Wolfraam 3D-printen: specificaties, prijzen, voordelen

Wolfraam- en wolfraamlegeringspoeders maken het mogelijk componenten met een hoge dichtheid en uitstekende mechanische en thermische eigenschappen te printen met behulp van laserpoederbedfusie (LPBF) en elektronenbundelsmelten (EBM). Deze gids geeft een overzicht van 3D-printen met wolfraammetaal.

Inleiding tot Wolfraam 3D-printen

Wolfraam is een uniek materiaal voor additieve productie vanwege zijn:

• Uitzonderlijk hoge dichtheid – 19 g/cm3
• Hoge hardheid en sterkte
• Uitstekende thermische geleidbaarheid
• Hoog smeltpunt van 3422°C
• Uitdagende verwerkbaarheid en bewerkbaarheid

Belangrijkste toepassingen van bedrukte wolfraamonderdelen:

• Stralingsafscherming
• Onderdelen voor de ruimtevaart en de autosport
• Radiotherapieapparaten en collimatoren
• Medische implantaten zoals tandartsposten
• Contragewichten en balanceercomponenten
• Elektrische contacten en verwarmingselementen

Veel voorkomende wolfraamlegeringen voor AM:

• Zware wolfraamlegeringen met Ni, Fe, Cu, Co
• Wolfraamcarbiden
• Met kalium gedoteerde wolfraamoxiden

Zuiver wolfraampoeder

Zuiver wolfraampoeder biedt de hoogste dichtheden:

Eigenschappen:

• Dichtheid van 19,3 g/cm3
• Uitstekende stralingsblokkering en afscherming
• Hoge hardheid tot 400 Hv
• Sterkte tot 1200 MPa
• Smeltpunt van 3422°C
• Goede elektrische en thermische geleidbaarheid

Toepassingen:

• Medische stralingsafscherming
• Röntgencollimatoren en appertures
• Luchtvaart contragewichten
• Trillingsdemping in de autosport
• Elektrische contacten en verwarmingselementen

Leveranciers: TRU Groep, Buffalo Tungsten, Midwest Tungsten

Wolfraam zware legeringen

Zware wolfraamlegeringen met nikkel, ijzer en koper zorgen voor een ideale balans tussen dichtheid, sterkte en ductiliteit:

Gemeenschappelijke cijfers:

• WNiFe (90W-7Ni-3Fe)
• WNiCu (90W–6Ni–4Cu)
• WNi (90W-10Ni)

Eigenschappen:

• Dichtheid van 17-18 g/cm3
• Sterkte tot 1 GPa
• Goede corrosie- en slijtvastheid
• Sterkte bij hoge temperaturen

Toepassingen:

• Auto- en motorsportcomponenten
• Lucht- en ruimtevaart- en defensiesystemen
• Trillingsdempende gewichten
• Stralingsafscherming
• Medische implantaten zoals tandartsposten

Leveranciers: Sandvik, TRU Group, Nanostaal

Wolfraamcarbiden

Wolfraamcarbidepoeders printen extreem slijtvaste onderdelen:

Soorten

• WC-Co hardmetalen met 6-15% kobalt
• WC-Ni-gecementeerde carbiden
• WC-CoCr-cermets

Eigenschappen

• Hardheid tot 1500 HV
• Druksterkte meer dan 5 GPa
• Hoge Young-modulus
• Uitstekende slijtvastheid en erosieweerstand

Toepassingen

• Snijgereedschappen en boren
• Slijtageonderdelen en afdichtingen
• Ballistische pantsercomponenten
• Gereedschappen voor het vormen en stempelen van metaal

Leveranciers: Sandvik, Nanostaal, Buffalo Wolfraam

Gedoteerde wolfraamoxiden

Met kalium gedoteerde wolfraamoxiden zoals K2W4O13 bieden unieke elektrische eigenschappen:

Kenmerken

• Halfgeleidend gedrag
• Elektrische geleidbaarheid afstembaar op dopingniveaus
• Hoge dichtheid tot 9 g/cm3
• Hoge stralingsstabiliteit

Toepassingen

• Elektronica en elektrische componenten
• Elektroden, contacten en weerstanden
• Thermo-elektrische generatoren
• Stralingsdetectoren

Leveranciers: Inframat geavanceerde materialen

Vergelijking van materiaaleigenschappen

Productiemethoden voor wolfraampoeder

1. Waterstofreductie

• Meest gebruikelijke en economische proces
• Wolfraamoxide gereduceerd door waterstof
• Onregelmatige poedermorfologie

2. Plasma-sferoïdisatie

• Verbetert de poedervorm en vloeibaarheid
• Gedaan na waterstofreductie
• Biedt een hoge zuiverheid

3. Plasma-verneveling

• Superieure poederbolvorm en vloei
• Controle over de deeltjesgrootteverdeling
• Lagere zuurstofopname dan gasverneveling

4. Chemische dampsynthese

• Ultrafijne wolfraampoeders op nanoschaal
• Hoge zuiverheid met kleine deeltjesgroottes
• Gebruikt voor wolfraamoxidepoeders

Printertechnologie voor wolfraam

Laserpoederbedfusie (LPBF)

• Hoogvermogen fiberlasers > 400W
• Inerte argonatmosfeer
• Nauwkeurige smeltbadcontrole is van cruciaal belang

Elektronenbundelsmelten (EBM)

• Krachtige elektronenbundel > 3kW
• Hoogvacuümomgeving
• Meest geschikt voor zeer dichte materialen

Binder jetting

• Kleefmiddel voor het selectief verbinden van poeder
• Nabewerking nodig voor volledige dichtheid
• Lagere onderdeelsterkte vergeleken met LPBF en EBM

LPBF en EBM maken het printen van wolfraamcomponenten met hoge dichtheid mogelijk.

Technische specificaties

Typische wolfraampoederspecificaties voor AM:

Het beheersen van poedereigenschappen zoals deeltjesgrootteverdeling en morfologie is van cruciaal belang voor afdrukken met hoge dichtheid.

Ontwikkeling van printprocessen

Optimalisatie van LPBF-procesparameters voor wolfraam:

• Voorverwarmen om scheuren onder controle te houden – typ. 100-150°C
• Hoog laservermogen > 400W met nauwkeurige bediening
• Kleine laagdikte ongeveer 20-30μm
• Scanstrategieën om stress te minimaliseren
• Gecontroleerde koeling na het printen

Voor EBM:

• Verhitten tot >600°C om poeder te sinteren
• Grootlichtstroom met kleine puntgrootte
• Lagere scansnelheden voor volledig smelten
• Minimaliseren van thermische gradiënten

Er zijn proefafdrukken nodig om eigenschappen te karakteriseren.

Leveranciers en prijzen

• Zuiver wolfraam kost ~$350 tot $850 per kg
• Zware legeringen kosten ~$450 tot $1000 per kg
• Gedoteerde oxiden tot $1500 per kg

De prijs is afhankelijk van de zuiverheid, morfologie, poederkwaliteit en ordervolume.

Nabewerking

Typische nabewerkingsstappen voor AM-onderdelen van wolfraam:

• Ondersteun de verwijdering met EDM of waterstraal
• Heet isostatisch persen om holtes te elimineren
• Infiltratie met lagersmeltende legeringen
• Bewerking om de oppervlakteafwerking te verbeteren
• Indien nodig verbinding maken met andere componenten

Een goede nabewerking is essentieel om de kwaliteit van het uiteindelijke onderdeel te bereiken.

Toepassingen van bedrukte wolfraamcomponenten

Lucht- en ruimtevaart: Turbinebladen, satellietcomponenten, contragewichten

Automobiel: Balanceergewichten, trillingsdempende onderdelen

Medisch: Stralingsafscherming, collimatoren, tandheelkundige implantaten

Elektronica: Koellichamen, elektrische contacten, weerstanden

Verdediging: Stralingsafscherming, ballistische bescherming

Geprinte wolfraamcomponenten maken prestatieverbeteringen mogelijk in veeleisende toepassingen in verschillende sectoren.

Voor- en nadelen van Tungsten AM

Voordelen

• Hoge dichtheid voor stralingsafscherming
• Uitstekende sterkte en hardheid
• Goede thermische en elektrische eigenschappen
• Aangepaste geometrieën
• Consolideert meerdere onderdelen

Nadelen

• Moeilijk en duur om te verwerken
• Breekbaar materiaal dat ondersteuning nodig heeft
• Lage ductiliteit en breuktaaiheid
• Vereist gespecialiseerde apparatuur

Problemen met afdrukken oplossen

Veelgestelde vragen

Vraag: Wat is de typische deeltjesgrootte die wordt gebruikt voor wolfraamdrukpoeder?

A: 15-45 micron is gebruikelijk, met een strikte controle van de deeltjesgrootteverdeling rond de 20-35 micron.

Vraag: Welk niveau van porositeit kan worden verwacht in bedrukte wolfraamonderdelen?

A: Een porositeit van minder dan 1% wordt doorgaans bereikt door procesoptimalisatie en heet isostatisch persen.

Vraag: Welke legeringen bieden een goede balans tussen dichtheid en mechanische eigenschappen?

A: Zware wolfraamlegeringen met 6-10% Ni, Fe en Cu zorgen voor een hoge dichtheid met goede ductiliteit en breuktaaiheid.

Vraag: Welke nabewerking is vereist voor bedrukte wolfraamonderdelen?

A: Het verwijderen van ondersteuningen, heet isostatisch persen, infiltratie en machinale bewerking zijn veelgebruikte post-printprocessen.

Vraag: Welke voorverwarmingstemperaturen worden gebruikt?

A: Voor LPBF is voorverwarmen tot 150°C gebruikelijk om restspanningen en scheuren te verminderen.

Vraag: Welke veiligheidsmaatregelen zijn nodig bij het hanteren van wolfraampoeder?

A: Gebruik geschikte PBM's, vermijd inademing en volg de veilige procedures voor het omgaan met poeder die worden aanbevolen door de leverancier.

ken meer 3D-printprocessen

Vraag: Welke normen worden gebruikt voor het kwalificeren van wolfraamdrukpoeder?

A: ASTM B809, ASTM F3049 en MPIF Standard 46 omvatten chemische analyse, bemonstering en testen.

Conclusie

Wolfraam en zijn legeringen maken additieve productie mogelijk van componenten met een hoge dichtheid met ongeëvenaarde stijfheid, sterkte, hardheid en thermische eigenschappen met behulp van geavanceerde 3D-printprocessen zoals LPBF en EBM. Dankzij het ultrahoge smeltpunt, de dichtheid en het stralingsblokkerende vermogen worden geprinte wolfraamcomponenten gebruikt in toepassingen in de ruimtevaart, autosport, medische sector, defensie en elektronica. De uitdagende eisen op het gebied van printbaarheid en nabewerking vereisen echter een rigoureuze procescontrole en parameteroptimalisatie om volledige verdichting en ideale materiaaleigenschappen te bereiken. Naarmate de expertise en ervaring op het gebied van het printen van wolfraam zich ontwikkelt, kunnen de unieke voordelen ervan worden benut om hoogwaardige componenten te vervaardigen met mogelijkheden die de traditionele productiebeperkingen overstijgen.