3D-Druck-Pulver: Was ist es und wie wird es verwendet?

3D-Druck, eine kommerziellere Bezeichnung für Additive Fertigung (AM), wurde erstmals von Murray Leinster in den 1940er Jahren erwähnt. Obwohl der 3D-Druck weniger als 1 % des globalen Fertigungsmarktes ausmacht, verdoppelt sich die Größe des 3D-Druckmarktes aufgrund seiner Vorteile gegenüber der traditionellen Fertigung alle drei Jahre. Es wird erwartet, dass der globale 3D-Druckmarkt von 2022 bis 2030 jährlich um 20,8 % wachsen wird [1]. Durch seine breite Anwendung im Gesundheitswesen, in der Automobilbranche, in der Luft- und Raumfahrt, im Verteidigungsbereich usw. ist der 3D-Druck unbestritten eine der beliebtesten Fertigungsmethoden der Zukunft.

Der 3D-Druck umfasst 7 Bereiche: Bottich-Photopolymerisation, Material-Jetting, Material-Extrusion, Binder-Jetting, Pulverbettfusion, Plattenlaminierung und gerichtete Energieabscheidung. Die letzten 4 Bereiche verwenden alle 3D-Druckpulver als Ausgangsmaterial.

Was ist 3D-Druck-Pulver?

3D-Druck-Pulver bezieht sich auf Pulver, das beim 3D-Druck verwendet wird. Es besteht normalerweise aus Metall, einer Legierung, Keramik oder einem Polymer.

3D-Druckpulver kann nach seiner Form in 2 Gruppen eingeteilt werden: kugelförmig und unregelmäßig. Sphärisches 3D-Druckpulver ist besser fließfähig. Mit anderen Worten, kugelförmiges 3D-Druckpulver kann sich gleichmäßiger verteilen und homogene Schichten bilden, um stabilere Komponenten herzustellen. Gleichzeitig ist kugelförmiges 3D-Druckpulver aber auch teurer als unregelmäßiges Pulver.

Wie wird 3D-Druck-Pulver hergestellt?

Die meisten Versuche zur Herstellung von 3D-Druckpulver erfolgen durch Zerstäubung, einschließlich Wasserzerstäubung und Gaszerstäubung.

Wasserverdüsung (WA)

Die Zerstäubung beginnt mit dem Schmelzen der Ausgangslegierung/des Ausgangsmetalls (jede Form ist zulässig) in einem Ofen. Anschließend wird die Schmelzflüssigkeit einige Zeit gehalten, um sicherzustellen, dass sie homogen verteilt ist. Danach wird die Flüssigkeit in einen Tiegel mit einer feuerfesten Düse umgefüllt, mit der die Durchflussmenge gesteuert werden kann. Öffnen Sie die Düse und lassen Sie die Flüssigkeit in die Zerstäubungskammer eintreten. Sie fällt frei herab und wird dann durch Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahlen gekühlt, zerstäubt und verdichtet. Schließlich können Sie das Pulver am Boden der Kammer auffangen. Ein weiterer Schritt, der später erforderlich ist, ist die Trocknung des Pulvers.

Das durch Wasserzerstäubung erzeugte Pulver ist in der Regel unregelmäßig und wird nicht für den 3D-Druck verwendet.

Gaszerstäubung (GA)

Die Gaszerstäubung ähnelt der Wasserzerstäubung mit Ausnahme des Zerstäubungsprozesses. Sie verwendet einen Hochdruck-Gasstrom (normalerweise Inertgas), um das Pulver zu zerstäuben. Da die spezifische Wärmekapazität von Gas geringer ist als die von Wasser. Es dauert länger, bis die Tröpfchen abkühlen und sich verfestigen. Infolgedessen ist das durch Gaszerstäubung erzeugte Pulver eher kugelförmig. Der Durchmesser des Pulvers ist jedoch schwer zu kontrollieren und reicht von 0 bis 500μm. Auch wenn bei allen Prozessen Inertgas verwendet wird, kann es beim Transfer der Schmelzflüssigkeit vom Ofen zum Tiegel oder bei anderen Schritten zu Verunreinigungen kommen.

Elektrodeninduktions-Schmelzgaszerstäubung (EIGA)

Die Elektrodeninduktions-Schmelzgaszerstäubung (EIGA) wurde auf der Grundlage der Gaszerstäubung entwickelt. Anstelle eines Tiegels, der die schmelzende Metallflüssigkeit abdeckt, werden bei der EIGA rotierende Metallstäbe als Ausgangsmaterial verwendet, das durch Induktionswärme geschmolzen wird. Die Schmelzstangen können direkt in die Zerstäubungskammer fallen.

Mit dem EIGA-Verfahren kann Pulver in einem kleineren Partikelbereich hergestellt werden, und es wird allmählich zur Hauptmethode für die Herstellung von Aktivlegierungspulver wie Ti-6Al-4V.

Plasma-Zerstäubung (PA)

Bei der Plasmazerstäubung (PA) wird ein Plasma als Wärmequelle verwendet, um das Ausgangsmaterial zu schmelzen, das in Pulver- oder Drahtform vorliegen sollte. Wenn das Ausgangsmaterial das Plasma durchbrennt, wird es gleichzeitig geschmolzen und durch die Inertgasstrahlen zerstäubt. Die folgenden Schritte sind die gleichen wie bei der Gaszerstäubung.

Bei der Plasmazerstäubung kann ein kugelförmigeres und kleineres Pulver erzeugt werden.

Tabelle 1 zeigt eine Übersicht über die 4 oben genannten Zerstäubungsmethoden.

Wie wird 3D-Druck-Pulver verwendet?

3D-Druckpulver wird hauptsächlich in pulverbettbasierten 3D-Drucktechnologien wie der Pulverbettfusion und dem Binder-Jetting verwendet. Das Grundprinzip dieser Technologien ist der schichtweise Aufbau der Bauteile mit Hilfe von 3D-Druckpulver. Mit diesem Schicht-für-Schicht-Verfahren können wir im Vergleich zu herkömmlichen Technologien kompliziertere und individuellere Produkte herstellen.

Eine Walze/Recoater entnimmt das Pulver (in der Regel kugelförmiges Metall- oder Polymerpulver wie z. B. sphärisches Titanpulver) aus dem Zuführungssystem und trägt eine gleichmäßige dünne Schicht auf die Grundplatte auf. Dann verschmilzt ein Laserstrahl das Pulver selektiv. Nach der Herstellung einer dünnen Schicht bewegt sich die Bauplattform um einen Schichtabstand nach unten und das Zuführsystem um einen Schichtabstand nach oben, um die wiederholten Schritte fortzusetzen. Dies wird als Pulverbettschmelzen bezeichnet.

Eine andere Technologie verwendet ein Bindemittel, um das Pulver zu verbinden. Andere Verfahren sind dem Pulverbettschmelzen sehr ähnlich. Dies wird als Binder-Jetting bezeichnet.

Das Pulver ist das Ausgangsmaterial, das auf die Platte aufgetragen wird, um eine dünne Schicht zu bilden. Um härtere und detailliertere Bauteile zu erhalten, sind die Parameter des Pulvers sehr wichtig. Ein unregelmäßiges Pulver kann keine homogenen und hochdichten (weniger porösen) Schichten bilden und führt zu Bauteilen mit geringer Dichte, selbst wenn der 3D-Druck während des Drucks abstürzt. Kugelförmiges Pulver ist leistungsfähiger, kostet aber auch mehr. Pulver mit kleineren Partikeln kann eine dünnere Schicht bilden, d. h. es wird mehr Pulver für die gleiche dicke Schicht verbraucht. Die Schicht ist feiner und empfindlicher als die, die mit Pulver mit größeren Partikeln erzeugt wird. Bei der Verwendung von Pulver mit einer Größe von weniger als 20 μm ist Vorsicht geboten, da es sehr leicht verklumpen und eine ungleichmäßige Schicht bilden kann. Für diese Art von Pulver sind spezielle Technologien erforderlich.

Weitere Informationen finden Sie auf der Stanford Advanced Materials Homepage.

Referenz

1. 3D Printing Market Size & Share Report, 2022-2030. (n.d.). Abgerufen am 7. Dezember 2022, von https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/3d-printing-industry-analysis