aditivní výroba kovového prášku

Aditivní výroba, známý také jako 3D tisk, přináší revoluci do výroby napříč průmyslovými odvětvími. Jedním z klíčových materiálů, který to umožňuje, je kovový prášek. Vzhledem k tomu, že aditivní výroba pokračuje v rychlém růstu, je nezbytné porozumět kovovým práškům.

Když přemýšlíme o 3D tisku z kovu, snadno se zaměříme na ohromující tiskárny. Nic z toho však nefunguje bez kvalitního kovového prášku! Tento prášek slouží jako "inkoust" pro tisk složitých kovových dílů vrstvu po vrstvě.

Co však dělá dobrý kovový prášek dobrým? Jaké typy se dnes používají? A proč na tom záleží? Tento průvodce se podrobně zabývá vším, co potřebujete vědět.

Kovový prášek 101

Za prvé, co přesně je kovový prášek? Jednoduše řečeno, jedná se o jemný kovový materiál ve formě prášku, který se používá jako základní surovina pro 3D tisk kovových součástí.

Vím, co si možná myslíte... kovový prášek zní spíše jako chemický pokus než jako technický materiál! Ale velikost částic a konzistence zde není náhodná. Kovové prášky pro AM jsou pečlivě konstruovány podle přísných specifikací.

Díky tomu získají výtisky integritu materiálu potřebnou pro robustní díly v reálném světě. Pojďme nyní rozluštit kritické vlastnosti, které odlišují kvalitní prášky pro tisk kovů.

Aditivní výroba Typy kovových prášků

Mnoho kovů a slitin lze převést na jemné homogenní prášky pro aditivní výrobu. Ale jen některé z nich našly dosud běžné využití.

Zde je přehled nejběžnějších kovových prášků, které se dnes používají při 3D tisku:

Titan a hliník se hojně využívají v letectví a automobilovém průmyslu, kde je důležitá úspora hmotnosti. Nerezová ocel pokrývá širokou škálu aplikací vyžadujících dobré fyzikální vlastnosti. Exotické slitiny, jako je kobalt-chrom a slitiny niklu, se používají ve specializovaných lékařských oborech nebo při vysokých teplotách. A nástrojové oceli jsou ideální pro průmyslové nástroje, formy a zápustky vyžadující vysokou odolnost proti opotřebení po tepelném zpracování.

Nyní si podrobněji rozebereme specifika práškové metalurgie!

Složení kovového prášku

Jak již bylo uvedeno, kovové prášky obsahují čisté obecné kovy nebo slitiny kovů ve formě velmi jemných kulovitých částic. Jak je to se složením částic? Obecně prášky spadají do těchto kategorií:

• Předslitiny: Homogenní částice s jednotným vnitřním chemickým složením v každém zrnu prášku.
• Směsné slitiny: Fyzikální směsi různých čistých kovových prášků ve specifických poměrech pro dosažení požadovaného chemického složení po tisku.
• Hybridní slitiny: Částice obsahují některé části jednoho kovu nebo slitiny smíšené s částmi jiného složení v každém zrnu prášku.

Předslitiny zajišťují konzistenci, protože každá částice má stejné vlastnosti. Směsné slitiny však umožňují větší flexibilitu při vytváření vlastních materiálů. Ve skutečnosti je většina dnes používaných kovových tiskových prášků předslitinami. Směsné a hybridní prášky však přidávají jedinečné možnosti.

Klíčové vlastnosti kovového prášku

Nyní k masu a bramborám! Co přesně dělá kovový prášek vhodným pro 3D tisk? Ukázalo se, že na vlastnostech prášku skutečně záleží, ať už jde o tisk v práškovém loži, nebo o tisk metodou usměrněné energetické depozice. Zde jsou ty nejdůležitější:

Velikost částic: Surový kovový prášek má velikost od 1 do 100 mikronů, pak se dále třídí do velikostních kategorií pod 45 mikronů pro kompatibilitu s AM. Obvyklá pásma jsou 0-10, 10-45 nebo 10-30 mikronů.

Tvar částice: Nejlépe se tisknou kulovité, tekoucí částice oproti zubatým vločkám. Prášky by měly vykazovat dobrou rychlost toku, aniž by se slepily.

Rozložení velikosti částic: Úzké rozložení s minimem satelitů a jemných částic zajišťuje homogenní výtisky. Normy vyžadují Gaussovy křivky s 95% mezi určenými nejmenšími a největšími velikostmi.

Zjevná hustota: Vyšší hustoty nad 50% hustoty pevného materiálu tisknou lépe díky fyzikálním vlastnostem práškového lože. Hodnoty se však pohybují v širokém rozmezí 30-80% v závislosti na složení.

Hustota kohoutku: Zkouška měření změny hustoty při vibracích. Vysoká hustota odbočky nad 65% znamená lepší balení a roztíratelnost.

Průtok: Klíčový ukazatel roztíratelnosti prášku od 1 (velmi soudržný) do 10 (sypký). Většina kovových AM prášků se pohybuje v rozmezí 3-6, přičemž vyšší hodnota je lepší.

Existují pokročilejší metriky, jako je Hausnerův poměr, Carrův index a Scottova hustota, které se používají k charakterizaci toku a interakcí mezi částicemi ovlivňujících kvalitu. Co si však máme o všech těchto záhadných statistikách prášků myslet? Dále si objasníme, jak se tyto vlastnosti promítají do lepšího tisku kovů v reálném světě.

Proč záleží na vlastnostech kovového prášku

Na první pohled nemusí být význam všech těchto vlastností granulovaného prášku zřejmý. Nedělají nakonec všechny nablýskané nové tiskárny skutečnou práci?

Stručně řečeno - na prášku záleží víc, než si myslíte! Tady je důvod:

• Šíření prášku uvnitř tiskáren závisí na dynamice toku a chování obalů. Částice, které se dobře rozprostírají a hustě nabalují, umožňují tenčí tiskové vrstvy pro vyšší přesnost a povrchovou úpravu.
• Velikost částic přímo ovlivňuje minimální rozlišení prvků. Menší částice o velikosti kolem 10 mikronů lépe zpracovávají složité detaily. Velmi jemné nanoprášky pod 1 mikron mohou vytvářet extrémně vysoké rozlišení.
• Rovnoměrné rozložení velikosti částic zabraňuje vzniku defektů, jako je pórovitost nebo praskání způsobené segregací částic, které by narušovaly husté výtisky.
• Sférické částice se lépe spojují napříč tiskovými vrstvami, protože se při tisku pevně sbalí a rovnoměrně se roztaví po ozáření laserovým nebo elektronovým paprskem.
• Zdánlivá hustota udává, kolik pevného materiálu se nachází v určitém objemu prášku. Vyšší hustota přináší při tisku více skutečného obsahu kovu.

Jinými slovy, kvalitní prášek znamená kvalitní výtisky! Podívejme se nyní, jak se prášky s vlastnostmi záměrně vyladěnými pro aditivní výrobu skutečně vyrábějí.

Výroba kovového prášku

Přeměna surovin na přesné sférické prášky o velikosti pod 45 mikronů je umění a věda sama o sobě. Mezi specializované techniky výroby prášků pro AM kovů patří:

• Rozprašování plynu: Tryskáním proudu roztavené kovové slitiny vysokotlakým inertním plynem ji rozbijete na jemné kapičky, které ztuhnou na prášek. Nejběžnější metoda, při níž vznikají malé kulovité částice ideální pro tisk.
• Rozprašování vody: Pomocí vodního paprsku rozprašujte roztavený kov na prášek. Nižší náklady, ale omezené pro reaktivní materiály, jako je titan nebo hliník.
• Plazmová atomizace: Použijte plazmový hořák k atomizaci slitin s extrémně vysokými body tání, které přesahují možnosti plynové atomizace.
• Indukční tavení elektrod: Opakovaně roztavte a odpařujte konec kovové tyčinky v inertní atmosféře, aby kapky ztuhly na prášek. Levnější zdroj nikových slitin.
• Mechanický úbytek: Fyzicky rozemelte kovové suroviny na prášek pomocí kulového mletí nebo jiných způsobů rozmělnění. Nejméně výhodné kvůli nesférickým tvarům částic.
• Elektrolýza: Elektricky extrahovat čisté reaktivní kovy, jako je titan, z roztavených solí do práškové formy. Zdroj speciálních reaktivních tiskových prášků.
• Chemická redukce: Výroba kovových prášků, jako je nikl, chemickými reakcemi a srážením z vodných roztoků.

V následujícím grafu jsou přehledně porovnány jednotlivé moderní techniky výroby prášku:

Po přehledu metod výroby prášků se nyní seznámíme s nabídkou komerčních kovových prášků určených speciálně pro aditivní výrobu.

Dodavatelé kovových prášků

Řada profesionálních dodavatelů dnes nabízí stále širší škálu specializovaných kovových AM prášků. Kvalita se však u jednotlivých dodavatelů může značně lišit.

Při hodnocení zdrojů kovového prášku je třeba zvážit i další výhody než jen základní specifikace:

• Vertikálně integrovaná výroba prášku v podniku pro kontrolu kvality
• Rozsah dostupných materiálů včetně slitin na zakázku
• Výzkum a vývoj nových slitin, které nejsou jinde k dispozici
• Rozšířená výroba na zakázku vs. směs na vyžádání
• Služby testování prášků a možnosti odběru vzorků
• Možnosti bezpečného skladování a přepravy
• Programy zpětného odkupu nebo recyklace

S ohledem na tyto tipy pro kupující jsou níže uvedeni přední světoví dodavatelé profesionálních kovových prášků pro AM:

Vedle předních světových dodavatelů se objevují i menší odborné butikové práškové firmy. Ty se často zaměřují na velmi specifické slitiny a používají speciální výrobní postupy, které nejsou u velkých dodavatelů k dispozici.

AM podporují i významné materiálové firmy, jako jsou Aubert & Duval, GKN Powder Metallurgy, Rio Tinto Metal Powders a další. Podívejte se také na místní úrovni, protože regionální prodejny se rozšiřují. V dodavatelském řetězci kovových prášků si každý najde to své!

Náklady na kovový prášek

Prozkoumali jsme řadu pokročilých kovových prášků určených pro tisk. Kolik ale kvalitní prášek pro AM vlastně stojí? Zde jsou orientační čísla:

• Nerezová ocel 316L: $50-120 za kg
• Hliník AlSi10Mg: $70-150 za kg
• Titan Ti64: $200-500 za kg
• Inconel 718: $80-220 za kg
• Kobaltový chrom: $130-350 za kg
• Nástrojová ocel H13: $50-150 za kg

Tržní ceny samozřejmě kolísají v závislosti na nabídce a poptávce. Počítejte však s tím, že za konzistenci tisku zaplatíte vyšší cenu než za surové kovové prášky používané v tradiční práškové metalurgii. Dostanete to, za co si zaplatíte!

Standardy pro kovové prášky

Vzhledem k mnoha kritickým vlastnostem prášku pro aditivní výrobu hrají normy důležitou roli. Skupiny jako ASTM International, ISO a ASME vydávají rostoucí seznam specifikací kovových prášků:

• ASTM F3049: Standardní příručka pro charakterizaci kovových prášků používaných pro AM
• ASTM F3056: Specifikace pro prášky ze slitin niklu pro aditivní výrobu
• ASTM F3301: Specifikace pro prášky z nerezové oceli pro aditivní výrobu
• ISO/ASTM 52921: Standardní terminologie pro fúzi v práškovém loži AM
• ISO/ASTM TS 52900: Aditivní výroba - Obecné zásady - Požadavky na nakupované díly AM
• ASME MSFC-Spec-3717: Specifikace pro prášek ze slitiny titanu rozprašovaný plynem

Tyto dokumenty poskytují konzistentní zkušební metody a kritéria přijatelnosti pro kritické vlastnosti prášku. Normy se dále vyvíjejí a na obzoru jsou další materiály a procesy. Již nyní však stanovují základní hodnoty kvality a konzistence.

Skladování kovového prášku a manipulace s ním

Kovové prášky mohou být reaktivní, takže správné skladování a manipulace zabrání jejich degradaci před tiskem. Mezi klíčová opatření patří:

• Skladujte v uzavřených nádobách v inertní atmosféře argonu nebo dusíku.
• Používejte nereaktivní nádoby, například z nerezové oceli oproti plastům.
• Omezení extrémních teplot při přepravě a skladování
• Zajistěte, aby kontejnery měly uzemňovací mechanismy
• Vyhněte se VIDITELNÉ vlhkosti, která způsobuje hrudkování a oxidaci.
• Manipulace v prostředí bez obsahu kyslíku, jako jsou boxy s rukavicemi.
• Používejte kontroly nebezpečí, protože prášky mohou hořet se vzduchem.

Specifické ochranné pomůcky, jako jsou rukavice, oděvy a masky, které odvádějí statickou elektřinu, zajišťují bezpečnost pracovníků. A místnosti nebo kontejnery vyhovující požadavkům na nebezpečný výrobní materiál (HPM) poskytují bezpečné prostory pro skladování prášku na pracovišti před nakládáním tiskáren.

Pečlivé zacházení s kovovými prášky zajišťuje vysokou míru opětovného použití a méně odpadu!

Recyklace kovového prášku

Opětovné použití použitého prášku po tisku má obrovské ekonomické a ekologické výhody. Sběrné systémy filtrují a mísí použitý prášek s čerstvými zásobami, které se znovu dostanou do výroby.

Vzhledem k tomu, že kovový prášek představuje až 30-50% nákladů na díl v AM, recyklace přináší velké úspory. Mezi osvědčené postupy patří:

• Použití integrovaných vakuových systémů v tiskárnách pro sběr přestřiků
• Použitý prášek prosejte, abyste odstranili velké nečistoty, jako je rozstřik.
• Smíchejte recyklovaný prášek v kontrolovaném poměru s panenskými zásobami.
• Provádění kontrol kvality recyklovaných směsí z hlediska jejich opětovného použití.
• Hledejte klesající výtěžnost po několika cyklech opakovaného použití.
• V případě potřeby chemicky zušlechtit nebo znovu atomizovat degradovaný prášek.

Jako aditivní výroba pokračuje v prudké expanzi a recyklace kovových prášků je pro růst klíčová. Je to klíčový pilíř udržitelnosti v odvětví 3D tisku do budoucna.

Budoucnost vývoje kovových prášků

Kovové prášky umožnily revoluci v 3D tisku. Pokračující pokrok v oblasti prášků podpoří i další generace aplikací. Mezi oblasti, v nichž se dnes aktivně provádí výzkum a vývoj, patří:

• Nové slitiny: Nové chemikálie rozšiřují vlastnosti materiálů nad rámec běžné metalurgie
• Nano prášky: Ultrajemné submikronové částice pro extrémní rozlišení
• Hybridní prášky: Kompozitní směsi metalu, keramiky a polymerů se zlepšenými vlastnostmi
• Úprava prášku: Povlaky a úpravy pro lepší průtok nebo reaktivitu
• Charakteristika: Zlepšená metrologie a testování pro kontrolu kvality
• Recyklace: Větší možnosti opětovného použití a využití

Od malých začínajících podniků až po největší materiálové firmy pokračují masivní investice do zdokonalování prášků AM. To znamená, že na obzoru je stále více schopných tiskových aplikací využívajících tyto prášky!

FAQ

Jaká je hlavní výhoda kovových prášků AM oproti běžným kovovým práškům?

Prášky AM se zaměřují na vlastnosti, jako je tvar částic, distribuce velikosti a tokové vlastnosti, které umožňují tisk, oproti složení pro použití v lisu a spékacím stroji.

Jak se z kovových AM prášků vytvářejí sférické prášky s těsným rozdělením velikosti?

Plynová a plazmová atomizace roztavených slitin za pečlivě kontrolovaných podmínek zajišťuje přesnou konzistenci částic.

Je u aditivně vyráběných kovových dílů před použitím vždy nutná následná úprava? Co to obnáší?

Postprocesy, jako je izostatické lisování za tepla (HIP) a tepelné zpracování, zhušťují výtisky a zlepšují mechanické vlastnosti úpravou mikrostruktury. Často je také nutná povrchová úprava.

Jaké jsou běžné prášky z kovových slitin používané v biomedicínských tiskových aplikacích a proč?

Titanové a kobalt-chromové prášky jsou rozšířené díky vynikající biokompatibilitě. Nerezová ocel se používá i tam, kde záleží na ceně, například u chirurgických nástrojů.

Kolik váží nádoba s běžným kovovým tiskovým práškem, jako je AlSi10Mg nebo nerezová ocel 316L? A jak se přepravuje?

Kontejnery obvykle přepravují 10-30 kg nákladu na paletách v ochranné atmosféře, jako je argon. U malých vzorků se mohou používat vakuově uzavřené pytle. Vždy však dodržujte bezpečnostní opatření!

znát více procesů 3D tisku