Alles, was Sie über den 3D-Druck mit Stahl wissen müssen

Stahl ist ein bekanntes Metall in der industriellen Produktion und im 3D-Druckbereich. Es handelt sich bei Stahl um eine Legierung auf der Basis von Eisen (Fe) mit anderen Elementen, hauptsächlich Kohlenstoff (C), aber auch anderen wie Zink (Zn) oder Silizium (Si). Diese Legierungen verändern die Eigenschaften des Eisens je nach Kombination, wodurch ein widerstandsfähigeres oder weniger oxidierbares Material entsteht. Stahl ist ein Material, das im Bauwesen weit verbreitet ist und als Rohmaterial für verschiedene Werkzeuge und mechanische Teile verwendet wird. Um die Eigenschaften dieses Metalls, seine Anwendungen und seine Kompatibilität mit der additiven Fertigung besser zu verstehen, haben wir einen Leitfaden zum 3D-Druck mit Stahl für Sie erstellt.
Eigenschaften von Stahl
Stahl ist ein Werkstoff, der wie andere pulverförmige Metalle durch verschiedene Verfahren gewonnen werden kann. Das gebräuchlichste ist die Zerstäubung, bei der das Metall oder die Legierung geschmolzen und dann in einem feinen Sprühnebel verteilt wird. Mit Hilfe von Hochdruckgas- oder Wasserstrahlen wird der geschmolzene Metallstrom in kleine Tröpfchen zerlegt, die beim Abkühlen zu Pulverpartikeln erstarren. Durch die Verwendung von Inertgasen (wie Stickstoff oder Argon) wird die Oxidation des Pulvers während des Prozesses minimiert. Später können die Metallpulver mit Legierungselementen oder anderen Pulvern gemischt werden, um die gewünschte chemische Zusammensetzung zu erreichen. Einige der gebräuchlichsten Stahlsorten, die im 3D-Druck verwendet werden, sind folgende:
- 316L. Dies ist der beliebteste rostfreie Stahl für den 3D-Druck. Dieses Metall mit niedrigem Kohlenstoffgehalt besteht aus Eisen, Chrom, Nickel und Molybdän und zeichnet sich durch hohe Korrosions- und Lochfraßbeständigkeit, hohe Duktilität und gute thermische Eigenschaften aus.
- Martensitischer Stahl. Eine mit Chrom und anderen Elementen hochlegierte Stahlsorte, die so genannt wird, weil ihre metallographische Struktur aus Martensit besteht. Er kann bei gleichem Gewicht eine ähnlich hohe Festigkeit wie Aluminium bieten, ist aber wesentlich kostengünstiger.
- 17-4PH. Dieser ebenfalls nichtrostende Werkstoff zeichnet sich durch eine hohe Streckgrenze sowie eine gute Korrosions- und Verschleißbeständigkeit aus. 17-4 PH ist einer der wichtigsten härtbaren Stähle und ist mit der additiven Fertigung kompatibel.
- 304. Dies ist ein austenitischer rostfreier Stahl mit austenitbildenden Elementen. Er enthält in der Regel mindestens 18 % Chrom und 8 % Nickel, kombiniert mit maximal 0,08 % Kohlenstoff. Er bietet eine gute Schweißbarkeit, Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit sowie eine ausgezeichnete Zähigkeit.

Unter der großen Familie von Stählen gibt es einige, die mit der additiven Fertigung kompatibel sind.
3D-Druck mit Stahl
Da Stahl ein metallischer Werkstoff ist, ist er mit allen metallischen 3D-Druckverfahren kompatibel. Das gebräuchlichste Verfahren ist das Pulverbettschmelzen (Powder Bed Fusion, PBF), bei dem ein Laser- oder Elektronenstrahl verwendet wird, um das Metallpulver zu einer festen Schicht zu schmelzen. Pulverdruck, auch bekannt als Binder Jetting (BJ), ist eine weitere stahlkompatible 3D-Drucktechnik. In diesem Fall wird das Metallpulver auf der Druckplatte verteilt und dann mit einem Bindemittel verbunden, das an den Stellen aufgetragen wird, an denen das Metall verschmolzen werden soll. Schließlich ist es auch möglich, Stahlteile mit der DED-Technologie (Direct Energy Deposition) herzustellen. In diesem Fall kann das Material in Form von Pulver oder Draht vorliegen, der mit einem Laser- oder Elektronenstrahl geschmolzen und so aufgetragen wird.
Unabhängig davon, welche Methode verwendet wird, werden die Schritte Schicht für Schicht wiederholt, bis das endgültige Teil entsteht. Darüber hinaus ist bei der Arbeit mit Metall nach Abschluss des additiven Fertigungsprozesses eine geeignete Nachbearbeitung erforderlich. Dazu gehört die Entfernung des ungeschmolzenen Pulvers im Falle der BJ- und PBF-Technologien, aber auch die Verwendung verschiedener Werkzeuge zur Oberflächenbearbeitung, wenn DED verwendet wurde.
Hauptsächliche Anwendungen und Preis
Der 3D-Druck mit Stahl kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Die meisten von ihnen liegen in anspruchsvollen Sektoren, in denen qualitativ hochwertige Teile mit fortschrittlichen Eigenschaften benötigt werden. Einer dieser Bereiche ist die Medizin. Als biokompatibles und hygienisches Material wird Stahl für die Herstellung aller Arten von maßgeschneiderten Implantaten, medizinischen Geräten und hochpräzisen chirurgischen Instrumenten verwendet. Darüber hinaus machen seine guten mechanischen Eigenschaften wie Korrosions- und Hochtemperaturbeständigkeit ihn für die Luft- und Raumfahrt sowie die Automobilindustrie interessant. Zu den Anwendungen gehören unter anderem Auspuffanlagen, Spritzgussformen, Werkzeuge, Endstücke, Halterungen und Befestigungselemente.

Bild: Sculpteo
3D-Drucktechnologien für Metall sind komplexer als die additive Fertigung von Kunststoffen oder Harzen. Obwohl Stahl kein Edelmetall ist, kann es teuer sein, ihn zu Pulver zu verarbeiten. Darüber hinaus benötigen Materialien, die bis zu ihrem Schmelzpunkt erhitzt werden, eine lange Abkühlzeit, was die Maschinenauslastung im Vergleich zur SLS-Technologie verringert. Daher sind sowohl die Materialkosten als auch die Maschinen, die oft eine hohe Anfangsinvestition erfordern, Faktoren, die bei der Einführung des Verfahrens berücksichtigt werden müssen. Je nach Anwendung und Anwender ist zu prüfen, ob sich die Einführung trotz der hervorragenden Ergebnisse bei Metallteilen lohnt.
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*Titelbildnachweis: Materialise
Stahl ist ein Werkstoff, der wie andere pulverförmige Metalle durch verschiedene Verfahren gewonnen werden kann. FALSCH:
STAHL LIEGT NICHT PULVERFÖRMIG VOR, ER WIRD AUS ERZ (STEINBRÜCHE) GEWONNEN UND NACH DEM BRECHERVORGANG
LIEGEN GOLFBALLGROSSE STÜCKE VOR!
Lieber Herr Hübner,
Vielen Dank für Ihren Kommentar und die Klarstellung. Sie haben völlig recht, dass Stahl in seiner ursprünglichen Form nicht pulverförmig vorliegt, sondern aus Erz gewonnen wird. In unsere Artikel beziehen wir uns auf die Verarbeitung von Stahl zu feinem Pulver für spezifische Anwendungen. Wir entschuldigen uns, wenn dies missverständlich formuliert war.
Wir schätzen Ihre Rückmeldung sehr und wünschen Ihnen einen schönen Tag.
Freundliche Grüße!