Pulverherstellung für die Additive Fertigung

1. Einleitung: Die Grundlage jedes Meisterwerks

Der Metall-3D-Druck (insbesondere PBF und Binder Jetting) ist nur so gut wie das Pulver, das in die Maschine geschüttet wird. Ist das Pulver klumpig, ungleichmäßig oder verunreinigt, wird das fertige Bauteil Poren aufweisen, mechanisch versagen oder den Beschichter der Maschine blockieren.

Aber wie macht man aus einem harten Block Titan oder Edelstahl eigentlich mikroskopisch kleine, perfekt runde (sphärische) Pulverkugeln? Dieses Whitepaper erklärt die Hochtechnologie der Metallpulver-Atomisierung.

2. Gasverdüsung (Gas Atomization - GA)

Dies ist der weltweite Standardprozess für die Massenproduktion von AM-Pulvern (Edelstahl, Aluminium, Inconel).

• Der Prozess: Das Rohmetall wird in einem Induktionsofen geschmolzen. Die Schmelze fließt durch ein winziges Rohr nach unten. Am Ende des Rohres (der Düse) wird das flüssige Metall von einem Hochdruck-Gasstrahl (meist Argon oder Stickstoff) getroffen und mit enormer Gewalt zerstäubt.
• Die Erstarrung: Die zerstäubten Flüssigmetall-Tröpfchen fallen in einem großen Turm (Atomization Tower) nach unten. Während des Falls kühlen sie ab und erstarren zu runden Festkörper-Partikeln, bevor sie den Boden berühren.
• Vorteile: Hohe Ausbeute, relativ günstig, gut skalierbar.
• Nachteile: Es entstehen oft sogenannte "Satelliten" – winzige Pulverpartikel, die mit größeren Partikeln verschmelzen und diese unrund (kartoffelförmig) machen. Zudem kann Argongas in der Schmelze eingeschlossen werden, was später im 3D-Druck zu unerwünschten Gasporen im Bauteil führt.

3. Plasma-Atomisierung (Plasma Atomization - PA)

Dieses Premium-Verfahren wird oft für extrem reaktive Metalle mit hohem Schmelzpunkt, insbesondere Titan (Ti6Al4V), eingesetzt. Pioniere sind hier Firmen wie AP&C (eine GE Additive Tochter).

• Der Prozess: Anstatt einen flüssigen Metallstrahl zu zerstäuben, wird das Metall in Form eines Drahtes in die Kammer geführt. Dort treffen drei Plasma-Brenner (ca. 10.000 °C) auf die Spitze des Drahtes. Das Metall verdampft/schmilzt augenblicklich und wird in perfekte, winzige Tröpfchen zerrissen.
• Vorteile: Das Pulver ist extrem rund (perfekte Sphärizität), frei von Gasporen und enthält fast keine Satelliten. Es fließt exzellent im 3D-Drucker.
• Nachteile: Die Produktion ist extrem teuer und energieintensiv.

4. Rotierende Elektrode (PREP)

PREP steht für Plasma Rotating Electrode Process.

• Der Prozess: Ein massiver Stab aus dem gewünschten Metall rotiert mit extrem hoher Geschwindigkeit (bis zu 20.000 U/min). Ein Plasmabogen schmilzt die Spitze des Stabes ab. Durch die Fliehkraft werden feinste Tröpfchen weggeschleudert, die im Flug abkühlen.
• Vorteile: Höchste Reinheit (kein Tiegelkontakt der Schmelze), keine Gas-Einschlüsse.

5. Klassifizierung und Sieben (Sieving)

Egal welches Verfahren genutzt wird: Am Ende fällt aus dem Turm eine Mischung aus Partikeln von 1 µm bis 200 µm.

Da PBF-Drucker nur Pulver von ca. 15-45 µm benötigen (DED-Anlagen nutzen gröberes Pulver, 45-106 µm), muss das Pulver aufwendig gesiebt oder per Windsichten (Air Classification) sortiert werden. Das zu grobe oder zu feine Pulver wird (falls möglich) wieder eingeschmolzen. Diese geringe Ausbeute an exakt der "richtigen" Fraktion (oft nur 30 bis 50 %) erklärt den hohen Kilopreis von AM-Spezialpulvern.

6. Fazit: Qualität hat ihren Preis

Der Versuch, im 3D-Druck Kosten zu sparen, indem man billiges, "unrundes" oder schlecht klassifiziertes Metallpulver (oder gar Schweißpulver) kauft, rächt sich sofort in porösen Bauteilen, schlechter Maßhaltigkeit und im schlimmsten Fall zerstörten Beschichterlippen. Die Atomisierung ist eine eigene Hightech-Branche, deren Perfektion die Grundlage für die Erfolgsgeschichte des Metall-3D-Drucks darstellt.