Additive Manufacturing Metaalpoeder: Een overzicht

Additieve productie, ook bekend als 3D printen, gebruikt metaalpoeders als grondstof voor het laag voor laag opbouwen van metalen onderdelen en producten. De eigenschappen en kenmerken van het metaalpoeder hebben een grote invloed op de kwaliteit, mechanische eigenschappen, precisie en prestaties van 3D-geprinte metalen onderdelen. Dit artikel geeft een uitgebreid overzicht van metaalpoeders voor additive manufacturing.

Soorten metaalpoeders voor additieve productie

Er zijn verschillende soorten metalen en legeringen beschikbaar in poedervorm voor gebruik in 3D printtechnologieën. De meest gebruikte metaalpoeders zijn:

Soorten metaalpoeders voor additieve productie

De deeltjesvorm, grootteverdeling, vloeikarakteristieken en microstructuur van het metaalpoeder kunnen aanzienlijk variëren afhankelijk van de productiemethode. Dit beïnvloedt de pakkingsdichtheid, smeerbaarheid en het sintergedrag tijdens 3D printen.

Productiemethoden voor metaalpoeders

Er worden verschillende productietechnieken gebruikt om metaalpoeders te maken voor additieve productie:

Productiemethoden voor metaalpoeder

Gasverstuiving en waterverstuiving zijn de meest gebruikte methodes om fijne poeders te produceren voor poederbedfusie 3D printprocessen. De techniek voor poederproductie beïnvloedt de samenstelling, deeltjesvorm, porositeit, stromingseigenschappen, microstructuur en kosten van het metaalpoeder.

Eigenschappen en eigenschappen van metaalpoeder

De eigenschappen van metaalpoeders die gebruikt worden bij additive manufacturing spelen een cruciale rol bij het bepalen van de kwaliteit van het eindproduct, mechanische eigenschappen, precisie, oppervlakteafwerking en prestaties. Enkele belangrijke eigenschappen zijn:

Metaalpoedereigenschappen voor additieve productie

Voldoen aan de strenge eisen voor deze poedereigenschappen is cruciaal om een hoge dichtheid, goede mechanische eigenschappen en kwaliteit te bereiken voor additief vervaardigde onderdelen.

Metaalpoederspecificaties

Metaalpoeders die gebruikt worden bij additieve productie moeten voldoen aan bepaalde specificaties qua samenstelling, deeltjesgrootteverdeling, stroomsnelheid, schijnbare dichtheid en microstructuur. Enkele veelvoorkomende metaalpoederspecificaties zijn:

Typische specificaties voor metaalpoeders voor additieve productie

De grootteverdeling is kritisch, met gebruikelijke D10, D50 en D90 deeltjesgroottes tussen 5-100 micron. Een kleinere verdeling verbetert de dichtheid en resolutie van het poederbed. Normen zoals ASTM F3049, F3301 en ISO/ASTM 52921 specificeren strenge regels voor metaalpoedergrondstoffen die worden gebruikt bij additieve productie.

Toepassingen van metaalpoeders in additieve productie

Metaalpoeders worden gebruikt in verschillende additieve productietechnologieën om functionele metalen onderdelen te printen in diverse industrieën:

Toepassingen van metaalpoeder in additieve productie

Additive manufacturing met metaalpoeders is ideaal voor het produceren van complexe, op maat gemaakte onderdelen met verbeterde mechanische eigenschappen en vormen die niet mogelijk zijn met conventionele productie. Het groeiende aanbod van beschikbare metaallegeringen zorgt voor steeds meer toepassingen in verschillende industrieën.

Kostenanalyse van Metaalpoeders

Het type metaalpoeder en de vereiste kwaliteit hebben een grote invloed op de materiaalkosten bij additieve productie. Enkele typische metaalpoederkosten zijn:

Prijsklassen voor metaalpoeders voor additieve productie

De prijzen variëren op basis van de samenstelling van de legering, de eigenschappen van de deeltjes, de kwaliteit van het poeder en het aankoopvolume. Materiaalafval verminderen door ongebruikt poeder te recyclen kan de kosteneffectiviteit van printen met dure legeringen verbeteren.

Gedetailleerde prijsverdeling voor metaalpoeders

De kosten voor metaalpoeders kunnen een aanzienlijk deel uitmaken van de totale uitgaven voor additieve productie. Deze sectie geeft meer details over de huidige prijsklassen voor verschillende metaallegeringen:

Titanium legering poeder prijzen

De meest gebruikte Ti-6Al-4V legering voor ruimtevaarttoepassingen varieert van $250-500/kg. Meer geavanceerde titaniumlegeringen kunnen meer dan $800/kg kosten.

Het Poederprijzen van de aluminiumlegering

Aluminiumlegeringen zijn over het algemeen $80-150/kg met gespecialiseerde samenstellingen en nano-versterkte poeders die een premium prijs vragen van $250-500/kg.

Nikkellegering poeder prijzen

Nikkel superlegeringen variëren van $120-800/kg, afhankelijk van de samenstelling van de legering, de deeltjeskenmerken en bulkordervolumes.

Edele metalen die worden gebruikt voor juwelen en medische apparatuur vragen zeer hoge prijzen van $1500-3000/kg voor goud, zilver en platinalegeringen.

Inzicht in de huidige prijsniveaus van de meest voorkomende legeringen maakt een weloverwogen selectie mogelijk van kosteneffectieve materialen voor specifieke toepassingen.

Roestvrij staal poeder prijzen

Roestvrijstaalpoeders variëren van $30-200/kg afhankelijk van de kwaliteit. Meer gespecialiseerde legeringen en samenstellingen met strakkere specificaties vragen hogere prijzen.

Gereedschapsstaal poeder prijzen

De prijzen voor gereedschapsstaalpoeder variëren van $80-250/kg, afhankelijk van de hardheid, de samenstelling van de legering en de eigenschappen van de deeltjes.

Koperlegering poeder prijzen

Poeders van koper en koperlegeringen gebruikt voor hun thermische en elektrische eigenschappen zijn $50-150/kg.

Kobalt-chroom legering poeder prijzen

Kobalt-chroomlegeringen van medische kwaliteit variëren van $170-300/kg, afhankelijk van samenstelling en deeltjeskenmerken.

Over het algemeen variëren de metaalpoederprijzen sterk, afhankelijk van de legering, productiemethode, kwaliteit en ordervolume. Maar inzicht in de huidige marktprijzen biedt een nuttige leidraad tijdens het productontwerp en de materiaalselectie voor additieve productie.

Bij additieve vervaardiging zijn er twee hoofdbenaderingen die metaalpoeder als grondstof gebruiken: poederbedfusieprocessen en gerichte energiedepositieprocessen. Dit hoofdstuk vergelijkt de verschillende poedervereisten en eigenschappen tussen de poederbed- en de geblazen-poederbenadering.

Poederbedfusieprocessen

Bij poederbedfusieprocessen zoals selectief lasersinteren (SLS) en elektronenstraalsmelten (EBM) wordt het metaalpoeder in dunne lagen over een bouwplaat verspreid en door een warmtebron laag voor laag selectief gesmolten om een onderdeel te maken. Enkele belangrijke verschillen in poedereigenschappen zijn:

Vereisten voor poederbedfusie

Sferische gasgeatomiseerde poeders met een gecontroleerde grootteverdeling en goede vloeibaarheid zijn ideaal voor poederbedfusie AM processen.

Geblazen Poeder Gerichte Energie Afzetting

Bij DED-technieken zoals laser engineered net shaping (LENS) en electron beam additive manufacturing (EBAM) wordt het metaalpoeder direct geïnjecteerd in een smeltbad dat wordt gecreëerd door een laser- of elektronenstraalwarmtebron. Belangrijke verschillen tussen poeder en poederbed:

Vereisten voor poedergeblazen DED

Bij DED met geblazen poeder zijn de vereisten voor poedergrondstoffen flexibeler in vergelijking met poederbedfusieprocessen. Een belangrijk voordeel van DED is de mogelijkheid om goedkopere poederproductiemethoden te gebruiken.

Overwegingen met betrekking tot poeder voor kwaliteit en kosten

Samengevat, poederbedfusie stelt strengere eisen aan de poedereigenschappen om defecten te voorkomen en onderdelen met een hoge dichtheid te maken. Dit maakt het gebruik van duurdere gasvernevelde poeders meestal noodzakelijk. Geblazen poeder DED biedt meer flexibiliteit om goedkopere poeders te gebruiken, maar dit kan de mechanische eigenschappen en nauwkeurigheid beïnvloeden. De grootte van het onderdeel, de vereisten voor oppervlakteafwerking, mechanische prestaties en budget zijn belangrijke factoren bij het selecteren van een geschikt additief productieproces en poedergrondstof.

Additieve vervaardiging van metaalmatrixcomposieten

Metaalmatrixcomposieten (MMC's) met keramische versterkingen zijn een opkomend gebied in poedervormige additieve productie. Dit hoofdstuk geeft een overzicht van het printen van MMC's met behulp van poederbedfusie en poedergestuurde energiedepositie.

MMC Additive Manufacturing met poederbedfusie

Versterkingen zoals carbiden, boriden en oxiden kunnen gemengd worden met poeders van metaallegeringen om metaalmatrixcomposieten met versterkte deeltjes te printen met verbeterde eigenschappen:

MMC-poeders voor poederbedfusie AM

Factoren zoals verschillen in smeltpunten, slechte bevochtigbaarheid en agglomeratie van versterkingen kunnen echter defecten en uitdagingen veroorzaken bij het printen van MMC-onderdelen van hoge kwaliteit. Versterkingen op nanoschaal en op maat gemaakte poedermeng- en strooiparameters zijn nodig om met succes dichte, isotrope MMC's te printen met behulp van poederbedfusie-AM.

MMC additieve productie met poedergeblazen DED

DED-benaderingen met geblazen poeder bieden voordelen voor het printen van MMC's:

• Versterkingen kunnen direct in het smeltbad worden geïnjecteerd om agglomeratieproblemen te voorkomen
• Snel smelten en stollen verbetert keramische distributie
• Grotere deeltjesgrootten en hogere versterkingsfracties kunnen worden gebruikt

Maar het blijft een uitdaging om het wapeningsgehalte over de hele bouwhoogte te beheersen en een uniforme verdeling te bereiken. Hybride AM-systemen die poederbedfusie en DED combineren, maken het mogelijk om metalen met een hoge dichtheid, zoals koper, te printen als een continue matrix met poederbedfusie, terwijl keramische versterkingen tegelijkertijd worden geïnjecteerd om gebieden plaatselijk te versterken of te verharden.

Over het algemeen maakt additive manufacturing de productie mogelijk van complexe netvormige MMC-componenten met lokaal aangepaste samenstellingen en eigenschappen die niet haalbaar zijn met conventionele composietproductie. Maar de ontwikkeling van grondstofpoeders en printparameters op maat voor specifieke metaal-keramische systemen zijn essentieel om het volledige potentieel van het printen van deeltjesversterkte MMC's met AM te realiseren.

FAQ over metaalpoeders voor additieve productie

Hier zijn antwoorden op veelgestelde vragen over metaalpoeders die worden gebruikt in additieve productieprocessen:

Veelgestelde vragen over metaalpoeders voor AM

V: Wat is het meest gebruikte metaalpoeder voor 3D printen?

A: Aluminiumlegeringen, met name AlSi10Mg, zijn een van de populairste metalen voor poedergebaseerde AM in de lucht- en ruimtevaart, de auto-industrie en industriële toepassingen vanwege hun lichte gewicht, corrosiebestendigheid en kostenvoordelen ten opzichte van titanium- en nikkellegeringen.

V: Wat is het duurste metaalpoeder?

A: Edelmetalen zoals goud, zilver en platina hebben de hoogste materiaalkosten met $1500-3000 per kilogram. Titaanlegeringen zijn ook relatief duur met meer dan $200/kg. Nikkel superlegeringen variëren van $100-300/kg afhankelijk van de samenstelling.

V: Wat is het verschil tussen nieuw en gerecycled metaalpoeder?

A: Virgin poeder is vers geproduceerd poeder dat nog niet eerder is gebruikt bij het drukken. Gerecycled poeder is poeder dat na een print wordt teruggewonnen en hergebruikt. Gerecycled poeder kan 20-30% goedkoper zijn, maar loopt het risico op vervuiling en veranderingen in de eigenschappen na meerdere hergebruikcycli.

V: Wat is cruciaal bij het bepalen van de grootteverdeling van metaalpoeder?

A: Een strakke deeltjesgrootteverdeling is essentieel voor poederbedfusie AM om een uniforme laagdikte, hoge pakkingsdichtheid, goede vloei en resolutie mogelijk te maken. Typische verdelingen zijn D10: 20-40 micron, D50: 20-45 micron, D90 onder 100 micron.

V: Welke invloed heeft vocht in metaalpoeder op AM-processen?

A: Vocht dat geabsorbeerd wordt door poederdeeltjes kan ervoor zorgen dat poeders klonteren en minder goed vloeien. Overtollig vocht leidt ook tot porositeit in geprinte onderdelen. De meeste processen vereisen een vochtgehalte van minder dan 0,2 wt% door drogen.

V: Wat is de rol van recycleerbaarheid van poeder in AM?

A: Het recyclen van ongebruikt poeder na afdrukken vermindert materiaalverspilling en kosten, vooral voor dure legeringen. Maar na hergebruik kan vervuiling optreden. Processen met inerte atmosferen of vacuüm minimaliseren oxidatie en verbeteren de recyclebaarheid.

V: Hoe worden metaalpoeders met bimodale verdelingen gebruikt in AM?

A: Bimodale poeders met twee afzonderlijke grove en fijne poederfracties kunnen de verpakkingsdichtheid en de printresolutie verbeteren. Het fijnere poeder verpakt zich tussen grotere deeltjes. Maar zulke poeders vereisen expertise om een juiste menging en verwerking te garanderen.

V: Is het bij AM mogelijk om goedkopere poeders van lagere kwaliteit te gebruiken in plaats van andere processen?

A: Geblazen poeder DED AM kan gebruik maken van goedkopere poeders van andere productiemethoden die mogelijk niet voldoen aan de strikte specificaties voor poederbedfusie. Maar dit kan ten koste gaan van de mechanische eigenschappen en nauwkeurigheid in vergelijking met gasvernevelde poeders.

Conclusie

Samengevat dienen metaalpoeders als een fundamentele grondstof voor het maken van 3D-geprinte metalen onderdelen met behulp van poederbedfusie en directed energy deposition additive manufacturing technologieën. De eigenschappen en kwaliteit van de metaalpoedergrondstof hebben een sterke invloed op de eigenschappen, precisie, oppervlakteafwerking en prestaties van het eindproduct in de ruimtevaart, de medische sector, de auto-industrie en industriële toepassingen. Gasverstuiving en waterverstuiving zijn primaire productiemethoden. Belangrijke poederattributen zoals de deeltjesgrootteverdeling, morfologie, schijnbare dichtheid, vloeikarakteristieken en microrreinheid moeten voldoen aan strenge specificaties voor AM-processen en vereisten voor de uiteindelijke onderdelen. Voortdurende vooruitgang in op maat gemaakte engineering, modellering en karakterisering van metaalpoeders zal van cruciaal belang zijn om het volledige potentieel van additieve productie met metalen te ontsluiten.