additieve productie metaalpoeder

Additieve productieook bekend als 3D-printen, zorgt voor een revolutie in de productie in verschillende industrieën. Een van de belangrijkste materialen die dit mogelijk maken is metaalpoeder. Omdat additive manufacturing snel blijft groeien, is het essentieel om metaalpoeders te begrijpen.

Als we denken aan metaal 3D printen, is het makkelijk om te focussen op de verbluffende printers. Maar niets daarvan werkt zonder metaalpoeder van hoge kwaliteit! Dit poeder dient als "inkt" voor het laag voor laag printen van ingewikkelde metalen onderdelen.

Maar wat maakt een goed metaalpoeder? Welke soorten worden tegenwoordig gebruikt? En waarom is het belangrijk? Deze gids gaat dieper in op alles wat je moet weten.

Metaalpoeder 101

Ten eerste, wat is metaalpoeder precies? Simpel gezegd is het fijn metaalachtig materiaal in poedervorm dat wordt gebruikt als basisgrondstof voor 3D printen van metalen onderdelen.

Ik weet wat je denkt... metaalpoeder klinkt meer als een scheikunde-experiment dan als een technisch materiaal! Maar de grootte en consistentie van de deeltjes is geen toeval. Metaalpoeders voor AM worden zorgvuldig samengesteld volgens strikte specificaties.

Dit geeft prints de materiaalintegriteit die nodig is voor robuuste onderdelen in de echte wereld. Laten we nu de kritieke kenmerken ontcijferen die kwaliteitsmetaalprintpoeders van elkaar onderscheiden.

Additieve productie Metaal Poeder Soorten

Veel metalen en legeringen kunnen worden omgezet in fijne uniforme poeders voor additieve productie. Maar tot nu toe zijn er slechts enkele die algemeen gebruikt worden.

Hier volgt een overzicht van de meest gebruikte metaalpoeders voor 3D printen:

Materiaal	Belangrijkste eigenschappen
Titanium	Hoge sterkte-gewichtsverhouding, biocompatibiliteit
Aluminium	Lichtgewicht, corrosiebestendig
Roestvrij staal	Hoge sterkte, corrosie-/ hittebestendig
Kobalt Chroom	Biocompatibiliteit, hoge hardheid
Nikkellegeringen	Hitte-/corrosiebestendig, buigzaam
Gereedschapsstaal	Warmtebehandelbaar, hoge hardheid

Titanium en aluminium worden veel gebruikt voor luchtvaart- en auto-onderdelen waar gewichtsbesparing belangrijk is. Roestvrij staal dekt een breed scala aan toepassingen die goede fysieke eigenschappen vereisen. Exotische legeringen zoals kobaltchroom en nikkellegeringen worden gebruikt in gespecialiseerde medische toepassingen of bij hoge temperaturen. En gereedschapsstaal is ideaal voor industriële gereedschappen, mallen en matrijzen die na een warmtebehandeling een hoge slijtvastheid vereisen.

Laten we nu de poedermetallurgie in meer detail bespreken!

Samenstelling metaalpoeder

Zoals eerder besproken, bevatten metaalpoeders pure basismetalen of metaallegeringen als zeer fijne bolvormige deeltjes. Hoe zit het met de samenstelling van de deeltjes? Over het algemeen vallen poeders in deze categorieën:

• Voorlegeringen: Homogene deeltjes met uniforme interne chemie in elke poederkorrel
• Menglegeringen: Fysieke mengsels van verschillende zuivere metaalpoeders in specifieke verhoudingen om een gewenste bulkchemie te verkrijgen na het printen
• Hybride legeringen: De deeltjes bevatten sommige delen van een metaal of legering gemengd met delen van een andere samenstelling binnen elke poederkorrel

Pre-legeringen zorgen voor consistentie omdat elk deeltje identieke eigenschappen heeft. Gemengde legeringen bieden echter meer flexibiliteit om materialen op maat te maken. In werkelijkheid zijn de meeste metaalprintpoeders die vandaag de dag gebruikt worden pre-alloys. Maar gemengde en hybride poeders voegen unieke mogelijkheden toe.

Belangrijkste kenmerken metaalpoeder

Nu over het vlees en de aardappelen! Wat maakt een metaalpoeder precies geschikt voor 3D printen? Het blijkt dat poedereigenschappen er echt toe doen, of het nu gaat om poederbedfusie of gericht energie-afzetting printen. Dit zijn de belangrijkste:

Deeltjesgrootte: Ruw metaalpoeder begint rond 1-100 micron en wordt dan verder ingedeeld in groottebereiken onder 45 micron voor AM-compatibiliteit. Gangbare bereiken zijn 0-10, 10-45 of 10-30 micron.

Deeltjesvorm: Bolvormige, vloeiende deeltjes drukken het beste af in vergelijking met gekartelde vlokken. Poeders moeten goed vloeien zonder aan elkaar te plakken.

Deeltjesgrootteverdeling: Een smalle verdeling met minimale satellieten en fijne deeltjes zorgt voor homogene afdrukken. De normen vragen om Gaussische curven met 95% tussen de aangewezen kleinste en grootste maten.

Schijnbare dichtheid: Hogere dichtheden boven 50% van de vaste dichtheid van een materiaal drukken beter af vanwege de poederbedfysica. Waarden variëren echter sterk van 30-80%, afhankelijk van de samenstelling.

Dichtheid van de kraan: Test die de verandering in dichtheid onder trillingen meet. Een hoge tapdichtheid boven 65% duidt op een betere verpakking en smeerbaarheid.

Debiet: Belangrijke indicator voor poederspreidbaarheid op een schaal van 1 (zeer cohesief) tot 10 (vrij stromend). De meeste metaal AM-poeders vallen tussen 3-6, waarbij hoger beter is.

Er zijn meer geavanceerde meetmethoden zoals de Hausner-ratio, Carr-index en Scott-dichtheid die worden gebruikt om de stroming en interacties tussen de deeltjes te karakteriseren die de kwaliteit beïnvloeden. Maar wat maken we van al deze cryptische poederstatistieken? Laten we nu eens verduidelijken hoe deze eigenschappen zich vertalen in betere metaalprints in de echte wereld.

Waarom metaalpoedereigenschappen belangrijk zijn

Op het eerste gezicht is het belang van al deze korrelige poedereigenschappen misschien niet zo duidelijk. Doen glimmende nieuwe printers immers niet al het echte werk?

Kortom - het poeder is belangrijker dan je zou denken! Dit is waarom:

• De verspreiding van poeder in printers is afhankelijk van de stromingsdynamiek en het verpakkingsgedrag. Deeltjes die zich goed verspreiden en dicht opeenpakken, maken dunnere printlagen mogelijk voor hogere nauwkeurigheid en oppervlakteafwerking.
• De deeltjesgrootte heeft een directe invloed op de minimale resolutie. Kleinere deeltjes van rond de 10 micron verwerken ingewikkelde details beter. Ultrafijne nanopoeders onder 1 micron kunnen extreem hoge resoluties produceren.
• Een uniforme verdeling van de deeltjesgrootte voorkomt defecten zoals poreusheid of scheuren door deeltjessegregatie die interfereert met dichte afdrukken.
• Bolvormige deeltjes smelten beter samen in printlagen omdat ze dicht op elkaar zitten en gelijkmatig smelten bij blootstelling aan laser- of elektronenstralen tijdens het printen.
• Schijnbare dichtheid geeft aan hoeveel vast materiaal er in een bepaald poedervolume zit. Een hogere dichtheid zorgt ervoor dat er meer metaal in het poeder zit tijdens het printen.

Met andere woorden, kwaliteitspoeder vertaalt zich naar kwaliteitsprints! Laten we nu eens kijken hoe poeders worden geproduceerd met eigenschappen die speciaal zijn afgestemd op additieve productie.

Metaalpoederproductie

Grondstoffen omzetten in nauwkeurige sferische poeders van sub45 micron is een kunst en wetenschap op zich. Gespecialiseerde poederproductietechnieken voor metaal AM omvatten:

• Gasverstuiving: Een stroom gesmolten metaallegering met inert gas onder hoge druk wegblazen om het te breken in fijne druppeltjes die stollen tot poeder. De meest gebruikte methode levert kleine bolvormige deeltjes op die ideaal zijn om mee te printen.
• Waterverneveling: Gebruik een waterstraal om gesmolten metaal tot poeder te verstuiven. Lagere kosten, maar beperkt voor reactieve materialen zoals titanium of aluminium.
• Plasmaverneveling: Gebruik een plasmatoorts om legeringen te atomiseren met extreem hoge smeltpunten die de mogelijkheden van gasatomisatie te boven gaan.
• Elektrode-inductiesmelten: Herhaaldelijk smelten en verdampen van uiteinde van metalen staaf onder inerte atmosfeer waardoor druppels stollen tot poeder. Lagere kosten voor niche-legeringen.
• Mechanisch verloop: Fysiek vermalen van metaalgrondstoffen tot poedervorm door kogelvermalen of andere vormen van verpulvering. Minst geprefereerd vanwege de niet-sferische deeltjesvorm.
• Elektrolyse: Elektrisch extraheren van pure reactieve metalen zoals titanium uit gesmolten zouten tot poedervorm. Bron van speciale reactieve drukpoeders.
• Chemische reductie: Metaalpoeders zoals nikkel produceren via chemische reacties en precipitatie uit waterige oplossingen.

De onderstaande grafiek vergelijkt elke moderne poederproductietechniek in één oogopslag:

Methode	Kostenniveau	Materialen	Deeltjesmorfologie	Algemeen gebruik
Gasverstuiving	Hoog	De meeste legeringen	Bolvormig	Mainstream AM-poeders
Waterverneveling	Laag	Beperkte legeringen	Onregelmatig	Niche-toepassingen
Plasma-verneveling	Heel hoog	Reactieve metalen	Bolvormig	Ruimtevaartlegeringen
Smelten van de elektrode	Laag/Matig	De meeste legeringen	Bolvormig	Aangepaste legeringen
Mechanische slijtage	Laag	Elk metaal	Vlokkig	Erfenis poeders
Elektrolyse	Hoog	Reactieve metalen	Variabele	Speciale poeders
Chemische reductie	Gematigd	Bepaalde zuivere metalen	Variabele	Niche-poeders

Met een overzicht van methoden om poeder te maken, laten we nu het landschap van commerciële metaalpoeders bekijken die speciaal zijn ontwikkeld voor additieve productie.

Metaalpoeder leveranciers

Een groot aantal professionele leveranciers biedt tegenwoordig een groeiend aanbod van gespecialiseerde AM-metaalpoeders. De kwaliteit kan echter sterk variëren tussen leveranciers.

Bij het evalueren van metaalpoederbronnen kun je naast de basisspecificaties ook nog andere voordelen overwegen:

• Verticaal geïntegreerde poederproductie in huis voor kwaliteitscontrole
• Gamma beschikbare materialen inclusief aangepaste legeringen
• R&D voor nieuwe legeringen die elders niet verkrijgbaar zijn
• Geschaalde aangepaste batchproductie vs mix-on-demand
• Poedertestdiensten en bemonsteringsmogelijkheden
• Veilige opslag- en transportmogelijkheden
• Terugkoop- of recyclingprogramma's

Met deze tips voor kopers in gedachten, volgen hieronder de belangrijkste wereldwijde leveranciers van professionele metaalpoeders voor AM:

Metaalpoeder Fabrikant	Aangeboden materialen	Opmerkelijke hoogtepunten
AP&C	Titaan, tantaal, niobium, legeringen	Focus op lucht- en ruimtevaart, plasmaverneveling
Arconic	Aluminium, titanium, nikkellegeringen	Verticaal geïntegreerd, breed materiaalassortiment
Timmerman additief	Roestvrij staal, kobaltchroom, meer	Aangepaste legeringen, focus op kwaliteit
Erasteel	Gereedschapsstaal, roestvrij staal	Diverse staalsoorten en behandelingen
GE-additief	Titanium, aluminium, kobaltchroom, meer	OEM spin-off, breed materiaalportfolio
Hoganas	Roestvrij staal, gereedschapsstaal	Ervaring in de sector, schaal
LPW-technologie	Titanium, aluminium, nikkel, meer	Metaalpoeder R&D, kwaliteit testen
Praxair	Titanium-, nikkel-, kobaltlegeringen	Industriële gas- en poederlegering
Sandvik	Roestvrij staal, superlegeringen, meer	Gevestigde leider in poedermetalen

Naast de toonaangevende wereldwijde leveranciers, duiken er ook kleinere deskundige boetiekpoeders op. Deze richten zich vaak op zeer niche-legeringen en gebruiken speciale productietechnieken die niet beschikbaar zijn bij grote leveranciers.

En grote materiaalbedrijven zoals Aubert & Duval, GKN Powder Metallurgy, Rio Tinto Metal Powders en anderen ondersteunen AM ook. Kijk ook lokaal, want de regionale winkels breiden uit. De toeleveringsketen voor metaalpoeder heeft voor elk wat wils!

Metaalpoeder Kosten

We hebben een reeks geavanceerde metaalpoeders onderzocht die speciaal gemaakt zijn om mee te printen. Maar hoeveel kost poeder van AM-kwaliteit eigenlijk? Hier zijn de globale cijfers:

• Roestvrij staal 316L: $50-120 per kg
• Aluminium AlSi10Mg: $70-150 per kg
• Titanium Ti64: $200-500 per kg
• Inconel 718: $80-220 per kg
• Kobaltchroom: $130-350 per kg
• Gereedschapsstaal H13: $50-150 per kg

Natuurlijk fluctueren de marktprijzen met vraag en aanbod. Maar verwacht een premie te betalen voor drukconsistentie in vergelijking met ruwe metaalpoeders die gebruikt worden in de traditionele pers-en-sinter poedermetallurgie. Je krijgt waar je voor betaalt!

Metaal Poeder Normen

Met zoveel kritische poedereigenschappen voor additieve productie spelen standaarden een belangrijke rol. Groepen als ASTM International, ISO en ASME brengen een groeiende lijst van metaalpoederspecificaties uit:

• ASTM F3049: Standaardgids voor het karakteriseren van metaalpoeders gebruikt voor AM
• ASTM F3056: Specificatie voor poeders van nikkellegeringen voor additieve vervaardiging
• ASTM F3301: Specificatie voor additief vervaardigde roestvrijstalen poeders
• ISO/ASTM 52921: Standaardterminologie voor AM-poederbedfusie
• ISO/ASTM TS 52900: Additieve vervaardiging - Algemene principes - Vereisten voor aangekochte AM-onderdelen
• ASME MSFC-Spec-3717: Specificatie voor gas geatomiseerd titanium legering poeder

Deze documenten bieden consistente testmethoden en acceptatiecriteria voor kritische poedereigenschappen. De normen blijven zich ontwikkelen met meer materialen en processen in het verschiet. Maar ze leggen nu al de basis voor kwaliteit en consistentie.

Opslag en behandeling van metaalpoeder

Metallische poeders kunnen reactief zijn, dus de juiste opslag en behandeling voorkomt degradatie voor het afdrukken. Enkele belangrijke maatregelen zijn:

• Bewaren in afgesloten containers onder inerte argon- of stikstofatmosfeer
• Gebruik niet-reactieve verpakkingen zoals roestvrij staal vs plastic
• Beperk temperatuurextremen tijdens transport en opslag
• Zorg ervoor dat containers aardingsmechanismen hebben
• Vermijd ZICHTBAAR vocht dat klontering en oxidatie veroorzaakt
• Hanteren in zuurstofarme omgevingen zoals handschoenkasten
• Gebruik gevarenbeheersing omdat poeders met lucht kunnen ontbranden

Taakspecifieke beschermende uitrusting zoals handschoenen, kleding en maskers die statische elektriciteit afvoeren, houden het personeel veilig. En ruimtes of containers die voldoen aan de voorschriften voor gevaarlijk productiemateriaal (HPM) bieden veilige on-site poederopslagruimten voor het laden van printers.

Zorgvuldige behandeling van metaalpoeders zorgt voor een hoge mate van hergebruik en minder afval!

Metaalpoeder recycling

Het hergebruiken van gebruikt poeder na het printen heeft enorme economische en milieuvoordelen. Opvangsystemen filteren en mengen gebruikt poeder terug met verse voorraden om opnieuw in productie te gaan.

Aangezien metaalpoeder tot 30-50% van de onderdeelkosten in AM uitmaakt, zorgt recycling voor grote besparingen. Enkele best practices zijn:

• Gebruik geïntegreerde vacuümsystemen op printers om overspray op te vangen
• Zeef gebruikt poeder om grote onzuiverheden zoals spatten te verwijderen
• Meng gerecycled poeder in gecontroleerde verhoudingen met nieuwe grondstoffen
• Voer kwaliteitscontroles uit op gerecyclede mengsels voor hergebruik
• Kijk naar afnemende opbrengsten na meerdere hergebruikcycli
• Chemisch verfijnen of heratomiseren van afgebroken poeder indien nodig

Als additieve productie blijft explosief groeien, is het recyclen van metaalpoeders cruciaal voor groei. Het is een belangrijke pijler van duurzaamheid in de 3D-printindustrie in de toekomst.

De toekomst van metaalpoederontwikkeling

Metaalpoeders hebben de revolutie van het 3D-printen mogelijk gemaakt. En de voortdurende vooruitgang op het gebied van poeders zal ook next-gen toepassingen ondersteunen. Gebieden waar momenteel actief aan R&D wordt gedaan zijn onder andere:

• Nieuwe legeringen: Nieuwe chemische processen breiden materiaaleigenschappen uit die conventionele metallurgie te boven gaan
• Nano poeders: Ultrafijne submicrondeeltjes voor extreme resolutie
• Hybride poeders: Composiet met/keramiek/polymeermengsels met verbeterde kwaliteiten
• Poeder modificatie: Coatings en behandelingen voor betere stroming of reactiviteit
• Karakterisering: Verbeterde metrologie en testen voor kwaliteitscontrole
• Recycling: Meer mogelijkheden voor hergebruik en terugwinning

Van kleine startups tot de grootste materiaalbedrijven, er wordt massaal geïnvesteerd in het verbeteren van AM-poeders. Dat betekent dat er meer printtoepassingen in het verschiet liggen die gebruik maken van deze poeders!

FAQ

Wat is het belangrijkste voordeel van AM-metaalpoeders ten opzichte van conventionele metaalpoeders?

AM-poeders richten zich op kenmerken zoals deeltjesvorm, grootteverdeling en vloei-eigenschappen om printen mogelijk te maken in plaats van alleen de samenstelling voor press-and-sintergebruik.

Hoe worden AM-metaalpoeders bolvormig gemaakt met strakke grootteverdelingen?

Gas- en plasmaatomisatie van gesmolten legeringen onder zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden zorgt voor een nauwkeurige deeltjesconsistentie.

Is nabewerking altijd nodig op additief vervaardigde metalen onderdelen voor gebruik? Wat houdt dit in?

Nabewerkingen zoals heet isostatisch persen (HIP) en warmtebehandeling verdichten de prints en verbeteren de mechanische eigenschappen door de microstructuren te wijzigen. Vaak is ook oppervlakteafwerking nodig.

Wat zijn veelgebruikte metaallegeringspoeders die worden gebruikt in biomedische printtoepassingen en waarom?

Titaan- en kobaltchroompoeders komen veel voor dankzij hun uitstekende biocompatibiliteit. Roestvrij staal wordt ook gebruikt waar de kosten van belang zijn, zoals voor chirurgische instrumenten.

Hoeveel weegt een container met gewoon metaalprintpoeder zoals AlSi10Mg of 316L roestvrij staal? En hoe wordt het verzonden?

Containers worden meestal 10-30 kg verzonden op pallets onder beschermende atmosferen zoals argon. Voor kleine monsters kunnen vacuümverzegelde zakken worden gebruikt. Volg echter altijd de veiligheidsmaatregelen!

ken meer 3D-printprocessen