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Metallpulver

So entstehen Pulver für SLM-Verfahren

| Autor/ Redakteur: Horst Hill und Andreas Mohr / Simone Käfer

Der Bauprozess in einer Maschine für das selektive Laserschmelzen (SLM) sieht einfach aus. Doch bereits im Werkstoff steckt viel Know-how und Arbeit.

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Für die Pulverbettverfahren der Additiven Fertigung müssen spezielle Werkstoffe hergestellt werden.
Für die Pulverbettverfahren der Additiven Fertigung müssen spezielle Werkstoffe hergestellt werden.
(Bild: ©Maksim Shebeko - stock.adobe.com)
  • Die Deutschen Edelstahlwerke (DEW) stellen gasverdüste Metallpulver für Pulverbettverfahren her.
  • Das Fließverhalten ist bei Metallpulvern für die Additive Fertigung wichtig. Außerdem liegt die Größe der Pulverkörner bei 10 bis 63 µm.
  • Da nicht jeder Werkstoff für die Additive Fertigung geeignet ist, berät das DEW-Team im Bereich Sonderwerkstoffe bei Werkstoffen auf Eisen-, Nickel- oder Kobaltbasis.

Mehr Designfreiheit und kürzere Prozessketten sind die Hauptgründe für Kunden, ein Stahlbauteil per Additiver Fertigung herzustellen. Grundlage für Pulverbettverfahren sind gasverdüste Metallpulver. Die Deutschen Edelstahlwerke (DEW) stellen seit vielen Jahren Pulver zum Auftragschweißen her und nutzen ihr Know-how in diesem Bereich nun, um Werkstoffe für das metallische selektive Laserschmelzen herzustellen, das auch auf einem Schweißprozess beruht.

Verdüsen und sieben – so entsteht Metallpulver

Zur Pulverherstellung werden die Rohstoffe und Einsatzmaterialien zunächst in einem Induktionsofen verflüssigt und anschließend einer Gasverdüsungsanlage zugeführt. Nun beginnt der eigentliche Verdüsungsprozess. In einem geschlossenen Behälter wird ein Gießstrahl mithilfe eines Inert­gases unter hohem Druck zerstäubt. Die so entstehenden Partikel werden sphärisch eingeformt. Nur so ist ein ausgezeichnetes Fließverhalten gewährleistet, das für die spätere Weiterverarbeitung wichtig ist. Schließlich verbessert die sphärische Form die Dosierbarkeit des Pulvers.

Das Abscheiden des Pulvers erfolgt ebenfalls unter Inertgas, wodurch das Pulver ohne schädliche Oberflächenoxidation abkühlt. Außerdem bleibt der Gesamt­sauer­stoffgehalt im Pulver auf diese Weise niedrig. Das Rohpulver wird im Anschluss gesiebt, um Überkorn (zu grobe Partikel) und Unterkorn (zu kleine Partikel) auszusortieren. Diese Unterscheidung geschieht auf Mikrometerebene; mit bloßem Auge sind die Korngrößen nicht zu unterscheiden. Die typische Partikelgröße für die Additive Fertigung liegt bei 10 bis 63 µm. Nachdem das nutzbare Pulver in den Mischer gelangt ist, wird es in Flaschen abgefüllt.

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Die Deutschen Edelstahlwerke (DEW) beziehen interessierte Kunden in der Entwicklung und beim Prototyping mit ein. Von der Idee über das Legierungsdesign bis hin zum fertigen Produkt wird der komplette Fertigungsprozess mit dem Kunden gemeinsam entwickelt. Dazu gehört auch, die ideale Metallpulverlösung zu erarbeiten. Im Erstgespräch werden die Anforderungen an die Bauteile festgelegt, die der Kunde im 3D-Druck herstellen möchte. Dies können Ersatzteile in kleiner Stückzahl sein oder Werkzeuge, die er ohne Zeitverzug sofort vor Ort in seiner Produktion benötigt. Basierend auf den Anforderungen der angestrebten Bauteile spezifizieren die DEW-Ingenieure und -Techniker den bestmöglichen Werkstoff. Neben den klassischen Pulverstahlsorten können dies auch bainitische Stähle sein.

Als Resultat des Fertigungsprozesses erhalten Kunden einen einsatzfähigen Pulverstahl, mit dem das gewünschte Produkt im eigenen 3D-Drucker gefertigt werden kann. Um sicherzustellen, dass alle Anforderungen eingehalten werden, drucken die DEW den Prototypen bereits bei sich aus. Im Anschluss kann dieser allen gängigen Belastungs- und Härtetests unterzogen werden.

Nicht jeder Werkstoff eignet sich für die Additive Fertigung

Bauteile werden immer komplexer, Maschinen für die Additive Fertigung leistungsfähiger und für größere Bauteile ausgelegt. Damit steigen auch die Anforderungen an Metallpulver. Da nicht jeder Werkstoff für die Additive Fertigung geeignet ist, berät das DEW-Team im Bereich Sonderwerkstoffe von Beginn an hinsichtlich der einzusetzenden Pulver.

Werkstoffe auf Eisenbasis können allgemein in die austenitischen, aushärtbaren und martensitischen Güten unterteilt werden. Austenitische Güten zum Beispiel weisen in der Regel eine hohe Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit auf. Sollten Anwendungen gefragt sein, bei denen eine überdurchschnittliche Korrosions­beständigkeit vonnöten ist, bieten sich Pulver auf Nickelbasis an. Hierunter fallen Werkstoffe, die hohe Temperaturen aushalten und eine gute Beständigkeit gegen mineralische Säuren wie Salpeter-, Phosphor-, Schwefel- oder Salzsäure aufweisen. Eine gute Beständigkeit gegen Heißgaskorrosion sowie eine hohe Zeitstandfestigkeit oberhalb von 600 °C sind ebenfalls gegeben.

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Kobalt für Anwendungen mit Hochtemperatur

Werkstoffe auf Kobalt-Basis wiederum sind besonders für Hoch­temperaturanwendungen und für Produkte der Medizintechnik geeignet. Der DEW-Werkstoff Printdur CoCrF75 beispielsweise weist im wärmebehandelten Zustand einen exzellenten Widerstand gegen Thermoschock auf und ist beständig gegen oxidierende sowie reduzierende Atmosphären bis etwa 1150 °C. Wegen dieser Eigenschaften wird er bevorzugt für Hochtemperaturanwendungen eingesetzt. Printdur CoCrF75 ist auch nach DIN EN ISO 13485 zertifiziert, was der Medizintechnik entgegenkommt.

Vorsicht vor schlechtem Recyclingmaterial

Nicht zuletzt spielt auch das Thema Recycling eine wichtige Rolle, da die Metallpulver ohne Überarbeitung nicht beliebig oft verwendet werden sollten. Zusammengeschweißte Pulverkörner oder Sauerstoffanreicherungen können die Verarbeitbarkeit und das Druckergebnis zusätzlich negativ beeinflussen.

Derzeit stellt DEW über 200 Werkstoffe auf Eisen-, Nickel- oder Kobaltbasis pulvermetallurgisch her, die gasverdüsten Metallpulver gehören zum Printdur-Portfolio. Die Pulververdüsung und die gesamte Technik für die Additive Fertigung, auch eine Maschine von EOS, befinden sich am Standort Krefeld. Dazu gehört auch ein eigenes Labor, in dem alle Pulver mit aktueller Technik auf ihre chemische Zusammensetzung und Partikelgröße untersucht werden.

* Dr. Horst Hill leitet den Vertrieb Sonderwerkstoffe bei Deutsche Edelstahlwerke in 47807 Krefeld ,Tel. (0 21 51) 36 33 47 49

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