Herstellung von Metallpulver und 3D-Druck

3D-Druck, auch als additive Fertigung bezeichnet, ist ein Verfahren zur Herstellung von Objekten durch das schichtweise Auftragen von Materialien. Diese Technologie findet in vielen Branchen breite Anwendung, darunter Luftfahrt, Medizin, Automobilindustrie und Schmuckherstellung. Bei diesen Anwendungen ist Metallpulver eines der wichtigsten Materialien für den 3D-Druck.

Als wichtigstes Glied in der Wertschöpfungskette der 3D-Druckindustrie für Metallteile besitzt 3D-Druck-Metallpulver auch den höchsten Wert. Auf der „World 3D Printing Technology Industry Conference“ von 2013 gaben maßgebliche Experten der weltweiten 3D-Druckindustrie eine klare Definition von 3D-Druck-Metallpulver: Es handelt sich um eine Gruppe von Metallpartikeln mit einer Größe von weniger als 1 mm. Dazu gehören Pulver aus einzelnen Metallen, Legierungspulver und bestimmte Pulver feuerfester Verbindungen mit metallischen Eigenschaften. Derzeit umfassen Metallpulvermaterialien für den 3D-Druck Kobalt-Chrom-Legierungen, Edelstahl, Industriestahl, Bronzelegierungen, Titanlegierungen und Nickel-Aluminium-Legierungen. Neben einer guten Plastizität muss 3D-Druck-Metallpulver jedoch auch die Anforderungen an eine feine Partikelgröße, eine enge Partikelgrößenverteilung, eine hohe Sphärizität, eine gute Fließfähigkeit und eine hohe Schüttdichte erfüllen.

Aufgrund unterschiedlicher Anwendungen und Anforderungen an nachfolgende Formgebungsverfahren unterscheiden sich auch die Verfahren zur Herstellung von Metallpulvern. Je nach Herstellungsverfahren gibt es hauptsächlich zwei Methoden: physikalisch-chemische Verfahren und mechanische Verfahren. In der Pulvermetallurgie werden Verfahren wie Elektrolyse, Reduktion und Zerstäubung häufig eingesetzt. Es ist jedoch zu beachten, dass sowohl die Elektrolyse als auch die Reduktion bestimmten Einschränkungen unterliegen und nicht für die Herstellung von Legierungspulvern geeignet sind. Derzeit konzentrieren sich Metallpulver für die additive Fertigung hauptsächlich auf Materialien wie Titanlegierungen, Hochtemperaturlegierungen, Kobalt-Chrom-Legierungen, hochfesten Stahl und Werkzeugstahl. Um die Anforderungen der Anlagen und Prozesse für die additive Fertigung zu erfüllen, müssen Metallpulver Eigenschaften wie einen niedrigen Sauerstoff- und Stickstoffgehalt, eine gute Sphärizität, einen engen Partikelgrößenverteilungsbereich und eine hohe Schüttdichte aufweisen. Das Plasmarotierende-Elektroden-Verfahren (PREP), das Plasmazerstäubungsverfahren (PA), das Gaszerstäubungsverfahren (GA) und das Plasmasphäroidisierungsverfahren (PS) sind die wichtigsten Verfahren zur Herstellung von Metallpulvern für die additive Fertigung. Mit allen vier Verfahren lassen sich kugelförmige oder nahezu kugelförmige Metallpulver herstellen.

Der Prozess zur Herstellung von Metallpulvern für den 3D-Druck umfasst in der Regel die folgenden Schritte:
Materialauswahl:

Zunächst wird das Metallpulver für den 3D-Druck ausgewählt. Zu den häufig verwendeten Metallpulvern gehören Edelstahl, Titanlegierungen, Aluminiumlegierungen und Nickelbasislegierungen. Diese Metallpulver zeichnen sich durch hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit aus und eignen sich für verschiedene Anwendungen.

Vorbereitung des Pulvers:
Metallpulver kann durch verschiedene Verfahren hergestellt werden, etwa durch Zerstäubung, Elektrolyse, chemische Reaktionen und mechanisches Zerkleinern. Diese Verfahren können metallische Rohstoffe in winzige Pulverpartikel umwandeln, die in 3D-Druckern verwendet werden. Pulververarbeitung: Vor der Verwendung von Metallpulver für den 3D-Druck ist eine gewisse Verarbeitung erforderlich, beispielsweise Sieben, Mischen und Trocknen. Diese Verarbeitung stellt sicher, dass Partikelgröße und chemische Zusammensetzung des Pulvers den Druckanforderungen entsprechen, und verbessert die Fließfähigkeit und Druckbarkeit des Pulvers.

Druckprozess:
Während des 3D-Druckprozesses wird Metallpulver mithilfe der Düse oder des Extruders des Druckers Schicht für Schicht in einer vorgegebenen Form aufgetragen. Nachdem jede Schicht aufgetragen wurde, senkt sich die Druckplattform um einen bestimmten Abstand ab, damit die nächste Schicht aufgetragen werden kann. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das gesamte Objekt gedruckt ist.

Nachbearbeitung:
Nach dem Druck muss das Objekt einigen Nachbearbeitungsschritten unterzogen werden, beispielsweise Sintern, Wärmebehandlung, Schweißen und mechanischer Bearbeitung. Diese Bearbeitung kann die Festigkeit und Präzision des Objekts verbessern und sicherstellen, dass es die Anforderungen der späteren Verwendung erfüllt. Bei der Herstellung von Metallpulver für den 3D-Druck müssen einige wichtige Faktoren berücksichtigt werden, darunter Partikelgröße, chemische Zusammensetzung, Fließfähigkeit und Druckbarkeit des Pulvers. Diese Faktoren beeinflussen während des Druckprozesses die Präzision, Festigkeit und Produktionseffizienz des Objekts. Darüber hinaus sind auch die Herstellungskosten des Metallpulvers ein zu berücksichtigender Faktor.

Obwohl die 3D-Drucktechnologie große Fortschritte gemacht hat, gibt es bei der Herstellung und Anwendung von Metallpulver weiterhin einige Herausforderungen und Einschränkungen. Beispielsweise sind die Herstellungskosten von Metallpulver hoch, und für verschiedene Metallpulver sind unterschiedliche Vorbereitungs- und Verarbeitungsverfahren erforderlich. Darüber hinaus beeinflussen Partikelgröße und chemische Zusammensetzung des Metallpulvers auch dessen Druckbarkeit und die Eigenschaften des fertigen Objekts. Um diese Herausforderungen und Einschränkungen zu überwinden, sind weitere Forschung und Entwicklung neuer Technologien und Verfahren erforderlich. Dazu gehören beispielsweise die Entwicklung neuer Technologien zur Herstellung von Metallpulver, um dessen Qualität und Produktionseffizienz zu verbessern; die Erforschung neuer Verfahren zur Verarbeitung von Metallpulver, um dessen Fließfähigkeit und Druckbarkeit zu verbessern; sowie die Entwicklung neuer Nachbearbeitungstechnologien, um die Festigkeit und Präzision von Objekten zu erhöhen.