Metall-3D-Druckmaterialien: 5 Schritte zur Auswahl des richtigen Materials

Die Wahl des Metalls für die CNC-Bearbeitung ist im Prinzip einfach: Legierung auswählen, Maschine zum Drucken auswählen, fertig. Bei Metall- 3D-Druckmaterialien , insbesondere solchen, die beim Laser-Pulverbett-Schmelzen (LPBF) verwendet werden, wird die Materialauswahl jedoch selbst zum Bestandteil des Fertigungsprozesses. Die Legierung bestimmt die Laserparameter, die Stützstruktur, die Nachbearbeitungssequenz und letztendlich den Erfolg des Bauteils.

Dieser Leitfaden behandelt acht SLM-kompatible Legierungen, ein fünfstufiges Auswahlverfahren und die Nachbearbeitung, die aus einem gedruckten Teil ein fertiges Bauteil macht.

Das 5-stufige Materialauswahl-Framework

Bevor Sie Legierungen vergleichen, sollten Sie diese fünf Schritte durchgehen. Sie helfen, einen häufigen Fehler bei der additiven Fertigung von Metallen zu vermeiden: die Auswahl einer Legierung aufgrund ihrer bekannten Datenblatteigenschaften, ohne zu prüfen, wie sie sich im Druckprozess verhält.

Schritt 1: Definieren Sie die dominante Anforderung. Wählen Sie ein oder zwei unverzichtbare Eigenschaften. Korrosionsbeständigkeit? Hochtemperaturfestigkeit? Gewichtsreduzierung? Elektrische Leitfähigkeit? Ein Bauteil benötigt selten alle Eigenschaften gleichzeitig. Wenn die wichtigste Anforderung lautet: „Muss 500 °C heißem Abgas standhalten“, ist Inconel 718 eine Option, Aluminium hingegen nicht.

Schritt 2: Zuordnung zu einer Materialfamilie. Jede Materialfamilie hat ein spezifisches Profil, das hilft, Optionen schnell einzugrenzen. Ordnen Sie die wichtigste Anforderung aus Schritt 1 der richtigen Familie zu, bevor Sie eine bestimmte Güteklasse auswählen:

• Edelstahl (316L, 17-4PH): Korrosionsbeständigkeit als Grundlage. Wählen Sie zwischen hoher Duktilität (316L) und hoher Festigkeit nach Aushärtung (17-4PH).

• Aluminiumlegierungen (AlSi10Mg, 6061): Gewichtsreduzierung zu geringeren Kosten als bei Titan. Die Eigenschaften der Gusslegierung (AlSi10Mg) unterscheiden sich von denen der Knetlegierung (6061); Austauschbarkeit ist nicht gegeben.

• Titan (Ti-6Al-4V): Unübertroffenes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, biokompatibel. Höhere Materialkosten; rechtfertigen sich durch Gewichtseinsparungen oder Anwendungsanforderungen.

• Nickel-Superlegierungen (Inconel 718): Behält seine Festigkeit oberhalb von 650 °C. Teures Pulver plus obligatorische Lösung + Alterungszyklus. Nur verwenden, wenn Edelstahl aufgrund von Temperatur- oder Korrosionsanforderungen nicht geeignet ist.

• Werkzeugstahl (1.2709): Extrem hohe Härte nach der Aushärtung, bis zu einer Zugfestigkeit von 2,000 MPa. Nischenanwendung: konturgekühlte Spritzgussformen und Werkzeuge mit hohem Verschleißgrad.

• Kupferlegierungen (CuCrZr): Die thermische und elektrische Leitfähigkeit ist allen anderen SLM-Legierungen weit überlegen. Die Verarbeitung ist schwierig; der Aufwand lohnt sich nur, wenn die Leitfähigkeit das Hauptkriterium ist.

Schränken Sie die Auswahl auf eine Produktfamilie ein und verwenden Sie dann die untenstehende Vergleichstabelle, um die passende Klassenstufe auszuwählen.

Schritt 3: Prüfen Sie die Prozesskompatibilität. Nicht jede Legierung eignet sich gleichermaßen für das SLM-Verfahren. 316L und AlSi10Mg sind ausgereifte Optionen mit hoher Erfolgsquote. Aluminium- und Kupferlegierungen der Klasse 6061 erfordern spezielle Parameter und sind nicht ohne Weiteres einsetzbar. Wenn Ihr Team noch keine Erfahrung mit der additiven Fertigung von Metallen hat, beginnen Sie mit einem bewährten Material und erweitern Sie die Anwendung auf anspruchsvollere Legierungen, sobald der Prozess stabil ist.

Schritt 4: Nachbearbeitung planen. Die Eigenschaften im Druckzustand entsprechen selten den endgültigen Eigenschaften. 17-4PH benötigt eine H900-Aushärtung, um seine Nennfestigkeit zu erreichen. Ermüdungskritische Ti-6Al-4V-Bauteile erfordern häufig eine Heißisostatische Pressung (HIP). Die meisten Bauteile benötigen eine CNC-Nachbearbeitung an kritischen Stellen.

Schritt 5: Validierung mit einem Testbausatz. Die Chargenstreuung bei der additiven Fertigung von Metall ist höher als die der CNC-Fertigung. Fertigen Sie ein einzelnes Testteil an, fordern Sie einen CMM-Prüfbericht und ein Materialprüfzeugnis (MTR) an und überprüfen Sie die Daten, bevor Sie die Serienproduktion aufnehmen. Dieses Validierungsverfahren entspricht der üblichen Vorgehensweise bei der Qualifizierung von Bauteilen aus additiver Fertigung von Metall.

Acht Metall-3D-Druckmaterialien im Vergleich auf einen Blick

Die folgende Tabelle umfasst acht Legierungen, die häufig für den SLM-Metall-3D-Druck angefragt werden.

Warum 6061 schwierig ist und wie man es ausdruckt

6061-Aluminium ist die CNC-Bearbeiterin/der CNC-Bearbeiter am besten vertraute Legierung und gleichzeitig eine der anspruchsvollsten für das selektive Laserschmelzen (SLM). Seine hohe Laserreflexion und der breite Erstarrungsbereich führen zu einer starken Heißrissneigung. Empfohlene Vorgehensweise:

1. Optimierte Laserparameter: höherer Energieeintrag, kontrollierte Leistung, Scangeschwindigkeit und Linienabstand zur Gewährleistung vollständigen Aufschmelzens.
2. Vorwärmen des Substrats: Durch den reduzierten Temperaturgradienten werden Eigenspannungen und Rissbildung minimiert.
3. Insel-Scanstrategie: Unterteilte Schichten werden in rotierenden Mustern abgetastet, um eine verbesserte Wärmeverteilung zu erzielen.
4. Nachbearbeitung mittels HIP + Wärmebehandlung: Schließt Restporosität und stellt die mechanischen Eigenschaften wieder her.

Wenn Ihre Konstruktion AlSi10Mg zulässt, verwenden Sie es. Falls 6061 unabdingbar ist, planen Sie zusätzliche Kosten für Prozesskontrolle und Nachbearbeitung ein.

Nachbearbeitung: Vom Druckergebnis zum gebrauchsfertigen Dokument

Ein im 3D-Druckverfahren hergestelltes Metallteil stellt einen Zwischenschritt dar. Die endgültigen mechanischen Eigenschaften und die Maßgenauigkeit hängen davon ab, was nach dem Abkühlen der Bauplatte geschieht.

Heißisostatisches Pressen (HIP). Hochdruck-Argon bei erhöhter Temperatur reduziert die innere Porosität. Dieses Verfahren ist unerlässlich für ermüdungskritische und druckbeaufschlagte Bauteile. In einem Projekt von FastPreci wurde ein Düsenbogen aus 316L-Stahl einer HIP-Behandlung und einer Lösungsglühung unterzogen, um die innere Porosität zu verringern und den Materialzustand zu stabilisieren. Anschließend wurde ein komplexer, für Schneidwerkzeuge unzugänglicher Innenkanal durch Schlämmhonen auf eine Oberflächenrauheit von Ra 3.2 bearbeitet.

Wärmebehandlung. Spannungsarmglühen stabilisiert die Abmessungen von additiv gefertigten Metallbauteilen. Lösungsglühen mit anschließender Auslagerung erschließt die volle Festigkeit ausscheidungshärtender Metalle: 17-4PH erreicht nach H900 eine Zugfestigkeit von ca. 1,300 MPa, was etwa 30 % höher ist als im unbehandelten Zustand. Inconel 718 benötigt gemäß AMS 5663 Lösungsglühen und Auslagern, um die spezifizierte Hochtemperaturleistung zu erreichen.

CNC-Nachbearbeitung. Die Maßtoleranz beim SLM-Verfahren liegt typischerweise zwischen ±0.1 und 0.2 mm. Durch CNC-Bearbeitung kritischer Merkmale lässt sich diese auf ±0.005 mm reduzieren. Ein hybrider Workflow vereint die Vorteile beider Verfahren: Die komplexe Geometrie wird gedruckt, und nur die Oberflächen, die Präzision erfordern, werden nachbearbeitet.

Oberflächenbearbeitung. Standardmäßig wird Kugelstrahlen durchgeführt. Polieren, Vernickeln und Passivieren von Edelstählen sind ebenfalls möglich. Bitte geben Sie die Funktion vor der Wahl der Oberflächenbearbeitung an: Eine geringere Rauheit kann bei Dichtflächen, Passflächen oder Fluidkanälen erforderlich sein; kosmetische Oberflächen benötigen unter Umständen nur gleichmäßiges Kugelstrahlen; korrosionsgefährdetes Aluminium muss gegebenenfalls beschichtet oder anodisiert werden. Merkmale, die einen kontrollierten Ra-Wert oder eine ebene Dichtfläche erfordern, sollten vor der Oberflächenbearbeitung CNC-gefräst werden. Eine vollständige Liste der Oberflächenbearbeitungsoptionen finden Sie auf unserer Leistungsseite.

Drei Auswahlfehler, die Zeit und Geld kosten

Diese Muster treten bei AM-Metallprojekten immer wieder auf. Alle drei lassen sich vermeiden, wenn sie bei der Materialauswahl berücksichtigt werden.

Material-Prozess-Diskrepanz. Die Auswahl eines Materials anhand seiner Eigenschaften im geschmiedeten Zustand, ohne die Eignung für das SLM-Verfahren zu prüfen, ist ein Paradebeispiel. Aluminium 6061 ist Standard in jeder CNC-Werkstatt, aber bekanntermaßen schwierig im Laser-Pulverbett-Schmelzen zu verarbeiten. Bevor Sie sich für ein Material entscheiden, vergewissern Sie sich, dass es für Ihren angestrebten AM-Prozess ausgereift und gut charakterisiert ist.

Überdimensionierte Güte. Inconel 718 wird spezifiziert, obwohl 316L die Korrosions- und Temperaturanforderungen erfüllt. Die Kostenunterschiede beschränken sich nicht nur auf den Pulverpreis. Inconel erfordert eine strengere Prozesskontrolle, aggressivere Stützstrukturen und eine obligatorische Lösungs- und Alterungsbehandlung. Die Gesamtkosten des Bauteils können drei- bis fünfmal höher sein als die eines vergleichbaren 316L-Bauteils.

Die Nachbearbeitung wird im ursprünglichen Budget nicht berücksichtigt. Der Druck selbst ist ein separater Kostenposten. HIP, Wärmebehandlung, CNC-Bearbeitung und Oberflächenbehandlung sind separate Arbeitsschritte mit jeweils eigenen Bearbeitungszeiten und Kosten. Bei Nickel- und Titanlegierungen können die Kosten für die Nachbearbeitung die Druckkosten übersteigen.

Häufig gestellte Fragen zu Metall-3D-Druckmaterialien

Welches ist das stärkste 3D-gedruckte Metall?

Maraging-Stahl (1.2709) erreicht nach der Aushärtung eine Zugfestigkeit von ca. 2,000 MPa und weist damit die höchste Festigkeit unter den gängigen SLM-Legierungen auf. Inconel 718 behält seine Eigenschaften auch bei Temperaturen über 650 °C. Für allgemeine Anwendungen mit hohen Festigkeitsanforderungen bietet 17-4PH H900 das beste Verhältnis von Festigkeit und Kosten.

Lässt sich Aluminium 6061 im 3D-Druckverfahren herstellen?

Ja, mit optimierten Laserparametern, Substratvorwärmung und HIP-Nachbehandlung. AlSi10Mg ist das Standard-SLM-Aluminium und sollte die erste Wahl sein, es sei denn, die Anwendung erfordert ausdrücklich 6061. Details zum Prozess finden Sie in Abschnitt 2.

Ist HIP für jedes Metall-AM-Bauteil notwendig?

Nein. HIP ist für ermüdungskritische Strukturbauteile und druckführende Komponenten erforderlich, bei denen innere Porosität unzulässig ist. Für Halterungen, Gehäuse und nichttragende Teile ist Spannungsarmglühen oft ausreichend. Besprechen Sie die Anwendungsanforderungen mit Ihrem Hersteller.

Welche Toleranzen sind beim 3D-Metalldruck möglich?

SLM liefert typischerweise eine Toleranz von ±0.1 bis 0.2 mm bei allgemeinen Abmessungen, abhängig von Bauteilgröße, Geometrie, Ausrichtung und Nachbearbeitung. Kritische Bohrungen, Gewinde, Bezugsflächen und Dichtflächen werden mit Bearbeitungszugabe konstruiert und anschließend per CNC-Bearbeitung auf die erforderliche Toleranz gebracht.

Wann ist der 3D-Metalldruck kostengünstiger als die CNC-Bearbeitung?

Die additive Fertigung von Metallen ist besonders wettbewerbsfähig, wenn das Bauteil interne Kanäle, Gitterstrukturen, integrierte Baugruppen oder Geometrien aufweist, die mehrere CNC-Aufspannungen erfordern. Für einfache prismatische Bauteile oder die Serienfertigung größerer Stückzahlen ohne AM-spezifische Geometrie ist die CNC-Bearbeitung in der Regel die kostengünstigere Option. Vergleichen Sie die Kosten des fertigen Bauteils inklusive Nachbearbeitung und nicht nur die reinen Druckkosten.

Beginnen Sie mit dem richtigen Material

Die Wahl einer Legierung für den 3D-Metalldruck beginnt mit den tatsächlichen Einsatzbedingungen des Bauteils. Das richtige Material ermöglicht zuverlässiges Drucken, passt zur Anwendungsumgebung und bietet ausreichend Budgetspielraum für die Nachbearbeitung, die aus einem Rohling ein fertiges Bauteil macht.

Laden Sie Ihre CAD-Datei hoch und erhalten Sie eine kostenlose DFM-Analyse inklusive Materialempfehlung. Wir informieren Sie über die passende Legierung, die notwendigen Nachbearbeitungsschritte und den gesamten Zeitrahmen.