Materiały metalowe do druku 3D

Spis treści

Overview of 3D Printing Metal Materials

Druk 3D, znany również jako produkcja addytywnapozwala na tworzenie złożonych części metalowych bezpośrednio z danych 3D CAD. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod subtraktywnych, takich jak obróbka CNC, druk 3D tworzy części warstwa po warstwie bez potrzeby stosowania dedykowanych narzędzi lub uchwytów.

Druk 3D w metalu otwiera nowe możliwości produkcji niestandardowych, lekkich i wysokowydajnych komponentów metalowych o złożonej geometrii. Przemysł lotniczy, motoryzacyjny, medyczny i obronny coraz częściej wykorzystuje druk 3D z metalu do zastosowań produkcyjnych.

Jednak nie wszystkie metale można łatwo wydrukować w 3D. Najczęściej stosowanymi materiałami metalowymi są aluminium, tytan, nikiel, stal nierdzewna i stopy kobaltowo-chromowe. Wybór materiału zależy od konkretnych wymagań aplikacji - wytrzymałości, odporności na korozję, działania w wysokich temperaturach, biokompatybilności itp.

Ten kompleksowy przewodnik zawiera szczegółowy przegląd różnych metali i stopów stosowanych w druku 3D. Omawiamy skład, właściwości, zastosowania oraz wady i zalety popularnych materiałów metalowych, aby pomóc Ci wybrać materiał odpowiedni do Twoich potrzeb.

Kluczowe wnioski dotyczące materiałów do druku 3D z metalu:

  • Stopy aluminium oferują dobry stosunek wytrzymałości do masy i odporność na korozję przy niższych kosztach.
  • Stopy tytanu zapewniają doskonałą wytrzymałość przy niskiej gęstości i biokompatybilności w zastosowaniach medycznych.
  • Stale nierdzewne charakteryzują się wysoką wytrzymałością i odpornością na korozję w przypadku narzędzi i części funkcjonalnych.
  • Nadstopy niklu są odporne na wysokie temperatury, co czyni je odpowiednimi dla przemysłu lotniczego.
  • Stopy kobaltowo-chromowe zapewniają twardość, odporność na zużycie i biokompatybilność implantów dentystycznych i medycznych.
  • Wybór materiału zależy od wymagań mechanicznych, potrzeb związanych z obróbką końcową, kosztów i przydatności metody druku 3D.
  • Orientacja części, struktury nośne, grubość warstwy i parametry budowy muszą być zoptymalizowane dla każdego materiału metalowego.
  • Obróbka końcowa, taka jak prasowanie izostatyczne na gorąco, może poprawić końcowe właściwości części.

Skład materiałów metalowych do druku 3D

Kategoria MetalPopularne stopySkładWłaściwościZastosowania
Stal17-4 PH Stainless Steel, 316L Stainless Steel, AISI 4130 SteelPrimarily iron (Fe) with varying amounts of chromium (Cr), nickel (Ni), molybdenum (Mo), carbon (C), and manganese (Mn).Excellent strength, corrosion resistance, and versatility. Can be heat treated for specific properties.Aerospace components, medical implants, automotive parts, tools and dies
AluminiumAlSi10Mg, AlSi7Mg0.3, ScalmalloyPrimarily aluminum (Al) with additions of silicon (Si), magnesium (Mg), and sometimes copper (Cu) or scandium (Sc).Lightweight, good strength-to-weight ratio, and high thermal conductivity. Can be post-processed for added strength.Aircraft parts, heat sinks, automotive components, prosthetics and orthotics
TytanTi-6Al-4V, CP TitaniumPrimarily titanium (Ti) with aluminum (Al) and vanadium (V) as main alloying elements.Wysoki stosunek wytrzymałości do masy, doskonała odporność na korozję i biokompatybilność.Aerospace components, medical implants, sporting goods, chemical processing equipment
Nadstopy nikluInconel 625, Inconel 718Primarily nickel (Ni) with additions of chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), molybdenum (Mo), and niobium (Nb).Wyjątkowa wytrzymałość w wysokich temperaturach, odporność na utlenianie i pełzanie.Gas turbine engine components, heat exchangers, rocket engine parts
Kobalt-chromCoCrMo, Haynes 214Primarily cobalt (Co) and chromium (Cr) with molybdenum (Mo) and other elements for specific properties.High strength, wear resistance, biocompatibility, and good corrosion resistance.Medical implants, dental prosthetics, cutting tools, wear-resistant components
Metale ogniotrwałeTungsten (W), Tantalum (Ta)Pure metals with very high melting points.Exceptional high-temperature strength and heat resistance. Not widely used due to high cost and difficulty in processing.Furnace components, crucibles, rocket engine nozzles, heat shields
Metale szlachetneGold (Au), Silver (Ag)Pure metals or alloys with other precious metals.High electrical conductivity, reflectivity, and biocompatibility (for specific alloys). Limited use due to high cost.Electrical connectors, medical devices (limited applications), decorative components
Materiały metalowe do druku 3D

Właściwości mechaniczne materiałów metalowych

NieruchomośćOpisJednostkiImportance in Engineering ApplicationsExamples of Materials with High Values
SiłaThe ability of a metal to resist deformation or fracture under an applied load. There are different types of strength, such as tensile strength (resistance to pulling forces), compressive strength (resistance to pushing forces), and shear strength (resistance to forces that tend to cause the material to slide).MPa (Megapascals), ksi (thousand pounds per square inch)Strength is a fundamental consideration for any load-bearing component. The specific type of strength required depends on the anticipated loading conditions.• High-strength steel: Used in bridges, buildings, and vehicles due to its excellent tensile strength.
SztywnośćA measure of a metal’s resistance to elastic deformation under load. Stiff materials exhibit minimal deflection under stress. Stiffness is quantified by Young’s Modulus, which relates stress (applied force) to strain (resulting deformation).GPa (Gigapascals), psi (pounds per square inch)Stiffness is crucial for applications requiring dimensional stability, such as machine tool frames and precision instruments.• Aluminum: Offers a good balance between stiffness and weight, making it ideal for aircraft construction.
ElastycznośćThe ability of a metal to deform under load and then return to its original shape once the load is removed. Elastic behavior is desirable in many applications, as it ensures components can recover from temporary stresses without permanent damage.Elasticity is essential for components that experience repeated loading and unloading, such as springs and shock absorbers.• Spring steel: Possesses excellent elastic properties, allowing it to store and release energy efficiently.
PlasticityThe ability of a metal to undergo permanent deformation under load without fracture. Plastic deformation is useful for shaping metals into desired forms through processes like forging or extrusion.% elongationPlasticity is advantageous for manufacturing applications where metals need to be bent, drawn, or pressed into specific shapes.• Copper: Highly ductile and malleable, making it suitable for electrical wiring and plumbing due to its ease of shaping.
PlastycznośćThe ability of a metal to be drawn into thin wires without breaking. Ductility is a measure of a metal’s capacity for plastic deformation in tension.% elongationDuctile metals are valuable for applications requiring wires, cables, or other elongated forms.• Gold: Exceptionally ductile, allowing it to be hammered into thin sheets for jewelry and decorative purposes.
PlastycznośćThe ability of a metal to be flattened into thin sheets without breaking. Malleability reflects a metal’s capacity for plastic deformation in compression.% reduction in areaMalleable metals are well-suited for applications requiring flat sheets or panels.• Aluminum: Highly malleable, making it a popular choice for food packaging and building materials.
WytrzymałośćThe ability of a metal to absorb energy before fracturing. Tough materials can withstand significant impact or force without breaking.J/m (Joules per meter)Toughness is critical for components subjected to impact or dynamic loading, such as hammers and vehicle parts.• Steel alloys: Can be formulated to achieve high toughness for applications demanding strength and impact resistance.
ResilienceThe ability of a metal to absorb energy elastically and then release it upon unloading. Resilient materials can recover stored elastic energy after deformation.J/m (Joules per meter)Resilience is beneficial for components that experience repeated bending or flexing, such as springs and beams.• High-carbon steel: Exhibits good resilience due to its balanced combination of strength and elasticity.
PełzanieThe tendency of a metal to deform plastically under a constant load over time, particularly at elevated temperatures. Creep is a concern for applications involving long-term exposure to high stresses and temperatures.% strain per unit timeCreep resistance is crucial for components operating under sustained loads at high temperatures, such as turbine blades and boiler tubes.• Nickel-based superalloys: Engineered to resist creep at extreme temperatures, making them ideal for jet engine components.
TwardośćThe resistance of a metal to localized plastic deformation from an indentation or scratching force. Hardness is often correlated with wear resistance.Brinell hardness (HB), Vickers hardness (HV)Hardness is essential for components that experience wear and tear, such as cutting tools and bearings.• Tungsten carbide: Exceptionally hard, making it a valuable material for drill bits and wear plates.
Materiały metalowe do druku 3D

Zastosowania druku 3D w metalu

ZastosowanieOpisKorzyściBranże
Functional PrototypesMetal 3D printing allows engineers to create fully functional prototypes of parts much faster and more cost-effectively than traditional methods like CNC machining. These prototypes can be rigorously tested to validate design concepts before committing to mass production.* Reduced Time to Market: Parts can be iterated on quickly, accelerating the development process. * Increased Design Freedom: Complex geometries and internal features can be easily incorporated. * Material Accuracy: Prototypes can be made from the same metal intended for final production.* Aerospace: Engine components, air ducts, landing gear parts. * Automotive: Engine blocks, transmission components, lightweight body panels. * Medical Devices: Surgical instruments, prosthetics, custom implants.
Low-Volume & Specialty PartsMetal 3D printing excels at producing small batches or one-off parts that would be expensive or impractical to manufacture with traditional techniques. This opens doors for customization, on-demand manufacturing, and niche applications.* Reduced Minimum Order Quantities: Eliminates the need for expensive tooling setups typically required for low-volume production. * Design for Customization: Parts can be easily personalized for specific needs or applications. * Complexities Made Simple: intr intricate geometries and internal features can be readily produced.* Motorsports: Custom gears, brackets, and lightweight components. * Oil & Gas: Replacement parts for downhole equipment, bespoke valves and fittings. * Defense: Weaponry components, customized armor plating, specialty tools.
Surgical & Dental ImplantsMetal 3D printing is transforming medical care by enabling the creation of personalized implants with complex lattice structures that promote bone ingrowth and osseointegration. This leads to improved patient outcomes and faster recovery times.* Personalized Implants: Custom-designed implants that perfectly match a patient’s anatomy can be created. * Improved Biocompatibility: Porous structures created through 3D printing encourage bone growth and tissue attachment. * Reduced Risk of Rejection: 3D printing allows for the use of biocompatible materials like titanium and tantalum.* Orthopedics: Hip and knee replacements, custom spinal implants, trauma repair plates. * Dentistry: Dental crowns and bridges, complex jaw implants, customized surgical guides.
Complex Brackets & Heat ExchangersMetal 3D printing allows for the creation of intricate brackets and heat exchangers with internal channels and lightweight lattice structures that would be impossible or prohibitively expensive to manufacture using traditional methods.* Design Optimization: Lightweight and strong brackets can be designed to minimize weight and improve performance. * Enhanced Heat Transfer: Complex internal channels can be incorporated into heat exchangers for superior thermal management. * Freedom of Design: 3D printing allows for the creation of geometries that push the boundaries of conventional manufacturing.* Aerospace: Lightweight brackets for aircraft structures, complex heat exchangers for engine cooling. * Automotive: High-performance heat exchangers for racing engines, intricate brackets for suspension systems. * Consumer Electronics: Thermal management solutions for laptops, heat sinks for high-power electronics.
End-of-Arm Tooling (EOAT)Metal 3D printing enables the creation of customized EOAT for robots that perfectly match the specific requirements of a task. This leads to increased efficiency, flexibility, and improved production processes.* Conformal Grippers: Grippers can be 3D printed to precisely match the shape of the object being handled. * Lightweight Design: Metal 3D printing allows for the creation of lightweight grippers that improve robot speed and dexterity. * Reduced Lead Times: Custom EOAT can be designed and printed quickly, minimizing downtime during production setup.* Automotive Manufacturing: Grippers for handling car parts during assembly. * Electronics Assembly: Precision tools for delicate component placement. * Food & Beverage: Custom grippers for handling fragile food items.

Plusy i minusy kluczowych materiałów metalowych

Oto porównanie zalet i ograniczeń popularnych stopów metali stosowanych w druku 3D:

MateriałPlusyWady
Aluminium 6061Niski koszt, dobra odporność na korozjęNiższa wytrzymałość
Aluminium 7075Wysoki stosunek wytrzymałości do wagiTrudne do spawania
Tytan Ti-6Al-4VWysoka wytrzymałość, niska gęstośćDrogie materiały
Stal nierdzewna 316LDoskonała odporność na korozjęNiższa wytrzymałość niż stopów
Inconel 718Wytrzymuje ekstremalne temperaturyTrudne do obróbki
Chrom kobaltowyDoskonała odporność na zużycie i biokompatybilnośćOgraniczona plastyczność

Dostawcy materiałów do druku 3D z metalu

Wiele firm dostarcza proszki metali i druty specjalnie na potrzeby procesów druku 3D:

MateriałKluczowi dostawcy
Stopy aluminiumAP&C, Sandvik, HC Starck
Stopy tytanuAP&C, TLS Technik, Tekna
Stale nierdzewneSandvik, Carpenter Additive
Nadstopy nikluAP&C, Sandvik, Praxair
Stopy kobaltowo-chromoweAP&C, Sandvik, SLM Solutions

Czynniki takie jak jakość proszku, konsystencja, kształt i rozkład wielkości cząstek wpływają na końcowe właściwości części i stabilność procesu drukowania. Renomowani dostawcy zapewniają dobrze scharakteryzowane i spersonalizowane stopy dostosowane do AM.

proszek in718

Analiza kosztów materiałów do druku 3D z metalu

Koszty materiałów stanowią znaczną część ostatecznego kosztu części w druku 3D z metalu. Poniżej znajdują się przybliżone przedziały cenowe:

MateriałKoszt za kgKoszt za cm3
Stopy aluminium$50-$150$0.15-$0.45
Stopy tytanu$350-$1000$1.00-$3.00
Stale nierdzewne$90-$250$0.25-$0.75
Inconel 718$350-$600$2.50-$4.50
Chrom kobaltowy$500-$1200$3.50-$8.50
  • Tytan i stopy kobaltowo-chromowe są najdroższe, podczas gdy aluminium ma umiarkowaną cenę.
  • Koszty materiałów rosną wraz z wielkością produkcji - większe części wykonane z drogich stopów wymagają wyższych budżetów materiałowych.
  • Optymalizacja mająca na celu ograniczenie odpadów pomocniczych i przetwarzania końcowego może pomóc obniżyć efektywne koszty materiałów.

Normy dotyczące proszków metali

Aby zapewnić powtarzalną, wysoką jakość wydruków, proszki metali stosowane w druku 3D muszą spełniać określone minimalne standardy:

NieruchomośćKluczowe standardy
Rozkład wielkości cząstekASTM B822, ISO 4490
PłynnośćASTM B213, ISO 4490
Gęstość pozornaASTM B212, ISO 3923
Gęstość kranuASTM B527, ISO 3953
Skład chemicznyASTM E1479, analiza OES
  • Jakość proszku wpływa na końcowe właściwości części, takie jak gęstość, wykończenie powierzchni i właściwości mechaniczne.
  • Sferyczne proszki o kontrolowanym rozkładzie wielkości cząstek mają doskonałą płynność.
  • Stały skład chemiczny i gęstość zapewniają stabilność i powtarzalność procesu.

Metody druku 3D dla metali

Różne technologie druku 3D mogą przetwarzać metale i stopy:

MetodaMateriałyKluczowe korzyściOgraniczenia
Powder Bed FusionWiększość stopówDoskonała dokładność i wykończenie powierzchniWolne tempo budowy
Ukierunkowane osadzanie energiiWiększość stopówElementy wbudowane w istniejące częściNiższa rozdzielczość
Binder JettingStal nierdzewnaDrukowanie z dużą prędkościąNiższa wytrzymałość
Wytłaczanie metaliOgraniczone stopyNiskie koszty sprzętuNiższa gęstość
  • Technologie proszkowe, takie jak DMLS, oferują najwyższą rozdzielczość i dokładność.
  • Wtryskiwanie spoiwa działa z szerszym zakresem stopów, ale ma niższą wytrzymałość końcową części.
  • Ukierunkowane osadzanie energii umożliwia drukowanie dużych części o kształcie zbliżonym do siatki.

Wymagania dotyczące przetwarzania końcowego

Wydrukowane części metalowe zazwyczaj wymagają obróbki końcowej w celu uzyskania pożądanych właściwości:

Post-ProcessCelUżyte materiały
Usunięcie wsparciaUsunięcie konstrukcji wsporczychStopy z cienkimi, delikatnymi podporami
Łagodzenie stresuRedukcja naprężeń szczątkowychWszystkie stopy
Prasowanie izostatyczne na gorącoZwiększenie gęstości, poprawa właściwościWszystkie stopy
Wykończenie powierzchniPoprawa chropowatości powierzchniWszystkie stopy
Obróbka cieplnaModyfikacja mikrostrukturyStopy odporne na starzenie, takie jak aluminium
Obróbka skrawaniemDokładne wymiary i wykończenie powierzchniWiększość stopów
  • Obróbka cieplna odprężająca jest zalecana dla wszystkich stopów, aby zapobiec odkształceniom.
  • Obróbka HIP może znacznie poprawić końcowe właściwości materiału.
  • Obróbka CNC zapewnia dokładność wymiarową i wykończenie powierzchni.
Proszek ze stopu aluminium 7050

Jak wybrać materiał metalowy do druku 3D

CzynnikOpisRozważaniaPrzykłady
Wymagania dotyczące aplikacjiThe primary function of the 3D printed part will heavily influence material selection. Consider factors like: * Wytrzymałość i trwałość: How much stress will the part experience? * Waga: Is lightweight construction essential? * Odporność na ciepło: Will the part be exposed to high temperatures? * Odporność na korozję: Will the part encounter harsh environments?* Prioritize high-strength options like Titanium alloys or Maraging Steel for load-bearing components. * For lightweight applications, Aluminum or Nickel alloys offer excellent strength-to-weight ratios. * Inconel and Nickel alloys excel in high-temperature environments like jet engines. * Parts exposed to saltwater or chemicals may benefit from the superior corrosion resistance of Stainless Steel.* Aerospace: High-strength Titanium alloys for landing gear or engine components. * Motoryzacja: Aluminum alloys for lightweight body panels or pistons. * Urządzenia medyczne: Biocompatible Titanium for implants or surgical instruments. * Zastosowania morskie: Corrosion-resistant Stainless Steel for boat propellers or saltwater pumps.
3D Printing ProcessDifferent metal 3D printing technologies have varying capabilities and material compatibility. Consider: * Kompatybilność z maszynami: Ensure the chosen material is compatible with your specific 3D printer’s technology (e.g., Laser Beam Melting, Binder Jetting). * Dostępność materiałów: Not all materials are readily available for every 3D printing process. * Surface Finish & Post-Processing: Some materials may require additional finishing steps to achieve desired surface quality.* Laser Beam Melting (LBM) offers a wide range of compatible materials, including high-performance alloys like Titanium and Inconel. * Binder Jetting is well-suited for materials like Stainless Steel and some tool steels. * Electron Beam Melting (EBM) is ideal for highly reactive materials like Titanium but may require more extensive post-processing for surface finishing.* LBM: Widely used for its versatility, compatible with materials like Titanium alloys, Stainless Steel, and Inconel. * Binder Jetting: Well-suited for cost-effective printing of Stainless Steel parts for less demanding applications. * EBM: Ideal for complex Titanium components in aerospace or medical applications, but post-processing can add time and cost.
Właściwości materiałuBeyond the basic properties like strength and weight, consider these additional characteristics: * Ductility (Formability): How easily can the material be bent or shaped without breaking? * Przewodność cieplna: How well does the material conduct heat? * Biokompatybilność: Is the material safe for implantation in the human body? * Przewodność elektryczna: Does the part require electrical conductivity for its function?* Plastyczność: Ductile materials like certain Nickel alloys may be preferable for parts requiring some degree of bending or forming. * Przewodność cieplna: High thermal conductivity materials like Aluminum are ideal for heat exchangers or heat sinks. * Biokompatybilność: For medical implants, biocompatible materials like Titanium or Tantalum are essential. * Przewodność elektryczna: Copper or Copper alloys would be suitable choices for parts requiring electrical conduction.* Plastyczność: Nickel alloys like Inconel 625 offer good ductility for parts requiring some formability. * Przewodność cieplna: Aluminum alloys are excellent choices for heat exchangers due to their high thermal conductivity. * Biokompatybilność: Titanium and Tantalum are biocompatible choices for implants due to their minimal tissue irritation. * Przewodność elektryczna: Copper is the best conductor of electricity readily available for 3D printing.
Rozważania dotyczące kosztówMaterial cost, along with potential post-processing needs, can significantly impact the overall project budget. * Material Price: Some exotic alloys like Inconel or precious metals like Gold can be very expensive. * Jakość proszku: Higher quality metal powders may have a higher cost but can lead to better printability and part quality. * Przetwarzanie końcowe: Certain materials may require additional steps like heat treatment or machining, adding to the cost.* Prioritize cost-effective materials like Stainless Steel or Aluminum for non-critical applications. * When high performance is essential, consider the long-term benefits of a more expensive material like Titanium. * Evaluate the cost of post-processing needs and factor that into the overall material selection process.* Opłacalność: Stainless Steel or Aluminum often offer good value for less demanding applications. * High-Performance: Titanium alloys provide excellent strength-to-weight ratio but come at a premium cost. * Balance Needed: Consider the trade-off between material cost, performance requirements, and necessary post-processing.

Najczęściej zadawane pytania

P: Który stop metali charakteryzuje się najwyższą wytrzymałością w druku 3D?

O: Nadstopy Inconel, takie jak Inconel 718, mają najwyższą wytrzymałość na rozciąganie, ale są mniej plastyczne. Tytan Ti-6Al-4V ma najwyższy stosunek wytrzymałości do masy.

P: Czy części wydrukowane w 3D ze stali nierdzewnej są odporne na korozję?

O: Tak, 316L i inne stopy stali nierdzewnej zachowują doskonałą odporność na korozję po druku 3D.

P: Jaki jest najczęściej stosowany stop tytanu w druku 3D?

O: Ti-6Al-4V to najpopularniejszy stop tytanu, składający się z 90% wszystkich tytanowych wydruków 3D. Oferuje on najlepsze wszechstronne właściwości.

P: Który stop aluminium jest najlepszy do druku 3D?

O: 6061 i 7075 są najczęściej używane, przy czym 6061 oferuje dobrą odporność na korozję przy niższych kosztach, a 7075 jest wybierany do zastosowań konstrukcyjnych o wysokiej wytrzymałości.

P: Czy etapy obróbki końcowej są obowiązkowe w przypadku metalowych części drukowanych 3D?

O: Obróbka końcowa, taka jak usuwanie podpór, odprężanie i wykańczanie powierzchni, jest wysoce zalecana w celu uzyskania optymalnych właściwości materiału i wydajności.

P: Który proces druku 3D współpracuje z najszerszą gamą stopów metali?

O: Strumieniowanie spoiwa i ukierunkowane osadzanie energii może działać z większością stopów, ale fuzja w złożu proszkowym zapewnia części o wyższej rozdzielczości.

P: Jak wygląda porównanie dokładności obróbki skrawaniem i druku 3D metali?

O: Części obrabiane CNC zapewniają ściślejsze tolerancje i lepsze wykończenie powierzchni niż metale drukowane 3D. Druk 3D umożliwia jednak tworzenie bardziej złożonych geometrii.

P: Który proces druku 3D z metalu charakteryzuje się największą prędkością kompilacji?

O: Strumieniowanie spoiwa pozwala osiągnąć najwyższe prędkości drukowania, tworząc części do 10 razy szybciej niż procesy stapiania w łożu proszkowym.

Udostępnij

Facebook
Twitter
LinkedIn
WhatsApp
E-mail

MET3DP Technology Co., LTD jest wiodącym dostawcą rozwiązań w zakresie produkcji addytywnej z siedzibą w Qingdao w Chinach. Nasza firma specjalizuje się w sprzęcie do druku 3D i wysokowydajnych proszkach metali do zastosowań przemysłowych.

Zapytaj o najlepszą cenę i spersonalizowane rozwiązanie dla Twojej firmy!

Powiązane artykuły

Pobierz Metal3DP
Broszura produktu

Pobierz najnowsze produkty i cennik