Metallpulver für 3D-Drucker sind spezielle Metallpulver, die als Rohstoffe in verschiedenen 3D-Druckverfahren für Metalle verwendet werden. Diese Pulver ermöglichen die schichtweise Herstellung komplexer Metallteile und -komponenten mit additiven Fertigungsverfahren.
Überblick über Metallpulver für 3D-Drucker
Metallpulver aus dem 3D-Drucker weisen spezifische Eigenschaften auf, die sie im Vergleich zu herkömmlichen Metallpulvern für die additive Fertigung geeignet machen:
- Feinere Partikelgrößenverteilung
- Sphärische Morphologie
- Kontrolliertes Mikrogefüge und kristallografische Textur
- Einheitliche chemische Zusammensetzung
- Optimierte Fließfähigkeit und Packungsdichte
Dank dieser Eigenschaften lassen sich die Pulver präzise auftragen und zu präzisen Teilen mit zuverlässigen mechanischen Eigenschaften verschmelzen.
Die am häufigsten verwendeten Metallpulver sind:
- rostfreier Stahl
- Aluminium
- Titan-Legierungen
- Kobalt-Chrom
- Nickel-Superlegierungen
- Kupfer-Legierungen
Verschiedene 3D-Drucktechnologien für Metalle verwenden das Pulverbettschmelzverfahren, die gerichtete Energieabscheidung oder das Binder-Jetting-Verfahren. Die Art des Pulvers wird auf der Grundlage der Kompatibilität mit dem jeweiligen Druckverfahren ausgewählt.
Tabelle 1: Vergleich von Metall-3D-Druckverfahren
| Prozess | Beschreibung | Metals Used |
|---|---|---|
| Pulverbettfusion | Pulver, das in dünnen Schichten aufgetragen und durch Laser- oder Elektronenstrahl selektiv geschmolzen wird | Rostfreier Stahl, Aluminium, Titan, Nickel- und Kobaltlegierungen |
| Gezielte Energiedeposition | Fokussierte thermische Energiequelle schmilzt gleichzeitig eingespritztes Metallpulver | Rostfreier Stahl, Titan, Aluminium, Kobalt-Chrom-Legierungen |
| Binder Jetting | Flüssiges Bindemittel verbindet selektiv Pulverpartikel miteinander | Rostfreier Stahl, Werkzeugstahl, Bronze, Wolframkarbid |
Metallpulver-Zusammensetzungen
Im Folgenden werden einige der am häufigsten verwendeten Metalllegierungen und ihre Zusammensetzung für den kommerziellen 3D-Druck vorgestellt:
Tabelle 2: Gängige Metallpulver-Zusammensetzungen
| Legierung | Main Elements | Beispiel-Noten |
|---|---|---|
| rostfreier Stahl | Fe, Cr, Ni, Mo | 316L, 17-4PH, 15-5PH, 420 |
| Aluminium | Al, Si, Mg, Cu | AlSi10Mg, AlSi7Mg0,6, AlSi12 |
| Titan | Ti, Al, V | Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI |
| Kobalt Chrom | Co, Cr, W, Ni, Fe, Si, Mn, C | CoCr, CoCrMo |
| Nickel-Superlegierung | Ni, Cr, Co, Mo, W, Al, Ti, Ta | Inconel 625, Inconel 718 |
| Kupfer-Legierung | Cu, Zn | CuSn10, CuCr1Zr |
Die Verhältnisse der wichtigsten Legierungselemente können variiert werden, um spezifische Mikrostrukturen und maßgeschneiderte mechanische Eigenschaften zu erzielen. Zur Verbesserung der Leistung können auch Spuren von Additiven hinzugefügt werden.
Tabelle 3: Elementzusammensetzungsbereiche der gängigen Legierungen
| Legierung | Hauptbestandteile (Gew.-%) | Nebenbestandteile (Gew.-%) |
|---|---|---|
| 316L-Edelstahl | Cr 16-18, Ni 10-14, Mo 2-3 | C, Si, P, S < 0,1 |
| AlSi10Mg Aluminium | Al ausgewogen, Si 9-11, Mg 0,2-0,45 | Fe < 0,55, Mn < 0,45, Ti < 0,15 |
| Ti6Al4V Titan | Al 5,5-6,75, V 3,5-4,5 | Fe < 0,3, O < 0,2 |
| CoCrMo Kobalt-Chrom | Co bal, Cr 26-30, Mo 5-7 | Si < 1, Mn < 1, C < 0,35, Fe < 0,75 |
| Inconel 718 Nickellegierung | Ni 50-55, Cr 17-21, Nb+Ta 4,75-5,5 | Mo 2,8-3,3, Ti 0,65-1,15 |
Eigenschaften von Metallpulvern
Die Eigenschaften von Metallpulvern bestimmen die Druckqualität, die Funktionalität der Teile und die Wirtschaftlichkeit der Produktion:
Tabelle 4: Wichtige Eigenschaften von Metallpulvern für die additive Fertigung
| Eigentum | Typischer Bereich | Rolle |
|---|---|---|
| Partikelgröße | 10-75 μm | Beeinflusst Schichtdicke, Detailauflösung, Dichte |
| Morphologie | Überwiegend kugelförmig | Beeinflusst Packung, Streichfähigkeit, Fluss |
| Scheinbare Dichte | Bis zu 80 % der Feststoffe | Bestimmt die für die Herstellung von Teilen erforderliche Menge |
| Zapfstellendichte | Bis zu 90 % der festen | Zeigt die Verpackungseffizienz während der Verarbeitung an |
| Durchflussmenge | Bis zu 50 s/50g | Sicherstellung einer gleichmäßigen Verteilung des Pulvers während des Drucks |
| Chemische Reinheit | Bis zu 99,9 % Zielmetall | Vermeidet Reaktionsprodukte oder Einschlüsse |
Die Spezifikationen hängen von der genauen Teilequalität und den benötigten mechanischen Eigenschaften ab.
Für die meisten Metalle in laserbasierten Verfahren liegt die ideale Pulvergröße bei ~20-45 μm für eine optimale Teiledichte (>99%) und Oberflächengüte (Ra 5-15 μm).
Sphärische Pulver fließen und verteilen sich gleichmäßig. Unregelmäßige Formen wirken sich negativ auf die Verpackung aus und verursachen Defekte. Pulver für die Bindemittelausbringung können 10-100 μm groß sein, da kein Schmelzen stattfindet.
Höhere Schütt- und Abstichdichten führen zu einer besseren Ausnutzung des teuren Metallpulvers beim Druck. Geringere Dichten führen zu übermäßigem Ausschuss.
Ein zuverlässiger Fluss sorgt für gleichmäßige Schichten. Schlechtes Fließen führt zu ungleichmäßigem Schmelzen und verzerrtem Aufbau. Die Feuchtigkeitsaufnahme verringert die Fließfähigkeit erheblich.
Selbst geringfügige Verunreinigungen können die Legierungseigenschaften beeinträchtigen oder die Druckdüsen verstopfen. Die Verwendung von hochreinen Rohstoffen ist entscheidend.
Tabelle 5: Lieferantenspezifikationen für gängige Metallpulver
| Material | Größenbereich | Sauerstoffgehalt | Zapfstellendichte | Durchflussmenge |
|---|---|---|---|---|
| Edelstahl 316L | 15-45 μm | < 0,1 Gew.-% | Bis zu 4,2 g/cc | < 40 s |
| AlSi10Mg | 25-55 μm | < 0,45 Gew.-% | Bis zu 2,7 g/cc | < 32 s |
| Ti6Al4V | 10-75 μm | < 0,13 Gew.-% | Bis zu 2,7 g/cc | < 50 s |
| CoCr | 20-63 μm | < 0,1 Gew.-% | Bis zu 4,4 g/cc | < 60 s |
| Inconel 718 | 10-45 μm | < 0,04 Gew.-% | Bis zu 4,5 g/cc | < 45 s |
Das Arbeiten innerhalb des empfohlenen Bereichs gewährleistet eine hohe Produktqualität. Bei zu großen Abweichungen besteht die Gefahr von Mängeln.
Metallpulver-Anwendungen
Im Folgenden finden Sie einige Beispiele für Endanwendungen, bei denen 3D-gedruckte Metallteile zum Einsatz kommen, sowie die typischen verwendeten Legierungen:
Tabelle 6: Endanwendungen und Legierungen für Metall-AM-Teile
| Industrie | Anmeldung | Metals Used | Vorteile |
|---|---|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Turbinenschaufeln, Rahmen, Antennen | Ti-Legierungen, Ni-Superlegierungen, Al-Legierungen | Gewichtseinsparungen, komplexe Kühlkanäle |
| Automobilindustrie | Bremshebel, Kolben, Krümmer | Al-Legierungen, rostfreier Stahl | Leistungssteigerung, konsolidierte Baugruppen |
| Medizinische | Orthopädische Implantate, chirurgische Werkzeuge | Ti, CoCr, rostfreier Stahl | Patientenspezifische Formen, Biokompatibilität |
| Öl & Gas | Ventilkörper, Pumpenlaufräder | Rostfreier Stahl, Inconel | Widersteht extremen Umgebungen |
| Verbraucher | Schmuck, dekorative Kunst | Goldlegierungen, Silber | Ausgefeilte Geometrien, Sonderanfertigungen |
Metalladditive ermöglichen leichtere, stärkere Produkte, die für jede Funktion optimal geeignet sind, und das zu geringeren Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren in der Kleinserienfertigung.
Tabelle 7: Höhepunkte des 3D-Drucks von Metall im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren
| Metrisch | Metall AM | Subtraktive Zerspanung | Gießen |
|---|---|---|---|
| Teilkomplexität | Keine Einschränkungen | Begrenzt durch den Zugang zu Werkzeugen | Eingeschränkt durch Schimmelpilze |
| Personalisierung | Einfaches Ändern von Designs | Neue Programme erforderlich | Muster umgestalten |
| Betriebskosten | Niedrig bis zu 10.000 Teile | Hohe Einrichtungskosten | Hohe Werkzeugkosten |
| Mechanische Eigenschaften | Ähnlich oder mehr | Abhängig von der Methode | Unterschiedlich, Wärmebehandlung |
FAQ:
F: Was ist der Unterschied zwischen vorlegierten und gemischten elementaren Metallpulvern?
A: Bei vorlegierten Pulvern wird die angestrebte Legierungszusammensetzung vom Hersteller vorgegeben, so dass die chemische Homogenität gewährleistet ist. Gemischte elementare Pulver bestehen aus reinen Metallpulvern, die vor dem Druck in den gewünschten Verhältnissen gemischt werden und sich beim Schmelzen verbinden.
F: Wie werden diese Pulvereigenschaften gemessen und analysiert?
A: Die Partikelgrößenverteilung wird durch Laserbeugungsanalyse quantifiziert. Morphologie und Mikrostruktur werden mittels Rasterelektronen- und Lichtmikroskopie untersucht. Die Dichte wird mit einem Hall-Durchflussmesser und einem Klopfdichteprüfgerät nach ASTM-Normen gemessen. Die chemische Analyse erfolgt mittels Atomabsorptions- oder Emissionsspektroskopie und Inertgasfusion für den Sauerstoff- und Stickstoffgehalt.