kovové prášky pro 3d tisk

Kovové prášky jsou kritickou surovinou pro aditivní výrobu pomocí technologie tavení práškové vrstvy. Tato příručka poskytuje přehled různých kovových prášků používaných v procesech 3D tisku, jako je selektivní laserové tavení (SLM) a tavení elektronovým paprskem (EBM).

Úvod do kovových prášků pro AM

Kovové prášky umožňují tisk složitých, vysoce výkonných kovových dílů pomocí aditivní výroby.

Použité materiály:

• Nerezové oceli
• Nástrojové oceli
• Kobalt-chromové slitiny
• Titan a slitiny titanu
• Slitiny hliníku
• Niklové superslitiny
• Slitiny mědi

Klíčové vlastnosti prášku:

• Chemie – Čistota a složení
• Tvar a morfologie částic
• Distribuce velikosti částic
• Zdánlivá hustota a hustota odbočky
• Tekutost
• Opětovné použití prášku

Způsoby výroby prášku:

• Rozprašování plynu
• Rozprašování vody
• Plazmová atomizace
• Indukční tavení elektrod
• Karbonylový proces
• Mechanické legování

Prášky z nerezové oceli

Prášky z nerezové oceli se běžně používají pro tisk dílů odolných proti korozi:

Typy slitin:

• Austenitické oceli jako 316L, 304L
• Martenzitické oceli jako 17-4PH
• Duplexní oceli jako 2205
• Precipitační vytvrzování jako 17-4PH, 15-5PH

Charakteristika:

• Vysoká odolnost proti korozi a oxidaci
• Dobrá pevnost a tažnost
• Méně náchylné k praskání než oceli s vysokým obsahem slitin
• Parametry jako atmosféra stavby kritické

Aplikace:

• Díly pro chemický a procesní průmysl
• Námořní součásti
• Lékařské implantáty a přístroje
• Díly pro potravinářský/farmaceutický průmysl vyžadující hygienu

Dodavatelé: Carpenter, Sandvik, Praxair, Höganäs, LPW Technology

Prášky z nástrojové oceli

Nástrojové oceli jako H13 jsou ideální pro tisk dílů odolných proti opotřebení a s vysokou tvrdostí:

Typy slitin:

• Oceli odolné proti nárazům jako S7
• Oceli pro tváření za studena jako D2
• Oceli pro tváření za tepla jako H13, H11
• Rychlořezné oceli jako M2

Charakteristika:

• Vynikající tvrdost až 60 HRC
• Vysoká odolnost proti opotřebení
• Dobrá houževnatost a odolnost vůči tepelné únavě
• Vyžaduje vysokoteplotní žíhání

Aplikace:

• Tvárné nástroje a formy
• Řezné nástroje a vrtáky
• Díly a ložiska odolné proti opotřebení
• Vysokoteplotní nástroje

Dodavatelé: Sandvik, Erasteel, LPW Technology, Tekna Plasma Systems

Slitiny kobaltu a chromu

Kobalt-chromové prášky pro tisk biokompatibilních implantátů a zubních náhrad:

Typy slitin:

• CoCrMo jako Co-28Cr-6Mo
• CoNiCrMo jako Co-35Ni-20Cr-10Mo
• CoCr jako Co-67Cr-28Fe

Charakteristika:

• Vynikající biokompatibilita a odolnost proti korozi
• Vysoká pevnost a tvrdost
• Odolnost proti opotřebení pro kloubní spoje
• Náročná tisknutelnost a tendence k praskání

Aplikace:

• Zubní korunky, můstky a fazety
• Ortopedické implantáty kolen a kyčlí
• Fixační zařízení jako lebeční destičky
• Hardware pro spinální fúzi

Dodavatelé: SLM Solutions, Carpenter, Arcam EBM

Titanové prášky

Titanové prášky vytvářejí pevné, lehké tištěné díly:

Typy slitin:

• Nelegovaný titan jako Ti Grade 1-4
• Slitina Ti-6Al-4V
• Slitina Ti-6Al-7Nb
• Další slitiny alfa + beta

Charakteristika:

• Vysoký poměr pevnosti a hmotnosti
• Vynikající odolnost proti korozi
• Dobré vysokoteplotní vlastnosti
• Nízká hustota – 4,5 g/cm3
• Reaktivní a vyžaduje inertní atmosféru

Aplikace:

• Letecké a motoristické komponenty
• Lékařské implantáty a protetika
• Díly pro potravinářský/chemický průmysl
• Automobilové díly

Dodavatelé: AP&C, Tekna, Carpenter Additive

Hliníkové slitiny

Hliníkové prášky tisknou lehké konstrukční nebo funkční díly:

Typy slitin:

• AlSi 10Mg
• AlSi7Mg
• AlSi12
• Scalmalloy® a další slitiny Al

Charakteristika:

• Nízká hustota – 2,7 g/cm3
• Dobrá pevnost a tuhost
• Vynikající tepelná vodivost
• Náchylné k praskání a zbytkovému pnutí

Aplikace:

• Automobilové a motoristické komponenty
• Letecké a kosmické aplikace
• Výměníky tepla
• Lékařské vybavení jako odlitky

Dodavatelé: AP&C, Sandvik, LPW Technology, ECKA Granules

Niklové superslitiny

Niklové superslitiny jako Inconel 718 tisknou vysokoteplotní díly:

Typy slitin:

• Inconel 718
• Inconel 625
• Waspaloy
• Hastelloy X

Charakteristika:

• Vynikající pevnost při vysokých teplotách
• Dobrá odolnost proti korozi a tečení
• Schopnost pracovat pod napětím při vysokých teplotách
• Náročné na zpracování a náchylné k praskání

Aplikace:

• Lopatky turbíny
• Díly spalovací komory
• Komponenty kosmické lodi
• Díly pro jaderný/chemický průmysl

Dodavatelé: Praxair, Carpenter Additive, GE Additive

Slitiny mědi

Slitiny mědi jako CuCrZr tisknou vysoce vodivé díly:

Typy slitin:

• Měď-chrom jako CuCr1Zr
• Měď-nikl jako CuNi2SiCr
• Bronzy jako CuSn10

Charakteristika:

• Vynikající tepelná a elektrická vodivost
• Dobrá odolnost proti korozi
• Antibakteriální vlastnost
• Nižší pevnost než oceli a slitiny Ni

Aplikace:

• Elektrické komponenty jako přípojnice
• Výměníky tepla a chladiče
• Vlnovody a RF komponenty
• Lékařské nástroje a fixace

Dodavatelé: Sandvik, LPW Technology, Metalysis

Technické specifikace

Typické specifikace kovových prášků používaných v AM:

Parametr	Typické hodnoty	Zkušební normy
Velikost částic	10 - 45 μm	ASTM B214
Tvar částic	Sférické	ISO 13322-2
Průtoková rychlost	25 - 35 s/50 g	ASTM B213
Zdánlivá hustota	2 - 5 g/cc	ASTM B212
Hustota poklepání	4 – 8 g/cm3	ASTM B527
Zbytkový kyslík	< 300 ppm	Interní metoda
Zbytkový dusík	< 50 ppm	Interní metoda
Zbytkový uhlík	< 30 ppm	ASTM E1019

Způsoby výroby prášku

1. Atomizace plynu

• Vysoce sférický prášek
• Malé velikosti částic 5-100 μm
• Používá se pro reaktivní slitiny, jako je titan

2. Atomizace vody

• Nepravidelný tvar prášku
• Větší částice do 300 μm
• Levnější proces

3. Plazmová atomizace

• Kontrolované tvary částic
• Velikosti od submikronů do 150 μm
• Vysoce čistý prášek

4. Mechanické legování

• Elementární míchání a mletí
• Nákladově efektivní pro vlastní slitiny
• Velké velikosti částic

Dodavatelé a ceny

Dodavatel	Materiály	Cenové rozpětí
Technologie LPW	Nástrojové oceli, nerezové oceli	$50 - $120/kg
AP&C	Titanové slitiny, slitiny Al	70–450 USD/kg
Sandvik	Nerezové oceli, slitiny Ni	45–250 USD/kg
Praxair	Superslitiny, titan	150–600 USD/kg
Přísada pro tesaře	Nástrojové oceli, CoCr, nerez	$80 - $300/kg

• Prášky z nerezové oceli stojí 45–120 USD za kg
• Prášky ze slitin titanu stojí 150–450 USD za kg
• Superslitiny a nástrojové oceli stojí 250–600 USD za kg

Ceny závisí na slitině, kvalitě, velikosti šarže a kupních smlouvách.

Manipulace a skladování prášku

Aby se zabránilo kontaminaci, je kritická správná manipulace s práškem:

• Používejte vyhrazené prostory pro prosévání prášku
• Zajistěte inertní atmosféru v boxech a násypkách
• Používejte vodivé nádoby k rozptýlení statických nábojů
• Uzemněte veškeré zařízení a přepravní nádoby
• Zabraňte kontaktu s olejem, vodou nebo kyslíkem
• Skladujte prášek v uzavřených nádobách pod inertním plynem
• Během skladování kontrolujte teplotu a vlhkost
• Při manipulaci dodržujte bezpečnostní opatření, jako jsou OOP

Správné skladování prodlužuje životnost opětovného použití prášku.

Prosévání prášku

Prosévání zajišťuje konzistentní velikosti částic:

Výhody:

• Odstraňuje satelitní částice, které způsobují vady
• Rozbíjí aglomeráty
• Zlepšuje průtok a hustotu balení
• Snižuje problémy s recyklovatelností
• Odstraňuje cizí kontaminanty

Postup:

• Prosévejte prášek pomocí velikosti ok kolem 20–63 μm
• Prosévejte pomocí rotačního nebo vibračního prosévání
• Provádějte prosévání v inertní atmosféře
• Zaznamenejte zbývající procento hmotnosti prášku

Prosévání zlepšuje kvalitu dílu zajištěním ideální roztíratelnosti prášku.

Instalace a uvedení do provozu

Instalace kovové AM tiskárny se systémem prášku zahrnuje:

• Čištění povrchů zařízení, aby se zabránilo kontaminaci
• Zkouška těsnosti spojů inertního plynu
• Kontrola výkonu laseru nebo elektronového paprsku
• Nakládání a testování systému pro opětovné nanášení prášku
• Integrace chladiče, výfuku a servisních spojů
• Instalace monitorovacích a bezpečnostních senzorů
• Ověření prosévacích a manipulačních systémů prášku
• Kalibrace vyrovnání stavební desky
• Zkušební tisk vzorových dílů a ověřování kvality

Dodavatelé poskytují podporu při instalaci a uvedení do provozu.

Provoz a osvědčené postupy

Pokyny pro provoz tiskárny:

• Provádějte pravidelné kontroly těsnosti a testy čistoty inertního plynu
• Předúpravte prášek, abyste zajistili konzistentní texturu
• Upravte tloušťku vrstvy a parametry laseru pro nové materiály
• Pečlivě sledujte tavnou lázeň a kontrolujte teplotu dílu
• Ověřte kritické rozměry pomocí zkušebních výtisků
• Sledujte stav prášku a znovu jej používejte pouze v souladu s doporučeními
• Provádějte pravidelnou údržbu optiky, systému vedení paprsku a mechanismu pro opětovné nanášení prášku

Bezpečnost personálu:

• Používejte vhodné OOP, jako jsou respirátory a rukavice
• Zabraňte kontaktu s reaktivními jemnými kovovými prášky
• S odpadním práškem manipulujte správně v inertní atmosféře

Dodatečné zpracování dílů:

• Používejte vhodné teploty tepelného zpracování a stárnutí přizpůsobené slitině a aplikaci
• Kontrolujte rychlosti náběhu během tepelného zpracování, abyste uvolnili napětí
• V případě potřeby použijte horké izostatické lisování pro složité díly ke zlepšení hustoty
• Použijte dokončovací kroky, jako je CNC obrábění a leštění

Údržba a kontrola

Pravidelné údržbové činnosti:

Denně:

• Zkontrolujte optiku, jako jsou zrcadla, čočky, okna, zda nejsou poškozeny
• Vyčistěte stavební komoru a systém manipulace s práškem
• Zkontrolujte hladiny inertního plynu a v případě potřeby je doplňte
• Otestujte mechanismus prosévání a nanášecí zařízení prášku

Týdně:

• Kalibrujte senzory a přístroje
• Zkontrolujte upevňovací prvky, elektrické svorky a uzemnění
• Namažte a zkontrolujte pohyblivé části, jako jsou motory a pohony
• Sledujte filtry pro výměnu

Měsíčně:

• Zkouška těsnosti systému inertního plynu pomocí helia
• Zkontrolujte bezpečnostní zařízení, jako jsou detektory požáru
• Zkontrolujte stav systému CHP

Ročně:

• Naplánujte preventivní údržbu s dodavatelem zařízení
• Kalibrujte měřič výkonu laseru
• Vyměňte filtry a spotřební materiál

Údržba podle pokynů dodavatele je nutná k udržení kvality dílů a stavu zařízení.

Výběr správného systému pro tisk kovů

Faktory, které je třeba zvážit při výběru kovového AM stroje:

1. Požadavky na výrobu

• Typ vyráběných komponent
• Potřebný materiál na základě vlastností dílu
• Požadavky na objem výroby
• Požadovaná přesnost a povrchová úprava

2. Specifikace tiskárny

• Podporované materiály a parametry
• Velikost a rychlost stavby
• Přesnost a opakovatelnost
• Řízení inertní atmosféry
• Funkce automatizace a ovládací prvky

3. Systém pro manipulaci s práškem

• Integrovaný nebo samostatný systém
• Schopnosti prosévání, podávání, skladování a opětovného použití
• Ochrana reaktivních materiálů, jako je titan
• Monitorovací funkce, aby se zabránilo kontaminaci

4. Soulad s normami

• Průmyslové normy, jako je ASTM F3301
• Certifikace kvality výrobce
• Soulad s bezpečnostními normami

5. Povinné údaje dodavatele

• Osvědčená historie v AM průmyslu
• Možnosti místního prodeje a technické podpory
• Nabízené smlouvy o údržbě a služby
• Plány školení obsluhy
• Celkové náklady na vlastnictví

Důkladná analýza požadavků a srovnání nabídek strojů pomocí těchto kritérií vede k výběru ideálního 3D systému pro tisk kovů přizpůsobeného výrobním potřebám.

Výhody a nevýhody kovového AM

výhody:

• Vysoká geometrická složitost snadno tištěná
• Kratší doba do funkčních dílů
• Snížený odpad ve srovnání se subtraktivními procesy
• Jednotné nastavení výroby přímo z CAD
• Potenciál odlehčování a konsolidace dílů
• Zlepšení výkonu s konstruovanými slitinami
• Možnosti přizpůsobení a masového přizpůsobení

Nevýhody:

• Vysoké náklady na stroje a materiál
• Vyžadují se další kroky následného zpracování
• Omezená velikost na základě stavební komory
• Kontrola vnitřních defektů může být náročná
• Vlastnosti materiálu se mohou lišit oproti kovaným
• Omezení povrchové úpravy může vyžadovat dokončování
• Požadavky na školení a odbornost

Odstraňování problémů s běžnými problémy s kovovým AM

Defekt	Možné příčiny	Nápravná opatření
Pórovitost	Nesprávné parametry procesu	Optimalizujte výkon laseru, rychlost, rozteč šrafování
	Kontaminace prášku	Použijte čerstvý prosátý prášek, zlepšete manipulaci s práškem
	Nedostatečné překrytí mezi stopami skenování	Upravte velikost a překrytí ohniska paprsku
Cracking	Nadměrné tepelné napětí	Optimalizujte předehřev, kontrolujte rychlost chlazení pomocí ohřívačů
	Materiál náchylný k praskání	Změňte orientaci, abyste snížili napětí
	Kontaminace ze stavební atmosféry	Zajistěte vysoce čistou inertní atmosféru
Deformace	Nerovnoměrné vytápění nebo chlazení	Optimalizujte vzory skenování a omezte díl na stavební desce
Špatná povrchová úprava	Teplota dílu příliš nízká	Zvyšte teplotu předehřevu
	Nevhodná tekutost taveniny	Upravte výkon a další parametry
	Kontaminovaný prášek	Použijte čerstvý prášek a zlepšete manipulaci

Nejčastější dotazy

Otázka: Jaké kovové slitinové prášky lze použít pro AM?

Odpověď: Běžné jsou nerezové oceli, nástrojové oceli, slitiny titanu, niklové superslitiny, slitiny hliníku, kobalt-chrom a slitiny mědi.

Otázka: Jaký je typický rozsah velikostí částic prášku?

Odpověď: Pro procesy PBF-LB/M je běžných 10-45 mikronů, s užším rozložením kolem 20-45 μm.

Otázka: Jak dlouho mohou kovové prášky vydržet?

Odpověď: Při ideálním skladování v argonu vydrží mnoho slitin 1-2 roky. Životnost při opětovném použití je kratší – 20-100 výtisků v závislosti na slitině.

Otázka: Jaké kroky následného zpracování jsou vyžadovány u kovových AM dílů?

Odpověď: Často je vyžadováno odstranění podpěr, tepelné zpracování, povrchová úprava, jako je CNC obrábění, leštění a povlakování.

Otázka: Jak se nakládá s reaktivními kovovými prášky, jako je titan a hliník?

Odpověď: Pro zabránění absorpci kyslíku je nutná specializovaná manipulace s práškem v inertní argonové atmosféře.

Otázka: Jaká jsou běžná rizika kontaminace prášku?

Odpověď: Vystavení atmosféře vedoucí k absorpci kyslíku nebo dusíku. Kovové částice z obrábění nebo opotřebení. Olej a vlhkost.

Otázka: Jaké normy se používají pro kvalifikaci kovových prášků?

Odpověď: Normy ASTM B214, ASTM B812, ASTM F3049, ASTM F3301 a MPIF.

Otázka: Proč je prosévání prášku důležité?

Odpověď: Rozbíjí aglomeráty, odstraňuje satelity a poskytuje optimální a konzistentní velikost prášku pro vysokou hustotu a povrchovou úpravu.

Závěr

Kovové prášky umožňují aditivní výrobu pokročilých, vysoce výkonných součástí s vlastnostmi, které jsou v některých případech lepší než u tvářených materiálů. Široká škála slitin od nerezových ocelí až po superslitiny a titan je k dispozici ve formě prášku, přizpůsobené náročným aplikacím v leteckém, lékařském, automobilovém a obecném průmyslu. S neustálým zlepšováním slitin, standardů kvality, výrobních procesů, strojů a vlastností dílů se kovové AM stává globálně klíčovou výrobní technologií. Pro realizaci všech výhod jsou však nezbytné odborné znalosti procesů a materiálů a přísná kontrola kvality. S rostoucími zkušenostmi poskytuje kovové AM bezprecedentní možnosti výroby složitých a přizpůsobených dílů s větší svobodou designu a kratšími dodacími lhůtami.

znát více procesů 3D tisku