Metall-Pulver sind ein wichtiger Rohstoff für die additive Fertigung mit Hilfe der Pulverbettschmelztechnologie. Dieser Leitfaden gibt einen Überblick über verschiedene Metallpulver, die in 3D-Druckverfahren wie dem selektiven Laserschmelzen (SLM) und dem Elektronenstrahlschmelzen (EBM) verwendet werden.
Einführung in Metallpulver für AM
Metallpulver ermöglichen den Druck komplexer, hochleistungsfähiger Metallteile mittels additiver Fertigung.
Verwendete Materialien:
- Rostfreie Stähle
- Werkzeugstähle
- Kobalt-Chrom-Legierungen
- Titan und Titanlegierungen
- Aluminium-Legierungen
- Nickel-Superlegierungen
- Kupferlegierungen
Wichtige Pulvereigenschaften:
- Chemie - Reinheit und Zusammensetzung
- Form und Morphologie der Partikel
- Partikelgrößenverteilung
- Scheinbare Dichte und Abstichdichte
- Fließfähigkeit
- Wiederverwendung des Pulvers
Methoden der Pulverherstellung:
- Gaszerstäubung
- Wasserzerstäubung
- Plasma-Zerstäubung
- Elektroden-Induktionsschmelzen
- Carbonyl-Verfahren
- Mechanisches Legieren
Edelstahl-Pulver
Pulver aus rostfreiem Stahl werden üblicherweise für den Druck korrosionsbeständiger Teile verwendet:
Legierungsarten:
- Austenitische Stähle wie 316L, 304L
- Martensitische Stähle wie 17-4PH
- Duplexstähle wie 2205
- Ausscheidungshärtung wie 17-4PH, 15-5PH
Merkmale:
- Hohe Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit
- Gute Festigkeit und Duktilität
- Weniger rissempfindlich als hochlegierte Stähle
- Parameter wie Build-Atmosphäre kritisch
Anwendungen:
- Teile für die Chemie- und Prozessindustrie
- Schiffskomponenten
- Medizinische Implantate und Geräte
- Teile der Lebensmittel-/Pharmaindustrie, die Hygiene erfordern
Lieferanten: Carpenter, Sandvik, Praxair, Höganäs, LPW Technology
Werkzeugstahl-Pulver
Werkzeugstähle wie H13 sind ideal für den Druck von Verschleißteilen und Teilen mit hoher Härte:
Legierungsarten:
- Stoßfeste Stähle wie S7
- Kaltarbeitsstähle wie D2
- Warmarbeitsstähle wie H13, H11
- Schnellarbeitsstähle wie M2
Merkmale:
- Ausgezeichnete Härte bis zu 60 HRC
- Hohe Verschleißfestigkeit
- Gute Zähigkeit und Beständigkeit gegen thermische Ermüdung
- Erfordern ein Lösungsglühen bei hoher Temperatur
Anwendungen:
- Werkzeuge und Formen für die Metallumformung
- Schneidwerkzeuge und Bohrer
- Verschleißteile und Lager
- Hochtemperatur-Werkzeuge
Lieferanten: Sandvik, Erasteel, LPW-Technologie, Tekna Plasma Systems
Kobalt-Chrom-Legierungen
Kobalt-Chrom-Pulver bedrucken biokompatible Implantate und Zahnrestaurationen:
Legierungsarten:
- CoCrMo wie Co-28Cr-6Mo
- CoNiCrMo wie Co-35Ni-20Cr-10Mo
- CoCr wie Co-67Cr-28Fe
Merkmale:
- Ausgezeichnete Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit
- Hohe Festigkeit und Härte
- Verschleißfestigkeit von Gelenken
- Schwierige Bedruckbarkeit und Rissneigung
Anwendungen:
- Zahnkappen, Brücken und Kronen
- Orthopädische Knie- und Hüftimplantate
- Fixierungsvorrichtungen wie Schädelplatten
- Hardware für die Wirbelsäulenfusion
Lieferanten: SLM-Lösungen, Schreiner, Arcam EBM
Titan-Pulver
Titanpulver sorgt für starke, leichte gedruckte Teile:
Legierungsarten:
- Unlegiertes Titan wie Ti Grade 1-4
- Ti-6Al-4V-Legierung
- Ti-6Al-7Nb-Legierung
- Andere Alpha + Beta-Legierungen
Merkmale:
- Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
- Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit
- Gute Hochtemperatureigenschaften
- Geringe Dichte - 4,5 g/cc
- Reaktiv und erfordert eine inerte Atmosphäre
Anwendungen:
- Komponenten für die Luft- und Raumfahrt und den Motorsport
- Medizinische Implantate und Prothetik
- Teile für die Lebensmittel-/Chemieindustrie
- Automobilteile
Lieferanten: AP&C, Tekna, Carpenter-Zusatzstoff
Aluminium-Legierungen
Mit Aluminiumpulvern werden leichte Struktur- oder Funktionsteile gedruckt:
Legierungsarten:
- AlSi10Mg
- AlSi7Mg
- AlSi12
- Scalmalloy® und andere Al-Legierungen
Merkmale:
- Niedrige Dichte - 2,7 g/cc
- Gute Festigkeit und Steifigkeit
- Ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit
- Anfällig für Rissbildung und Eigenspannungen
Anwendungen:
- Automobil- und Motorsportkomponenten
- Luft- und Raumfahrtanwendungen
- Wärmetauscher
- Medizinische Ausrüstung wie Gipsverbände
Anbieter: AP&C, Sandvik, LPW-Technologie, ECKA-Granulate
Nickel-Superlegierungen
Nickel-Superlegierungen wie Inconel 718 ermöglichen den Druck von Hochtemperaturteilen:
Legierungsarten:
- Inconel 718
- Inconel 625
- Waspaloy
- Hastelloy X
Merkmale:
- Ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit
- Gute Korrosions- und Kriechbeständigkeit
- Fähigkeit, unter Stress und bei hohen Temperaturen zu arbeiten
- Anspruchsvoll in der Verarbeitung und anfällig für Risse
Anwendungen:
- Turbinenschaufeln
- Teile der Verbrennungskammer
- Komponenten des Raumfahrzeugs
- Teile für die nukleare/chemische Industrie
Lieferanten: Praxair, Carpenter Additive, GE Additive
Kupfer-Legierungen
Mit Kupferlegierungen wie CuCrZr lassen sich hochleitfähige Teile drucken:
Legierungsarten:
- Kupfer-Chrom wie CuCr1Zr
- Kupfer-Nickel wie CuNi2SiCr
- Bronzen wie CuSn10
Merkmale:
- Ausgezeichnete thermische und elektrische Leitfähigkeit
- Gute Korrosionsbeständigkeit
- Antibakterielle Eigenschaft
- Geringere Festigkeit als Stähle und Ni-Legierungen
Anwendungen:
- Elektrische Komponenten wie Stromschienen
- Wärmetauscher und Wärmesenken
- Hohlleiter und RF-Komponenten
- Medizinische Instrumente und Fixierungen
Lieferanten: Sandvik, LPW-Technologie, Metalysis
Technische Daten
Typische Spezifikationen für Metallpulver, die in der AM verwendet werden:
| Parameter | Typische Werte | Test Normen |
|---|---|---|
| Partikelgröße | 10 - 45 μm | ASTM B214 |
| Partikelform | Sphärisch | ISO 13322-2 |
| Durchflussmenge | 25 - 35 s/50g | ASTM B213 |
| Scheinbare Dichte | 2 - 5 g/cc | ASTM B212 |
| Dichte des Gewindebohrers | 4 - 8 g/cc | ASTM B527 |
| Restsauerstoff | < 300 ppm | Interne Methode |
| Reststickstoff | < 50 ppm | Interne Methode |
| Restlicher Kohlenstoff | < 30 ppm | ASTM E1019 |
Methoden der Pulverherstellung
1. Gaszerstäubung
- Hochgradig kugelförmiges Pulver
- Kleine Partikelgrößen von 5-100 μm
- Verwendet für reaktive Legierungen wie Titan
2. Wasserzerstäubung
- Unregelmäßige Pulverform
- Größere Partikel bis zu 300 μm
- Kostengünstigeres Verfahren
3. Plasma-Zerstäubung
- Kontrollierte Partikelformen
- Größen im Submikronbereich bis 150 μm
- Hochreines Pulver
4. Mechanisches Legieren
- Mischen und Mahlen von Elementen
- Kostengünstig für kundenspezifische Legierungen
- Große Partikelgrößen
Lieferanten und Preisgestaltung
| Anbieter | Materialien | Preisspanne |
|---|---|---|
| LPW-Technologie | Werkzeugstähle, nichtrostende Stähle | $50 - $120/kg |
| AP&C | Titan-Legierungen, Al-Legierungen | $70 - $450/kg |
| Sandvik | Nichtrostende Stähle, Ni-Legierungen | $45 - $250/kg |
| Praxair | Superlegierungen, Titan | $150 - $600/kg |
| Zimmerer-Zusatzstoff | Werkzeugstähle, CoCr, Edelstahl | $80 - $300/kg |
- Pulver aus nichtrostendem Stahl kosten $45-$120 pro kg
- Pulver aus Titanlegierungen kosten $150-$450 pro kg
- Superlegierungen und Werkzeugstähle kosten $250-$600 pro kg
Die Preise hängen von der Legierung, der Qualität, der Losgröße und den Kaufverträgen ab.
Handhabung und Lagerung von Pulvern
Um Verunreinigungen zu vermeiden, ist die richtige Handhabung des Pulvers entscheidend:
- Nutzung spezieller Bereiche zur Pulversiebung
- Sicherstellung von Handschuhkästen und Trichtern mit inerter Atmosphäre
- Verwenden Sie leitfähige Behälter, um statische Aufladungen abzuleiten.
- Alle Geräte und Transportbehälter erden
- Vermeiden Sie den Kontakt mit Öl, Wasser oder Sauerstoff
- Pulver in verschlossenen Behältern unter Inertgas lagern
- Kontrolle von Temperatur und Feuchtigkeit während der Lagerung
- Beachten Sie Sicherheitsvorkehrungen wie PSA bei der Handhabung
Eine ordnungsgemäße Lagerung verlängert die Lebensdauer des Pulvers bei der Wiederverwendung.
Pulversiebung
Die Siebung gewährleistet eine gleichmäßige Partikelgröße:
Vorteile:
- Entfernt Satellitenpartikel, die Defekte verursachen
- Bricht Agglomerate auf
- Verbessert den Durchfluss und die Packungsdichte
- Verringert Probleme mit der Wiederverwertbarkeit
- Entfernt fremde Verunreinigungen
Verfahren:
- Pulver mit einer Maschenweite von 20-63 μm absieben
- Sieben mit Rotations- oder Vibrationssiebung
- Siebung unter inerter Atmosphäre durchführen
- Dokumentieren Sie den Prozentsatz des verbleibenden Pulvergewichts
Das Sieben verbessert die Qualität der Teile, indem es die ideale Verteilbarkeit des Pulvers sicherstellt.
Installation und Inbetriebnahme
Die Installation eines Metall-AM-Druckers mit Pulversystem beinhaltet:
- Reinigung von Geräteoberflächen zur Vermeidung von Kontaminationen
- Dichtheitsprüfung von Inertgasverbindungen
- Kontrolle der Laser- oder Elektronenstrahlleistung
- Laden und Testen des Pulverbeschichtungssystems
- Integration von Kältemaschine, Abgas- und Serviceanschlüssen
- Installation von Überwachungs- und Sicherheitssensoren
- Überprüfung von Pulversieb- und Handlingsystemen
- Kalibrierung der Bauplattennivellierung
- Testdruck von Musterteilen und Validierung der Qualität
Die Anbieter bieten Unterstützung bei der Installation und Inbetriebnahme.
Betrieb und bewährte Praktiken
Richtlinien für den Druckerbetrieb:
- Regelmäßige Dichtheitsprüfungen und Reinheitsprüfungen von Inertgas durchführen
- Pulver vorkonditionieren, um eine gleichmäßige Textur zu gewährleisten
- Anpassung der Schichtdicke und der Laserparameter für neue Materialien
- Genaue Überwachung des Schmelzbads und Kontrolle der Teiletemperatur
- Validierung kritischer Abmessungen anhand von Testdrucken
- Überwachen Sie den Zustand des Pulvers und verwenden Sie es nur im Rahmen der Empfehlungen.
- Regelmäßige Wartung der Optik, des Strahlführungssystems und des Pulverbeschichtungsmechanismus
Sicherheit des Personals:
- Geeignete PSA wie Atemschutzmasken und Handschuhe verwenden
- Vermeiden Sie den Kontakt mit reaktiven feinen Metallpulvern
- Ordnungsgemäße Handhabung von Pulverabfällen unter inerter Atmosphäre
Teil Nachbearbeitung:
- Geeignete Lösungsglüh- und Alterungstemperaturen je nach Legierung und Anwendung verwenden
- Kontrolle der Rampenraten während der thermischen Verarbeitung zum Abbau von Spannungen
- Heißisostatisches Pressen für komplexe Teile, falls erforderlich, um die Dichte zu verbessern
- Anwendung von Endbearbeitungsschritten wie CNC-Bearbeitung und Polieren
Wartung und Inspektion
Regelmäßige Wartungsarbeiten:
Täglich:
- Optiken wie Spiegel, Linsen und Fenster auf Schäden untersuchen
- Reinigen Sie die Baukammer und das Pulverhandhabungssystem
- Prüfen Sie den Inertgasstand und füllen Sie ihn bei Bedarf auf.
- Testen Sie den Siebmechanismus und den Pulverbeschleuniger
Wöchentlich:
- Kalibrierung von Sensoren und Instrumenten
- Befestigungen, elektrische Anschlüsse und Erdung prüfen
- Schmieren und überprüfen Sie bewegliche Teile wie Motoren und Antriebe
- Filter für den Austausch überwachen
Monatlich:
- Dichtheitsprüfung eines Inertgassystems mit Helium
- Überprüfen Sie Sicherheitseinrichtungen wie Feuermelder
- Überprüfung des Zustands des KWK-Systems
Jährlich:
- Planen Sie die präventive Wartung mit dem Lieferanten der Ausrüstung
- Laserleistungsmesser kalibrieren
- Filter und Verbrauchsmaterialien austauschen
Die Wartung gemäß den Richtlinien des Herstellers ist erforderlich, um die Qualität der Teile und den Zustand der Ausrüstung zu erhalten.
Die Wahl des richtigen Metalldrucksystems
Faktoren, die bei der Auswahl einer Metall-AM-Maschine zu berücksichtigen sind:
1. Anforderungen an die Produktion
- Art der zu produzierenden Komponenten
- Benötigtes Material basierend auf den Eigenschaften des Teils
- Anforderungen an das Produktionsvolumen
- Erforderliche Genauigkeit und Oberflächengüte
2. Drucker-Spezifikationen
- Unterstützte Materialien und Parameter
- Größe und Geschwindigkeit des Gebäudes
- Präzision und Wiederholbarkeit
- Management der inerten Atmosphäre
- Automatisierungsfunktionen und Kontrollen
3. Pulver-Handling-System
- Integriertes oder eigenständiges System
- Möglichkeiten zur Siebung, Fütterung, Lagerung und Wiederverwendung
- Einschluss für reaktive Materialien wie Titan
- Überwachungsmerkmale zur Vermeidung von Kontaminationen
4. Einhaltung der Normen
- Industrienormen wie ASTM F3301
- Qualitätszertifikate des Herstellers
- Einhaltung von Sicherheitsstandards
5. Lieferantennachweise
- Nachgewiesene Erfolgsbilanz in der AM-Industrie
- Lokale Vertriebs- und technische Supportkapazitäten
- Wartungsverträge und angebotene Dienstleistungen
- Schulungspläne für Bediener
- Gesamtbetriebskosten
Eine gründliche Bedarfsanalyse und der Vergleich von Maschinenangeboten anhand dieser Kriterien führt zur Auswahl des idealen, auf die Produktionsbedürfnisse zugeschnittenen 3D-Metalldrucksystems.
Vor- und Nachteile von Metal AM
Vorteile:
- Hohe geometrische Komplexität leicht gedruckt
- Kürzere Zeit bis zu funktionsfähigen Teilen
- Geringerer Abfall im Vergleich zu subtraktiven Verfahren
- Produktion in einer Aufspannung direkt aus dem CAD
- Leichtbaupotenzial und Teilekonsolidierung
- Leistungsverbesserungen mit technischen Legierungen
- Anpassungsmöglichkeiten und Massenanpassung
Benachteiligungen:
- Hohe Maschinen- und Materialkosten
- Zusätzliche Nachbearbeitungsschritte erforderlich
- Begrenzte Größe aufgrund der Baukammer
- Die Kontrolle interner Mängel kann eine Herausforderung sein
- Materialeigenschaften können im Vergleich zum Kneten variieren
- Einschränkungen der Oberflächenbeschaffenheit können eine Nachbearbeitung erforderlich machen
- Anforderungen an Ausbildung und Fachwissen
Fehlersuche bei häufigen Metall-AM-Problemen
| Defekt | Mögliche Ursachen | Abhilfemaßnahmen |
|---|---|---|
| Porosität | Ungeeignete Prozessparameter | Optimieren Sie Laserleistung, Geschwindigkeit und Schraffurabstände |
| Verunreinigung durch Pulver | Verwendung von frisch gesiebtem Pulver, bessere Handhabung des Pulvers | |
| Unzureichende Überlappung zwischen Scan-Spuren | Einstellen von Strahlenfokusgröße und Überlappung | |
| Knacken | Übermäßige thermische Beanspruchung | Vorheizen optimieren, Abkühlgeschwindigkeit mit Heizgeräten steuern |
| Rissanfälliges Material | Ändern Sie die Ausrichtung, um Spannungen zu reduzieren | |
| Verschmutzung durch die Gebäudeatmosphäre | Gewährleistung einer hochreinen, inerten Atmosphäre | |
| Verziehen | Ungleichmäßige Heizung oder Kühlung | Optimieren Sie Scanmuster und halten Sie das Teil auf der Bauplatte fest |
| Schlechte Oberflächenbeschaffenheit | Teiltemperatur zu niedrig | Vorwärmtemperatur erhöhen |
| Unzureichende Fließfähigkeit des Schmelzepools | Leistung und andere Parameter einstellen | |
| Verseuchtes Pulver | Frischpulver verwenden und Handling verbessern |
FAQs
F: Welche Metalllegierungspulver können für AM verwendet werden?
A: Rostfreie Stähle, Werkzeugstähle, Titanlegierungen, Nickelsuperlegierungen, Aluminiumlegierungen, Kobalt-Chrom und Kupferlegierungen sind üblich.
F: Wie groß ist der typische Bereich der verwendeten Pulverpartikelgrößen?
A: Bei PBF-LB/M-Verfahren sind 10-45 Mikrometer üblich, mit einer engeren Verteilung um 20-45 μm.
F: Wie lange können Metallpulver halten?
A: Bei idealer Argon-Lagerung halten viele Legierungen 1-2 Jahre. Die Wiederverwendungsdauer ist kürzer - 20-100 Drucke je nach Legierung.
F: Welche Nachbearbeitungsschritte sind bei AM-Metallteilen erforderlich?
A: Häufig sind Abtragungen, Wärmebehandlungen, Oberflächenbehandlungen wie CNC-Bearbeitung, Polieren und Beschichtungen erforderlich.
F: Wie wird mit reaktiven Metallpulvern wie Titan und Aluminium umgegangen?
A: Eine spezielle Handhabung des Pulvers unter inerter Argon-Atmosphäre ist erforderlich, um die Aufnahme von Sauerstoff zu verhindern.
F: Was sind die häufigsten Risiken für eine Kontamination mit Pulver?
A: Einwirkung einer Atmosphäre, die zu Sauerstoff- oder Stickstoffaufnahme führt. Metallische Partikel durch Bearbeitung oder Verschleiß. Öl und Feuchtigkeit.
F: Welche Normen werden für die Qualifizierung von Metallpulvern verwendet?
A: ASTM B214, ASTM B812, ASTM F3049, ASTM F3301, und MPIF-Normen.
F: Warum ist das Sieben von Pulver wichtig?
A: Es bricht Agglomerate auf, entfernt Satelliten und sorgt für eine optimale und gleichmäßige Pulvergröße für hohe Dichte und Oberflächengüte.
Schlussfolgerung
Metallpulver ermöglichen die additive Fertigung fortschrittlicher Hochleistungskomponenten mit Eigenschaften, die in einigen Fällen besser sind als die von Knetwerkstoffen. Eine breite Palette von Legierungen - von rostfreien Stählen über Superlegierungen bis hin zu Titan - ist in Pulverform erhältlich, zugeschnitten auf anspruchsvolle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Automobilindustrie und der allgemeinen Industrie. Mit kontinuierlichen Verbesserungen bei Legierungen, Qualitätsstandards, Produktionsverfahren, Maschinen und Bauteileigenschaften entwickelt sich Metall-AM weltweit zu einer wichtigen Produktionstechnologie. Um die Vorteile voll ausschöpfen zu können, sind jedoch Prozess- und Materialkenntnisse sowie eine strenge Qualitätskontrolle unerlässlich. Mit zunehmender Erfahrung bietet die Metall-AM ungeahnte Möglichkeiten zur Herstellung komplexer und kundenspezifischer Teile mit größerer Designfreiheit und kürzeren Vorlaufzeiten.