3D-Drucker für funktional abgestufte Werkstoffe — Additive Fertigung mit Metallgradienten
3DPTEK ist der weltweit einzige Hersteller von serienreifen FGM-3D-Druckern. Unsere patentierte Multi-Pulver-SLM-Technologie ermöglicht nahtlose Übergänge zwischen unterschiedlichen Metalllegierungen innerhalb eines einzigen Druckvorgangs – und erschließt damit Materialeigenschaften, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht realisierbar sind.
Was sind funktional abgestufte Werkstoffe (FGM)?
Funktional abgestufte Werkstoffe (FGM), auch als Werkstoffe mit Funktionsgradienten bekannt, sind hochmoderne Verbundwerkstoffe, bei denen zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften in einem einzigen, durchgehenden Bauteil kombiniert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Fügeverfahren entstehen bei FGM keine scharfen Grenzflächen – die Zusammensetzung und die Mikrostruktur gehen über das gesamte Bauteil hinweg allmählich ineinander über.
In der konventionellen Fertigung erfordert die Kombination einer verschleißfesten Oberfläche mit einem zähen, duktilen Kern Schweißen, Hartlöten oder mechanische Befestigung – wobei jede dieser Methoden Spannungskonzentrationen und Schwachstellen verursacht. FGM löst dieses Problem durch die Erzeugung eines nahtlosen Zusammensetzungsgradienten: 100% aus Material A auf der einen Oberfläche, das nahtlos in 100% aus Material B auf der anderen Oberfläche übergeht.
Die Gradienten-SLM-Technologie von 3DPTEK macht dies möglich, indem sie das Verhältnis von zwei (oder mehr) Metallpulvern, die vor dem Laserschmelzen auf das Pulverbett aufgebracht werden, präzise steuert. Das Ergebnis: ein einziges Bauteil, das gleichzeitig hart und zäh, korrosionsbeständig und wärmeleitfähig sowie leicht und fest ist.
So funktioniert der 3D-Druck mit Gradient Metal
Das patentierte Mehrpulver-Zuführsystem von 3DPTEK ermöglicht eine präzise Steuerung der Materialzusammensetzung entlang einer, zweier oder dreier Achsen – eine Fähigkeit, die von keinem anderen handelsüblichen 3D-Metalldrucker erreicht wird.
Mehrfach-Pulverabscheidung
Zwei oder mehr Metallpulver werden präzise dosiert und in kontrollierten, stufenlos variierenden Mischungsverhältnissen auf der Bauplattform aufgebracht.
Kontrolle der Zusammensetzung
Patentierte Pulververteilungsmechanismen erzeugen gleichmäßige Zusammensetzungsgradienten entlang der X-, Y- und/oder Z-Achse mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich.
Selektives Laserschmelzen
Ein 500-W-IPG-Faserlaser verschmilzt das Mehrkomponenten-Pulvergemisch selektiv zu einem vollständig dichten, durchgehenden Metallbauteil – Atom für Atom, Schicht für Schicht.
Nahtloser Farbverlauf
Keine Schweißnähte. Keine Verbindungsstellen. Keine Klebstoffe. Nur ein einziges durchgehendes Bauteil mit räumlich variierenden Materialeigenschaften, das in einem einzigen Prozess hergestellt wird.
Warum der 3D-Druck mit Gradient Metal so wichtig ist
Die additive Fertigung mit Metallgradienten ermöglicht es Ingenieuren, Bauteile mit räumlich optimierten Eigenschaften zu entwerfen – ein Paradigmenwechsel gegenüber der homogenen Materialgestaltung.
Farbverlauf, keine Ebenen
Kontinuierliche Materialübergänge ersetzen diskrete Materialgrenzen und beseitigen so die Spannungskonzentrationen, die bei herkömmlichen Fügeverfahren entstehen.
Ein Teil, viele Eigenschaften
Verschleißfest an den Kontaktstellen, korrosionsbeständig an den freiliegenden Stellen, robust an den belasteten Stellen – und das alles in einem einzigen, monolithischen Bauteil.
Keine Schweißnähte, keine Ausfälle
Verzichten Sie auf Hartlöten, Schweißen und mechanische Befestigungen. Keine Korrosion durch unterschiedliche Metalle. Keine Spannungskonzentrationen an den Verbindungsstellen. Nur ein einziges durchgehendes Materialsystem.
Beschleunigte Forschung und Entwicklung
Testen Sie den gesamten Zusammensetzungsbereich in einem einzigen Durchlauf. Prüfen Sie neue Legierungssysteme innerhalb von Tagen statt Monaten. Minimieren Sie die Risiken bei der Materialinnovation, bevor Sie diese in die Produktion überführen.
Gradient Metal 3D-Druckersysteme
Zwei serienreife Plattformen für die Herstellung von Materialien mit funktionsgradiertem Aufbau. Beide Systeme verfügen über 500-W-IPG-Faserlaser, eine offene Materialarchitektur und eine patentierte Technologie zur Zuführung mehrerer Pulver.
AFS-M120X
Horizontaler (X-Achse) Gradient zwischen zwei Legierungen. Für Bauteile, bei denen auf gegenüberliegenden Seiten unterschiedliche Werkstoffeigenschaften erforderlich sind – Werkzeuge, Verschleißteile und korrosionsbeständige Bauteile.
AFS-M120XT
Vollständige Kontrolle über die Zusammensetzung entlang der X-, Y- und Z-Achse mit abrupten Übergängen zwischen den Z-Schichten. Für fortgeschrittene Forschung im Bereich der Multimaterialien und für Bauteile, die eine echte 3D-Gradientenkomplexität erfordern.
Bewährte Materialkombinationen für Gradienten
Die Gradientensysteme von 3DPTEK haben bei einer Vielzahl industriell relevanter Legierungspaare erfolgreiche Übergänge gezeigt. Jede Kombination wurde durch Mikrostrukturanalysen und mechanische Prüfungen validiert.
Ta-Ti-Legierungsgradient
Tantal-Titan-Übergänge für biomedizinische Implantate, die eine hohe Röntgenopazität in Verbindung mit Osseointegration erfordern.
CoCrMo → IN718
Gradient aus Kobalt-Chrom zu Inconel 718 für Luft- und Raumfahrtkomponenten, bei denen eine Übergangsphase von Verschleißfestigkeit zu Hochtemperaturfestigkeit erforderlich ist.
SS316L → CoCrMo
Korrosionsbeständiger Edelstahl, der in hochverschleißfesten Kobalt-Chrom-Stahl für Anwendungen in der Schifffahrt und der chemischen Verarbeitung übergeht.
Schleifstahl + Ni-Legierung
Verschleißfester Werkzeugstahl mit einer Nickel-Superlegierung für Kernreaktorkomponenten, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen erfordern.
Aluminium + Stahl-Farbverlauf
Leichtes Aluminium, das in hochfesten Stahl übergeht – für Schiffskomponenten, bei denen sowohl Gewichtsersparnis als auch strukturelle Integrität gefragt sind.
2D-Powder-Platzierung mit Farbverlauf
Zweiphasige, zweidimensionale, gradientebasierte Pulverbettablage, die eine gleichzeitige Steuerung der Zusammensetzung in X- und Y-Richtung ermöglicht.
AFS-M120X & AFS-M120XT – Technische Daten
Beide Modelle basieren auf derselben Präzisionsplattform. Das Modell AFS-M120XT verfügt zusätzlich über einen vertikalen Gradienten und einen höheren Aufbautank.
| Parameter | AFS-M120X | AFS-M120XT |
|---|---|---|
| Gradientenfunktion | Horizontaler Verlauf (X-Achse) | Horizontal + Vertikal (X/Y/Z) |
| Tankabmessungen (L × B × H) | 120 × 120 × 150 mm | 120 × 150 × 150 mm |
| Geräteabmessungen (L × B × H) | 1532 × 1390 × 1830 mm | |
| Lasertyp | IPG-Faserlaser – 500 W | |
| Formgenauigkeit | ±0,1 mm / 100 mm | |
| Formgeschwindigkeit | 2–20 cm³/h | |
| Schichtdicke | 0,02–0,1 mm | |
| Maximale Scangeschwindigkeit | 6 m/s | |
| Formmaterialien | Edelstahl • Titanlegierung • Aluminiumlegierung • Gesenkstahl • CoCr-Legierung • Legierung auf Nickelbasis | |
| Gewicht der Ausrüstung | ca. 1,5 Tonnen | |
| Stromversorgung | 380 V AC / 50 Hz / 8 kW, dreiphasig, fünfadrig (TN-S) | |
Branchen, die durch den 3D-Druck mit Gradient Metal revolutioniert werden
Die FGM-Technologie bewältigt Herausforderungen, die mit herkömmlichen metallurgischen Verfahren nicht gelöst werden können. Hier zeigt der Gradienten-Metalldruck die größten Auswirkungen.
Luft- und Raumfahrt sowie Turbomaschinen
Turbinenschaufeln mit thermischen Barrieregradienten. Brennkammerkomponenten mit oxidationsbeständigen Oberflächen und kriechfesten Kernen. Einteilige Lösungen als Ersatz für Baugruppen aus mehreren Legierungen.
Kernenergie
Reaktorkomponenten, die sowohl eine hohe Hochtemperaturfestigkeit als auch Beständigkeit gegen elektrolytische Korrosion erfordern. Vom Shenyang Institute of Automation für nukleare Anwendungen validiert.
Schifffahrt und Schiffbau
Leichte Verbundkonstruktionen aus Aluminium und Stahl für Marineschiffe. Hohe Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitiger struktureller Integrität. Von der Technischen Universität Lanzhou validiert.
Medizinische Implantate
Biokompatible Gradientenvorrichtungen mit verschleißfesten Gelenkflächen und osseointegrativen Knochenkontaktbereichen. Ta-Ti- und CoCrMo-Ti-Gradientensysteme.
Werkzeugbau und Druckguss
Konform gekühlte Gesenke mit hochwärmeleitfähigem Kupfer, das an der Arbeitsfläche in hochharten Werkzeugstahl übergeht. Deutlich verbesserte Zykluszeiten und Werkzeugstandzeiten.
Materialforschung
Legierungsscreening mit hohem Durchsatz. Drucken Sie ganze Zusammensetzungsbibliotheken in einem einzigen Druckvorgang. Beschleunigen Sie die Entwicklung neuer Werkstoffe von Jahren auf Wochen.
Forschungsfallstudien
Führende Forschungseinrichtungen vertrauen bei anspruchsvollen, praxisnahen Anwendungen auf die Gradient-Metall-3D-Drucker von 3DPTEK.
Komponenten von Kernreaktoren
Der Entwicklungsteam des staatlichen Schlüssellabors für Robotik gelang es, mithilfe der 3DPTEK-Gradienten-SLM-Technologie eine gradiente Additive Fertigung von Ta-W- und Ta-Ti-Legierungen zu realisieren – Materialien, die zuvor mit keiner einzelnen Legierung verarbeitet werden konnten. Dieser Durchbruch machte den Einsatz von Baugruppen aus mehreren Materialien in kritischen Reaktorumgebungen überflüssig.
Leichtbau-Schiffskonstruktionen
Für die Forschung und Entwicklung im Bereich der Schiffsbauteile wurde ein zweidimensionales Gradientenmaterial aus einer Aluminium-Stahl-Legierung entwickelt. Durch den Gradientenübergang konnten an den aluminiumreichen Oberflächen leichte Eigenschaften erzielt werden, während an den stahlreichen Oberflächen eine hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit erhalten blieben. Diese Forschung ebnet den Weg für Schiffskonstruktionen der nächsten Generation, die gleichzeitig leichter, fester und langlebiger sind als herkömmliche Konstruktionen.
Häufig gestellte Fragen
Funktional abgestufte Werkstoffe (FGM), auch als Werkstoffe mit Funktionsgradienten bekannt, sind hochmoderne Verbundwerkstoffe, bei denen zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften in einem einzigen Bauteil kombiniert werden. Die Zusammensetzung und die Mikrostruktur ändern sich allmählich über das gesamte Bauteil hinweg, wodurch scharfe Grenzflächen vermieden werden und ein einzelnes Bauteil unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann – wie beispielsweise Verschleißfestigkeit auf einer Oberfläche und Korrosionsbeständigkeit auf einer anderen –, ohne dass Fugen, Schweißnähte oder Klebstoffe erforderlich sind.
Die Gradienten-SLM-Systeme von 3DPTEK nutzen eine patentierte Technologie zur Zuführung mehrerer Pulver. Zwei oder mehr Metallpulver werden in kontrollierten Verhältnissen präzise auf dem Pulverbett aufgebracht und anschließend selektiv per Laser geschmolzen. Unser AFS-M120X ermöglicht horizontale (X-Achse) Gradientenübergänge, während das Modell AFS-M120XT zusätzlich vertikale (Z-Achse) Gradienten unterstützt und so eine echte 3D-Zusammensetzungssteuerung innerhalb eines einzigen Druckvorgangs ermöglicht.
Die Gradientensysteme von 3DPTEK haben erfolgreiche Übergänge zwischen folgenden Werkstoffen demonstriert: Ta-Ti-Legierungen, CoCrMo und IN718 (Inconel), SS316L und CoCrMo, abrasiver Stahl und Nickelbasislegierungen sowie Aluminium-Stahl-Legierungen. Die Technologie unterstützt praktisch jede Kombination schweißbarer Metallpulver und eignet sich daher ideal für die Entwicklung neuer Werkstoffe und die Leistungsoptimierung.
FGM-Komponenten spielen eine zunehmend wichtige Rolle in der Luft- und Raumfahrt (Turbinenkomponenten mit Temperaturgradienten), der Kernenergie (korrosionsbeständige und hochtemperaturbeständige Komponenten), im Schiffbau (leichte, hochfeste Strukturen), bei medizinischen Geräten (biokompatible Implantate mit Temperaturgradienten) und im Werkzeugbau (verschleißfeste Oberflächen mit zähen Kernen). 3DPTEK-Systeme wurden vom Shenyang Institute of Automation und der Technischen Universität Lanzhou für Anwendungen in der Kernenergie und im Schiffsbau eingesetzt.
Ja. 3DPTEK ist derzeit der einzige Hersteller, der serienreife, im Handel erhältliche 3D-Drucker für funktionsgradierte Materialien anbietet. Unsere patentierte Technologie zur Zuführung mehrerer Pulver und zur Gradientensteuerung, die in Zusammenarbeit mit führenden chinesischen Forschungseinrichtungen entwickelt wurde, ist auf dem globalen Markt für additive Fertigung einzigartig.