3D-Drucken von Metallfilamenten und -pulvern

Ob eine Metalllegierung heute gedruckt wird oder nicht, hängt vor allem von zwei Faktoren ab: Druckbarkeit und Nachfrage. Es gibt eine Vielzahl von 3D-Druckverfahren für Metall, die jedoch fast alle auf Metallpulvern basieren. Diese Materialien können in zwei Formen gedruckt werden: als rohes 3D-Druck-Metallpulver oder als gebundenes 3D-Druck-Metallfilament. Infolgedessen sind die heute druckbaren Metallwerkstoffe in hohem Maße durch die Verfügbarkeit von Pulver und die Möglichkeit, dieses Pulver effektiv zu binden, eingeschränkt. Aluminium zum Beispiel ist bekanntermaßen schwer zu drucken und daher relativ selten anzutreffen.

Der Metall-3D-Druck eignet sich für Teile, die aufgrund ihrer Komplexität oder ihres Materials schwierig konventionell zu bearbeiten sind, da er insbesondere bei geringen Stückzahlen kostengünstiger ist. Härtere Materialien wie Edelstahl, Werkzeugstahl und Titan sind schwieriger zu bearbeiten und erfordern hochwertigere Werkzeuge sowie bessere Maschinen. Sie verursachen zudem höhere Gemeinkosten. Die zusätzlichen natürlichen Herstellungskosten erhöhen den relativen Wert des 3D-Drucks, wodurch dieser einen bestimmten Punkt erreicht, an dem der 3D-Druck rentabel wird. Auf der anderen Seite des Spektrums stehen Materialien, die leicht und günstig zu bearbeiten sind (niedriglegierter Stahl, Aluminium). Für diese besteht kaum Nachfrage, weil sie bereits einfach herzustellen sind. Es handelt sich dabei um eine Gruppe von „gewöhnlichen“ Metalldruckwerkstoffen, die mit herkömmlichen Methoden sehr schwer zu bearbeiten sind und additive anstellen von subtraktiven Verfahren eine einfache Lösung bieten.

Was sind die gängigsten Metalle für den 3D-Druck?

1. Edelstahl (17-4 PH, 316L, 304)
2. Werkzeugstahl (H13, A2, D2)
3. Speziallegierungen (Inconel, Kobalt-Chrom und andere)
4. Titan (Ti64)
5. Aluminium (4047, 6061, 7075)

3D-Druck von Stahl

Stahl ist das am häufigsten verwendete Material im Metall-3D-Druck. Durch seine Festigkeit, seine Fähigkeit, in Metallpulver für den 3D-Druck umgewandelt zu werden, seine relativ geringen Kosten und seine Nachbearbeitbarkeit ist Stahl in vielen Anwendungen verwendbar. Die meisten Stahlsorten können gedruckt werden. Am weitesten verbreitet ist der Druck von Edelstahl und Werkzeugstahl. Nicht alle Stähle werden üblicherweise gedruckt. Legierte Stähle, die am häufigsten auf konventionelle Weise hergestellt werden, werden selten gedruckt. Aufgrund der niedrigeren konventionellen Herstellungskosten und der schlechteren Materialeigenschaften sind sie als Druckmaterial nicht so wertvoll.

Edelstähle

Edelstähle sind feste, steife Stähle, die aufgrund ihres hohen Chromanteils (mindestens 12 %, oft bis zu 18 %) eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Es gibt sie in zwei verschiedenen Varianten: austenitisch und martensitisch.

Austenitische Edelstähle sind die am weitesten verbreitete Sorte Edelstahl. Sie sind korrosionsbeständig, lassen sich bearbeiten und schweißen, können jedoch nicht wärmebehandelt werden. 303 und 304 sind die gebräuchlichsten austenitischen Edelstähle, und 316L ist eine Variante mit optimierter Korrosionsbeständigkeit.

Martensitische Edelstähle sind viel härter als austenitische Stähle, aber spröder und weniger korrosionsbeständig. Insgesamt fehlt ihnen die Vielseitigkeit der austenitischen Stähle, sie können jedoch wärmebehandelt und ausscheidungsgehärtet werden. Sie sind am besten geeignet, wenn Sie einen harten und steifen Edelstahl benötigen. 17-4 PH ist ein besonders zweckmäßiger martensitischer Edelstahl, der wärmebehandelt werden kann, um eine Vielzahl von Materialeigenschaften zu erreichen. Er ist auch der am häufigsten verwendete martensitische Stahl, obwohl auch andere (wie 420) gedruckt werden.

Werkzeugstähle

Werkzeugstähle sind nach ihrer wichtigsten Anwendung benannt, dem Werkzeugbau in zahlreichen Facetten. Sie enthalten Carbid, eine extrem harte Verbindung, die für Schneid-, Schleif-, Stanz-, Gieß- oder Formanwendungen bestens geeignet ist. In der Regel sind sie sehr hart, abriebfest und bei hohen Temperaturen einsetzbar. Werkzeugstähle werden nach dem AISI-SAE-Klassifizierungssystem kategorisiert und nach Funktion in Typen eingeteilt. Die drei gängigsten Arten, die beim Metall-3D-Druck Anwendung finden, sind Werkzeugstähle der Serien A, D und H.

Serie A Werkzeugstähle sind hervorragend zum vielseitigen Gebrauch geeignet, können bearbeitet werden und besitzen ein ausgewogenes Verhältnis von Verschleißfestigkeit und Zähigkeit. Es gibt acht Arten von Werkzeugstählen der A-Serie. Die gängigste ist A2. Dieser vielseitige Werkzeugstahl wird häufig zur Herstellung von Stempeln und Matrizen sowie für eine Vielzahl anderer Anwendungen eingesetzt.

Serie D Werkzeugstähle werden für eine höhere Verschleißfestigkeit und Härte optimiert. Sie sind nicht besonders zäh und werden ausschließlich für Kaltarbeitsanwendungen eingesetzt. Die gängigste Ausführung der D-Serie ist D2, der für Schneidwerkzeuge aller Art verwendet wird, von Klingen bis zu industriellen Schneidwerkzeugen und sogar Messern.

Serie H Werkzeugstähle schneiden und formen Material bei hohen (oder wechselnden) Temperaturen. Sie sind bei niedrigen Temperaturen nicht so verschleißfest wie Werkzeugstähle der Serien A oder D, behalten jedoch auch bei größerer Hitze ihre Festigkeit und Steifigkeit bei. Von den viele Arten von Werkzeugstählen der Serie H ist H13 die am häufigsten im 3D-Druck verwendete Variante. Aufgrund der Kombination aus ausgezeichneter Zähigkeit, Verschleißfestigkeit und Wärmebeständigkeit eignet sich dieser Werkzeugstahl für vielfältige Anwendungen (Warmumformung), da er für die Verwendung bei hohen Temperaturen optimiert wurde.

3D-Titandruck

Titan ist kein weitverbreitetes Material in der konventionelle Fertigung. Seine einzigartigen Eigenschaften und hohen Grundkosten machen es zu einem hervorragenden Kandidaten für den 3D-Druck. Es ist kräftig, unglaublich leicht, hitze- und chemikalienbeständig und kann biokompatibel sein. Auch wenn es verschiedene Arten von Titan gibt, die gedruckt werden können, ist eine mit Abstand am weitesten verbreitet: Titanium 64 (Ti-6Al-4V).

Ti64 ist der am häufigsten verwendete Titantyp im 3D-Druck und in der konventionellen Fertigung. Es besitzt ein ausgezeichnetes Verhältnis von Stärke zu Gewicht und kann zur weiteren Verbesserung der Festigkeit wärmebehandelt werden. Aufgrund seiner Korrosions- und Hitzebeständigkeit eignet sich das Material auch für den Einsatz unter widrigen Bedingungen. Daher wird es häufig in der Luftfahrt (Flugkörper, Raketen, Flugzeuge), in der Medizin (als orthopädische Implantate) und in anderen Bereichen eingesetzt, in denen ein gutes Verhältnis von Stärke zu Gewicht von Vorteil ist.

3D-Druck von Aluminium

Aluminium ist bekanntermaßen schwierig zu drucken. Deshalb ist es ein relativ seltenes Druckmaterial, obwohl es in der konventionellen Fertigung sehr weit verbreitet ist. Bei den gedruckten Sorten handelt es sich in der Regel um Gussaluminium und nicht um die gängigeren maschinell bearbeitbaren Sorten wie 6061 oder 7075. Diese Gussaluminiumlegierungen enthalten alle einen hohen Siliziumanteil (bis zu 12 %) und sind schwächer und weniger steif als 6061. Es ist noch nicht klar, wann Aluminium als 3D-Druckmaterial verfügbar sein wird. Bis dahin erreichen jedoch Materialien wie Stahl und Titan ein ähnliches Verhältnis von Stärke zu Gewicht, wenn sie mit einer offenen Zellfüllung gedruckt werden.

Speziallegierungen

Neben den gängigen Metallen können 3D-Drucker auch Teile aus Legierungen herstellen, die sich in einzigartiger Weise für widrige Umgebungen eignen. Diese „Superlegierungen“ sind Metalle, die sich durch hohe Festigkeit, Hitzebeständigkeit, gute Oberflächenstabilität und Korrosions- oder Oxidationsbeständigkeit auszeichnen und können für eine Vielzahl von anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt werden. Zwei Untergruppen sind am häufigsten anzutreffen: Inconel und Kobalt-Chrom.

Inconel

Inconel ist die am weitesten verbreitete und bekannteste proprietäre Nickellegierung. Das extrem feste, steife und korrosionsbeständige Material wird in Turbinen, Motordichtungen und Raketen verwendet. Es gibt zwei Hauptformulierungen, die in 3D gedruckt werden: Inconel 718 ist kräftiger und härter, während Inconel 625 hitzebeständiger ist. Beide Materialien lassen sich nur mit extrem hohem Kostenaufwand mit herkömmlichen Verfahren maschinell bearbeiten, sodass der 3D-Druck eine kostengünstige Alternative zur Herstellung originalgetreuer Teile darstellt.

Kobalt-Chrom

Kobalt-Chrom ist eine Superlegierung, die für ihre Biokompatibilität, hohe Festigkeit im Verhältnis zum Gewicht und ihre Korrosionsbeständigkeit bekannt ist. Sie ist im Wesentlichen eine höherwertigere und teurere Version von Titan. Wie Inconel wird sie in Turbinen und anderen widrigen Umgebungen verwendet. Anders als Inconel kann sie in medizinischen Anwendungen wie orthopädischen oder zahnmedizinischen Implantaten verwendet werden.

Ein Blick in die Zukunft

Der langfristige Erfolg von Metalldruckern hängt in hohem Maße von ihrer Fähigkeit ab, eine Vielzahl von Materialien zuverlässig zu verarbeiten. Das heutige Angebot ist relativ klein und konzentriert sich auf hochwertige Materialien, deren Verarbeitung bereits jetzt einen finanziellen Vorteil bringt. Da sich der 3D-Druck in einer ständigen Weiterentwicklung befindet, werden bald mehr und preisgünstigere Filamente und Pulver für den 3D-Druck in der Metallverarbeitung auf den verschiedenen Plattformen für den Metalldruck verfügbar sein. Diese Materialien werden wiederum neue Anwendungsmöglichkeiten für den Metalldruck eröffnen und die Akzeptanz bei der breiten Masse der Hersteller steigern.