Metallischer 3D-Druck von und für die Stahlindustrie

Additive Fertigungsverfahren und insbesondere das sogenannte Pulverbettverfahren (Laser Powder Bed Fusion, L-PBF) werden in unterschiedlichsten Industriebereichen eingesetzt. Dazu gehören die Luft- und Raumfahrt, die Medizintechnik, die Automobilindustrie und der Maschinenbau. Aufgrund des schichtweisen Produktaufbaus lassen sich Bauteile mit sehr hoher Komplexität erzeugen (Abb: 1,2,3).

Die additive Fertigung mit Pulver, bekannt als selektives Laserschmelzen (SLM), ist ein Verfahren, bei dem ein Pulverbett aus beispielsweise Metall-oder Kunststoffpulver schichtweise aufgebaut wird. Ein Laserstrahl schmilzt das Pulver an den gewünschten Stellen, um eine Schicht des Objekts zu erzeugen. Anschließend wird eine neue Pulverschicht aufgetragen, und der Prozess wird so lange wiederholt, bis das gesamte Objekt erstellt ist. Die additive Fertigung mit Draht hingegen, auch als Wirearc-Additive Fertigung (WAAM) bekannt, basiert auf dem Schmelzen eines Metall- oder Legierungsdrahts. Der Draht wird durch einen Lichtbogen oder einen Laserstrahl geschmolzen und auf die gewünschten Stellen aufgetragen, um das Objekt schichtweise aufzubauen.

Beide Ansätze haben ihre Vorteile. Die additive Fertigung mit Pulver ermöglicht hohe Präzision und Detailgenauigkeit, da das Pulver in feinen Schichten aufgetragen wird. Sie eignet sich auch für komplexe Geometrien und kann eine Vielzahl von Materialien verarbeiten. Die additive Fertigung mit Draht hingegen bietet eine hohe Baugeschwindigkeit und kann großformatige Objekte herstellen.

Die Wahl des additiven Verfahrens hängt von den jeweiligen Anforderungen der Anwendung ab. Die Swiss steel Group bietet ein breites Spektrum an gasverdüsten Metallpulvern auf Fe-, Ni- und Co-Basis an. Die Grundlage für die Fertigungsverfahren bildet ein hochwertiges Metallpulver, dessen Herstellung komplexe Prozessschritte beinhaltet. Zur Pulverherstellung werden die Rohstoffe und Einsatzmaterialien zunächst in einem Induktionsofen erschmolzen und anschließend einer Gasverdüsungsanlage zugeführt.

In einem geschlossenen Behälter wird der Schmelzestrahl mithilfe eines Inertgases (Stickstoff) unter hohem Druck zerstäubt. Die so entstehenden Partikel formen sich während der Abkühlung sphärisch ein. Nur so ist ein passendes Fließverhalten gewährleistet, welches für die spätere Weiterverarbeitung entscheidend ist. Schließlich verbessert die sphärische
Form die Dosierbarkeit des Pulvers.

Dieser Prozessteil erfolgt komplett unter Inertgas, wodurch das Pulver ohne schädliche Oberflächenoxidation abkühlt. Das Metallpulver wird anschließend gesiebt und windgesichtet. Das bedeutet, dass das Pulver auf diesem Wege z.B. für die Anwendung in der additiven Fertigung vorbereitet wird. Die zu feinen und zu groben Partikel werden entfernt, so dass die für den 3D-Druck typische Partikelverteilung von 10 – 63 μm erzeugt wird. Mit dem Metallpulver in der benötigten Korngrößenverteilung ist die Grundlage für den eigentlichen
3D-Druck Prozess geschaffen. Zum Abschluss der Herstellung wird das Pulver homogenisiert und nach Kundenvorgabe verpackt und etikettiert. Beim Pulverbettverfahren, wie schon erwähnt, erfolgt der Aufbau von Bauteilen Schicht für Schicht. Daher werden diese Verfahren als „additive“ Verfahren bezeichnet. Ein Laser dient beim L-PBF Prozess als Energiequelle, welcher die Metallpulver auf Mikrometerebene miteinander verschweißt. So entsteht Schicht für Schicht ein dreidimensionales Bauteil, welches sehr komplex aufgebaut sein kann.

Diese Komplexität, bzw. die Möglichkeit, stellt einen der großen Vorteile dieser neuen Fertigungsverfahren dar. Direkt damit einhergehend, folgen aus den neuen Möglichkeiten jedoch auch neue Anforderungen und Herausforderungen. Zum einen gibt es Bedarf nach neuen und angepassten Werkstoffen, sodass das maximale Potential aus dieser Technologie herausgeholt werden kann. Zum anderen müssen die neuen Möglichkeiten in der industriellen Praxis auch umgesetzt werden.

Metallpulver auf Eisen-Basis

Metallpulver auf Eisen-Basis für den 3D Druck können in die austenitischen, aushärtbaren und martensitischen Güten unterteilt werden. Die austenitische Güte Printdur 4404 weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit sowie eine gute Oxidationsbeständigkeit auf. Die Güten Printdur 4545 und Printdur 4548 haben die optimale Kombination aus Verschleiß-, Korrosions- und Oxidationseigenschaften. Bei verstärkter Verschleißbeanspruchung sind die Güten Printdur Powderfort, Printdur 2343 und Printdur 2344 eine gute Wahl.

Metallpulver auf Nickel-Basis

Für Anwendungen, die eine starke Korrosionsbeständigkeit erfordern, bietet sich unser Metallpulver auf Nickel-Basis an. Printdur Ni625 weist eine gute Beständigkeit gegen mineralische Säuren wie z.B. Salpeter-, Phosphor-, Schwefel- oder Salzsäure auf. Ebenso ist die Korrosionsbeständigkeit gegen Alkalien und organische Säuren gegeben. Desweitern besitzt der Werkstoff im lösungsgeglühten Zustand eine gute Beständigkeit gegen Heißgaskorrosion sowie eine hohe Zeitstandfestigkeit oberhalb von 600°C.

Metallpulver auf Kobalt-Basis

Das Metallpulver auf Kobalt-Basis (Printdur CoCrF75) kann in zwei unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden:

Hochtemperaturanwendungen und Medizintechnik. Printdur CoCrF75 weist einen exzellenten Widerstand gegen Thermoschock auf und ist beständig gegen oxidierende sowie reduzierende Atmosphären bis ca. 1150 °C. Sehr gute Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit zählen ebenfalls zu seinen Eigenschaften.

Bainidur AM

Bainidur AM (= Additive Manufacturing) erweitert das Portfolio der Metallpulver. Es sind derzeit nur wenige niedrig- und mittellegierte Stähle auf dem Markt erhältlich, die mittels der additiven Fertigung verarbeitet werden können. Bainidur AM hingegen erfüllt diesen Bedarf, da er ein schnelles und effizientes Drucken von Erstmustern ermöglicht, die auch die späteren Bauteileigenschaften aufweisen. Wärmebehandlung und thermochemische Oberflächenbehandlungen können mit dem gleichen Werkstoff wie in der Serienfertigung getestet und optimiert werden.

Selbst Ersatzteile, können durch Additive Manufacturing mit vergleichbaren Eigenschaften wie das Original hergestellt werden. Dies wird durch sein gutes Umwandlungsverhalten in das Bainitgefüge unterstützt. Dadurch ist das Material auch beim Druck leicht zu handhaben.

Über Swiss Steel Group

Die Swiss Steel Group, aktueller Sieger des Deutschen Nachhaltigkeitspreises, ist einer der führenden Anbieter individueller Lösungen im Bereich Spezialstahl-Langprodukte weltweit. Sowohl bei Werkzeugstahl als auch bei rostfreiem Langstahl zählt der Konzern zu den weltweit führenden Herstellern und gehört zu den größten Unternehmen in Europa für legierten und hochlegierten Edelbaustahl. Von der Produktidee über die Werkstoffentwicklung bis hin zum fertigen Produkt und Fragen des idealen Recyclings deckt die additive Metallverarbeitung ein breites Spektrum ab. Als ein stark wachsendes Segment bietet die Swiss Steel Group hohe Produktvielfalt, neueste Produktionsanlagen und höchste Qualität.

Die Swiss Steel Group ist in Europa eines der marktführenden Unternehmen im Green Steel Bereich und eines der ganz wenigen, die heute schon Green Steel ​liefern können, der einen um bis zu 94% geringeren CO²-Fußabdruck hat als der weltweite Durchschnitt der Stahlherstellung.

Bildtext 1: Metallpulver für die additive Fertigung aus dem Printur-Portfolio.

Bildtext 2: Schematische Darstellung der Metallpulververdüsung.

Bildtext 3: Lichtmikroskopische Gefügeaufnahme des Printdur HSA im gedruckten Ausgangszustand.

Quelle und Fotos: Swiss Steel Holding AG