Metalowe proszki 3D

Metalowe proszki 3D to materiały wykorzystywane w technologiach wytwarzania przyrostowego do produkcji metalowych części i komponentów. Niniejszy przewodnik zawiera szczegółowy przegląd różnych rodzajów proszków metali, ich składu i właściwości, zastosowań, specyfikacji, cen i porównań, aby zrozumieć ich rolę w druku 3D metali.

Przegląd proszków metalowych 3D

Proszki metali 3D służą jako surowiec wejściowy dla technik takich jak selektywne spiekanie laserowe (SLS), bezpośrednie spiekanie laserowe metali (DMLS), topienie wiązką elektronów (EBM) i rozpylanie spoiwa w celu wytworzenia skomplikowanych elementów metalowych o złożonej geometrii. Występują one w różnych formach elementarnych lub stopach.

Proszki znacznie różnią się od materiałów metalowych stosowanych w tradycyjnych metodach produkcji subtraktywnej. Kluczowe właściwości, takie jak płynność, kształt, rozkład wielkości cząstek i czystość są ściśle kontrolowane, aby umożliwić precyzyjną konsolidację warstwa po warstwie podczas drukowania.

Korzyści z wykorzystania proszków metali w produkcji addytywnej:

• Elastyczność projektowania - wytwarzanie lekkich struktur kratowych i złożonych części nieosiągalnych za pomocą obróbki skrawaniem
• Zmniejszona ilość odpadów - w przeciwieństwie do metod subtraktywnych używany jest tylko potrzebny materiał.
• Krótszy czas realizacji - szybka iteracja i analiza w celu optymalizacji projektu
• Stopy niestandardowe - dostosowanie składu i właściwości w zależności od zastosowania
• Konsolidacja - stapianie i zagęszczanie proszków w celu utworzenia stałych części metalowych.
• Wykończenie powierzchni - gładkość i dokładność bez dodatkowej obróbki końcowej

Rodzaje proszków metali

Kilka metali i stopów pierwiastków jest dostępnych w postaci proszku do stosowania w różnych gałęziach przemysłu:

Materiał	Popularne stopy/ gatunki	Właściwości	Zastosowania
Stal nierdzewna	316L, 17-4PH, 304L, 420	Odporność na korozję, wysoka wytrzymałość	Przemysł lotniczy i kosmiczny, motoryzacja, produkty konsumenckie
Aluminium	AlSi10Mg, AlSi7Mg0.6	Lekkość, doskonała przewodność cieplna	Motoryzacja, wymienniki ciepła
Tytan	Ti64, Ti6Al4V ELI	Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi, biokompatybilność	Lotnictwo i kosmonautyka, implanty medyczne
Nadstopy niklu	Inconel 718, Inconel 625	Odporność na ciepło, odporność na korozję	Komponenty lotnicze, takie jak turbiny i komory spalania
Chrom kobaltowy	CoCr MP1, CoCrMo ASTM F75	Biokompatybilność, wysoka twardość	Implanty dentystyczne, ortopedyczne implanty kolan/bioder
Miedź	CuSn10, CuZn	Przewodność elektryczna/termiczna, plastyczność	Styki elektryczne, wymienniki ciepła
Stal narzędziowa	H13, P20	Wysoka twardość, odporność na ciepło	Formy wtryskowe, Oprzyrządowanie do pras krawędziowych

Kształt cząstek: Przeważnie kuliste, ale mogą być również wielokątne w zależności od metody produkcji. Poprawia przepływ i gęstość upakowania.

Rozmiar cząstek: Zakres od 10 do 100 mikronów. Wąskie rozłożenie zapewnia jednolitą grubość warstwy i lepszą gęstość.

Specyfikacja rozmiaru systemów: Rozmiar oczek (sita oddzielające proszek), wartości D (statystyczna miara średniego rozmiaru).

Płynność: Określane ilościowo za pomocą testów lejkowych z przepływomierzem Halla. Krytyczne dla jednorodności warstwy. Poprawiona przez cząstki sferyczne.

Inne właściwości: Gęstość proszku, gęstość kranowa, gęstość pozorna, gęstość piknometryczna, stabilność oksydacyjna itp.

Zastosowania i wykorzystanie proszków metali w druku 3D

Niektóre typowe zastosowania obejmują:

• Lżejsze krytyczne elementy ruchome, takie jak wirniki i rotory
• Konsolidacja zespołów w celu zmniejszenia liczby części - wsporniki silnika, mocowania
• Dostosowane przyrządy, uchwyty, wkładki do pras i form dla krótszych czasów realizacji
• Złożone wymienniki ciepła, pompy, zawory i bloki rozdzielaczy
• Implanty dopasowane do pacjenta poprawiające wyniki chirurgiczne
• Bardzo szczegółowe miniatury, takie jak wieże do kości i elementy gry

Korzyści w porównaniu z tradycyjną produkcją:

• Zmniejszenie masy o 40-60% dzięki strukturze kratowej przy zachowaniu wytrzymałości
• Precyzyjne dopasowanie do modeli CAD w przeciwieństwie do obróbki mechanicznej/odlewania
• Redukcja liczby części poprzez konsolidację skraca czas/koszty montażu
• Gładkie wykończenie powierzchni z dokładnymi wymiarami w dużej mierze eliminuje obróbkę końcową
• Szybka realizacja zamówień bez kosztownych zmian narzędzi

Najwyższa wydajność: Komponenty zaprojektowane specjalnie z myślą o produkcji addytywnej przewyższają konwencjonalnie produkowane odpowiedniki. Na przykład, Airbus osiągnął redukcję masy o 45% przy użyciu metalowych wsporników drukowanych w 3D, zachowując jednocześnie równoważną wytrzymałość i sztywność.

Metalowy proszek 3D Specyfikacje

Właściwości proszku, takie jak rozkład wielkości i kształt, ściśle kontrolują końcowe właściwości części, dzięki czemu są one dostarczane zgodnie ze ścisłymi specyfikacjami:

Atrybut	Typowe wartości	Standardy
Rozkład wielkości cząstek	10 do 45 mikronów	ASTM B214
Gęstość pozorna	2 do 5 g/cc	ASTM B212
Gęstość kranu	3 do 8 g/cc	ISO 3923/1
Natężenie przepływu	15 do 25 s/50 g	ASTM B213
Zawartość tlenu resztkowego	0.1% max	AMS 4999B
Zawartość azotu resztkowego	0.04% max	AMS 2769E
Resztkowa zawartość węgla	0.03% max	AMS 2769E

Rozmiary i siatka: Rozmiar oczek odnosi się do klasyfikacji sit. Typowy rozmiar proszku wynosi od -140 do +325 oczek. Drobniejsza dystrybucja między -100 a +325 mesh poprawia gęstość i wykończenie powierzchni.

Zgodność z chemią: Skład pierwiastkowy zatwierdzony zgodnie ze specyfikacją gatunku (AMS, ASTM). Krytyczne dla oczekiwanej wydajności mechanicznej.

Wilgotność: Szczególnie ważne w przypadku materiałów reaktywnych, takich jak aluminium i tytan. Ograniczenie do 0,1% zgodnie z normami ASTM B964 i ISO 22068. Kontrolowane przez odpowiednie uszczelnienie i przechowywanie w suchym miejscu.

Poziomy zanieczyszczeń: Magnez, krzem, fosfor, siarka, ołów ograniczone do niskiego poziomu części na milion (ppm) poprzez rozpylanie gazu obojętnego i odpowiednią obsługę.

Zgodność z proszkiem z recyklingu: Proszek odzyskiwany podczas drukowania jest ściśle monitorowany. Zasadniczo ograniczony do 30% ze ścisłą kontrolą chemiczną zgodnie z normami ASTM F3055 i ISO/ASTM52904.

Czym różnią się dostawcy proszków do druku 3D?

Podstawa porównania	Tradycyjni producenci	Producenci specjalistycznych proszków AM
Skupienie	Ogólne zastosowania metalurgii proszków	Opracowany specjalnie dla procesów AM
Gatunki stopów	Tylko standardowe kompozycje	Niestandardowe stopy dostosowane do AM
Zgodność jakościowa	Zrelaksowany, tylko podstawowe właściwości	Niezwykle ścisłe - chemia, kształt/rozmiar cząstek
Jakość powierzchni	Niekrytyczne, atomizacja gazu opcjonalna	Obowiązkowa gładka morfologia cząstek
Cena	Niższy ze względu na wysokie wolumeny	Wyższe ze względu na bardziej rygorystyczne wymagania
Rozmiary zamówień	Duże ilości hurtowe	Już od 5 kg w zależności od zastosowania
Zmiany w celu dostosowania	Wymaga wysokich MOQ, długich czasów realizacji	Szybkie poprawki formuły, szybka produkcja
Usługi o wartości dodanej	Podstawowy	Kompleksowa optymalizacja projektu, opracowywanie parametrów, szybkie pobieranie próbek, przetwarzanie końcowe, recykling

Kluczowe wyróżniki specjalistów od proszków AM:

• Wysoce sferyczne proszki o kontrolowanym rozkładzie wielkości dostosowane do każdego procesu AM
  -kontrola chemiczna znacznie wykraczająca poza standardowe specyfikacje ASTM w celu ograniczenia zmienności procesu
• Możliwość dostosowywania stopów i modyfikowania właściwości, takich jak gęstość, twardość itp.
• Zarządzanie cyklem życia proszku: ponowne użycie, mieszanie, recykling, przechowywanie i bezpieczna obsługa
• Niskie minimalne ilości zamówień i krótszy czas realizacji
• Kompleksowe usługi projektowania i drukowania - optymalizacja parametrów w celu uzyskania najlepszej jakości

Kiedy oceny specjalne mają sens biznesowy

W przypadku prototypów mogą wystarczyć konwencjonalne stopy, ale specjalistyczne proszki zapewniają znacznie lepsze właściwości mechaniczne w zastosowaniach produkcyjnych. Wysokie koszty są szybko kompensowane przez wzrost wydajności, taki jak dłuższa żywotność komponentów.

Różnice cenowe dostawców proszków metali

Cena sterowników:

• Materiał podstawowy i klasa czystości
• Bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące chemii
• Poziomy zgodności jakościowej
• Testowanie i certyfikacja
• Wielkość zamówień
• Dodatkowe usługi - rozwój aplikacji, optymalizacja parametrów, obróbka końcowa części, regeneracja i ponowne wykorzystanie proszku.

Możliwości redukcji kosztów:

Większe rozmiary zamówień, recykling proszków, planowanie zapasów dla dostaw just-in-time, standaryzacja testów, łagodniejsze specyfikacje dla zastosowań niekrytycznych, automatyzacja procesów.

Typowe przedziały cenowe:

Materiał	Cena za kg
Aluminium AlSi10Mg	$55 – $120
Tytan Ti6Al4V	$350 – $850
Nikiel Inconel 718	$120 – $500
Stal nierdzewna 316L	$90 – $240
Chrom kobaltowy CoCrMo	$270 – $620
Miedź CuSn10	$30 – $100
Stal narzędziowa H13	$70 – $190

Porównanie kosztów w stosunku do litego pręta:

W przypadku małych i średnich części produkowanych addytywnie w małych ilościach, proszki metali pozwalają na znaczne oszczędności kosztów w przeliczeniu na część, pomimo wyższych cen materiałów bazowych.

Osiągnięcie progu rentowności jest możliwe przy produkcji zaledwie 50-100 części dla komponentów cięższych niż 0,5 kg. Przewaga ta znacznie wzrasta w przypadku większych komponentów przekraczających 5 kg.

Ograniczona obróbka skrawaniem i minimalna obróbka wykańczająca zapewniają dodatkowe korzyści kosztowe w porównaniu z technikami subtraktywnymi.

Pozyskiwanie proszków metali do druku 3D

Kluczowe kryteria oceny dostawców:

• Zakres materiałów i kompatybilnych gatunków
• Certyfikaty jakości proszków
• Niezawodność dostaw i minimalne ilości zamówień
• Możliwości opracowywania niestandardowych stopów
• Usługi o wartości dodanej, takie jak optymalizacja parametrów, ponowne wykorzystanie proszku, przetwarzanie końcowe itp.
• Ogólne oszczędności kosztów

Uwagi dotyczące bezpiecznej obsługi

Podobnie jak w przypadku innych procesów produkcji metali, mogą pojawić się kwestie bezpieczeństwa:

Zagrożenie	Środki ostrożności
Pożar/wybuch	Stosowanie gazu obojętnego podczas obchodzenia się z proszkiem w celu zapobiegania utlenianiu; eliminacja źródeł zapłonu
Toksyczność	Stosować odsysanie pyłu, maski oddechowe, aby zapobiec wdychaniu.
Reaktywność	Izolowanie reaktywnych proszków, takich jak aluminium/tytan, za pomocą obojętnych separatorów.

Aby zminimalizować ryzyko, należy zachować szczególną ostrożność podczas ładowania proszku, obsługi, czyszczenia i przechowywania. Pojemniki na proszek muszą być uziemione elektrycznie.

Kluczowe wnioski

• Metalowe proszki 3D wykazują określony rozmiar, kształt i właściwości chemiczne niezbędne dla procesów AM. Typowe materiały obejmują aluminium, tytan, stal nierdzewną, superstopy Inconel, stal narzędziową i kobaltowo-chromową.
• Branże korzystają ze zoptymalizowanych lekkich konstrukcji, konsolidacji części i wzrostu wydajności w porównaniu z tradycyjną produkcją.
• Wyspecjalizowani dostawcy ściśle kontrolują krytyczne atrybuty proszków i oferują niestandardowe stopy oraz usługi dopasowane do wymagań aplikacji. Umożliwia to szerszy dostęp do produktów przy mniejszych ilościach.
• Biorąc pod uwagę zagrożenia związane z reaktywnością/palnością, konieczne są odpowiednie procesy obsługi i utylizacji.
• Koszty początkowe zrekompensowane korzyściami projektowymi i produkcyjnymi przy wielkości produkcji wynoszącej zaledwie 50-100 sztuk dla średnich komponentów.

FAQ

P: Jak powstają proszki metali?

O: Atomizacja gazowa jest najpopularniejszą techniką, w której strumień stopionego metalu jest rozbijany na kropelki za pomocą strumieni gazu obojętnego. Sferyczne cząstki szybko krzepną w kontrolowanych rozmiarach, wspomagane przez hartowanie wodą lub olejem. Stosowana jest również atomizacja plazmowa.

P: Jaki rozmiar proszku jest optymalny do powszechnego druku 3D z metalu?

O: Zakres wielkości proszku od 10 mikronów do 45 mikronów zapewnia najlepszy kompromis między rozdzielczością, wykończeniem powierzchni i szybkością budowania dla popularnych drukarek EOS, Concept Laser itp.

P: Jak długo może trwać nieużywany proszek metalowy, jeśli jest prawidłowo przechowywany?

O: Do 10 lat w odpornym na wilgoć pojemniku z workami ze środkiem osuszającym w temperaturze 20°C zgodnie z normami ASTM. Przedmuchiwanie suchym azotem pozwala na jeszcze dłuższe użytkowanie.

P: Czy proszki do drukowania metalu mogą być ponownie użyte?

O: Tak, niewykorzystany proszek można zebrać i zmieszać ze świeżym zapasem po analizie do proporcji 30%. Zmniejsza to ogólne koszty części, ale progi chemii i rozkładu wielkości cząstek muszą być spełnione zgodnie z normą ASTM F3055.

P: Czy wybór materiału wpływa na koszty druku 3D z metalu?

Tak, nadstopy tytanu i niklu są 3-5 razy droższe od stali nierdzewnej ze względu na wysokie koszty surowców. Ograniczone źródła konkurencji również przyczyniają się do ich przewagi nad stalą.

poznaj więcej procesów druku 3D