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Auf den Spuren der 3D-Druck-Materialien – Teil 2 : Metalle

Auf 15. Juli 2016 von Alexander H. veröffentlicht
Metalle

Nach dem ersten Teil unseres Lehrgangs zu den Verbrauchsmaterialien im 3D-Druck, in dem wir uns mit den verschiedenen Kunststoffen beschäftigt haben, kommen wir in diesem Artikel zu den Metallen, die zum 3D-Druck möglich sind und hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Biomedizin zum Einsatz kommen. Metalle lassen sich durch die Verfahren Laserschmelzen (DMLS/SLM) oder Elektronenstrahlschmelzen verarbeiten.

Aluminium

Aluminium bietet einen idealen Kompromiss zwischen Leichtigkeit und Stabilität. Es ist korrosionsbeständig und lässt sich schweißen. Im Vergleich zu Stahl ist es anfälliger für Materialermüdung und weniger temperaturbeständig (Schmelzpunkt bei 660,4°C). Aluminium kommt dann zum Einsatz, wenn ein geringes Gewicht von Nöten ist: Zum Beispiel für mechanische Bauteile von Rennwagen, Luft- und Raumfahrt, Fahrräder etc

Es liegt eher selten in reiner Form vor, sondern in der Regel als Legierung mit anderen Metallen wie zum Beispiel Silizium und Magnesium. Dies bringt eine Verbesserung seiner physikalischen und mechanischen Eigenschaften mit sich. Ein klassisches Beispiel ist die Aluminiumlegierung AlSi10Mg, die in Pulverform von dem deutschen Hersteller EOS zur Herstellung von festen und komplexen Teilen angeboten wird. Auch SLM Solutions bietet diese und viele weitere Aluminiumlegierungen an, welche sich durch eine homogene, porenfreie Oberfläche und ihre besondere Härte auszeichnen.

Gallium

Der 3D-Druck mit Gallium befindet sich noch auf Forschungsniveau. Gallium ist ein äußerst selten vorkommendes Metall und wird hauptsächlich in Form einer Metalllegierung mit 25% Indium zum 3D-Druck verwendet. Die Besonderheit dieser Verbindung kommt durch seine sehr niedrige und für Metalle unübliche Schmelztemperatur (29,7°C) sowie durch die Tatsache, dass die Oberfläche von Gallium und Indium an der Luft aushärtet, während die Substanz im Inneren flüssig bleibt. So lassen sich flexible Gegenstände drucken.

Hier sehen Sie ein Video einer Forschergruppe der Universität Caroline du Nord, USA, die am 3D-Druck mit Gallium arbeitet:

Hauptsächlich wird die Vermarktung dieses Materials für den 3D-Druck jedoch durch seinen bislang hohen Preis ausgebremst.

Stahl

Stahl ist das am häufigsten verwendete Metall zur Herstellung der unterschiedlichsten Bauteile in dieser Industrie und war zudem das erste zum 3D-Druck verwendete Metall. Das französische Unternehmen Phenix, das im Jahr 2013 von 3D Systems aufgekauft wurde, war hauptsächlicher Entwickler eines Patentes für Stahl.

Rostfreier Stahl / Edelstahl

Dieses Material, besser bekannt unter dem Namen Edelstahl, findet in der Maschinenbauindustrie, der Medizin und auch in unserem Alltag zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Es besitzt gute mechanische Eigenschaften und ermöglicht die Herstellung glatter, glänzender Oberflächen. Verschiedene Akteure aus der additiven Fertigung bieten den 3D-Druck mit Edelstahl an, wie zum Beispiel EOS, SLM-Solutions, ProMetal oder ExOne.

Mit Edelstahl kann man ebenfalls bronzene oder goldene Objekte drucken: Dazu werden die einzelnen Edelstahl-Pulverschichten mit Klebstoff bedeckt wo hinein dann das Bronze gegeben wird.

Ausgehärteter Stahl (Maraging-Stahl)

Das Unternehmen EOS bietet den Maraging-Stahl MS1 an, der dank seiner Widerstandsfähigkeit und seiner Festigkeit zur Werkzeugherstellung oder zur Herstellung von Gussformen genutzt wird.

Titan

Titan ist dank der idealen Kombination der Eigenschaften Festigkeit und Leichtigkeit, sowie Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität das Erfolgsmaterial auf den Bereichen der Medizin und der Luft-und Raumfahrt.

Wie beim Aluminium bieten auch Titanlegierungen verbesserte mechanische und chemische Eigenschaften. Auf dem Markt findet man die Materialien Ti6Al4V des Herstellers EOS oder die drei Legierungen von SLM Solutions: Reintitan, TiAl6Nb7 und TiAl6V4. Auch das Unternehmen Arcam bietet Titanlegierungen an: Ti6Al4V Grade 5 und Ti6Al4V ELI Grade 2.

Durch den 3D-Druck lassen sich Titan-Bauteile leichter und in komplexerer Form herstellen. Unreinheiten, die durch einen Schweißvorgang bei herkömmlichen Fertigungsverfahren entstehen, können zudem vermieden werden. Der sehr hohe Preis (in etwa 50 mal höher ist als der Stahlpreis!) bleibt jedoch ein großer Nachteil dieses Materials.

Kobaltchrom

Objekte aus Kobaltlegierungen, die durch die 3D-Druck-Verfahren E-Beam (EBM) oder Laserschmelzen hergestellt werden, verfügen zum Teil über bessere Qualitäten als herkömmlich produzierte Bauteile, wie zum Beispiel durch das Feingussvefahren.

Genau wie die Titanlegierungen werden auch Kobaltchrom-Legierungen (z.B. CoCrMo) häufig in der Medizin eingesetzt. Dank seiner Strapazierfähigkeit und seiner Korrosionsbeständigkeit wird dieses Metall zur Herstellung von Prothesen in der Orthopädie oder der Zahnmedizin genutzt. Auch die Automobil- und die Luftfahrtindustrie verwenden hitzebeständige Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierungen zur Herstellung von Bauteilen.

Die Gesellschaft EOS vertreibt die Kobaltchromlegierungen MP1 und SP2, welche Temperaturen von bis zu 600°C standhalten. Die von Arcam vertriebene Legierung ASTM F75 wird häufig zur Herstellung von Werkzeugen oder Gussformen verwendet.

Edelmetalle

Zuvor haben wir erfahren, dass es durch Hinzugabe von Klebstoff möglich ist, beim 3D-Druck von Stahl auch Bronze oder Gold zu einem Bauteil hinzuzufügen. Es gibt noch eine weitere Möglichkeit mit diesen Metallen zu drucken: Das geschmolzene Metall wird in eine Form gegossen, die durch Wachsausschmelzverfahren hergestellt wurde und anschließend erfolgt das Finishing der Oberfläche mit den Hand!

Dieses Verfahren wird sehr häufig in der Schmuckindustrie und zur Herstellung sehr kleiner Bauteile verwendet. Jedoch sind auch hier mögliche Probleme und Grenzen zu beachten, was den Formguss angeht. Zu feine und filigrane Formen sollte man vermeiden und eine Mindestwandstärke von 0,8mm bis 1mm ist einzuhalten.

Die Phase des Finishings, vor allem bei silbernen Objekten ist der Schlüssel zu einer sauberen und glatten Oberfläche. Durch den Einsatz von Gold ist es möglich, unterschiedliche Farbtöne zu erhalten (rötlich, Weiß, Gelb).

Um sich ein besseres Bild der Anwendung 3D-gedruckter Metallteile zu machen, hier ein Video (in englischer Sprache):

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.

Erfahren Sie auch alles über die Kunststoffmaterialien in unserem ersten Teil : HIER

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