3D-Druck mit Aluminium: Auswahl der richtigen Legierung und des richtigen Verfahrens

Warum eine einzige Legierung für die industrielle additive Fertigung nicht ausreicht

In den meisten Leitfäden zur Aluminium-Additivfertigung wird AlSi10Mg als einzige Option behandelt. Bei einer Halterung an einem Satellitenpanel, die eine echte strukturelle Belastung trägt, oder bei einem Motorsportbauteil, bei dem jedes Gramm zählt, führt diese Annahme entweder zu überdimensionierten Bauteilen oder – schlimmer noch – zu unterdimensionierten Bauteilen, die im Einsatz versagen.

Drei Faktoren sind ausschlaggebend für die richtige Wahl der Legierung und des Verfahrens bei industriellen Aluminiumteilen:

• Mechanische Belastung: Welche Streckgrenze und Zugfestigkeit muss das Bauteil unter Betriebsbedingungen aufweisen?

• Geometrische Komplexität und Größe: Passt das Bauteil in den Bauraum des LPBF, oder erfordert seine Größe ein anderes Verfahren?

• Toleranzanforderungen: Reichen die Toleranzen der LPBF-Fertigteile aus, oder müssen funktionale Oberflächen nachträglich per CNC bearbeitet werden?

Wenn man diese drei Punkte vor der Materialauswahl richtig berücksichtigt, spart man Nacharbeiten, vermeidet eine Überdimensionierung und hält die Beschaffungskosten im Rahmen.

AlSi10Mg vs. Scalmalloy: Die Entscheidung für die Kernlegierung

Bei industriellen LPBF-Aluminiumteilen beschränkt sich die praktische Auswahl auf zwei Legierungen, die von europäischen Dienstleistern standardmäßig angeboten werden: AlSi10Mg und Scalmalloy. Die Entscheidungsregel ist einfach: Wenn das Teil Die Anforderung an die Streckgrenze liegt unter 270 MPa und Kosteneffizienz im Vordergrund steht, ist AlSi10Mg die Standardwahl. Wenn die Anwendung Streckgrenze über 400 MPa Bei der Dichte von Aluminium ist Scalmalloy die einzige LPBF-Option, die die Anforderungen erfüllt. Einen umfassenden Vergleich aller verfügbaren LPBF-Werkstoffe finden Sie in der LPBF-Werkstoffleitfaden.

AlSi10Mg: Das Arbeitstier für Gehäuse und Wärmetauscher

AlSi10Mg ist der Industriestandard für Aluminium im LPBF-Verfahren. Es bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit, Härte und Wärmeleitfähigkeit, und seine Korrosionsbeständigkeit Dadurch eignet es sich für Bauteile, die feuchten Umgebungen ausgesetzt sind. Im Auslieferungszustand erreicht es eine Streckgrenze von 210–270 MPa, eine Zugfestigkeit von 310–440 MPa und eine Bruchdehnung von 2–7 %. Eine T6-Wärmebehandlung erhöht die Dehnung von 2–7 % (im Rohzustand) auf 6–11 % bei einer moderaten Verringerung der Zugfestigkeit auf 270–345 MPa, was die bevorzugte Bedingung für Bauteile ist, die zyklischen Belastungen ausgesetzt sind.

Werte gemäß den MakerVerse-Datenblättern, Version 1.0.8. Bindungswerte auf Anfrage.

AlSi10Mg eignet sich gut für Gehäuse, Halterungen, Wärmetauscher und funktionale Prototypen, bei denen die Gewichtsreduzierung wichtiger ist als die maximale Belastbarkeit. Sein Kostenvorteil gegenüber Scalmalloy ist erheblich: Scandium, das Legierungselement, das Scalmalloy seine außergewöhnliche Festigkeit verleiht, ist ein Seltenerdmetall, das die Kosten pro Kilogramm erheblich in die Höhe treibt.

Scalmalloy: Aluminium für den Bau von Bauteilen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Motorsport

Scalmalloy ist eine Aluminium-Magnesium-Scandium-Legierung, die von APWORKS, einer Tochtergesellschaft von Airbus, für strukturelle Bauteile in der Luft- und Raumfahrt entwickelt wurde. Sie bietet eine Streckgrenze von 449–479 MPa sowie eine Zugfestigkeit von 490–520 MPa im standardmäßigen geglühten Zustand bei einer Bruchdehnung von 5–13 %. Entscheidend ist, dass seine Dichte von 2,67 g/cm³ praktisch identisch mit der von AlSi10Mg ist, was bedeutet, dass die Festigkeitssteigerung ohne Gewichtsnachteil einhergeht.

Werte gemäß den MakerVerse-Datenblättern, Version 1.0.8. Bindungswerte auf Anfrage.

Scalmalloy ist seit von der FIA als zulässiges Material für die additive Fertigung in der Formel 1 zugelassen, und seine Korrosionsbeständigkeit entspricht der einer Aluminiumlegierung der 5000er-Reihe. Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen Satellitenpaneele, Strukturhalterungen für die Luft- und Raumfahrt, Schwingarme für den Motorsport sowie Rahmen für Halbleitermaschinen, bei denen die Masse der Bauteile einen direkten Einfluss auf die Systemleistung hat.

Neue Optionen: 6061 und 7075

Beide Legierungen galten bislang aufgrund von Heißrissen während der Erstarrung als nicht mit dem LPBF-Verfahren druckbar. In einer in HRL Laboratories in Natur (Martin et al., 2017) Es wurde nachgewiesen, dass die Zugabe von Nanopartikeln auf Zirkoniumbasis zum Pulver rissfreie Mikrostrukturen mit Streckgrenzen ermöglicht, die mit denen von Kaltumformungsmaterial vergleichbar sind. Die kommerzielle Verfügbarkeit in Europa ist nach wie vor begrenzt; Ingenieure mit spezifischen Anforderungen an die Werkstoffe 6061 oder 7075 sollten sich projektbezogen erkundigen.

LPBF-Toleranzen in der Praxis: Wenn ±0,3 mm ausreichen

Die Standardtoleranz für LPBF beträgt ±0,3 mm bei Abmessungen bis zu 100 mm (±0,3 % jenseits von 100 mm) deckt den Großteil der Bauteile, Gehäuse und Halterungen ab, ohne dass eine Nachbearbeitung erforderlich ist. Bei einem 50-mm-Gehäusemerkmal bedeutet dies eine absolute Toleranz von ±0,3 mm, was für die meisten Baugruppen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Industrie deutlich innerhalb des Toleranzbereichs liegt.

Wenn die Toleranzen im Fertigungszustand nicht ausreichen, ist die CNC-Nachbearbeitung der Funktionsflächen die Standardlösung. Lagersitze, Gewindebohrungen und präzise Passflächen, die eine Passung von weniger als ±0,1 mm erfordern, werden routinemäßig durch die Nachbearbeitung dieser Oberflächen nach dem Druck erreicht. Dies ist kein Notbehelf, sondern in der Praxis für hochpräzise Aluminium-AM-Teile vorgesehen.

Bei der Konstruktion von Bauteilen aus LPBF-Aluminium gelten zwei strenge Vorgaben: eine Mindestwandstärke von 0,8 mm und eine relative Dichte von über 99,5 %. Das bedeutet, dass LPBF-Aluminiumbauteile vollverdichtet sind und wie konventionell hergestellte Metallteile wärmebehandelt werden können.

Wann sollte man WAAM anstelle von LPBF wählen?

Wenn ein Bauteil den LPBF-Bauraum (bis zu 500 × 500 × 500 mm) überschreitet oder wenn eine hohe Materialauftragsrate wichtiger ist als die Oberflächengüte, Additive Fertigung mit Drahtbogen (WAAM) ist die richtige Wahl. Für Bauteile, die feine Strukturen, innere Kanäle oder Toleranzen innerhalb des LPBF-Standards erfordern, bleibt LPBF das Standardverfahren.

Beim WAAM-Verfahren wird Metalldraht Schicht für Schicht mittels eines Lichtbogens aufgeschmolzen. Es erreicht Mindestwandstärken von 4 mm und eine Auflösung von 1 mm, was die Herstellung großer Aluminium-Strukturbauteile – wie beispielsweise Flügelrippen für die Luft- und Raumfahrt oder Komponenten für Industriekräne – ermöglicht, die die Kapazitäten von LPBF-Bauzellen übersteigen. Bei Bauteilen, bei denen Oberflächenqualität und enge Toleranzen keine vorrangige Rolle spielen, kann WAAM aufgrund seiner hohen Abscheidungsrate zudem kostengünstiger pro Kilogramm abgeschiedenem Metall sein.

WAAM-Prozessspezifikationen gemäß den MakerVerse-Ressourcen. Die Werte können je nach Maschinenkonfiguration variieren.

Aluminium vs. Titan: Kosteneffizienz bei Industrieteilen

Aluminium und Titan werden häufig nebeneinander verglichen, wenn es um gewichtskritische Bauteile für die Luft- und Raumfahrt sowie die Automobilindustrie geht. Der Unterschied in der Dichte ist der Ausgangspunkt: Titan Ti6Al4V weist eine Dichte von etwa 4,4 g/cm³ auf, AlSi10Mg hingegen von 2,7 g/cm³. Bei gleicher Geometrie ist Aluminium pro Volumeneinheit etwa 40 % leichter.

Die Festigkeitswerte entsprechen den höchsten dokumentierten Werten gemäß den MakerVerse-Datenblättern, Version 1.0.8.

Wenn die mechanischen Eigenschaften von Aluminium für die jeweilige Anwendung ausreichen, ist Aluminium die kostengünstigere Wahl. Die Knappheit des Rohstoffs Titan und die aufwendige Verarbeitung führen zu einem erheblichen Kostenaufschlag pro Bauteil. Scalmalloy nimmt einen praktischen Mittelweg ein: Bei Halterungen für die Luft- und Raumfahrt, für die bisher standardmäßig Titan verwendet wurde, weil AlSi10Mg nicht fest genug war, bietet Scalmalloy in der Regel eine spezifische Festigkeit auf Titan-Niveau bei der Dichte von Aluminium und zu deutlich geringeren Kosten.

3D-Druck von Aluminium mit MakerVerse: Sofortangebot, verbindlicher Preis

MakerVerse bietet LPBF-Produktion sowohl für AlSi10Mg als auch für Scalmalloy mit einer Lieferzeit ab 6 Werktagen und einem verbindlichen Sofortangebot nach Hochladen einer CAD-Datei und einer technischen Zeichnung. Das Angebot enthält einen Festpreis und einen festen Liefertermin, ohne nachträgliche Aufschläge.

Für Ingenieurteams, die strukturelle Aluminiumteile beschaffen, bietet die Plattform:

• Verbindliches Sofortangebot — Preis und Liefertermin werden nach dem Hochladen der CAD-Datei und der Zeichnung bestätigt; es fallen keine nachträglichen Aufschläge an

• Doppelte Qualitätskontrolle — Jede Bestellung durchläuft vor dem Versand eine zweistufige Qualitätskontrolle.

• Konsistenzgarantie — Eine erneute Bestellung liefert ein Ergebnis, das mit dem des ersten Produktionsdurchlaufs identisch ist

• Technologie- und Materialberater — hilft Ingenieuren bei der Auswahl zwischen AlSi10Mg, Scalmalloy und anderen LPBF-Metallen, bevor sie sich für ein Angebot entscheiden

• Manuelle technische Überprüfung — Bei Bauteilen mit komplexen Geometrien oder engen Toleranzen antwortet ein Fertigungsingenieur innerhalb von 24 Stunden.

Holen Sie sich ein Sofortangebot für Ihr Aluminiumteil

Laden Sie Ihre CAD-Datei und Ihre technische Zeichnung hoch, um innerhalb weniger Minuten ein verbindliches Preisangebot und einen festen Liefertermin zu erhalten. AlSi10Mg und Scalmalloy sind im LPBF-Verfahren erhältlich, die Lieferzeit beträgt ab 6 Werktagen.

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