Metalle als Material für den 3D-Druck

Die additive Fertigung von Metallen ist eine der am schnellsten wachsenden fortschrittlichen Fertigungstechnologien auf industrieller Ebene. Einem von Grand View Research veröffentlichten Bericht zufolge wird der globale Markt für den 3D-Druck von Metallen im Jahr 2022 auf 6,36 Milliarden US-Dollar geschätzt. Außerdem wird erwartet, dass dieser Sektor bis 2030 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 24,2 % verzeichnen wird. Dieser Anstieg ist zum Teil auf die große Vielfalt an Materialien zurückzuführen, die mit dieser Technologie kompatibel sind. Ob für DMLS-3D-Drucker, DED, EBM oder sogar Metallextrusionssysteme – die Möglichkeiten für diese Materialien sind praktisch grenzenlos. In diesem umfassenden Leitfaden stellen wir Ihnen die im 3D-Druck am häufigsten verwendeten Metalle und ihre jeweiligen Eigenschaften vor.

Aluminium

Aluminium bietet eine hervorragende Kombination aus Leichtigkeit und Festigkeit. Es ist nicht nur korrosionsbeständig, sondern kann auch geschweißt werden. Im Vergleich zu Stählen ist es jedoch weniger widerstandsfähig und empfindlicher gegenüber hohen Temperaturen. Das Material wird vor allem in Bereichen verwendet, in denen das Gewicht eine Rolle spielt, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt oder bei mechanischen Teilen von Rennwägen oder Fahrrädern. Aluminium kommt nur selten in reinem Zustand vor und ist häufiger als Legierung mit Metallen zu finden, die die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Aluminium verbessern, so etwa Silizium oder Magnesium. Ein typisches Beispiel ist Aluminium AISi10Mg, das vom deutschen Hersteller EOS in Pulverform angeboten wird. Damit lassen sich massive und komplexe Teile herstellen.

(Bild: HRL Laboratories, LLC)

Aluminium Legierungen

Wie bereits erwähnt, sind Aluminiumlegierungen wesentlich verbreiteter als die reine Form und werden traditionell in vielen Industrie-, Luft- und Raumfahrt- sowie Automobilanwendungen eingesetzt. Darüber hinaus haben sie ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und weisen eine gute Beständigkeit gegen Metallbelastung und Korrosion auf.

Stahl

Als eines der am häufigsten verwendeten Metalle in der 3D-Industrie ist es nicht verwunderlich, dass Stahl das erste Metall war, das in der additiven Fertigung eingesetzt wurde. In dieser Gruppe gibt es zwei Arten: Edelstahl und Maraging-Stahl. Edelstahl wird im täglichen Leben, in der mechanischen Industrie und in der Medizin häufig verwendet. Er hat gute metallische Eigenschaften und bietet eine polierte und glänzende Oberfläche. Mehrere Hersteller in der 3D-Branche bieten dieses Material an, z. B. EOS, ProMetal oder Desktop Metal. Einige seiner Eigenschaften sind: Härte, Zugfestigkeit, Formbarkeit und Schlagfestigkeit. Es ist auch möglich, Teile aus Bronze oder Gold zu drucken, indem man Edelstahl als Basismaterial verwendet. Dazu werden beispielsweise Schichten aus Edelstahlpulver mit Klebstoff beschichtet, um Bronze in den Druck zu injizieren. Andererseits hat die Firma EOS den so genannten Maraging Steel MS1 entwickelt, der aufgrund seiner Festigkeit und Bruchsicherheit bei der Herstellung von Werkzeugen oder Formen eingesetzt wird.

3D-gedrucktes Teil aus Edelstahl. (Bild: Sculpteo)

Kupferlegierungen

Kupfer ist ein weiteres Metall, das sich für die additive Fertigung eignet. Zu seinen Eigenschaften gehören eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, Duktilität (plastische Verformung ohne Bruch) und Formbarkeit (Verformung durch Druck). Im Bereich des 3D-Drucks ist Kupfer sowohl in Form von Filamenten als auch als Metallpulver zu finden. Dank seiner Eigenschaften ist dieses Metall ideal für Anwendungen im Bereich des Wärmemanagements und der Elektrotechnik (Induktoren, Elektroden, Wärmetauscher usw.) sowie für den Werkzeug- und Formenbau. Einige der gängigsten Legierungen sind: CuNi2SiCr, CuCrZr, CuCP, Cu.

(Bild: Beamler)

Gallium

In der Forschung und Entwicklung wird Gallium als Legierung mit 25 % Indium verwendet, um Objekte aus kleinen Metallblasen oder selbsttragende Metalldrähte zur Verbindung elektronischer Bauteile zu drucken. Das Besondere an dieser Legierung ist, dass die beiden Metalle nicht nur bei einer niedrigen Temperatur von fast 30 °C schmelzen, sondern auch an der Luft aushärten, während das Innere flüssig bleibt, so dass der Druck flexibel ist. Der Preis ist jedoch nach wie vor das Haupthindernis für die Kommerzialisierung dieses Materials für den Einsatz im 3D-Druck.

Titan

Titan ist der Werkstoff schlechthin in der Medizin und in der Luft- und Raumfahrtindustrie, dank seiner hervorragenden Zusammensetzung in Bezug auf Festigkeit und Gewicht sowie seiner hohen Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität. Es handelt sich um ein Metall, das in Pulver- oder Fadenform vorkommt. Alle Titan-Grade weisen eine extreme Korrosionsbeständigkeit, Duktilität und Schweißbarkeit auf, wobei Grad eins relativ besser verformbar ist als die Grade zwei, drei und vier. Grad vier ist dabei der stärkste. Der 3D-Druck erleichtert die Herstellung von Titanbauteilen und vermeidet die Verunreinigungen, die bei herkömmlichen Verfahren in der Schweißphase entstehen. Ein großer Nachteil dieses Materials sind jedoch seine hohen Kosten, die etwa 50 Mal höher sind als die von Stahl.

3D-gedrucktes Teil aus Titan für die Luft- und Raumfahrt. (Bild: Materialise)

Titan-Legierungen

Wie die Aluminiumlegierungen weisen auch die Titanlegierungen verbesserte mechanische Eigenschaften und ein besseres chemisches Verhalten auf. Ti6Al4V ist mit einem Anteil von 56 % am gesamten Titanmarkt die am häufigsten verwendete Legierung, da sie ein ausgewogenes Verhältnis von mechanischer Festigkeit, Duktilität, Ermüdungsfestigkeit und Bruchzähigkeit aufweist. Diese Metalle werden in der additiven Fertigung zur Herstellung einer breiten Palette von Industriekomponenten verwendet, darunter Bleche, Verbindungselemente, Ringe, Scheiben, Naben und Behälter. Titanlegierungen werden auch für die Herstellung von Hochleistungs-Automotorenteilen wie Getrieben und Pleuelstangen verwendet.

Kobalt-Chrom

Kobaltlegierungen, die mit EBM- und DMLS-Verfahren kompatibel sind, weisen eine bessere Qualität auf als solche, die mit traditionellen Herstellungsverfahren wie dem Wachsausschmelzverfahren gewonnen werden. Wie Titanlegierungen werden auch Kobalt-Chrom-Legierungen, bekannt als CoCrMo, in der Medizin für die Herstellung von Prothesen sowohl in der Orthopädie als auch in der Zahnmedizin verwendet. Dies ist auf ihre Steifigkeit, Weichheit, verschleißfeste Oberflächenbeschaffenheit und Korrosionsbeständigkeit zurückzuführen. Darüber hinaus werden in der Automobil- und Luftfahrtindustrie einige hoch hitzebeständige Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierungen verwendet. EOS bietet CobaltChrome MP1- und SP2-Legierungen an, die hochtemperaturbeständig sind (600°C). Arcam von GE Additive vertreibt ASTM F75, das auch für die Herstellung von Werkzeugen und Formteilen verwendet wird.

3D-gedruckte Zahnimplantate (Bild: EOS)

Legierungen auf Nickelbasis

Nickel ist ein unglaublich vielseitiger Werkstoff, der in Pulver- oder Fadenform vorliegt und mit anderen Metallen legiert werden kann. Nickel-Chrom-Superlegierungen, wie z. B. Inconel 718 und Inconel 625, ermöglichen die Herstellung von starken, korrosionsbeständigen Metallteilen. Diese Legierungen werden hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Petrochemie verwendet, wo sie hohen Belastungen und Temperaturen ausgesetzt sind. Die mechanischen Eigenschaften von Nickelbasislegierungen in der additiven Fertigung, wie z. B. Inconel 625, werden durch den Einsatz erheblicher Mengen von Nickel, Chrom und Molybdän im Metall erheblich verbessert.

Edelmetalle

Wir haben bereits gesehen, dass es möglich ist, Bronze und Gold mit Klebstoff in ein gedrucktes Stahlobjekt zu spritzen. Es gibt auch eine andere Möglichkeit, mit diesen Metallen zu drucken, nämlich durch Metallguss. Der Guss ist eine Form, die mit ausgeschmolzenem Wachs hergestellt und von Hand bearbeitet wird. Diese Methode ist in der Schmuckindustrie und bei der Herstellung kleiner Objekte weit verbreitet. Eine der Schwierigkeiten und Einschränkungen dieses Gießverfahrens besteht darin, dass dünne Formen vermieden werden müssen und eine Mindestdicke von 0,8 mm bis 1 mm eingehalten werden muss, damit die Formwände erhalten bleiben. Die Endbearbeitung ist der Schlüssel zu einer guten Oberflächenqualität, insbesondere bei Silbermünzen. Mit Gold lassen sich verschiedene Farbtöne erzielen (rosa, weiß und gelb).

(Bild: 3d alchemy)

Schließlich möchten wir festhalten, dass der 3D-Druck es heutzutage ermöglicht, die atomare Struktur von Metallen zu verändern, sodass das Material durch eine schnelle und gleichmäßige Verfestigung widerstandsfähiger und beständiger werden kann. Für mehr Informationen zu den Technologien im 3D-Metalldruck, lesen Sie unseren Leitfaden HIER.

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*Titelbildnachweis: Sigma Additive Solutions