Übersicht
3d-Metalldruckpulverauch bekannt als additive Fertigung oder direktes Metall-Lasersintern, ist ein revolutionäres Produktionsverfahren, das die Herstellung komplexer Metallteile direkt aus digitalen Entwürfen ermöglicht. Ein Laser verschmilzt selektiv feines Metallpulver, Schicht für Schicht, bis das fertige 3D-Objekt entsteht.
Die Schlüsselkomponente, die diese transformative Technologie ermöglicht, ist das Metallpulver. Die Eigenschaften und die Qualität des Pulvers haben einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften, die Genauigkeit, die Oberflächengüte und die Gesamtleistung der gedruckten Metallteile.
Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über Metallpulver für den 3D-Druck. Wir untersuchen Pulvertypen, Zusammensetzungen, Eigenschaften, Spezifikationen, Anwendungen, Vorteile, Einschränkungen und mehr auf der Grundlage der neuesten Branchenforschung und -standards. Lesen Sie weiter, um einen tieferen Einblick in dieses faszinierende Material zu erhalten, das im Zentrum der nächsten industriellen Revolution steht.
Arten von 3d-Metalldruckpulver
Für 3D-Druckpulver können verschiedene Legierungen und Metallmaterialien verwendet werden. Zu den gängigsten Optionen gehören:
Edelstahl-Pulver
Edelstahl ist aufgrund seiner hohen Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hohen Temperaturbeständigkeit eines der beliebtesten Metalle für den 3D-Druck. Die am häufigsten verwendeten Edelstahl-Legierungen sind:
- Edelstahl 316L - Die Standardlegierung mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften. 316L hat einen niedrigen Kohlenstoffgehalt, um die Eigenspannung beim Druck zu minimieren.
- 17-4PH-Edelstahl - Ausscheidungsgehärteter rostfreier Stahl, der durch eine Wärmebehandlung nach dem Druck sehr hohe Streck- und Zugfestigkeiten erreichen kann.
- 15-5PH rostfreier Stahl - Ein weiterer ausscheidungshärtender rostfreier Stahl, der eine hohe Festigkeit und Härte aufweist. 15-5PH bietet eine bessere Korrosionsbeständigkeit als 17-4PH.
- Nichtrostende Duplexstähle - Legierungen mit einer gemischten ferritisch-austenitischen Mikrostruktur. Duplex-Stähle bieten im Vergleich zu austenitischem 316L-Stahl eine höhere Streckgrenze und Zugfestigkeit. Zu den gängigen Duplex-Legierungen gehören 2205 und 2304.
Werkzeugstähle
Werkzeugstähle haben eine sehr hohe Härte, Verschleißfestigkeit und Druckfestigkeit. Zu den gängigen Metallpulvern dieser Gruppe gehören:
- H13 Werkzeugstahl - Ein extrem vielseitiger Cr-Mo-V-Warmarbeitsstahl, der auch bei erhöhten Temperaturen eine hohe Härte und Stabilität aufweist.
- P20 Werkzeugstahl - Ein vielseitiger niedrig legierter Formenstahl mit guter Bearbeitbarkeit und Polierbarkeit. P20 wird oft als billigere Alternative zu H13-Werkzeugstahl verwendet.
- Martensitaushärtende Stähle - Martensitisierung" steht für martensitische Alterung. Diese Stähle erreichen durch Alterungswärmebehandlung ultrahohe Festigkeiten. Gängige Maraging-Legierungen sind 18Ni(350) und 18Ni(300).
Aluminium-Legierungen
Das geringe Gewicht, die Korrosionsbeständigkeit und die hohe Wärmeleitfähigkeit von Aluminium machen es zu einer beliebten Wahl für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie und bei hohen Temperaturen. Zu den gängigen Aluminiumpulvern gehören:
- AlSi10Mg - Die am häufigsten verwendete Aluminiumlegierung mit ausgezeichneter Fließfähigkeit, Stabilität und mechanischen Eigenschaften. Si und Mg wirken als Verstärkungsstoffe.
- AlSi7Mg - Sehr ähnlich zu AlSi10Mg. Ein geringerer Siliziumgehalt verbessert die Fließfähigkeit des Pulvers.
- Scalmalloy - Eine hochfeste Al-Mg-Sc-Legierung, die durch den Scandiumzusatz eine außergewöhnliche Streckgrenze erhält.
Superlegierungen aus Kobalt und Nickel
Diese fortschrittlichen Metallpulver haben dank ihrer komplexen Zusammensetzung eine extrem hohe Hitze- und Verschleißfestigkeit. Typische Legierungen sind:
- Inconel 718 - Eine Superlegierung auf Nickel-Chrom-Basis mit unglaublicher Hochtemperaturfestigkeit durch Mischkristall- und Ausscheidungshärtung.
- Inconel 625 - Ausgezeichnete Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit auch bei extremen Temperaturen. Weit verbreitet in der Luft- und Raumfahrt, in der Chemie und in der Schifffahrt.
- Kobalt-Chrom (CoCr) - Mit Chromkarbiden verstärktes Kobalt ergibt biokompatible Implantate wie Prothesen und Zahnkronen/-brücken.
- Hastelloy - Korrosionsbeständige Nickellegierungen mit Zusätzen wie Molybdän, Chrom und Wolfram.
Titan und Titan-Legierungen
Reines Titan bietet die ultimative Mischung aus hoher Festigkeit und geringer Dichte. Legierungselemente wie Aluminium, Vanadium und Eisen bieten zusätzliche Vorteile:
- Ti6Al4V - Die beliebteste Titanlegierung, bei der Aluminium die Alpha-Phase stabilisiert und Vanadium die Beta-Phase verstärkt.
- TiAl6V4 - Ein höherer Aluminiumgehalt verbessert die mechanischen Eigenschaften und die Oxidationsbeständigkeit weiter.
- Ti6Al4V ELI - ELI" steht für "extra low interstitial" mit weniger Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff. Hat eine bessere Bruchfestigkeit als normales Ti64.
Feuerfeste und intermetallische Legierungen
Diese fortschrittlichen Pulver können extremen Temperaturen widerstehen oder haben eine außergewöhnliche Festigkeit/Härte:
- Wolframkarbid (WC/Co) - Harte Wolframkarbide, die durch eine Kobaltbindungsphase zusammengehalten werden, machen diese Legierung steifer als Stahl, wobei die Zähigkeit erhalten bleibt.
- Molybdän (Mo) - Mit reinem Molybdänpulver lassen sich Teile mit hoher Hitzebeständigkeit herstellen, die Temperaturen von über 750 °C standhalten.
- Inconel 625 - Superlegierungspulver auf Nickel-Chrom-Basis ermöglicht die Herstellung von Gegenständen, die in oxidierenden Umgebungen bis zu 980°C eine hohe Festigkeit aufweisen.
Edelmetalle
Die einzigartigen Eigenschaften von Edelmetallen wie Gold, Silber und Platin machen sie auch für den 3D-Druck geeignet:
- Silber (Ag) - Reines Silberpulver bewahrt selbst bei komplexen Druckgeometrien hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeitseigenschaften.
- Gold (Au) - Das meiste gedruckte Gold ist eigentlich Gold, das mit geringen Mengen von Metallen wie Silber, Kupfer und Palladium legiert ist, um die Härte zu erhöhen und die Eigenschaften zu optimieren.
- Platin (Pt) - Platinpulver ist biokompatibel und resistent gegen Korrosion und chemische Angriffe. Es wird zur Herstellung von medizinischen Implantaten und Laborgeräten verwendet.
In dieser Tabelle sind die Eigenschaften der gebräuchlichsten Metalldruck-Pulver zusammengefasst:
| Pulver Typ | Zusammensetzung | Wichtige Eigenschaften |
|---|---|---|
| 316L-Edelstahl | Fe/Cr18/Ni10/Mo3 | Korrosionsbeständigkeit, hohe Duktilität |
| 17-4PH-Edelstahl | Fe/Cr17/Ni4/Cu4 | Hohe Festigkeit nach Ausscheidungshärtung |
| AlSi10Mg | Al/Si10/Mg0,5 | Leicht, stabil, gute Wärmeleitfähigkeit |
| Inconel 718 | Ni/Cr18/Fe19/Nb5 | Behält hohe Festigkeit bei extremen Temperaturen |
| Ti6Al4V | Ti/Al6/V4 | Geringe Dichte, biokompatibel, hohe Festigkeit |
| Wolframkarbid | WC/Ko | Äußerst hart und hitzebeständig |
| Silber | Ag > 99% | Ausgezeichnete elektrische/thermische Leitfähigkeit |
Methoden zur Herstellung von Metallpulver
Um die für einen hochwertigen 3D-Druck erforderlichen Eigenschaften zu erzielen, müssen Metallpulver bestimmte physikalische Eigenschaften und Partikelgrößenverteilungen aufweisen. Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung von Pulvern:
Gaszerstäubung
- Der geschmolzene Metallstrom wird durch Hochdruck-Inertgasstrahlen zerkleinert
- Erzeugt kugelförmiges Pulver, ideal für den Druck - hohe Fließfähigkeit, Packungsdichte
- Häufigste Methode für feinere Pulver aus Edelstahl, Werkzeugstahl, Superlegierungen und Titan
Wasserzerstäubung
- Verwendet Wasserdüsen, um geschmolzenes Metall in feine Tröpfchen zu zerlegen
- Unregelmäßige Pulverform beeinträchtigt den Fluss, aber billiger als Gaszerstäubung
- Normalerweise für preiswertere Optionen wie Aluminium und Magnesium verwendet
Plasma-Zerstäubung
- Ein Plasmalichtbogen mit sehr hoher Energie schmilzt Metall und zerlegt es in feine Partikel
- Erzeugt hochsphärische Pulver aus reaktiven Legierungen wie Titanaluminiden
- Pulver haben einen höheren Reinheitsgrad und können komplizierte Details genauer drucken
Elektroden-Induktions-Schmelzgaszerstäubung (EIGA)
- Kombiniert Induktionsschmelzen und Gaszerstäubung
- Außergewöhnliche Kontrolle über chemische Zusammensetzung und Sauberkeit
- Verwendung für Speziallegierungen wie Nickelsuperlegierungen und Edelmetalle
Mechanisches Legieren
- Durch Hochenergie-Kugelmahlen hergestelltes Pulver
- Verwendet für CMD-Kupferlegierungen, Aluminiumverbundwerkstoffe und Intermetallics
- Erzeugt feine, homogene Zusammensetzungen aus gemischten elementaren Pulvern
Die richtige Technik der Pulverherstellung ist entscheidend, um die gewünschte Legierungschemie, die Partikelform, die Größenverteilung, den Reinheitsgrad und die Fließeigenschaften zu erhalten, die für den hochwertigen 3D-Druck von Metallen erforderlich sind.
Eigenschaften des Metallpulvers
3D-Druck-Pulver müssen strenge Spezifikationen in Bezug auf Chemie, Partikelgrößenverteilung, Morphologie, Mikrostruktur und andere Parameter erfüllen. Zu den wichtigsten Merkmalen gehören:
Partikelgrößenverteilung
Der typische Bereich liegt zwischen 15 und 45 Mikrometern. Zu den kritischen Faktoren gehören:
- D10 - Größe, unter die 10% der Partikel fallen
- D50 - Mittlere Partikelgröße mit 50% über und unter diesem Durchmesser
- D90 - Größe, bei der 90% des Pulvers unter diesem Durchmesser liegt
Ideale Werte: D10: 20-25 μm ; D50: 30-35 μm ; D90: 40-45 μm
Partikelform und Oberflächenmorphologie
- Hochgradig kugelförmige Partikel mit glatter Oberfläche ermöglichen eine einfache Verteilung des Pulvers und eine optimale Verdichtung.
Durchflussmenge und scheinbare Dichte
- Die Fließgeschwindigkeit bestimmt, wie leicht sich das Pulver beim Drucken verteilt.
- Die scheinbare Dichte gibt an, wie dicht sich das Pulver in einem bestimmten Volumen zusammenfügt.
- Die Werte hängen von Faktoren wie Partikelform, Größenverteilung und Oberflächenstruktur ab.
- Gasverdüste Pulver haben höchste Fließfähigkeit und Packungsdichte
Zapfstellendichte
- Maximale Dichte nach mechanischem Klopfen/Aufrühren
- Höhere Gewindebohrerdichte verbessert die Dichte des Endprodukts
Hausner-Verhältnis
- Das Verhältnis zwischen Abstichdichte und Schüttdichte
- Niedrigere Verhältnisse ~1,1 deuten auf eine gute Fließfähigkeit hin
- Höhere Quotienten ~1,4 deuten auf Kohäsion und schlechten Fluss hin
Restliche Oxide und Verunreinigungen
- Reinheit ist entscheidend, Sauerstoff und Stickstoff können Porositätsfehler verursachen
- Die Chemikalien müssen den Legierungsspezifikationen entsprechen
- Gas-, Plasma- und EIGA-Zerstäubung bieten sauberste Pulver
Interne Mikrostruktur
- Abhängig von der Zusammensetzung und der Erstarrungsgeschwindigkeit bei der Pulverherstellung
- Einphasige, gleichachsige Körner für eine optimale Schichtschmelze erwünscht
- Einige Legierungen erzeugen absichtlich duale Phasen für einzigartige Eigenschaften
Partikelhärte
- Beeinflusst die Leistung der fertigen Teile
- Vickers Pyramidenzahl (HV), die zur Quantifizierung der
- Harte Partikel widerstehen der Verformung während der Ausbreitung des Pulvers
Satellit Formation
- Kleinere Partikel können sich bei der Pulverherstellung mit größeren Partikeln verbinden
- Satelliten können die Bildung von Schmelzbädern beim Drucken beeinflussen
- Gaszerstäubte Pulver haben minimale Satelliten
Oberflächenchemie
- Funktionelle Oberflächengruppen beeinflussen die Ausbreitung und das Schmelzen von Pulver
- Atmosphäre und Temperatur während der Produktion wirken sich aus
- Inerte Verarbeitung erzeugt saubere, oxidfreie Pulverchemie
Eine strenge Qualitätskontrolle dieser Pulvereigenschaften ist entscheidend für einen erfolgreichen und qualitativ hochwertigen 3D-Druck.
Metallpulver-Spezifikationen
3D-Druckerhersteller und Organisationen wie ISO und ASTM haben standardisierte Spezifikationen für die meisten Metalldruckpulver. Zu den typischen Parametern gehören:
Größenverteilung
- D10-, D50- und D90-Werte gemäß den empfohlenen Bereichen
- Maximaler Satelliteninhalt < 1%
Chemie-Konformität
- Elementzusammensetzung gemäß den veröffentlichten Legierungszusammensetzungsbereichen
- Niedrige Sauerstoff- und Stickstoffwerte (<1000 ppm)
- Restkohlenstoff- und Schwefelmengen je nach Legierung
Offensichtliche Dichte und Klopfdichte
- Scheinbare Dichte 2,5-4,5 g/cm3
- Klopfdichte bis zu 65% höher als die scheinbare Dichte
Durchflussmenge
- Hall-Durchflussmesser-Test > 15 s/50 g
Feuchtigkeitsgehalt
- Hohe Luftfeuchtigkeit führt zur Agglomeration des Pulvers
- Maximaler Feuchtigkeitsgehalt < 0,02%
Oberflächenoxide
- Oxide und Verunreinigungen können Porositätsfehler verursachen
- SEM-Bildgebung zur Überprüfung der Partikeloberflächen
Seriöse Pulverhersteller prüfen jede Charge und stellen vollständige Analysedaten sowie MLS-Verhältnisse, Hausner-Verhältnisse, Carr-Indizes und Ergebnisse von Pyknometern und Hall-Flowmetern zur Verfügung, um das Pulver nach festgelegten Normen zu qualifizieren.
Metalldruckpulver Anwendungen
Der 3D-Metalldruck verändert die Produktion in den verschiedensten Branchen. Typische Anwendungen sind:
Luft- und Raumfahrt
- Komponenten von Flugzeug- und Raketentriebwerken - Turbinen, Düsen, Kraftstoffsysteme
- Strukturelle Teile der Flugzeugzelle und des Fahrwerks aus Titan, Aluminium, Inconel
- Signifikante Gewichtseinsparungen, Teilekonsolidierung, Leistungsverbesserungen
Medizinisch & Zahnmedizinisch
- Implantate für den Wiederaufbau von Gelenken wie Knie, Hüften und Schultern
- Zahnimplantate, Kronen und Brücken
- Schädelplatten, chirurgische Instrumente, auf den Patienten abgestimmte Führungen und Werkzeuge
- Biokompatibles Kobalt-Chrom, Titan, rostfreier Stahl und Edelmetall-Legierungen
Automobilindustrie
- Leichtgewichtige Teile für Prototypen und Serienfahrzeuge - Fahrgestell, Antriebsstrang
- Konforme Kühlung von Werkzeugen für das Spritzgießen
- Kundenspezifische Vorrichtungen für Montagelinien
- Zertifizierung für strukturelle Komponenten aus rostfreiem Stahl in Arbeit
Industrielle Fertigung
- Metallwerkzeugbau - Spritzguss, Thermoformung, Blechumformung
- Press- und Stanzwerkzeuge aus gehärteten Werkzeugstählen
- Konforme Kühlkanäle minimieren die Werkzeugzykluszeiten
- Schnelle Herstellung von Produktionswerkzeugen für Kleinserien
Öl und Gas
- Ventile, Pumpen und Rohre aus Edelstahl und Hastelloy für die Produktion
- Korrosionsbeständige Inconel-Komponenten für den Offshore-Bereich
- Konforme Kanäle minimieren die Druckverluste
Unterhaltungselektronik
- Kundenspezifische Gehäuse, Abdeckungen und Rahmen aus Edelstahl oder Aluminium
- Wärmemanagementvorrichtungen zur Wärmeableitung
- Elektromagnetisch abschirmende Komponenten
- Hochwertiger Designer-Schmuck - Gold, Silber, Platin
Schnelle Fertigungstechniken wie der 3D-Druck ermöglichen eine völlig neue Funktionalität, Leistung und Designfreiheit. Die einzigartigen Eigenschaften von Metalldruckpulvern ermöglichen produktionsreife Endverbrauchsteile in nahezu jeder Branche.
3d-Metalldruckpulver Anbieter
Die meisten großen Metallproduktionskonglomerate stellen inzwischen spezielle Pulver für die additive Fertigung her. Zu den weltweit führenden Anbietern gehören:
| Unternehmen | Wichtige Produkte | Beschreibung |
|---|---|---|
| Sandvik | Osprey Pulver aus Edelstahl, Werkzeugstahl und hochlegierten Stählen | Branchenführer bei der Zerstäubung von rostfreiem, hochlegiertem und Werkzeugstahl mit globalen technischen Zentren |
| Zimmerer-Zusatzstoff | 17-4PH, 304L, Legierung 625, Kobalt-Chrom, Titan-Güteklassen | Breites Portfolio mit niedrig legierten Stählen, rostfreien Stählen, Nickellegierungen, Titan und Kobaltchrom |
| Praxair | TAFA Metall-Bedruckbarkeitspulver | Enge Größenverteilungen und sphärische Morphologien, optimiert für den Druck |
| Höganäs | Digitale Metallsorten | Hochwertige Pulver aus rostfreiem Stahl, Werkzeugstahl, Kobalt-Chrom und Nickellegierungen |
| LPW-Technologie | LPW-Pulver-Lösungen | Spezialisiert auf Plasmazerstäubung für reaktive Materialien wie Titan- und Aluminiumlegierungen |
| Arcast | Arcast Metall 3D-Druck-Pulver | Verdüsungskapazität im kommerziellen Maßstab für eine Reihe von rostfreien Stählen, Werkzeugstählen, Nickelsuperlegierungen usw. |
| Verband der Metallpulverindustrie | MPIF-Norm 35 | Globaler Verband zur Festlegung anerkannter Spezifikationsstandards für Metallpulver |
Seriöse Anbieter stellen umfassende Daten zur Zusammensetzung und zu den Eigenschaften ihrer Pulver zur Verfügung, die durch intensive Forschung und Entwicklung und strenge Qualitätskontrollen unterstützt werden. Viele bieten auch kundenspezifische Legierungsentwicklungsdienste an. Die globale Lieferkettenlogistik gewährleistet eine zuverlässige Verfügbarkeit auf den wichtigsten Märkten.
3d-Metalldruckpulver Preisgestaltung
Rostfreier Stahl 316L - $50-100 USD pro kg
Martensitaushärtender Stahl (300er Qualität) - $100-200 USD pro kg
Aluminium AlSi10Mg - $30-60 USD pro kg
Titan Ti6Al4V (Grad 5) - $200-400 USD pro kg
Inconel 718 - $100-200 USD pro kg
Kobalt-Chrom F75 - $100-250 USD pro kg
Die Preise variieren je nach:
- Reinheitsgrade
- Größenverteilung
- Mindestbestellmengen
- Kosten für die Entwicklung kundenspezifischer Legierungen
- Einfuhrzölle/Steuern
Vor- und Nachteile des 3D-Drucks von Metall
Vorteile
- Gestaltungsfreiheit für komplexe Geometrien
- Konsolidierung von Teilen in einzelne Komponenten
- Gewichtsreduzierung durch Topologieoptimierung
- Reduzierte Montage aus weniger Komponenten
- Optionen für hochfeste Legierungen
- Funktionsintegration - z. B. konforme Kühlkanäle
- Schnelle Bearbeitung von Änderungen und Anpassungen
- On-Demand-Produktion von veralteten/legacy-Ersatzteilen
- Geringerer Materialabfall im Vergleich zu subtraktiven Techniken
Beschränkungen
- Höhere Teilekosten im Vergleich zur konventionellen Großserienfertigung
- Eingeschränkte Größenkapazität basierend auf dem Bauvolumen der Geräte
- Begrenzte Vielfalt an derzeit zertifizierten und qualifizierten Legierungsoptionen
- Geringere Maßgenauigkeit und feinere Oberflächengüte erfordern Nachbearbeitung
- Mechanische Anisotropie, da sich die Eigenschaften je nach Ausrichtung des Gebäudes unterscheiden
- Nachbearbeitung wie Heiß-Isostatisches Pressen für eine vollständige Konsolidierung der Dichte erforderlich
- Fehlen von Industriestandards für einige Anwendungen
Die Palette der bedruckbaren Metalle nimmt exponentiell zu, ebenso wie die Qualität und die Wiederholbarkeit, da die Technologie und die Materialwissenschaft rasant fortschreiten.
FAQ
Welchen Partikelgrößenbereich benötigen Metallpulver für den 3D-Druck?
- Der typische Größenbereich liegt zwischen 15 und 45 Mikrometern.
- Verteilungskurven geben die Partikeldurchmesser D10, D50 und D90 an
- Die Werte hängen von der gewünschten Schichtauflösung ab, betragen aber in der Regel 20-45 Mikrometer.
Was ist der Unterschied zwischen Pulvern aus rostfreiem Stahl 316L und 17-4PH?
- Beides Eisen/Chrom/Nickel-Legierungen. 316L hat eine bessere Korrosionsbeständigkeit.
- 17-4PH hat eine höhere Festigkeit und Härte nach der Wärmebehandlung durch Ausscheidungshärtung
- 316L wird zunehmend in der Schifffahrt, in der Chemie und in der Biomedizin eingesetzt, wo Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist.
- 17-4PH eignet sich für Werkzeuganwendungen, die eine hohe Verschleißfestigkeit erfordern
Warum ist die Form bei Metalldruckpulvern wichtig?
- Stark kugelförmige Partikel haben einen besseren Fluss und eine hohe Packungsdichte
- Glatte Oberflächenmorphologie ohne Satelliten gewährleistet optimale Verschmelzung
- Mit gaszerstäubten Pulvern lassen sich Drucke von höchster Qualität erzielen.
