Proszek do druku 3D na metalu

Przegląd

Proszek do druku 3D na metalu, znana również jako produkcja addytywna lub bezpośrednie spiekanie laserowe metali, to rewolucyjna technika produkcji, która umożliwia tworzenie złożonych części metalowych bezpośrednio z projektów cyfrowych. Laser selektywnie spieka drobny proszek metaliczny, warstwa po warstwie, aż do uzyskania gotowego obiektu 3D.

Kluczowym komponentem, który umożliwia tę transformacyjną technologię, jest proszek metalowy. Właściwości i jakość proszku mają znaczący wpływ na właściwości mechaniczne, dokładność, wykończenie powierzchni i ogólną wydajność drukowanych części metalowych.

Niniejszy artykuł zawiera kompleksowy przegląd proszków metali do druku 3D. Analizujemy rodzaje proszków, ich skład, właściwości, specyfikacje, zastosowania, zalety, ograniczenia i wiele więcej w oparciu o najnowsze badania i standardy branżowe. Czytaj dalej, aby uzyskać głębszy wgląd w ten fascynujący materiał w sercu kolejnej rewolucji przemysłowej.

Rodzaje Proszek do druku 3D na metalu

Do druku 3D w proszku można stosować różne stopy i materiały metalowe. Najpopularniejsze opcje obejmują:

Proszki ze stali nierdzewnej

Stal nierdzewna jest jednym z najpopularniejszych metali do druku 3D ze względu na swoją wysoką wytrzymałość, odporność na korozję i odporność na wysokie temperatury. Najczęściej stosowanymi stopami stali nierdzewnej są:

• Stal nierdzewna 316L - Standardowy stop o doskonałej odporności na korozję i właściwościach mechanicznych. 316L ma niską zawartość węgla, aby zminimalizować naprężenia szczątkowe podczas drukowania.
• Stal nierdzewna 17-4PH - Stal nierdzewna utwardzana wydzieleniowo, która może osiągnąć bardzo wysoką wydajność i wytrzymałość na rozciąganie dzięki obróbce cieplnej po wydrukowaniu.
• Stal nierdzewna 15-5PH - Kolejna stal nierdzewna utwardzana wydzieleniowo o wysokiej wytrzymałości i twardości. 15-5PH oferuje lepszą odporność na korozję niż 17-4PH.
• Stale nierdzewne duplex - Stopy o mieszanej mikrostrukturze ferrytyczno-austenitycznej. Stale duplex oferują wyższą granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie w porównaniu do austenitycznej stali 316L. Typowe stopy duplex obejmują 2205 i 2304.

Stale narzędziowe

Stale narzędziowe charakteryzują się bardzo wysoką twardością, odpornością na zużycie i wytrzymałością na ściskanie. Typowe proszki metali w tej grupie obejmują:

• Stal narzędziowa H13 - Niezwykle wszechstronna stal narzędziowa Cr-Mo-V do pracy na gorąco, która zachowuje wysoką twardość i stabilność w podwyższonych temperaturach.
• Stal narzędziowa P20 - Wszechstronna niskostopowa stal narzędziowa o dobrej skrawalności i polerowalności. P20 jest często stosowana jako tańsza alternatywa dla stali narzędziowej H13.
• Stale maraging - "Maraging" oznacza starzenie martenzytyczne. Stale te uzyskują bardzo wysoką wytrzymałość dzięki starzeniu cieplnemu. Popularne stopy maraging to 18Ni(350) i 18Ni(300).

Stopy aluminium

Niewielka waga, odporność na korozję i wysoka przewodność cieplna aluminium sprawiają, że jest to popularny wybór w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i w zastosowaniach wymagających wysokiej temperatury. Popularne proszki aluminiowe obejmują:

• AlSi10Mg - Najczęściej stosowany stop aluminium o doskonałej płynności, stabilności i właściwościach mechanicznych. Si i Mg działają jako czynniki wzmacniające.
• AlSi7Mg - Bardzo podobny do AlSi10Mg. Niższa zawartość krzemu poprawia płynność proszku.
• Scalmalloy - Wysokowytrzymały stop Al-Mg-Sc, który uzyskuje wyjątkową granicę plastyczności dzięki dodatkowi skandu.

Superstopy kobaltu i niklu

Te zaawansowane proszki metali charakteryzują się niezwykle wysoką odpornością na ciepło i zużycie dzięki złożonemu składowi. Typowe stopy obejmują:

• Inconel 718 - Nadstop na bazie niklu i chromu o niesamowitej wytrzymałości w wysokich temperaturach dzięki obróbce cieplnej w roztworze stałym i utwardzaniu wydzieleniowym.
• Inconel 625 - Doskonała odporność na utlenianie i korozję nawet w ekstremalnych temperaturach. Szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, chemicznym i morskim.
• Chrom kobaltowy (CoCr) - Kobalt wzmocniony węglikami chromu tworzy biokompatybilne implanty, takie jak protezy i korony / mosty dentystyczne.
• Hastelloy - Odporne na korozję stopy niklu z dodatkami takimi jak molibden, chrom i wolfram.

Tytan i stopy tytanu

Czysty tytan oferuje najlepsze połączenie wysokiej wytrzymałości i niskiej gęstości. Elementy stopowe, takie jak aluminium, wanad i żelazo, zapewniają dodatkowe korzyści:

• Ti6Al4V - Najpopularniejszy stop tytanu z aluminium stabilizującym fazę alfa i wanadem wzmacniającym fazę beta.
• TiAl6V4 - Wyższa zawartość aluminium dodatkowo poprawia właściwości mechaniczne i odporność na utlenianie.
• Ti6Al4V ELI - "ELI" oznacza bardzo niską zawartość międzywęzłową z niższą zawartością tlenu, azotu i węgla. Ma zwiększoną odporność na pękanie w porównaniu do zwykłego Ti64.

Materiały ogniotrwałe i stopy międzymetaliczne

Te zaawansowane proszki mogą wytrzymać ekstremalne temperatury lub charakteryzować się wyjątkową wytrzymałością/twardością:

• Węglik wolframu (WC/Co) - Twarde węgliki wolframu połączone fazą spoiwa kobaltowego sprawiają, że stop ten jest sztywniejszy niż stal, zachowując jednocześnie wytrzymałość.
• Molibden (Mo) - Czysty proszek molibdenu tworzy części o wysokiej odporności termicznej, które są w stanie wytrzymać temperatury przekraczające 750°C.
• Inconel 625 - Proszek superstopu na bazie niklu i chromu tworzy obiekty, które zachowują wysoką wytrzymałość w środowiskach utleniających do 980°C.

Metale szlachetne

Unikalne właściwości metali szlachetnych, takich jak złoto, srebro i platyna, sprawiają, że nadają się one również do druku 3D:

• Srebro (Ag) - Czyste srebro w proszku zachowuje doskonałe właściwości przewodnictwa elektrycznego i cieplnego nawet w przypadku złożonych geometrii nadruku.
• Złoto (Au) - Większość drukowanego złota to w rzeczywistości złoto stopione z niewielkimi ilościami metali, takich jak srebro, miedź i pallad, w celu poprawy twardości i optymalizacji właściwości.
• Platyna (Pt) - Proszek platyny jest biokompatybilny i odporny na korozję oraz działanie substancji chemicznych. Używany do produkcji implantów medycznych i sprzętu laboratoryjnego.

Poniższa tabela podsumowuje charakterystykę najpopularniejszych proszków do drukowania metali:

Metody produkcji proszków metali

Aby uzyskać właściwości niezbędne do wysokiej jakości druku 3D, proszki metaliczne muszą mieć określone właściwości fizyczne i rozkład wielkości cząstek. Istnieje kilka technik produkcji proszków:

Atomizacja gazu

• Strumień stopionego metalu jest dezintegrowany przez strumienie gazu obojętnego pod wysokim ciśnieniem
• Wytwarza sferyczny proszek idealny do drukowania - wysoka płynność, gęstość upakowania
• Najpopularniejsza metoda dla drobniejszych proszków stali nierdzewnej, stali narzędziowej, nadstopów i tytanu

Atomizacja wody

• Wykorzystuje strumienie wody do rozbijania stopionego metalu na drobne kropelki.
• Nieregularny kształt proszku wpływa na przepływ, ale jest tańszy niż atomizacja gazowa
• Zazwyczaj używane do bardziej przystępnych cenowo opcji, takich jak aluminium i magnez.

Atomizacja plazmowa

• Łuk plazmowy o bardzo wysokiej energii topi i rozprasza metal na drobne cząstki
• Generuje wysoce sferyczne proszki z reaktywnych stopów, takich jak glinki tytanu
• Proszki mają wyższą czystość i mogą dokładniej drukować skomplikowane detale

Indukcyjne topienie elektrodowe z atomizacją gazu (EIGA)

• Łączy topienie indukcyjne i atomizację gazową
• Wyjątkowa kontrola nad składem chemicznym i czystością
• Używany do stopów specjalnych, takich jak nadstopy niklu i metale szlachetne.

Stopowanie mechaniczne

• Proszek wytwarzany w procesie wysokoenergetycznego mielenia kulowego
• Używany do stopów miedzi CMD, kompozytów aluminiowych i materiałów międzymetalicznych
• Generuje drobne jednorodne kompozycje z mieszanych proszków elementarnych

Właściwa technika produkcji proszku ma kluczowe znaczenie dla uzyskania pożądanego składu chemicznego stopu, kształtu cząstek, rozkładu wielkości, poziomów czystości i charakterystyki przepływu niezbędnej do wysokiej jakości druku 3D z metalu.

Charakterystyka proszków metali

Proszki do druku 3D muszą być zgodne ze ścisłymi specyfikacjami pod względem składu chemicznego, rozkładu wielkości cząstek, morfologii, mikrostruktury i innych parametrów. Kluczowe cechy obejmują:

Rozkład wielkości cząstek

Typowy zakres wynosi od 15 mikronów do 45 mikronów. Krytyczne czynniki obejmują:

• D10 - Rozmiar, poniżej którego spada 10% cząsteczek
• D50 - Średni rozmiar cząstek z 50% powyżej i poniżej tej średnicy
• D90 - Rozmiar, w którym 90% proszku jest poniżej tej średnicy

Idealne wartości: D10: 20-25 μm ; D50: 30-35 μm ; D90: 40-45 μm

Kształt cząstek i morfologia powierzchni

• Wysoce sferyczne cząstki o gładkich powierzchniach umożliwiają najłatwiejsze rozprowadzanie proszku i najlepsze zagęszczanie.

Natężenie przepływu i gęstość pozorna

• Szybkość przepływu określa łatwość rozprowadzania proszku podczas drukowania
• Gęstość pozorna wskazuje, jak gęsto upakowany jest proszek w ustalonej objętości.
• Wartości zależą od czynników takich jak kształt cząstek, rozkład wielkości, struktura powierzchni.
• Proszki rozpylane gazowo mają najwyższą płynność i gęstość upakowania

Gęstość kranu

• Maksymalna gęstość osiągnięta po mechanicznym stukaniu/agitacji
• Wyższa gęstość gwintowania poprawia końcową gęstość części

Współczynnik Hausnera

• Stosunek gęstości kranowej do gęstości pozornej
• Niższe współczynniki ~1,1 wskazują na dobrą płynność
• Wyższe współczynniki ~1,4 sugerują spójność i słaby przepływ.

Pozostałości tlenków i zanieczyszczeń

• Czystość ma kluczowe znaczenie, tlen i azot mogą powodować wady porowatości
• Chemikalia muszą być zgodne ze specyfikacjami stopów
• Atomizacja gazowa, plazmowa i EIGA oferują najczystsze proszki

Mikrostruktura wewnętrzna

• Zależy od składu, szybkości krzepnięcia podczas produkcji proszku
• Jednofazowe, równoosiowe ziarna pożądane dla optymalnej fuzji warstwowej
• Niektóre stopy celowo tworzą podwójne fazy w celu uzyskania unikalnych właściwości

Twardość cząstek

• Wpływa na wydajność gotowych części
• Liczba piramidalna Vickera (HV) używana do kwantyfikacji
• Twarde cząstki są odporne na odkształcenia podczas rozprowadzania proszku

Formacja satelitów

• Mniejsze cząstki mogą wiązać się z większymi podczas produkcji proszku.
• Satelity mogą wpływać na tworzenie się basenów podczas drukowania
• Proszki rozpylane gazowo mają minimalne satelity

Chemia powierzchni

• Powierzchniowe grupy funkcyjne wpływają na rozprzestrzenianie się proszku + fuzję
• Atmosfera i temperatura podczas produkcji mają wpływ
• Przetwarzanie obojętne generuje czystą, wolną od tlenków chemię proszkową

Utrzymanie rygorystycznej kontroli jakości tych właściwości proszku ma kluczowe znaczenie dla udanego druku 3D wysokiej jakości.

Specyfikacja proszku metalowego

Producenci drukarek 3D i organizacje takie jak ISO i ASTM mają znormalizowane specyfikacje dla większości proszków do druku metalowego. Typowe parametry obejmują:

Rozkład wielkości

• Wartości D10, D50, D90 zgodne z zalecanymi zakresami
• Maksymalna zawartość satelitów < 1%

Zgodność chemiczna

• Skład pierwiastkowy zgodny z opublikowanymi zakresami składu stopu
• Niski poziom tlenu i azotu (<1000 ppm)
• Resztkowe ilości węgla i siarki w zależności od stopu

Gęstość pozorna i kranowa

• Gęstość pozorna 2,5-4,5 g/cm3
• Gęstość do 65% wyższa niż gęstość pozorna

Przepływ

• Test przepływomierza Halla > 15 s/50 g

Zawartość wilgoci

• Wysoka wilgotność powoduje aglomerację proszku
• Maksymalna zawartość wilgoci < 0,02%

Tlenki powierzchniowe

• Tlenki i zanieczyszczenia mogą powodować wady porowatości
• Obrazowanie SEM w celu sprawdzenia powierzchni cząstek

Renomowani producenci proszków testują każdą partię i dostarczają pełne dane testowe, a także współczynniki MLS, współczynniki Hausnera, wskaźniki Carra oraz wyniki piknometru i przepływomierza Halla w celu zakwalifikowania proszku do ustalonych norm.

Zastosowania proszków do drukowania na metalu

Druk 3D z metalu przekształca produkcję w różnych branżach. Typowe zastosowania obejmują:

Lotnictwo i kosmonautyka

• Elementy silników lotniczych i rakietowych - turbiny, dysze, układy paliwowe
• Strukturalne części płatowca i podwozia wykonane z tytanu, aluminium, Inconelu
• Znaczna redukcja masy, konsolidacja części, poprawa wydajności

Medycyna i stomatologia

• Implanty do rekonstrukcji stawów, takich jak kolana, biodra, barki
• Implanty dentystyczne, korony i mosty
• Płytki czaszkowe, narzędzia chirurgiczne, prowadnice i narzędzia dopasowane do pacjenta
• Biokompatybilny kobalt, chrom, tytan, stal nierdzewna i stopy szlachetne

Motoryzacja

• Lekkie części do prototypów i samochodów produkcyjnych - podwozie, układ napędowy
• Oprzyrządowanie do formowania wtryskowego z chłodzeniem konforemnym
• Niestandardowe przyrządy i osprzęt dla linii montażowych
• Certyfikacja elementów konstrukcyjnych ze stali nierdzewnej w toku

Produkcja przemysłowa

• Oprzyrządowanie metalowe - formowanie wtryskowe, termoformowanie, formowanie blach
• Prasy i tłoczniki z hartowanej stali narzędziowej
• Konforemne kanały chłodzące minimalizują czas cyklu narzędzia
• Szybka realizacja krótkich serii oprzyrządowania produkcyjnego

Ropa i gaz

• Zawory ze stali nierdzewnej i Hastelloy, pompy, rury do produkcji
• Odporne na korozję komponenty Inconel do zastosowań morskich
• Konforemne kanały minimalizują straty związane ze spadkiem ciśnienia

Elektronika użytkowa

• Niestandardowe obudowy ze stali nierdzewnej lub aluminium, osłony, ramy
• Urządzenia do odprowadzania ciepła
• Elementy ekranowania elektromagnetycznego
• Wysokiej klasy biżuteria designerska - złoto, srebro, platyna

Techniki szybkiego wytwarzania, takie jak druk 3D, odblokowują przełomową funkcjonalność, wydajność i swobodę projektowania. Unikalne właściwości proszków do drukowania metali umożliwiają produkcję gotowych do użycia części końcowych w niemal każdej branży.

Proszek do druku 3D na metalu Dostawcy

Większość głównych konglomeratów produkujących metale wytwarza obecnie specjalistyczne proszki przeznaczone do produkcji addytywnej. Niektórzy z wiodących globalnych dostawców to:

Renomowani dostawcy zapewniają kompleksowe dane dotyczące składu i właściwości swoich proszków, wspierane przez intensywne prace badawczo-rozwojowe i rygorystyczną kontrolę jakości. Wielu z nich oferuje również usługi opracowywania niestandardowych stopów. Globalna logistyka łańcucha dostaw zapewnia niezawodną dostępność na głównych rynkach.

Proszek do druku 3D na metalu Ceny

Stal nierdzewna 316L - $50-100 USD za kg

Stal maraging (gatunek 300) - $100-200 USD za kg

Aluminium AlSi10Mg - $30-60 USD za kg

Tytan Ti6Al4V (klasa 5) - $200-400 USD za kg

Inconel 718 - $100-200 USD za kg

Cobalt Chrome F75 - $100-250 USD za kg

Ceny różnią się w zależności od:

• Poziomy czystości
• Rozkład wielkości
• Minimalne ilości zamówienia
• Opłaty za opracowanie niestandardowego stopu
• Należności celne/podatki przywozowe

Plusy i minusy druku 3D w metalu

Zalety

• Swoboda projektowania dla złożonych geometrii
• Konsolidacja części w pojedyncze komponenty
• Redukcja wagi dzięki optymalizacji topologii
• Zredukowany montaż z mniejszej liczby komponentów
• Opcje stopów o wysokiej wytrzymałości
• Integracja funkcjonalna - np. konforemne kanały chłodzące
• Szybkie wprowadzanie zmian i dostosowywanie do potrzeb klienta
• Produkcja na żądanie przestarzałych części zamiennych
• Zmniejszona ilość odpadów materiałowych w stosunku do technik subtraktywnych

Ograniczenia

• Wyższe koszty części w porównaniu do konwencjonalnej produkcji wielkoseryjnej
• Ograniczone możliwości w zakresie rozmiaru w oparciu o ilość produkowanego sprzętu
• Ograniczona różnorodność opcji stopów obecnie certyfikowanych i kwalifikowanych
• Niższa dokładność wymiarowa i drobniejsze wykończenie powierzchni wymagają obróbki wtórnej
• Anizotropia mechaniczna, ponieważ właściwości różnią się w zależności od orientacji konstrukcji
• Przetwarzanie końcowe, takie jak prasowanie izostatyczne na gorąco, potrzebne do konsolidacji pełnej gęstości
• Brak standardów branżowych dla niektórych aplikacji

Zakres drukowanych metali rozszerza się wykładniczo wraz z jakością i powtarzalnością, ponieważ technologia i nauka o materiałach nadal szybko się rozwijają.

FAQ

Jakiego zakresu wielkości cząstek wymagają proszki metali do druku 3D?

• Typowy zakres wielkości to 15-45 mikronów
• Krzywe rozkładu określają średnice cząstek D10, D50 i D90
• Wartości zależą od pożądanej rozdzielczości warstwy, ale zwykle wynoszą 20-45 mikronów.

Jaka jest różnica między proszkami ze stali nierdzewnej 316L i 17-4PH?

• Oba stopy żelaza/chromu/niklu. 316L ma lepszą odporność na korozję.
• 17-4PH ma wyższą wytrzymałość i twardość po obróbce cieplnej utwardzania wydzieleniowego
• 316L ma więcej zastosowań morskich, chemicznych i biomedycznych wymagających odporności na korozję
• 17-4PH nadaje się do zastosowań narzędziowych wymagających wysokiej odporności na zużycie

Dlaczego kształt jest ważny w przypadku proszków do drukowania na metalu?

• Wysoce sferyczne cząstki mają lepszy przepływ i wysoką gęstość upakowania
• Gładka morfologia powierzchni bez satelitów zapewnia optymalną fuzję
• Proszki rozpylane gazowo zapewniają najwyższą jakość wydruków.

poznaj więcej procesów druku 3D