Warum ultrasonische Anlagen zur Herstellung von Metallpulver für die additive Fertigung wählen?

Ultraschallzerstäubung liefert metallische Pulvereigenschaften, die speziell auf die additive Fertigung optimiert sind

Die Ultraschallzerstäubungstechnologie erzeugt Metallpulver mit hervorragenden Eigenschaften, die für industrielle Anwendungen des 3D-Drucks erforderlich sind. Was diesen Ansatz besonders auszeichnet, ist die nahezu perfekte sphärische Form der Partikel – dies wird in über 95 % der Fälle erreicht – sowie eine enge Größenverteilung zwischen D10 und D90 unter 25 Mikrometern. Zudem weist das Pulver eine deutlich bessere Fließfähigkeit auf als bei anderen Verfahren hergestellte Pulver. Diese Merkmale sind von großer Bedeutung bei Technologien wie Laser-Pulverbett-Schmelzen oder Binder-Jetting-Systemen, bei denen Konsistenz entscheidend ist. Herkömmliche Verfahren erfordern mehrere Arbeitsschritte sowie kostspielige zusätzliche Nachbehandlungen wie Sieben oder Abrunden der Partikel nach der Produktion. Bei der Ultraschallzerstäubung entstehen all diese gewünschten Eigenschaften unmittelbar im Prozess selbst, wodurch sowohl Zeit als auch Kosten für Nachbearbeitungsschritte eingespart werden.

Sphärizität >95 %, enge Partikelgrößenverteilung (D10–D90 < 25 µm) und hervorragende Fließfähigkeit – zentrale Eigenschaften von Metallpulvern für konsistente LPBF- und Binder-Jetting-Verfahren

Wenn Pulver eine hohe Sphärizität aufweisen, lagern sie sich gleichmäßiger ab und erzeugen während des Druckprozesses stabile Schmelzpfützen. Dies führt bei der Verarbeitung von Ti-6Al-4V-Werkstoffen mittels LPBF-Technologie zu Bauteilen mit einer Dichte von rund 99,8 %. Die gezielte Kontrolle der Partikelgröße hilft, störende Hohlräume zu reduzieren und die Gesamtdichte des Pulverbetts zu erhöhen. Zudem gewährleistet eine verbesserte Fließfähigkeit einen zuverlässigen Auftragvorgang selbst bei recht hohen Geschwindigkeiten – gelegentlich über 200 mm pro Sekunde. All diese Faktoren zusammen bewirken weniger Fehler im Endprodukt. Tests zeigen eine Reduktion der Fehlerquote um etwa 40 % im Vergleich zu gasatomisierten Pulvern.

Vermeidung von Nachbearbeitungsschritten: Wie Ultraschalltechnologie metallisches Ausgangspulver in einem einzigen Schritt fertigungsreif macht

Durch die Nutzung hochfrequenter Schwingungen (20–60 kHz) zur Zertrümmerung geschmolzener Legierungen erzeugt die ultraschallbasierte Zerstäubung von Natur aus satellitenfreie Partikel mit nahezu keiner inneren Porosität. Dies steht im deutlichen Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, die eine nachgeschaltete Aufbereitung erfordern:

Das Fehlen von Hochdruck-Gas- oder Wasseranlagen vereinfacht nicht nur den Betrieb, sondern reduziert auch die Sauerstoffkontamination – ein entscheidender Vorteil bei reaktiven Legierungen wie Titan oder Aluminium. Dieser optimierte Ansatz verkürzt die Produktionszeit um 50 % und gewährleistet gleichzeitig die sofortige Einsatzbereitschaft des Pulvers für additive Fertigungssysteme.

Überlegene Metallpulverqualität im Vergleich zu herkömmlichen Zerstäubungsverfahren

Keine innere Porosität, nahezu keine Satellitenpartikel und intrinsisch geringe Sauerstoffaufnahme – entscheidende Vorteile gegenüber der Gas- und Wasserzerstäubung für reaktive Legierungen

Das Ultraschallverfahren zur Herstellung von Metallpulvern beseitigt lästige innere Hohlräume und reduziert Satellitenbildung, die bei herkömmlichen Gas- oder Wasserzerstäubungsverfahren häufig auftreten. Diese Fehler können die Bauteilqualität bei Laser-Pulverbett-Schmelzverfahren erheblich beeinträchtigen. Bei materialien, die empfindlich auf den Sauerstoffgehalt reagieren – wie Titan- oder Aluminiumlegierungen – hält die Ultraschallverarbeitung den Sauerstoffgehalt unter 100 ppm (Teile pro Million). Das ist deutlich besser als die in der ASTM-Norm F3001 genannte Grenze von 500 ppm und weit überlegen den üblicherweise bei wasserzerstäubten Alternativen beobachteten Werten, die oft über 1000 ppm liegen. Die während dieses Verfahrens natürlicherweise entstehende inerte Umgebung verhindert Probleme wie Versprödung und Oberflächenfehler in fertigen additiv gefertigten Komponenten. Dies ist besonders wichtig in der Luftfahrtindustrie, wo bereits geringfügige Schwankungen der Werkstoffeigenschaften die Lebensdauer von Flugzeugteilen bis zum erforderlichen Austausch erheblich beeinflussen können.

Betriebliche und umweltbezogene Vorteile: 90 % weniger Einsatz von Inertgasen und keine Gefahren durch Hochdruckwasser

Neben besseren Qualitätsresultaten reduziert die Ultraschallzerstäubung den Ressourcenbedarf erheblich. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren benötigt dieser Prozess nur etwa 10 Prozent des Argons oder Stickstoffs, der bei der Gaszerstäubung üblicherweise verbraucht wird. Zudem entfällt der Einsatz jener Hochdruckwassersysteme, die Sicherheitsrisiken bergen und letztlich die Wasserversorgung kontaminieren. Auch hier fallen beträchtliche Einsparungen an: Laut aktuellen Daten aus dem Bereich des additiven Fertigungssektors aus dem Jahr 2023 sinken die Betriebskosten um rund 40 %. Darüber hinaus tragen diese Einsparungen direkt zu den Zielen einer grünen Fertigung bei, die viele Unternehmen mittlerweile priorisieren. Die Anlagen müssen nicht mehr mit den aufwendigen Filtersystemen umgehen, die bei wasserbasierten Verfahren erforderlich sind. Dadurch wird die Skalierung der Produktion für Hersteller, die sich auf metallische Pulver für Anwendungen im Bereich des additiven Fertigens spezialisiert haben, deutlich erleichtert.

Agile Entwicklung von Metallpulvern für die additiv-fertigungsbezogene Forschung und Entwicklung sowie für maßgeschneiderte Legierungen

Bedarfsgerechte, kleinvolumige (< 100 g) Metallpulverherstellung mit vollständiger Legierungsflexibilität – ideal für schnelles Prototyping und die Qualifizierung neuartiger Legierungen

Für Forschungsgruppen, die an neuen Legierungsgenerationen arbeiten, wird es zunehmend entscheidend, über flexible Materialoptionen zu verfügen, die bestehende Herstellungseinschränkungen umgehen. Die ultraschallgestützte Zerstäubung ermöglicht es, Testchargen von weniger als 100 Gramm mit äußerst präziser Kontrolle über deren Zusammensetzung herzustellen. Dies ist besonders wichtig beim Testen anspruchsvoller hochschmelzender Hochentropielegierungen oder bei der Herstellung von Gradientenmaterialien, die sich mit herkömmlichen Gießverfahren einfach nicht herstellen lassen. Labore, die diese Methode einsetzen, verkürzen ihre Forschungszeiträume im Vergleich zu Standardverfahren typischerweise um 60 bis 80 Prozent. So können sie deutlich schneller verschiedene Titan- und Nickel-Superlegierungen untersuchen, ohne wochenlang auf Ergebnisse warten zu müssen. Das System bewältigt Schmelztemperaturen über 3000 Grad Celsius und arbeitet zuverlässig mit unterschiedlichsten Rohstoffkombinationen. Besonders vorteilhaft ist, dass Forscher die Leistungsfähigkeit dieser Materialien in Verfahren wie Binder Jetting oder Laser-Pulverbett-Schmelzen bereits innerhalb weniger Tage – statt erst nach Wochen oder Monaten – testen können. Auch Mindestbestellmengen sind kein Thema: Der Pulveranteil behält in über 95 % der Fälle seine runde Form und weist Partikelgrößen innerhalb der für eine ordnungsgemäße Sinterung akzeptablen Bereiche auf. Insgesamt verwandelt diese Technologie, was früher eine erhebliche Herausforderung bei der Entwicklung metallischer Pulver war, in einen entscheidenden Beschleunigungsfaktor für die meisten Laborumgebungen.

Nachgewiesene Leistung und strategische Passgenauigkeit in hochwertigen Additive-Manufacturing-Workflows

LPBF-Validierung: 99,8 % relative Dichte und minimale Fehlerquoten mit ultraschallhergestelltem Ti-6Al-4V-Metallpulver

Tests an Anwendungen der Laser-Pulverbett-Schmelztechnik (LPBF) zeigen, dass die durch Ultraschallzerstäubung hergestellte Titanlegierung Ti-6Al-4V eine beeindruckende relative Dichte von 99,8 % erreicht – ein Wert, der sogar die gemäß ASTM F3001 für Luft- und Raumfahrtkomponenten geforderten Standards übertrifft. Der Grund für diese außergewöhnliche Dichte? Sehr geringe Defektraten von unter 0,2 % in Bereichen, in denen besonders hohe Ermüdungsfestigkeit erforderlich ist. Dies lässt sich auf zwei wesentliche Eigenschaften des Pulvers zurückführen: Es enthält keine störenden Satellitenpartikel und weist Sauerstoffgehalte unter 100 ppm auf. Bei der Betrachtung der realen Leistungsfähigkeit bedeuten diese Verbesserungen, dass Turbinenschaufeln etwa 25 % länger halten, bevor sie versagen; dasselbe gilt für orthopädische Implantate in medizinischen Geräten. Da Ti-6Al-4V laut jüngsten Branchenberichten nahezu die Hälfte (ca. 47 %) aller wertvollen additiven Fertigungsanwendungen ausmacht, trägt dieser Fortschritt bei der Ultraschallzerstäubung dazu bei, die Qualitätslücke zwischen 3D-Druckverfahren und konventionellen Fertigungsmethoden zu schließen.

Warum führende additive Fertigungslabore Reproduzierbarkeit, Rückverfolgbarkeit und Kontrolle des Ausgangsmaterials priorisieren – Wie Ultraschall-Metallpulver-Herstellungsanlagen mit der Reife der Branche übereinstimmen

Wenn die additiv gefertigte Produktion über die reine Herstellung von Prototypen hinaus in echte Serienfertigung übergeht, wird die konsistente Reproduzierbarkeit der Ergebnisse sowie die Chargenverfolgung absolut unverzichtbar. Ultraschallgetriebe unterstützen dies, indem sie Prozesse digital aufzeichnen und dabei über 20 verschiedene Parameter erfassen – darunter die Frequenzstabilität innerhalb einer Toleranz von ±0,5 Prozent sowie die Abkühlgeschwindigkeit während der Zerstäubung. Diese Aufzeichnungen erzeugen im Wesentlichen unveränderliche Historien für die verwendeten Materialien. Das System erfüllt die FDA-Standards und die Nadcap-Richtlinien, die für medizinische Implantate erforderlich sind, bei denen bereits kleinste Unterschiede in der metallischen Zusammensetzung von großer Bedeutung sind – typischerweise wird hier eine Variation von weniger als 0,03 Gewichtsprozent gefordert. Die Eigenherstellung unserer Pulver reduziert Probleme, die durch inkonsistente Lieferanten entstehen; laut einer im vergangenen Jahr im Journal of Binder Jetting and Metal Additive Manufacturing veröffentlichten Studie hat dies den Ausschuss in Binder-Jetting-Verfahren um rund 40 % gesenkt. Durch die Integration des Feedstock-Managements direkt in den digitalen Workflow erhalten Labore volle Transparenz – von der Pulverherstellung bis hin zur abschließenden Prüfung des fertigen Bauteils.

FAQ

1. Was ist Ultraschallzerstäubung?
Ultraschallzerstäubung ist ein Verfahren, bei dem hochfrequente Schwingungen eingesetzt werden, um geschmolzene Legierungen zu zerteilen und Metallpulver mit nahezu perfekter Sphärizität, satellitenfreien Partikeln und geringer Sauerstoffkontamination herzustellen – ideal für die additive Fertigung.

2. Wie verbessert die Ultraschallzerstäubung die Qualität von Metallpulvern?
Dieses Verfahren verringert innere Porosität und Satellitenbildung und führt so zu Pulvern mit ausgezeichneter Fließfähigkeit, konsistenten Partikelgrößen und reduzierten Sauerstoffgehalten – entscheidend für hochwertige Bauteile der additiven Fertigung.

3. Warum ist die Fließfähigkeit bei Metallpulvern für den 3D-Druck wichtig?
Die Fließfähigkeit gewährleistet zuverlässige Auftragsgeschwindigkeiten beim Beschichten und eine gleichmäßige Packungsdichte des Pulvers, wodurch Fehler reduziert und die Qualität des Endprodukts verbessert werden.

4. Welche Vorteile bietet die Ultraschallzerstäubung gegenüber herkömmlichen Verfahren?
Die ultraschallbasierte Zerstäubung bietet einen optimierten Ein-Schritt-Prozess, der die Nachbearbeitung überflüssig macht und den Ressourcenverbrauch sowie die Betriebskosten erheblich senkt.