3D kovové prášky

3D kovové prášky jsou materiály používané v technologiích aditivní výroby k výrobě kovových dílů a součástí. Tato příručka poskytuje podrobný přehled o různých typech kovových prášků, jejich složení a vlastnostech, aplikacích, specifikacích, cenách a srovnáních, abyste porozuměli jejich roli v 3D tisku kovů.

Přehled 3D kovových prášků

3D kovové prášky slouží jako vstupní surovina pro techniky, jako je selektivní laserové slinování (SLS), přímé laserové slinování kovů (DMLS), tavení elektronovým paprskem (EBM) a tryskové nanášení pojiva, k výrobě složitých kovových součástí se složitými geometriemi. Dodávají se v různých elementárních formách nebo slitinách.

Prášky se výrazně liší od kovového materiálu používaného v tradičních subtraktivních výrobních metodách. Klíčové vlastnosti, jako je tekutost, tvar, distribuce velikosti částic a čistota, jsou přísně kontrolovány, aby se umožnila přesná konsolidace vrstvu po vrstvě během tisku.

Výhody použití kovových prášků v aditivní výrobě:

• Flexibilita designu – výroba lehkých mřížkových struktur a složitých dílů, kterých nelze dosáhnout obráběním
• Snížený odpad – používá se pouze potřebný materiál na rozdíl od subtraktivních metod
• Kratší dodací lhůty – rychlá iterace a analýza pro optimalizaci návrhu
• Vlastní slitiny – přizpůsobení složení a vlastností dle aplikace
• Konsolidace – spojování a zhutňování prášků za účelem vytvoření pevných kovových dílů
• Povrchové úpravy – dosažení hladkosti a přesnosti bez dalšího dodatečného zpracování

Typy kovových prášků

Pro použití v různých průmyslových odvětvích je k dispozici několik elementárních kovů a slitin v práškové formě:

Materiál	Běžné slitiny/třídy	Vlastnosti	Aplikace
Nerezová ocel	316L, 17-4PH, 304L, 420	Odolnost proti korozi, vysoká pevnost	Letecký průmysl, automobilový průmysl, spotřební zboží
Hliník	AlSi10Mg, AlSi7Mg0,6	Lehký, vynikající tepelná vodivost	Automobilový průmysl, výměníky tepla
Titan	Ti64, Ti6Al4V ELI	Vysoký poměr pevnosti a hmotnosti, biokompatibilita	Letectví a kosmonautika, lékařské implantáty
Niklové superslitiny	Inconel 718, Inconel 625	Tepelná odolnost, odolnost proti korozi	Letecké součásti, jako jsou turbíny a spalovací komory
Kobalt Chrome	CoCr MP1, CoCrMo ASTM F75	Biokompatibilita, vysoká tvrdost	Zubní implantáty, ortopedické implantáty kolene/kyčle
Měď	CuSn10, CuZn	Elektrická/tepelná vodivost, tažnost	Elektrické kontakty, výměníky tepla
Nástrojová ocel	H13, P20	Vysoká tvrdost, tepelná odolnost	Vstřikovací formy, nástroje pro ohraňovací lisy

Tvar částic: Většinou sférické, ale mohou být také polygonální v závislosti na výrobní metodě. Zlepšuje tok a hustotu balení.

Velikost částic: Pohybuje se od 10 do 100 mikronů. Úzká distribuce zajišťuje rovnoměrnou tloušťku vrstvy a lepší hustotu.

Systémy specifikace velikosti: Velikost ok (sita oddělující prášek), hodnoty D (statistická metrika průměrné velikosti).

Tekutost: Kvantifikováno pomocí testů trychtýře Hallova průtokoměru. Kritické pro rovnoměrnost vrstvy. Zlepšeno sférickými částicemi.

Další vlastnosti: Hustota prášku, objemová hustota, zdánlivá hustota, pyknometrická hustota, oxidační stabilita atd.

Aplikace a použití kovových prášků v 3D tisku

Některé běžné aplikace zahrnují:

• Odlehčování kritických pohyblivých součástí, jako jsou oběžná kola a rotory
• Konsolidace sestav pro snížený počet dílů – držáky motoru, upevnění
• Vlastní přípravky, upevňovací prvky, vložky lisovacích a formovacích nástrojů pro kratší dodací lhůty
• Vysoce složité výměníky tepla, čerpadla, ventily a bloky rozdělovačů
• Implantáty odpovídající pacientovi zlepšující chirurgické výsledky
• Vysoce detailní miniatury, jako jsou věže na kostky a herní dílky

Výhody oproti tradiční výrobě:

• Snížení hmotnosti o 40–60 % pomocí mřížkových struktur při zachování pevnosti
• Přesně odpovídá modelům CAD na rozdíl od obrábění/lití
• Snížení počtu dílů prostřednictvím konsolidace zkracuje dobu montáže/náklady
• Hladké povrchové úpravy s přesnými rozměry do značné míry eliminují dodatečné zpracování
• Rychlé obraty bez nákladných změn nástrojů

Špičkový výkon: Součásti navržené speciálně pro aditivní výrobu překonávají konvenčně vyráběné ekvivalenty. Například Airbus dosáhl úspory hmotnosti 45 % pomocí 3D tištěných kovových držáků při zachování ekvivalentní pevnosti a tuhosti.

3D kovový prášek Specifikace

Charakteristiky prášku, jako je distribuce velikosti a tvar, přísně kontrolují konečné vlastnosti dílu, takže jsou dodávány podle přísných specifikací:

Atribut	Typické hodnoty	Normy
Distribuce velikosti částic	10 až 45 mikronů	ASTM B214
Zdánlivá hustota	2 až 5 g/cc	ASTM B212
Hustota poklepání	3 až 8 g/cm³	ISO 3923/1
Průtoková rychlost	15 až 25 s/50 g	ASTM B213
Zbytkový obsah kyslíku	0,1% max	AMS 4999B
Zbytkový obsah dusíku	0,04% max	AMS 2769E
Zbytkový obsah uhlíku	0,03% max	AMS 2769E

Třídy velikostí a síto: Velikost ok se vztahuje na klasifikace sít. Typická velikost prášku se pohybuje od -140 do +325 mesh. Jemnější distribuce mezi -100 a +325 mesh zlepšuje hustotu a povrchovou úpravu.

Shoda chemie: Elementární složení ověřené podle specifikace třídy (AMS, ASTM). Kritické pro očekávaný mechanický výkon.

Obsah vlhkosti: Zvláště důležité pro reaktivní materiály, jako je hliník a titan. Omezeno na 0,1 % podle norem ASTM B964 i ISO 22068. Řízeno vhodným utěsněním a suchým skladováním.

Úrovně kontaminantů: Hořčík, křemík, fosfor, síra, olovo omezeny na nízké úrovně v částech na milion (ppm) prostřednictvím atomizace inertním plynem a vhodnou manipulací.

Shoda recyklovaného prášku: Prášek získaný zpět během tisku pečlivě sledován. Obecně omezeno na 30 % s přísnou kontrolou chemie podle norem ASTM F3055 a ISO/ASTM52904.

Jak se liší dodavatelé kovových prášků pro 3D tisk

Základ srovnání	Tradiční výrobci	Specializovaní výrobci prášků AM
Zaměření	Obecné aplikace práškové metalurgie	Speciálně vyvinuto pro procesy AM
Třídy slitin	Pouze standardní složení	Vlastní slitiny šité na míru pro AM
Shoda s kvalitou	Uvolněné, pouze základní vlastnosti	Extrémně těsné – chemie, tvar/velikost částic
Kvalita povrchu	Není kritické, atomizace plynem volitelná	Hladká morfologie částic povinná
Cena	Nižší díky velkým objemům	Vyšší kvůli přísnějším požadavkům
Velikosti objednávek	Velké objemové množství	Již od 5 kg na základě aplikace
Změny pro přizpůsobení	Vyžaduje vysoké MOQ, dlouhé dodací lhůty	Rychlé úpravy vzorce, rychlá výroba
Služby s přidanou hodnotou	Základní	Komplexní optimalizace návrhu, vývoj parametrů, rychlé vzorkování, dodatečné zpracování, recyklace

Klíčové diferenciátory specialistů na prášky AM:

• Vysoce sférické prášky s řízenou distribucí velikosti přizpůsobené každému procesu AM
  -chemická kontrola výrazně nad běžnými specifikacemi ASTM pro omezení variability procesu
• Schopnost přizpůsobit slitiny a upravit vlastnosti, jako je hustota, tvrdost atd.
• Řízení životního cyklu prášku: opětovné použití, míchání, recyklace, skladování a bezpečná manipulace
• Nízké minimální množství objednávky a kratší dodací lhůty
• Komplexní návrh a tiskové služby – optimalizace parametrů pro nejlepší kvalitu

Kdy dávají speciální třídy smysl z obchodního hlediska

Pro prototypy mohou stačit konvenční slitiny, ale speciální prášky poskytují mnohem lepší mechanické vlastnosti pro aplikační výrobní aplikace. Vysoké náklady se rychle kompenzují prostřednictvím zisků z výkonu, jako jsou déle trvající součásti.

Cenové variace dodavatelů kovových prášků

Faktory ovlivňující cenu:

• Základní materiál a třída čistoty
• Přísnější požadavky na chemii
• Úrovně shody kvality
• Testování a certifikace
• Objem objednávek
• Doplňkové služby – vývoj aplikací, optimalizace parametrů, dodatečné zpracování dílů, regenerace a opětovné použití prášku

Možnosti snížení nákladů:

Větší velikosti objednávek, recyklace prášku, plánování zásob pro dodávku just-in-time, standardizace testování, uvolněnější specifikace pro nekritické aplikace, automatizace procesů

Typické cenové rozpětí:

Materiál	Cena za kg
Hliník AlSi10Mg	$55 – $120
Titan Ti6Al4V	$350 – $850
Nikl Inconel 718	$120 – $500
Nerezová ocel 316L	$90 – $240
Kobalt-chrom CoCrMo	$270 – $620
Měď CuSn10	$30 – $100
Nástrojová ocel H13	$70 – $190

Srovnání nákladů s plnou tyčovou ocelí:

U malých až středně velkých dílů vyráběných aditivně v malých objemech umožňují kovové prášky významné úspory nákladů na díl navzdory vyšším cenám základního materiálu.

Bod zvratu je dosažitelný při výrobních objemech již od 50–100 dílů pro součásti těžší než 0,5 kg. Tato výhoda se výrazně rozšiřuje pro větší součásti přesahující 5 kg.

Snížené obrábění a minimální dokončovací zpracování poskytují další výhody z hlediska nákladů oproti subtraktivním technikám.

Získávání kovových prášků pro 3D tisk

Klíčová kritéria hodnocení dodavatelů:

• Sortiment materiálů a kompatibilních tříd
• Certifikace kvality prášku
• Spolehlivost dodávek a minimální množství objednávky
• Možnosti vývoje vlastních slitin
• Služby s přidanou hodnotou, jako je optimalizace parametrů, opětovné použití prášku, dodatečné zpracování atd.
• Celkové dosažené úspory nákladů

Úvahy o bezpečné manipulaci

Stejně jako u jiných procesů výroby kovů se mohou objevit bezpečnostní problémy:

Nebezpečí	Bezpečnostní opatření
Požár/výbuch	Použití inertního plynu během manipulace s práškem, aby se zabránilo oxidaci; eliminujte zdroje zapálení
Toxicita	Používejte odsávání prachu, respirátory, abyste zabránili vdechování
Reaktivita	Izolujte reaktivní prášky, jako je hliník/titan, pomocí inertních separátorů

Zvláštní pozornost je třeba věnovat při plnění práškem, provozu, čištění a skladování, aby se minimalizovala rizika. Nádoby na prášek musí být elektricky uzemněny.

Klíčové poznatky

• 3D kovové prášky vykazují specifické charakteristiky velikosti, tvaru a chemie nezbytné pro procesy AM. Mezi běžné materiály patří hliník, titan, nerezová ocel, superslitiny Inconel, nástrojová ocel a kobaltový chrom.
• Průmyslová odvětví využívají optimalizované lehké konstrukce, konsolidaci dílů a zlepšení výkonu oproti tradiční výrobě.
• Specializovaní dodavatelé přísně kontrolují kritické atributy prášku a nabízejí vlastní slitiny plus služby odpovídající požadavkům aplikace. To umožňuje rozšířený přístup adoptérů prostřednictvím menších množství.
• Provozní náklady jsou kompenzovány výhodami designu a výroby při výrobních objemech již od 50–100 kusů pro střední součásti.
• Počáteční náklady jsou kompenzovány výhodami designu a výroby při výrobních objemech již od 50–100 kusů pro střední součásti.

FAQ

Otázka: Jak se vyrábějí kovové prášky?

A: Atomizace plynem je nejběžnější technika, při které se proud roztaveného kovu rozkládá na kapičky pomocí trysek inertního plynu. Sférické částice rychle tuhnou v řízených velikostech s pomocí kalení vodou nebo olejem. Používá se také plazmová atomizace.

Q: Jaká velikost prášku je optimální pro běžný kovový 3D tisk?

A: Rozsah velikosti prášku od 10 mikronů do 45 mikronů poskytuje nejlepší kompromis mezi rozlišením, povrchovou úpravou a rychlostí stavby pro oblíbené tiskárny od společností EOS, Concept Laser atd.

Q: Jak dlouho může nepoužitý kovový prášek vydržet při správném skladování?

A: Až 10 let ve vzduchotěsné nádobě se sáčky se vysoušecím prostředkem při skladování do 20 °C podle norem ASTM. Proplachování suchým dusíkem umožňuje ještě delší používání.

Q: Lze kovové tiskové prášky znovu použít?

A: Ano, nepoužitý prášek lze sesbírat a smíchat s čerstvou zásobou po analýze až do 30% podílu. Tím se snižují celkové náklady na díly, ale musí být splněny prahové hodnoty chemie a distribuce velikosti částic podle normy ASTM F3055.

Q: Ovlivňuje volba materiálu náklady na 3D kovový tisk?

A: Ano, titan a niklové superslitiny vyžadují 3-5násobnou prémii za cenu oproti nerezové oceli kvůli vysokým nákladům na suroviny. Omezené konkurenční zdroje také přispívají oproti ocelím.

znát více procesů 3D tisku