Atomisierung Hochwertiges Edelstahlpulver in der additiven Fertigung 3D-Druck

Die primäre Methode zur Herstellung von hochwertigem Edelstahlpulver ist die Zerstäubung. Dieser Prozess beinhaltet die Umwandlung von geschmolzenem Edelstahl in ein feines Sprüh von Tröpfchen, die zu Pulverpartikeln erstarren. Die beiden Haupttypen sind:

Geschmolzener Stahl wird durch einen Hochdruckwasserstrahl zerlegt. Dieses schnelle Abschrecken erzeugt unregelmäßig geformte Partikel mit einer hohen Oberfläche. Diese Pulver sind ideal für Press-und-Sinter Techniken (wie Metal Injection Molding), da die unregelmäßige Form eine gute Grünfestigkeit und Teileintegrität vor dem Sintern ermöglicht. Sie sind im Allgemeinen wirtschaftlicher, haben aber einen höheren Sauerstoffgehalt.

Ein Inertgas (typischerweise Argon oder Stickstoff) wird verwendet, um den geschmolzenen Metallstrom aufzubrechen. Dies führt zu kugelförmigen, satellitenfreien Partikeln mit einer glatten Oberfläche. Diese Pulver haben:

• Geringer Sauerstoffgehalt: Entscheidend für gute mechanische Eigenschaften und Schweißbarkeit.
• Ausgezeichnete Fließfähigkeit: Essentiell für das Aufbringen dünner, gleichmäßiger Schichten in der Additiven Fertigung (3D-Druck).
• Hohe Packungsdichte: Vorteilhaft für Prozesse wie Heißisostatisches Pressen (HIP).

Andere Methoden umfassen das Plasma Rotating Electrode Process (PREP) und Elektrolyse, aber die Zerstäubung ist die gebräuchlichste für industrielle Mengen.

Die Leistung von Edelstahlpulver wird durch mehrere kritische Eigenschaften definiert:

• Partikelgrößenverteilung (PSD): Gemessen in Mikrometern (µm). Eine typische PSD für die Additive Fertigung könnte 15-45 µm betragen, während sie für Metal Injection Molding 2-20 µm betragen könnte. Eine kontrollierte PSD ist für die Prozesswiederholbarkeit unerlässlich.
• Partikelform: Wie erwähnt, ist dies prozessabhängig (kugelförmig für AM, unregelmäßig für MIM).
• Scheinbare Dichte: Die Masse pro Volumeneinheit des unverdichteten Pulvers. Eine höhere Dichte wird oft für eine bessere Packung bevorzugt.
• Fließfähigkeit: Die Zeit, die eine bestimmte Pulvermenge benötigt, um durch einen standardisierten Trichter zu fließen. Entscheidend für automatisierte AM- und Press-und-Sinter-Prozesse.
• Chemische Zusammensetzung: Muss den Spezifikationen der gewünschten Edelstahlsorte entsprechen (z. B. 316L, 17-4PH). Zu den Hauptelementen gehören Chrom (für Korrosionsbeständigkeit), Nickel (für austenitische Struktur und Zähigkeit) und Molybdän (für erhöhte Lochfraßkorrosionsbeständigkeit).
• Pyrophorizität: Feine Metallpulver können brennbar oder explosiv sein, wenn sie in der Luft suspendiert sind. Edelstahlpulver ist weniger pyrophor als einige Metalle (wie Aluminium), erfordert aber dennoch eine sorgfältige Handhabung, um Staubexplosionen zu verhindern.

• 316L: Die am häufigsten verwendete Sorte für die additive Fertigung und MIM. Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, gute mechanische Eigenschaften und Biokompatibilität. Wird in Anwendungen in der Schifffahrt, Chemie, Medizin und Lebensmittelverarbeitung eingesetzt.
• 304L: Ähnlich wie 316L, aber mit weniger Nickel und ohne Molybdän, wodurch es etwas weniger korrosionsbeständig, aber wirtschaftlicher ist.

• 17-4PH (630): Kann nach der Herstellung wärmebehandelt werden, um eine sehr hohe Festigkeit und Härte bei gleichzeitiger Beibehaltung einer guten Korrosionsbeständigkeit zu erzielen. Wird für Luft- und Raumfahrtkomponenten, Zahnräder und hochbelastete Konstruktionsteile verwendet.
• 420: Bietet nach der Wärmebehandlung eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit, jedoch mit geringerer Korrosionsbeständigkeit als austenitische Sorten. Wird für Besteck, Formen und chirurgische Instrumente verwendet.

• Duplex 2205: Verfügt über eine gemischte Mikrostruktur aus Austenit und Ferrit, was zu einer sehr hohen Festigkeit und ausgezeichneten Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion führt. Wird in der Offshore-Öl- und Gas- und Chemieindustrie eingesetzt.

Edelstahlpulver ist der Ausgangsstoff für mehrere fortschrittliche Fertigungstechnologien:

• Laser Powder Bed Fusion (L-PBF): Ein Laser schmilzt selektiv Schichten aus Pulver, um komplexe, leichte und integrierte Komponenten direkt aus einem CAD-Modell zu erstellen.
• Binder Jetting: Ein flüssiges Bindemittel wird auf das Pulverbett gespritzt, um ein "grünes" Teil zu bilden, das später in einem Ofen gesintert wird.
• Directed Energy Deposition (DED): Pulver wird in ein Schmelzbad geblasen, das durch einen Laser oder Elektronenstrahl erzeugt wird, typischerweise zur Reparatur oder zum Hinzufügen von Merkmalen zu vorhandenen Teilen.

Pulver wird mit einem Polymerbinder gemischt, um einen Ausgangsstoff zu erzeugen, der in eine Form spritzgegossen wird. Der Binder wird dann entfernt (Entbinden) und das Teil wird auf nahezu volle Dichte gesintert. Ideal für die Massenproduktion kleiner, komplexer Teile.

Pulver wird in einen Behälter gegeben und hohem Druck und isostatischem Gasdruck ausgesetzt, wodurch es zu einem vollständig dichten, nahezu endkonturnahen Barren oder einer Komponente verdichtet wird.

Pulver wird in einer starren Form gepresst, um einen "grünen" Rohling zu bilden, der dann in einem Ofen mit kontrollierter Atmosphäre gesintert wird. Üblich für die Herstellung von Filtern und porösen Komponenten.

• Konstruktionsfreiheit: Ermöglicht die Herstellung von hochkomplexen Geometrien, internen Kanälen und Gitterstrukturen.
• Materialeffizienz: Nahezu endkonturnahe Verfahren minimieren den Materialabfall im Vergleich zur subtraktiven Bearbeitung.
• Teilekonsolidierung: Mehrere Komponenten können als ein einziges Teil konstruiert und gedruckt werden, was die Zuverlässigkeit verbessert und die Montage reduziert.
• Ausgezeichnete Eigenschaften: Fertigteile können mechanische Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit erreichen, die mit ihren gewalzten Gegenstücken vergleichbar sind und diese manchmal sogar übertreffen.
• Massenproduktion: Verfahren wie MIM ermöglichen die Großserienproduktion komplizierter Teile.

Edelstahlpulver erfordert strenge Sicherheitsprotokolle:

• Explosionsschutz: Muss in inerter Atmosphäre (z. B. Stickstoff) oder mit explosionsgeschützten Geräten gelagert und gehandhabt werden. Eine ordnungsgemäße Erdung ist unerlässlich, um statische Entladungen zu verhindern.
• Gesundheit und Sicherheit: Das Einatmen von feinem Metallpulver ist gesundheitsschädlich. Operationen müssen in gut belüfteten Bereichen oder innerhalb geschlossener Systeme (wie AM-Druckern) durchgeführt werden, und das Personal sollte geeignete persönliche Schutzausrüstung (PSA) wie Atemschutzgeräte verwenden.
• Lagerung:In einem kühlen, trockenen Ort in versiegelten Behältern lagern, um Feuchtigkeitsaufnahme und Oxidation zu verhindern.