Metaaladditieve productiematerialen: samenstelling, eigenschappen, toepassingen

Additieve productie, ook bekend als 3D-printen, zorgt voor een revolutie in de productiesector in allerlei sectoren, van de lucht- en ruimtevaart tot medische apparatuur. Een belangrijk gebied van vooruitgang is het 3D-printen van metalen, waarmee complexe metalen onderdelen rechtstreeks uit 3D CAD-modellen kunnen worden gemaakt, zonder dat er dure gereedschappen of mallen nodig zijn.

Metaaladditieve productie vereist gespecialiseerde apparatuur en materialen om de extreme temperaturen te bereiken die nodig zijn om metaalpoeders te smelten en samen te smelten tot vaste voorwerpen. De meest voorkomende 3D-printtechnologieën voor metaal die tegenwoordig worden gebruikt, zijn poederbedfusie, gerichte energiedepositie, binderjetting en lamineren van platen.

De materiaaleigenschappen van onderdelen geproduceerd via 3D-printen van metaal zijn sterk afhankelijk van de samenstelling en kenmerken van de gebruikte metaalpoeders en legeringen. Dit artikel geeft een overzicht van de meest voorkomende materialen voor metaaladditieve productie, hun eigenschappen, toepassingen en leveranciers.

Typen metaaladditieven voor productiematerialen

Er is een breed scala aan metaallegeringen beschikbaar voor poedergebaseerd 3D-printen. De meest gebruikte zijn onder meer:

Deze basismaterialen kunnen in verschillende combinaties worden gemengd en gelegeerd om specifieke materiaaleigenschappen te verkrijgen die nodig zijn voor verschillende toepassingen.

Eigenschappen van metaaladditieven voor productiematerialen

De belangrijkste eigenschappen van metaalpoeders die worden gebruikt bij additieve productie zijn onder meer:

Deeltjesgrootteverdeling

• De poederdeeltjesgrootte is typisch 15-45 micron voor poederbedfusie.
• Kleinere deeltjes <15 micron verbeteren de dichtheid maar verminderen de vloeibaarheid.
• Grotere deeltjes >45 micron verminderen de precisie en oppervlakteafwerking.
• Een uniforme maatverdeling zorgt voor een optimale pakdichtheid.

Morfologie en vorm

• De bolvormige poedervorm zorgt voor een soepele stroom en verpakking.
• Onregelmatige vormen kunnen een slechte bulkdichtheid en uniformiteit van het poederbed veroorzaken.

Vloeibaarheid

• Poeders moeten zich gelijkmatig over het poederbed verspreiden voor uniforme lagen.
• Vloeibaarheid bepaald door vorm, grootteverdeling, oppervlaktetextuur.
• Er kunnen vloeimiddelen worden toegevoegd om de poederstroom te verbeteren.

Dikte

• Een hogere pakkingsdichtheid van poeder leidt tot verminderde porositeit in geprinte onderdelen.
• Schijnbare dichtheid typisch 40-60% van echte vaste dichtheid.
• Getapte dichtheid geeft stroom- en pakkingefficiëntie aan.

Puurheid

• Hoge zuiverheid vermindert defecten en vervuiling.
• Zuurstof- en stikstofniveaus onder de 100 ppm gehouden.
• Minimale satellieten (kleine deeltjes bevestigd aan grotere).

Vochtgehalte

• Vocht kan ervoor zorgen dat het poeder gaat klonteren en de doorstroming vermindert.
• Vochtgehalte onder 0,02% per gewicht gehouden.
• Poeders opgeslagen in vacuüm of in een atmosfeer van inert gas.

Naast de poedereigenschappen verlenen de samenstelling en microstructuur van de bulkmetaallegeringen belangrijke prestatie-eigenschappen aan AM-onderdelen:

Kracht

• Treksterkte 500 MPa tot meer dan 1 GPa, afhankelijk van de legering.
• Warmtebehandeling kan de sterkte vergroten door precipitatieharding.

Hardheid

• Vickers-hardheid van 150 HV tot meer dan 400 HV.
• De hardheid kan lokaal worden aangepast door middel van warmtebehandeling.

Dikte

• Bijna volledige dichtheid >99% kan worden bereikt.
• De resterende porositeit is afhankelijk van procesparameters.

Oppervlakteafwerking

• Het bedrukte oppervlak is ruw 10-25 micron Ra.
• Bewerking, slijpen en polijsten vereist voor een nauwkeurige afwerking.

Vermoeidheidsweerstand

• Vergelijkbaar met bewerkte materialen, maar anisotroop.
• Afhankelijk van de bouworiëntatie, interne defecten.

Corrosieweerstand

• Varieert aanzienlijk per legeringssamenstelling, van laag tot zeer hoog.

Thermische eigenschappen

• Geleidbaarheid en uitzettingscoëfficiënten dichtbij smeedlegeringen.
• Afhankelijk van de bouworiëntatie vanwege de microstructuur.

Elektrische weerstand

• Binnen 10-20% van bewerkte materialen.
• Een hogere porositeit verhoogt de weerstand.

Door geoptimaliseerde poeders en legeringen te selecteren, maakt metaal AM de fabricage mogelijk van dichte onderdelen met mechanische eigenschappen die in veel gevallen vergelijkbaar zijn met traditionele productie. De eigenschappen blijven echter anisotroop, afhankelijk van de bouwrichting.

Toepassingen voor productiematerialen voor metaaladditieven

De belangrijkste toepassingen die profiteren van metaaladditieve productie zijn onder meer:

Lucht- en ruimtevaart: Complexe straalmotor-, raket- en hypersonische voertuigcomponenten. Minder gewicht, betere prestaties.

Medisch: Op maat gemaakte orthopedische implantaten, protheses, chirurgische instrumenten. Biocompatibele metalen afgestemd op de anatomie.

Automobiel: Lichtgewichtcomponenten, prestatieonderdelen, gereedschappen. Verhoogde sterkte en functionele integratie.

Industrieel: Productieonderdelen voor eindgebruik voor pompen, compressoren, motoren. Verminderde doorlooptijd en voorraad.

Klant: Sieraden, modeaccessoires, kleine gadgets. Unieke hoogwaardige geometrieën.

Verdediging: Robuuste onderdelen voor gebruik in het veld, beschermende uitrusting, bewapening. Productie op aanvraag.

Matrijzenbouw: Conformele koelkanalen zorgen voor een hogere productiviteit. Direct printen van matrijsgereedschappen.

Energie: Olie-/gascomponenten zijn bestand tegen corrosie en presteren onder extreme omstandigheden.

De uitstekende mechanische eigenschappen, nauwkeurigheid en ontwerpvrijheid die metaal AM mogelijk maakt, maken het waardevol voor prototypes, gereedschappen en productieonderdelen voor eindgebruik in veel industrieën.

Mogelijkheden van productieprocessen met metaaladditieven

De verschillende 3D-printprocessen voor metaal hebben verschillende mogelijkheden op het gebied van compatibele materialen, onderdeelgroottes, nauwkeurigheid, oppervlakteafwerking en meer:

Poederbedfusie biedt de beste nauwkeurigheid en oppervlakteafwerking, maar lagere snelheden. Gerichte energiedepositie maakt het mogelijk om grote bijna-netvormige onderdelen snel te bouwen, maar met een lagere precisie. Binder spuiten is sneller maar vereist infiltratie voor volledige dichtheid. Lamineren van vellen is beperkt tot dunnere secties.

Het optimale proces hangt af van de toepassingsvereisten – kies op basis van onderdeelgrootte, materiaalopties, nauwkeurigheid, snelheid en nabewerkingsbehoeften.

Populaire legeringssystemen voor de productie van metaaladditieven

Hier zijn enkele van de meest voorkomende metaallegeringssystemen die worden gebruikt bij additieve productie, samen met hun belangrijkste kenmerken:

Roestvrij staal

Aluminium legeringen

Titanium legeringen

Nikkellegeringen

Kobaltchroomlegeringen

Door de optimale legering voor de toepassingsvereisten te selecteren, maakt additieve productie het mogelijk om hoogwaardige metalen onderdelen op aanvraag in 3D te printen.

Populaire metaalpoederkwaliteiten voor additieve productie

De meeste grote leveranciers van metaalpoeders bieden nu geoptimaliseerde poederkwaliteiten specifiek voor additieve productie. Hier zijn enkele van de meest gebruikte cijfers:

Roestvrij staalpoeders

Poeders van aluminiumlegeringen

Poeders van titaniumlegeringen

Nikkellegeringspoeders

Kobaltchroomlegeringspoeders

Deze geoptimaliseerde poederkwaliteiten zorgen voor hoge kwaliteit en herhaalbare prestaties voor additieve metaalproductie in veelgebruikte legeringen in de lucht- en ruimtevaart, de medische sector en de industrie.

Metaaladditieven Productie Poederkosten

De kosten van metaalpoeders voor AM kunnen aanzienlijk variëren, afhankelijk van de samenstelling van de legering, de zuiverheid, de deeltjesgrootteverdeling, de leverancier en het aankoopvolume:

De poederkosten vormen een aanzienlijk deel van de totale onderdeelkosten in metaal-AM. Industrieën die AM adopteren zijn onder meer de lucht- en ruimtevaart, de medische sector, de automobielsector en de olie- en gassector, waar hoogwaardige legeringen de kosten rechtvaardigen. Naarmate de volumes toenemen, dalen de prijzen. Het hergebruiken van afvalpoeder via poederterugwinningssystemen helpt ook de totale kosten per onderdeel te verlagen.

Nabewerking van metaaladditieve productie

De meeste metalen AM-processen produceren onderdelen met een ruwe oppervlakteafwerking en enige interne porositeit. Extra nabewerking is doorgaans vereist:

• Verwijdering van de bouwplaat – Snijden, slijpen of draadvonken om steunen en losse onderdelen te verwijderen.
• Oppervlakteafwerking – Bewerken, slijpen, polijsten, stralen om de oppervlakteafwerking te verbeteren.
• Stress verlichtend – Warmtebehandeling om restspanningen van AM-build te verlichten.
• Heet isostatisch persen – Hoge druk om interne holtes te elimineren en de dichtheid te verhogen.
• Hittebehandeling – Neerslagharding, veroudering om de mechanische eigenschappen te verbeteren.
• Coatings – Breng indien nodig functionele coatings aan voor slijtvastheid/corrosiebestendigheid.

Met de juiste nabewerking kunnen metalen AM-onderdelen een extreem hoge dichtheid en nauwkeurige oppervlakteafwerkingen bereiken, vergelijkbaar met traditioneel vervaardigde metalen componenten.

Ontwerprichtlijnen voor metaaladditieve productie

Om volledig voordeel te halen uit metaal AM en potentiële valkuilen te vermijden, worden de volgende ontwerprichtlijnen aanbevolen:

• Minimaliseer overhangende constructies die ondersteuning nodig hebben
• Oriënteer de onderdelen om de effecten van trapafwerking te verminderen
• Gebruik dunne wanden en roosters om het gewicht en het materiaalgebruik te verminderen
• Consolideer samenstellingen in afzonderlijke, complexe onderdelen
• Integreer conforme koelkanalen en bionische ontwerpen
• Ontwerp interne kanalen en holtes zo dat ze zelfdragend zijn
• Zorg voor toegangsgaten voor gebieden zonder poeder
• Houd rekening met anisotrope eigenschappen op basis van bouworiëntatie
• Ontwerp royale afrondingen en radiussen in hoeken

Door een ontwerp-voor-AM-mentaliteit aan te nemen, kunnen ingenieurs deze innovatieve mogelijkheden volledig benutten.

De toekomst van de productie van metaaladditieven

Additieve productie van metalen heeft een lange weg afgelegd op het gebied van materialen, processen, toepassingen en acceptatie. Er bestaan echter nog steeds aanzienlijke mogelijkheden om de snelheid, kosten, kwaliteit en materiaalopties te verbeteren.

Fabrikanten van apparatuur ontwikkelen grotere bouwomhulsels en multi-lasersystemen om de productiviteit te verhogen. Closed-loop monitoring en geavanceerde kwaliteitscontrolesystemen zullen de consistentie en betrouwbaarheid helpen vergroten.

Materiaalleveranciers zijn gericht op het kwalificeren van meer legeringen die zijn geoptimaliseerd voor AM, inclusief materialen voor hogere temperaturen zoals nikkel-superlegeringen, gereedschapsstaal en vuurvaste metalen. Functioneel gesorteerde en samengestelde metaalpoeders zorgen voor een betere afstemming van de eigenschappen.

Software vooruitgang op het gebied van ontwerp, simulatie, optimalisatie, machinaal leren en automatisering zullen AM toegankelijker maken voor een breder publiek. Systeemconnectiviteit en digitale productiebenaderingen zullen een meer gedistribueerde en flexibele productie mogelijk maken.

Toepassingen zal snel blijven groeien in de lucht- en ruimtevaart voor motoren en structurele componenten. De adoptie in de automobielsector, de olie- en gassector, medische apparatuur en consumentenelektronica zal versnellen naarmate de kosten dalen. Snelle productie en massaaanpassing zullen werkelijkheid worden.

Het is een opwindende tijd in de metaal-AM-industrie nu nieuwe spelers en nieuwe innovaties deze snelgroeiende markt betreden die naar schatting in 2028 meer dan $15 miljard zal bedragen.

Metaaladditieve productie – Veelgestelde vragen

Hier vindt u antwoorden op enkele veelgestelde vragen over materialen en processen voor metaaladditieve productie:

Welke soorten metalen kunnen 3D-geprint worden?

De meeste belangrijke industriële legeringen zijn bedrukbaar, waaronder roestvrij staal, aluminium, titanium, nikkel, kobaltchroom, gereedschapsstaal, edele metalen zoals goud en zilver, en koperlegeringen. Nieuwe legeringen worden voortdurend gekwalificeerd.

Welke nauwkeurigheid en afwerking kan worden bereikt?

De maatnauwkeurigheid ligt doorgaans rond ±0,1-0,3% met toleranties van ±0,1-0,2 mm. De oppervlakteafwerking zoals afgedrukt is ruw bij 10-25 μm Ra, maar kan aanzienlijk worden verbeterd door machinaal bewerken en polijsten.

Hoe verhouden de materiaaleigenschappen zich tot traditionele productie?

De microstructuur en eigenschappen van de meeste additieve onderdelen zijn vergelijkbaar met gegoten of gesmeed materiaalvormen. Mechanische eigenschappen voldoen aan of overtreffen de normen voor materialen zoals titanium en nikkellegeringen van ruimtevaartkwaliteit.

Hoe worden onderdelen nabewerkt na het 3D-printen?

Nabewerking omvat het verwijderen van ondersteuningen, het verlichten van spanningen, oppervlakteafwerkingen zoals CNC-bewerking, slijpen en polijsten, evenals elke vereiste warmtebehandeling. Voor sommige kritische toepassingen is mogelijk heet isostatisch persen (HIP) nodig om interne holtes te elimineren en de dichtheid te verhogen.

Wat zijn enkele belangrijke ontwerpprincipes voor metalen AM-onderdelen?

Ontwerprichtlijnen omvatten het minimaliseren van overhangen, het optimaliseren van de bouworiëntatie, het opnemen van roosters en interne structuren, het gebruik van dunne wanden en het consolideren van samenstellingen. De prestaties kunnen worden verbeterd door middel van bionische en conforme koelingsontwerpen.