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Werkstoffe

Das Material entscheidet über die Qualität

| Autor/ Redakteur: Jörg Wetterau / Simone Käfer

Ein Bauteil ist nur so gut wie sein Ausgangsmaterial. Was qualitativ hochwertiges Metallpulver für die Additive Fertigung ausmacht und wie anspruchsvoll seine Produktion ist, erklärt ein Materialhersteller.

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So unscheinbar er aussieht, so wichtig ist der Werkstoff. Denn seine Eigenschaften bestimmen die Qualität des additiv gefertigten Bauteils mit.
So unscheinbar er aussieht, so wichtig ist der Werkstoff. Denn seine Eigenschaften bestimmen die Qualität des additiv gefertigten Bauteils mit.
(Bild: © Wolfgang Hartmann)

Die Additive Fertigung ermöglicht den Einsatz neuer Materialien mit neuen Eigenschaften, ist aber speziell bei der Verarbeitung von metallischen Pulvern sehr anspruchsvoll. Material- und Prozess-Know-how sind dabei entscheidend, denn Metallpulver und Druckprozess müssen perfekt aufeinander abgestimmt sein. Die Herausforderungen fangen schon bei der Pulverherstellung an. Homogenität, Reinheit, Fließfähigkeit und Schüttdichte entscheiden über die Qualität der laser- oder elektronenstrahlgeschmolzenen Bauteile. Nur Pulver mit genau definierter Partikelgrößen, deren Partikel noch dazu rund sind, ermöglichen mit den entsprechenden Prozessen die Additive Fertigung komplexer Bauteile, die keine störende Porosität oder andere Baufehler aufweisen.

Mit Simulation Bauteileigenschaften vorberechnen

Metalle und Legierungen können aber bereits ohne Pulvereinsatz via Simulation auf Eignung eingeschätzt werden. Um die Möglichkeiten der Additiven Fertigung effizient ausschöpfen zu können, setzen die Mitarbeiter bei Heraeus auf moderne Simulationsverfahren und können Druckergebnisse vorberechnen, wodurch sich wiederum die bestmöglichen Prozess­parameter ermitteln lassen. Das spart Entwicklungszeit und Materialkosten, da die Anzahl notwendiger Testdrucke deutlich reduziert werden kann. Gleichzeitig können Bauteileigenschaften zuverlässig auf die Anwendungsanforderungen abgestimmt werden. „Dank selbst entwickelter Software können wir für unsere Materialien sowohl die Druckbarkeit der Pulver als auch die Prozessfenster und Druckparameter simulieren. Und wir können für verschiedene Materialien schnell und sicher vorhersagen, wie diese verarbeitet werden können“, erläutert Tobias Caspari, Leiter Additive Manufacturing bei Heraeus.

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Infrarot-Wärmetechnik
Dem Verzug beim 3D-Metalldruck vorbeugen

Infrarotstrahler ermöglichen eine Qualitätssteigerung von gedruckten Metallbauteilen, indem sie ungewollten Materialspannungen vorbeugen.
Infrarotstrahler ermöglichen eine Qualitätssteigerung von gedruckten Metallbauteilen, indem sie ungewollten Materialspannungen vorbeugen.
( Bild: Heraeus Noblelight )

Außer in der Weiterentwicklung von Metallen und Metalllegierungen ist Heraeus auch in anderen Prozessschritten des 3D-Drucks unterwegs. So entwickelt das Unternehmen Infrarot-Wärmetechniken für Bauraumheizungen, die eines der drängendsten Probleme der Additiven Fertigung lösen: ungewollte Materialspannungen beim Drucken von Metallbauteilen.

Ein wichtiger Schritt beim schichtweisen Aufbau von Metallbauteilen ist das Vorwärmen des Pulverbetts. Hierzu bietet sich Infrarotwärme an, denn Infrarotstrahler wärmen das Metallpulver besonders homogen auf, weil die Strahlenquelle genau an den Bauraum der jeweiligen Anwendung angepasst und in Leistung, Form und Wellenlänge exakt auf das jeweilige Material abgestimmt werden kann. Eine Qualitätssteigerung des gedruckten Metallbauteils ist das Ergebnis. Entscheidend ist neben der Art des Pulvermaterials die Wärmeverteilung in der Kammer.

Durch spezielle Simulationsverfahren ermittelt Heraeus die optimale Wärmeverteilung für kundenspezifische Fertigungsanlagen. Auf diese Weise werden Entwicklungszeiten sowie Kosten reduziert.

Beweisen konnten sich die Metallpulver von Heraeus unter anderem beim 3i-Print-Projekt. Hier wird am Beispiel der Vorderwagenstruktur eines alten VW Caddy das volle Potenzial des industriellen 3D-Drucks für die Automobilindustrie gezeigt. Für die Produktion der Bauteile lieferte und qualifizierte Heraeus die technisch hochfeste Aluminium-Magnesium-Scandium-Legierung Scalmalloy. Es ist das erste Material, das speziell für die Additive Fertigung entwickelt wurde. Bei einem weiteren Projekt mit dem Unternehmen Moog werden Hydrauliksteuerblöcke für Roboteranwendungen additiv gefertigt, ebenfalls aus Scalmalloy.

Refraktärmetalle – die besondere Herausforderung

Zum kontinuierlich wachsenden Produktportfolio von Heraeus gehören amorphe Metalle (metallische Gläser), Edelmetalle (Gold-, Silber- und Platinlegierungen), hochschmelzende Refraktärmetalle wie Molybdän, Niob oder Tantal sowie verschiedenste Metalllegierungen. Speziell die Bereitstellung von Refraktärmetallpulvern für die Additive Fertigung ist für die Metalldrucktechnik absolutes Neuland, denn diese Materialien benötigen Temperaturen über 3000 °C. Auf so hohe Temperaturen sind aber nur wenige Unternehmen eingestellt. Heraeus entwickelt, liefert und qualifiziert die passenden Pulver zum schichtweisen Aufbau von Bauteilen für die industrielle Fertigung. Das Unternehmen stellt durch einen speziell entwickelten Verdüsungsprozess das benötigte Tantalpulver her, aus dem dann über Elektronenschmelz- oder Laseranlagen hochwertige und komplexe Komponenten in der Medizintechnik etwa zur Herstellung von chirurgischen Implantaten oder Prothesen gedruckt werden können. Gerade bei dem mit einem Schmelzpunkt von über 3000 °C extrem hochschmelzenden Tantal ist Additive Fertigung nicht trivial. Es wird in medizinischen Applikationen zunehmend als Werkstoff beispielsweise für Hüft- und Kniegelenke benutzt, da das Metall vom Körpergewebe sehr gut akzeptiert wird.

Heraeus ermöglicht zudem die komplexe Formgebung von amorphen Metallen beziehungsweise metallischen Gläsern. Diese innovative Werkstoffklasse ist für ungewöhnlich viele Hightechanwendungen geeignet, denn amorphe Metalle sind schockabsorbierend, kratzfest und haben zudem auch sehr gute Federeigenschaften. Das macht sie interessant für langzeitstabile Membranen bei Einspritzdüsen, bruchsichere und leichtere Gehäuse für Smartphones oder scharfe, langlebige Skalpelle und minimalinvasive Instrumente.

* Dr. Jörg Wetterau ist Leiter Technologiekommunikation & Fachpresse bei Heraeus in 63450 Hanau, Tel. (0 61 81) 35-0, pr@heraeus.com, www.heraeus.com

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