Leitfaden zu Materialien für das selektive Laserschmelzen (SLM)

3D-Druck von Metallen

Beim 3D-Druck von Metallen , auch als additive Fertigung von Metallen bekannt, handelt es sich um ein Verfahren, bei dem dreidimensionale Objekte aus einer digitalen Datei erstellt werden, indem Material, normalerweise Metallpulver, geschichtet und mithilfe einer Wärmequelle, normalerweise einem Laser- oder Elektronenstrahl, miteinander verschmolzen wird.

Für den 3D-Druck eignet sich eine Vielzahl von Metallen, darunter Edelstahl, Aluminium, Titan und verschiedene Metalllegierungen. Jedes Material bietet unterschiedliche Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit oder Flexibilität und eignet sich daher für spezifische Anwendungen. Branchen wie die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und das Gesundheitswesen setzen auf diese Technologie, da sie die Herstellung komplexer Teile mit reduziertem 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 Materialien für den SLM-3D-Druck sind Aluminium, Edelstahl, Titan und bestimmte Superlegierungen, die in verschiedenen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt und der Medizin eingesetzt werden. Darüber hinaus verarbeitet SLM Edelmetalle wie Gold, Platin, Palladium und Silber für die Schmuckindustrie.

1. Aluminiumlegierungen

Aluminiumlegierungen sind für ihre vorteilhaften Eigenschaften wie geringes Gewicht, hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bekannt. Diese Eigenschaften machen sie für eine Reihe industrieller Anwendungen äußerst gefragt.

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 : Wird aufgrund seiner höheren Duktilität und seines geringeren Gewichts bevorzugt und eignet sich daher für Teile mit komplizierten Geometrien.

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

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

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

Mechanische Eigenschaften

● Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht: 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 elektronische Gehäuse und Motorteile von Vorteil ist.

● Hervorragende Wärmeleitfähigkeit: Legierungen wie AlSi10Mg sind für ihre Wärmeleitfähigkeit bekannt, die für Wärmeableitungsanwendungen wichtig ist.

● Verbesserte Duktilität: Legierungen wie AlSi12 können sich vor dem Versagen erheblich verformen, wodurch die Herstellung komplexer Formen möglich wird.

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

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

Anwendungen

● Luft- und Raumfahrt: Wird zum Bau leichter und langlebiger Komponenten wie Halterungen und Motorteile 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 langlebiger und hitzebeständiger Gehäuse 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 im 3D-Druck am häufigsten verwendete Titanlegierung ist Ti-6Al-4V , bekannt für ihre ausgewogene Kombination aus Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit. Diese Alpha-Beta-Legierung wird aufgrund ihrer Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit in verschiedenen Fertigungskontexten häufig eingesetzt. Andere Titanlegierungen wie Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo und Ti-6Al-7Nb werden aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften ebenfalls für Nischenanwendungen eingesetzt.

Mechanische Eigenschaften

● Hohe Zugfestigkeit: Sie können erheblichen Belastungen standhalten, bevor sie versagen, und eignen sich daher für Strukturkomponenten.

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

● Hervorragende Korrosionsbeständigkeit: Titanlegierungen sind selbst unter rauen Umgebungsbedingungen korrosionsbeständig und verlängern so die Lebensdauer der Teile.

● Niedriger Elastizitätsmodul: Diese Eigenschaft verleiht ihnen ein gewisses Maß an Flexibilität, was bei biomedizinischen Implantaten von Vorteil ist.

Anwendungen

● Luft- und Raumfahrt: Wird aufgrund seines hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses zur Herstellung kritischer Komponenten wie Motorteilen und Strukturelementen verwendet.

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

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

● Marine: Wird für Teile verwendet, die Salzwasserkorrosion widerstehen und hohem Druck standhalten müssen.

3. Rostfreie Stähle

Rostfreie Stähle sind eine Gruppe von eisenbasierten Legierungen, die für ihre Korrosionsbeständigkeit bekannt sind und häufig im SLM-3D-Druck verwendet werden. Sie bieten eine Kombination mechanischer Eigenschaften, die sie für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet machen.

Arten von rostfreiem Stahl für den 3D-Druck

● Austenitische rostfreie Stähle (z. B. 304 und 316L ) sind für ihre gute Korrosionsbeständigkeit und Formbarkeit bekannt.

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

● Duplex-Edelstähle , die die Eigenschaften von austenitischem und martensitischem Stahl vereinen, bieten sowohl hohe Festigkeit als auch Korrosionsbeständigkeit.

Mechanische Eigenschaften

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

● Gute Duktilität: Diese Legierungen können verformt werden, ohne zu brechen, wodurch die Herstellung komplexer Formen möglich wird.

● Hervorragende Korrosionsbeständigkeit: Edelstahl hält einer Vielzahl korrosiver Umgebungen stand.

● Verschleißfestigkeit: Sie sind verschleißfest und daher ideal für Teile mit beweglichen Komponenten.

Anwendungen

● Medizinische Geräte: Chirurgische Instrumente und Implantate profitieren von der Biokompatibilität und Sterilisationsfähigkeit von Edelstahl.

● Luft- und Raumfahrt: Komponenten wie Halterungen und Motorteile erfordern die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, die rostfreier Stahl bietet.

● Automobilindustrie: In der Automobilindustrie werden rostfreie Stähle für Teile 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 die ästhetische Anziehungskraft und Haltbarkeit des Materials von Vorteil sind.

4. Werkzeugstähle

Werkzeugstähle sind eine Gruppe kohlenstoffreicher Stähle, die sich aufgrund ihrer Härte, Abriebfestigkeit und Fähigkeit, bei erhöhten Temperaturen ihre Schneidkante zu halten, gut für die Herstellung von Werkzeugen und Formen eignen.

Arten von Werkzeugstählen für den 3D-Druck

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

● Kaltarbeitsstähle : Diese werden bei Vorgängen bei Raumtemperatur verwendet und sind für ihre Verschleißfestigkeit bekannt.

● Warmarbeitsstähle : Diese Stähle können hohen Temperaturen standhalten, ohne an Härte zu verlieren, und sind daher ideal für Form- und Gussvorgänge geeignet.

Mechanische Eigenschaften

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

● Zähigkeit: Bietet Widerstandsfähigkeit gegen Brüche und Absplitterungen bei Hochleistungsanwendungen.

● Verschleißfestigkeit: Entscheidend für Werkzeuge, die mit anderen Materialien in Kontakt kommen, da dadurch die Verschleißrate verringert wird.

● Thermische Stabilität: Behält seine Eigenschaften 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 Temperaturwechseln und korrosiven Materialien standhalten müssen.

● Automobilindustrie: Spezialwerkzeuge zum Stanzen und Formen von Metallkomponenten im Fahrzeugbau.

● Luft- und Raumfahrt: Hochpräzise Werkzeuge zur Herstellung von Komponenten, die strengen Industriestandards entsprechen müssen.

5. Einsatzstähle

Einsatzstähle sind eine Kategorie von Kohlenstoff- und Legierungsstählen, die die einzigartige Fähigkeit besitzen, eine harte Oberflächenschicht zu entwickeln und gleichzeitig im Inneren duktil zu bleiben. Dadurch eignen sie sich besonders für Komponenten, die eine robuste Außenseite zur Verschleißfestigkeit und einen robusten 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 für seine Zähigkeit und gute Torsionsfestigkeit bekannt.

● 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 verwendet wird.

Mechanische Eigenschaften

● Oberflächenhärte: Wird durch den Einsatzhärtungsprozess erreicht, bei dem Kohlenstoff oder Stickstoff in die Oberflächenschicht diffundiert.

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

● Ermüdungsbeständigkeit: Die harte Außenseite bietet eine hervorragende Ermüdungsbeständigkeit, die für Teile, die zyklischer Belastung ausgesetzt sind, unerlässlich ist.

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

Anwendungen

● Getriebesysteme: Für Zahnräder und Kettenräder, die eine harte Oberfläche benötigen, um auch bei hoher Belastung ihre Präzision zu bewahren.

● Automobilkomponenten: In Teilen wie Nockenwellen und Antriebsstrangkomponenten, bei denen Verschleißfestigkeit entscheidend ist.

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

● Werkzeuge: Bei der Herstellung von Formen und Matrizen, die für eine längere Lebensdauer eine harte Oberfläche benötigen.

6. Nickel-Superlegierungen

Nickel-Superlegierungen sind eine Werkstoffklasse, die bei erhöhten Temperaturen außergewöhnliche mechanische Eigenschaften aufweist und daher für Hochleistungsanwendungen unverzichtbar ist. Diese Superlegierungen zeichnen sich durch ihre hohe Festigkeit, Beständigkeit gegen thermische Kriechverformung, gute Oberflächenstabilität sowie Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit aus.

Arten von Nickel-Superlegierungen für den 3D-Druck

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

● Inconel 625 : Bietet hervorragende Dauerfestigkeit und Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion gegenüber Chloridionen.

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

Mechanische Eigenschaften

● Hochtemperaturfestigkeit: Bewahrt die strukturelle Integrität unter extremen thermischen Bedingungen.

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

● Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit: Hält aggressiven Umgebungen stand, was für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Schiffsbau von entscheidender Bedeutung ist.

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

Anwendungen

● Luft- und Raumfahrt: Turbinenschaufeln, Abgassysteme und andere Motorkomponenten, die Hochtemperaturbeständigkeit erfordern.

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

● Chemische Verarbeitung: Geräte, die der Korrosion durch aggressive Chemikalien standhalten müssen.

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

7. Kobalt-Chrom-Superlegierungen

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

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 bei Anwendungen mit hohem Verschleiß wie Turbinenschaufeln von Vorteil ist.

Mechanische Eigenschaften

● Hohe Streckgrenze: Sie können erheblichen Belastungen ohne bleibende Verformung standhalten.

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

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

● Biokompatibilität: Insbesondere CoCrMo ist mit biologischem Gewebe kompatibel und daher für medizinische Anwendungen geeignet.

Anwendungen

● Medizinische Geräte: Aufgrund ihrer Biokompatibilität und mechanischen Eigenschaften werden sie häufig für Zahnimplantate 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: Hochleistungsmotorteile werden aufgrund ihrer Haltbarkeit und Hitzebeständigkeit aus CoCr-Superlegierungen hergestellt.

● Industrielle Werkzeuge: 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 Fülle von Möglichkeiten für Anwendungen, die eine effiziente Wärmeableitung oder elektrische Leitung erfordern.

Kupferarten für den 3D-Druck

SLM verwendet typischerweise Kupferlegierungen anstelle von reinem Kupfer, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern. Ein bemerkenswertes Beispiel ist CuNi2SiCr , ein legierter Kupferwerkstoff, der hervorragende mechanische Eigenschaften mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit kombiniert. Diese Legierung kann aufgrund ihrer verbesserten Korrosionsbeständigkeit in Umgebungen eingesetzt werden, in denen reines Kupfer nicht einsetzbar wäre.

Mechanische Eigenschaften

● Hohe Wärmeleitfähigkeit: Unverzichtbar für Komponenten wie Wärmetauscher, die Wärme effektiv verwalten müssen.

● Hervorragende elektrische Leitfähigkeit: Ideal für elektrische Anwendungen, einschließlich Verkabelung und elektromagnetische Komponenten.

● Gute Korrosionsbeständigkeit: Geeignet für den Einsatz in verschiedenen Industrieumgebungen.

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

Anwendungen

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

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

● Luft- und Raumfahrt sowie Automobilindustrie: Wird in Teilen verwendet, die von den Wärme- und elektrischen Eigenschaften von Kupfer profitieren und so zur Gesamtleistung von Systemen beitragen.

● Individueller Schmuck: Die ästhetische Anziehungskraft und die Verarbeitbarkeit von Kupfer machen es zu einem bevorzugten Material für komplizierte Schmuckdesigns.

9. Edelmetalle

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

Arten von Edelmetallen für den 3D-Druck

● Gold (Au) : Bekannt für seine hervorragende 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 High-End-Anwendungen.

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

Mechanische Eigenschaften

● Duktilität: Sie können zu dünnen Drähten gezogen werden, ohne zu brechen, was komplizierte Designs ermöglicht.

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

● Leitfähigkeit: Insbesondere Gold und Silber sind hochleitfähig und eignen sich daher perfekt für elektronische Bauteile.

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

Anwendungen

● Schmuck: Die Möglichkeit, komplexe, individuelle Designs mit einem hohen Detailgrad zu erstellen, revolutioniert die Schmuckindustrie.

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

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

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

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