Einführung
Die 3D-Drucktechnologie hat die Fertigungsprozesse in allen Branchen revolutioniert und ermöglicht ein schnelles Prototyping und die Herstellung komplizierter, leichter Komponenten. Eines der am häufigsten verwendeten Materialien für den 3D-Metalldruck ist Aluminium aufgrund seines guten Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht, seiner Korrosionsbeständigkeit, seiner hervorragenden thermischen und elektrischen Leitfähigkeit und seiner einfachen Nachbearbeitung.
Unter den verschiedenen Aluminiumlegierungen, 7050 Aluminiumlegierung Pulver erfreut sich zunehmender Beliebtheit für 3D-Druckanwendungen, die eine hohe Festigkeit und mittlere Zähigkeit erfordern. 7050-Aluminium enthält Zink, Magnesium und Kupfer als wichtigste Legierungselemente und bietet Festigkeiten, die mit denen einiger Stähle vergleichbar sind. Dieser Artikel gibt einen Überblick über 7050-Aluminiumlegierungspulver und seine Anwendungen im 3D-Druck.
Überblick über Aluminiumlegierungspulver 7050
Das Pulver aus der Aluminiumlegierung 7050 wurde in den 1950er Jahren ursprünglich für hochfeste Flugzeugstrukturen entwickelt. Sie ist Teil der 7xxx-Reihe von Aluminiumlegierungen, die für ihre höchste Festigkeit unter allen Aluminiumlegierungen bekannt sind.
Die typische Zusammensetzung von Aluminiumlegierungspulver 7050 ist:
- Zink: 6,2%
- Magnesium: 2,3%
- Kupfer: 2,2%
- Eisen: 0,15%
- Silizium: 0,12% Silizium: 0,12
- Mangan: 0,10%
- Chrom: 0,05 %.
- Zirkonium: 0,25%.
Die wichtigsten Legierungselemente, Zink und Magnesium, sorgen für Festigkeit durch Ausscheidungshärtung, während Kupfer die Korrosionsbeständigkeit verbessert. Zirkonium wird zur Steuerung der Kornstruktur hinzugefügt.
Die wichtigsten Eigenschaften von Aluminiumlegierungspulver 7050 sind:
- Hohe Festigkeit – Streckgrenze von 500 MPa und Zugfestigkeit von 570 MPa im Zustand T651.
- Gute Bruchzähigkeit – Etwa 33 MPa√m im Zustand T7351.
- Ausgezeichnete Ermüdungsfestigkeit – Ermüdungsfestigkeit von etwa 310 MPa bei 107 Zyklen im Zustand T7351.
- Gute Korrosionsbeständigkeit – Aufgrund der Kupferlegierung.
- Mittlere Dichte – Etwa 2,83 g/cm3.
- Hervorragende Bearbeitbarkeit und Dimensionsstabilität bei der Wärmebehandlung.
Die Kombination aus hoher Festigkeit, guter Zähigkeit und mäßiger Dichte macht 7050 zu einer idealen Wahl für Strukturteile und Komponenten, die auf Gewichtseinsparung ausgerichtet sind.
Vorteile der 7050-Aluminiumlegierung für den 3D-Druck
Die Aluminiumlegierung 7050 bietet mehrere Vorteile, die sie für 3D-Druckanwendungen geeignet machen:
Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis
Die relativ hohe Festigkeit in Verbindung mit einer mittleren Dichte ergibt ein ausgezeichnetes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht für 7050 Aluminium. Dies ermöglicht die Konstruktion leichter 3D-gedruckter Teile mit ausreichenden mechanischen Eigenschaften.
Die hohe Festigkeit von 7050 ermöglicht den 3D-Druck von Bauteilen, die hohen Belastungen, Drücken und Betriebslasten standhalten müssen. Gleichzeitig führt die geringere Dichte im Vergleich zu Stählen und Titanlegierungen zu Gewichtseinsparungen.
Gute Druckbarkeit
Die 7050-Pulverpartikel können mit geeigneten Zerstäubungstechniken optimal in eine sphärische oder nahezu sphärische Morphologie gebracht werden. Dies ermöglicht einen reibungslosen Fluss des Pulvers und eine gleichmäßige Verteilung der Pulverschichten während des 3D-Drucks.
Die hervorragende Wärmeleitfähigkeit von Aluminium verhindert auch Probleme wie Verzug und Eigenspannungen während des Drucks. Dies führt zu einer guten Bedruckbarkeit und Maßhaltigkeit der gedruckten Pulverteile aus 7050 Aluminiumlegierung.
Wärmebehandelbarkeit
Das Pulver aus der Aluminiumlegierung 7050 kann wärmebehandelt werden, um die gewünschten Eigenschaften wie hohe Festigkeit zu erzielen. Der Druck im geglühten Zustand und die anschließende Wärmebehandlung nach dem Druck ermöglichen die Anpassung der Eigenschaften an die Anforderungen der Anwendung.
Durch Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern kann eine optimale Festigkeit in den Zuständen T6 und T7 erreicht werden. Durch Kaltumformung zwischen den Alterungszyklen von 7050 kann die Streckgrenze auch auf über 550 MPa erhöht werden.
Korrosionsbeständigkeit
Die Zugabe von Kupfer sorgt für eine gute Korrosionsbeständigkeit von 7050er Aluminium in vielen strukturellen Anwendungen. Dies macht in einigen Fällen spezielle Beschichtungen überflüssig und vereinfacht den Druck und die Nachbearbeitung.
Schweißeignung
7050 Aluminiumlegierungspulver ist besser schweißbar als viele andere hochfeste 7xxx-Legierungen. Dies ermöglicht das Verschweißen von 3D-gedruckten 7050-Teilen untereinander oder mit Komponenten, die auf herkömmliche Weise hergestellt wurden, was die Designflexibilität erhöht.
Reibrührschweißen und Wolfram-Lichtbogenschweißen können zum Verbinden von 7050er Aluminium ohne signifikanten Verlust der Eigenschaften des Grundmetalls verwendet werden.
Kosteneffizienz
Aluminiumlegierungspulver 7050 ist preiswerter als andere hochfeste Legierungen für die Luft- und Raumfahrt wie Titan. Dies macht 7050 zu einer wirtschaftlichen Wahl für viele Branchen, die Gewicht und Materialkosten reduzieren wollen.
Die gute Recyclingfähigkeit von Aluminium und die Möglichkeit der Wiederverwendung von Schrottpulver verbessern die Kosteneffizienz weiter. Das Kosten-Nutzen-Verhältnis für 3D-gedruckte Aluminiumkomponenten kann bis zu 1:1 betragen.
Anwendungen von 3D-gedruckten 7050-Aluminium-Komponenten
Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften der Aluminiumlegierung 7050 ist das Pulver für folgende Anwendungen geeignet:
Luft- und Raumfahrtanwendungen
Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist einer der führenden Anwender des 3D-Metalldrucks mit Aluminiumlegierungen. 7050-Aluminium mit seiner hohen Festigkeit, Bruchzähigkeit und Ermüdungsfestigkeit kann für den Druck der folgenden Luftraumkomponenten verwendet werden:
- Strukturelle Rahmen und Halterungen
- Luftfahrzeugdichtungen, -kanäle und -gehäuse
- Turbinenschaufeln, Wärmetauscher und Teile des Antriebsstrangs
- UAV-/Drohnenkomponenten wie Motorhalterungen und Fahrwerke
Der 3D-Druck hilft bei der Herstellung leichter Luft- und Raumfahrtteile mit optimierten Designs und komplexen Geometrien. GE und Safran verwenden die Legierung 7050 für den Druck von Triebwerksteilen und erzielen damit eine Gewichtseinsparung von 50 % gegenüber der herkömmlichen Fertigung.
Automobilteile
Aluminiumlegierungen wie 7050 können schwere Stahlteile in Automobilen ersetzen und zur Gewichtsreduzierung beitragen. Einige Beispiele für 3D-gedruckte Automobilteile aus 7050-Aluminium sind:
- Fahrwerk, Antriebsstrang und Aufhängungskomponenten wie Querlenker
- Felgen
- Bremssättel und Bremsscheiben
- Getriebekästen und -gehäuse
- Wärmetauscher und Ladeluftkühler
Der 3D-Druck ermöglicht die Konsolidierung von mehrteiligen Baugruppen zu einzelnen gedruckten Komponenten für Autos. Ford und Bugatti haben 3D-gedruckte Aluminium-Autoteile für Renn- und Serienfahrzeuge getestet.
Unterhaltungselektronik
Die Unterhaltungselektronikindustrie nutzt den 3D-Druck für leichte, hochfeste Gehäuse, Rahmen und Wärmeableitungsteile in Produkten wie:
- Laptops, Mobiltelefone, Tablets, Wearables
- Desktop-3D-Drucker und Computer-Hardware
- Spielkonsolen und Zubehör
- Hochwertige Audio-/Videogeräte
Apple verwendet für das Gehäuse der Mac Pro Laptops eine 7050 Aluminiumlegierung, die im 3D-Druckverfahren durch selektives Lasersintern hergestellt wird, um die Festigkeit und das Wärmemanagement zu optimieren.
Robotik-Komponenten
Verschiedene Aktuatoren, Teile des Antriebsstrangs, Gelenke, Halterungen und Endeffektoren in Robotern können aus Aluminiumlegierungen 3D-gedruckt werden, um ein geringes Gewicht und eine hohe Festigkeit bei dynamischen Belastungen zu erreichen. 7050 Aluminiumlegierungspulver eignet sich für Roboterteile in:
- Industrieroboter
- Kollaborative Roboter
- Exoskelette
- UAVs und Drohnen
- Weltraumroboter und Rover
Medizinische Geräte
3D-gedruckte chirurgische Instrumente, Zahnimplantate, Prothetik und medizinische Werkzeuge aus Aluminium 7050 bieten die erforderliche Festigkeit für tragende Anwendungen und sind gleichzeitig biokompatibel.
Verteidigungsausrüstung
Die Verwendung von 3D-gedruckten 7050-Komponenten zur Gewichtsreduzierung von Militärfahrzeugen und -ausrüstung wie Flugzeugträgern, Panzern und Artillerie verbessert die Mobilität. Aluminiumpanzer können auch Schutz bieten und gleichzeitig Gewicht gegenüber herkömmlichen Stahlpanzern einsparen.
Prozessparameter für den 3D-Druck von 7050-Aluminium
Das am besten geeignete 3D-Druckverfahren für Aluminiumlegierungen ist das Pulverbettschmelzen, bei dem eine fokussierte Wärmequelle wie ein Laser- oder Elektronenstrahl eingesetzt wird, um Pulverpartikel selektiv zu schmelzen und Schicht für Schicht zu verschmelzen.
Die verschiedenen Pulverbett-Technologien, die für 7050 Aluminium verwendet werden, sind:
- Direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS)
- Selektives Laserschmelzen (SLM)
- Elektronenstrahlschmelzen (EBM)
Der typische Bereich der Prozessparameter für 7050 Aluminium sind:
Laser und Optik
- Laserleistung: 100-500 W
- Laserabtastgeschwindigkeit: 100-1000 mm/s
- Abstand der Schraffuren: 0,1-0,2 mm
- Schichtdicke: 20-100 μm
Pulverbett
- Teilchengröße des Pulvers: 15-45 μm
- Temperatur des Pulverbettes: Raumtemperatur für SLM/DMLS, 600-850°C für EBM
Inerte Atmosphäre
- Sauerstoffgehalt unter 0,1% für SLM/DMLS
- Vakuum für EBM
Beim DMLS/SLM trägt die Vorwärmung bis knapp unter den Schmelzpunkt, d. h. auf etwa 500 °C, zur Verringerung der Eigenspannungen bei. Die erhöhte Pulverbetttemperatur beim EBM minimiert ebenfalls die Spannungen.
Die Ausrichtung der Teile, die Stützstrukturen und die Scan-Strategien beeinflussen zusätzlich die Eigenspannungen und die Druckqualität. Sowohl SLM als auch EBM ermöglichen den schnellen Druck von dichten 7050-Aluminiumteilen mit Eigenschaften, die denen der traditionellen Fertigung nahe kommen.
Nachbearbeitung von 3D-gedruckten 7050-Aluminiumteilen
Nach dem Druck werden in der Regel die folgenden Nachbearbeitungsschritte durchgeführt:
- Entnahme aus der Bauplatte: Traditionelle Verfahren wie Bandsägen, Schneiden und Funkenerosion. Durch die Verwendung von Schnittstellen wie Trennschichten wird das Lösen der Teile erleichtert.
- Entfernung der Stütze: Die Stützen werden mit Zangen, Scheren oder durch Auflösen in Laugenbädern entfernt.
- Wärmebehandlung: Zur Erzielung der gewünschten mechanischen Eigenschaften und des gewünschten Gefüges. Bei 7050 umfasst dies die Lösungsbehandlung, das Abschrecken und die Alterung.
- Oberflächenbehandlung: Beseitigung von Oberflächenunregelmäßigkeiten durch Techniken wie Sandstrahlen, Schleifen, Linieren und Polieren. Shot Peening kann auch zur Erzeugung von Druckspannungen eingesetzt werden.
- Qualitätskontrolle: Stellt sicher, dass die Abmessungen, Toleranzen und endgültigen Materialeigenschaften den vorgegebenen Anforderungen entsprechen. Es werden Prüfverfahren wie Koordinatenmesstechnik, Zugprüfung und zerstörungsfreie Prüfung eingesetzt.
- Teil-Zertifizierung: Validiert die Qualität von Luftfahrtteilen, um die Einhaltung der gesetzlichen Normen in der Luft- und Raumfahrtindustrie zu gewährleisten. Reduziert die Vorlaufzeit im Vergleich zu herkömmlichen Arbeitsabläufen drastisch.
Die Automatisierung von Nachbearbeitungsvorgängen verbessert die Wiederholbarkeit und verkürzt die Gesamtproduktionszeit der Teile. Die Integration von Druck und Nachbearbeitung in einer einzigen Werkzeugmaschine ist ein neuer Trend.
Vorteile und Herausforderungen des 3D-Drucks von 7050-Aluminium
Zu den wichtigsten Vorteilen des 3D-Drucks von 7050-Aluminiumteilen gehören:
- Gewichtsreduzierung – Reduziert das Gewicht um über 50 % im Vergleich zu Stahlteilen, verbessert die Kraftstoffeffizienz
- Kosteneffizienz – Niedrigere Kosten im Vergleich zu Titanlegierungen, geringere Ausschussverluste
- Teil Konsolidierung – Ermöglicht komplexe, optimierte Geometrien, kombiniert Baugruppen zu Einzelteilen
- Schnelle Fertigung – Deutlich kürzere Vorlaufzeiten, beschleunigte Produktentwicklung
- Hohe Festigkeit – Mechanische Eigenschaften übertreffen herkömmlich hergestelltes Aluminium
- Personalisierung – Ermöglicht Teile mit kundenspezifischen Konstruktionsmerkmalen
- Nachhaltigkeit – Wiederverwendung von Aluminiumpulver, relativ umweltfreundlich
Allerdings sind einige Herausforderungen zu berücksichtigen:
- Hohe Ausrüstungskosten – Drucker, Pulverhandlingsysteme erfordern große Investitionen
- Prozess-Optimierung – Mehrere Parameter müssen für eine hohe Druckqualität angepasst werden
- Materielle Qualifikationen – Mechanische Eigenschaften hängen vom optimierten Druckverfahren ab
- Nachbearbeitung – erfordert mehrere Schritte, ist zeit- und kostenintensiv
- Beschränkungen der Teilegröße – Begrenzt durch die Abmessungen des Druckerumschlags
- Oberflächengüte – Kann traditionelle Bearbeitung oder andere Endbearbeitung erfordern
Insgesamt überwiegen bei den meisten Anwendungen die Vorteile der Leichtbauweise, der Teilekonsolidierung und der Designflexibilität die oben genannten Herausforderungen.
Zukunftsaussichten für den 3D-Druck von Pulver aus 7050 Aluminiumlegierungen
Die Verwendung von leichten, hochfesten Aluminiumlegierungen wird im 3D-Druck in der Luftfahrt, der Automobilindustrie und anderen Branchen, die auf Leichtbau setzen, voraussichtlich exponentiell zunehmen.
Innerhalb der Aluminiumlegierungen wird 7050 aufgrund seiner überlegenen Festigkeitseigenschaften, die denen von Stahl nahe kommen, in Kombination mit einer moderaten Dichte immer mehr Anwendungen finden. Prognosen zufolge werden Aluminiumlegierungen bis 2025 mehr als 25 % der insgesamt produzierten AM-Metallteile ausmachen.
Die wichtigsten Trends, die die Verbreitung des 3D-Drucks von 7050-Aluminium fördern werden, sind:
- Prozessverbesserungen – Parameteroptimierung, integrierte Nachbearbeitung und Qualitätskontrolle werden den 3D-Druck auf Augenhöhe mit der traditionellen Fertigung ermöglichen.
- Kostensenkungen – Produktivitätssteigerungen, Verbesserungen in der Lieferkette und Recycling werden die Kosten senken.
- Neue Anwendungen Innovationen in Bereichen wie Medizin, Marine, Raumfahrt und Verteidigung werden die Nachfrage nach 3D-gedruckten Aluminiumteilen steigern.
- Erweiterte Möglichkeiten Größere Produktionsvolumina, der Druck mehrerer Materialien und eine schnelle Zertifizierung werden Anwendungen erleichtern.
- Integration der Automatisierung Die Einbettung des 3D-Drucks in das Ökosystem der digitalen Fertigung wird die Akzeptanz verbessern.
Langfristig wird sich der 3D-Druck mit 7050-Aluminiumlegierungspulver aufgrund seiner einzigartigen Vorteile in mehreren Industriezweigen durchsetzen.
Schlussfolgerung
Die Aluminiumlegierung 7050 bietet eine optimale Kombination aus hoher Festigkeit, Bruchzähigkeit, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit, die für strukturelle und tragende Komponenten in der Luftfahrt, der Automobilindustrie und anderen anspruchsvollen Anwendungen erforderlich ist.
Der 3D-Druck mit 7050-Aluminiumpulver ermöglicht komplexe Geometrien, leichte Strukturen und eine schnelle Fertigung, die mit herkömmlichen Verfahren nicht zu erreichen ist. Er bietet erhebliche Möglichkeiten zur Gewichtsreduzierung, Kosteneinsparung, Verkürzung der Vorlaufzeit und Designflexibilität in zahlreichen Branchen.
Durch die kontinuierliche Verbesserung der 3D-Druckverfahren, der Materialeigenschaften, der Qualitätsstandards und der Bauteilzertifizierung wird die Aluminiumlegierung 7050 in den kommenden Jahren zu einem hochgeschätzten Material für die digitale Fertigung. Seine Anwendungen werden aufgrund der Motivation für Leichtbau in den Bereichen Transport, Verteidigung, Konsumgüter und Industrie weiter steigen.