Welke metalen worden er gebruikt bij 3D-printen?

Metalen zijn materialen met een goede elektrische geleidbaarheid, warmtegeleidbaarheid en vervormbaarheid. Ze bestaan doorgaans uit metaalelementen of legeringen en kenmerken zich door een hoge sterkte, hardheid en corrosiebestendigheid. Metalen worden op grote schaal gebruikt in de industriële productie, de bouw, de elektronica en de lucht- en ruimtevaart. Dankzij hun fysische, chemische en verwerkingseigenschappen spelen ze niet alleen een belangrijke rol in de conventionele productie, maar ook bij het 3D-printen met metaal.

Metalen die momenteel bij 3D-printen worden gebruikt, zijn onder meer roestvrij staal, titaniumlegeringen, aluminiumlegeringen, nikkellegeringen, koperlegeringen en ijzerlegeringen. Deze materialen hebben over het algemeen een hoge sterkte en hardheid en zijn vaak moeilijk op conventionele wijze te bewerken, waardoor additive manufacturing aantrekkelijk is. Metaalpoeders voor 3D-printen moeten doorgaans een hoge zuiverheid, een goede bolvormigheid, een smalle deeltjesgrootteverdeling en een laag zuurstofgehalte hebben. Met processen zoals selectief lasersmelten en elektronenstraalsmelten kunnen snel op maat gemaakte metalen onderdelen met complexe vormen worden geproduceerd.

Roestvrij staal

Roestvrij staal bestaat uit ijzer, chroom, nikkel en andere legeringselementen, waarbij chroom het belangrijkste toegevoegde element is. Het biedt een goede lasbaarheid, chemische corrosiebestendigheid, hittebestendigheid, mechanische eigenschappen en hygiënische eigenschappen die geschikt zijn voor contact met levensmiddelen en farmaceutische producten. Roestvrijstaalpoeder is gemakkelijk te vervaardigen, eenvoudig te bereiden en relatief goedkoop, waardoor het een van de eerste metalen is die bij 3D-printen werden gebruikt.

Toepassingen zijn onder meer constructie- en dragende onderdelen, buizen, vaten, deuren, ramen, leuningen, decoratieve producten, apparatuur voor de voedselverwerking, medische hulpmiddelen en chemische apparatuur. Roestvaststaalsoorten die vaak worden gebruikt bij 3D-printen met metaal zijn onder meer de austenitische soorten 316L en 304L en de martensitische, door neerslagverharding verhardende soorten 15-5PH en 17-4PH.

Aluminiumlegeringen

Aluminiumlegeringen bestaan uit aluminium in combinatie met elementen zoals koper, zink en magnesium. Hun specifieke eigenschappen hangen af van de soorten en hoeveelheden legeringstoevoegingen. Aluminiumlegeringen hebben een lage dichtheid, een hoge specifieke sterkte en stijfheid, een goede gietbaarheid en vervormbaarheid, een goede corrosiebestendigheid en een relatief hoge weerstand tegen vermoeidheidsbreuken. Ze worden op grote schaal gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, het transport, de bouw, elektromechanische producten, de lichte industrie en consumptiegoederen.

Tot de aluminiumlegeringen die bij 3D-printen met metaal worden gebruikt, behoren AlSi12, AlSi10Mg, AlSi7Mg, Al-Si9Cu3, 6060 en 6061. AlSi12 is een lichtgewicht poeder met goede thermische eigenschappen en is geschikt voor dunwandige onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart en de automobielindustrie, zoals warmtewisselaars. AlSi10Mg biedt een hoge sterkte en hardheid voor dunwandige onderdelen en complexe geometrieën, met name wanneer goede thermische prestaties en een laag gewicht vereist zijn.

Titaniumlegeringen

Titaniumlegeringen combineren een hoge sterkte met een lage dichtheid, een goede taaiheid, corrosiebestendigheid en biocompatibiliteit. Ze spelen een belangrijke rol in medische, lucht- en ruimtevaart- en automobieltoepassingen. Titanium is een typisch moeilijk te bewerken materiaal: het laat zich slecht verspanen en neemt tijdens warmverwerking gemakkelijk waterstof, zuurstof, stikstof en koolstof op. 3D-printen met metaal is hiervoor bijzonder geschikt, omdat hiermee complexe structuren kunnen worden gevormd met behoud van nuttige mechanische eigenschappen. De beschermende atmosfeer beperkt reacties met zuurstof en stikstof, terwijl plaatselijke snelle verhitting en afkoeling de verdamping van legeringselementen beperken.

Tot de huidige titaniummaterialen voor 3D-printen behoren commercieel zuiver titanium, Ti6Al4V (TC4) en Ti6Al17Nb. De belangrijkste toepassingen zijn onder meer onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart en implantaten voor het menselijk lichaam, zoals botten en tanden.

Legeringen op nikkelbasis

Legeringen op nikkelbasis behouden hun hoge sterkte en weerstand tegen oxidatie en corrosie bij temperaturen van 650 tot 1000 °C. Hun mechanische eigenschappen en weerstand tegen oxidatie en hete corrosie maken ze geschikt voor toepassingen bij hoge temperaturen en onder hoge belasting. Additief vervaardigde nikkellegeringen kunnen worden gebruikt voor onderdelen van het hete gedeelte van vliegtuigmotoren, zoals turbineschijven en -schoepen, waardoor de stabiliteit en het thermisch rendement van de motor worden verbeterd. Een op nikkel gebaseerde legering die 50% titanium bevat (op basis van massa) heeft een sterk vormgeheugeneffect en wordt gebruikt voor structuren van ruimtevaartuigen en motoren voor kunstharten. Tot de beproefde nikkel-superlegeringen voor 3D-printen behoren Inconel 625 (IN625), Inconel 718 (IN718) en Inconel 939 (IN939).

Legeringen op basis van kobalt

Legeringen op basis van kobalt bevatten kobalt als hoofdbestanddeel, samen met nikkel, chroom, wolfraam en kleine hoeveelheden molybdeen, niobium, tantaal, titanium, lanthaan en andere toevoegingen. Dankzij hun hoge sterkte, corrosiebestendigheid en biocompatibiliteit werden ze al vroeg toegepast in kunstgewrichten. Tegenwoordig worden ze op grote schaal gebruikt voor op maat gemaakte tandprothesen en motoronderdelen. Veelgebruikte 3D-printkwaliteiten zijn onder meer Co212, Co452, Co502 en CoCr28Mo6.

Koperlegeringen

Koperlegeringen hebben koper als basiselement. Omdat koper antimicrobiële eigenschappen heeft, worden deze legeringen gebruikt in medische apparatuur en producten die vaak worden aangeraakt, zoals deurklinken in openbare ruimtes. Koperpoeder heeft een hoge laserreflectiviteit en een laag absorptievermogen, waardoor het lange tijd als moeilijk te printen werd beschouwd. De afgelopen jaren zijn veel bedrijven er echter in geslaagd om met koperlegeringen te 3D-printen. Beschikbare grondstoffen zijn onder meer koperlegeringspoeders, composietmaterialen met een kopermatrix en koperlegeringsdraad.

Vloeibare metalen

Vloeibare metalen die bij 3D-printen worden gebruikt, zijn doorgaans niet-giftige gallium-indiumlegeringen die bij kamertemperatuur vloeibaar blijven, waaronder gallium-indium- en gallium-indium-tin-legeringen. Hun oppervlak hardt uit bij blootstelling aan lucht, terwijl de binnenkant vloeibaar blijft. Dankzij hun elektrische geleidbaarheid is het mogelijk om printplaten van vloeibaar metaal te printen.

In 2017 stelde het Laboratorium voor Cryogenica en Medische Wetenschappen van het Technisch Instituut voor Natuurkunde en Scheikunde van de Chinese Academie van Wetenschappen het 3D-printen met zwevend vloeibaar metaal voor. Bij dit proces wordt een vloeibare gallium-indiumlegering als printmateriaal gebruikt en een zelfhardende hydrogel als drager. Een spuitmond perst continu vloeibaar metaal op kamertemperatuur uit, terwijl de hydrogel het metaal ondersteunt en zijn vorm vastlegt. Door laag voor laag aan te brengen ontstaan zeer complexe, flexibele driedimensionale metaalstructuren. Mogelijke toepassingen zijn onder meer flexibele 3D-elektronica, de assemblage van zachte robots, het inkapselen van materialen en de biogeneeskunde.

Overige metalen

Goud, zilver, niobium, zirkonium, magnesiumlegeringen en andere metalen kunnen ook in 3D worden geprint.