Welche Metall-3D-Druckpulver können Sie im Jahr 2020 verwenden? [Leitfaden]

Für jedes Unternehmen, das in den 3D-Metalldruck eintauchen möchte, ist es wichtig zu wissen, welche Metalle heute mit dieser Technologie verwendet werden können. Vom Design bis zur Herstellung gewährleistet die Auswahl der richtigen Materialien den höchstmöglichen Standard für das Endprodukt.

Um Sie mit dem aktuellen Metall-Ökosystem für AM vertraut zu machen, untersuchen wir kommerziell erhältliche Legierungen für die Pulverbettschmelze, die wichtigsten Materialanforderungen für erfolgreiches Drucken und wie sich die Verwendung von Metallen in Zukunft entwickeln wird . Aber lassen Sie uns zuerst untersuchen, was Powder Bed Fusion ist.

Kurzer Überblick über die Technologien der Pulverbettfusion aus Metall

Metal Powder Bed Fusion (PBF) ist heute die am weitesten verbreitete Technologie der additiven Metallfertigung (AM).

Bei PBF werden Metallpulverschichten gleichmäßig auf der Bauplattform einer Maschine verteilt und von einer Energiequelle – entweder einem Laser oder einem Elektronenstrahl – selektiv verschmolzen.

Zwei wichtige Metall-3D-Druckverfahren fallen in die Kategorie Powder Bed Fusion: 

• Selektives Laserschmelzen (SLM) / Direktes Metall-Lasersintern (DMLS)
• Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

Beim SLM wird ein leistungsstarker, fein abgestimmter Laser selektiv auf eine Schicht aus Metallpulver aufgebracht. Auf diese Weise werden Metallpartikel zu einem Teil verschmolzen.

Eine wichtige Voraussetzung für SLM ist eine geschlossene Baukammer, die mit Inertgas wie Argon gefüllt ist. Dies verhindert eine Sauerstoffkontamination des Metallpulvers und hilft, die richtige Temperatur während des Druckprozesses aufrechtzuerhalten.

EBM funktioniert ähnlich wie SLM, indem auch die Metallpulver geschmolzen werden, um ein vollständig dichtes Metallteil zu erzeugen. Um eine Kontamination und Oxidation des Pulvers zu verhindern, findet der EBM-Prozess in einer Vakuumumgebung statt.

Der entscheidende Unterschied zwischen SLM/DMLS- und EBM-Technologien ist die Energiequelle:EBM-Systeme verwenden anstelle eines Lasers einen Hochleistungselektronenstrahl als Wärmequelle, um Metallpulverschichten aufzuschmelzen.

Da ein Elektronenstrahl in der Regel leistungsstärker ist als ein Laser, wird EBM häufig mit Hochtemperatur-Metallsuperlegierungen verwendet, um Teile für sehr anspruchsvolle Anwendungen wie Düsentriebwerke und Gasturbinen herzustellen. Da die Technologie auf elektrische Ladungen angewiesen ist, kann EBM außerdem nur mit leitfähigen Metallen wie Titan und Chrom-Kobalt-Legierungen verwendet werden.

Anforderungen an Metall-3D-Druckpulver

Um eine genaue und reproduzierbare Metall-AM-Produktion zu gewährleisten, müssen Metallpulver konsistente Eigenschaften aufweisen.

Aufgrund der unterschiedlichen Pulverherstellungsverfahren unterscheiden sich die Pulvereigenschaften je nach Verfahren und Legierung. Einige der wichtigsten Eigenschaften sind:

• Partikelgrößenverteilung (PSD) :Kleinere Partikel ermöglichen eine feinere Auflösung der Teileabmessungen und der Oberflächengüte. Innerhalb von PBF verwenden EBM-Systeme traditionell eine PSD von 45–105 µm, während die meisten laserbasierten Systeme eine PSD von 15–45 µm benötigen.

• Morphologie :Glatte, regelmäßig geformte Metallpulverteilchen sind bevorzugt. Dadurch können sie gut verpackt werden, was zu einem dichten Produkt mit guten und gewünschten mechanischen Eigenschaften führt.

• Fließfähigkeit :Die Fließfähigkeit des Pulvers spielt eine große Rolle bei der Bildung einer homogenen Pulverschicht, da das Pulver vom Beschichter verteilt wird.

• Dichte :Die optimale Packungsdichte des Pulvers während des Fließens und der Verarbeitung wirkt sich positiv auf die Integrität und Oberflächengüte von 3D-gedruckten Teilen aus. Ellipsoide Partikel hätten eine bessere und konsistentere natürliche oder zufällige Packung.

• Chemie-/Phasenzusammensetzung :Dies erklärt, warum nicht alle Legierungen als Pulver erhältlich sind. PBF bevorzugt generell schweißbare Metalle.

Welche Metalle können in Powder Bed Fusion in 3D gedruckt werden?

Stahl 

Legierungen für AM verfügbar :316L, H13 Werkzeugstahl, Maraging-Stahl, Einsatzstahl, Edelstahl 15-5 PH, Edelstahl 17-4 PH, Edelstahl 300er Serie, Edelstahl 400er Serie, Niedriglegierte Stähle 

Stahl ist sowohl das am häufigsten verwendete als auch am meisten recycelte Metallmaterial der Erde. Von rostfreien und hochwarmfesten Stählen bietet Stahl in seinen verschiedenen Formen und Legierungen unterschiedliche Eigenschaften, um einem breiten Anwendungsspektrum gerecht zu werden.

In Metall PBF gibt es nur etwa zehn primäre Stahllegierungen, die weit verbreitet sind heute. Obwohl ein Satz gedruckter Stähle heute im Vergleich zu herkömmlichen Metallbearbeitungstechnologien recht klein ist, entwickeln Unternehmen wie Carpenter, Sandvik, Hoganas, GKN und Oerlikon aktiv neue Stähle für AM, um neue Märkte zu erschließen.

GKN Additive Materials hat beispielsweise kürzlich Pionierarbeit bei neuen niedriglegierten Stahlpulvern für AM geleistet. Aufgrund ihrer Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit eröffnen niedriglegierte Stahlpulver neue Möglichkeiten für AM in Sektoren wie der Automobilindustrie, in denen Skalierbarkeit und Kosten entscheidende Faktoren sind.

Heute ist die Verwendung von Stahl für End- Die Produktion von part AM wächst, insbesondere in neueren Märkten für den 3D-Druck, wie der Schifffahrt und der Automobilindustrie. Dies macht Stahl zu einem der Schlüssel zur Förderung der Einführung der Metall-AM-Technologie über die traditionelle Medizin- und Luft- und Raumfahrtindustrie hinaus.

Diese Fortschritte weisen darauf hin, dass Stähle in den nächsten Jahren sehr wahrscheinlich zu den am häufigsten verwendeten metallischen AM-Werkstoffen werden werden.

Aluminium 

Legierungen für AM verfügbar :Al-Si10Mg, AlSi12, AlSi7Mg, AlSi9Cu3, Al4047, Al-Si-Mg (F357), Scalmalloy (Al-Mg-Sc), Al-Cu-Ti-B2 (A205/A20X)

Aluminium ist ein starkes, leichtes Metall, das hervorragende mechanische und thermische Eigenschaften vereint. Aus diesen Gründen werden Aluminiumlegierungen häufig in der Luftfahrt-, Automobil- und biomedizinischen Industrie verwendet.

Das AM-Forschungsunternehmen SmarTech schätzt, dass der 3D-Druck auf Aluminium im Jahr 2018 etwa 10 Prozent des gesamten Metalldrucks ausmachte. Seitdem hat die Entwicklung und Kommerzialisierung von Aluminiumlegierungen für AM deutlich zugenommen, angetrieben durch die Nachfrage in der Luftfahrt- und Automobilindustrie.

Beispielsweise hat APWORKS in Zusammenarbeit mit Airbus Scalmalloy für Luft- und Raumfahrtanwendungen entwickelt. Das Material bietet das niedrigste Buy-to-Fly-Verhältnis, was insbesondere der Luft- und Raumfahrtindustrie zugutekommt.

Das Material wurde zwar mit Blick auf die Luft- und Raumfahrt entwickelt, seine Eigenschaften sind aber auch für den Motorsport attraktiv – deshalb Scalmalloy wurde kürzlich in die Liste der zugelassenen AM-Werkstoffe für die Formel 1 aufgenommen.

Viele Aluminiumlegierungen für AM sind jedoch nach wie vor sehr teuer und erfüllen nicht die Anforderungen der Zielindustrien. Beispielsweise verlangt die Automobilindustrie, dass 3D-gedruckte Aluminiumteile Crashtests bestehen, um für den Einsatz in Serienfahrzeugen in Betracht gezogen zu werden.

Die Ingenieursgruppe EDAG hat im Rahmen des Forschungsprojekts 'CustoMat_3D' eine neue Aluminiumlegierung namens CustAlloy entwickelt, die sich auf die Anpassung von AM für die automobile Serienproduktion konzentriert.

Das neu entwickelte Material wurde entwickelt, um diese Herausforderungen zu meistern, indem es sowohl eine höhere Festigkeit als auch höhere Bruchdehnungen bietet – wesentliche Eigenschaften, die es ermöglichen, dass 3D-gedruckte Automobilteile die neue Legierung verwenden, um in Crashtests gute Leistungen zu erbringen.

Titan 

Noten :Ti-6Al-4V (Klasse 5), Ti-6Al-4V (Klasse 23), Cp-Ti (Klasse 1), Cp-Ti (Klasse 2), Ti-Al, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo , Ti5553, Ti6242

Titan hat ausgezeichnete Materialeigenschaften, aber seine hohen Kosten haben seine Verwendung in der Vergangenheit auf hochwertige Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt beschränkt.

Jetzt, da der 3D-Metalldruck zunehmend als praktikables Herstellungsverfahren anerkannt wird, macht die Technologie Titan für Branchen wie Medizin, Automobil und Motorsport besser verfügbar.

Es gibt großartige Potenzial für den 3D-Druck von Titan, insbesondere im Bereich orthopädischer Implantate, dank der Ungiftigkeit, der hohen Festigkeit und der Korrosionsbeständigkeit von Titan.

In Verbindung mit dem 3D-Druck können Hersteller medizinischer Geräte Titanimplantate mit komplexe, poröse Strukturen. Bemerkenswerterweise imitieren diese Strukturen die Struktur menschlicher Knochen, sodass die Knochenzellen sie als Gerüst erkennen, durch das sie wachsen können.

Die wachsende Nachfrage nach Titanpulver hat einige Metallpulverhersteller dazu veranlasst, mit dem Bau neuer Titanproduktionsanlagen zu beginnen und andere dazu, ihre Produktion von Titanpulvern hochzufahren.

Beispielsweise eröffnete Sandvik Ende 2019 eine Pulverfabrik für seine Titan- und Nickelbasis-Superlegierungen unter der Marke Osprey®. Im selben Jahr eröffnete PyroGenesis, ein kanadischer Hersteller von plasmazerstäubtem Metall Pulver, seine Produktionsrate von Titanpulver erhöht, was es dem Unternehmen auch ermöglicht, die Kosten einer historisch sehr teuren Titanpulverproduktion zu senken.

Kupfer und Edelmetalle 

Legierungen für AM verfügbar :CuNi3Si, CuNi2SiCr, CuCrZr, CuAl10Fe5Ni5, Cu High Oxygen 

Nicht alle Metalle eignen sich gut für den 3D-Druck. Kupfer ist beispielsweise besonders schwierig zu drucken, da die überwiegende Mehrheit des 3D-gedruckten Kupfers derzeit auf Kupferlegierungen basiert, nicht auf dem reinen Metall.

Reines Kupfer hat eine Laserreflexionsrate von über 90 pro Cent, und es ist für den Laser schwierig, das reine Kupferpulver kontinuierlich und regelmäßig zu schmelzen.

Ein Weg nach vorn ist die Entwicklung neuer Systeme, die in der Lage sind, solche Metalle in 3D zu drucken.

Auf der Formnext 2018 zeigte TRUMPF seine grüne Lasertechnologie, mit der neben reinem Kupfer auch andere Edelmetalle gedruckt werden können.

Das Unternehmen glaubt, dass der 3D-Druck reinen Kupfers werden kann eine alternative Möglichkeit, leitfähige Induktoren und Wärmetauscher herzustellen, die besonders für Elektronik-, Automobil- und Raumfahrtanwendungen nützlich sind.

In Bezug auf Edelmetalle wie Gold, Silber und Platin der Vorteil des 3D-Drucks dieser Materialien liegt in der Möglichkeit, ein kompliziertes Design zu erzielen, ideal für Schmuck, Accessoires und Dekorationsgegenstände.

Der 3D-Druck von Edelmetallen ist jedoch in der Regel indirekt und beinhaltet die Herstellung einer Wachsform, die dann in einem Wachsgussverfahren verwendet wird.

Direkter 3D-Druck mit Edelmetallen unter Verwendung von PBF ist ebenfalls möglich, obwohl die Anzahl der mit Edelmetallen kompatiblen 3D-Druckmaschinen begrenzt ist.

Superlegierungen 

Superlegierungen, eine Familie von Metallmischungen auf Basis von Nickel, Kobalt oder Eisen, sind beständig gegen Hochtemperaturverformung, Korrosion und Oxidation, insbesondere wenn sie bei einer erhöhten Temperatur nahe ihrem Schmelzpunkt betrieben werden.

Superlegierungen, die zuerst für Gasturbinenkomponenten in Turbojet-Triebwerken entwickelt wurden, werden heute häufig für Hochtemperaturanwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Energieerzeugung eingesetzt.

Nickel 

Legierungen für AM verfügbar :Inconel 625, Inconel 718, Inconel 738, Inconel 939, Ni-Ti, Waspaloy, Hastelloy, ABD900AM, Haynes 282

Nickellegierungen wurden erstmals 2007 für den Einsatz in metallischen PBF-Prozessen kommerziell verfügbar.

Die derzeitige Nachfrage nach Nickellegierungen wird von Superlegierungen der Inconel-Familie dominiert – insbesondere von IN625- und IN718-Legierungen – dank ihrer bedeutenden Fähigkeiten bei Anwendungen, die große Härte, Zugfestigkeit und vielleicht am wichtigsten Chemikalien und Temperatur erfordern Widerstandsfähigkeit.

Neben diesen beiden Legierungen werden von führenden Metallunternehmen noch viele weitere Nickel-Chrom-Superlegierungen angeboten. Mehrere Haynes-Superlegierungen, Hastelloy-Superlegierungen und verschiedene Formen von Inconel haben sich nun mehr durchgesetzt.

Während die Luft- und Raumfahrtindustrie derzeit den Großteil der Nachfrage nach additiver Fertigung auf Nickelbasis antreibt, besteht ein enormes Potenzial für den 3D-Druck von Nickel-Superlegierungen in den Segmenten Öl und Gas, Energie und allgemeine Industrie, wie z chemische Verarbeitung.

Kobalt

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

Die Markteinführung der ersten kommerziell erhältlichen Kobalt-Superlegierungen für den 3D-Druck geht auf das Jahr 2006 zurück. Seitdem wächst die Verwendung des Materials, angetrieben durch die Nachfrage in der Medizin- und Luft- und Raumfahrtindustrie.

Kobalt-Superlegierungen besitzen neben Korrosions- und Hochtemperaturbeständigkeit hervorragende mechanische Eigenschaften. Kobalt-Chrom-Legierung eignet sich besonders für medizinische (orthopädische Implantate) und dentale Anwendungen, da sie eine ausgezeichnete Biokompatibilität aufweist.

Eisen 

Legierungen für AM verfügbar :Invar 36, Fe-Si, Fe-Ni

Einige Hersteller von Metall-PBF-Systemen bieten die Möglichkeit, Invar 36, eine Nickel-Eisen-Legierung, die sich durch ihre extrem geringe Wärmeausdehnung auszeichnet, zu drucken. Invar 36 wird in Komponenten verwendet, die eine hohe Dimensionsstabilität über einen weiten Temperaturbereich erfordern, wie beispielsweise in Funk- und Elektronikgeräten, Flugzeugsteuerungen, optischen und Lasersystemen.

Höganäs, einer der führenden Hersteller von Metallpulvern, bietet unter seiner Marke AMPERPRINT auch eine Reihe von abrieb-, verschleiß- und korrosionsbeständigen Pulvern auf Eisenbasis an.

Feuerfeste Metalle 

Feuerfeste Metalle haben außergewöhnliche Eigenschaften, sind aber gleichzeitig extrem anspruchsvoll zu bearbeiten.

Refraktäre Metalle werden heute am häufigsten in AM zum Legieren mit Stählen, Nickel und Kobaltmaterialien verwendet, um viele beliebte Superlegierungen herzustellen.

Derzeit bieten nur wenige Unternehmen Refraktärmetallpulver für AM an.

H.C. Starck Tantalum and Niobium GmbH, die kürzlich in TANIOBIS GmbH umbenannt wurde, ist ein solches Unternehmen, das eine Reihe von zerstäubten Tantal- und Niobium (Ta/Nb)-Pulvern und deren Legierungen anbietet, die für AM unter dem Markennamen AMtrinsic entwickelt wurden.

Tantal und Niob, glaubt TANIOBIS, werden aufgrund ihrer hohen Schmelzpunkte, ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit und ihrer hohen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit neue Möglichkeiten in der AM eröffnen.

Eigenschaften wie diese würden es Unternehmen ermöglichen, AM in der chemischen Verarbeitung, im Energiesektor und in einer Reihe von Hochtemperaturumgebungen anzuwenden.

Das ständig wachsende Sortiment an Metall-3D-Druckpulvern

Bei Metall-PBF ist die Materialentwicklung ein Work in Progress. Die Anzahl der verfügbaren Metalle für den 3D-Druck bleibt im Vergleich zur traditionellen Fertigung wie Gießen oder Zerspanen begrenzt.

Ein Grund dafür ist der Zeit- und Ressourcenaufwand für die Entwicklung neuer Metallpulver für AM – der Entwicklungsprozess kann teilweise mehrere Jahre dauern.

Ein weiterer Grund liegt in den Hardwarebeschränkungen, wie im Fall des Kupferpulvers, das im Vergleich zu anderen Metallen eine andere Laserwellenlänge erfordert, um erfolgreich gedruckt zu werden. Glücklicherweise werden Hardwareherausforderungen gemeistert, um den Anwendungsbereich druckbarer Metalle weiter zu erweitern.

Trotz der Herausforderungen sieht die Zukunft von Metall-PBF rosig aus, da der Einsatz in der Produktion zunimmt und immer mehr Industrien die Technologie annehmen. Dies bedeutet einen verstärkten Fokus auf neue Materialchemien, die dazu beitragen werden, neue Anwendungen zu erschließen und den Metall-3D-Druck auf die nächste Stufe zu heben.