Leitfaden für den Aluminium 3D-Druck
Aluminium ist eines der beliebtesten Metalle im Bereich der industriellen Produktion und insbesondere der additiven Fertigung. Es ist eine starke, leichte Metalllegierung, die eine ideale Kombination aus mechanischen und thermischen Eigenschaften bietet. Materialentwickler, insbesondere für die additive Fertigung, bieten eine breite Palette von Aluminiumlegierungen für den 3D-Metalldruck an. Diese Materialien sind wirklich vielseitig und bieten eine Vielzahl von Vorteilen, je nachdem, welche Eigenschaften für die jeweilige Anwendung erforderlich sind. Um die Eigenschaften dieses Metalls und die Vorteile, die es für 3D-gedruckte Teile bietet, besser zu verstehen, haben wir für Sie einen Leitfaden erstellt.
Materialeigenschaften
Aluminium (Al), mit der Ordnungszahl 13, ist ein chemisches Element, das in der Erdkruste weit verbreitet ist. Es ist ein nicht-ferromagnetisches Metall, d. h. es kann nicht durch ein Magnetfeld magnetisiert werden. Viele der für die additive Fertigung verfügbaren Aluminiumlegierungen bestehen aus einer Kombination von metallischen und metalloiden Elementen, darunter Aluminium, Silizium, Magnesium oder Kupfer. Einige der beliebtesten Aluminiumlegierungen sind:
- AlSi7Mg – Aluminium mit Silizium (7%) und Magnesiumlegierungen
- AlSi10Mg – Aluminium mit Silizium (10%) und Magnesiumlegierungen
- AlSi12 – Aluminium mit Siliziumlegierung (12%)
- AlSi9Cu3 – Aluminium mit Siliziumlegierungen (9%) und Kupfer (3%)
Bild: GE
Der Rohstoff, aus dem Aluminium gewonnen wird, ist das so genannte Bauxit-Erz. Zur Gewinnung von Aluminium wird Bauxit zunächst durch das so genannte Bayer-Verfahren in Tonerde (Aluminiumoxid) umgewandelt und anschließend wird das Aluminium durch ein Verfahren namens Elektrolyse gewonnen. Aluminium ist nicht nur ein Leichtmetall mit einem niedrigen Schmelzpunkt, sondern auch ein sehr guter elektrischer und thermischer Leiter. Die industrielle Nutzung von Aluminium hat es zu einem der wichtigsten Werkstoffe gemacht, sowohl in Bezug auf die Menge als auch auf die Vielfalt der Verwendungsmöglichkeiten. Sehen wir uns nun an, wie dieses Metall im Bereich der additiven Fertigung eingesetzt wird.
3D-Druck mit Aluminium
Wenn es darum geht, 3D-Teile aus Aluminium herzustellen, gibt es verschiedene Methoden. Eine der am weitesten verbreiteten Technologien für die additive Fertigung von Metallen ist das Laser-Pulverbettschmelzen (LPBF), bei dem ein Laser die Metallschichten, die auf einem Pulverbett verteilt sind, Punkt für Punkt verschmilzt. Zu dieser Familie gehört auch die Technologie des Elektronenstrahlschmelzens (Electron Beam Melting, EBM), mit dem Unterschied, dass die Energiequelle ein Elektronenstrahl statt eines Lasers ist. Neben diesen beiden Verfahren gibt es noch andere Metallherstellungsverfahren, die Aluminium drucken können, wie z. B. Binder Jetting, Cold Metal Fusion oder WAAM. Schließlich gibt es, wenn auch in geringerem Ausmaß, die Verwendung von Aluminium mit der FDM-Technologie. Obwohl FDM/FFF hauptsächlich mit Kunststofffilamenten arbeitet, haben einige Unternehmen Lösungen entwickelt, die mit dieser Technologie kompatibel sind, um stärkere Teile herzustellen.
3D-gedruckte Aluminiumteile haben gegenüber anderen Metallen eine Reihe von Vor- und Nachteilen. Zu den Vorteilen gehört, dass Aluminium ein Hochleistungsmaterial ist, das interessante mechanische und chemische Eigenschaften aufweist. Es ermöglicht nicht nur die Herstellung komplexer geometrischer Strukturen, sondern hat auch ein gutes Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht und ist witterungsbeständig. Andererseits sind die 3D-gedruckten Teile weniger steif als Baustahl. Aluminium ist allerdings im Gegensatz zu Titan kein biokompatibles Metall, so dass es für den Einsatz im medizinischen Bereich nicht die ideale Wahl ist, wie wir weiter unten sehen werden.
Aluminium ist eines der Metalle mit dem besten Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht.
Am Ende des 3D-Druckprozesses sind bei den meisten Aluminiumteilen bestimmte Nachbearbeitungsschritte erforderlich. Das liegt vor allem daran, dass viele der Technologien, die mit diesem Metall kompatibel sind, zur Familie der Pulverbettverfahren gehören. Einer der ersten Prozesse, die durchgeführt werden müssen, ist daher die Entfernung von überschüssigem Pulver und gegebenenfalls von Fertigungsmedien. Außerdem kommen die Teile in der Regel mit einer deutlichen Oberflächenrauheit aus der Maschine, die meist höher ist als bei anderen Pulverwerkstoffen. Um ein optimales und glattes Ergebnis zu erzielen, sollten Nachbehandlungstechniken wie Schelifen, Trommelpolieren oder Kugelstrahlen zur Oberflächenbearbeitung eingesetzt werden. Wärmebehandlungen können ebenfalls angewendet werden, um die Eigenschaften der fertigen Teile zu verbessern.
Anwendungsfelder von Aluminium im 3D-Druck
Unabhängig vom verwendeten Verfahren bieten 3D-gedruckte Teile aus Aluminiumlegierungen interessante Eigenschaften für eine Vielzahl von Branchen. Neben ihrer guten chemischen Beständigkeit und ihrem geringen Gewicht weisen sie eines der besten Verhältnisse von Festigkeit zu Gewicht aller Metalle auf. Zu den häufigsten Anwendungen für dieses Metall gehört die Herstellung von Kleinserien oder Prototypen. Andere stehen im Zusammenhang mit dem strukturellen Leichtbau oder der Wärmeübertragung, wie z. B. bei maßgeschneiderten Wärmetauschern. In Kombination mit Silizium und Magnesium ist es die bevorzugte Wahl vieler Akteure in der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie, wo die Anforderungen sehr hoch sind.
Im Automobilsektor hat Porsche für sein Flaggschiffmodell GT2 RS Kolben aus Aluminium in 3D gedruckt. Durch den Einsatz der additiven Fertigung von Metall konnte das Unternehmen die Leistung des 700 PS starken Doppelturbo-Motors um bis zu 30 PS steigern und gleichzeitig die Effizienz und Leistung des Fahrzeugs verbessern. Mercedes-Benz wiederum druckt 3D-Ersatzteile aus Aluminium für seine Lkw- und Pkw-Reihe, um die Sicherheit im Straßenverkehr zu erhöhen.
3D-gedruckte Kolben aus Aluminium. (Bild: Porsche)
Auch die Luft- und Raumfahrtindustrie ist nicht untätig, wenn es um den Einsatz des 3D-Drucks von Aluminium in den jeweiligen Unternehmen geht. Airbus beispielsweise hat Teile aus Aluminiumlegierungen für seinen A350 XWB und andere Flugzeuge sowie für seine Kommunikationssatelliten hergestellt. Auch Boeing hat die additive Fertigung von Metallen eingesetzt, um Aluminiumteile für seine Flugzeuge, Satelliten und Hubschrauber herzustellen. Diese Spitzentechnologie kann zu leichteren Strukturen führen und es Flugzeugen ermöglichen, mit weniger Treibstoff weiter zu fliegen.
Hersteller von Aluminium
Wie bereits erwähnt, gibt es das Material hauptsächlich in Pulverform, für bestimmte Technologien aber auch in Drahtform. Derzeit stechen zwei Unternehmen, die Aluminium in Form von Filamenten für den FDM-3D-Druck entwickeln, hervor: The Virtual Foundry (Aluminum 6061 Filamet™) und Zetamix (auf der Basis von Aluminiumoxid, d. h. Aluminiumoxid).
Andererseits ist die Verwendung von Aluminium in Pulverform viel weiter verbreitet. Heutzutage gibt es viele Unternehmen, die sich mit der Entwicklung von Aluminiumpulver befassen, wie Elementum 3D, APWorks, Uniformity Labs, ECKA Granules, Equispheres und Constellium, um nur einige zu nennen. Es ist auch erwähnenswert, dass einige 3D-Druckerhersteller wie EOS auch ihre eigenen Pulvermaterialien entwickeln.
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*Titelbildnachweis: 3dsla.ru
