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14.05.2018 | Additive Fertigung | Im Fokus | Onlineartikel

Spezialwerkstoffe für die Additive Fertigung

Autor:
Dieter Beste

Sie kann als Meilenstein der Werkstoffentwicklung für den 3D-Druck mit Metallen gelten: Die SMS group hat jüngst in Mönchengladbach eine Pilotanlage zur Pulverherstellung im industriellen Maßstab in Betrieb genommen.

Es ist ein feines, graues Pulver, das eigentlich völlig unspektakulär aussieht. Doch dieses Metallpulver ist extrem homogen, besteht aus winzigen, präzise runden Kugeln mit einer Größe von wenigen Mikrometern. Hergestellt wird es in einer neuen 13 Meter hohen, komplexen Pilotanlage zur Pulverherstellung im industriellen Maßstab.

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Pulvermetallurgie Pulvermetallurgie

Die Terminologie zur pulvermetallurgischen Fertigung ist in DIN EN ISO 3252 zusammengefasst. Der Begriff „Pulvermetallurgie“ umfasst das Herstellen von metallischem Pulver und das Herstellen von Bauteilen aus Pulver durch Formen (Formgebung) und …


Die Qualität des Pulvers sei schließlich ausschlaggebend für die Qualität des 3D-Drucks beim Additive Manufacturing, sagt Markus Hüllen, Vice President 3D Competence Center der SMS group: "Wir wollen gemeinsam mit unseren Kunden die gesamte Prozesskette dieser innovativen Technologie beherrschen. Wir haben uns daher ganz bewusst nicht für eine kleine Pilotanlage, sondern für eine große industrielle Anlage entschieden, weil wir nur so die echten Bedingungen mit hohen Temperaturen, Drücken und langen Produktionslaufzeiten testen können." Die SMS group bringt ihr anlagentechnisches Know-how in eine Kooperation mit der niederländischen Additive Industries ein, die Systeme für das Selective Laser Melting entwickelt und bereitstellet. "Unser Ziel", sagt Hüllen, "ist ein komplettes Demo-Center mit allen Verfahrensschritten im Additive Manufacturing für unsere Kunden am Standort Mönchengladbach."

Verarbeitung im Vakuum

Die Pilotanlage zur Pulververdüsung besteht aus einem Vakuum-Induktionsofen mit Tiegel und Tundish, einer Verdüsungseinrichtung im Pulverturm sowie Vakuumpumpen, Zyklonen, Gaskühlern, Schlauchfiltern, Windsichtern und Sieben zur Klassierung des Pulvers. In der Anlage werden die Metalle und Legierungen induktiv und unter Vakuum eingeschmolzen. Die Vakuum-Technologie sei elementar, um höchste Reinheitsgrade erzielen zu können und eine Reaktion der Werkstoffe mit Sauerstoff zu verhindern, da dies zu Oxidationen, Sauerstoffeinschlüssen oder anderen Verunreinigungen führen könne, heißt es in einer Mitteilung des Unternehmens. Nur unter inerten Bedingungen könne Pulver von höchster Reinheit erzeugt werden. 

Zur Herstellung metallischer Pulver gibt es mehrere sehr unterschiedliche Herstellungsverfahren. Die wichtigsten sind die Direktreduktion von Eisenerzen mit anschließender Zerkleinerung des porösen Eisenschwamms und das Verdüsen von Schmelze mit Gas oder Wasser." Fritz Klocke, Fertigungsverfahren 5 - Gießen und Pulvermetallurgie, Seite 41.

Metallpulver von definierter Qualität

Anschließend wird das flüssige Metall mit reinem Argon verdüst. Dabei entstehen kugelförmige Partikel im Mikrometerbereich. Die Partikel erkalten zu mikroskopischen Kugeln, aus denen das Metallpulver besteht. Das feine Metallpulver wird anschließend in weiteren Schritten behandelt und nach Körngrößen klassiert, sodass am Ende Fraktionen mit einem hochreinen Produkt entstehen: mit präziser Sphärizität (Kugelförmigkeit), definierten Korngrößen im Bereich von 15 bis 45 Mikrometer, exakter chemischer Analyse, frei von Einschlüssen und Satelliten (Anlagerungen). "Das Pulver liegt weit über der bisher gängigen Qualität, weil wir den Gesamtprozess sehr gut beherrschen", sagt Norbert Gober Vice President Research and Development der SMS group: "Das heißt, bei allen Technologien und Prozessen von der Metallurgie über Schmelzen, Vakuumatmosphäre unter Schutzgas bis hin zur Qualitätskontrolle kommt die große Erfahrung der SMS group zum Tragen."

3D-Druck mit Spezialwerkstoffen

Hergestellt wird auf der neuen Pulververdüsungsanlage Metallpulver aus Superlegierungen, Ni-Basis-Legierungen, CoCr-Legierungen, Edelstählen, Maraging-Stählen und Cu-Legierungen. Markus Hüllen: "Wir können mit der Anlage gemeinsam mit unseren Kunden neue Legierungen mit neuen Werkstoffeigenschaften entwickeln. Und zwar unter realen Produktionsbedingungen. Darüber hinaus werden wir die Grundlagen für Industrie 4.0 im Bereich der Pulverherstellung schaffen, indem wir unter anderem eine automatisierte, durchgängige Qualitätskontrolle über die gesamte Prozesskette des Additive Manufacturing implementieren."

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