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Metalle für die additive Fertigung

Aluminium - Edelstahl - Titan - Kobaldchrom
Metallische Werkstoffe für die additive Fertigung

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Der Einsatz der additiven Fertigung mit Metallen beschränkt sich weitestgehend auf Branchen mit einem hohen Anspruch an Funktionalität und Individualisierung. Typische Branchen wären die Luft- und Raumfahrt die Medizintechnik, der Werkzeug- und Formenbau sowie die Automobilbranche. Dort ist man eher bereit hohe Kosten für Bauteile mit hoher Funktionalität und geringem Gewicht in Kauf zu nehmen.

Der Autor: Sebastian Ziegener

Gerade vollzieht der 3D-Druck mit Metall den Sprung vom Modell- und Prototypenbau zur Serienproduktion. Diese Entwicklung wird maßgeblich durch neue Entwicklungen der additiven Verfahren vorangetrieben.

In der additiven Fertigung werden Metalle meist in Pulverform durch selektives Laserschmelzen (SLM) verarbeitet. Der Korndurchmesser liegt standardmäßig bei 20 bis 30 µm.

Im Gegensatz zu den Kunststoffen, gibt es bereits zahlreiche metallische Werkstoffe, da die Anforderungen dem Laserbeschichten und Laserschweißen sehr ähnlich sind. Viele Hersteller von 3D-Druckern, bieten auch Materialien und die dazugehörigen Datenblätter an.

Da Bauteile aus dem 3D-Drucker meist teuer sind, sind auch die Anforderungen an die Werkstoffe hoch. Die wichtigsten Eigenschaften sind die Festigkeit, das Gewicht, und die Korrosionsbeständigkeit und im Falle der Medizintechnik die Biokompatibilität. Die wichtigsten Metalle für die additive Fertigung sind Aluminium, Edelstahl, Titan, Kobalt-Chrom-Legierungen, und Edelmetalle.

Eigenschaften der Metalle

Die Dichte von Aluminium (2,7 g/cm3) liegt bei ca. einem Drittel von Stahl. Aluminium wird damit häufig im Leichtbau verwendet. Die Festigkeit der Aluminiumlegierungen ist trotz der geringen Dichte mit normalem Baustahl vergleichbar (Rm=200 – 450 N/mm²). Aufgrund des geringen Gewichtes und der guten mechanischen Eigenschaften wird Aluminium häufig in der Luft- und Raumfahrt, sowie der Automobilindustrie verwendet. Durch seinen geringen Schmelzpunkt (660,4 °C) ist es leicht zu verarbeiten.

Edelstahl ist der Allrounder unter den metallischen Werkstoffen. Je nach Legierung und Vorbehandlung liegt die Festigkeit im Bereich von Rm=500 – 1750 N/mm². Edelstahl wird in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Automotive, Energie, Schmuck, Medizin und Schiffbau verwendet.

Titan besitzt eine etwas höhere Dichte als Aluminium (4,5 g/cm3), die Festigkeit liegt im Bereich von Rm=200 – 1290 N/mm², abhängig von der Legierung. Generell überzeugt Titan durch seine sehr guten mechanischen Eigenschaften. Im Gegensatz zum Aluminium, wird aufgrund seiner herausragenden Korrosionresistenz auch reines Titan verwendet . Zu den wichtigsten Einsatzgebieten von Reintitan gehören die chemische und petrochemische Industrie. Titanlegierungen finden Anwendung in der Luft- und Raumfahrt in Form von Verbindungs- und Tragelementen und in der Medizintechnik.

Kobalt-Chrom-Legierungen besitzen eine hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht und weisen eine hervorragende Korrosions- und Kriechbeständigkeit auf. Aufgrund der hohen Korrosionsbeständigkeit besitzen sie auch eine gute Biokompatibilität und werden häufig in der Dentaltechnik verwendet. Die Festigkeit liegt im Bereich von Rm=1100 – 1350 N/mm².

Edelmetalle zeichnen sich durch ihre hervorragenden Eigenschaften wie thermische Belastbarkeit auch bei stark wechselnden Temperaturen, Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität, gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit aus. Edelmetalle finde daher Anwendung in zahlreichen additiven Feldern wie der Medizintechnik, der Schmuckindustrie und der Raumfahrt.

Anwendungen für additive Metallprodukte

Mehr und mehr Industriezweige setzten auf die Vorteile und Möglichkeiten des 3D-Drucks. Das Unternehmen Zare stellt 2018 eine Zahnbürste aus Metall vor. Diese Zahnbürste ist nur mit der AM-Technologie umsetzbar, da das Design anders nicht herstellbar wäre.

Zahlreiche Automobilhersteller nutzen die Möglichkeiten und versuchen die Technik zu verbessern. Daimler und EOS haben 2019 eine Pilotanlage für die additive Serienfertigung von Aluminiumteilen entwickelt. Ziel war es eine vollständige automatisiert Fertigungslinie zu ermöglichen.

Porsche hat für sein 911-Topmodell GT2 RS einen Kolben aus dem 3D-Drucker entwickelt. Der Kolben ist ca 10% leichter und verfügt über einen Kühlkanal welcher mit anderen Fertigungsverfahren nicht umsetzbar wäre.

Der Gitarrenbauer Nik Huber hat in Zusammenarbeit mit Heraeus Amloy erstmals eine 3D-gedruckte Gittarenbrücke aus amorphem Metall verbaut.

LED-Technologie revolutioniert 3D-Metalldruck


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