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

Kobalt-Chrom ist eine Metalllegierung, die in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen, insbesondere im Bereich der additiven Fertigung, an Bedeutung gewonnen hat. Mit einer einzigartigen Kombination aus Festigkeit und Haltbarkeit ist Kobalt-Chrom ideal für die Herstellung von Teilen, die unter anspruchsvollen Bedingungen hohe Präzision und Festigkeit erfordern, wie z. B. medizinische und zahnmedizinische Komponenten. Diese Legierung zeichnet sich aber nicht nur durch ihre außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften aus, sie kann nämlich auch per 3D-Druck in komplexe Formen gebracht werden, was neue Möglichkeiten für das Design und die Herstellung von maßgeschneiderten Teilen eröffnet. In diesem Leitfaden lernen Sie die Eigenschaften von Kobalt-Chrom kennen, seine Vorteile beim 3D-Druck sowie die wichtigsten Anwendungen und Hersteller auf dem Markt.

Eigenschaften von Kobalt-Chrom

Diese Metalllegierung (CoCr) besteht, wie der Name schon sagt, hauptsächlich aus den chemischen Elementen Chrom und Kobalt. Sie enthält auch einen geringen Anteil anderer chemischer Elemente, wie Molybdän, Wolfram und Nickel. Es handelt sich um eine nichtmagnetische Legierung, die durch fortschrittliche metallurgische Verfahren gewonnen wird, bei denen Kobalt und Chrom zusammen mit den anderen Elementen geschmolzen werden, die die mechanischen Eigenschaften und die Festigkeit verbessern. Eines der gängigsten Verfahren zu ihrer Gewinnung ist das Schmelzen im Elektroofen, bei dem diese Metalle bei hohen Temperaturen in Induktions- oder Lichtbogenöfen geschmolzen werden. In einigen Fällen kann die flüssige Legierung nach ihrer Gewinnung einem Schmiedeverfahren unterzogen werden, bei dem das Material erhitzt und unter Druck geformt wird.

Wenn die Kobalt-Chrom-Legierung jedoch in Form von Pulvermetall für 3D-Druckanwendungen benötigt wird, kann sie auch durch Sputtern gewonnen werden. Bei diesem Verfahren wird die Legierung durch Zerstäubung oder Sputtern in feine Partikel umgewandelt, die anschließend in pulverbettbasierten additiven Fertigungstechnologien verwendet werden können. Mit diesen Techniken können komplexe Teile aus Metallpulver hergestellt werden, was eine größere Flexibilität bei der Konstruktion und Herstellung von Hochpräzisionsbauteilen ermöglicht. Zu den herausragenden Eigenschaften von Kobalt-Chrom gehören:

• Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in extremen Umgebungen, wie z. B. in Umgebungen mit einer hohen Konzentration von Chloriden. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig bei medizinischen Anwendungen, wo ein ständiger Kontakt mit Körperflüssigkeiten besteht.
• Hohe Härte und mechanische Festigkeit, was diese Legierung zu einer idealen Wahl für Teile macht, die starken mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Darüber hinaus ist ihre Fähigkeit, die strukturelle Integrität auch bei erhöhten Temperaturen zu erhalten, ein wesentlicher Vorteil.
• Biokompatibilität. Dank ihrer Korrosionsbeständigkeit und chemischen Stabilität ist die Kobalt-Chrom-Legierung sehr biokompatibel. Daher verursacht sie in der Regel keine unerwünschten Reaktionen im menschlichen Körper und eignet sich für den Einsatz in der Medizin.
• Hohe Wärmeleitfähigkeit, die bei bestimmten Anwendungen eine effiziente Wärmeableitung ermöglicht.
• Hohe Temperaturstabilität, d. h. eine hohe Verformungsbeständigkeit bei hohen Temperaturen. Dies macht die Legierung ideal für den Einsatz in Komponenten, die extrem heißen Bedingungen trotzen müssen.

3D-Druck mit Kobalt-Chrom

Die Kobalt-Chrom-Legierung kann in der additiven Fertigung in Pulverform für die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien verwendet werden. Dieses Material ist vor allem mit Technologien der Kategorie Laser-Pulverbett-Verfahren (LPBF), kompatibel. Der Schmelzpunkt der Kobalt-Chrom-Legierung liegt je nach der genauen Zusammensetzung der Legierung bei etwa 1200-1400°C. Dies ist ein recht hoher Schmelzpunkt im Vergleich zu anderen Metallen, die üblicherweise im 3D-Druck verwendet werden, wie Aluminium oder Edelstahl. Aus diesem Grund muss der Kobalt-Chrom-3D-Druckprozess bei hohen Temperaturen durchgeführt werden, was eine genaue Kontrolle der Druckumgebung und eine hochwertige Ausrüstung erfordert.

Die Verwendung von Kobalt-Chrom im 3D-Druck erfordert aufgrund der physikalischen und chemischen Eigenschaften einige besondere technische Überlegungen. Da es sich um eine Legierung mit hoher Schmelztemperatur handelt, muss die Laserenergie angepasst werden, um ein Verdampfen oder unsachgemäßes Schmelzen des Materials zu vermeiden. Nachdem die Legierung außerdem Chrom, ein hochreaktives Metall, enthält, müssen zusätzliche Vorkehrungen zur Kontrolle der Druckumgebung getroffen werden. Es wird empfohlen, eine inerte Argon- oder Stickstoffatmosphäre zu verwenden, um unerwünschte Reaktionen mit Sauerstoff zu vermeiden. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Fließfähigkeit des Pulvers. Kobalt-Chrom ist im Vergleich zu anderen Metallen weniger fließfähig, was zu Problemen bei der gleichmäßigen Verteilung des Pulvers während des Herstellungsprozesses führen kann. Um dies zu überwinden, sind fein abgestimmte Druckparameter erforderlich, um ein homogenes Schmelzen und eine gute Oberflächenqualität der hergestellten Teile zu gewährleisten.

Nach dem 3D-Druck von Kobalt-Chrom-Teilen müssen wie bei jedem anderen Metall mehrere Nachbearbeitungsschritte durchgeführt werden. Zunächst müssen die Teile langsam abgekühlt werden, um innere Spannungen oder Verformungen zu vermeiden. Danach folgt die Reinigung der Teile, die eine Entstaubung sowie die Entfernung der Druckträger (falls verwendet) umfasst. In einigen Fällen, insbesondere bei medizinischen Anwendungen, kann eine Wärmebehandlung, wie z. B. das Glühen, erforderlich sein. Dadurch werden die kristalline Struktur und die mechanische Festigkeit der Legierung und damit der Teile verbessert. Schließlich sind Techniken wie das Polieren (elektrolytisch oder mechanisch) üblich, um eine glatte, hochwertige Oberfläche zu erhalten.

Anwendungen und Hersteller auf dem Markt

Dank seiner Korrosionsbeständigkeit, Härte und Biokompatibilität wird der 3D-Druck von Kobalt-Chrom in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt. Er wird vor allem bei der Herstellung von medizinischen Komponenten wie orthopädischen Implantaten, Zahnersatz und chirurgischen Geräten eingesetzt. Bei diesen Anwendungen müssen die Teile eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen und vollständig mit dem menschlichen Körper kompatibel sein. Es wird auch in der Luft- und Raumfahrt- sowie in der Automobilindustrie für die Herstellung von Teilen verwendet, die extremen Temperatur- und Verschleißbedingungen ausgesetzt sind, wie z. B. Turbinen und Motorkomponenten.

Es gibt mehrere Unternehmen, die nicht nur Lösungen für die additive Fertigung anbieten, sondern auch Materialien. Colibrium Additive ist eines der führenden Unternehmen in der Herstellung von Metallen für den 3D-Druck. Es entwickelt unter anderem seine eigenen CoCr-Legierungen, die mit seinen LPBF- und EBM-Maschinen kompatibel sind. EOS, Eplus3D, Renishaw und 3D Systems bieten unter anderem auch Kobalt-Chrom-Pulver an, die für die Verwendung in den Metallsystemen der Unternehmen entwickelt und getestet wurden.

Es gibt auch eine Reihe von Materiallieferanten, die dieses Material für den Bereich der additiven Fertigung anbieten. Dazu gehören Carpenter Additive mit seiner PowderRange® (CCM®-MC und CCM®) und Sandvik mit der Standard-Metallpulverserie Osprey®, die Kobalt-Chrom-Pulver für die additive Fertigung umfasst.

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*Titelbildnachweis: PiTch_ / David Doleac