Metalle für den 3D-Druck: Leitfaden zur Auswahl des richtigen Materials

Metalle für den 3D-Druck

Der 3D-Metalldruck hat sich längst vom Prototypenlabor entfernt. Branchen von der Luft- und Raumfahrt bis zur Medizintechnik nutzen ihn, um Hochleistungsbauteile mit Geometrien herzustellen, die mit konventionellen Bearbeitungsmethoden nicht realisierbar sind. Mit der Weiterentwicklung der Technologie hat sich die Bandbreite der druckbaren Metalle deutlich vergrößert. Die Wahl des richtigen Materials ist dabei genauso wichtig wie die Wahl der richtigen Maschine.

Ingenieure und Einkaufsteams können fundiertere Entscheidungen treffen, wenn sie die mechanischen Eigenschaften, das Kostenprofil und die idealen Anwendungsbereiche der einzelnen Materialien kennen. Eine Fehlentscheidung kann zu einer mangelhaften Bauteilleistung, höheren Kosten oder aufwändiger Nachbearbeitung führen und somit die Vorteile der additiven Fertigung zunichtemachen. Die Materialwahl hat Auswirkungen auf alle Bereiche, egal ob es sich um Strukturbauteile, biomedizinische Implantate oder Werkzeuge handelt.

Boda arbeitet mit Herstellern aus verschiedenen Branchen zusammen, um das beste 3D-Metalldruckverfahren für die jeweilige Anwendung zu finden. benutzerdefinierter 3D-Druck Ressourcen und angemessene Kosten für den 3D-Metalldruck sind gute Ausgangspunkte, um Ihre Optionen zu bewerten.

Was ist Metall-3D-Druck?

Metall-Additive-Fertigung ist auch bekannt als 3D-Druck aus MetallEs fertigt Bauteile aus digitalen Dateien mithilfe von Metallpulvern, Drähten oder gebundenen Formen. Additive Fertigungsverfahren, im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung, bei der Material von einem Materialblock abgetragen wird, tragen das Material nur dort auf, wo es benötigt wird. Dadurch wird Abfall reduziert und die Realisierung komplexer Innengeometrien ermöglicht, die sonst nicht maschinell herstellbar wären.

Pulverbettfusion, gebundene Pulverextrusion und gerichtete Energieauftragschweißen sind die gängigsten Verfahrensfamilien. Jedes Verfahren weist unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich Materialverträglichkeit und Auflösung auf. Je nach gewähltem Verfahren können Sie die gewünschten Metalle auswählen.

Metall-3D-Druck: So funktioniert es

Metallene, 3D-gedruckte Gitterwürfelstruktur

Beim Pulverbett-Schmelzen wird Metallpulver Schicht für Schicht mittels Laser- oder Elektronenstrahl aufgeschmolzen. Der Strahl schmilzt den jeweils nächsten Querschnitt, bevor jede neue Schicht Metallpulver auf die Bauplattform aufgetragen wird. Beim gebundenen Pulverextrusionsverfahren wird Metallpulver mit einem Bindemittelpolymer vermischt, zu einer dickflüssigen Paste extrudiert und anschließend im Ofen gesintert, um das Bindemittel zu entfernen. Beide Verfahren ermöglichen die Herstellung dichter, funktionaler Bauteile, weisen jedoch hinsichtlich Oberflächengüte, Bauzeit, Maßgenauigkeit und Materialauswahl erhebliche Kompromisse auf.

Vorteile der konventionellen Fertigung

Metall für den 3D-Druck eignet sich hervorragend für Bauteile mit Gitterstrukturen oder organischen Geometrien, die mit spanender Bearbeitung nicht realisierbar sind. Diese Technologie ermöglicht zudem kürzere Lieferzeiten für Kleinserien oder Einzelstücke und die kostengünstige Herstellung teurer Legierungen wie Inconel und Titan, deren spanende Bearbeitung unwirtschaftlich wäre. Die additive Fertigung ist für viele hochwertige Anwendungen nicht nur eine Alternative zur spanenden Bearbeitung, sondern oft die einzige verfügbare Produktionsmethode.

Metallische 3D-Druckmaterialien: Die 05 gängigsten Metalle

Stahl, Superlegierungen und Titan gehören zu den am weitesten verbreiteten Werkstoffen. 3D Druckmaterialien für die additive Fertigung von Metallen. Jede Materialgruppe bietet ein unterschiedliches Verhältnis von mechanischen Eigenschaften, Kosten und Anwendungseignung, wobei die einzelnen Sorten auf der Grundlage spezifischer Leistungsanforderungen ausgewählt werden.

Stahl

Stahl ist eines der am häufigsten verwendeten Metalle im 3D-Druck. Aufgrund seiner hervorragenden Festigkeit und Steifigkeit ist Stahl das beliebteste Metall für den 3D-Druck. Der 3D-Druck mit Stahl findet auch in der Industrie breite Anwendung, basiert auf umfangreichem Fachwissen und ist vergleichsweise kostengünstig. Die meisten Stahlsorten lassen sich drucken, wobei Edelstähle und Werkzeugstähle am häufigsten verwendet werden. Die maschinelle Bearbeitung dieser Stähle ist aufwendig und schwierig. Additive Fertigung ist daher eine kostengünstige Alternative.

Rostfreier Stahl

Verschiedene 3D-gedruckte Metallteile

Die Korrosionsbeständigkeit von Edelstählen beruht auf dem Vorhandensein von mindestens 12 Prozent Chrom. Zwei Arten dominieren den 3D-Druck von Edelstahl:

• Austenitisch (316L): Der am häufigsten verwendete Edelstahl zeichnet sich durch hervorragende Korrosionsbeständigkeit aus. Er lässt sich schweißen und bearbeiten, jedoch nicht wärmebehandeln. Er eignet sich für die chemische Verarbeitung, medizinische Instrumente und Schiffsausrüstung.
• 17-4 PH (martensitisch): Ein ausscheidungshärtender Stahl, der durch Wärmebehandlung ein breites Spektrum an mechanischen Eigenschaften in verschiedenen Härtegraden erzielen kann. Er ist härter und fester als 316L, jedoch weniger korrosionsbeständig. Er findet breite Anwendung in der industriellen Fertigung und im Luft- und Raumfahrtbereich.

Werkzeugstähle

Werkzeugstähle sind für spezifische Bearbeitungsvorgänge wie Schneiden, Schleifen und Stanzen konzipiert. Diese Stähle enthalten Karbidverbindungen, die für extreme Härte und Verschleißfestigkeit bei Umgebungstemperaturen und hohen Temperaturen sorgen. Die drei gängigsten Sorten sind:

• A2: Ein vielseitiger Werkzeugstahl für die Kaltumformung, der für Stempel, Matrizen und allgemeine Werkzeuge verwendet wird. Er bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und Verschleißfestigkeit.
• D2 ist optimiert, um maximale Verschleißfestigkeit bei Kaltumformungsanwendungen, einschließlich Industrieklingen und Schneidemaschinen, zu gewährleisten.
• H13 Ein hochtemperaturbeständiger Werkzeugstahl, der Hitzebeständigkeit mit Zähigkeit und Verschleißfestigkeit vereint. Er eignet sich ideal für Druckgusseinsätze und Schmiedegesenke.

Superlegierungen – Inconel und Kobalt-Chrom

3D-gedruckte Metallteile

Superlegierungen eignen sich für den Einsatz unter extremen Bedingungen, wo Hitze, Druck und aggressive Chemikalien herkömmliche Legierungen zerstören würden. Der 3D-Metalldruck ist eine kostengünstige Methode zur Herstellung von Superlegierungen, deren Produktion mit traditionellen Verfahren schwierig und teuer ist.

Inconel

Inconel, eine Familie von Nickelbasis-Superlegierungen, ist bekannt für seine extreme Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit, selbst bei Temperaturen, bei denen Stahl seine strukturelle Integrität verlieren würde. Inconel 625 ist beständiger gegen thermische Ermüdung und Oxidation, während Inconel 718 überlegene Festigkeit und Zähigkeit aufweist. Gasturbinen, Triebwerksdichtungen, Abgaskomponenten und Raketenbauteile verwenden beide Sorten.

Kobalt-Chrom

Kobalt-Chrom vereint ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit. Es ist eine dichtere, leistungsstarke Alternative zu Titan für Anwendungen, die sowohl strukturelle Zuverlässigkeit als auch biologische Verträglichkeit erfordern. Kobalt-Chrom eignet sich für vielfältige Anwendungen, darunter Turbinen, industrielle Umgebungen und medizinische Instrumente.

Titan

Titan ist ein Werkstoff mit einem außergewöhnlichen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, dessen Rohstoff- und Bearbeitungskosten in der konventionellen Fertigung jedoch hoch sind. Dies spricht deutlich für die additive Fertigung. Der 3D-Druck von Titan ermöglicht Materialeinsparungen, und die damit verbundene geometrische Freiheit rechtfertigt oft die höheren Maschinenkosten für Titanbauteile. Es kann in zwei Hauptformen gedruckt werden:

• Ti-6Al-4V: Die am häufigsten in der additiven Fertigung verwendete Titanlegierung. Sie ist etwa 40 % leichter als 17-4 PH, weist aber eine vergleichbare oder sogar höhere Festigkeit auf. Sie ist beständig gegen korrosive Umgebungen und hohe Temperaturen. Sie findet Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, bei Automobilkomponenten und in Industrieanlagen, wo eine Gewichtsreduzierung von entscheidender Bedeutung ist.
• Handelsübliches reines Titan: Weniger fest als Ti64, aber unabhängig von den Verarbeitungsbedingungen biokompatibler. Wird für Medizinprodukte wie orthopädische Implantate, Knochenschrauben und andere Medizinprodukte verwendet, bei denen Biointegration wichtig ist.

Titan ist ein Kernwerkstoff für jedes Ingenieurteam, das 3D-gedruckte Metallteile herstellt, wobei das Verhältnis von Gewicht zu Leistung die Konstruktionsvorgaben bestimmt.

Kupfer

Kupfer nimmt in der additiven Fertigung eine Sonderstellung ein. Es wird fast ausschließlich aufgrund seiner thermischen und elektrischen Leitfähigkeit und weniger aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften gewählt. Der 3D-Metalldruck ermöglicht es Ingenieuren, geometrisch optimierte Kupferbauteile herzustellen, deren Fertigung durch spanende Bearbeitung oder Gießen sonst sehr schwierig wäre. Kühlkörper, Stromschienen, Induktionsspulen und Schweißelektroden sind einige der Anwendungsgebiete.

• Reines Kupfer: Es weist die höchste Wärme- und elektrische Leitfähigkeit aller Kupfervarianten auf. Aufgrund seiner hohen Laserreflexion ist es jedoch mit Standard-PBF-Lasersystemen inkompatibel. Es kann nur auf Pulverbindemittel-Extrusionsmaschinen verarbeitet werden.
• Legiertes Kupfer (z. B. C18150): Es enthält 1–2 % Legierungsbestandteile wie Chrom oder Zink, die die Laserreflexion so weit reduzieren, dass das Drucken auf bestimmten PBF-Plattformen möglich ist. Die Leitfähigkeit von legiertem Kupfer ist geringer als die von reinem Kupfer, aber immer noch höher als die der anderen Metallgruppen.

Aluminium

Der 3D-Druck von Aluminium ist deutlich weniger verbreitet als konventionelle Fertigungsverfahren. Dies liegt vor allem daran, dass die gängigsten Knetlegierungen 6061 und 7075 mit Standard-PBF-Systemen nicht druckbar sind. Gusslegierungen mit bis zu 12 Prozent Silizium lassen sich zwar drucken, weisen aber im Vergleich zu Knetlegierungen schlechtere mechanische Eigenschaften auf. Die Rentabilität des Aluminiumdrucks ist aufgrund der relativ geringen Kosten für die Bearbeitung von Standardaluminium niedriger als bei den meisten anderen Metallen.

Der 3D-Druck von Endlosfaserverbundwerkstoffen ist eine hervorragende Option für Entwicklungsteams, die Bauteile mit aluminiumähnlicher Festigkeit benötigen. Er kann außerdem Steifigkeit, Dauerfestigkeit und Schlagfestigkeit verbessern. Ziehen Sie diese Alternative in Betracht, bevor Sie sich für die additive Fertigung von Aluminium entscheiden.

Vergleichstabelle für Metall-3D-Druckmaterialien

Was sind die besten Materialien für den 3D-Metalldruck?

 Frisch bedrucktes Metalllaufrad 

Wenn Sie Ihre Projektanforderungen in vier Dimensionen verstehen – mechanische Leistungsfähigkeit, Anforderungen an die Umweltbeständigkeit, Biokompatibilität und Gesamtbudget –, können Sie das beste Material auswählen. Dies ist ein kostspieliger Fehler, den Teams häufig beim Übergang vom Prototyp zur Serienproduktion begehen.

Materialanpassung an die Anwendungsumgebung

Superlegierungen sind die richtige Wahl, wenn Ihr Bauteil hohen Temperaturen oder aggressiven Chemikalien ausgesetzt ist. Titan ist der stärkste Werkstoff für Strukturbauteile, bei denen das Gewicht eine Rolle spielt. Werkzeugstahl oder Edelstahl sind die kostengünstigsten Werkstoffe für allgemeine Industriehardware und Werkzeuge. Kupfer ist das einzige Metall, das die für moderne Elektronik- und Energiesysteme erforderlichen Wärmemanagementkomponenten liefern kann.

Berücksichtigen Sie die Anforderungen der Nachbearbeitung

Einige Werkstoffe müssen weiterverarbeitet werden, um ihre endgültigen mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Andere Werkstoffe, wie beispielsweise H13 und 17-4 PH, benötigen eine Wärmebehandlung. Um innere Porosität zu schließen, werden Superlegierungen oder Titanbauteile häufig mittels Heißisostatischem Pressen (HIP) verpresst. Für Dichtflächen und Lagerschnittstellen ist oft eine Oberflächenbearbeitung erforderlich. Diese Schritte können den Zeit- und Kostenaufwand eines Projekts erhöhen. Sie sollten daher bei der Werkstoffauswahl nicht vernachlässigt werden. 

Bei Werkstoffen wie Inconel oder Titan kann eine Wärmebehandlung oder ein Heißisostatpressen erforderlich sein, um innere Porosität zu schließen und die erforderliche mechanische Festigkeit zu erreichen. Dies verlängert die Projektlaufzeit und erhöht die Kosten. Edelstahlbauteile hingegen benötigen in der Regel lediglich eine Oberflächenbearbeitung wie Polieren oder Kugelstrahlen, um die Anforderungen an Dichtung und Lagerschnittstelle zu erfüllen. Die Kenntnis dieser Nachbearbeitungsanforderungen für jeden Werkstoff vor der endgültigen Konstruktionsphase hilft, Budgetüberschreitungen und Verzögerungen durch unerwartete zusätzliche Arbeitsschritte im späteren Produktionsprozess zu vermeiden.

Kosten und Leistung im Gleichgewicht halten

Stahl ist günstiger als Superlegierungen. Titan und Superlegierungen sind jedoch in der Herstellung und Verarbeitung teurer. Bei budgetbewussten Projekten sollte neben der Materialauswahl auch eine Kostenanalyse für den 3D-Metalldruck durchgeführt werden. Das beste Preis-Leistungs-Verhältnis bietet Edelstahl 316L, der für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist. Dieses Material sollte standardmäßig verwendet werden, sofern keine spezifischen Anforderungen eine leistungsstärkere Werkstoffgruppe erfordern.

Metall für 3D-Druck für Automobilteile

Die Automobilindustrie hat die additive Fertigung von Metallen in deutlich größerem Umfang als andere Branchen eingeführt. Grund dafür ist die Nachfrage nach leichten Strukturbauteilen und Kühlkanälen mit komplexen Strukturen. Auch Halterungen mit optimierten Strukturen sind stark nachgefragt. Geeignete Werkstoffe für gewichtssensible Strukturbauteile sind beispielsweise Aluminium- und Titanlegierungen. Werkzeugstahl wird für Werkzeuge und Vorrichtungen verwendet. 

Die Herstellung von Ansaug- und Abgaskrümmern kann mittels 3D-Druck erfolgen. Auch kundenspezifische Halterungen, Produktionswerkzeuge und Fahrwerkskomponenten sind realisierbar. Das Ergebnis sind eine geringere Teileanzahl, kürzere Montagezeiten und messbare Verbesserungen des Leistungsgewichts in verschiedenen Fahrzeugprogrammen.

Häufige Fehler bei der Auswahl von Metall-3D-Druckmaterialien

Durch die Vermeidung häufiger Auswahlfehler können Sie Produktionsverzögerungen vermeiden und Geld sparen.

• Wenn alle Legierungen gleichmäßig gedruckt werden, Nicht alle Notenstufen einer Materialfamilie können gedruckt werden. Die am häufigsten verwendeten Aluminiumlegierungen, 6061 und 7705, sind nicht als Standard-PBF-Systeme erhältlich.
• Die Kosten für die Nachbearbeitung sind in den Kostenschätzungen nicht enthalten. Viele Werkstoffe, wie beispielsweise Inconel oder Titan, erfordern nach dem Druck eine Wärmebehandlung und eine Nachbearbeitung. Diese Kosten werden im Budget oft übersehen, was zu erheblichen Kostenüberschreitungen in der Produktionsphase führt.
• Überdimensionierung der Materialgüte: Der Einsatz von Inconel, obwohl 316L die gleichen Eigenschaften aufweist, verursacht zusätzliche Material- und Verarbeitungskosten. Das Material sollte nach den Umgebungsbedingungen und nicht nach der höchsten verfügbaren Spezifikation ausgewählt werden.
• Auslassung der Designoptimierung für additive Fertigung: 3D-gedruckte Metallteile ermöglichen Geometrien, die mit spanender Bearbeitung nicht realisierbar sind. Ein bearbeitetes Teil einfach zu ersetzen, ohne es für die additive Fertigung neu zu konstruieren, ist nicht wettbewerbsfähig und lässt den Kernnutzen dieser Technologie ungenutzt.

Fazit 

Metallische 3D-Druckmaterialien sind in verschiedenen Eigenschaften, Preisen und Anwendungsbereichen erhältlich. Kupfer ermöglicht thermisch und elektrisch optimierte Konstruktionen. Aluminium wird für gewichtskritische Anwendungen eingesetzt, bei denen Einschränkungen hinsichtlich der Druckbarkeit akzeptabel sind. Um das richtige Material für die jeweilige Anwendung auszuwählen, ist es wichtig, die mechanischen Eigenschaften, die Prozesskompatibilität, den Nachbearbeitungsaufwand und die Gesamtkosten zu bewerten.

Boda unterstützt Engineering- und Beschaffungsteams bei der Auswahl des richtigen Materials, Prozesses und Fertigungsansatzes für ihre Projekte. Egal, ob Sie Ihr erstes additiv gefertigtes Metallteil herstellen oder einen bestehenden Workflow erweitern möchten – unser Service ist für Sie da. 3D-Druckservice Wir bieten Ihnen Materialauswahl, Designunterstützung und Produktion. Besuchen Sie unsere Seite für individuellen 3D-Druck oder kontaktieren Sie unser Team, um Ihr Projekt zu besprechen.

Häufig gestellte Fragen

Welche Metalle werden am häufigsten für den 3D-Druck verwendet und warum?

Metalle wie Stahl (insbesondere Edelstahl 316L und 17-4 PH), Titan (Ti-6Al-4V), Kobalt-Chrom (Chrom), Kupfer und Aluminiumgusslegierungen werden derzeit am häufigsten in der additiven Fertigung eingesetzt. Stahl ist aufgrund seiner Kosteneffizienz und seiner vielseitigen Einsatzmöglichkeiten in verschiedenen Branchen das beliebteste Metall.

Welches ist das stärkste Metall, das sich im 3D-Druckverfahren herstellen lässt?

Die härtesten Stähle sind Werkzeugstähle. Insbesondere H13 und D2 werden wärmebehandelt. Inconel 718 ist eine Konstruktionslegierung mit außergewöhnlicher Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen. Titanlegierungen wie Ti-6Al-4V weisen das höchste Festigkeits-Gewichts-Verhältnis auf. Die beste Wahl hängt davon ab, ob Streckgrenze oder Härte, Dauerfestigkeit oder Hochtemperaturverhalten geprüft werden sollen.

Wie teuer ist der 3D-Metalldruck?

Bei großen Stückzahlen und einfachen Geometrien ist der 3D-Metalldruck pro Teil teurer als die konventionelle Bearbeitung. Additive Fertigung ist oft kostengünstiger für komplexe Geometrien oder schwer zerspanbare Legierungen wie Inconel oder Titan. Die endgültigen Kosten hängen maßgeblich von der Materialauswahl, dem Bearbeitungsverfahren und der Nachbearbeitung ab. Daher ist eine frühzeitige Kostenkalkulation unerlässlich.

Ist Metall stärker als Kunststoff?

Ja, in nahezu allen strukturellen Anwendungen. Metallene 3D-gedruckte Bauteile weisen mechanische Eigenschaften auf, die denen ihrer gefrästen Pendants aus derselben Legierung gleichwertig oder sogar überlegen sind. Zwar erreicht der 3D-Druck von Endlosfaserverbundwerkstoffen eine Festigkeit auf Aluminiumniveau, jedoch kann er unter Hochtemperatur- oder Hochbelastungsbedingungen nicht mit Hochleistungslegierungen mithalten. Metall ist das einzige Material, das sich für Anwendungen eignet, die tragend, verschleißbelastend oder thermisch anspruchsvoll sind.