Welche Metallwerkstoffe werden beim 3D-Druck verwendet?

Metalle sind Werkstoffe mit guter elektrischer Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Formbarkeit. Sie bestehen in der Regel aus metallischen Elementen oder Legierungen und zeichnen sich durch hohe Festigkeit, Härte und Korrosionsbeständigkeit aus. Metalle kommen in der industriellen Fertigung, im Bauwesen, in der Elektronik und in der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz. Aufgrund ihrer physikalischen, chemischen und verarbeitungstechnischen Eigenschaften spielen sie nicht nur in der konventionellen Fertigung, sondern auch im 3D-Metalldruck eine wichtige Rolle.

Zu den derzeit im 3D-Druck verwendeten Metallen zählen Edelstahl, Titanlegierungen, Aluminiumlegierungen, Nickellegierungen, Kupferlegierungen und Eisenlegierungen. Diese Werkstoffe zeichnen sich in der Regel durch hohe Festigkeit und Härte aus und lassen sich oft nur schwer konventionell bearbeiten, was die additive Fertigung attraktiv macht. Metallpulver für den 3D-Druck erfordern in der Regel eine hohe Reinheit, eine gute Rundheit, eine enge Partikelgrößenverteilung und einen geringen Sauerstoffgehalt. Verfahren wie das selektive Laserschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen ermöglichen die schnelle Herstellung maßgeschneiderter Metallteile mit komplexen Geometrien.

Rostfreier Stahl

Edelstahl besteht aus Eisen, Chrom, Nickel und anderen Legierungselementen, wobei Chrom der Hauptzusatz ist. Er zeichnet sich durch gute Schweißbarkeit, chemische Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit, mechanische Eigenschaften sowie hygienische Eigenschaften aus, die für den Kontakt mit Lebensmitteln und Arzneimitteln geeignet sind. Edelstahlpulver lässt sich leicht formen, ist einfach herzustellen und relativ kostengünstig, was es zu einem der ersten Metalle macht, die im 3D-Druck zum Einsatz kamen.

Zu den Anwendungsbereichen zählen Konstruktions- und tragende Teile, Rohre, Behälter, Türen, Fenster, Geländer, Dekorationsartikel, Anlagen für die Lebensmittelverarbeitung, medizinische Geräte und chemische Anlagen. Zu den im 3D-Metalldruck häufig verwendeten Edelstahlsorten gehören die austenitischen Sorten 316L und 304L sowie die martensitischen ausscheidungsgehärteten Sorten 15-5PH und 17-4PH.

Aluminiumlegierungen

Aluminiumlegierungen bestehen aus Aluminium in Verbindung mit Elementen wie Kupfer, Zink und Magnesium. Ihre spezifischen Eigenschaften hängen von der Art und Menge der Legierungszusätze ab. Aluminiumlegierungen zeichnen sich durch eine geringe Dichte, eine hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit, gute Gießbarkeit und Formbarkeit, gute Korrosionsbeständigkeit sowie eine relativ hohe Ermüdungsfestigkeit aus. Sie finden breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, im Transportwesen, im Bauwesen, bei elektromechanischen Produkten, in der Leichtindustrie und bei Konsumgütern.

Zu den im Metall-3D-Druck verwendeten Aluminiumlegierungen gehören AlSi12, AlSi10Mg, AlSi7Mg, Al-Si9Cu3, 6060 und 6061. AlSi12 ist ein leichtes Pulver mit guten thermischen Eigenschaften und eignet sich für dünnwandige Bauteile in der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbau, wie beispielsweise Wärmetauscher. AlSi10Mg bietet hohe Festigkeit und Härte für dünnwandige Bauteile und komplexe Geometrien, insbesondere dort, wo gute thermische Eigenschaften und ein geringes Gewicht erforderlich sind.

Titanlegierungen

Titanlegierungen vereinen hohe Festigkeit mit geringer Dichte, guter Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität. Sie spielen eine wichtige Rolle in der Medizin, der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie. Titan ist ein typischer schwer zerspanbarer Werkstoff: Es lässt sich schlecht zerspanen und nimmt bei der Warmumformung leicht Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff auf. Der 3D-Metalldruck eignet sich besonders gut, da er komplexe Strukturen bilden kann und dabei die nützlichen mechanischen Eigenschaften bewahrt. Die Schutzatmosphäre begrenzt Reaktionen mit Sauerstoff und Stickstoff, während die lokale schnelle Erwärmung und Abkühlung die Verdampfung von Legierungselementen begrenzt.

Zu den derzeit für den 3D-Druck verwendeten Titanwerkstoffen zählen handelsreines Titan, Ti6Al4V (TC4) und Ti6Al17Nb. Zu den wichtigsten Anwendungsbereichen zählen Bauteile für die Luft- und Raumfahrt sowie Implantate für den menschlichen Körper, wie beispielsweise Knochen und Zähne.

Nickelbasislegierungen

Legierungen auf Nickelbasis behalten bei Temperaturen von 650 bis 1000 °C eine hohe Festigkeit sowie Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit bei. Ihre mechanischen Eigenschaften und ihre Beständigkeit gegen Oxidation und Heißkorrosion eignen sich für den Einsatz unter hohen Temperaturen und starken Beanspruchungen. Additiv gefertigte Nickellegierungen können für Bauteile im Heißbereich von Flugzeugtriebwerken wie Turbinenscheiben und -schaufeln verwendet werden, wodurch die Stabilität und der thermische Wirkungsgrad des Triebwerks verbessert werden. Eine Nickelbasislegierung mit einem Massenanteil von 50%-Titan weist einen starken Formgedächtniseffekt auf und wird für Raumfahrzeugstrukturen und Motoren für Kunstherzen verwendet. Zu den ausgereiften Nickel-Superlegierungen für den 3D-Druck gehören Inconel 625 (IN625), Inconel 718 (IN718) und Inconel 939 (IN939).

Legierungen auf Kobaltbasis

Kobaltlegierungen enthalten Kobalt als Hauptelement sowie Nickel, Chrom, Wolfram und geringe Mengen an Molybdän, Niob, Tantal, Titan, Lanthan und weiteren Zusätzen. Aufgrund ihrer hohen Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität wurden sie schon früh in künstlichen Gelenken eingesetzt. Heute finden sie breite Anwendung bei maßgefertigten Zahnprothesen und Motorkomponenten. Zu den gängigen 3D-Druck-Sorten gehören Co212, Co452, Co502 und CoCr28Mo6.

Kupferlegierungen

Kupferlegierungen enthalten Kupfer als Grundelement. Da Kupfer antimikrobielle Eigenschaften besitzt, werden diese Legierungen in medizinischen Geräten und häufig berührten Produkten wie Türklinken im öffentlichen Raum eingesetzt. Kupferpulver weist eine hohe Laserreflexion und eine geringe Absorption auf, weshalb es lange Zeit als schwer bedruckbar galt. In den letzten Jahren ist es jedoch vielen Unternehmen gelungen, den 3D-Druck mit Kupferlegierungen zu realisieren. Zu den verfügbaren Ausgangsmaterialien zählen Kupferlegierungspulver, Verbundwerkstoffe mit Kupfermatrix und Kupferlegierungsdraht.

Flüssige Metalle

Flüssigmetalle, die im 3D-Druck verwendet werden, sind in der Regel ungiftige Gallium-Indium-Legierungen, die bei Raumtemperatur flüssig bleiben, darunter Gallium-Indium- und Gallium-Indium-Zinn-Legierungen. Ihre Oberfläche härtet bei Kontakt mit Luft aus, während das Innere flüssig bleibt. Ihre elektrische Leitfähigkeit eröffnet die Möglichkeit, Leiterplatten aus Flüssigmetall zu drucken.

Im Jahr 2017 schlug das Labor für Kryotechnik und Medizinwissenschaften am Technischen Institut für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften den 3D-Druck mit schwebendem Flüssigmetall vor. Bei diesem Verfahren wird eine flüssige Gallium-Indium-Legierung als Druckmaterial und ein selbsthärtendes Hydrogel als Stützmaterial verwendet. Eine Düse extrudiert kontinuierlich flüssiges Metall bei Raumtemperatur, während das Hydrogel dessen Form stützt und fixiert. Durch schichtweises Auftragen entstehen hochkomplexe, flexible dreidimensionale Metallstrukturen. Zu den potenziellen Anwendungsbereichen zählen flexible 3D-Elektronik, die Montage von Softrobotern, die Materialverkapselung und die Biomedizin.

Sonstige Metalle

Gold, Silber, Niob, Zirkonium, Magnesiumlegierungen und andere Metalle lassen sich ebenfalls im 3D-Druckverfahren herstellen.