD900AM, Haynes 282
 
Nickel-Legierungen wurden ab 2007 kommerziell für Metall-PBF verfügbar.
 
Aktuelle Nachfrage dominiert von Superlegierungen der Inconel-Familie – besonders IN625 und IN718 – dank signifikanter Fähigkeiten in Anwendungen mit hoher Härte, Zugfestigkeit und vor allem chemischer und Temperaturbeständigkeit.
 
Zusätzlich gibt es viele weitere Nickel-Chrom-Superlegierungen führender Metallunternehmen. Mehrere Haynes-, Hastelloy-Superlegierungen und diverse Inconel-Formen etablieren sich zunehmend.
 
Während Luftfahrt aktuell Haupttreiber für Nickel-AM ist, gibt es riesiges Potenzial für 3D-Druck von Nickel-Superlegierungen in Öl & Gas, Energie und allgemeine Industrie wie chemische Verarbeitung.
 

Kobalt

 
Für AM verfügbare Legierungen: MP1, CP2, Co-Cr, Co-Cr-MoC, 188 Cobalt Alloy, 509 Cobalt Alloy, CoCr-0404, CO502, CO90, CO212, Co49Fe2V
 

 
Erste kommerziell verfügbare Kobalt-Superlegierungen für 3D-Druck datieren auf 2006. Seitdem wächst Materialnutzung, getrieben durch Medizintechnik- und Luftfahrt-Nachfrage.
 
Kobalt-Superlegierungen besitzen hervorragende mechanische Eigenschaften neben Korrosions- und Hochtemperaturbeständigkeit. Kobalt-Chrom-Legierung besonders geeignet für medizinische (orthopädische Implantate) und zahnmedizinische Anwendungen dank exzellenter Biokompatibilität.
 

Eisen

 
Für AM verfügbare Legierungen: Invar 36, Fe-Si, Fe-Ni
 
Wenige Metall-PBF-Systemhersteller bieten Druck von Invar 36, einer Nickel-Eisen-Legierung mit extrem niedriger thermischer Ausdehnung. Invar 36 dient Komponenten mit hoher Dimensionsstabilität über weiten Temperaturbereichen – Radio, Elektronik, Flugzeugsteuerung, Optik, Lasersysteme.
 
Höganäs, führender Metallpulverhersteller, bietet auch eisenbasierte Pulver, beständig gegen Abrieb, Verschleiß und Korrosion, unter AMPERPRINT-Marke.
 

Refraktärmetalle

 

 
Refraktärmetalle haben außergewöhnliche Eigenschaften, sind aber extrem herausfordernd in der Verarbeitung.
 
Heutige häufigste AM-Nutzung: Legieren mit Stählen, Nickel und Kobalt für beliebte Superlegierungen.
 
Aktuell bieten nur wenige Firmen Refraktärmetallpulver für AM an.
 
H.C. Starck Tantal und Niobium GmbH (jetzt TANIOBIS GmbH) ist eine solche Firma, bietet atomisierte Tantal- und Niob-(Ta/Nb)-Pulver und Legierungen für AM unter AMtrinsic-Marke.
 
Tantal und Niob, so TANIOBIS, eröffnen neue AM-Chancen durch hohe Schmelzpunkte, Korrosionsbeständigkeit, hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit.
 
Solche Eigenschaften ermöglichen AM-Einsatz in chemischer Verarbeitung, Energiesektor und Hochtemperaturumgebungen.
 

Stetig wachsendes Spektrum an Metall-3D-Druck-Pulvern

 

 
Im Metall-PBF ist Materialentwicklung Work in Progress. Verfügbare Metalle für 3D-Druck bleiben begrenzt gegenüber traditioneller Fertigung wie Guss oder Zerspanung.
 
Ein Grund: Zeit und Ressourcen für neue Metallpulverentwicklung – in manchen Fällen Jahre.
 
Ein anderer Grund: Hardware-Limitationen, wie bei Kupferpulver, das andere Laserwellenlänge benötigt als andere Metalle. Glücklicherweise werden Hardware-Herausforderungen überwunden, um druckbare Metalle zu erweitern.
 
Trotz Herausforderungen sieht Zukunft von Metall-PBF vielversprechend aus, da Produktionsadoption wächst und mehr Branchen Technologie umarmen. Das bedeutet verstärkten Fokus auf neue Materialchemistrien, die neue Anwendungen erschließen und Metall-3D-Druck auf nächstes Level heben.