Metallpulver für den 3D-Druck: Gasverdüsung, Morphologie & PSD
Ingenieur-Leitfaden zur Pulverherstellung für LPBF und DED: Vakuum-Induktions-Gasverdüsung (VIGA), Plasmazerstäubung (PREP), Partikelgrößenverteilung (PSD) und Sphärizität.
Die Qualität jedes additiv gefertigten Bauteils im Pulverbettverfahren (LPBF) oder Pulver-DED wird primär von der Beschaffenheit des Rohstoffpulvers diktiert. Partikelmorphologie (Sphärizität), Partikelgrößenverteilung (PSD), Fließfähigkeit (Hall-Flow) und chemische Gasreinheit entscheiden über Schichtauftrag, Schmelzbadruhe und Restporosität. Modernste Zerstäubungsverfahren – von der Vakuum-Induktions-Gasverdüsung (VIGA) über tiegelfreie Elektroden-Induktions-Gasverdüsung (EIGA) bis hin zur Plasmazerstäubung (PREP) – stellen hochsphärische, satellitenfreie Pulver nach ASTM B213 und ASTM B822 her.
- Hochsphärische Partikel ohne Satelliten gewährleisten homogene Schüttdichte und fehlerfreien Schichtauftrag.
- PSD-Standards: 15 bis 53 µm für LPBF-Pulverbetten, 45 bis 150 µm für Laser-DED und PTA-Auftragschweißen.
- Tiegelfreies EIGA- und PREP-Verfahren verhindert keramische Oxideinschlüsse bei Titan und Refraktärmetallen.
- Gasporosität im Pulverkorn (Hohlkugeln durch eingeschlossenes Argon) führt direkt zu Bauteilmikroporen.
Technische Kennwerte & Verfahrensvergleich
ISO/ASTM 52900| Verfahren | Vakuum-Gasverdüsung (VIGA) | Elektroden-Gasverdüsung (EIGA) | Plasma-Rotationszerstäubung (PREP) |
|---|---|---|---|
| Schmelzführung | Keramik-Tiegel (Induktion) | Tiegelfrei (Stangenelektrode) | Tiegelfrei (rotierende Stange + Plasma) |
| Metallreinheit | Sehr gut (Edelstahl, Ni-Basis) | Höchste Reinheit (Titan, Zr) | Absoluteste Reinheit (keine Keramik) |
| Sphärizität | Gut bis sehr gut (einige Satelliten) | Sehr gut (hohe Sphärizität) | Perfekt kugelförmig (satellitenfrei) |
| Innere Pulverporosität | Geringe Gasblaseneinschlüsse | Sehr gering | Nahezu 0 % (hohlraumfrei) |
| Herstellkosten | Wirtschaftlich / Standard | Gehoben | Sehr hoch / Spezialpulver |
Verdüsungstechnologien: VIGA vs. EIGA vs. Plasma
Bei VIGA schmilzt die Legierung in einem Keramiktiegel und fließt durch eine Düse, wo Überschall-Argonstrahlen den Schmelzstrahl in Millionen Tröpfchen zerreisen. Bei reaktiven Metallen (Titan) würde Schmelzkontakt mit Keramiktiegeln zur Sauerstoffaufnahme führen. Daher nutzt man EIGA: Eine rotierende Titanstange wird berührungslos durch Induktion abgeschmolzen; die Schmelze tropft direkt in die Gasdüse – absolut frei von Tiegelabrieb.
Partikelgrößenverteilung (PSD) und die D10-, D50-, D90-Werte
Eine ideale PSD nach ASTM B822 weist eine Gaußkurve auf. D10 bezeichnet den Durchmesser, unter dem 10 % der Partikelmasse liegen; D50 ist der Median; D90 die Obergrenze. Zu viele Feinanteile (< 10 µm) führen zu elektrostatischer Aufladung, Verklumpung und schlechtem Fließen. Zu viele Grobpartikel (> 53 µm) blockieren die Beschichterklinge und schmelzen bei 40 µm Schichtdicken nicht vollständig auf (Bindefehler).
Innere Porosität: Das Phänomen der Hohlsphären (Argon Trapping)
Beim Auftreffen der Gasstrahlen auf flüssige Tröpfchen wird mitunter Schutzgas (Argon) in der Tröpfchenmitte eingeschlossen, bevor es erstarrt. Diese winzigen Hohlsphären gelangen ins Bauteil: Im Schmelzbad kann das unlösliche Argon nicht entweichen und hinterlässt permanente Mikrogasporen. Hochwertige Pulver werden daher mit Röntgen-Mikrotomographie auf Porosität geprüft.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Wie wird die Fließfähigkeit von Metallpulver gemessen?
Wie oft darf Metallpulver im LPBF wiederverwendet werden?
Können feine Pulver explodieren?
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