Leitfaden für Materialien zum selektiven Laserschmelzen (SLM)

3D-Metalldruck

Metall-3D-Druck , auch bekannt als additive Fertigung von Metallen, ist ein Verfahren, bei dem dreidimensionale Objekte aus einer digitalen Datei durch das Schichten von Material, typischerweise Metallpulver, und das anschließende Verschmelzen mit einer Wärmequelle, üblicherweise einem Laser oder Elektronenstrahl, erzeugt werden.

Für den 3D-Druck eignen sich zahlreiche Metalle, darunter Edelstahl, Aluminium, Titan und verschiedene Metalllegierungen. Jedes Material bietet unterschiedliche Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit oder Flexibilität und ist daher für spezifische Anwendungen geeignet. Branchen wie die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und das Gesundheitswesen nutzen diese Technologie, da sie die Herstellung komplexer Bauteile mit weniger Abfall und kürzeren Lieferzeiten ermöglicht.

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SLM 3D-Druckmaterialien

Selektives Laserschmelzen (SLM) ermöglicht die Herstellung von Metallteilen aus einer Vielzahl von Metallen und Metalllegierungen. Gängige Werkstoffe für den SLM-3D-Druck sind Aluminium, Edelstahl, Titan und bestimmte Superlegierungen, die in verschiedenen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt sowie der Medizintechnik eingesetzt werden. Darüber hinaus werden mit SLM auch Edelmetalle wie Gold, Platin, Palladium und Silber für die Schmuckindustrie verarbeitet.

1. Aluminiumlegierungen

Aluminiumlegierungen sind für ihre vorteilhaften Eigenschaften wie geringes Gewicht, hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bekannt. Diese Eigenschaften machen sie für eine Vielzahl industrieller Anwendungen sehr begehrt.

Arten von Aluminiumlegierungen für den 3D-Druck

● AlSi10Mg : Dies ist eine gängige SLM-Legierung, die für ihre gute Schweißbarkeit, hohe Festigkeit und thermischen Eigenschaften bekannt ist.

● AlSi12 : Aufgrund seiner höheren Duktilität und seines geringeren Gewichts wird es bevorzugt, wodurch es sich für Teile eignet, die komplizierte Geometrien erfordern.

● A356 : Eine Legierung mit guter Festigkeit und ausgezeichneter Gießbarkeit, die häufig für Automobilteile verwendet wird.

● A357 : Ähnlich wie A356, jedoch mit erhöhter Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, geeignet für Luft- und Raumfahrtkomponenten.

● A6061 : Enthält Magnesium und Silizium als primäre Legierungselemente, was zu seiner moderaten Festigkeit und ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit beiträgt.

Mechanische Eigenschaften

● Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis: Aluminiumlegierungen sind leicht und dennoch fest, was für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbereich unerlässlich ist.

● Gute thermische Eigenschaften: Diese Legierungen leiten Wärme effektiv ab, was für Elektronikgehäuse und Motorteile von Vorteil ist.

● Ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit: Legierungen wie AlSi10Mg sind für ihre Wärmeleitfähigkeit bekannt, die für Anwendungen zur Wärmeableitung wichtig ist.

● Verbesserte Duktilität: Legierungen wie AlSi12 können vor dem Versagen erhebliche Verformungen erfahren, was die Herstellung komplexer Formen ermöglicht.

● Zugfestigkeit: Aluminiumlegierungen weisen typischerweise eine hohe Zugfestigkeit auf, die für Bauteile, die Belastungen ausgesetzt sind, von entscheidender Bedeutung ist.

● Dauerfestigkeit: Aluminiumlegierungen weisen eine gute Dauerfestigkeit auf und eignen sich daher für Bauteile, die zyklischer Belastung ausgesetzt sind.

Anwendungen

● Luft- und Raumfahrt: Wird zur Herstellung von leichten und langlebigen Bauteilen wie Halterungen und Motorteilen verwendet.

● Automobilindustrie: Ideal für die Herstellung von Teilen, die zur Kraftstoffeffizienz und Leistung beitragen.

● Medizin: Im medizinischen Bereich werden Aluminiumlegierungen aufgrund ihrer Biokompatibilität für Prothesen und chirurgische Instrumente verwendet.

● Unterhaltungselektronik: Sie werden auch bei der Herstellung von robusten und hitzebeständigen Gehäusen für elektronische Geräte verwendet.

2. Titanlegierungen

Titanlegierungen werden aufgrund ihrer außergewöhnlichen Festigkeit, geringen Dichte und hohen Korrosionsbeständigkeit sehr geschätzt. Diese Eigenschaften machen sie ideal für anspruchsvolle technische Anwendungen.

Arten von Titanlegierungen für den 3D-Druck

Die am häufigsten verwendete Titanlegierung im 3D-Druck ist Ti-6Al-4V , bekannt für ihr ausgewogenes Verhältnis von Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit. Diese Alpha-Beta-Legierung findet aufgrund ihrer Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit in verschiedenen Fertigungsbereichen breite Anwendung. Andere Titanlegierungen wie Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo und Ti-6Al-7Nb werden aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften für spezielle Anwendungen eingesetzt.

Mechanische Eigenschaften

● Hohe Zugfestigkeit: Sie können erheblichen Belastungen standhalten, bevor sie versagen, wodurch sie sich für Strukturbauteile eignen.

● Gute Dauerfestigkeit: Dies ermöglicht ihren Einsatz in Anwendungen, bei denen die Teile wiederholten Belastungszyklen ausgesetzt sind.

● Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit: Titanlegierungen widerstehen Korrosion auch unter rauen Umgebungsbedingungen und verlängern so die Lebensdauer der Bauteile.

● Niedriger Elastizitätsmodul: Diese Eigenschaft verleiht ihnen eine gewisse Flexibilität, was bei biomedizinischen Implantaten von Vorteil ist.

Anwendungen

● Luft- und Raumfahrt: Wird aufgrund seines hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses zur Herstellung kritischer Bauteile wie Triebwerksteile und Strukturelemente verwendet.

● Medizin: Aufgrund ihrer Biokompatibilität und mechanischen Eigenschaften ideal für die Herstellung kundenspezifischer Implantate und Prothesen.

● Automobilindustrie: Wird in Hochleistungsbauteilen eingesetzt, bei denen eine Gewichtsreduzierung ohne Einbußen bei der Festigkeit unerlässlich ist.

● Marine: Wird für Teile verwendet, die Salzwasserkorrosion widerstehen und hohen Drücken standhalten müssen.

3. Edelstähle

Edelstähle sind eine Gruppe von Eisenlegierungen, die für ihre Korrosionsbeständigkeit bekannt sind und im SLM-3D-Druck weit verbreitet eingesetzt werden. Sie bieten eine Kombination mechanischer Eigenschaften, die sie für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet machen.

Edelstahlsorten für den 3D-Druck

● Austenitische Edelstähle (z. B. 304 und 316L ) sind für ihre gute Korrosionsbeständigkeit und Umformbarkeit bekannt.

● Martensitische Edelstähle (z. B. 17-4 PH ) können wärmebehandelt werden, um eine hohe Härte und Festigkeit zu erreichen.

● Duplex-Edelstähle , die die Eigenschaften von austenitischen und martensitischen Stählen vereinen, bieten sowohl hohe Festigkeit als auch Korrosionsbeständigkeit.

Mechanische Eigenschaften

● Hohe Festigkeit: Sie behalten ihre strukturelle Integrität auch unter hoher Belastung.

● Gute Duktilität: Diese Legierungen können sich verformen, ohne zu brechen, wodurch die Herstellung komplexer Formen ermöglicht wird.

● Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit: Edelstahl widersteht dem Einfluss einer Vielzahl korrosiver Umgebungen.

● Verschleißfestigkeit: Sie sind widerstandsfähig gegen Abnutzung und eignen sich daher ideal für Teile mit beweglichen Komponenten.

Anwendungen

● Medizinprodukte: Chirurgische Instrumente und Implantate profitieren von der Biokompatibilität und den Sterilisationsmöglichkeiten von Edelstahl.

● Luft- und Raumfahrt: Bauteile wie Halterungen und Motorteile erfordern die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, die Edelstähle bieten.

● Automobilindustrie: In der Automobilindustrie werden Edelstähle für Bauteile verwendet, die rauen Bedingungen standhalten und gleichzeitig ihre Integrität bewahren müssen.

● Konsumgüter: Von Küchengeräten bis hin zu Schmuck kann alles aus Edelstahl hergestellt werden, wobei man sich seine ästhetische Wirkung und Langlebigkeit zunutze macht.

4. Werkzeugstähle

Werkzeugstähle sind eine Gruppe von kohlenstoffreichen Stählen, die sich aufgrund ihrer Härte, Abriebfestigkeit und Fähigkeit, eine Schneide auch bei hohen Temperaturen zu halten, gut für die Herstellung von Werkzeugen und Formen eignen.

Arten von Werkzeugstählen für den 3D-Druck

● Schnellarbeitsstähle (HSS) : Sie sind bekannt für ihre Fähigkeit, bei hohen Geschwindigkeiten zu schneiden, und behalten ihre Härte auch bei Rotglut.

● Kaltarbeitsstähle : Diese werden bei Bearbeitungsvorgängen bei Raumtemperatur eingesetzt und sind für ihre Verschleißfestigkeit bekannt.

● Warmarbeitsstähle : Diese Stähle halten hohen Temperaturen stand, ohne an Härte zu verlieren, wodurch sie sich ideal für Form- und Gießvorgänge eignen.

Mechanische Eigenschaften

● Hohe Härte: Gewährleistet die Widerstandsfähigkeit des Materials gegen Verformung und Verschleiß.

● Robustheit: Bietet Widerstandsfähigkeit gegen Bruch und Absplitterung bei stark beanspruchten Anwendungen.

● Verschleißfestigkeit: Entscheidend für Werkzeuge, die mit anderen Materialien in Kontakt kommen, da sie die Abnutzungsrate verringert.

● Thermische Stabilität: Behält die Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen bei, was für Schneid- und Formanwendungen unerlässlich ist.

Anwendungen

● Fertigungswerkzeuge: Matrizen, Stempel und Schneidwerkzeuge, die eine hohe Verschleißfestigkeit und Haltbarkeit erfordern.

● Formenbau: Spritzgussformen und Druckgusswerkzeuge, die thermischen Belastungen und korrosiven Materialien standhalten müssen.

● Automobilindustrie: Spezialwerkzeuge zum Stanzen und Umformen von Metallkomponenten in der Fahrzeugherstellung.

● Luft- und Raumfahrt: Hochpräzisionswerkzeuge zur Herstellung von Bauteilen, die strengen Industriestandards genügen müssen.

5. Einsatzhärtende Stähle

Einsatzhärtende Stähle sind eine Kategorie von Kohlenstoff- und legierten Stählen, die die einzigartige Fähigkeit besitzen, eine harte Oberflächenschicht zu entwickeln und gleichzeitig einen duktilen Kern beizubehalten. Dadurch eignen sie sich besonders für Bauteile, die eine zähe Außenseite zur Verschleißfestigkeit und einen zähen Kern zur Stoßdämpfung benötigen.

Arten von Einsatzstählen für den 3D-Druck

● AISI 8620 : Ein kohlenstoffarmer legierter Stahl, der Chrom, Molybdän und Nickel enthält. Er ist bekannt für seine Zähigkeit und gute Torsionsfestigkeit.

● AISI 1018 : Ein weicher, kohlenstoffarmer Stahl mit guter Duktilität und ausgezeichneter Schweißbarkeit, wodurch er sich für Teile eignet, die komplizierte Formen erfordern.

● 17NiCrMo6-4 (4320) : Ein legierter Stahl, der eine gute Kombination aus Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit bietet und häufig für Anwendungen mit höherer Beanspruchung eingesetzt wird.

Mechanische Eigenschaften

● Oberflächenhärte: Erreicht durch das Einsatzhärtungsverfahren, bei dem Kohlenstoff oder Stickstoff in die Oberflächenschicht diffundiert.

● Kernfestigkeit: Das Innere bleibt relativ weich und zäh und bietet eine gute Stoßfestigkeit.

● Dauerfestigkeit: Die harte Außenfläche bietet eine ausgezeichnete Dauerfestigkeit, die für Teile, die zyklischer Belastung ausgesetzt sind, unerlässlich ist.

● Verschleißfestigkeit: Die Härte der Oberflächenschicht macht diese Stähle ideal für Bauteile, die abrasiven Bedingungen standhalten müssen.

Anwendungen

● Getriebesysteme: Für Zahnräder und Kettenräder, die eine harte Oberfläche benötigen, um auch unter hoher Belastung präzise arbeiten zu können.

● Automobilkomponenten: In Teilen wie Nockenwellen und Antriebskomponenten, wo Verschleißfestigkeit von entscheidender Bedeutung ist.

● Luft- und Raumfahrtindustrie: Für Befestigungselemente und Verbinder, die hohen Belastungen standhalten und gleichzeitig Verschleiß verhindern müssen.

● Werkzeugbau: Bei der Herstellung von Formen und Werkzeugen, die eine harte Oberfläche benötigen, um ihre Lebensdauer zu verlängern.

6. Nickel-Superlegierungen

Nickel-Superlegierungen sind eine Werkstoffklasse, die bei hohen Temperaturen außergewöhnliche mechanische Eigenschaften aufweist und daher in Hochleistungsanwendungen unverzichtbar ist. Diese Superlegierungen zeichnen sich durch ihre überlegene Festigkeit, Beständigkeit gegen thermisches Kriechen, gute Oberflächenstabilität sowie Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit aus.

Arten von Nickel-Superlegierungen für den 3D-Druck

● Inconel 718 : Bekannt für seine hohe Streckgrenze, Zugfestigkeit und Kriechbruchfestigkeit bei Temperaturen bis zu 700°C.

● Inconel 625 : Bietet ausgezeichnete Dauerfestigkeit und Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion durch Chloridionen.

● Hastelloy X : Ausgezeichnet durch seine Oxidationsbeständigkeit und Festigkeit bei Temperaturen bis zu 1200°C.

Mechanische Eigenschaften

● Hochtemperaturfestigkeit: Erhaltung der strukturellen Integrität unter extremen thermischen Bedingungen.

● Kriechfestigkeit: Fähigkeit, Verformungen unter mechanischer Belastung bei hohen Temperaturen zu widerstehen.

● Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit: Beständig gegen aggressive Umgebungen, was für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie der Schifffahrt von entscheidender Bedeutung ist.

● Dauerfestigkeit: Lange Lebensdauer unter zyklischen Temperatur- und Belastungsbedingungen.

Anwendungen

● Luft- und Raumfahrt: Turbinenschaufeln, Abgassysteme und andere Triebwerkskomponenten, die Hochtemperaturfähigkeit erfordern.

● Energieerzeugung: Komponenten in Kernreaktoren und Gasturbinen, bei denen Hochtemperaturfestigkeit unerlässlich ist.

● Chemische Verarbeitung: Anlagen, die der Korrosion durch aggressive Chemikalien widerstehen müssen.

● Öl und Gas: Bohr- und Bohrlochkopf-Hardware für Hochdruck- und korrosive Umgebungen.

7. Kobalt-Chrom-Superlegierungen

Kobalt-Chrom (CoCr)-Superlegierungen sind bekannt für ihre außergewöhnliche Festigkeit, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie Biokompatibilität.

Arten von Kobalt-Chrom-Superlegierungen für den 3D-Druck

● CoCrMo : Diese Legierung ist für ihre hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bekannt und eignet sich daher ideal für medizinische Implantate.

● CoCrW : Durch die Zugabe von Wolfram wird die Verschleißfestigkeit der Legierung verbessert, was für Anwendungen mit hohem Verschleiß wie Turbinenschaufeln von Vorteil ist.

Mechanische Eigenschaften

● Hohe Streckgrenze: Sie können erheblichen Belastungen standhalten, ohne sich dauerhaft zu verformen.

● Ausgezeichnete Verschleißfestigkeit: Die Härte der Legierungen gewährleistet eine lange Lebensdauer auch unter abrasiven Bedingungen.

● Überlegene Korrosionsbeständigkeit: CoCr-Superlegierungen sind korrosionsbeständig, selbst in aggressiven chemischen Umgebungen.

● Biokompatibilität: CoCrMo ist insbesondere mit biologischem Gewebe kompatibel und eignet sich daher für medizinische Anwendungen.

Anwendungen

● Medizinprodukte: Werden aufgrund ihrer Biokompatibilität und mechanischen Eigenschaften häufig für zahnärztliche und orthopädische Implantate verwendet.

● Luft- und Raumfahrt: Komponenten wie Turbinenschaufeln und Abgassysteme profitieren von der Fähigkeit des Materials, hohen Temperaturen und korrosiven Umgebungen standzuhalten.

● Automobilindustrie: Hochleistungsmotorenteile werden aus CoCr-Superlegierungen hergestellt, da diese langlebig und hitzebeständig sind.

● Industriewerkzeuge: Aufgrund seiner Verschleißfestigkeit eignet sich das Material für Schneidwerkzeuge und Formen, die eine lange Lebensdauer erfordern.

8. Kupfer

Kupfer, ein Metall mit hervorragender thermischer und elektrischer Leitfähigkeit, eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten für Anwendungen, die eine effiziente Wärmeableitung oder elektrische Leitung erfordern.

Kupferarten für den 3D-Druck

Beim SLM-Verfahren werden typischerweise Kupferlegierungen anstelle von reinem Kupfer verwendet, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern. Ein bekanntes Beispiel ist CuNi₂SiCr , eine Kupferlegierung, die hervorragende mechanische Eigenschaften mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit vereint. Aufgrund ihrer verbesserten Korrosionsbeständigkeit eignet sich diese Legierung für Umgebungen, in denen reines Kupfer nicht praktikabel wäre.

Mechanische Eigenschaften

● Hohe Wärmeleitfähigkeit: Unerlässlich für Komponenten wie Wärmetauscher, die Wärme effektiv ableiten müssen.

● Ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit: Ideal für elektrische Anwendungen, einschließlich Verkabelung und elektromagnetischer Bauteile.

● Gute Korrosionsbeständigkeit: Dadurch eignet es sich für den Einsatz in verschiedenen industriellen Umgebungen.

● Hohe Duktilität und Zugfestigkeit: Ermöglicht die Herstellung langlebiger Teile, die mechanischer Belastung standhalten können.

Anwendungen

● Elektronik: Die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer wird für Bauteile wie Induktionsspulen und Steckverbinder genutzt.

● Wärmetauscher: Seine thermischen Eigenschaften werden in Konstruktionen genutzt, die eine effiziente Wärmeübertragung erfordern.

● Luft- und Raumfahrt sowie Automobilindustrie: Wird in Bauteilen eingesetzt, die von den Wärme- und elektrischen Eigenschaften des Kupfers profitieren und so zur Gesamtleistung der Systeme beitragen.

● Individuell gestalteter Schmuck: Die ästhetische Wirkung und die gute Verarbeitbarkeit von Kupfer machen es zu einem bevorzugten Material für aufwendige Schmuckdesigns.

9. Edelmetalle

Edelmetalle haben aufgrund ihres Glanzes und ihrer Seltenheit seit jeher einen besonderen Platz in der menschlichen Kultur und Industrie eingenommen.

Arten von Edelmetallen für den 3D-Druck

● Gold (Au) : Bekannt für seine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit.

● Silber (Ag) : Wird wegen seiner thermischen und elektrischen Leitfähigkeit sowie seiner antibakteriellen Eigenschaften geschätzt.

● Platin (Pt) : Bietet eine bemerkenswerte Beständigkeit gegen Verschleiß und Anlaufen und ist daher ideal für hochwertige Anwendungen geeignet.

● Palladium (Pd ): Ähnlich wie Platin ist es langlebig und besitzt hervorragende katalytische Eigenschaften.

Mechanische Eigenschaften

● Duktilität: Sie lassen sich zu dünnen Drähten dehnen, ohne zu brechen, was die Herstellung komplexer Designs ermöglicht.

● Verformbarkeit: Diese Metalle können unter Druck verformt werden, was für die Herstellung komplexer Formen von Vorteil ist.

● Leitfähigkeit: Gold und Silber sind besonders leitfähig und eignen sich daher hervorragend für elektronische Bauteile.

● Korrosionsbeständigkeit: Edelmetalle sind korrosionsbeständig und gewährleisten so eine lange Lebensdauer in verschiedenen Umgebungen.

Anwendungen

● Schmuck: Die Möglichkeit, komplexe, individuelle Designs mit hohem Detailgrad zu kreieren, revolutioniert die Schmuckindustrie.

● Elektronik: Edelmetalle werden in Steckverbindern und Schaltern verwendet, wo eine zuverlässige Leitfähigkeit unerlässlich ist.

● Zahnmedizin: Gold- und Silberlegierungen werden für Kronen und Brücken verwendet und profitieren von ihrer Biokompatibilität und ästhetischen Wirkung.

● Luft- und Raumfahrt: Platin und Palladium finden Verwendung in Sensoren und anderen Bauteilen, die unter extremen Bedingungen Stabilität erfordern.

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