3D tisk z wolframu: specifikace, ceny, výhody

Prášky wolframu a wolframových slitin umožňují tisknout komponenty s vysokou hustotou a vynikajícími mechanickými a tepelnými vlastnostmi pomocí laserového tavení v práškovém loži (LPBF) a tavení elektronovým svazkem (EBM). Tento průvodce poskytuje přehled o 3D tisku z wolframových kovů.

Úvod do 3D tisk z wolframu

Wolfram je jedinečný materiál pro aditivní výrobu díky své:

• Mimořádně vysoká hustota - 19 g/cm3
• Vysoká tvrdost a pevnost
• Vynikající tepelná vodivost
• Vysoký bod tání 3422 °C
• Náročná zpracovatelnost a obrobitelnost

Klíčové aplikace tištěných wolframových dílů:

• Radiační stínění
• Letecké a motoristické komponenty
• Radioterapeutické přístroje a kolimátory
• Lékařské implantáty, jako jsou zubní implantáty
• Protizávaží a vyvažovací součásti
• Elektrické kontakty a topná tělesa

Běžné slitiny wolframu pro AM:

• Těžké slitiny wolframu s Ni, Fe, Cu, Co
• Karbidy wolframu
• Oxidy wolframu dopované draslíkem

Čistý wolframový prášek

Čistý wolframový prášek poskytuje nejvyšší hustotu:

Vlastnosti:

• Hustota 19,3 g/cm3
• Vynikající blokování a stínění záření
• Vysoká tvrdost až 400 Hv
• Pevnost až 1200 MPa
• Bod tání 3422 °C
• Dobrá elektrická a tepelná vodivost

Aplikace:

• Stínění proti lékařskému záření
• Rentgenové kolimátory a clony
• Letecká protizávaží
• Tlumení vibrací v motorsportu
• Elektrické kontakty a ohřívače

Dodavatelé: TRU Group, Buffalo Tungsten, Midwest Tungsten

Těžké slitiny wolframu

Těžké slitiny wolframu s niklem, železem a mědí poskytují ideální rovnováhu mezi hustotou, pevností a tažností:

Společné známky:

• WNiFe (90W-7Ni-3Fe)
• WNiCu (90W-6Ni-4Cu)
• WNi (90W-10Ni)

Vlastnosti:

• Hustota 17-18 g/cm3
• Pevnost do 1 GPa
• Dobrá odolnost proti korozi a opotřebení
• Pevnost při vysokých teplotách

Aplikace:

• Automobilové a motoristické komponenty
• Letecké a obranné systémy
• Závaží pro tlumení vibrací
• Radiační stínění
• Lékařské implantáty, jako jsou zubní implantáty

Dodavatelé: Sandvik, TRU Group, Nanosteel

Karbidy wolframu

Karbid wolframu v prášku tiskne extrémně odolné díly proti opotřebení:

Typy

• Tvrdokovy WC-Co s kobaltem 6-15%
• Cementované karbidy WC-Ni
• Kermety WC-CoCr

Vlastnosti

• Tvrdost až 1500 HV
• Pevnost v tlaku nad 5 GPa
• Vysoký Youngův modul
• Vynikající odolnost proti oděru a erozi

Aplikace

• Řezné nástroje a vrtáky
• Opotřebitelné díly a těsnění
• Součásti balistického pancíře
• Nástroje pro tváření a lisování kovů

Dodavatelé: Sandvik, Nanosteel, Buffalo Tungsten

Oxidy wolframu s příměsí

Oxidy wolframu dopované draslíkem, jako je K2W4O13, poskytují jedinečné elektrické vlastnosti:

Charakteristika

• Polovodičové chování
• Elektrická vodivost laditelná s úrovní dopování
• Vysoká hustota až 9 g/cm3
• Vysoká radiační stabilita

Aplikace

• Elektronika a elektrické komponenty
• Elektrody, kontakty a rezistory
• Termoelektrické generátory
• Detektory záření

Dodavatelé: Pokročilé materiály Inframat

Srovnání vlastností materiálů

Materiál	Hustota (g/cm3)	Pevnost (MPa)	Tvrdost (HV)	Elektrický odpor (μΩ-cm)
Čistý wolfram	19.3	850	260	5.5
WNiFe	18	1000	380	8.1
WC-12Co	15.5	2000	1300	60
WO3 dopovaný K	9	–	–	1-100

Metody výroby wolframového prášku

1. Redukce vodíku

• Nejběžnější a nejekonomičtější proces
• Oxid wolframu redukovaný vodíkem
• Nepravidelná morfologie prášku

2. Sféroidizace plazmy

• Zlepšuje tvar a sypkost prášku
• Po redukci vodíku
• Poskytuje vysokou čistotu

3. Plazmová atomizace

• Vynikající kulovitost a tok prášku
• Kontrola distribuce velikosti částic
• Nižší odběr kyslíku než při rozprašování plynu

4. Chemická syntéza par

• Ultrajemné prášky wolframu v nano měřítku
• Vysoká čistota s malou velikostí částic
• Používá se pro prášky oxidu wolframu

Technologie tiskáren pro wolfram

Laserová fúze v práškovém loži (LPBF)

• Vysoce výkonné vláknové lasery > 400 W
• Inertní atmosféra argonu
• Přesná kontrola bazénu taveniny má zásadní význam

Tavení elektronovým paprskem (EBM)

• Výkonný elektronový paprsek > 3 kW
• Prostředí s vysokým vakuem
• Nejvhodnější pro vysoce husté materiály

Tryskání pojiva

• Lepicí pojivo používané k selektivnímu spojování prášku
• Pro dosažení plné hustoty je nutné následné zpracování
• Nižší pevnost dílů ve srovnání s LPBF a EBM

LPBF a EBM umožňují tisknout wolframové komponenty s vysokou hustotou.

Technické specifikace

Typické specifikace wolframového prášku pro AM:

Parametr	Specifikace	Zkušební metoda
Velikost částic	15 - 45 mikronů	Difrakce laseru
Zdánlivá hustota	9 - 11 g/cc	Hallův průtokoměr
Hustota poklepání	11 - 13 g/cc	ASTM B527
Průtoková rychlost	25 - 35 s/50 g	ASTM B213
Obsah kyslíku	< 100 ppm	Fúze inertních plynů
Obsah uhlíku	< 50 ppm	Analýza spalování
Kulovitost	0.9 – 1	Analýza obrazu

Kontrola vlastností prášku, jako je distribuce velikosti částic a morfologie, je pro výtisky s vysokou hustotou kritická.

Vývoj tiskových procesů

Optimalizace parametrů procesu LPBF pro wolfram:

• Předehřev pro kontrolu praskání - typicky 100-150 °C
• Vysoký výkon laseru > 400 W s přesnou regulací
• Malá tloušťka vrstvy kolem 20-30 μm
• Strategie skenování pro minimalizaci zátěže
• Řízené chlazení po tisku

Pro EBM:

• Zahřátí na >600 °C pro spékání prášku
• Vysoký světelný proud s malou velikostí bodu
• Pomalejší rychlost skenování pro úplné roztavení
• Minimalizace tepelných gradientů

K charakterizaci vlastností jsou nutné zkušební výtisky.

Dodavatelé a ceny

Dodavatel	Známky	Cenové rozpětí
Skupina TRU	Čistý W, WNiFe	$350 - $850/kg
Nanosteel	WC-Co, WNiFe	$450 - $1000/kg
Buffalo Tungsten	Čistý W, W-Cr	$250 - $750/kg
Inframat	Dopovaný WO3	$500 - $1500/kg
Sandvik	WC-Co, W-Ni-Cu	$300 - $800/kg

• Čistý wolfram stojí ~$350 až $850 za kg
• Těžké slitiny stojí ~$450 až $1000 za kg.
• Dopované oxidy až do $1500 za kg

Cena závisí na čistotě, morfologii, kvalitě prášku a objemu objednávky.

Následné zpracování

Typické kroky následného zpracování wolframových dílů AM:

• Odstranění podpory pomocí EDM nebo vodního paprsku
• Izostatické lisování za tepla k odstranění dutin
• Infiltrace pomocí slitin s nižším obsahem taveniny
• Obrábění pro zlepšení kvality povrchu
• V případě potřeby připojení k dalším komponentům

Správné následné zpracování je zásadní pro dosažení konečné kvality dílu.

Aplikace tištěných wolframových komponentů

Aerospace: Lopatky turbíny, součásti satelitů, protizávaží

Automobilový průmysl: Vyvažovací závaží, díly pro tlumení vibrací

Lékařský: Radiační stínění, kolimátory, zubní implantáty

Elektronika: Chladiče, elektrické kontakty, odpory

Obrana: Radiační stínění, balistická ochrana

Tištěné wolframové komponenty umožňují zlepšení výkonu v náročných aplikacích v různých průmyslových odvětvích.

Výhody a nevýhody wolframu AM

Výhody

• Vysoká hustota pro radiační stínění
• Vynikající pevnost a tvrdost
• Dobré tepelné a elektrické vlastnosti
• Geometrie na míru
• Konsolidace více částí

Nevýhody

• Obtížné a nákladné zpracování
• Křehký materiál vyžadující podpěry
• Nízká tažnost a lomová houževnatost
• Vyžaduje specializované vybavení

Řešení problémů s tiskem

Vydání	Možné příčiny	Nápravná opatření
Pórovitost	Nízká hustota prášku	Použití prášků s vysokou hustotou blízkou teoretické hustotě
	Nepřesné parametry tisku	Nastavení výkonu laseru, rychlosti a rozteče šrafování pomocí zkušebních výtisků
Cracking	Velké tepelné gradienty	Optimalizace předehřevu, strategie skenování
	Vysoká zbytková napětí	Použití izostatického lisování za tepla po tisku
	Kontaminace	Zajištění vysoké čistoty zpracovatelské atmosféry
Deformace	Nerovnoměrné vytápění nebo chlazení	Optimalizujte vzory skenování, pevně ukotvěte díl ke stavební desce.

Nejčastější dotazy

Otázka: Jaká je typická velikost částic používaných pro wolframový tiskový prášek?

Odpověď: Běžně se používá velikost 15-45 mikronů, s přísnou kontrolou distribuce velikosti částic kolem 20-35 mikronů.

Otázka: Jakou míru pórovitosti lze očekávat u tištěných wolframových dílů?

Odpověď: Pórovitosti menší než 1% se obvykle dosahuje optimalizací procesu a izostatickým lisováním za tepla.

Otázka: Jaké slitiny poskytují dobrou rovnováhu mezi hustotou a mechanickými vlastnostmi?

Odpověď: Těžké slitiny wolframu s Ni, Fe a Cu 6-10% poskytují vysokou hustotu s dobrou tažností a lomovou houževnatostí.

Otázka: Jaké následné zpracování je nutné u tištěných wolframových dílů?

Odpověď: Běžně se po tisku používají procesy odstranění podpory, izostatické lisování za tepla, infiltrace a obrábění.

Otázka: Jaké teploty předehřevu se používají?

Odpověď: U LPBF je běžné předehřívání až na 150 °C, aby se snížilo zbytkové napětí a praskání.

Otázka: Jaká bezpečnostní opatření jsou nutná při manipulaci s wolframovým práškem?

Odpověď: Používejte vhodné osobní ochranné prostředky, zabraňte vdechnutí a dodržujte postupy bezpečné manipulace s práškem doporučené dodavatelem.

znát více procesů 3D tisku

Otázka: Jaké normy se používají pro kvalifikaci wolframového tiskového prášku?

A: Normy ASTM B809, ASTM F3049 a MPIF Standard 46 se týkají chemické analýzy, odběru vzorků a zkoušení.

Závěr

Wolfram a jeho slitiny umožňují aditivní výrobu vysoce hustých součástí s bezkonkurenční tuhostí, pevností, tvrdostí a tepelnými vlastnostmi pomocí pokročilých procesů 3D tisku, jako jsou LPBF a EBM. Díky ultra vysokému bodu tání, hustotě a schopnosti blokovat záření nacházejí tištěné wolframové komponenty využití v leteckém průmyslu, motoristickém sportu, zdravotnictví, obraně a elektronice. Náročné požadavky na tisk a následné zpracování však vyžadují přísnou kontrolu procesu a optimalizaci parametrů, aby bylo dosaženo plného zhuštění a ideálních vlastností materiálu. S rozvojem odborných znalostí a zkušeností v oblasti tisku wolframu lze jeho jedinečné výhody využít k výrobě vysoce výkonných součástí s možnostmi přesahujícími tradiční výrobní omezení.