Wie sich Beschichtungsanlagen für die additive Fertigung von Metall auf die Fertigungsqualität auswirken

27. Juli 2022 | Lesezeit: 4 min

Die Wahl eines Additive Manufacturing Beschichterklingen für Ihre 3D-Druckaufträge aus Metall mag eine schwierige Entscheidung sein, aber was wäre, wenn wir Ihnen sagen würden, dass das nicht so sein muss? Unser Forschungsteam hat mit Kombinationen von Beschichtungsmitteln und Pulvern für die additive Fertigung experimentiert, um Ihnen ein besseres Verständnis dafür zu vermitteln, wie sie sich auf die Qualität Ihrer Konstruktionen auswirken.

Was sind die verschiedenen Beschichtungsmaterialien?

Es gibt verschiedene Arten von Beschichterklingen, die jeweils aus einem anderen Material hergestellt und für einen anderen Zweck verwendet werden. Im Allgemeinen lassen sie sich jedoch in zwei Kategorien einteilen: weich und hart.

Weiche Beschichtungsmesser haben eine Elastomerlippe oder eine Kohlebürste und werden im Allgemeinen für empfindlichere Projekte verwendet, die eine feinere Ausarbeitung des fertigen Teils erfordern. Diese Art von Wiederbeschichtungsmesser kann sich um Unebenheiten herum biegen, was das Risiko von Arbeitsunterbrechungen aufgrund von Verstopfungen des Wiederbeschichtungsmessers verringert, aber dies kann bedeuten, dass die Teile weniger makellos fertiggestellt werden. Weiche Beschichtungsgeräte sind auch für Teile mit hohem Aspektverhältnis und großer Oberfläche geeignet.

Hartauftragsmesser können aus Schnellarbeitsstahl (HSS) oder einer Zirkoniumoxid-Keramikklinge hergestellt werden, die sich ideal für magnetische Metallpulveraufbauten eignet. Harte Recoater bieten ein höheres Maß an Teilequalität und Wiederholbarkeit und verbessern die Material- und Prozessentwicklung, weshalb sie die bevorzugte Wahl für EOS 3D-Drucker sind. Da die Klinge nicht so nachgiebig ist wie bei einem weichen Recoater, ist ein harter Recoater nicht die beste Wahl, wenn feine Strukturen hergestellt werden müssen.

Prüfung der Beschichtungssysteme für die additive Fertigung

Um herauszufinden, ob eine andere Kombination aus Beschichtungsmaterial und Metallpulver einen Einfluss auf die Endqualität einer Konstruktion hat, haben wir drei Beschichtungsmaterialien und drei Druckmaterialien für eine Reihe von Vergleichstests ausgewählt.

Die drei ausgewählten Metalle waren EOS Aluminium AlSi10Mg, EOS Titan Ti64 und EOS MaragingSteel MS1. Wir haben diese drei besonderen, weit verbreiteten Metallpulver ausgewählt, weil jedes von ihnen unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Das Aluminiumpulver ist eine leichte Legierung, die häufig in der Luft- und Raumfahrt und bei Mobilitätsanwendungen eingesetzt wird, während das Titan ein wesentlich dichteres und robusteres Material ist, das in verschiedenen Industriezweigen verwendet wird, vor allem bei der Herstellung medizinischer Implantate. Das Stahlpulver ist unser magnetisches Material, das häufig bei der Herstellung von Werkzeugen verwendet wird. Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale dieser Pulver im Hinblick auf unser Experiment sind ihre unterschiedlichen Dichten und die Verteilung der Pulverpartikel, so dass wir beobachten können, wie sich die verschiedenen Beschichtungsgeräte auf eine Reihe von Pulvertypen auswirken.

Jedes Metall wurde mit denselben weichen Beschichtungen getestet - der Silikonlippe und der Kohlebürste. Aufgrund seiner magnetischen Eigenschaften wurde das Stahlpulver mit einer harten Keramikklinge getestet, während die beiden anderen Metalle mit dem HSS-Auftragsschweißgerät bearbeitet wurden.

Wir zeichneten verschiedene standardisierte Konstruktionen auf, damit sie direkt miteinander verglichen werden konnten. Für das erste Auftragslayout wurden eine Reihe einfacher Formen, wie Zylinder in verschiedenen Ausrichtungen und Würfel, angeordnet. Dieser Auftrag wurde insgesamt sieben Mal ausgeführt - einmal für jede Beschichter-Pulver-Kombination sowie eine Standard-"Kontroll"-Version.

Ein zweiter Auftrag diente speziell dazu, die Elastomerklingen für den Druck feiner Details zu testen. Zu den Teilen in diesem Auftrag gehörten eine zusätzliche Gitterkugel und ein Schachturm mit einer filigranen Innenstruktur, um die Fähigkeiten der Recoater wirklich zu testen. Für diesen zweiten Auftrag wurde die Hälfte der Bauplattform absichtlich leer gelassen, damit wir beobachten konnten, wie sich die beschädigte Klinge nach Fertigstellung der Teile auf das Pulverbett auswirkte.

Was haben wir gefunden?

Einfach ausgedrückt: Wir haben keinen wirklichen Unterschied zwischen den einzelnen Beschichtungsmitteln festgestellt, unabhängig davon, welches Metallpulver verwendet wird. Das soll nicht heißen, dass es überhaupt keinen Unterschied zwischen den hergestellten Teilen gab, sondern nur, dass je nachdem, welcher Wiederbeschichter für ein bestimmtes Pulver verwendet wurde, kein erkennbarer Unterschied zu verzeichnen war. Wenn jeder Recoater beim Drucken mit Titanpulver verwendet wurde, waren zum Beispiel alle hergestellten Teile ziemlich gleich.

Um festzustellen, wo die Unterschiede liegen könnten, wurden bei jedem Modell drei Hauptaspekte untersucht. Erstens haben wir uns die Leistung von Beschichterklingen angeschaut, um festzustellen, ob eine bestimmte Kombination aus Beschichtungsstoff und Pulver eher zum Verklemmen neigt. Zweitens untersuchten wir die Gesamtqualität der fertigen Teile, um festzustellen, ob sie sich von anderen unterscheiden - die mechanischen Eigenschaften und die Porosität der hergestellten Teile. Und drittens analysierten wir das Pulverbett nach dem Bau, um etwaige Störungen des Baumaterials, wie z. B. Pulververklumpungen", festzustellen, bei denen Pulver unterschiedlicher Dichte unterschiedlich auf den gewählten Recoater reagieren können.

Bei allen Recoater-Pulver-Kombinationen stellten wir fest, dass die Leistung des Druckers, die Fertigungsqualität und die Integrität des Pulverbetts alle innerhalb der erforderlichen Parameter für eine "gute Fertigung" lagen. Es wurden einige sehr geringe Abweichungen festgestellt, von denen wir annahmen, dass sie auf einen Wechsel der Materialcharge zurückzuführen sein könnten.

Was haben wir gelernt?

Bei unseren Untersuchungen haben wir festgestellt, dass es aus Sicht der Fertigungsqualität keine Rolle spielt, welche Kombination von Metallpulver und Beschichtungsstoff Sie verwenden. Was zählt, ist der beabsichtigte Zweck des Teils, das Sie herstellen. Jedes der getesteten Metallpulver und Beschichtungen bietet Vorteile für verschiedene praktische Anwendungen. Die Verwendung des richtigen Metalls für das richtige Teil ist das primäre Ziel, während die Verwendung eines Beschichtungsmittels, das dem Teil die bestmögliche Leistung verleiht, erst an zweiter Stelle steht.

Aufgrund der kleinen Mängel, die wir festgestellt haben, sind wir nun neugierig darauf, unsere Forschung fortzusetzen, um herauszufinden, wie sich mögliche Verunreinigungen durch wechselnde Pulver und Beschichtungsmaterialien im 3D-Drucker auf die Leistung von Teilen auswirken können, die von einem Auftrag zum nächsten hergestellt werden. Darauf wird sich unsere nächste Phase der Forschung konzentrieren: Wir werden die Teile und das Pulverbett chemisch analysieren, um festzustellen, ob es Verunreinigungen gibt und ob sich diese auf die längerfristigen praktischen Anwendungen von Teilen auswirken, die mit verschiedenen Beschichtungspulver-Kombinationen hergestellt wurden.

Erfahren Sie mehr über die Details unserer Forschung zur Bauqualität verschiedener Metallbeschichtungspulver-Kombinationen, indem Sie unser Whitepaper herunterladen.