Proszki do druku 3D

Druk 3D, znany również jako produkcja addytywna (AM), wykorzystuje specjalistyczne proszki do konstruowania trójwymiarowych komponentów w kolejnych metodach warstwowych. Niniejszy przewodnik stanowi dogłębne źródło informacji na temat proszków do druku 3D - badając rodzaje, cechy, specyfikacje, metody produkcji, kluczowych dostawców i ceny, zastosowania w różnych branżach, porównania z alternatywami, często zadawane pytania i nie tylko.

Przegląd Proszki do druku 3D

Proszki do druku 3D są surowcami umożliwiającymi wytwarzanie części z tworzyw sztucznych, metalu i ceramiki. Kluczowe cechy:

• Stan: Proszki o ultradrobnych cząstkach
• Zakres rozmiarów: Zazwyczaj 10-150 mikronów
• Morfologia: Najczęściej kulisty kształt cząstek
• Skład: Polimer, stop metali, ceramika, mieszanki piaskowca
• Kluczowe właściwości: Zaprojektowany rozkład wielkości cząstek, płynność, gęstość upakowania i mikrostruktura

Wykorzystując ścisłą kontrolę nad właściwościami fizycznymi proszku i interakcjami z termicznymi/kinetycznymi procesami drukowania, proszki do druku 3D ułatwiają skomplikowane geometrie części i gradienty składu materiału, których nie można osiągnąć w inny sposób.

Rodzaje proszków do druku 3D

Kategoria	Materiały	Metoda drukowania
Tworzywa sztuczne	Nylony, ABS, TPU, PEKK, PEEK...	Selektywne spiekanie laserowe (SLS)
Metale	Stale nierdzewne, narzędziowe, tytan i stopy, nadstopy...	Bezpośrednie spiekanie laserowe metali (DMLS)
Ceramika	Tlenek glinu, tlenek cyrkonu, węglik krzemu	Strumieniowanie spoiwa, modelowanie osadzania topionego
Kompozyty	Mieszanki metal/plastik, mieszanki piaskowca	Fuzja wielostrumieniowa (MJF), osadzanie związanego metalu
Biokompatybilność	PEEK, PLGA, TCP...	Selektywne topienie laserowe (SLM)

Tabela 1: Główne kategorie, materiały i powiązane platformy drukowania dla komercyjnych proszków do druku 3D

Proszki polimerowe, metalowe, ceramiczne i kompozytowe wspierają produkcję części do zastosowań końcowych w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, medycznym, dentystycznym i przemysłowym.

Metody produkcji

Metoda	Opis	Przydatność materiału	Zalety	Wady
Atomizacja	Ten ogólny termin obejmuje różne techniki rozbijania stopionego metalu na drobne cząstki. Stopiony metal jest wtłaczany przez dyszę do strumienia gazu lub wody pod wysokim ciśnieniem, szybko zestalając kropelki w kuliste cząstki.	Metale (żelazo, aluminium, stopy tytanu)	- Wysoka wydajność produkcji - Stały rozmiar i kształt cząstek - Dobra sypkość proszku	- Wymaga dużego nakładu energii - Potencjalne tworzenie się tlenków na cząstkach - Ograniczone do niektórych materiałów
Atomizacja gazu	Najpopularniejsza metoda atomizacji, wykorzystująca gaz obojętny (zazwyczaj azot) do rozbijania stopionego metalu.	Podobne do atomizacji, ale generalnie lepsza jakość powierzchni i ściślejsza kontrola nad rozmiarem cząstek.	- Najwyższa jakość proszku w porównaniu z innymi metodami atomizacji - Odpowiedni do metali reaktywnych	Podobny do atomizacji, ale wyższy koszt sprzętu
Atomizacja wody	Wykorzystuje strumień wody pod wysokim ciśnieniem do rozdrobnienia stopionego metalu. Bardziej opłacalna niż atomizacja gazowa, ale wytwarza mniej kulistych cząstek.	Niektóre metale (żelazo, miedź) i niektóre polimery	- Niższy koszt niż w przypadku atomizacji gazowej - Dobrze nadaje się do materiałów niewrażliwych na wilgoć	- Niższa jakość proszku (nieregularne kształty) - Może nie być idealny do zastosowań wymagających wysokiej wydajności
Atomizacja plazmowa	Łuk elektryczny podgrzewa materiał wsadowy (drut metalowy lub proszek) do stanu stopionego. Stopiony metal jest następnie wyrzucany przez dyszę i rozpylany za pomocą palnika plazmowego.	Szeroki zakres materiałów (metale, stopy, ceramika)	- Może obsługiwać materiały o wysokiej temperaturze topnienia - Nadaje się do tworzenia proszków kompozytowych	- Złożony i kosztowny proces - Wymaga rygorystycznych środków bezpieczeństwa
Rozdrabnianie mechaniczne	Proces fizyczny polegający na rozdrabnianiu lub mieleniu materiału sypkiego na drobny proszek.	Kruche materiały (ceramika, niektóre polimery)	- Prostsza i tańsza konfiguracja w porównaniu z innymi metodami	- Ograniczona kontrola nad rozmiarem i morfologią cząstek - Może wprowadzać zanieczyszczenia podczas mielenia
Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD)	Proces chemiczny, w którym gazowe prekursory reagują, tworząc stały osad na cząsteczce zalążkowej.	Metale, ceramika i niektóre zaawansowane materiały	- Wysoka czystość i precyzyjna kontrola nad składem cząstek - Możliwość tworzenia złożonych geometrii	- Powolny proces z ograniczonym tempem produkcji - Wysokie inwestycje kapitałowe
Atomizacja elektrolityczna	Ogniwo elektrolityczne służy do rozkładu metalowej anody na jony. Jony łączą się następnie z elektronami na katodzie, tworząc cząsteczki metalu.	Metale	- Proces przyjazny dla środowiska (unika wysokich temperatur) - Odpowiedni dla materiałów wrażliwych na wilgoć	- Niższy wskaźnik produkcji niż w przypadku metod atomizacji - Ograniczony do niektórych elektrolitów i materiałów anodowych
Sferoidyzacja	Dodatkowy proces stosowany w celu poprawy kształtu proszków o nieregularnych kształtach wytwarzanych innymi metodami. Obejmuje obróbkę cieplną lub procesy chemiczne sprzyjające aglomeracji cząstek w kule.	Większość rodzajów proszków (metale, polimery, ceramika)	- Zwiększa płynność proszku i gęstość upakowania - Poprawia drukowalność	- Dodaje dodatkowy etap przetwarzania - może nie być konieczny w przypadku wszystkich aplikacji.

Właściwości Proszki do druku 3D

Nieruchomość	Opis	Znaczenie dla druku 3D	Przykłady i rozważania
Rozmiar i rozkład cząstek	Odnosi się do zmienności wielkości poszczególnych cząstek proszku i ogólnego rozrzutu w różnych zakresach wielkości. Mierzone w mikrometrach (µm).	Odgrywa kluczową rolę w możliwości drukowania, rozdzielczości i końcowej gęstości części. – Zbyt duży: utrudniona płynność, nierównomierne rozprowadzanie i potencjalne wady zgrabiania. – Za mały: Zwiększona powierzchnia może prowadzić do zbrylania i słabego upakowania, wpływając na wytrzymałość.	– SLS (selektywne spiekanie laserowe): Generalnie preferuje drobniejsze proszki (20-80 µm) w celu uzyskania szczegółowych cech. – MJF (Multi Jet Fusion): Nieco większe cząstki (50-100 µm) mogą być stosowane ze względu na zdolność technologii atramentowej do pokonywania ograniczeń przepływu. – Proszki metali: Ścisła dystrybucja (wąski zakres) jest idealna dla dobrej gęstości upakowania i minimalnej porowatości w części końcowej.
Morfologia cząsteczek	Kształt poszczególnych cząstek proszku.	Wpływa na stopień upakowania cząstek, płynność i wykończenie powierzchni końcowej części. - Sferyczny: Oferują najlepszą gęstość upakowania i płynność, prowadząc do mocnych i jednolitych części. - Nieregularne kształty: Może tworzyć luki i niespójności, potencjalnie wpływając na wytrzymałość i jakość powierzchni.	– Proszki z tworzyw sztucznych: Ogólnie sferyczny lub prawie sferyczny dla optymalnej drukowności. - Proszki metali: Może się różnić w zależności od metalu i metody produkcji. Preferowane są morfologie sferyczne, ale można je osiągnąć za pomocą technik przetwarzania końcowego, takich jak atomizacja.
Płynność	Łatwość, z jaką proszek przepływa pod własnym ciężarem lub przy minimalnej sile ścinającej.	Krytyczne dla spójnego osadzania materiału i równomiernego tworzenia warstw podczas drukowania. - Dobra płynność: Zapewnia płynne rozprowadzanie i minimalizuje ryzyko wad warstwy. - Słaba płynność: Może prowadzić do nierównomiernego osadzania, niespójności i potencjalnych problemów z drukowaniem.	– Proszki o wąskim rozkładzie wielkości cząstek mają tendencję do lepszego przepływu ze względu na mniejsze zakłócenia wielkości cząstek. - Dodatki i obróbka powierzchni może być stosowany w celu poprawy płynności poprzez zmniejszenie tarcia między cząstkami.
Gęstość upakowania	Miara tego, jak ciasno można upakować cząstki proszku. Wyrażona jako procent całkowitej objętości zajmowanej przez proszek.	Wpływa na ostateczną gęstość, wytrzymałość i dokładność wymiarową drukowanej części. - Wysoka gęstość upakowania: Prowadzi do gęstszych części o lepszych właściwościach mechanicznych i precyzji wymiarowej. - Niska gęstość upakowania: Skutkuje to częściami o większej porowatości, potencjalnie słabszymi i mniej dokładnymi wymiarowo.	– Kształt cząsteczki odgrywa znaczącą rolę. Cząsteczki sferyczne pakują się bardziej efektywnie niż cząsteczki o nieregularnych kształtach. - Procesy takie jak Binder Jetting mogą korzystać z nieco niższych gęstości upakowania, aby umożliwić właściwą infiltrację spoiwa.
Spiekalność	Zdolność cząstek proszku do łączenia się ze sobą podczas procesu drukowania 3D, zazwyczaj za pomocą ciepła lub energii laserowej.	Niezbędne do uzyskania wytrzymałych i funkcjonalnych części drukowanych. - Dobra spiekalność: Umożliwia silne wiązanie międzycząsteczkowe, prowadząc do uzyskania wytrzymałych i funkcjonalnych części. - Słaba spiekalność: Może powodować słabe wiązania i potencjalne uszkodzenie części pod wpływem naprężeń.	– Skład materiału: Metale generalnie mają dobrą spiekalność ze względu na ich naturalną zdolność do tworzenia silnych wiązań w wysokich temperaturach. - Proszki polimerowe często wymagają określonych dodatków lub etapów przetwarzania końcowego (np. pieców do spiekania) w celu zwiększenia wiązania.
Skład chemiczny	Skład pierwiastkowy materiału proszkowego.	Określa ostateczne właściwości wydrukowanej części, takie jak wytrzymałość, odporność na ciepło i biokompatybilność. - Wybór materiału ma kluczowe znaczenie w oparciu o pożądaną aplikację i wymagania funkcjonalne. - Proszki mogą być mieszane w celu osiągnięcia określonych właściwości (np. łączenie metali w celu poprawy stosunku wytrzymałości do masy).	– Proszki metali Mogą to być zarówno czyste metale, takie jak tytan, jak i złożone stopy o dostosowanych właściwościach. - Proszki polimerowe mogą obejmować nylony, poliamidy i biokompatybilne materiały do zastosowań medycznych.
Właściwości termiczne	Zachowanie materiału proszkowego w zmiennych temperaturach, w tym temperatura topnienia, przewodność cieplna i współczynnik rozszerzalności cieplnej.	Czynniki wpływające na stabilność wymiarową, wypaczenia i odkształcenia cieplne podczas drukowania i obróbki końcowej. - Kontrolowane ogrzewanie jest niezbędne, aby uniknąć przekroczenia limitów termicznych materiału i spowodowania wad części. - Dopasowanie właściwości termicznych proszku i platformy roboczej minimalizuje wypaczenia i zapewnia dokładność wymiarową.	– Proszki metali często mają wysoką temperaturę topnienia i wymagają precyzyjnej kontroli temperatury podczas procesów laserowych, takich jak SLM (selektywne topienie laserowe). - Proszki polimerowe może mięknąć lub topić się w niższych temperaturach,

Specyfikacje proszku do druku 3D

Nieruchomość	Opis	Wpływ na drukowność i jakość części	Przykłady materiałów
Rozmiar i rozkład cząstek	Odnosi się do poszczególnych średnic cząstek i zmienności w obrębie proszku. Mierzone w mikronach (µm).	Drobne proszki ( 100 µm) poprawiają płynność, ale mogą ograniczać szczegóły i zwiększać chropowatość powierzchni. Wąski rozkład wielkości zapewnia spójne upakowanie i zachowanie podczas drukowania.	Polimery: Nylon (15-75 µm), polipropylen (40-100 µm)
Morfologia cząsteczek	Kształt poszczególnych cząstek proszku.	Sferyczne cząstki przepływają swobodnie i pakują się wydajnie, co prowadzi do dobrej drukowalności. Nieregularne kształty mogą poprawić wiązanie międzycząsteczkowe, ale mogą powodować problemy z przepływem i wymagać specjalnych technik drukowania.	Polimery: Zazwyczaj kuliste ze względu na procesy produkcyjne.
Gęstość pozorna i gęstość upakowania	Gęstość pozorna to masa proszku na jednostkę objętości w stanie sypkim. Gęstość upakowania to maksymalna gęstość osiągana po stuknięciu lub wibracji.	Gęstość pozorna wpływa na przepływ proszku i obsługę. Gęstość upakowania wpływa na końcową gęstość drukowanej części i jej właściwości mechaniczne. Wyższa gęstość upakowania generalnie prowadzi do mocniejszych części.	Polimery: Gęstość pozorna (0,3-0,8 g/cm³), gęstość upakowania (0,5-0,9 g/cm³)
Płynność	Łatwość, z jaką proszek przepływa pod wpływem grawitacji lub przy minimalnym mieszaniu.	Dobra płynność ma kluczowe znaczenie dla równomiernego rozprowadzania proszku podczas drukowania. Słaba płynność może prowadzić do niespójności warstw i defektów druku.	Polimery: Ze względu na swoją kulistą morfologię są zazwyczaj sypkie. Dodatki mogą być stosowane w celu poprawy płynności.
Zawartość wilgoci	Ilość pary wodnej uwięzionej w cząsteczkach proszku.	Nadmiar wilgoci może powodować problemy podczas drukowania, takie jak eksplozje pary lub niespójne zachowanie podczas topienia. Większość proszków wymaga ścisłej kontroli wilgotności.	Polimery: Zazwyczaj bardzo niska zawartość wilgoci (< 0,1 wt%), aby zapobiec hydrolizie i zapewnić spójne zachowanie druku.
Skład chemiczny i czystość	Skład pierwiastkowy proszku i obecność wszelkich zanieczyszczeń.	Skład chemiczny określa ostateczne właściwości drukowanej części. Zanieczyszczenia mogą wpływać na drukowalność, wydajność mechaniczną i jakość powierzchni.	Polimery: Materiał o wysokiej czystości jest stosowany w celu zapewnienia stałych właściwości i możliwości drukowania.
Właściwości termiczne	Temperatura topnienia, temperatura zeszklenia (Tg) dla polimerów i przewodność cieplna.	Właściwości termiczne wpływają na parametry procesu drukowania i ostateczną mikrostrukturę drukowanej części.	Polimery: Temperatura topnienia i Tg są kluczowe dla ustawienia parametrów drukowania, takich jak moc lasera lub temperatura stołu.

Dostawcy proszków do druku 3D

Materiał	Kluczowe aplikacje	Reprezentatywni dostawcy	Rozważania
Proszki polimerowe	- Prototypowanie - Części funkcjonalne - Urządzenia medyczne - Towary konsumpcyjne	* Poliamid (nylon): BASF, Evonik, Arkema * Kwas polimlekowy (PLA): NatureWorks, ExxonMobil Chemical, DuPont * Polipropylen (PP): Royal DSM, SABIC, Repsol	* Rozmiar i rozkład cząstek wpływa na drukowalność i końcowe właściwości części. * Właściwości materiału, takie jak odporność na ciepło, elastyczność i biokompatybilność są różne. * Rozważ zgodność chemiczną z technikami przetwarzania końcowego.
Proszki metali	- Komponenty lotnicze i kosmiczne - Części samochodowe - Implanty medyczne - Narzędzia i matryce	* Stopy tytanu: AP Powder Company, Höganäs, GE Additive * Stal nierdzewna: Carpenter Additive Manufacturing, SLM Solutions, EOS GmbH * Stopy aluminium: Rio Tinto Alcan, DLP Manufacturing, Exone	* Morfologia (kształt) proszku wpływa na płynność i gęstość upakowania. * Wielkość ziarna wpływa na właściwości mechaniczne końcowej części. * Protokoły bezpieczeństwa mają kluczowe znaczenie podczas pracy z reaktywnymi proszkami metali.
Proszki kompozytowe	- Lekkie konstrukcje o wysokiej wytrzymałości - Komponenty przewodzące - Biokompatybilne implanty o ulepszonych właściwościach	* Kompozyty polimerowo-metalowe: LPW Technology, Markforged, Desktop Metal * Kompozyty ceramiczno-metalowe: Sandvik Hyperion, Extrude Hone, Plasma Technik * Kompozyty polimerowo-włókniste: Stratasys, Desktop Metal, Henkel	* Wybór zależy od pożądanej kombinacji właściwości (wytrzymałość, przewodność, biokompatybilność). * Interfejs między różnymi materiałami wymaga starannego rozważenia w celu uzyskania optymalnej wydajności. * Parametry drukowania mogą wymagać dostosowania w porównaniu do proszków jednomateriałowych.

Zastosowania Proszki do druku 3D

Proszki do drukowania w wyjątkowy sposób ułatwiają tworzenie złożonych, niestandardowych geometrii części w różnych branżach:

Przemysł	Przykładowe komponenty	Korzyści
Lotnictwo i kosmonautyka	Łopatki turbin, dysze rakiet, podwozia UAV	Redukcja wagi, wzrost wydajności
Medyczny	Implanty i protezy dopasowane do pacjenta	Spersonalizowany rozmiar, biokompatybilność
Motoryzacja	Wymienniki ciepła, lekkie elementy podwozia	Konsolidacja części, wydajność
Przemysłowy	Niestandardowe oprzyrządowanie produkcyjne, przyrządy	Skrócone ramy czasowe rozwoju

Tabela 5: Główne sektory wykorzystujące możliwości druku 3D w proszku

Zdolność do szybkiej iteracji projektów i ekonomicznego drukowania krótkich serii umożliwia innowacje w zakresie części końcowych.

Plusy i minusy druku 3D w proszku

Plusy	Wady
Wysoka dokładność i rozdzielczość	Obsługa i bezpieczeństwo proszków
Szeroki zakres materiałów	Ograniczony rozmiar kompilacji
Minimalne struktury wsparcia	Wymagania dotyczące przetwarzania końcowego
Szybkie tempo produkcji	Wysoka inwestycja początkowa

Najczęściej zadawane pytania

P: Jaki zakres wielkości cząstek sprawdza się najlepiej w przypadku proszków do druku 3D z metalu?

O: 10-45 mikronów ułatwia dobre upakowanie i rozprowadzanie, jednocześnie unikając wyzwań związanych z ultradrobnymi proszkami wokół obsługi proszku. Większość stopów dobrze radzi sobie z dystrybucją 30±15 μm.

P: Który proces druku 3D z proszku polimerowego zapewnia najlepszą wydajność mechaniczną?

O: Selektywne spiekanie laserowe (SLS) umożliwia doskonałe stapianie i produkcję drobnych elementów - tworząc wysokowydajne części z tworzyw sztucznych rywalizujące lub przewyższające procesy formowania wtryskowego.

P: Jak długo można przechowywać niewykorzystany proszek do drukarek 3D?

O: Przechowywane w chłodnym i suchym miejscu, zabezpieczone przed wilgocią środkiem osuszającym - proszki zachowują właściwości przepływowe przez co najmniej 12 miesięcy. Nawet otwarte proszki wytrzymują ponad 6 miesięcy przed zauważalną degradacją.

P: Czy jakość proszku wyjściowego ma znaczący wpływ na właściwości drukowanych części?

O: Tak, czystość chemiczna proszku oraz odpowiednia kontrola właściwości proszku silnie determinują końcowe właściwości mechaniczne części, estetykę, dokładność wymiarową i niezawodność działania.

poznaj więcej procesów druku 3D