Aditivní výroba kovového prášku: Přehled

Aditivní výroba, také známý jako 3D tisk, využívá kovové prášky jako surovinu pro výrobu kovových dílů a výrobků vrstvu po vrstvě. Vlastnosti a charakteristiky kovového prášku mají významný vliv na kvalitu, mechanické vlastnosti, přesnost a výkon 3D tištěných kovových součástí. Tento článek poskytuje komplexní přehled kovových prášků pro aditivní výrobu.

Druhy kovových prášků pro aditivní výrobu

K dispozici jsou různé druhy kovů a slitin v práškové formě pro použití v technologiích 3D tisku. Mezi nejčastěji používané kovové prášky patří:

Druhy kovových prášků pro aditivní výrobu

Kovový prášek	Klíčové vlastnosti
Nerezová ocel	Vynikající odolnost proti korozi, vysoká pevnost a tvrdost. K dispozici jsou austenitické, martenzitické, duplexní a precipitační kalení.
Hliníkové slitiny	Lehký, vysoký poměr pevnosti k hmotnosti. Běžně používané slitiny Al-Si a Al-Mg.
Titanové slitiny	Vysoký poměr pevnosti k hmotnosti, biokompatibilita. Nejběžnější Ti-6Al-4V.
Kobalt-chrom	Vynikající odolnost proti opotřebení a korozi. Používá se pro biomedicínské implantáty.
Slitiny niklu	Pevnost při vysokých teplotách, odolnost proti korozi. Stupně Inconel a Hastelloy.
Slitiny mědi	Vysoká tepelná a elektrická vodivost. K dispozici mosaz, bronz.
Drahé kovy	Vynikající chemická stabilita. Zlato, stříbro, platina používané na šperky.

Tvar částic, distribuce velikosti, tokové charakteristiky a mikrostruktura kovového prášku se mohou značně lišit v závislosti na způsobu výroby. To ovlivňuje hustotu balení, roztíratelnost a chování při slinování během 3D tisku.

Způsoby výroby kovových prášků

K výrobě kovových prášků pro aditivní výrobu se používá několik výrobních technik:

Způsoby výroby kovového prášku

Metoda	Popis	Charakteristiky částic
Atomizace plynu	Proud roztaveného kovu atomizovaný vysokotlakým inertním plynem na jemné kapičky, které tuhnou do sférických částic prášku.	Výborná tekutost. Řízená distribuce velikosti částic. Sférická morfologie.
Atomizace vody	Proud roztaveného kovu rozbitý na kapičky vysokorychlostními vodními paprsky. Rychlé kalení vede k nepravidelným tvarům prášku.	Více kontaminace. Širší distribuce velikosti. Nepravidelné tvary částic se satelity.
Plazmová atomizace	Kovový prášek vyrobený atomizací roztaveného kovu plazmovým paprskem. Rychlá rychlost ochlazování produkuje jemné, kulovité prášky.	Velmi jemný, kulovitý prášek. Řízená distribuce velikosti. Používá se pro reaktivní slitiny.
Indukční tavení elektrod	Kovový drát přiváděný do tavicí komory a tavený indukčními cívkami. Kapky propadají komorou a tuhnou na prášek.	Střední velikosti částic. Tvorba satelitů na částicích.
Mechanické broušení	Hrubý kovový prášek vyrobený mechanickým mletím a mletím.	Široká distribuce velikosti částic. Nepravidelné tvary částic s vnitřní pórovitostí.
Dehydratace kovů	Hydrid-dehydridový proces redukuje kov na jemný prášek. Používá se pro titan, slitiny zirkonia.	Houbovité částice s vysokou vnitřní porézností. Může vyžadovat tryskové frézování.

Atomizace plynem a atomizace vody jsou nejběžnějšími metodami pro výrobu jemných prášků pro 3D tiskové procesy fúze práškového lože. Technika výroby prášku ovlivňuje složení, tvar částic, poréznost, tokové charakteristiky, mikrostrukturu a cenu kovového prášku.

Vlastnosti a charakteristiky kovového prášku

Vlastnosti kovových prášků používaných v aditivní výrobě hrají rozhodující roli při určování kvality finálního dílu, mechanických vlastností, přesnosti, povrchové úpravy a výkonu. Některé klíčové vlastnosti zahrnují:

Vlastnosti kovového prášku pro aditivní výrobu

Vlastnictví	Popis	Důležitost
Tvar částice	Kulovité, satelitní, nepravidelného tvaru	Ovlivňuje tekutost, hustotu balení, roztíratelnost v práškovém loži
Distribuce velikosti částic	Rozsah průměrů částic v prášku	Ovlivňuje rozlišení součásti, povrchovou úpravu, hustotu
Tekutost	Schopnost prášku volně proudit gravitací	Ovlivňuje rozprostření prášku a rovnoměrnost v práškovém loži
Zdánlivá hustota	Hmotnost na jednotku objemu sypkého prášku	Ovlivňuje stavební objem, kinetiku slinování
Klepněte na položku Hustota	Maximální hustota balení při vibracích/klepání	Označuje roztíratelnost a zhuštění při slinování
Halový průtok	Čas potřebný k tomu, aby 50 g prášku proteklo otvorem	Měření tekutosti a konzistence
Hausnerův poměr	Poměr setřesné hustoty ke zdánlivé hustotě	Vyšší poměr indikuje větší mezičásticové tření, horší průtok
Obsah vlhkosti	Obsah vody absorbovaný na povrchu částic prášku	Příliš vysoká vlhkost způsobuje aglomeraci prášku
Obsah kyslíku	Kyslík absorbovaný na povrchu částic prášku	Může ovlivnit tekutost prášku, způsobit poréznost v konečné části
Mikrostruktura	Velikost zrn, hranice zrn, přítomné fáze	Vlivy mechanických vlastností, anizotropie, defekty v koncové části

Splnění přísných požadavků na tyto charakteristiky prášku je rozhodující pro dosažení vysoké hustoty, dobrých mechanických vlastností a kvality aditivně vyráběných součástí.

Specifikace kovového prášku

Kovové prášky používané v aditivní výrobě musí splňovat určité specifikace, pokud jde o složení, distribuci velikosti částic, průtok, zdánlivou hustotu a mikrostrukturu. Některé běžné specifikace kovového prášku zahrnují:

Typické specifikace pro kovové prášky pro aditivní výrobu

Parametr	Typická specifikace
Složení slitiny	± 0,5 wt% specifikované chemie
Velikost částic	10-45 μm
Velikost částic D10	5-15 μm
Velikost částic D50	20-40 um
Velikost částic D90	40-100 um
Zdánlivá hustota	2,5-4,5 g/cc
Hustota poklepání	3,5-6,5 g/cc
Hausnerův poměr	<1,25
Hallův průtok	<30 sekund pro 50 g
Obsah vlhkosti	<0,2 wt%
Obsah kyslíku	150-500 ppm

Distribuce velikosti je kritická, s běžnými velikostmi částic D10, D50 a D90 mezi 5-100 mikrony. Těsnější distribuce zlepšují hustotu a rozlišení práškového lože. Normy jako ASTM F3049, F3301 a ISO/ASTM 52921 specifikují přísná pravidla pro suroviny kovového prášku používané v aditivní výrobě.

Aplikace kovových prášků v aditivní výrobě

Kovové prášky se používají v různých technologiích aditivní výroby k tisku funkčních kovových dílů v různých průmyslových odvětvích:

Aplikace kovového prášku v aditivní výrobě

Průmysl	Aplikace	Použité kovy
Aerospace	Lopatky turbín, trysky raket, výměníky tepla	Slitiny Ti, Ni, Co
Lékařský	Zubní korunky, implantáty, chirurgické nástroje	Ti, CoCr, nerezové oceli
Automobilový průmysl	Odlehčovací prototypy, zakázkové díly	Al, ocel, slitiny Ti
Průmyslový	Chladiče, rozdělovací bloky, robotika	Al, nerez, nástrojové oceli
Šperky	Zakázkové šperky, rychlé prototypování	Slitiny zlata, stříbra, platiny
Ropa a plyn	Potrubní armatury, ventily, tělesa čerpadel	Nerezové oceli, Inconel

Aditivní výroba s kovovými prášky je ideální pro výrobu složitých, přizpůsobených součástí se zlepšenými mechanickými vlastnostmi a tvary, které konvenční výroba neumožňuje. Rozšiřující se škála dostupných kovových slitin neustále rozšiřuje aplikace napříč průmyslovými odvětvími.

Analýza nákladů Kovové prášky

Typ kovového prášku a požadovaná kvalita má významný vliv na materiálové náklady v aditivní výrobě. Některé typické náklady na kovový prášek jsou:

Cenové rozpětí pro kovové prášky pro aditivní výrobu

Materiál	Cenové rozpětí
Hliníkové slitiny	$50-100/kg
Nerezové oceli	$50-150/kg
Nástrojové oceli	$50-200/kg
Titanové slitiny	$200-500/kg
Niklové superslitiny	$100-300/kg
Kobalt Chrome	$150-250/kg
Drahé kovy	$1500-3000/kg pro zlato, stříbro

Ceny se liší podle složení slitiny, charakteristik částic, kvality prášku a objemu nákupu. Snížení plýtvání materiálem recyklací nepoužitého prášku může zlepšit nákladovou efektivitu tisku s drahými slitinami.

Podrobný rozpis cen kovových prášků

Náklady spojené s kovovými prášky mohou tvořit významnou část celkových nákladů v aditivní výrobě. Tato část poskytuje podrobnější informace o aktuálních cenových relacích pro různé slitiny kovů:

Cena prášku z titanové slitiny

Slitina	Cena za kg
Ti-6Al-4V ELI	$350-500
Ti 6Al-4V Grade 5	$250-400
Ti 6Al-4V Grade 23	$300-450
Ti 6Al-4V Grade 35	$250-350
Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo	$400-600
Ti-55531	$500-800

Nejčastěji používaná slitina Ti-6Al-4V pro letecké aplikace se pohybuje v rozmezí $250-500/kg. Pokročilejší titanové slitiny mohou stát přes $800/kg.

Cena prášku z hliníkové slitiny

Slitina	Cena za kg
AlSi 10Mg	$90-120
AlSi7Mg	$80-100
AlSi12	$75-90
AlSi10Mg s nanočásticemi	$250-500
Al 6061	$100-150
Al 7075	$80-120

Hliníkové slitiny jsou obecně $80-150/kg se specializovaným složením a nano-vyztuženými prášky, které mají prémiovou cenu od $250-500/kg.

Cena prášku ze slitiny niklu

Slitina	Cena za kg
Inconel 718	$150-300
Inconel 625	$120-250
Hastelloy X	$200-350
Haynes 282	$200-400
Inconel 939	$300-800

Niklové superslitiny se pohybují v rozmezí $120-800/kg v závislosti na složení slitiny, charakteristikách částic a objemech hromadné objednávky.

Drahé kovy používané pro šperky a lékařské přístroje dosahují velmi vysokých cen od $1500-3000/kg u slitin zlata, stříbra a platiny.

Pochopení aktuálních cenových úrovní u nejběžnějších slitin umožňuje informovaný výběr cenově výhodných materiálů pro konkrétní aplikace.

Cena prášku z nerezové oceli

Slitina	Cena za kg
316L	$50-100
17-4PH	$100-150
15-5 PH	$150-200
304 l	$30-60
420 Nerez	$35-75

Prášky z nerezové oceli se pohybují od $30-200/kg v závislosti na jakosti. Specializovanější slitiny a kompozice s přísnějšími specifikacemi vyžadují vyšší ceny.

Cena prášku z nástrojové oceli

Slitina	Cena za kg
Nástrojová ocel H13	$90-120
Maraging Steel	$180-250
Měděná nástrojová ocel	$120-200
Nástrojová ocel pro práci za tepla	$80-150

Ceny prášku z nástrojové oceli se pohybují od $80-250/kg v závislosti na tvrdosti, složení slitiny a vlastnostech částic.

Cena prášku ze slitiny mědi

Slitina	Cena za kg
Měď	$100-150
Bronz	$50-120
Mosaz	$60-100

Prášky mědi a slitin mědi používané pro jejich tepelné a elektrické vlastnosti jsou $50-150/kg.

Cena prášku ze slitiny kobaltu a chromu

Slitina	Cena za kg
CoCrMo	$170-220
CoCrW	$180-230
CoCrMoWC	$220-300

Slitiny kobalt-chrom pro lékařské účely se pohybují od $170-300/kg v závislosti na složení a vlastnostech částic.

Celkově se ceny kovového prášku pohybují v širokém rozmezí na základě slitiny, výrobní metody, kvality a objemu objednávek. Pochopení současných tržních cen však poskytuje užitečné vodítko při návrhu produktu a výběru materiálu pro aditivní výrobu.

V aditivní výrobě existují dva hlavní přístupy, které využívají suroviny kovového prášku: procesy fúze práškového lože a procesy depozice s přímou energií. Tato část porovnává různé požadavky na prášek a charakteristiky mezi přístupy s práškovým ložem a vyfukovaným práškem.

Procesy fúze v prášku

V procesech fúze práškového lože, jako je selektivní laserové slinování (SLS) a tavení elektronovým paprskem (EBM), je kovový prášek rozprostřen v tenkých vrstvách přes konstrukční desku a selektivně roztaven tepelným zdrojem vrstva po vrstvě, aby se vyrobil díl. Některé klíčové rozdíly ve vlastnostech prášku zahrnují:

Požadavky na prášek pro práškovou fúzi

Parametr	Typická specifikace	Důvod
Distribuce velikosti částic	Těsnější distribuce kolem 20-45μm	Pro dosažení jednotné tloušťky vrstvy a vysoké hustoty balení
Morfologie částic	Vysoce kulové, hladké povrchy	Pro umožnění dobré tekutosti a roztíratelnosti napříč práškovým ložem
Vnitřní pórovitost	Minimální pórovitost nebo duté částice	Pro snížení vad a dosažení vysoké hustoty tištěných dílů
Zdánlivá hustota	Hustota slitiny vyšší než 501 TP3T	Pro maximalizaci hustoty práškového lože a minimalizaci průchodů přelakovačem
Průtokové charakteristiky	Hladký, konzistentní tok prášku	Rozhodující pro rovnoměrné nanášení vrstev a díly bez defektů

Sférické plynem atomizované prášky s řízenou distribucí velikosti a dobrou tekutostí jsou ideální pro fúzní AM procesy práškového lože.

Foukaný prášek řízená depozice energie

V technikách DED, jako je laserové tvarování sítě (LENS) a výroba aditiv elektronovým paprskem (EBAM), je kovový prášek přímo vstřikován do roztavené lázně vytvořené laserem nebo zdrojem tepla s elektronovým paprskem. Klíčové rozdíly v prášku oproti práškovému loži:

Požadavky na prášek pro foukaný prášek DED

Parametr	Typická specifikace	Důvod
Distribuce velikosti částic	Typická širší distribuce od 10-150μm	Pro umožnění tekutosti prášku a také pronikání do lázně taveniny
Morfologie částic	Může používat nepravidelné tvary a satelity	Tekutost je méně kritická než pronikání do lázně taveniny
Vnitřní pórovitost	Snese větší poréznost	Rychlé tavení minimalizuje dopad na hustotu konečného dílu
Zdánlivá hustota	>60% hustoty slitiny	Zlepšený průtok prášku a plnění míchačky
Průtokové charakteristiky	Střední tekutost	Především je třeba zabránit shlukování a zajistit stálý proud prášku

S vyfukovaným práškem DED jsou požadavky na práškovou surovinu flexibilnější ve srovnání s procesy fúze práškového lože. Klíčovou výhodou DED je schopnost používat levnější metody výroby prášku.

Zvažte kvalitu a cenu prášku

Stručně řečeno, fúze práškového lože klade přísnější požadavky na vlastnosti prášku, aby se zabránilo defektům a dosáhlo se dílů s vysokou hustotou. To obvykle vyžaduje použití dražších plynem atomizovaných prášků. Foukaný prášek DED poskytuje větší flexibilitu pro použití levnějších prášků, ale to může ovlivnit mechanické vlastnosti a přesnost. Velikost dílu, požadavky na povrchovou úpravu, mechanický výkon a rozpočet jsou klíčovými faktory při výběru vhodného aditivního výrobního procesu a práškové suroviny.

Aditivní výroba kompozitů s kovovou matricí

Kompozity s kovovou matricí (MMC) s keramickým vyztužením jsou nově vznikající oblastí ve výrobě aditiv na bázi prášku. Tato část poskytuje přehled tiskových MMC pomocí fúze práškového lože a vyfukovaného prášku usměrněného nanášení energie.

Výroba aditiv MMC pomocí práškové fúze

Výztuhy, jako jsou karbidy, boridy a oxidy, lze smíchat s prášky kovových slitin a tisknout částicemi vyztužené kompozity s kovovou matricí se zlepšenými vlastnostmi:

MMC prášky pro pudrové lůžko Fusion AM

Matice	Posílení	Klíčové vlastnosti
AlSi 10Mg	SiC, Al203	Odolnost proti opotřebení, vyšší tuhost
Ti6Al4V	TiB2, TiC	Zvýšená pevnost a tvrdost
Inconel 718	WC, ZrO2	Vylepšená pevnost při vysokých teplotách
CoCr	WC, TaC	Vynikající odolnost proti opotřebení
Nerezová ocel 316L	Y2O3, Ti02	Vyšší pevnost, houževnatost

Faktory jako rozdíl v bodech tání, špatná smáčivost a aglomerace výztuh však mohou způsobit vady a problémy při tisku vysoce kvalitních dílů MMC. K úspěšnému tisku hustých, izotropních MMC pomocí fúze práškového lože AM jsou zapotřebí vyztužení v nanoměřítku a přizpůsobené parametry míchání a rozprostření prášku.

MMC aditivní výroba s použitím foukaného prášku DED

Přístupy DED foukaného prášku nabízejí výhody pro tisk MMC:

• Výztuhy lze přímo vstřikovat do lázně taveniny, aby se předešlo problémům s aglomerací
• Rychlé tavení a tuhnutí zlepšuje distribuci keramiky
• Lze použít větší velikosti částic a vyšší frakce výztuže

Ale kontrola obsahu výztuže v celé výšce stavby a dosažení rovnoměrného rozložení zůstává náročné. Hybridní AM systémy kombinující fúzi práškového lože a DED umožňují tisknout kovy s vysokou hustotou, jako je měď, jako kontinuální matrici pomocí fúze práškového lože, zatímco keramické výztuhy jsou současně vstřikovány k místnímu zpevnění nebo vytvrzení oblastí.

Celkově aditivní výroba umožňuje výrobu komplexních MMC komponentů síťového tvaru s místně přizpůsobeným složením a vlastnostmi, které nejsou proveditelné při konvenční výrobě kompozitů. Ale vývoj výchozích prášků a parametrů tisku přizpůsobených konkrétním kovokeramickým systémům je nezbytný pro realizaci plného potenciálu tiskových částic vyztužených MMC pomocí AM.

Často kladené otázky o kovových prášcích pro aditivní výrobu

Zde jsou odpovědi na některé běžné otázky o kovových prášcích používaných v aditivních výrobních procesech:

Časté otázky o kovových prášcích pro AM

Otázka: Jaký je nejběžněji používaný kovový prášek pro 3D tisk?

Odpověď: Slitiny hliníku, zejména AlSi10Mg, jsou jedním z nejoblíbenějších kovů pro AM na práškové bázi v letectví, automobilovém průmyslu a průmyslových aplikacích díky své nízké hmotnosti, odolnosti proti korozi a cenovým výhodám oproti slitinám titanu a niklu.

Otázka: Jaký je nejdražší kovový prášek?

A: Drahé kovy jako zlato, stříbro a platina mají nejvyšší materiálové náklady na $1500-3000 za kilogram. Slitiny titanu jsou také relativně drahé, jejich cena přesahuje $200/kg. Niklové superslitiny se pohybují od $100-300/kg v závislosti na složení.

Otázka: Jaký je rozdíl mezi původním a recyklovaným kovovým práškem?

Odpověď: Panenský prášek je čerstvě vyrobený prášek, který se dříve při tisku nepoužíval. Recyklovaný prášek je prášek získaný po tisku a znovu použitelný. Recyklovaný prášek může být o 20-30% levnější, ale riskuje kontaminaci a změny vlastností po několika cyklech opětovného použití.

Otázka: Co je rozhodující při určování distribuce velikosti kovového prášku?

Odpověď: Pro fúzi AM práškového lože je kritická úzká distribuce velikosti částic, aby se umožnila rovnoměrná tloušťka vrstvy, vysoká hustota plnění, dobrý tok a rozlišení. Typické distribuce se zaměřují na D10: 20-40 mikronů, D50: 20-45 mikronů, D90 pod 100 mikronů.

Otázka: Jak vlhkost v kovovém prášku ovlivňuje AM procesy?

Odpověď: Vlhkost absorbovaná částicemi prášku může způsobit shlukování prášku a zhoršit tok. Nadměrná vlhkost také vede k poréznosti tištěných dílů. Většina procesů vyžaduje obsah vlhkosti nižší než 0,2 wt% během sušení.

Otázka: Jaká je role recyklovatelnosti prášku v AM?

Odpověď: Recyklace nepoužitého prášku po výtiscích snižuje plýtvání materiálem a náklady, zejména u drahých slitin. Po opětovném použití však může dojít ke kontaminaci. Procesy s inertní atmosférou nebo vakuem minimalizují oxidaci a zlepšují recyklovatelnost.

Otázka: Jak se používají kovové prášky s bimodální distribucí v AM?

Odpověď: Bimodální prášky se dvěma odlišnými hrubými a jemnými frakcemi prášku mohou zlepšit hustotu balení a rozlišení tisku. Jemnější prášek se shlukuje mezi větší částice. Ale takové prášky vyžadují odborné znalosti, aby se zajistilo správné míchání a manipulace.

Otázka: Umožňuje AM použití levnějších prášků nižší třídy oproti jiným procesům?

Odpověď: Foukaný prášek DED AM může využívat levnější prášky z jiných výrobních metod, které nemusí splňovat přísné specifikace pro tavení práškového lože. To však může ohrozit mechanické vlastnosti a přesnost ve srovnání s plynem atomizovanými prášky.

Závěr

Stručně řečeno, kovové prášky slouží jako základní surovina pro výrobu 3D tištěných kovových součástí pomocí technologie výroby aditiv práškového lože a přímého ukládání energie. Charakteristiky a kvalita suroviny kovového prášku mají silný vliv na vlastnosti finálního dílu, přesnost, povrchovou úpravu a výkon v leteckém, lékařském, automobilovém a průmyslovém průmyslu. Atomizace plynu a atomizace vody jsou primární výrobní metody. Klíčové vlastnosti prášku, jako je distribuce velikosti částic, morfologie, zdánlivá hustota, charakteristiky toku a mikročistota, musí splňovat přísné specifikace pro AM procesy a požadavky na finální díl. Neustálé pokroky v inženýrství, modelování a charakterizaci kovových prášků na míru budou rozhodující pro využití plného potenciálu aditivní výroby s kovy.