3D-Metall-Pulver sind Materialien, die in additiven Fertigungstechnologien zur Herstellung von Metallteilen und -komponenten verwendet werden. Dieser Leitfaden bietet einen detaillierten Überblick über verschiedene Arten von Metallpulvern, ihre Zusammensetzung und Eigenschaften, Anwendungen, Spezifikationen, Preise und Vergleiche, um ihre Rolle beim 3D-Druck von Metallen zu verstehen.
Überblick über 3D-Metallpulver
3D-Metallpulver dienen als Ausgangsmaterial für Verfahren wie selektives Lasersintern (SLS), direktes Metall-Lasersintern (DMLS), Elektronenstrahlschmelzen (EBM) und Binder-Jetting zur Herstellung komplizierter Metallteile mit komplexen Geometrien. Es gibt sie in verschiedenen elementaren Formen oder Legierungen.
Pulver unterscheiden sich erheblich von Metallmaterial, das bei herkömmlichen subtraktiven Fertigungsverfahren verwendet wird. Schlüsseleigenschaften wie Fließfähigkeit, Form, Partikelgrößenverteilung und Reinheit werden genauestens kontrolliert, um eine präzise schichtweise Konsolidierung während des Drucks zu ermöglichen.
Vorteile der Verwendung von Metallpulvern in der additiven Fertigung:
- Konstruktionsflexibilität - Herstellung leichter Gitterstrukturen und komplexer Teile, die durch maschinelle Bearbeitung nicht zu erreichen sind
- Weniger Abfall - im Gegensatz zu subtraktiven Methoden wird nur das benötigte Material verwendet
- Kürzere Vorlaufzeiten - schnelle Iteration und Analyse zur Designoptimierung
- Kundenspezifische Legierungen - maßgeschneiderte Zusammensetzung und Eigenschaften je nach Anwendung
- Konsolidierung - Verschmelzen und Verdichten von Pulvern zu festen Metallteilen
- Oberflächengüte - Glätte und Genauigkeit ohne zusätzliche Nachbearbeitung erreichen
Arten von Metallpulvern
Mehrere elementare Metalle und Legierungen sind in Pulverform für die Verwendung in verschiedenen Branchen erhältlich:
| Material | Gängige Legierungen/Grade | Eigenschaften | Anwendungen |
|---|---|---|---|
| Rostfreier Stahl | 316L, 17-4PH, 304L, 420 | Korrosionsbeständigkeit, hohe Festigkeit | Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Konsumgüter |
| Aluminium | AlSi10Mg, AlSi7Mg0,6 | Leicht, hervorragende Wärmeleitfähigkeit | Automobilindustrie, Wärmetauscher |
| Titan | Ti64, Ti6Al4V ELI | Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, Biokompatibilität | Luft- und Raumfahrt, medizinische Implantate |
| Nickel-Superlegierungen | Inconel 718, Inconel 625 | Hitzebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit | Luft- und Raumfahrtkomponenten wie Turbinen und Brennkammern |
| Kobalt Chrom | CoCr MP1, CoCrMo ASTM F75 | Biokompatibilität, hohe Härte | Zahnimplantate, orthopädische Knie-/Hüftimplantate |
| Kupfer | CuSn10, CuZn | Elektrische/thermische Leitfähigkeit, Duktilität | Elektrische Kontakte, Wärmetauscher |
| Werkzeugstahl | H13, P20 | Hohe Härte, Hitzebeständigkeit | Spritzgussformen, Abkantwerkzeuge |
Form der Partikel: Meistens kugelförmig, kann aber je nach Herstellungsverfahren auch polygonal sein. Verbessert den Fluss und die Packungsdichte.
Partikelgröße: Der Bereich reicht von 10 bis 100 Mikrometer. Enge Verteilung gewährleistet gleichmäßige Schichtdicke und bessere Dichte.
Größe Spezifikationssysteme: Maschenweite (Siebe zur Trennung des Pulvers), D-Werte (statistische Metrik der Durchschnittsgröße).
Fließfähigkeit: Quantifiziert mit Hall-Flowmeter-Trichtertests. Entscheidend für die Gleichmäßigkeit der Schicht. Verbessert durch kugelförmige Partikel.
Andere Eigenschaften: Pulverdichte, Klopfdichte, Schüttdichte, Pyknometerdichte, oxidative Stabilität usw.
Anwendungen und Einsatz von Metallpulvern im 3D-Druck
Einige gängige Anwendungen sind:
- Leichtbau von kritischen beweglichen Komponenten wie Laufrädern und Rotoren
- Konsolidierung von Baugruppen zur Reduzierung der Teilezahl - Motorhalterungen, Befestigungen
- Kundenspezifische Vorrichtungen, Press- und Formwerkzeugeinsätze für kürzere Vorlaufzeiten
- Hochkomplexe Wärmetauscher, Pumpen, Ventile und Verteilerblocks
- Auf den Patienten abgestimmte Implantate verbessern die chirurgischen Ergebnisse
- Hochdetaillierte Miniaturen wie Würfeltürme und Spielfiguren
Vorteile gegenüber der traditionellen Fertigung:
- Gewichtsreduzierung durch 40-60% mit Gitterstrukturen bei gleichbleibender Festigkeit
- Genaue Anpassung an CAD-Modelle im Gegensatz zu Bearbeitung/Guss
- Verringerung der Teilezahl durch Konsolidierung senkt Montagezeit/kosten
- Glatte Oberflächen mit exakten Abmessungen machen eine Nachbearbeitung weitgehend überflüssig
- Schnelle Durchlaufzeiten ohne teure Werkzeugwechsel
Überlegene Leistung: Speziell für die additive Fertigung entwickelte Komponenten übertreffen konventionell hergestellte Äquivalente. So erzielte Airbus mit 3D-gedruckten Metallhalterungen eine Gewichtseinsparung von 45% bei gleicher Festigkeit und Steifigkeit.
3D Metall-Pulver Spezifikationen
Pulvereigenschaften wie Größenverteilung und Form steuern streng die Eigenschaften der Endteile, so dass sie nach strengen Spezifikationen geliefert werden:
| Attribut | Typische Werte | Normen |
|---|---|---|
| Partikelgrößenverteilung | 10 bis 45 Mikrometer | ASTM B214 |
| Scheinbare Dichte | 2 bis 5 g/cc | ASTM B212 |
| Dichte des Gewindebohrers | 3 bis 8 g/cc | ISO 3923/1 |
| Durchflussmenge | 15 bis 25 s/50 g | ASTM B213 |
| Restsauerstoffgehalt | 0,1% max | AMS 4999B |
| Reststickstoffgehalt | 0,04% max | AMS 2769E |
| Restkohlenstoffgehalt | 0,03% max | AMS 2769E |
Größensortierung und Maschenweite: Die Maschenweite bezieht sich auf die Siebklassifizierung. Die typische Pulvergröße reicht von -140 bis +325 Mesh. Eine feinere Verteilung zwischen -100 und +325 Mesh verbessert die Dichte und Oberflächengüte.
Chemiekonformität: Die Elementzusammensetzung wird anhand der Spezifikation der Sorte (AMS, ASTM) validiert. Entscheidend für die erwartete mechanische Leistung.
Feuchtigkeitsgehalt: Besonders wichtig für reaktive Materialien wie Aluminium und Titan. Begrenzt durch die Normen ASTM B964 und ISO 22068 auf 0,1%. Kontrolliert durch geeignete Versiegelung und trockene Lagerung.
Verunreinigungswerte: Magnesium, Silizium, Phosphor, Schwefel, Blei auf niedrige ppm-Werte (parts per million) durch Inertgaszerstäubung und geeignete Handhabung beschränkt.
Recyceltes Pulver Konformität: Das während des Drucks zurückgewonnene Pulver wird genau überwacht. Im Allgemeinen beschränkt auf 30% mit strenger chemischer Kontrolle gemäß den Normen ASTM F3055 und ISO/ASTM52904.
Wie sich die Anbieter von Metallpulver für den 3D-Druck unterscheiden
| Basis des Vergleichs | Traditionelle Hersteller | Spezialisierte AM-Pulver-Hersteller |
|---|---|---|
| Schwerpunkt | Allgemeine Anwendungen der Pulvermetallurgie | Speziell für AM-Prozesse entwickelt |
| Legierungssorten | Nur Standardkompositionen | Maßgeschneiderte Legierungen für AM |
| Qualitätskonformität | Entspannt, nur grundlegende Eigenschaften | Extrem eng - Chemie, Partikelform/-größe |
| Qualität der Oberfläche | Nicht kritisch, Gaszerstäubung optional | Glatte Partikelmorphologie obligatorisch |
| Preis | Geringer aufgrund der hohen Volumina | Höher aufgrund der strengeren Anforderungen |
| Größen bestellen | Große Mengen | Bereits ab 5 kg je nach Anwendung |
| Änderungen für Anpassungen | Erfordert hohe MOQs, lange Vorlaufzeiten | Schnelle Rezepturanpassungen, schnelle Produktion |
| Mehrwertige Dienstleistungen | Grundlegend | End-to-End-Design-Optimierung, Parameterentwicklung, schnelle Probenahme, Nachbearbeitung, Recycling |
Hauptunterscheidungsmerkmale von AM-Pulverspezialisten:
- Hochgradig sphärische Pulver mit kontrollierter Größenverteilung, die auf jeden AM-Prozess zugeschnitten sind
-chemische Kontrolle, die deutlich über die regulären ASTM-Spezifikationen hinausgeht, um die Prozessvariabilität zu begrenzen - Möglichkeit zur Anpassung von Legierungen und zur Änderung von Eigenschaften wie Dichte, Härte usw.
- Lebenszyklusmanagement von Pulvern: Wiederverwendung, Mischen, Recycling, Lagerung und sichere Handhabung
- Geringe Mindestbestellmengen und kürzere Vorlaufzeiten
- Durchgängige Design- und Druckdienstleistungen - Parameteroptimierung für beste Qualität
Wenn Sonderklassen geschäftlich sinnvoll sind
Für Prototypen mögen herkömmliche Legierungen ausreichen, aber Spezialpulver bieten weitaus bessere mechanische Eigenschaften für Endanwendungen in der Produktion. Die hohen Kosten werden schnell durch Leistungsgewinne wie länger haltbare Komponenten ausgeglichen.
Lieferantenpreisschwankungen bei Metallpulvern
Preistreiber:
- Grundmaterial und Reinheitsgrad
- Strengere Anforderungen an die Chemie
- Qualität der Konformitätsstufen
- Prüfung und Zertifizierung
- Auftragsvolumen
- Zusätzliche Dienstleistungen - Anwendungsentwicklung, Parameteroptimierung, Nachbearbeitung von Teilen, Rückgewinnung und Wiederverwendung von Pulver
Möglichkeiten zur Kostensenkung:
Größere Auftragsvolumina, Pulverrecycling, Bestandsplanung für Just-in-time-Lieferungen, Standardisierung von Prüfungen, Lockerung der Spezifikationen für unkritische Anwendungen, Prozessautomatisierung
Typische Preisspannen:
| Material | Preis pro kg |
|---|---|
| Aluminium AlSi10Mg | $55 – $120 |
| Titan Ti6Al4V | $350 – $850 |
| Nickel Inconel 718 | $120 – $500 |
| Rostfreier Stahl 316L | $90 – $240 |
| Kobalt-Chrom CoCrMo | $270 – $620 |
| Kupfer CuSn10 | $30 – $100 |
| Werkzeugstahl H13 | $70 – $190 |
Kostenvergleich mit massivem Stangenmaterial:
Bei kleinen bis mittelgroßen Teilen, die in geringen Stückzahlen additiv gefertigt werden, ermöglichen Metallpulver trotz höherer Preise für das Ausgangsmaterial erhebliche Kosteneinsparungen pro Teil.
Die Gewinnschwelle wird bereits bei Produktionsmengen von 50-100 Teilen für Bauteile mit einem Gewicht von über 0,5 kg erreicht. Dieser Vorteil vergrößert sich bei größeren Bauteilen mit einem Gewicht von mehr als 5 kg erheblich.
Eine reduzierte Bearbeitung und minimale Nachbearbeitung bieten zusätzliche Kostenvorteile gegenüber subtraktiven Verfahren.
Beschaffung von Metallpulvern für den 3D-Druck
Wichtige Kriterien für die Lieferantenbewertung:
- Auswahl an Materialien und kompatiblen Sorten
- Zertifizierungen der Pulverqualität
- Liefertreue und Mindestbestellmengen
- Fähigkeiten zur Entwicklung kundenspezifischer Legierungen
- Mehrwertdienste wie Parameteroptimierung, Pulverwiederverwendung, Nachbearbeitung usw.
- Insgesamt erzielte Kosteneinsparungen
Überlegungen zur sicheren Handhabung
Wie bei anderen Metallverarbeitungsprozessen können auch hier Sicherheitsprobleme auftreten:
| Gefährdung | Vorsichtsmaßnahmen |
|---|---|
| Brand/Explosion | Verwendung von Inertgas bei der Handhabung von Pulver zur Verhinderung von Oxidation; Beseitigung von Zündquellen |
| Toxizität | Staubabsaugung, Atemschutzmasken zum Schutz vor Einatmen verwenden |
| Reaktivität | Isolieren von reaktiven Pulvern wie Aluminium/Titan mit inerten Separatoren |
Beim Laden, Betrieb, Reinigen und Lagern des Pulvers muss besonders vorsichtig vorgegangen werden, um die Risiken zu minimieren. Pulverbehälter müssen elektrisch geerdet sein.
Wichtigste Erkenntnisse
- 3D-Metall-Pulver weisen spezifische Größen-, Form- und chemische Eigenschaften auf, die für AM-Verfahren erforderlich sind. Zu den gängigen Materialien gehören Aluminium, Titan, Edelstahl, Inconel-Superlegierungen, Werkzeugstahl und Kobalt-Chrom.
- Die Industrie profitiert von optimierten Leichtbaukonstruktionen, der Konsolidierung von Teilen und Leistungssteigerungen gegenüber der herkömmlichen Fertigung.
- Spezialisierte Anbieter kontrollieren die kritischen Pulvereigenschaften genau und bieten maßgeschneiderte Legierungen sowie Dienstleistungen an, die den Anwendungsanforderungen entsprechen. Dies ermöglicht einen erweiterten Zugang zu den Kunden durch geringere Mengen.
- Unter Berücksichtigung der Reaktivitäts-/Entflammbarkeitsgefahren ist eine ordnungsgemäße Handhabung und Entsorgung erforderlich.
- Die Vorlaufkosten werden durch die Vorteile bei der Konstruktion und Herstellung bei Produktionsmengen von nur 50-100 Stück für mittelgroße Komponenten ausgeglichen.
FAQ
F: Wie werden Metallpulver hergestellt?
A: Die Gaszerstäubung ist die gängigste Technik, bei der der geschmolzene Metallstrom mit Hilfe von Inertgasdüsen in Tröpfchen zerlegt wird. Die kugelförmigen Partikel erstarren schnell und in kontrollierter Größe, unterstützt durch Wasser- oder Ölabschreckung. Auch die Plasmazerstäubung wird eingesetzt.
F: Welche Pulvergröße ist für den 3D-Druck von Metallen optimal?
A: Der Pulvergrößenbereich von 10 Mikron bis 45 Mikron bietet den besten Kompromiss zwischen Auflösung, Oberflächengüte und Baugeschwindigkeit für die gängigen Drucker von EOS, Concept Laser usw.
F: Wie lange hält sich unbenutztes Metallpulver bei richtiger Lagerung?
A: Bis zu 10 Jahre in einem feuchtigkeitsdichten Behälter mit Trockenmittelbeuteln bei einer Lagerung bei 20 °C gemäß ASTM-Normen. Trockene Stickstoffspülung ermöglicht eine noch längere Nutzung.
F: Können Metalldruckpulver wiederverwendet werden?
A: Ja, unbenutztes Pulver kann gesammelt und nach der Analyse mit frischem Material bis zu einem Anteil von 30% gemischt werden. Dies senkt die Gesamtkosten des Teils, aber die Grenzwerte für die Chemie und die Partikelgrößenverteilung müssen gemäß der Norm ASTM F3055 eingehalten werden.
F: Beeinflusst die Wahl des Materials die Kosten des 3D-Metalldrucks?
A: Ja, Titan- und Nickelsuperlegierungen haben aufgrund der hohen Rohstoffkosten einen 3-5fachen Preisaufschlag gegenüber Edelstahl. Begrenzte wettbewerbsfähige Quellen tragen ebenfalls zum Preisaufschlag gegenüber Stählen bei.
