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

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:

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

• 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

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.