Überblick über Metallmaterialien für den 3D-Druck
3D-Druck, auch bekannt als additive Fertigungermöglicht die Herstellung komplexer Metallteile direkt aus 3D-CAD-Daten. Im Gegensatz zu traditionellen subtraktiven Verfahren wie der CNC-Bearbeitung werden die Teile beim 3D-Druck Schicht für Schicht aufgebaut, ohne dass spezielle Werkzeuge oder Vorrichtungen benötigt werden.
Der 3D-Druck von Metallen eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung kundenspezifischer, leichter und leistungsstarker Metallkomponenten mit komplexen Geometrien. Die Luft- und Raumfahrt-, Automobil-, Medizin- und Verteidigungsindustrie setzen den Metall-3D-Druck zunehmend für Endanwendungen in der Produktion ein.
Allerdings können nicht alle Metalle problemlos in 3D gedruckt werden. Die am häufigsten verwendeten Metallmaterialien sind Aluminium, Titan, Nickel, Edelstahl und Kobalt-Chrom-Legierungen. Die Wahl des Materials hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab - Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturleistung, Biokompatibilität usw.
Dieser umfassende Leitfaden bietet einen detaillierten Überblick über verschiedene Metalle und Legierungen, die im 3D-Druck verwendet werden. Wir erörtern die Zusammensetzung, Eigenschaften, Anwendungen sowie Vor- und Nachteile gängiger Metallmaterialien, um Ihnen bei der Auswahl des richtigen Materials für Ihre Anforderungen zu helfen.
Die wichtigsten Erkenntnisse über 3D-Druckmaterialien aus Metall:
- Aluminiumlegierungen bieten ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und Korrosionsbeständigkeit bei geringeren Kosten.
- Titanlegierungen bieten hervorragende Festigkeit bei geringer Dichte und Biokompatibilität für medizinische Anwendungen.
- Nichtrostende Stähle haben eine hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit für Werkzeuge und Funktionsteile.
- Nickelsuperlegierungen können hohen Temperaturen standhalten und eignen sich daher für die Luft- und Raumfahrt.
- Kobalt-Chrom-Legierungen bieten Härte, Verschleißfestigkeit und Biokompatibilität für dentale und medizinische Implantate.
- Die Wahl des Materials hängt von den mechanischen Anforderungen, den Nachbearbeitungserfordernissen, den Kosten und der Eignung des 3D-Druckverfahrens ab.
- Teileausrichtung, Stützstrukturen, Schichtdicke und Bauparameter müssen für jedes Metallmaterial optimiert werden.
- Nachbearbeitungen wie das heißisostatische Pressen können die Eigenschaften des Endprodukts verbessern.
Zusammensetzung von Metallmaterialien für den 3D-Druck
Die Zusammensetzung von Legierungselementen in Metallen und das Gefüge sorgen für spezifische Eigenschaften und bestimmen die Eignung des Materials für den 3D-Druck.
Aluminium-Legierungen
Aluminium ist bekannt für seine geringe Dichte und gute Korrosionsbeständigkeit. Am häufigsten werden Knet- und Gussaluminiumlegierungen verwendet:
| Legierung Typ | Kompositionen |
|---|---|
| 6061 | Mg, Si, Cu, Cr |
| 7075 | Zn, Mg, Cu, Cr |
| A356 | Si, Mg, Cu |
6061 bietet eine bessere Korrosionsbeständigkeit, während 7075 eine höhere Festigkeit aufweist. A356 ist eine gießbare Legierung.
Titan-Legierungen
Titan hat ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und ist biokompatibel, kann aber schwer zu bearbeiten sein. Gängige Legierungen:
| Legierung Typ | Kompositionen |
|---|---|
| Ti-6Al-4V | Al, V |
| Ti 6242 | Al, Sn |
Ti-6Al-4V bietet die beste Ausgewogenheit der Eigenschaften und ist die am häufigsten verwendete Titanlegierung.
Rostfreie Stähle
Rostfreie Stähle enthalten Cr und Ni für eine gute Korrosionsbeständigkeit. Einige verwendete Legierungen:
| Legierung Typ | Kompositionen |
|---|---|
| 316L | Ni, Mo, Cr |
| 17-4PH | Ni, Cr, Cu |
| 303 | S, Cr, Ni |
316L bietet eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit. 17-4PH ist ein ausscheidungshärtender martensitischer rostfreier Stahl.
Nickel-Superlegierungen
Nickelsuperlegierungen haben eine hohe Festigkeit und halten extremen Temperaturen stand. Gängige Legierungen:
| Legierung Typ | Kompositionen |
|---|---|
| Inconel 718 | Ni, Cr, Fe, Nb, Mo |
| Inconel 625 | Ni, Cr, Mo, Nb |
Inconel 718 wird in großem Umfang in der Luft- und Raumfahrt verwendet. Inconel 625 hat eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit.
Kobalt-Chrom-Legierungen
Kobalt-Chrom-Legierungen bieten Härte, Verschleißfestigkeit und Biokompatibilität. Zwei Hauptgüten werden verwendet:
| Legierung Typ | Kompositionen |
|---|---|
| CoCrMo | Co, Cr, Mo |
| CoNiCrMo | Co, Ni, Cr, Mo |
Beide bieten ähnliche Eigenschaften. CoCrMo ist weiter verbreitet.
Mechanische Eigenschaften von Metallwerkstoffen
Die mechanischen Eigenschaften des Metalls bestimmen die Leistung des 3D-Druckteils. Nachfolgend finden Sie typische Eigenschaften von häufig verwendeten Legierungen:
| Werkstoff Metall | Streckgrenze (MPa) | Zugfestigkeit (MPa) | Dehnung (%) | Dichte (g/cm3) |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | 230 | 450 | 8 | 2.68 |
| Ti-6Al-4V | 880 | 930 | 10 | 4.43 |
| 316L-Edelstahl | 290 | 515 | 40 | 8 |
| Inconel 718 | 1138 | 1275 | 12 | 8.19 |
| Inconel 625 | 550 | 860 | 35 | 8.44 |
| CoCrMo | 655 | 860 | 8 | 8.3 |
- Aluminiumlegierungen bieten eine mittlere Festigkeit bei ausgezeichneter Dehnung.
- Titanlegierungen bieten angesichts ihrer geringen Dichte eine sehr hohe Festigkeit.
- Edelstahl 316L bietet eine gute Duktilität und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit.
- Inconel-Superlegierungen sind extrem fest, aber weniger dehnbar.
- Kobaltchrom hat eine hohe Härte, so dass es nach dem Druck schwer zu bearbeiten ist.
Anwendungen des 3D-Drucks von Metall
Die Wahl des Materials hängt von der Endanwendung und den spezifischen Konstruktionsanforderungen ab:
| Industrie | Anwendungen | Verwendete Materialien |
|---|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Turbinenschaufeln, Strukturkonsolen | Titanlegierungen, Inconel, rostfreier Stahl |
| Automobilindustrie | Kundenspezifische Teile, Werkzeugbau | Aluminium, niedrig legierter Stahl |
| Medizinische | Implantate, chirurgische Instrumente | Titan, Kobalt-Chrom |
| Öl und Gas | Ventile, Pumpen, Werkzeuge | Rostfreier Stahl, Inconel |
| Verteidigung | Komplexe Teile, leichte Panzerung | Aluminium, Titan |
Einige typische Anwendungen, die von 3D-gedruckten Metallteilen profitieren:
- Luft- und Raumfahrt: Komplexe und leichte Halterungen und Strukturkomponenten
- Automobilindustrie: Kundenspezifische Teile für Motorsportanwendungen
- Medizinisch: Patientenspezifische Implantate und chirurgisches Instrumentarium
- Öl und Gas: Hochleistungsarmaturen und -pumpen für Pipelines
- Verteidigung: Detaillierte und leichte Komponenten für Fahrzeuge und Ausrüstung
Vor- und Nachteile der wichtigsten Metallwerkstoffe
Hier finden Sie einen Vergleich der Vorteile und Einschränkungen der gängigen Metalllegierungen für den 3D-Druck:
| Material | Profis | Nachteile |
|---|---|---|
| Aluminium 6061 | Geringe Kosten, gute Korrosionsbeständigkeit | Geringere Stärke |
| Aluminium 7075 | Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht | Schwierig zu schweißen |
| Titan Ti-6Al-4V | Hohe Festigkeit, geringe Dichte | Teures Material |
| Rostfreier Stahl 316L | Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit | Geringere Festigkeit als Legierungen |
| Inconel 718 | Hält extremen Temperaturen stand | Anspruchsvoll zu bearbeiten |
| Kobalt Chrom | Ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Biokompatibilität | Begrenzte Duktilität |
Lieferanten von Materialien für den 3D-Druck aus Metall
Viele Unternehmen bieten Metallpulver und Draht speziell für 3D-Druckverfahren an:
| Material | Hauptlieferanten |
|---|---|
| Aluminium-Legierungen | AP&C, Sandvik, HC Starck |
| Titan-Legierungen | AP&C, TLS Technik, Tekna |
| Rostfreie Stähle | Sandvik, Carpenter Zusatzstoff |
| Nickel-Superlegierungen | AP&C, Sandvik, Praxair |
| Kobalt-Chrom-Legierungen | AP&C, Sandvik, SLM-Lösungen |
Faktoren wie Pulverqualität, Konsistenz, Partikelform und Größenverteilung wirken sich auf die endgültigen Bauteileigenschaften und die Stabilität des Druckprozesses aus. Renommierte Anbieter bieten gut charakterisierte und maßgeschneiderte Legierungen für AM an.
Kostenanalyse von Materialien für den 3D-Druck aus Metall
Die Materialkosten machen beim 3D-Metalldruck einen beträchtlichen Teil der Endkosten eines Teils aus. Nachstehend finden Sie ungefähre Preisspannen:
| Material | Kosten pro kg | Kosten pro cm3 |
|---|---|---|
| Aluminium-Legierungen | $50-$150 | $0.15-$0.45 |
| Titan-Legierungen | $350-$1000 | $1.00-$3.00 |
| Rostfreie Stähle | $90-$250 | $0.25-$0.75 |
| Inconel 718 | $350-$600 | $2.50-$4.50 |
| Kobalt Chrom | $500-$1200 | $3.50-$8.50 |
- Titan- und Kobalt-Chrom-Legierungen sind am teuersten, während Aluminium ein moderates Preisniveau aufweist.
- Die Materialkosten skalieren mit dem Bauvolumen - größere Teile aus teuren Legierungen erfordern ein höheres Materialbudget.
- Eine Optimierung zur Verringerung des Abfalls von Trägern und der Nachbearbeitung kann zur Senkung der effektiven Materialkosten beitragen.
Normen für Metallpulver
Um wiederholbare, qualitativ hochwertige Drucke zu gewährleisten, müssen die im 3D-Druck verwendeten Metallpulver bestimmte Mindeststandards erfüllen:
| Eigentum | Wichtige Normen |
|---|---|
| Partikelgrößenverteilung | ASTM B822, ISO 4490 |
| Fließfähigkeit | ASTM B213, ISO 4490 |
| Scheinbare Dichte | ASTM B212, ISO 3923 |
| Dichte des Gewindebohrers | ASTM B527, ISO 3953 |
| Chemische Zusammensetzung | ASTM E1479, OES-Analyse |
- Die Qualität des Pulvers beeinflusst die Eigenschaften des Endprodukts wie Dichte, Oberflächengüte und mechanische Eigenschaften.
- Sphärische Pulver mit kontrollierter Partikelgrößenverteilung haben eine ausgezeichnete Fließfähigkeit.
- Gleichbleibende Chemie und Dichte sorgen für Prozessstabilität und Wiederholbarkeit.
3D-Druckverfahren für Metalle
Verschiedene 3D-Drucktechnologien können Metalle und Legierungen verarbeiten:
| Methode | Materialien | Wichtigste Vorteile | Beschränkungen |
|---|---|---|---|
| Pulverbett Fusion | Die meisten Legierungen | Hervorragende Genauigkeit und Oberflächengüte | Langsame Bauraten |
| Gezielte Energieabscheidung | Die meisten Legierungen | Aufgebaute Merkmale auf bestehenden Teilen | Geringere Auflösung |
| Binder Jetting | Rostfreier Stahl | Hochgeschwindigkeitsdrucken | Geringere Stärke |
| Metall-Extrusion | Begrenzte Legierungen | Niedrige Ausstattungskosten | Geringere Dichte |
- Pulverbetttechnologien wie DMLS bieten die höchste Auflösung und Genauigkeit.
- Das Binder-Jetting funktioniert mit einer größeren Bandbreite von Legierungen, hat aber eine geringere Endfestigkeit des Teils.
- Die gerichtete Energiedeposition ermöglicht das Drucken großer, nahezu netzförmiger Teile.
Nachbearbeitungsanforderungen
Nachgedruckte Metallteile müssen in der Regel nachbearbeitet werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen:
| Post-Process | Zweck | Verwendete Materialien |
|---|---|---|
| Entfernung der Stütze | Stützstrukturen entfernen | Legierungen mit dünnen, zerbrechlichen Trägern |
| Stressabbau | Eigenspannungen vermindern | Alle Legierungen |
| Heißisostatisches Pressen | Dichte erhöhen, Eigenschaften verbessern | Alle Legierungen |
| Oberflächenbehandlung | Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit | Alle Legierungen |
| Wärmebehandlung | Änderung der Mikrostruktur | Aushärtbare Legierungen wie Aluminium |
| Bearbeitung | Genaue Abmessungen und Oberflächengüte | Die meisten Legierungen |
- Für alle Legierungen wird eine Spannungsarmglühung empfohlen, um Verzug zu vermeiden.
- Die HIP-Behandlung kann die endgültigen Materialeigenschaften erheblich verbessern.
- Die CNC-Bearbeitung sorgt für Maßhaltigkeit und Oberflächengüte.
Wie man ein Metallmaterial für den 3D-Druck auswählt
Befolgen Sie diese Richtlinien für die Auswahl eines optimalen Metallmaterials:
- Abstimmung der Legierungseigenschaften auf die Konstruktionsanforderungen wie Festigkeit, Härte, Wärmebeständigkeit usw.
- Berücksichtigen Sie die Anforderungen an die Nachbearbeitung - einige Legierungen wie Inconel sind schwierig zu bearbeiten.
- Beurteilen Sie Größe und Geometrie der Teile - einige Metalle wie Aluminium eignen sich besser für größere Teile.
- Abschätzung des Produktionsvolumens - Prototyp aus billigerem Material, dann Umstellung auf höherwertige Legierungen.
- Berücksichtigen Sie die Materialverfügbarkeit und die Kosten bereits in der Entwurfsphase.
- Arbeiten Sie eng mit Ihrem 3D-Druckdienstleister zusammen, um das beste Material auszuwählen.
- Optimieren Sie Druckparameter wie Ausrichtung und Schichtdicke auf der Grundlage der gewählten Legierung.
- Durchführung von Testaufbauten und Materialcharakterisierungstests vor Produktionsbeginn.
FAQs
F: Welche Metalllegierung hat die höchste Festigkeit für den 3D-Druck?
A: Inconel-Superlegierungen wie Inconel 718 haben die höchste Zugfestigkeit, sind aber weniger dehnbar. Titan Ti-6Al-4V hat das beste Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht.
F: Sind 3D-gedruckte Teile aus rostfreiem Stahl korrosionsbeständig?
A: Ja, 316L und andere Edelstahllegierungen behalten ihre hervorragende Korrosionsbeständigkeit nach dem 3D-Druck bei.
F: Welches ist die am häufigsten verwendete Titanlegierung für den 3D-Druck?
A: Ti-6Al-4V ist die beliebteste Titanlegierung, die 90% des gesamten Titan-3D-Drucks umfasst. Sie bietet die besten Allround-Eigenschaften.
F: Welche Aluminiumlegierung ist für den 3D-Druck am besten geeignet?
A: 6061 und 7075 werden am häufigsten verwendet, wobei 6061 eine gute Korrosionsbeständigkeit bei geringeren Kosten bietet und 7075 für hochfeste Strukturanwendungen gewählt wird.
F: Sind Nachbearbeitungsschritte für 3D-gedruckte Metallteile obligatorisch?
A: Für optimale Materialeigenschaften und Leistung ist eine Nachbearbeitung wie z. B. das Entfernen von Auflagerungen, Spannungsentlastung und Oberflächenbearbeitung sehr empfehlenswert.
F: Welches 3D-Druckverfahren eignet sich am besten für eine Vielzahl von Metalllegierungen?
A: Binder Jetting und gerichtete Energieabscheidung können mit den meisten Legierungen funktionieren, aber das Pulverbettschmelzen erzeugt Teile mit höherer Auflösung.
F: Wie sieht es mit der Genauigkeit der Teile zwischen der maschinellen Bearbeitung und dem 3D-Druck von Metallen aus?
A: CNC-gefräste Teile erlauben engere Toleranzen und eine bessere Oberflächenqualität als 3D-gedruckte Metalle. Allerdings ermöglicht der 3D-Druck komplexere Geometrien.
F: Welches Metall-3D-Druckverfahren hat die schnellste Baugeschwindigkeit?
A: Mit Binder Jetting können die höchsten Druckgeschwindigkeiten erreicht werden, wobei die Teile bis zu 10-mal schneller hergestellt werden als beim Pulverbettschmelzverfahren.