Materiály pro aditivní výrobu kovů: Složení, vlastnosti, aplikace

Aditivní výroba, známý také jako 3D tisk, přináší revoluci do výroby napříč průmyslovými odvětvími od leteckého průmyslu až po lékařské přístroje. Jednou z klíčových oblastí pokroku je kovový 3D tisk, který umožňuje vytvářet složité kovové díly přímo z 3D modelů CAD bez nutnosti drahých nástrojů nebo forem.

Aditivní výroba kovů vyžaduje specializované vybavení a materiály, aby bylo možné dosáhnout extrémních teplot potřebných k roztavení a spojení kovových prášků do pevných předmětů. Nejběžnějšími technologiemi 3D tisku kovů, které se dnes používají, jsou tavení v práškovém loži, usměrněné nanášení energie, tryskání pojiva a laminování plechů.

Vlastnosti materiálu dílů vyrobených pomocí kovového 3D tisku do značné míry závisí na složení a vlastnostech použitých kovových prášků a slitin. Tento článek obsahuje přehled nejběžnějších materiálů pro aditivní výrobu kovů, jejich vlastností, použití a dodavatelů.

Typy materiálů pro aditivní výrobu kovů

Pro práškový 3D tisk je k dispozici široká škála kovových slitin. Mezi nejčastěji používané patří:

Tyto základní materiály lze míchat a legovat v různých kombinacích, aby se dosáhlo specifických vlastností materiálu potřebných pro různé aplikace.

Vlastnosti materiálů pro aditivní výrobu kovů

Mezi klíčové vlastnosti kovových prášků používaných v aditivní výrobě patří:

Distribuce velikosti částic

• Velikost částic prášku je při tavení v práškovém loži obvykle 15-45 mikronů.
• Menší částice <15 mikronů zvyšují hustotu, ale snižují tekutost.
• Větší částice >45 mikronů snižují přesnost a kvalitu povrchu.
• Rovnoměrné rozložení velikosti umožňuje optimální hustotu balení.

Morfologie a tvar

• Sférický tvar prášku umožňuje hladký tok a balení.
• Nepravidelné tvary mohou způsobit špatnou sypnou hustotu a rovnoměrnost lože prášku.

Tekutost

• Prášky se musí rovnoměrně rozprostřít po celém loži prášku, aby se vytvořily rovnoměrné vrstvy.
• Tekutost je dána tvarem, rozložením velikosti a strukturou povrchu.
• Pro zlepšení toku prášku mohou být přidána průtočná činidla.

Hustota

• Vyšší hustota balení prášku vede ke snížení pórovitosti tištěných dílů.
• Zdánlivá hustota obvykle odpovídá 40-60% skutečné hustoty pevného tělesa.
• Hustota odběru indikuje průtok a účinnost balení.

Čistota

• Vysoká čistota snižuje výskyt vad a kontaminace.
• Hladiny kyslíku a dusíku se udržují pod 100 ppm.
• Minimální satelity (malé částice připojené k větším částicím).

Obsah vlhkosti

• Vlhkost může způsobit shlukování prášku a snížit průtok.
• Obsah vlhkosti udržovaný pod 0,02% hmotnosti.
• Prášky skladované ve vakuu nebo v atmosféře inertního plynu.

Kromě vlastností prášku propůjčuje složení a mikrostruktura objemových kovových slitin dílům AM důležité provozní vlastnosti:

Síla

• Mez kluzu 500 MPa až více než 1 GPa v závislosti na slitině.
• Tepelným zpracováním lze zvýšit pevnost srážkovým kalením.

Tvrdost

• Tvrdost podle Vickerse od 150 HV do více než 400 HV.
• Tvrdost lze lokálně upravit tepelným zpracováním.

Hustota

• Lze dosáhnout téměř plné hustoty >99%.
• Zbytková pórovitost závisí na parametrech procesu.

Povrchová úprava

• Povrch po vytištění je drsný 10-25 mikronů Ra.
• Obrábění, broušení a leštění je nutné pro přesnou povrchovou úpravu.

Odolnost proti únavě

• Srovnatelné s kovanými materiály, ale anizotropní.
• Záleží na orientaci sestavení, interní vady.

Odolnost proti korozi

• Výrazně se liší podle složení slitiny od nízké po velmi vysokou.

Tepelné vlastnosti

• Vodivost a koeficienty roztažnosti blízké kovaným slitinám.
• V závislosti na orientaci stavby v důsledku mikrostruktury.

Elektrický odpor

• V rámci 10-20% z kovaných materiálů.
• Vyšší pórovitost zvyšuje měrný odpor.

Výběrem optimalizovaných prášků a slitin umožňuje technologie AM z kovů v mnoha případech vyrábět husté díly s mechanickými vlastnostmi srovnatelnými s tradiční výrobou. Vlastnosti však zůstávají anizotropní v závislosti na směru výroby.

Aplikace materiálů pro aditivní výrobu kovů

Mezi klíčové aplikace využívající výhod aditivní výroby kovů patří:

Letectví: Složité komponenty proudových motorů, raket a hypersonických vozidel. Snížení hmotnosti, zvýšení výkonu.

Lékařský: Zakázkové ortopedické implantáty, protetika, chirurgické nástroje. Biokompatibilní kovy na míru anatomii.

Automobilový průmysl: Odlehčovací komponenty, výkonné díly, nástroje. Zvýšená pevnost a funkční integrace.

Průmyslový: Výrobní díly pro konečné použití pro čerpadla, kompresory a motory. Zkrácení dodací lhůty a skladových zásob.

Spotřebitel: Šperky, módní doplňky, drobné pomůcky. Unikátní geometrie s vysokou hodnotou.

Obrana: Odolné díly pro polní použití, ochranné pomůcky, výzbroj. Výroba na vyžádání.

Výroba forem: Konformní chladicí kanály zajišťují vyšší produktivitu. Přímý tisk nástrojů forem.

Energie: Olejové/plynové komponenty odolávají korozi a fungují v extrémních podmínkách.

Díky vynikajícím mechanickým vlastnostem, přesnosti a volnosti konstrukce, které AM obrábění kovů umožňuje, je cenná pro prototypy, nástroje a konečné výrobní díly v mnoha průmyslových odvětvích.

Schopnosti procesu aditivní výroby kovů

Různé procesy 3D tisku z kovu mají různé možnosti, pokud jde o kompatibilní materiály, velikosti dílů, přesnost, povrchovou úpravu a další:

Tavení v práškovém loži nabízí nejlepší přesnost a kvalitu povrchu, ale nižší rychlost. Řízené ukládání energie umožňuje rychlou konstrukci velkých dílů tvaru blízkého síti, ale s nižší přesností. Tryskání pojiva je rychlejší, ale vyžaduje infiltraci pro dosažení plné hustoty. Laminování plechů je omezena na tenčí úseky.

Optimální proces závisí na požadavcích aplikace - vybírejte podle velikosti dílu, možností materiálu, přesnosti, rychlosti a potřeb následného zpracování.

Oblíbené systémy aditivní výroby kovových slitin

Zde jsou uvedeny některé z nejběžnějších systémů kovových slitin používaných v aditivní výrobě a jejich klíčové vlastnosti:

Nerezové oceli

Hliníkové slitiny

Titanové slitiny

Slitiny niklu

Slitiny kobaltu a chromu

Výběrem optimální slitiny pro požadavky aplikace umožňuje aditivní výroba 3D tisk vysoce výkonných kovových dílů na zakázku.

Oblíbené třídy kovového prášku pro aditivní výrobu

Většina hlavních dodavatelů kovových prášků nyní nabízí optimalizované druhy prášků speciálně pro aditivní výrobu. Zde jsou některé z nejčastěji používaných druhů:

Prášky z nerezové oceli

Prášky z hliníkových slitin

Prášky ze slitin titanu

Prášky ze slitin niklu

Prášky z kobalt-chromových slitin

Tyto optimalizované třídy prášku zajišťují vysokou kvalitu a opakovatelný výkon pro aditivní výrobu kovů z běžných slitin pro letectví, lékařství a průmysl.

Náklady na prášek pro aditivní výrobu kovů

Náklady na kovové prášky pro AM se mohou výrazně lišit v závislosti na složení slitiny, čistotě, distribuci velikosti částic, dodavateli a objemu nákupu:

Náklady na prášek tvoří významnou část celkových nákladů na díl v kovovém AM. Mezi odvětví, která využívají AM, patří letecký, lékařský, automobilový a ropný a plynárenský průmysl, kde vysoce hodnotné slitiny ospravedlňují náklady. S rostoucími objemy ceny klesají. Opětovné využití odpadního prášku prostřednictvím systémů pro využití prášku také pomáhá snížit celkové náklady na díl.

Postprocesní zpracování aditivní výroby kovů

Většina kovových AM procesů vytváří díly s drsnou povrchovou úpravou a určitou vnitřní pórovitostí. Obvykle je nutná další následná úprava:

• Vyjmutí ze stavební desky - Řezání, broušení nebo drátové elektroerozivní obrábění k odstranění podpěr a oddělení dílů.
• Povrchová úprava - Obrábění, broušení, leštění, tryskání pro zlepšení kvality povrchu.
• Odstraňování stresu - Tepelné zpracování za účelem odstranění zbytkových napětí při výrobě AM.
• Izostatické lisování za tepla - Vysoký tlak pro odstranění vnitřních dutin a zvýšení hustoty.
• Tepelné zpracování - Srážkové kalení, stárnutí pro zlepšení mechanických vlastností.
• Nátěry - V případě potřeby aplikujte funkční nátěry pro zvýšení odolnosti proti opotřebení/korozi.

Při správném následném zpracování mohou kovové díly AM dosáhnout extrémně vysoké hustoty a přesné povrchové úpravy srovnatelné s tradičně vyráběnými kovovými součástmi.

Pokyny pro navrhování aditivní výroby kovů

Chcete-li plně využít výhod technologie AM a vyhnout se možným úskalím, doporučujeme dodržovat pokyny pro navrhování:

• Minimalizace převislých konstrukcí vyžadujících podpěry
• Orientujte díly tak, abyste snížili efekt schodovitého povrchu.
• Použití tenkých stěn, mříží pro snížení hmotnosti a spotřeby materiálu
• Konsolidace sestav do jednotlivých složitých dílů
• Začlenění konformních chladicích kanálů a bionických konstrukcí
• Vnitřní kanály a dutiny navrhněte tak, aby byly samonosné.
• Povolení přístupových otvorů pro nepráškované oblasti
• zohlednění anizotropních vlastností na základě orientace konstrukce
• Navrhování velkorysých koutů a poloměrů do rohů

Přijetím myšlení "design-for-AM" mohou inženýři plně využít tyto inovativní možnosti.

Budoucnost aditivní výroby kovů

Aditivní výroba kovů urazila dlouhou cestu, pokud jde o materiály, procesy, aplikace a přijetí. Stále však existují významné příležitosti ke zlepšení rychlosti, nákladů, kvality a možností materiálů.

Výrobci zařízení vyvíjejí větší konstrukční obálky a více laserové systémy pro zvýšení produktivity. Uzavřená monitorovací smyčka a pokročilé systémy kontroly kvality pomohou zvýšit konzistenci a spolehlivost.

Dodavatelé materiálu se zaměřují na kvalifikaci dalších slitin optimalizovaných pro AM, včetně materiálů pro vyšší teploty, jako jsou niklové superslitiny, nástrojové oceli a žáruvzdorné kovy. Funkčně odstupňované a kompozitní kovové prášky poskytnou více možností ladění vlastností.

Software pokroky v oblasti navrhování, simulace, optimalizace, strojového učení a automatizace zpřístupní AM širšímu publiku. Propojení systémů a digitální výrobní přístupy umožní distribuovanější a agilnější výrobu.

Aplikace bude v letectví a kosmonautice nadále rychle růst v oblasti motorů a konstrukčních prvků. S klesajícími náklady se bude zrychlovat zavádění v automobilovém průmyslu, ropném a plynárenském průmyslu, zdravotnických zařízeních a spotřební elektronice. Rychlá výroba a masové přizpůsobení se stanou realitou.

Odvětví AM kovů zažívá vzrušující období, protože na tento rychle rostoucí trh, jehož hodnota se odhaduje na více než $15 miliard do roku 2028, vstupují noví hráči a nové inovace.

Aditivní výroba kovů - nejčastější dotazy

Zde jsou odpovědi na některé často kladené otázky týkající se materiálů a procesů aditivní výroby kovů:

Jaké typy kovů lze tisknout 3D tiskárnou?

Potisknout lze většinu hlavních průmyslových slitin, včetně nerezových ocelí, hliníku, titanu, niklu, kobaltu, chromu, nástrojových ocelí, drahých kovů, jako je zlato a stříbro, a slitin mědi. Nové slitiny se neustále upravují.

Jaké přesnosti a povrchové úpravy lze dosáhnout?

Rozměrová přesnost se obvykle pohybuje kolem ±0,1-0,3% s tolerancí ±0,1-0,2 mm. Povrchová úprava po vytištění je drsná, 10-25 μm Ra, ale lze ji výrazně zlepšit obráběním a leštěním.

Jaké jsou vlastnosti materiálu ve srovnání s tradiční výrobou?

Mikrostruktura a vlastnosti většiny aditivních dílů jsou srovnatelné s formami odlitků nebo kovaných materiálů. Mechanické vlastnosti splňují nebo překračují normy pro materiály, jako jsou titan a slitiny niklu pro letecký průmysl.

Jak probíhá následné zpracování dílů po 3D tisku?

Následné zpracování zahrnuje odstraňování podpěr, uvolňování napětí, operace povrchové úpravy, jako je CNC obrábění, broušení a leštění, a také případné tepelné zpracování. Některé kritické aplikace mohou vyžadovat izostatické lisování za tepla (HIP) k odstranění vnitřních dutin a zvýšení hustoty.

Jaké jsou klíčové zásady návrhu kovových dílů AM?

Mezi zásady pro navrhování patří minimalizace převisů, optimalizace orientace stavby, začlenění mříží a vnitřních konstrukcí, použití tenkých stěn a konsolidace sestav. Výkon lze zvýšit pomocí bionického a konformního chlazení.