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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Cena prášku ze slitiny kobaltu a chromu

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

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

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

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.