Was ist AM-Material?

Einführung

Die additive Fertigung (AM), auch bekannt als 3D-Druck, ist ein revolutionärer Ansatz für die industrielle Produktion, der die Herstellung von leichten, haltbaren Teilen direkt aus digitalen Modellen ermöglicht. Eine der wichtigsten Voraussetzungen für die AM-Technologie ist die Entwicklung fortschrittlicher Materialien, die zu komplexen, dreidimensionalen Komponenten mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften verarbeitet werden können. am Materialien sind für die Herstellung hochwertiger Teile mit 3D-Druckverfahren unerlässlich. Dieser Artikel bietet einen detaillierten Einblick in AM-Materialien, einschließlich der wichtigsten Eigenschaften, Kategorien, Metalle, Polymere, Keramiken, Verbundstoffe und mehr.

Überblick über AM-Materialien

Unter AM-Materialien versteht man Rohmaterialien wie Metalle, Polymere, Keramiken und Verbundwerkstoffe, die als Ausgangsmaterial für 3D-Druckverfahren verwendet werden. Die Eigenschaften der AM-Materialien haben einen großen Einfluss auf die mechanische Leistung, die Genauigkeit, die Oberflächenbeschaffenheit und andere Merkmale der gedruckten Teile. Materialien für AM müssen bestimmte Eigenschaften aufweisen:

• Kann zu Filament, Pulver, Harz oder anderen Formaten geformt werden, die für verschiedene 3D-Drucktechnologien erforderlich sind
• Fähigkeit zum Fließen, Verschmelzen oder Verbinden während des schichtweisen Aufbaus
• Ausreichende strukturelle Integrität und Festigkeit, um komplexe 3D-Objekte ohne Defekte zu formen
• Metallurgische, chemische und mikrostrukturelle Eigenschaften, um die erforderlichen Materialeigenschaften in den fertigen Teilen zu erreichen

Zu den am häufigsten verwendeten Kategorien von AM-Materialien gehören Metalle, Polymere, Keramiken und Verbundwerkstoffe. Jedes Material hat unterschiedliche Eigenschaften, die sich für verschiedene Anwendungen der additiven Fertigung eignen.

Wichtige Materialeigenschaften für AM

Es gibt mehrere wichtige Eigenschaften von Materialien, die ihre Eignung und Leistung in AM-Prozessen bestimmen:

Druckbarkeit

Unter Druckbarkeit versteht man die Fähigkeit eines Materials, von 3D-Druckmaschinen zu präzisen, robusten Objekten verarbeitet zu werden. Um erfolgreich gedruckt werden zu können, benötigen Materialien Eigenschaften wie einen geeigneten Schmelzfluss, eine geeignete Partikelmorphologie und ein gutes Ausbreitungsverhalten.

Stärke

AM-Materialien sollten eine hohe Festigkeit aufweisen, um Kräften standzuhalten und ihre Form zu behalten, ohne dass es zu Rissen oder Verformungen in den fertigen Teilen kommt. Festigkeit ist wichtig für gewichtstragende Komponenten.

Zähigkeit

Zähigkeit ist die Fähigkeit, mechanische oder thermische Belastungen aufzunehmen, ohne vorzeitig zu brechen. AM-Materialien benötigen eine gute Zähigkeit, um langlebige Komponenten herzustellen.

Thermische Eigenschaften

Geeignete Schmelztemperaturen, Erstarrungskinetik und Wärmeleitfähigkeit ermöglichen es, AM-Materialien zu schmelzen, abzulagern und während des Drucks präzise Schicht für Schicht zu verfestigen.

Rheologische Eigenschaften

Das Fließ- und Viskositätsverhalten geschmolzener oder aufgebrachter AM-Materialien wirkt sich auf die Genauigkeit und die Oberflächenbeschaffenheit der gedruckten Teile aus. Ideale rheologische Eigenschaften fördern ein reibungsloses Fließen und Verkleben.

Dichte

AM-Materialien sollten in fertigen Teilen eine hohe Dichte aufweisen, um Funktionalität, Oberflächenqualität und strukturelle Integrität der gedruckten Komponenten zu gewährleisten. Eine geringere Dichte kann die mechanische Leistung beeinträchtigen.

Kategorien von AM-Materialien

Es gibt vier Hauptkategorien von Materialien, die in der additiven Fertigung verwendet werden:

Metalle für AM

Metalle werden in der Regel durch Pulverbettschmelzen und AM-Verfahren mit gerichteter Energieabscheidung verarbeitet. Zu den gängigen Metallen gehören:

• Edelstahl – Hervorragende Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität machen ihn zum idealen Werkstoff für Teile in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Medizintechnik und vielen anderen Bereichen. Es werden verschiedene Legierungssorten verwendet, darunter 316L, 17-4PH, 15-5PH.
• Aluminium – Bekannt für geringes Gewicht, thermische Eigenschaften und Festigkeit. Wird für Komponenten der Luft- und Raumfahrt, Automobilteile, Wärmetauscher und Konsumgüter verwendet. Die Legierung 6061 ist sehr beliebt.
• Titan – Extrem starkes, aber leichtes Metall, das in der Luft- und Raumfahrt geschätzt wird. Zu den Qualitäten gehören Ti6Al4V und Ti64. Bietet Biokompatibilität für medizinische Implantate.
• Nickellegierungen – Hitze- und korrosionsbeständige Superlegierungen auf Nickelbasis, wie Inconel 625 und 718. Sie werden für Werkzeuge, Turbinenschaufeln und Teile in extremen Umgebungen verwendet.
• Kobalt-Chrom – Legierungen aus Kobalt und Chrom mit hoher Festigkeit, Härte und Biokompatibilität für orthopädische und zahnmedizinische Implantate.
• Edelmetalle – Gold, Silber und Metalle der Platingruppe sowie deren Legierungen, die hauptsächlich für Schmuck, Elektronik und dekorative Teile verwendet werden.

Polymere für AM

Thermoplastische und photohärtbare Polymere werden durch Materialextrusion, Bottich-Photopolymerisation und Pulverbettschmelzverfahren verarbeitet. Einige gängige AM-Polymere:

• ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) – Stark und leicht, wird für die Herstellung von Prototypen und Endverbrauchsteilen wie Gehäusen und Automobilkomponenten verwendet.
• PLA (Polymilchsäure) – Hergestellt aus Maisstärke. Wird für nachhaltige Verpackungen, Lebensmittelbehälter und Konsumgüter verwendet. Bietet hohe Steifigkeit.
• Nylon – Nylon in technischer Qualität bietet hervorragende Festigkeit, Zähigkeit und Wärmebeständigkeit. Wird für Endverbrauchsteile und Funktionsprototypen verwendet.
• Photopolymere – Photohärtende Harze, die durch UV-Licht gehärtet werden. Werden in der Stereolithografie und im 3D-Tintenstrahldruck verwendet. Sie bieten hohe Präzision und Oberflächenqualität. Beispiele sind Epoxid- und Acrylharze.

Keramiken für AM

Keramik und Glas bieten eine hohe Hitzebeständigkeit. Zu den Produktionsmethoden gehören Binder-Jetting, Materialextrusion und Stereolithografie. Zu den keramischen Materialien für AM gehören:

• Aluminiumoxid (Al2O3) – Hochfeste Keramik, die in Komponenten für die Luft- und Raumfahrt und in Isolierteilen verwendet wird. Bietet Korrosionsbeständigkeit und thermische Stabilität.
• Zirkoniumdioxid (ZrO2) – Dank seiner extremen Härte eignet es sich für Werkzeuge, Schneideinsätze und verschleißfeste Teile. Wird bei Zahnersatz verwendet.
• Siliziumkarbid (SiC) – Harte, leichte Keramik, die verwendet wird, wenn eine hohe Steifigkeit und Wärmebeständigkeit erforderlich ist. Wird zur Herstellung von Spiegeln und Halbleiterteilen verwendet.

Verbundwerkstoffe für AM

AM-Verbundwerkstoffe enthalten zwei oder mehr Bestandteile wie Polymere, Keramiken oder Metalle. Dies ermöglicht die Anpassung von Eigenschaften wie Festigkeit, Härte, Leitfähigkeit usw. Beispiele hierfür sind:

• Kohlenstofffaserverstärkte Polymere – Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Sie werden zum Bau leichter Strukturen und Komponenten für die Luft- und Raumfahrt und die Automobilindustrie verwendet.
• Metallmatrix-Verbundwerkstoffe – Keramikpartikel wie Siliziumkarbid werden mittels DED AM mit Aluminiumlegierungen kombiniert, um verbesserte Eigenschaften zu erzielen. Wird zur Herstellung von Raketenkomponenten, Flugzeugteilen usw. verwendet.
• Photopolymer-Harzkomposit – Mischung aus Photopolymeren und Keramikpartikeln, um Zähigkeit und Steifigkeit zu kombinieren. Wird für den 3D-Druck von Zahnrestaurationen verwendet.

Metalle für die additive Fertigung

Metalle machen einen großen Teil der in der AM verwendeten Materialien aus. Zu den beliebtesten Metallen für den 3D-Druck gehören Edelstahl, Aluminium, Titan, Nickellegierungen und Kobalt-Chrom.

rostfreier Stahl

Rostfreier Stahl ist heute eines der am häufigsten verwendeten Metalle in der AM. Er bietet eine hervorragende Kombination aus hoher Festigkeit, guter Duktilität und Bruchzähigkeit, Korrosions- und Verschleißbeständigkeit sowie Biokompatibilität. Für AM werden verschiedene Sorten verwendet, darunter 316L, 304L, 17-4PH, 15-5PH, martensitaushärtende Stähle und Duplexstähle. Zu den Teilen, die aus Edelstahl gedruckt werden, gehören Komponenten für Raumfahrzeuge und Raketen, Impeller, Ventile, chirurgische Instrumente und Automobilteile.

Aluminium

Aluminiumlegierungen wie AlSi10Mg verfügen über Eigenschaften wie geringe Dichte, gute Wärmeleitfähigkeit und ausgezeichnete Festigkeit, die sie für AM attraktiv machen. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören komplexe Komponenten für Flugwerke, Triebwerke und Drohnen in der Luft- und Raumfahrt, Automobilteile wie Räder, Rahmen und Zylinder, kundenspezifische Leichtbaustrukturen für den Motorsport, Wärmetauscher und Konsumgüter. Zu den Vorteilen gegenüber der konventionellen Fertigung gehören eine optimierte Topologie, die Konsolidierung der Teile und die Bruchfestigkeit.

Titan

Titanlegierungen werden in der Luft- und Raumfahrt aufgrund ihrer Eigenschaften wie hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, Bruchfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit geschätzt. Über 75 % des AM-Titans wird in der Luft- und Raumfahrt verwendet. Die am häufigsten verwendete Legierung ist Ti6Al4V, gefolgt von Ti64. Zu den AM-Titanteilen gehören strukturelle Flugzeugkomponenten, Turbinenschaufeln, Raumfahrtteile und leichte Knochenimplantate, die sich gut mit biologischem Gewebe verbinden. Zu den Herausforderungen gehören hohe Materialkosten und Schwierigkeiten bei der Bearbeitung von AM-Titan.

Nickel-Superlegierungen

Superlegierungen auf Nickelbasis verfügen über Stärken wie die Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen, Korrosions- und Kriechbeständigkeit und werden daher häufig in extremen Umgebungen eingesetzt. Zu den gängigen Legierungen gehören Inconel 718, Inconel 625 und Inconel 939, die im DED- oder Pulverbettverfahren gedruckt werden. AM wird zur Herstellung von Turbinenschaufeln, Werkzeugen, Komponenten für Raketenmotoren und Teilen in der Nuklear-, Chemie- und Energieindustrie eingesetzt.

Kobalt-Chrom-Legierungen

Kobalt-Chrom-Legierungen wie CoCrMo besitzen eine hohe Härte, Festigkeit und ausgezeichnete Biokompatibilität. Sie sind die am häufigsten verwendeten Metalle für den Druck von Zahnersatz wie Kronen und Brücken sowie von orthopädischen Implantaten für Knie, Hüfte und Schulter. AM ermöglicht maßgeschneiderte Designs und Gitterstrukturen in Implantaten mit knochenähnlichen mechanischen Eigenschaften und poröser Integration in das Gewebe. Die Herausforderung besteht darin, glatte Oberflächen zu erzielen.

Polymere für die additive Fertigung

Polymere werden in der Regel durch Materialextrusion, Pulverbettschmelzen und Bottich-Photopolymerisation verarbeitet. Thermoplaste wie ABS und PLA werden häufig für Konzeptmodelle, Funktionsprototypen und Endverbraucherteile in verschiedenen Branchen verwendet. Fotopolymere ermöglichen glatte Oberflächen und feine Merkmale.

ABS – Acrylonitrile Butadiene Styrene

ABS bietet Eigenschaften wie hohe Schlagfestigkeit, Zähigkeit und relativ hohe Temperaturbeständigkeit, die es für den 3D-Druck komplexer Geometrien geeignet machen. ABS wird für visuelle Konzeptmodelle, Prototypen von Konsumgütern, Automobilteilen, Gehäusen und Schnappverbindungen in der Luft- und Raumfahrt, im Gesundheitswesen und in der Industrie verwendet. Zu den Einschränkungen gehören die im Vergleich zu Metallen niedrigere maximale Arbeitstemperatur und die begrenzte UV-Beständigkeit.

PLA – Polymilchsäure

PLA ist ein biologisch abbaubarer thermoplastischer Kunststoff, der aus erneuerbarer Maisstärke oder Zuckerrohr gewonnen wird. Es wird häufig für den 3D-Druck verschiedener Produkte wie Lebensmittelbehälter, Teebeutel, Wasserflaschen sowie für medizinische Implantate und Gerüste verwendet, die sich im Körper sicher abbauen lassen. Zu den Vorteilen gehören hohe Steifigkeit, geringe Toxizität und relativ niedrige Drucktemperaturen. Zu den Einschränkungen gehören eine geringe Hitzebeständigkeit und eine geringe Schlagfestigkeit.

Nylon

Nylon bietet eine hervorragende Zugfestigkeit, Oberflächenbeschaffenheit, chemische Beständigkeit, Abriebfestigkeit und Flexibilität. Dies macht es nützlich für funktionale Prototypen und Endverbrauchsteile wie Getriebe, Werkzeuge, tragende Komponenten, Lebensmittelbehälter usw. in der Automobil-, Konsumgüter- und Industrieindustrie. Nylonpulver kann im selektiven Lasersintern und im Multi-Jet-Fusion-Verfahren verarbeitet werden. Die reibungsarme Oberfläche ermöglicht Gleitkontaktanwendungen mit geringem Verschleiß.

Fotopolymere

UV-härtbare Photopolymere ermöglichen eine bemerkenswert hohe Genauigkeit und Oberflächengüte bei AM-Verfahren wie Stereolithographie und digitaler Lichtverarbeitung. Photopolymere verfestigen sich schnell, wenn sie mit UV-Licht bestrahlt werden. Zu den Materialien gehören Epoxid-, Acryl- und Acrylatharze, die für die Herstellung von Linsen, medizinischen Modellen, Schmuck, Implantaten, Präzisionsgussteilen für die Luft- und Raumfahrt und anderen qualitätskritischen Komponenten verwendet werden. Zu den Einschränkungen gehört die geringere Festigkeit im Vergleich zu Thermoplasten in Industriequalität.

Keramiken für die additive Fertigung

Keramik besitzt eine hohe Festigkeit und Härte bei hohen Temperaturen, eine gute elektrische Isolierung und eine geringe Wärmeausdehnung. Dies macht sie nützlich für Heißteilkomponenten in Turbinentriebwerken, Wärmeschutzsystemen und anderen Anwendungen, bei denen feuerfeste Materialien erforderlich sind. AM ermöglicht komplexe keramische Geometrien, die mit konventionellen Methoden nicht zu erreichen sind.

Tonerde

Tonerde oder Aluminiumoxid Al2O3 bietet eine sehr hohe Härte, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Temperaturstabilität. AM wird zur Herstellung von Hochleistungskomponenten aus Aluminiumoxid für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt verwendet. Zu den Bauteilen gehören Raketendüsen, Strahlungsabschirmungen und Wärmeisolierungskomponenten, die die Vorteile der durch AM ermöglichten Designfreiheit nutzen. Zu den Einschränkungen gehören eine geringere Bruchzähigkeit und Zugfestigkeit, die bei den fertigen Teilen zu unerwarteten Ausfällen führen können.

Zirkoniumdioxid

Aufgrund seiner extremen Härte, Verschleißfestigkeit und geringen Wärmeleitfähigkeit eignet sich Zirkoniumdioxid ZrO2 für die AM-Fertigung von Schneidwerkzeugen, Bohrern, Extrusionsdüsen und anderen Komponenten, die hohem Verschleiß ausgesetzt sind. In der Zahnmedizin wird es für den Druck stabiler, ästhetischer Zahnrestaurationen wie Kronen und Brücken verwendet, die das Aussehen natürlicher Zähne nachahmen. Die feine Partikelgrößenverteilung ist entscheidend für die hohe Dichte und Leistungsfähigkeit der fertigen Zirkoniumdioxidteile.

Siliziumkarbid

Siliziumkarbid SiC besitzt eine sehr hohe Härte und Festigkeit, insbesondere bei hohen Temperaturen, die die Möglichkeiten von Metallen übersteigen. AM eignet sich ideal für die Herstellung von SiC-Spiegeln, optischen Komponenten und Strukturen für Weltraumteleskope, bei denen die Temperaturschwankungen enorm sind. Auf der Erde wird SiC bei der AM von Halbleiterfertigungsanlagen, Kernbrennstoffpellets und Turbinentriebwerkskomponenten verwendet. SiC-Teile müssen oft nachbearbeitet werden, um spiegelglatte Oberflächen zu erhalten.

Metall-AM-Prozesse

Zu den am weitesten verbreiteten Verfahren für das Drucken von Metallen gehören das Pulverbettschmelzen und die gerichtete Energieabscheidung:

Pulverbettfusion

Dazu gehören das selektive Lasersintern (SLS) und das Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Beim SLS wird ein Laser eingesetzt, während beim EBM ein Elektronenstrahl verwendet wird, um Metallpulverpartikel auf der Grundlage eines Querschnitts der Teilegeometrie selektiv Schicht für Schicht zu verschmelzen. Nach jeder Schicht wird weiteres Pulver aufgetragen und für die nächste Schicht verdichtet. Edelstahl und Titan werden in der Regel verarbeitet und liefern hohe Genauigkeiten und feine Mikrostrukturen. Zu den Einschränkungen gehören langsame Aufbauraten.

Gezielte Energiedeposition

Beim DED wird ein Laser- oder Elektronenstrahl fokussiert, um Metalldraht, -pulver oder -blasen an bestimmten Stellen zu schmelzen, um Material zu stapeln und eine gewünschte Geometrie zu erzeugen. DED wird häufig zur Reparatur oder zum Hinzufügen von Merkmalen zu bestehenden Komponenten verwendet. Zu den Vorteilen gehören schnellere Fertigungsraten und die Möglichkeit, Metallzusammensetzungen zu mischen. Die Genauigkeit und Oberflächengüte ist jedoch geringer als beim Pulverbettschmelzen.

Polymer-AM-Verfahren

Thermoplaste werden in der Regel durch Materialextrusion und Pulverbettschmelzverfahren verarbeitet. Die Bottich-Photopolymerisation wird zur Verarbeitung von photohärtbaren Harzen zu hochpräzisen Polymerteilen verwendet.

Material-Extrusion

Bei der Materialextrusion wird thermoplastisches Filament erhitzt und Schicht für Schicht durch eine Düse extrudiert, um ein Teil herzustellen. Fused Deposition Modeling (FDM) von Stratasys und Fused Filament Fabrication (FFF) sind Materialextrusionstechnologien, die häufig für den 3D-Druck von ABS-, PLA-, Nylon- und PC-Teilen verwendet werden. Zu den Vorteilen gehören niedrige Maschinen- und Materialkosten. Zu den Nachteilen gehören eine geringere Genauigkeit, eine schwache Verbindung zwischen den Schichten und sichtbare Schichtlinien auf den Oberflächen.

Pulverbettfusion

Beim direkten Lasersintern (DLS) wird ein Laser verwendet, um in einem dünnen Bett liegende Polymerpulverpartikel selektiv zu verschmelzen. Nach jeder Schicht wird eine neue Pulverschicht aufgetragen und gesintert. DLS ermöglicht die Herstellung hochkomplexer Geometrien aus thermoplastischen Werkstoffen wie Nylon mit mechanischen Eigenschaften, die denen des Spritzgusses nahe kommen. Multi-Jet-Fusion (MJF) ist ein pulverbasiertes Verfahren von HP, bei dem Schmelz- und Detaillierungsmittel für hervorragende isotrope Eigenschaften und Genauigkeit eingesetzt werden.

Kübel-Photopolymerisation

Bei der Stereolithografie (SLA) wird flüssiges Harz in feste 3D-Objekte umgewandelt, wobei ultraviolettes Licht zum selektiven Aushärten des lichtempfindlichen Harzes verwendet wird. Die digitale Lichtverarbeitung (DLP) verwendet ebenfalls einen Behälter mit lichthärtendem Harz, härtet aber jede Schicht mit einem Lichtprojektorsystem aus. Diese Verfahren ermöglichen bemerkenswert glatte Oberflächen und das Erfassen feiner Details für die Herstellung von Mustern, Feinguss, medizinischen Modellen und Schmuckmustern.

Keramische AM-Prozesse

Für die Verarbeitung von Keramiken und Keramik-Polymer-Verbundwerkstoffen zu komplexen, aber robusten 3D-Druckteilen werden häufig Binder-Jetting- und Materialextrusionsverfahren eingesetzt.

Binder Jetting

Bei diesem Pulverbettverfahren wird ein flüssiges Bindemittel selektiv aufgetragen, um die keramischen Pulverpartikel während des Drucks zu verbinden. Nach Fertigstellung wird das Grünteil gesintert, um das Bindemittel abzubrennen und das Teil zu verdichten. Aluminiumoxid-, Zirkoniumdioxid-, Siliziumkarbid- und Glaspulver wurden bereits mit dem Binder-Jetting-Verfahren gedruckt. Es ermöglicht einen hohen Keramikanteil in den Teilen. Zu den Einschränkungen gehört die im Vergleich zu Vollkeramik geringere erreichbare Dichte.

Material-Extrusion

Bei der Materialextrusion, auch Robocasting oder Direct Ink Writing genannt, werden keramische Aufschlämmungen durch eine Düse gedruckt, um Strukturen schichtweise aufzubauen. Die Zusammensetzung besteht in der Regel aus Keramikpulver, Monomeren, Dispersionsmittel und Initiator. Nach dem Druck werden die Teile gehärtet und anschließend gesintert. Siliziumkarbid- und Aluminiumoxid-Verbundwerkstoffe mit >50 % Keramikanteil können mit dieser Methode gedruckt werden. Die Schrumpfung während des Trocknens und Sinterns kann jedoch zu Formverzerrungen führen.

AM-Verbundwerkstoffe

Die additive Fertigung ermöglicht es, verschiedene Grundmaterialien wie Polymere, Metalle und Keramiken zu Verbundwerkstoffen mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu kombinieren.

Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe

Metallpulver können bei der DED-Bearbeitung mit harten Verstärkungen wie Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid gemischt werden, um im Vergleich zu unverstärkten Metallen eine höhere Härte, Festigkeit und Verschleißbeständigkeit zu erzielen. Verbundwerkstoffe mit Nickel- und Titanmatrix wurden mit SiC-Partikeln und Nanoröhrchen angereichert, um die Steifigkeit und thermische Stabilität in heißen Teilen von Turbinen und Raketentriebwerken zu erhöhen.

Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe

Geschnittene oder endlose Kohlenstofffasern können Photopolymere im SLA-3D-Druck oder Thermoplaste im FDM/FFF-Druck verstärken. Dies verbessert die Steifigkeit, statische Festigkeit, Wärmebeständigkeit und Dimensionsstabilität von Teilen wie Drohnenrahmen und Flugzeuginnenraumkomponenten bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung. Beim AM ist eine hervorragende Kontrolle der Faserorientierung möglich.

Photohärtbare Harz-Verbundwerkstoffe

SLA-Polymere werden mit Keramikpartikeln und Nanoröhrchen kombiniert, um die Kunststoffeigenschaften wie Modul, Wärmeformbeständigkeit, Härte und Wärmeleitfähigkeit je nach den Anforderungen der Anwendung zu verändern und gleichzeitig die Vorteile der Maßhaltigkeit und Oberflächengüte beizubehalten. Dies ermöglicht 3D-gedruckte Zahnbrücken und -kronen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und Ästhetik.

Vorteile von AM-Materialien

AM-Materialien eröffnen Leistungsvorteile und Designmöglichkeiten, die mit konventioneller Fertigung nicht zu erreichen sind:

• Komplexität - Komplizierte hohle und zelluläre Strukturen können direkt aus CAD-Modellen hergestellt werden, die auf andere Weise unmöglich zu fertigen wären. Dies ermöglicht leichte, optimierte Konstruktionen.
• Personalisierung - An den Patienten angepasste Implantate, Einlagen und Prothesen, die perfekt auf die Anatomie des Einzelnen abgestimmt sind, können anhand von medizinischen Scandaten in 3D gedruckt werden, um den Komfort zu erhöhen und die Funktion wiederherzustellen.
• Montage Konsolidierung - Die Verringerung der Teilezahl durch das Drucken konsolidierter Komponenten verbessert die Zuverlässigkeit, verringert die Lagerbestände und ermöglicht eine schnellere Produktion.
• Hohe Leistung - Die Richtungsverfestigung von Metallen durch epitaktische Erstarrung und Verbundwerkstoffe mit orientierten Mikrostrukturen führen zu besseren mechanischen Eigenschaften.
• Nachhaltigkeit - Die additive Fertigung ermöglicht eine bedarfsgerechte Produktion mit minimalem Abfall. Einige AM-Materialien wie Biopolymere, die aus erneuerbaren Quellen hergestellt werden, unterstützen ebenfalls die Nachhaltigkeit.

Herausforderungen für AM-Materialien

Obwohl AM-Materialien viele Vorteile bieten, gibt es bestimmte Herausforderungen, die für eine breitere Akzeptanz gelöst werden müssen:

• Normen Das Fehlen branchenweiter Spezifikationen und Normen für die meisten AM-Materialien erschwert die Konsistenz. Die Materialqualität kann je nach Anbieter und Druckertechnologie variieren.
• Zertifizierung Insbesondere für Metalllegierungen, die in kritischen Anwendungen in den Bereichen Verteidigung, Luft- und Raumfahrt sowie Medizin eingesetzt werden, sind strenge Zertifizierungen und Dokumentationen erforderlich, bevor AM für die Endproduktion von Bauteilen zugelassen werden kann.
• Defekte Einige AM-Prozesse leiden unter Porosität, Mikrorissen und Delaminierungsfehlern in den fertigen Teilen, die die mechanische Leistung beeinträchtigen. Weitere Verbesserungen bei den Materialeigenschaften, der Qualitätskontrolle und den Prozessparametern sind erforderlich.
• Oberflächengüte Treppenstufen und Schichtlinien aus AM können ein umfangreiches manuelles Polieren der Oberflächen erforderlich machen. Einige Materialien leiden auch unter der Rauheit der Kornstruktur. Ein besseres Verständnis der Ursachen und Lösungen für schlechte Oberflächengüte ist erforderlich.
• Kosten Die Kosten für AM-Materialien sind oft hoch, da sie nach eigenen Rezepturen hergestellt werden, die Zahl der Lieferanten begrenzt ist und die Produktionsmengen gering sind. Die Steigerung der Produktion von AM-Materialien kann die Kostenwettbewerbsfähigkeit mit herkömmlichen Materialien verbessern.
• Anisotropie Einige stark orientierte oder geschichtete AM-Mikrostrukturen führen zu einer Richtungsvariabilität der Eigenschaften, z. B. zu einer höheren Festigkeit parallel zum Aufbau als senkrecht dazu. Verbesserte Materialbindungs- und Abscheidetechniken helfen, Anisotropie zu überwinden.

Die Zukunft der AM-Materialien

Die Innovation von AM-Materialien ist für die weitere Expansion der additiven Fertigung von entscheidender Bedeutung. Einige Schlüsselbereiche, die für die Zukunft vielversprechend sind:

• Multimaterialien - Einzelne Teile, die verschiedene Metalle, Keramiken und Polymere kombinieren, werden echte Multifunktionalität ermöglichen. Dies wird mit Hilfe des 3D-Drucks mit mehreren Düsen erforscht.
• Intelligente Materialien - Beim 4D-Druck werden Legierungen mit Formgedächtnis, Hydrogele und Flüssigkristall-Elastomere eingesetzt, um Objekte herzustellen, die ihre Form/Farbe/Transparenz ändern, wenn sie Reizen wie Wärme, Feuchtigkeit, Licht oder Magnetfeldern ausgesetzt werden.
• Biokompatibel Neuartige Tissue-Engineering-Materialien und Stammzellträger werden den Einsatz von AM bei medizinischen Behandlungen zur Verbesserung der Integration und Regeneration vorantreiben.
• Nachhaltig Umweltfreundliche, ungiftige AM-Materialien, die aus reichlich vorhandenen und erneuerbaren Ressourcen gewonnen werden, müssen als Alternativen zu erdölbasierten Polymeren entwickelt werden.
• Nanokompositen Mit Nanoröhren/Nanopartikeln verstärkte Polymer- und Metallmatrizen, die die mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften erheblich verbessern, werden neue Hochleistungsanwendungen eröffnen.
• Entwurfswerkzeuge - Die physikalisch basierte Multiskalen-Computermodellierung von AM-Prozessen wird zu besseren Vorhersagen von Mikrostrukturen und Eigenschaften für die Qualifikation neuer Materialien und deren Optimierung führen.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass AM-Materialien für funktionale 3D-gedruckte Komponenten in allen Branchen von entscheidender Bedeutung sind. Metalle, Polymere, Keramiken und Verbundwerkstoffe bieten jeweils unterschiedliche Möglichkeiten zur Herstellung leistungsstarker, komplexer Teile mit additiven Fertigungsverfahren. Auch wenn es noch Herausforderungen gibt, werden Innovationen bei AM-Materialien die Designmöglichkeiten und Vorteile der 3D-Drucktechnologie weiter ausbauen.

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