Pulver aus Wolfram und Wolframlegierungen ermöglichen den Druck von Bauteilen mit hoher Dichte und hervorragenden mechanischen und thermischen Eigenschaften mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF) und Electron Beam Melting (EBM). Dieser Leitfaden bietet einen Überblick über den 3D-Druck von Wolframmetallen.
Einführung in Wolfram 3D-Druck
Wolfram ist aufgrund seiner Eigenschaften ein einzigartiges Material für die additive Fertigung:
- Außergewöhnlich hohe Dichte - 19 g/cm3
- Hohe Härte und Festigkeit
- Ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit
- Hoher Schmelzpunkt von 3422°C
- Anspruchsvolle Verarbeitbarkeit und Bearbeitbarkeit
Hauptanwendungen von gedruckten Wolframteilen:
- Strahlungsabschirmung
- Komponenten für die Luft- und Raumfahrt und den Motorsport
- Strahlentherapiegeräte und Kollimatoren
- Medizinische Implantate wie Zahnpfosten
- Gegengewichte und Auswuchtkomponenten
- Elektrische Kontakte und Heizelemente
Gängige Wolframlegierungen für AM:
- Wolfram-Schwermetall-Legierungen mit Ni, Fe, Cu, Co
- Wolframkarbide
- Kaliumdotierte Wolframoxide
Reines Wolfram-Pulver
Reines Wolframpulver bietet die höchsten Dichten:
Eigenschaften:
- Dichte von 19,3 g/cm3
- Hervorragende Strahlenabschirmung und Abschirmung
- Hohe Härte bis zu 400 Hv
- Festigkeit bis zu 1200 MPa
- Schmelzpunkt von 3422°C
- Gute elektrische und thermische Leitfähigkeit
Anwendungen:
- Medizinische Strahlenabschirmung
- Röntgenkollimatoren und -apperturen
- Gegengewichte für die Luftfahrt
- Schwingungsdämpfung im Rennsport
- Elektrische Kontakte und Heizungen
Anbieter: TRU-Gruppe, Buffalo Tungsten, Midwest Tungsten
Wolfram-Schwermetalllegierungen
Wolfram-Schwerlegierungen mit Nickel, Eisen und Kupfer bieten ein ideales Gleichgewicht von Dichte, Festigkeit und Duktilität:
Gemeinsame Noten:
- WNiFe (90W-7Ni-3Fe)
- WNiCu (90W-6Ni-4Cu)
- WNi (90W-10Ni)
Eigenschaften:
- Dichte von 17-18 g/cm3
- Festigkeit bis zu 1 GPa
- Gute Korrosions- und Verschleißfestigkeit
- Hohe Temperaturbeständigkeit
Anwendungen:
- Automobil- und Motorsportkomponenten
- Luft- und Raumfahrt und Verteidigungssysteme
- Schwingungsdämpfende Gewichte
- Strahlungsabschirmung
- Medizinische Implantate wie Zahnpfosten
Lieferanten: Sandvik, TRU-Gruppe, Nanosteel
Wolframkarbide
Mit Wolframkarbidpulvern werden extrem verschleißfeste Teile gedruckt:
Typen
- WC-Co Hartmetalle mit 6-15% Kobalt
- WC-Ni-Hartmetalle
- WC-CoCr-Cermets
Eigenschaften
- Härte bis zu 1500 HV
- Druckfestigkeit über 5 GPa
- Hoher Elastizitätsmodul
- Ausgezeichnete Abrieb- und Erosionsbeständigkeit
Anwendungen
- Schneidwerkzeuge und Bohrer
- Verschleißteile und Dichtungen
- Ballistische Panzerkomponenten
- Werkzeuge für die Metallumformung und das Stanzen
Lieferanten: Sandvik, Nanosteel, Buffalo Tungsten
Dotierte Wolframoxide
Kaliumdotierte Wolframoxide wie K2W4O13 bieten einzigartige elektrische Eigenschaften:
Merkmale
- Halbleitendes Verhalten
- Durch Dotierung abstimmbare elektrische Leitfähigkeit
- Hohe Dichte von bis zu 9 g/cm3
- Hohe Strahlungsstabilität
Anwendungen
- Elektronik und elektrische Komponenten
- Elektroden, Kontakte und Widerstände
- Thermoelektrische Generatoren
- Strahlungsdetektoren
Lieferanten: Inframat Advanced Materials
Vergleich der Materialeigenschaften
| Material | Dichte (g/cm3) | Festigkeit (MPa) | Härte (HV) | Elektrischer spezifischer Widerstand (μΩ-cm) |
|---|---|---|---|---|
| Reines Wolfram | 19.3 | 850 | 260 | 5.5 |
| WNiFe | 18 | 1000 | 380 | 8.1 |
| WC-12Co | 15.5 | 2000 | 1300 | 60 |
| K-dotiertes WO3 | 9 | – | – | 1-100 |
Methoden zur Herstellung von Wolfram-Pulver
1. Wasserstoff-Reduktion
- Das häufigste und wirtschaftlichste Verfahren
- Mit Wasserstoff reduziertes Wolframoxid
- Unregelmäßige Morphologie des Pulvers
2. Plasma Sphäroidisierung
- Verbessert Form und Fließfähigkeit des Pulvers
- Geschehen nach der Wasserstoffreduktion
- Bietet hohe Reinheit
3. Plasma-Zerstäubung
- Hervorragende Sphärizität und Fließfähigkeit des Pulvers
- Kontrolle der Partikelgrößenverteilung
- Geringere Sauerstoffaufnahme als bei der Gaszerstäubung
4. Chemische Dampfsynthese
- Ultrafeine nanoskalige Wolfram-Pulver
- Hohe Reinheit mit kleinen Partikelgrößen
- Verwendet für Wolframoxid-Pulver
Druckertechnologie für Wolfram
Laser-Pulver-Bett-Fusion (LPBF)
- Hochleistungs-Faserlaser > 400W
- Inerte Argon-Atmosphäre
- Präzise Kontrolle des Schmelzbades entscheidend
Elektronenstrahlschmelzen (EBM)
- Leistungsstarker Elektronenstrahl > 3kW
- Hochvakuum-Umgebung
- Am besten geeignet für sehr dichte Materialien
Binder Jetting
- Bindemittel für die selektive Verbindung von Pulver
- Nachbearbeitung für volle Dichte erforderlich
- Geringere Bauteilfestigkeit im Vergleich zu LPBF und EBM
LPBF und EBM ermöglichen das Drucken von Komponenten aus Wolfram mit hoher Dichte.
Technische Daten
Typische Wolframpulverspezifikationen für AM:
| Parameter | Spezifikation | Prüfverfahren |
|---|---|---|
| Partikelgröße | 15 - 45 Mikrometer | Laserbeugung |
| Scheinbare Dichte | 9 - 11 g/cc | Hall-Durchflussmesser |
| Dichte des Gewindebohrers | 11 - 13 g/cc | ASTM B527 |
| Durchflussmenge | 25 - 35 s/50g | ASTM B213 |
| Sauerstoffgehalt | < 100 ppm | Inertgasfusion |
| Kohlenstoffgehalt | < 50 ppm | Analyse der Verbrennung |
| Sphärizität | 0.9 – 1 | Bildanalyse |
Die Kontrolle der Pulvereigenschaften wie Partikelgrößenverteilung und Morphologie ist entscheidend für Drucke mit hoher Dichte.
Entwicklung von Druckverfahren
Optimierung der LPBF-Prozessparameter für Wolfram:
- Vorwärmen zur Kontrolle der Rissbildung - typ. 100-150°C
- Hohe Laserleistung > 400 W mit präziser Steuerung
- Geringe Schichtdicke um 20-30μm
- Scanning-Strategien zur Minimierung von Spannungen
- Kontrollierte Abkühlung nach dem Druck
Für EBM:
- Erhitzen auf >600°C zum Sintern des Pulvers
- Hoher Strahlstrom bei geringer Punktgröße
- Langsamere Scan-Geschwindigkeiten für vollständiges Schmelzen
- Minimierung thermischer Gradienten
Zur Charakterisierung der Eigenschaften sind Testdrucke erforderlich.
Lieferanten und Preisgestaltung
| Anbieter | Klassen | Preisspanne |
|---|---|---|
| TRU-Gruppe | Reines W, WNiFe | $350 - $850/kg |
| Nanostahl | WC-Co, WNiFe | $450 - $1000/kg |
| Büffel-Wolfram | Reines W, W-Cr | $250 - $750/kg |
| Inframat | Dotiertes WO3 | $500 - $1500/kg |
| Sandvik | WC-Co, W-Ni-Cu | $300 - $800/kg |
- Reines Wolfram kostet ~$350 bis $850 pro kg
- Schwere Legierungen kosten ~$450 bis $1000 pro kg
- Dotierte Oxide bis zu $1500 pro kg
Der Preis hängt von der Reinheit, der Morphologie, der Pulverqualität und dem Auftragsvolumen ab.
Nachbearbeitung
Typische Nachbearbeitungsschritte für AM-Teile aus Wolfram:
- Entfernen von Stützen durch EDM oder Wasserstrahl
- Heißisostatisches Pressen zur Beseitigung von Hohlräumen
- Infiltration mit niedrigschmelzenden Legierungen
- Bearbeitungen zur Verbesserung der Oberflächengüte
- Verbindung mit anderen Komponenten, falls erforderlich
Die richtige Nachbearbeitung ist entscheidend für die Qualität des Endprodukts.
Anwendungen von gedruckten Wolframkomponenten
Luft- und Raumfahrt: Turbinenschaufeln, Satellitenkomponenten, Gegengewichte
Automobilindustrie: Auswuchtgewichte, schwingungsdämpfende Teile
Medizinische: Strahlenabschirmung, Kollimatoren, Zahnimplantate
Elektronik: Kühlkörper, elektrische Kontakte, Widerstände
Verteidigung: Strahlungsabschirmung, ballistischer Schutz
Gedruckte Wolframkomponenten ermöglichen Leistungssteigerungen in anspruchsvollen Anwendungen in allen Branchen.
Vor- und Nachteile von Tungsten AM
Vorteile
- Hohe Dichte zur Strahlenabschirmung
- Ausgezeichnete Festigkeit und Härte
- Gute thermische und elektrische Eigenschaften
- Maßgeschneiderte Geometrien
- Konsolidiert mehrere Teile
Benachteiligungen
- Schwierig und teuer in der Verarbeitung
- Sprödes Material, das Abstützungen erfordert
- Geringe Duktilität und Bruchzähigkeit
- Erfordert spezielle Ausrüstung
Fehlerbehebung bei Druckproblemen
| Ausgabe | Mögliche Ursachen | Abhilfemaßnahmen |
|---|---|---|
| Porosität | Geringe Pulverdichte | Verwendung von Pulvern mit hoher Dichte nahe der theoretischen Dichte |
| Ungenaue Druckparameter | Anpassung von Laserleistung, Geschwindigkeit und Schraffurabstand durch Testdrucke | |
| Knacken | Große thermische Gradienten | Vorheizen und Scanning-Strategie optimieren |
| Hohe Eigenspannungen | Nach dem Druck heißisostatisches Pressen verwenden | |
| Verunreinigung | Sicherstellung einer hochreinen Prozessatmosphäre | |
| Verziehen | Ungleichmäßige Heizung oder Kühlung | Optimieren Sie Scanmuster, verankern Sie das Teil fest auf der Bauplatte |
FAQs
F: Was ist die typische Partikelgröße für Wolframdruckpulver?
A: Üblich sind 15-45 Mikrometer, wobei die Partikelgrößenverteilung bei 20-35 Mikrometer engmaschig kontrolliert wird.
F: Welcher Grad an Porosität ist bei gedruckten Wolframteilen zu erwarten?
A: Eine Porosität von weniger als 1% wird in der Regel durch Prozessoptimierung und heißisostatisches Pressen erreicht.
F: Welche Legierungen bieten ein gutes Gleichgewicht zwischen Dichte und mechanischen Eigenschaften?
A: Wolfram-Schwerlegierungen mit 6-10% Ni, Fe und Cu bieten eine hohe Dichte mit guter Duktilität und Bruchzähigkeit.
F: Welche Nachbearbeitungsschritte sind bei gedruckten Wolframteilen erforderlich?
A: Trägerentfernung, heißisostatisches Pressen, Infiltration und maschinelle Bearbeitung sind gängige Nachdruckverfahren.
F: Welche Vorwärmtemperaturen werden verwendet?
A: Bei LPBF ist ein Vorwärmen auf bis zu 150 °C üblich, um Eigenspannungen und Rissbildung zu verringern.
F: Welche Sicherheitsvorkehrungen sind beim Umgang mit Wolframpulver erforderlich?
A: Verwenden Sie geeignete PSA, vermeiden Sie das Einatmen und befolgen Sie die vom Lieferanten empfohlenen Verfahren zur sicheren Handhabung des Pulvers.
mehr über 3D-Druckverfahren erfahren
F: Welche Normen werden für die Qualifizierung von Wolframdruckpulver verwendet?
A: ASTM B809, ASTM F3049 und MPIF Standard 46 behandeln chemische Analysen, Probenahmen und Tests.
Schlussfolgerung
Wolfram und seine Legierungen ermöglichen die additive Herstellung von Bauteilen mit hoher Dichte und unübertroffener Steifigkeit, Festigkeit, Härte und thermischen Eigenschaften mit fortschrittlichen 3D-Druckverfahren wie LPBF und EBM. Aufgrund seines extrem hohen Schmelzpunkts, seiner Dichte und seiner strahlungshemmenden Eigenschaften werden gedruckte Wolframkomponenten in der Luft- und Raumfahrt, im Motorsport, in der Medizin, in der Verteidigung und in der Elektronik eingesetzt. Die anspruchsvollen Anforderungen an die Druckbarkeit und Nachbearbeitung erfordern jedoch eine strenge Prozesskontrolle und Parameteroptimierung, um eine vollständige Verdichtung und ideale Materialeigenschaften zu erreichen. Mit zunehmender Kompetenz und Erfahrung im Druck von Wolfram können dessen einzigartige Vorteile genutzt werden, um Hochleistungskomponenten herzustellen, die über die herkömmlichen Fertigungsgrenzen hinausgehen.