3D metaal afdrukken poeder

Overzicht

poeder voor 3d metaalprintenook bekend als additive manufacturing of direct metal laser sintering, is een revolutionaire productietechniek waarmee complexe metalen onderdelen rechtstreeks uit digitale ontwerpen kunnen worden gemaakt. Een laser versmelt selectief fijn metaalpoeder, laag voor laag, tot het afgewerkte 3D-object ontstaat.

Het belangrijkste onderdeel dat deze transformatieve technologie mogelijk maakt, is het metaalpoeder. De eigenschappen en kwaliteit van het poeder hebben een grote invloed op de mechanische eigenschappen, nauwkeurigheid, oppervlakteafwerking en algemene prestaties van geprinte metalen onderdelen.

Dit artikel geeft een uitgebreid overzicht van metaalpoeders voor 3D printen. We onderzoeken poedertypes, samenstellingen, eigenschappen, specificaties, toepassingen, voordelen, beperkingen en meer op basis van de nieuwste industriële onderzoeken en standaarden. Lees verder voor een dieper inzicht in dit fascinerende materiaal in het hart van de volgende industriële revolutie.

Types van poeder voor 3d metaalprinten

Verschillende legeringen en metaalmaterialen kunnen worden gebruikt voor 3D printpoeder. De meest voorkomende opties zijn:

Roestvrij staalpoeders

Roestvrij staal is een van de populairste metalen voor 3D printen vanwege de hoge sterkte, corrosiebestendigheid en het vermogen om hoge temperaturen te weerstaan. De meest gebruikte roestvrijstalen legeringen zijn:

• 316L roestvrij staal - De standaardlegering met uitstekende corrosiebestendigheid en mechanische eigenschappen. 316L heeft een laag koolstofgehalte om restspanning tijdens het drukken te minimaliseren.
• 17-4PH roestvrij staal - Precipitatiegehard roestvrij staal dat zeer hoge vloeigrens en treksterkte kan bereiken door warmtebehandeling na het drukken.
• 15-5PH roestvrij staal - Een ander precipitatiehardend roestvrij staal met een hoge sterkte en hardheid. 15-5PH biedt een betere corrosiebestendigheid dan 17-4PH.
• Duplex roestvast staal - Legeringen met een gemengde ferritisch-austenitische microstructuur. Duplex staalsoorten bieden superieure vloei- en treksterkten in vergelijking met austenitisch 316L staal. Veel voorkomende duplexlegeringen zijn 2205 en 2304.

Gereedschapsstaal

Gereedschapsstalen hebben een zeer hoge hardheid, slijtvastheid en druksterkte. Veel voorkomende metaalpoeders in deze groep zijn:

• H13 gereedschapsstaal - Een extreem veelzijdig Cr-Mo-V warmwerkgereedschapsstaal dat een hoge hardheid en stabiliteit behoudt bij hoge temperaturen.
• P20 gereedschapsstaal - Een veelzijdig laaggelegeerd gietstaal met goede bewerkbaarheid en polijstbaarheid. P20 wordt vaak gebruikt als goedkoper alternatief voor H13 gereedschapsstaal.
• Maragingstaal - Maraging' staat voor martensitische veroudering. Deze staalsoorten bereiken ultrahoge sterktes door middel van verouderende warmtebehandeling. Veel voorkomende maraging legeringen zijn 18Ni(350) en 18Ni(300).

Aluminium legeringen

Het lichte gewicht, de corrosiebestendigheid en de hoge thermische geleidbaarheid van aluminium maken het een populaire keuze voor de ruimtevaart, de auto-industrie en toepassingen met hoge temperaturen. Veel voorkomende aluminiumpoeders zijn:

• AlSi10Mg - De meest gebruikte aluminiumlegering met uitstekende vloeibaarheid, stabiliteit en mechanische eigenschappen. Si en Mg fungeren als versterkende stoffen.
• AlSi7Mg - Vergelijkbaar met AlSi10Mg. Een lager siliciumgehalte verbetert de vloeibaarheid van het poeder.
• Schalmalloy - Een hoge sterkte Al-Mg-Sc-legering die een uitzonderlijke vloeigrens krijgt door de toevoeging van scandium.

Superlegeringen van kobalt en nikkel

Deze geavanceerde metaalpoeders hebben een extreem hoge hittebestendigheid en slijtvastheid dankzij hun complexe samenstellingen. Typische legeringen zijn onder andere:

• Inconel 718 - Een op nikkel-chroom gebaseerde superlegering met ongelooflijke sterkte bij hoge temperaturen door warmtebehandelingen met vaste oplossing en precipitatieharden.
• Inconel 625 - Uitstekende weerstand tegen oxidatie en corrosie, zelfs bij extreme temperaturen. Op grote schaal gebruikt in de ruimtevaart, chemische en scheepvaarttoepassingen.
• Kobalt-chroom (CoCr) - Kobalt versterkt met chroomcarbiden maakt biocompatibele implantaten zoals prothesen en tandheelkundige kronen/bruggen.
• Hastelloy - Corrosiebestendige nikkellegeringen met toevoegingen als molybdeen, chroom en wolfraam.

Titanium en titaniumlegeringen

Zuiver titanium biedt de ultieme combinatie van hoge sterkte en lage dichtheid. Legeringselementen zoals aluminium, vanadium en ijzer bieden extra voordelen:

• Ti6Al4V - De populairste titaniumlegering met aluminium dat de alfa-fase stabiliseert en vanadium dat de bèta-fase versterkt.
• TiAl6V4 - Een hoger aluminiumgehalte verbetert de mechanische eigenschappen en de weerstand tegen oxidatie nog meer.
• Ti6Al4V ELI - ELI' staat voor 'extra low interstitial' met minder zuurstof, stikstof en koolstof. Heeft een betere breukweerstand dan gewoon Ti64.

Vuurvaste & intermetallische legeringen

Deze geavanceerde poeders zijn bestand tegen extreme temperaturen of hebben een uitzonderlijke sterkte/hardheid:

• Wolfraamcarbide (WC/Co) - Harde wolfraamcarbiden bijeengehouden door een kobaltbindfase maken deze legering stijver dan staal met behoud van taaiheid.
• Molybdeen (Mo) - Zuiver molybdeenpoeder maakt onderdelen met een hoge hittebestendigheid die bestand zijn tegen temperaturen van meer dan 750 °C.
• Inconel 625 - Superlegeringpoeder op basis van nikkel-chroom creëert voorwerpen die een hoge sterkte behouden in oxiderende omgevingen tot 980 °C.

Edelmetalen

De unieke eigenschappen van edelmetalen zoals goud, zilver en platina maken ze ook geschikt voor 3D printen:

• Zilver (Ag) - Zuiver zilverpoeder behoudt uitstekende elektrische en thermische geleidbaarheidseigenschappen, zelfs in complexe gedrukte geometrieën.
• Goud (Au) - Het meeste bedrukte goud is eigenlijk goud dat gelegeerd is met kleine hoeveelheden metalen zoals zilver, koper en palladium om de hardheid te verbeteren en de eigenschappen te optimaliseren.
• Platina (Pt) - Platinapoeder is biocompatibel en bestand tegen corrosie en chemische aantasting. Wordt gebruikt voor medische implantaten en laboratoriumapparatuur.

Deze tabel geeft een overzicht van de eigenschappen van de meest gebruikte metaalprintpoeders:

Productiemethoden voor metaalpoeder

Om de eigenschappen te verkrijgen die nodig zijn voor 3D printen van hoge kwaliteit, moeten metaalpoeders bepaalde specifieke fysieke eigenschappen en deeltjesgrootteverdelingen hebben. Er worden verschillende poederproductietechnieken gebruikt:

Gasverstuiving

• Gesmolten metaalstroom valt uiteen door hogedrukstralen met inert gas
• Produceert bolvormig poeder, ideaal voor afdrukken - hoge vloeibaarheid, verpakkingsdichtheid
• Meest gebruikte methode voor fijner roestvrij staal, gereedschapsstaal, superlegeringen en titaniumpoeders

Waterverneveling

• Gebruikt waterstralen om gesmolten metaal op te breken in fijne druppels
• Onregelmatige poedervorm beïnvloedt stroming, maar goedkoper dan gasverstuiving
• Meestal gebruikt voor meer betaalbare opties zoals aluminium en magnesium

Plasma-verneveling

• Plasmaboog met zeer hoge energie smelt metaal en verspreidt het in fijne deeltjes
• Produceert zeer sferische poeders uit reactieve legeringen zoals titaanaluminiden
• Poeders hebben een hogere zuiverheid en kunnen ingewikkelde details nauwkeuriger afdrukken

Elektrode-inductie smeltgasverneveling (EIGA)

• Combineert inductiesmelten en gasverstuiving
• Uitzonderlijke controle over chemische samenstelling en zuiverheid
• Gebruikt voor speciale legeringen zoals nikkelsuperlegeringen en edelmetalen

Mechanisch legeren

• Poeder geproduceerd door hoogenergetisch kogelmalen
• Gebruikt voor CMD koperlegeringen, aluminium composieten en intermetallics
• Genereert fijne homogene samenstellingen uit gemengde elementaire poeders

Een juiste techniek voor poederproductie is cruciaal voor het verkrijgen van de gewenste chemische samenstelling van legeringen, deeltjesvormen, grootteverdeling, zuiverheidsniveaus en stromingseigenschappen die essentieel zijn voor metaal 3D-printen van hoge kwaliteit.

Kenmerken metaalpoeder

3D-printpoeders moeten voldoen aan strenge specificaties op het gebied van chemie, deeltjesgrootteverdeling, morfologie, microstructuur en andere parameters. De belangrijkste kenmerken zijn:

Deeltjesgrootteverdeling

Het typische bereik is 15 micron tot 45 micron. Kritische factoren zijn onder andere:

• D10 - Grootte waaronder 10% deeltjes vallen
• D50 - Mediaan deeltjesgrootte met 50% boven en onder deze diameter
• D90 - Grootte waarbij 90% poeder onder deze diameter ligt

Ideale waarden: D10: 20-25 μm; D50: 30-35 μm; D90: 40-45 μm

Deeltjesvorm en oppervlaktemorfologie

• Zeer sferische deeltjes met een glad oppervlak zorgen voor de gemakkelijkste poederverspreiding en de beste verdichting.

Debiet en schijnbare dichtheid

• De stroomsnelheid bepaalt het gemak waarmee het poeder zich verspreidt tijdens het printen
• Schijnbare dichtheid geeft aan hoe dicht poeder samenpakt in een vast volume
• Waarden zijn afhankelijk van factoren zoals deeltjesvorm, grootteverdeling, oppervlaktestructuur
• Poeders met gasverneveling hebben de hoogste vloeibaarheid en verpakkingsdichtheid

Tik op Dichtheid

• Maximale dichtheid bereikt na mechanisch kloppen/agitatie
• Hogere tapdichtheid verbetert de dichtheid van het uiteindelijke onderdeel

Verhouding Hausner

• De verhouding tussen tapdichtheid en schijnbare dichtheid
• Lagere verhoudingen ~1,1 wijzen op goede stroombaarheid
• Hogere ratio's ~1,4 wijzen op cohesie en slechte doorstroming

Restoxiden en onzuiverheden

• Zuiverheid is essentieel, zuurstof en stikstof kunnen porositeitsdefecten veroorzaken.
• Chemische stoffen moeten voldoen aan de specificaties van de legering
• Gas-, plasma- en EIGA-verneveling bieden de schoonste poeders

Interne microstructuur

• Afhankelijk van samenstelling, stollingssnelheden tijdens poederproductie
• Enkelfasige, gelijkvormige korrels gewenst voor optimale fusie in lagen
• Sommige legeringen creëren opzettelijk dubbele fasen voor unieke eigenschappen

Deeltjeshardheid

• Beïnvloedt de prestaties van afgewerkte onderdelen
• Het piramidegetal van Vicker (HV) gebruikt om te kwantificeren
• Harde deeltjes weerstaan vervorming tijdens poederspreiding

Satelliet Formatie

• Kleinere deeltjes kunnen zich binden aan grotere deeltjes tijdens de poederproductie
• Satellieten kunnen de vorming van smeltbad tijdens het printen beïnvloeden
• Gasvernevelde poeders hebben minimale satellieten

Oppervlaktechemie

• Functionele groepen aan het oppervlak beïnvloeden poederspreiding + fusie
• Atmosfeer en temperatuur tijdens de productie hebben een effect
• Inerte verwerking genereert schone, oxidevrije poederchemie

Een strenge kwaliteitscontrole van deze poedereigenschappen is cruciaal voor succesvol 3D printen van hoge kwaliteit.

Metaalpoederspecificaties

3D printerfabrikanten en organisaties zoals ISO en ASTM hebben gestandaardiseerde specificaties voor de meeste metaalprintpoeders. Typische parameters zijn onder andere:

Grootteverdeling

• D10, D50, D90 waarden volgens aanbevolen bereiken
• Maximale satellietinhoud < 1%

Chemie Conformiteit

• Elementaire samenstelling voldoet aan de gepubliceerde ranges voor legeringssamenstelling
• Lage zuurstof- en stikstofniveaus (<1000 ppm)
• Resthoeveelheden koolstof en zwavel afhankelijk van legering

Schijnbare dichtheid & kraandichtheid

• Schijnbare dichtheid 2,5-4,5 g/cm3
• Tapdichtheid tot 65% hoger dan schijnbare dichtheid

Stroomsnelheid

• Hall-stromingsmetertest > 15 s/50 g

Vochtgehalte

• Hoge vochtigheid veroorzaakt poederagglomeratie
• Maximaal vochtgehalte < 0,02%

Oppervlakteoxiden

• Oxiden en verontreinigingen kunnen porositeitsdefecten veroorzaken
• SEM-beeldvorming om deeltjesoppervlakken te controleren

Gerenommeerde poederfabrikanten testen elke batch en leveren volledige analysegegevens evenals MLS ratio's, Hausner ratio's, Carr indices en Pycnometer en Hall Flowmeter resultaten om poeder te kwalificeren volgens vastgestelde normen.

Toepassingen voor metaalprintpoeder

3D-metaalprinten transformeert de productie in diverse industrieën. Typische toepassingen zijn onder andere:

Lucht- en ruimtevaart

• Onderdelen van vliegtuig- en raketmotoren - turbines, straalpijpen, brandstofsystemen
• Structurele onderdelen voor casco en landingsgestel van titanium, aluminium, Inconel
• Aanzienlijke gewichtsbesparing, consolidatie van onderdelen, prestatieverbeteringen

Medisch & tandheelkundig

• Gewrichtsreconstructie-implantaten zoals knieën, heupen, schouders
• Tandheelkundige implantaten, kronen en bruggen
• Schedelplaten, chirurgische instrumenten, op de patiënt afgestemde geleiders en instrumenten
• Biocompatibele kobaltchroom, titanium, roestvrij staal en edelmetaallegeringen

Automobiel

• Lichtgewicht prototype- en productieauto-onderdelen - chassis, aandrijflijn
• Gereedschap voor conforme koeling voor spuitgieten
• Aangepaste mallen, opspansystemen voor assemblagelijnen
• Certificering voor structurele roestvrijstalen componenten in uitvoering

Industriële fabricage

• Gereedschappen voor metaal - spuitgieten, thermovormen, plaatvormen
• Pers- en stempelmatrijzen van gehard gereedschapsstaal
• Conforme koelkanalen minimaliseren cyclustijden van gereedschap
• Snelle doorlooptijd van korte productieruns

Olie gas

• Roestvrijstalen en Hastelloy kleppen, pompen, pijpen voor productie
• Corrosiebestendige Inconel onderdelen voor offshore
• Conforme kanalen minimaliseren drukverlies

Consumentenelektronica

• Aangepaste roestvrijstalen of aluminium behuizingen, schilden, frames
• Warmtebeheerapparaten voor warmteafvoer
• Componenten voor elektromagnetische afscherming
• High end designer sieraden - goud, zilver, platina

Snelle productietechnieken zoals 3D printen ontsluiten baanbrekende functionaliteit, prestaties en ontwerpvrijheid. De unieke eigenschappen van metaalprintpoeders maken productieklare onderdelen voor eindgebruik mogelijk in bijna elke industrie.

poeder voor 3d metaalprinten Leveranciers

De meeste grote conglomeraten in de metaalproductie produceren nu speciale poeders voor additieve productie. Enkele van de belangrijkste wereldwijde leveranciers zijn:

Gerenommeerde leveranciers leveren uitgebreide samenstellings- en eigenschappengegevens voor hun poeders, ondersteund door intensieve R&D en strenge kwaliteitscontroles. Velen bieden ook diensten aan voor de ontwikkeling van legeringen op maat. De wereldwijde logistiek van de toeleveringsketen garandeert een betrouwbare beschikbaarheid op de belangrijkste markten.

3d metaal afdrukken poeder Prijzen

Roestvrij staal 316L - $50-100 USD per kg

Maragingstaal (300 Grade) - $100-200 USD per kg

Aluminium AlSi10Mg - $30-60 USD per kg

Titaan Ti6Al4V (graad 5) - $200-400 USD per kg

Inconel 718 - $100-200 USD per kg

Kobalt Chroom F75 - $100-250 USD per kg

Prijzen variëren op basis van:

• Zuiverheidsniveaus
• Grootteverdeling
• Minimum bestelhoeveelheden
• Ontwikkelingskosten voor aangepaste legering
• Invoerrechten/belastingen

Voors vs. tegens van metaal 3D printen

Voordelen

• Ontwerpvrijheid voor complexe geometrieën
• Consolidatie van onderdelen in afzonderlijke componenten
• Gewichtsreductie door topologieoptimalisatie
• Minder assemblage uit minder onderdelen
• Opties voor legeringen met hoge sterkte
• Functionele integratie - bijvoorbeeld conforme koelkanalen
• Snelle doorlooptijd voor wijzigingen en maatwerk
• On-demand productie van verouderde/legacy reserveonderdelen
• Minder materiaalafval vergeleken met subtractieve technieken

Beperkingen

• Hogere onderdeelkosten vergeleken met conventionele productie van grote volumes
• Beperkte omvang op basis van het volume van de opgebouwde apparatuur
• Beperkte verscheidenheid aan legeringopties die momenteel gecertificeerd en gekwalificeerd zijn
• Lagere maatnauwkeurigheid en fijnere oppervlakteafwerkingen vereisen secundaire bewerking
• Mechanische anisotropie omdat de eigenschappen verschillen afhankelijk van de bouworiëntatie
• Nabewerking zoals heet isostatisch persen nodig voor consolidatie met volledige dichtheid
• Gebrek aan industriestandaarden voor sommige toepassingen

Het assortiment bedrukbare metalen neemt exponentieel toe, samen met de kwaliteit en herhaalbaarheid, omdat de technologie en materiaalkunde zich snel blijven ontwikkelen.

FAQ

Welk bereik van deeltjesgrootte hebben metaalpoeders voor 3D printen nodig?

• Het typische groottebereik is 15-45 micron
• Distributiecurven specificeren D10, D50 en D90 deeltjesdiameters
• Waarden zijn afhankelijk van de gewenste laagresolutie, maar gewoonlijk 20-45 micron

Wat is het verschil tussen poeders van roestvrij staal 316L en 17-4PH?

• Beide ijzer/chroom/nikkel legeringen. 316L heeft een betere corrosiebestendigheid.
• 17-4PH heeft een hogere sterkte en hardheid na precipitatiehardende warmtebehandeling
• 316L ziet meer maritieme, chemische en biomedische toepassingen die corrosiebestendigheid nodig hebben.
• 17-4PH is geschikt voor gereedschapstoepassingen met een hoge slijtvastheid

Waarom is de vorm belangrijk voor metaalprintpoeders?

• Zeer bolvormige deeltjes stromen beter en hebben een hoge verpakkingsdichtheid
• Soepele oppervlaktemorfologie zonder satellieten zorgt voor optimale fusie
• Poeders met gasverneveling leveren afdrukken van de hoogste kwaliteit.

ken meer 3D-printprocessen