Was ist Metallpulver für die additive Fertigung？

In der heutigen Produktionsrevolution ist die Metallpulver für die additive Fertigung hat sich zu einer treibenden Kraft des technologischen Fortschritts entwickelt. Von der Luft- und Raumfahrt über medizinische Geräte bis hin zu Hochleistungskomponenten für die Industrie - Metallpulver sind nicht nur Werkstoffe, sondern auch eine Quelle der Innovation. Im Vergleich zu herkömmlichen Verarbeitungsmethoden bietet Metallpulver in Verbindung mit der Additiven Fertigungstechnologie eine noch nie dagewesene Gestaltungsfreiheit, Materialnutzung und Leistungskontrolle. Dieser Artikel gibt Ihnen einen Einblick, was Metallpulver sind, wie sie hergestellt werden und welche zentrale Rolle sie in der additiven Fertigung spielen - vom Prinzip bis zur Anwendung, vom Material bis zur Zukunft.

Was ist pulverförmiges Metall?

Wir sagen oft "Metallpulver", oder der speziellere Begriff "Metallpulver" bezieht sich auf Materialien, die aus extrem kleinen Metallpartikeln bestehen. Diese Partikel können bis zu einem Mikrometer groß sein und sind mit bloßem Auge kaum zu erkennen. Stellen Sie sich vor, Sie mahlen ein Stück hartes Metall zu einem Pulver, das feiner ist als Sand, und genau das ist wahrscheinlich gemeint. Es ist der Eckpfeiler des pulvermetallurgischen Verfahrens und ein wichtiger Rohstoff für die additive Fertigung, über die wir heute sprechen.

Im Vergleich zum traditionellen Gießen und Schmieden, den bekannten Verfahren, hat die Pulvermetallurgie ihre einzigartigen Vorteile. So können zum Beispiel Teile mit extrem komplexen Formen und hohen Präzisionsanforderungen hergestellt werden, und die Materialausnutzung ist sehr hoch, was den Abfall stark reduziert. Dies ist zweifellos eine enorme Verbesserung bei der Kostenkontrolle und der nachhaltigen Entwicklung.

Zusammensetzung und Klassifizierung von metallischen Pulvern

Es gibt viele Arten von Metallpulvern, man kann sie einfach in mehrere Kategorien einteilen:

• Reines MetallpulverDiese Art von Pulver besteht hauptsächlich aus einem einzigen reinen Metall, wie zum Beispiel unser übliches Eisenpulver, Kupferpulver, Aluminiumpulver und so weiter. Sie behalten jeweils die inhärenten Eigenschaften von reinen Metallen und eignen sich für Anwendungen, die spezifische Anforderungen an die Eigenschaften eines einzelnen Metalls stellen.
• Pulverbeschichtung: Legierungspulver wird durch Mischen oder Verschmelzen von zwei oder mehr Metallelementen in einem bestimmten Verhältnis hergestellt. Durch geschickte Auswahl verschiedener Metallelemente und ihrer Anteile können wir Legierungspulver mit verschiedenen hervorragenden Eigenschaften herstellen, wie z. B. hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit usw. Man kann sagen, dass Legierungspulver uns die Tür geöffnet hat, um die Eigenschaften von Werkstoffen individuell zu gestalten.
  • Vorlegierte Pulver gegenüber Mischpulvern: Bei den legierten Pulvern wird auch zwischen vorlegierten Pulvern und Mischpulvern unterschieden. Vorlegierte Pulver werden durch das Zusammenschmelzen verschiedener Elemente zu einer Legierung hergestellt und dann zu Pulver verarbeitet, während Mischpulver durch das Mischen verschiedener reiner Metallpulver im richtigen Verhältnis hergestellt wird. In der Praxis sind die Eigenschaften von vorlegierten Pulvern in der Regel stabiler und gleichmäßiger.

Warum Metallpulver so wichtig ist

Manch einer mag sich fragen, warum es Metallpulver gibt? Dies wird von seinem einzigartigen Gesichtspunkt ausgehen. Der Hauptgrund, warum Metallpulver eine unverzichtbare Rolle in der additiven Fertigung spielt, sind seine einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften:

1. Hohe spezifische Oberfläche: Je kleiner die Partikel sind, desto größer ist die Gesamtoberfläche. Dadurch kann das Metallpulver leichter diffundieren und sich während des Sintervorgangs zu einem dichten Teil verbinden.
2. Freiheit der Form: Dies ist ein wesentlicher Vorteil der additiven Fertigung. Indem wir die Anhäufung und das Schmelzen des Pulvers genau steuern, können wir jede erdenkliche komplexe Struktur "drucken", die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht zu erreichen ist.
3. Materielle Vielfalt: Ob es sich um ein reines Metall oder eine Vielzahl von Hochleistungslegierungen handelt, es kann für die additive Fertigung in Pulverform verwendet werden, was die Auswahl an Materialien erheblich erweitert.
4. Kontrollierbarkeit der Leistung: Durch Anpassung der Partikelgröße, der Morphologie, der Zusammensetzung des Pulvers und der nachfolgenden Prozessparameter können wir die Mikrostruktur und die makroskopischen Eigenschaften des fertigen Teils genau steuern.

Meiner Meinung nach ist Metallpulver nicht nur ein Rohstoff, sondern auch eine Brücke zwischen Design und Umsetzung, die der Technologie der additiven Fertigung zum Durchbruch verhilft. Ohne diese feinen Metallpartikel wäre das, was wir heute sehen

Die Herstellung von hochwertigen Metallpulvern

Die wichtigste Methode zur Herstellung von Metallpulver

Die Herstellung von hochwertigen Metallpulvern, insbesondere solchen, die für die additive Fertigung geeignet sind, ist keine einfache Aufgabe. Es gibt mehrere gängige Verfahren auf dem Markt, die jeweils ihre eigenen Prinzipien und Anwendungsszenarien haben.

• Zerstäubung: Es besteht kein Zweifel, dass die Zerstäubung die optimale Methode für die additive Fertigung von Metallpulvern ist. Die Grundidee ist einfach: geschmolzenes Metall wird in winzige Tröpfchen verwandelt, die dann beim Abkühlen zu Pulver erstarren.
  • Gaszerstäubung: Meiner Meinung nach ist dies die derzeit ausgereifteste und am weitesten verbreitete Methode. Das Prinzip besteht darin, dass ein Hochdruck-Inertgas (z. B. Argon oder Stickstoff) verwendet wird, um den geschmolzenen Metallstrom mit hoher Geschwindigkeit zu beaufschlagen und das Metall in sehr kleine Tröpfchen zu zerlegen. Diese Tröpfchen kühlen schnell ab und verfestigen sich im Gas, wobei sie schließlich ein Pulver mit einer sehr guten Sphärizität bilden. Die Vorteile des gaszerstäubten Pulvers liegen auf der Hand: Die Sphärizität ist gut, d. h. das Pulver hat eine ausgezeichnete Fließfähigkeit, und bei der Ausbreitung des Pulvers kann eine gleichmäßige und dichte Pulverschicht gebildet werden; die Reinheit ist hoch, und die inerte Atmosphäre verhindert wirksam die Einführung von Verunreinigungen wie Oxidation. Nach meiner langjährigen Erfahrung ist gasverdüstes Pulver die erste Wahl, egal ob es sich um SLM (Selective Laser Melting) oder EBM (Electron Beam Melting) handelt. Seine Stabilität und Kontrollierbarkeit sind der Schlüssel zur Gewährleistung der Druckqualität.
  • Wasserzerstäubung: Im Gegensatz zur Gaszerstäubung wird bei der Wasserzerstäubung das geschmolzene Metall mit einem Hochdruckwasserstrahl zerteilt. Diese Methode führt in der Regel zu unregelmäßig geformten Pulvern. Obwohl es nicht so fließfähig ist wie ein kugelförmiges Pulver, ist es relativ kostengünstig in der Herstellung und eignet sich für bestimmte Anwendungen wie das Binder Jetting, die eine große spezifische Oberfläche oder eine bestimmte Form erfordern. Für unser gängiges SLM/EBM-Verfahren ist wasserverdüstes Pulver jedoch nicht ausreichend.
• Elektrolyse-Verfahren: Bei diesem Verfahren werden Metalle hauptsächlich durch Elektrolyse von Lösungen abgeschieden, die Metallsalze enthalten. Es kann hochreines Pulver herstellen, aber normalerweise ist die Pulverform unregelmäßig und die Partikelgröße grob. Meiner Meinung nach hat die Elektrolyse zwar ihren Platz im Bereich der traditionellen Pulvermetallurgie, ihre Anwendung in der additiven Fertigung ist jedoch relativ begrenzt, und sie dient eher als Ergänzung zur Herstellung einiger spezieller Legierungspulver.
• Reduktionsmethode: Bei der Reduktionsmethode wird das Metalloxid mit einem Reduktionsmittel (z. B. Wasserstoff, Kohlenstoff) bei hoher Temperatur zu Metallpulver reduziert. Das mit dieser Methode hergestellte Pulver ist in der Regel schwammig oder unregelmäßig, hat eine hohe Porosität und eine relativ breite Partikelgrößenverteilung. In der additiven Fertigung ist reduziertes Pulver nicht der Mainstream, da es schwierig ist, unsere strengen Anforderungen an die Pulvermorphologie und Fließfähigkeit zu erfüllen.

Auswirkungen der Pulvereigenschaften auf die additive Fertigung

Die Qualität des Pulvers bestimmt die Obergrenze des gedruckten Teils.

• Morphologie der Partikel: Die kugelförmiges Pulver verfügt über ein ausgezeichnetes Fließvermögen, das die Bildung einer gleichmäßigen und dichten Pulverschicht während des Ausbringens des Pulvers gewährleistet und Hohlräume und Defekte reduziert. Dies steht in direktem Zusammenhang mit der Dichte und den mechanischen Eigenschaften der gedruckten Teile. Unregelmäßiges Pulver verringert die Fließfähigkeit erheblich, was zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Pulvers führt und sogar das Pulverförderungssystem blockieren kann, was wir zu vermeiden versuchen. Die Schüttdichte des Pulvers ist ebenfalls eng mit der Morphologie verbunden. Eine höhere Schüttdichte bedeutet, dass mehr Metall im gleichen Volumen untergebracht werden kann, was sich positiv auf die Druckeffizienz und die Dichte der Teile auswirkt.
• Partikelgrößenverteilung: Die Partikelgrößenverteilung beeinflusst die Schichtdicke beim Druck und die Oberflächenbeschaffenheit des fertigen Teils. Zu grobes Pulver kann die Mindestschichtdicke, die wir drucken können, begrenzen und die Ausdruckskraft von Details beeinträchtigen. Zu feines Pulver ist zwar für die Oberflächengüte förderlich, aber zu feines Pulver spritzt im Laser- oder Elektronenstrahl leicht ab und beeinträchtigt die Formstabilität. Daher ist eine optimierte und enge Partikelgröße Verteilung ist unser Idealzustand, der die Gleichmäßigkeit der Pulververteilung, die Stabilität des Drucks und die Oberflächenqualität des Teils berücksichtigen kann.
• Chemische Zusammensetzung und Reinheit: Dies kann nicht genug betont werden. Die chemische Zusammensetzung des Pulvers bestimmt direkt die Materialeigenschaften des Endprodukts, wie Festigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit usw. Jede kleine Abweichung in der Zusammensetzung kann zu einer minderwertigen Leistung des Teils führen. Hohe Reinheit ist der harte Index der additiven Fertigung, Verunreinigungselemente, insbesondere nichtmetallische Einschlüsse, werden zum Spannungskonzentrationspunkt im Inneren des Teils und verursachen Risse, die die Ermüdungslebensdauer ernsthaft beeinträchtigen. Dies ist die Verbindung, auf die ich im Projekt am häufigsten stoße und die streng kontrolliert werden muss.
• Kontrolle des Sauerstoffgehalts: insbesondere den Sauerstoffgehalt zu erwähnen. Meiner Meinung nach, Sauerstoffgehaltskontrolle ist eine der wichtigsten Eigenschaften von Metallpulvern für die additive Fertigung. Metallpulver kann bei Kontakt mit Luft während der Produktion, des Transports, der Lagerung und sogar beim Druck oxidiert werden. Ein übermäßiger Sauerstoffgehalt verringert nicht nur die Fließfähigkeit des Pulvers, sondern führt auch zur Bildung von Oxideinschlüssen während des Druckvorgangs, die die mechanischen Eigenschaften der Teile, insbesondere die Plastizität und Zähigkeit, erheblich beeinträchtigen. Bei einigen aktiven Metallen, wie z. B. Titanlegierungen, ist es notwendig, den Sauerstoffgehalt auf einem sehr niedrigen Niveau zu halten. Daher ist die Überwachung und der Schutz des Sauerstoffgehalts von der Herstellung bis zur Verwendung der Schlüssel zum Erfolg der additiven Fertigung.

Die Rolle spezifischer Metallpulver in der additiven Fertigung

In der Welt der additiven Fertigung ist Metallpulver zweifelsohne das wichtigste "Baumaterial". Normalerweise sagen wir "Pulverstahl" oder "Stahlpulver", aber in Wirklichkeit gibt es viele verschiedene Arten, von denen jede ihre eigenen einzigartigen Eigenschaften und Anwendungen hat.

Reden wir über Pulver aus rostfreiem Stahl Erstens. Dies ist meiner Meinung nach eines der am häufigsten verwendeten Pulver. Zum Beispiel, 316L-Edelstahlpulver hat eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit, eine hohe Präzision der gedruckten Teile und eine gute Oberflächengüte. Daher hat sich 316L in der Luft- und Raumfahrt, bei einigen Strukturteilen, die Korrosionsbeständigkeit erfordern, und bei medizinischen Geräten wie chirurgischen Instrumenten oder einigen Implantaten bewährt. Ein weiterer häufig verwendeter Werkstoff ist 17-4PH-Edelstahlpulver, das nach der Wärmebehandlung eine hohe Festigkeit und Härte erreichen kann und gleichzeitig einen gewissen Grad an Korrosionsbeständigkeit beibehält, weshalb wir es häufig für einige Hochleistungskomponenten verwenden.

Es folgen Werkzeugstahlpulver. Wenn Sie eine Form oder einige Verschleißteile machen müssen, ist Werkzeugstahl Pulver besonders wichtig. Diese Art von Pulver gedruckte Teile, seine hohe Härte und hervorragende Verschleißfestigkeit ist die traditionelle Herstellungsverfahren ist schwer zu entsprechen. Stellen Sie sich vor, wie schwierig es in der Vergangenheit war, eine Spritzgussform mit einer komplexen Struktur durch additive Fertigung zu bilden. Es gibt auch Hochgeschwindigkeitsstahlpulver. Obwohl er nicht so weit verbreitet ist wie rostfreier Stahl, nimmt er dennoch einen wichtigen Platz in der Herstellung von Schneidwerkzeugen ein. Er ermöglicht es dem Werkzeug, seine Härte und Schärfe beim Hochgeschwindigkeitsschneiden beizubehalten und die Verarbeitungseffizienz zu verbessern.

Darüber hinaus gibt es natürlich noch andere wichtige Metallpulver, die in ihren jeweiligen Bereichen eine unersetzliche Rolle spielen:

• Pulver aus einer Titanlegierung: Wenn es ein Material gibt, das Biokompatibilität, hohe Festigkeit und geringes Gewicht perfekt miteinander verbinden kann, dann ist es die Titanlegierung. Bei medizinischen Implantaten, wie z. B. orthopädischen Implantaten und Zahnimplantaten, ist Titanlegierungspulver die erste Wahl. Gleichzeitig sind in der Luft- und Raumfahrt die leichten Eigenschaften des Werkstoffs von entscheidender Bedeutung, um das Gewicht des Flugzeugs zu verringern und die Leistung zu verbessern.
• Superlegierungspulver auf Nickelbasis: Dieses Material wurde speziell für extreme Hochtemperaturumgebungen entwickelt. In Gasturbinenkomponenten, wie Turbinenschaufeln und Brennkammerkomponenten, können pulvergedruckte Teile aus Superlegierungen auf Nickelbasis extrem hohen Temperaturen und Belastungen standhalten und gleichzeitig eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Dies ist von großer Bedeutung für die Verbesserung der Effizienz und Lebensdauer von Motoren.
• Aluminiumlegierungspulver: Leichtbau ist das ewige Streben der modernen Industrie, und Aluminiumlegierungspulver ist zweifellos ein wichtiger Impuls auf diesem Weg. In der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie bietet Aluminiumlegierungspulver eine große Designfreiheit für Strukturteile mit hohen Anforderungen an das Gewicht.

Mit Blick auf die Zukunft wird die Entwicklungsrichtung von Metallpulver für die additive Fertigung immer vielfältiger. Wir haben gesehen, dass die Anwendung von zusammengesetzte Pulverdie die Vorteile von zwei oder mehr Materialien kombinieren, um Materialien mit überlegener Leistung zu schaffen. Darüber hinaus ist die funktionales Gradientenmaterial Pulver hat auch das Potenzial, verschiedene Bereiche des Teils mit unterschiedlichen Materialeigenschaften zu versehen, um komplexere und optimierte Funktionen zu erreichen.

Vorteile der Pulvermetallurgie im Zeitalter der additiven Fertigung

Der Aufschwung der additiven Fertigung hat der traditionellen Technologie der Pulvermetallurgie zweifellos neuen Schwung verliehen. Wenn wir von additiver Fertigung sprechen, meinen wir in der Tat oft das breite Spektrum der Pulvermetallurgie. Die Kombination der beiden Verfahren bringt erhebliche Vorteile mit sich:

Präzision und Komplexität:

Dies ist eines der markantesten Merkmale der additiven Fertigung, deren treibende Kraft das Metallpulver ist. Herkömmliche Fertigungsverfahren wie Gießen, Schmieden oder Zerspanen sind oft unzureichend oder sogar unmöglich, um Teile mit komplexen inneren Strukturen, bionischen Geometrien oder Mikrokanälen herzustellen. Mit der additiven Fertigung können wir jedoch jedes Pixel eines 3D-Modells präzise drucken.

Stellen Sie sich Strukturteile in der Luft- und Raumfahrt vor, die leicht und leistungsstark sein müssen, oder Implantate in der Medizin, die sich perfekt an den menschlichen Körper anpassen müssen. Ihre Gestaltungsfreiheit wird durch die Kombination von Pulvermetallurgie und additiver Fertigung unendlich vergrößert. Ich erinnere mich, dass wir einmal erfolgreich eine Turbinenschaufel mit komplexen Kühlkanälen im Inneren gedruckt haben, was in der Vergangenheit fast unmöglich war.

Hohe Materialausnutzung:

Bei der herkömmlichen subtraktiven Fertigung fallen vor allem bei der Verarbeitung teurer oder schwer zu verarbeitender Materialien große Mengen an Spänen und Ausschuss an, und die Materialkosten können stark ansteigen. Bei der additiven Fertigung hingegen wird Material hinzugefügt. Das Grundprinzip besteht darin, Pulver bei Bedarf zu schmelzen oder zu sintern, wodurch der Materialabfall erheblich reduziert wird.

Ungenutztes Metallpulver kann in der Regel recycelt werden, was nicht nur die Produktionskosten senkt, sondern auch dem aktuellen globalen Streben nach nachhaltiger Entwicklung entspricht. Der Vorteil einer hohen Materialausnutzung ist sogar noch ausgeprägter bei Materialien, die von Natur aus teuer sind, wie Superlegierungen auf Nickelbasis oder Titanlegierungen.

Optimierung der Leistung:

 Durch die genaue Steuerung der Zusammensetzung des Metallpulvers, der Partikelgrößenverteilung und der Prozessparameter während der additiven Fertigung (wie Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Schichtdicke) können wir einzigartige Eigenschaften erzielen, die mit herkömmlichen Verfahren nur schwer zu erreichen sind. So lässt sich beispielsweise die Kornstruktur eines additiv gefertigten Teils fein steuern, und manchmal kann sogar ein einzigartiges Nichtgleichgewichtsgefüge gebildet werden, das dem Material eine höhere Festigkeit, Zähigkeit oder Korrosionsbeständigkeit verleiht.

 Ein gängiges Beispiel ist die Isotropie. Konventionelle geschmiedete oder gewalzte Teile weisen in der Regel eine ausgeprägte Anisotropie auf, d. h. unterschiedliche mechanische Eigenschaften in verschiedenen Richtungen. Bei der additiven Fertigung hingegen kann diese Anisotropie durch schichtweises Auftragen von Schichten wirksam verringert oder sogar beseitigt werden, wenn der Prozess richtig gesteuert wird, so dass die Teile in allen Richtungen gleichmäßige und hervorragende Leistungen aufweisen. Diese Gleichmäßigkeit ist für kritische Komponenten, die in komplexen Belastungsumgebungen arbeiten, von entscheidender Bedeutung.

Kostenwirksamkeit:

Wenn es um die Kosten geht, herrscht oft der Irrglaube, dass die additive Fertigung teuer sein muss. In der Tat können die Kosten pro Stück höher sein als bei der Massenproduktion herkömmlicher Teile. Die Kombination von Pulvermetallurgie und additiver Fertigung hat jedoch in Szenarien, in denen Kleinserien, kundenspezifische Anpassungen oder die Herstellung hochkomplexer Teile erforderlich sind, eine unvergleichliche Wirtschaftlichkeit bewiesen.

Erstens entfällt die Notwendigkeit für die traditionelle Herstellung einer großen Anzahl von Schimmel, fixture Investitionen, verkürzen den Produktentwicklungszyklus. Zweitens können aufgrund des hohen Maßes an Gestaltungsfreiheit mehrere Funktionen in ein Teil integriert werden, was die Montageverbindungen reduziert und die Gesamtkosten weiter senkt. Die additive Fertigung ist zweifellos die beste Wahl für Teile mit kurzen Lebenszyklen, schnellem Austausch oder Prototypen, die eine schnelle iterative Optimierung erfordern.

Entwicklung neuer Materialien:

Die Pulvermetallurgie bietet eine breite und effiziente Plattform für die Entwicklung neuer Legierungsmaterialien. Wir können Legierungspulver mit spezieller Zusammensetzung und Mikrostruktur durch Mischen von Pulvern unterschiedlicher Zusammensetzung oder durch Gaszerstäubung herstellen und dann die Technologie der additiven Fertigung nutzen, um ihre Leistung schnell zu überprüfen.

Diese Möglichkeit des schnellen Ausprobierens hat den Fortschritt in der Materialwissenschaft erheblich beschleunigt. So lassen sich beispielsweise einige hochentrope Legierungen, die mit herkömmlichen Gussverfahren nur schwer herzustellen sind, oder Funktionswerkstoffe, die eine Gradientenverteilung der Zusammensetzung erfordern, mit Hilfe der additiven Fertigungstechnik leicht herstellen. Es geht nicht nur um die Herstellung bestehender Werkstoffe, sondern um die Entwicklung der Werkstoffe der Zukunft.

Schlussfolgerung:

Generell, Metallpulver für die additive Fertigung ist nicht nur das Fertigungsmaterial, sondern auch die treibende Kraft für moderne industrielle Innovationen. Es macht komplexe Konstruktionen, geringes Gewicht, hohe Leistung und individuelle Fertigung zur Realität. Von rostfreiem Stahl bis zu Titanlegierungen, von der Luft- und Raumfahrt bis zu medizinischen Implantaten - Metallpulver verändern die Logik des Produktdesigns und der Produktion in nie dagewesener Weise. Mit kontinuierlichen Fortschritten in der Pulverisierungstechnologie, der Kontrolle der Pulverreinheit und den additiven Fertigungsverfahren wird das Potenzial von Metallpulvern immer weiter entfesselt. In Zukunft werden sie die Fertigungsindustrie weiterhin in eine effizientere, intelligentere und nachhaltigere Richtung führen und eine solide "materielle Grundlage" für die Ära der Industrie 4.0 bilden.