Wytwarzanie przyrostowe proszków metali: Przegląd

Produkcja addytywnaDruk 3D wykorzystuje proszki metali jako surowiec do tworzenia metalowych części i produktów warstwa po warstwie. Właściwości i charakterystyka proszku metalowego mają znaczący wpływ na jakość, właściwości mechaniczne, precyzję i wydajność drukowanych 3D elementów metalowych. Niniejszy artykuł zawiera kompleksowy przegląd proszków metali stosowanych w produkcji addytywnej.

Rodzaje proszków metali do produkcji addytywnej

Istnieją różne rodzaje metali i stopów dostępnych w postaci proszku do wykorzystania w technologiach druku 3D. Do najczęściej stosowanych proszków metali należą:

Rodzaje proszków metali do produkcji addytywnej

Kształt cząstek, rozkład wielkości, charakterystyka przepływu i mikrostruktura proszku metalu mogą się znacznie różnić w zależności od metody produkcji. Wpływa to na gęstość upakowania, rozprowadzalność i zachowanie podczas spiekania podczas drukowania 3D.

Metody produkcji proszków metali

Istnieje kilka technik produkcyjnych wykorzystywanych do wytwarzania proszków metalicznych na potrzeby produkcji addytywnej:

Metody produkcji proszków metali

Atomizacja gazowa i atomizacja wodna to najpopularniejsze metody wytwarzania drobnych proszków do procesów drukowania 3D metodą fuzji w złożu proszkowym. Technika produkcji proszku wpływa na skład, kształt cząstek, porowatość, charakterystykę przepływu, mikrostrukturę i koszt proszku metalowego.

Właściwości i charakterystyka proszków metali

Właściwości proszków metali stosowanych w produkcji addytywnej odgrywają kluczową rolę w określaniu jakości końcowej części, właściwości mechanicznych, precyzji, wykończenia powierzchni i wydajności. Niektóre kluczowe cechy obejmują:

Właściwości proszków metali dla produkcji addytywnej

Spełnienie rygorystycznych wymagań dotyczących tych właściwości proszku ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia wysokiej gęstości, dobrych właściwości mechanicznych i jakości komponentów wytwarzanych addytywnie.

Specyfikacja proszku metalowego

Proszki metali stosowane w produkcji addytywnej muszą spełniać określone specyfikacje w zakresie składu, rozkładu wielkości cząstek, szybkości przepływu, gęstości pozornej i mikrostruktury. Niektóre typowe specyfikacje proszków metali obejmują:

Typowe specyfikacje proszków metali do produkcji addytywnej

Rozkład wielkości jest krytyczny, z powszechnymi rozmiarami cząstek D10, D50 i D90 w zakresie 5-100 mikronów. Węższy rozkład poprawia gęstość i rozdzielczość złoża proszku. Normy takie jak ASTM F3049, F3301 i ISO/ASTM 52921 określają rygorystyczne zasady dotyczące surowców proszkowych stosowanych w produkcji addytywnej.

Zastosowania proszków metali w produkcji addytywnej

Proszki metali są wykorzystywane w różnych technologiach wytwarzania przyrostowego do drukowania funkcjonalnych części metalowych w różnych branżach:

Zastosowania proszków metali w produkcji addytywnej

Produkcja addytywna z wykorzystaniem proszków metali jest idealna do wytwarzania złożonych, niestandardowych komponentów o ulepszonych właściwościach mechanicznych i kształtach, które nie są możliwe w przypadku konwencjonalnej produkcji. Rozszerzający się zakres dostępnych stopów metali stale zwiększa liczbę zastosowań w różnych branżach.

Analiza kosztów Proszki metali

Rodzaj proszku metalowego i wymagana jakość mają znaczący wpływ na koszt materiału w produkcji addytywnej. Niektóre typowe koszty proszków metali to:

Przedziały cenowe proszków metali do produkcji addytywnej

Ceny różnią się w zależności od składu stopu, charakterystyki cząstek, jakości proszku i wielkości zakupu. Zmniejszenie ilości odpadów materiałowych poprzez recykling niewykorzystanego proszku może poprawić opłacalność drukowania przy użyciu drogich stopów.

Szczegółowy podział cen proszków metali

Koszty związane z proszkami metali mogą stanowić znaczną część ogólnych wydatków związanych z produkcją addytywną. Niniejsza sekcja zawiera bardziej szczegółowe informacje na temat aktualnych przedziałów cenowych dla różnych stopów metali:

Ceny proszku ze stopu tytanu

Najczęściej używany stop Ti-6Al-4V do zastosowań lotniczych waha się od $250-500/kg. Bardziej zaawansowane stopy tytanu mogą kosztować ponad $800/kg.

Wycena proszku ze stopu aluminium

Stopy aluminium kosztują zazwyczaj $80-150/kg, przy czym specjalistyczne kompozycje i proszki wzmocnione nanocząsteczkami mają ceny od $250-500/kg.

Ceny proszków ze stopów niklu

Nadstopy niklu wahają się od $120-800/kg w zależności od składu stopu, charakterystyki cząstek i wielkości zamówienia.

Metale szlachetne używane w biżuterii i urządzeniach medycznych osiągają bardzo wysokie ceny od $1500-3000/kg za złoto, srebro i stopy platyny.

Zrozumienie aktualnych poziomów cen najpopularniejszych stopów pozwala na świadomy wybór opłacalnych materiałów do konkretnych zastosowań.

Ceny proszków ze stali nierdzewnej

Proszki ze stali nierdzewnej wahają się od $30-200/kg w zależności od gatunku. Bardziej wyspecjalizowane stopy i kompozycje o bardziej rygorystycznych specyfikacjach mają wyższe ceny.

Ceny proszków ze stali narzędziowej

Ceny stali narzędziowej w proszku wahają się od $80-250/kg w zależności od twardości, składu stopu i charakterystyki cząstek.

Ceny proszku ze stopu miedzi

Proszki miedzi i stopów miedzi stosowane ze względu na ich właściwości termiczne i elektryczne to $50-150/kg.

Ceny proszków stopów kobaltowo-chromowych

Stopy kobaltowo-chromowe klasy medycznej wahają się od $170-300/kg w zależności od składu i charakterystyki cząstek.

Ogólnie rzecz biorąc, ceny proszków metali obejmują szeroki zakres w zależności od stopu, metody produkcji, jakości i wielkości zamówienia. Jednak zrozumienie aktualnych cen rynkowych zapewnia pomocne wskazówki podczas projektowania produktu i wyboru materiału do produkcji addytywnej.

W produkcji addytywnej istnieją dwa główne podejścia wykorzystujące proszki metali: procesy syntezy w złożu proszku i procesy ukierunkowanego osadzania energii. W tej sekcji porównano różne wymagania i właściwości proszku w przypadku metod opartych na złożu proszkowym i proszku wdmuchiwanym.

Procesy fuzji w złożu proszkowym

W procesach syntezy w złożu proszkowym, takich jak selektywne spiekanie laserowe (SLS) i topienie wiązką elektronów (EBM), proszek metalowy jest rozprowadzany cienkimi warstwami na płycie roboczej i selektywnie topiony przez źródło ciepła warstwa po warstwie w celu wytworzenia części. Niektóre kluczowe różnice we właściwościach proszku obejmują:

Wymagania dotyczące proszku dla fuzji w złożu proszkowym

Sferyczne proszki zatomizowane gazem o kontrolowanym rozkładzie wielkości i dobrej płynności są idealne do procesów fuzji w złożu proszkowym AM.

Ukierunkowane osadzanie energii z wydmuchiwanego proszku

W technikach DED, takich jak laserowe kształtowanie siatki (LENS) i wytwarzanie przyrostowe wiązką elektronów (EBAM), proszek metalowy jest bezpośrednio wtryskiwany do roztopionego basenu utworzonego przez źródło ciepła lasera lub wiązki elektronów. Kluczowe różnice między proszkiem a złożem proszku:

Wymagania dotyczące proszku dla dmuchanego proszku DED

W przypadku technologii DED z rozdmuchiwaniem proszku, wymagania dotyczące surowca proszkowego są bardziej elastyczne w porównaniu z procesami syntezy w złożu proszkowym. Kluczową zaletą DED jest możliwość stosowania tańszych metod produkcji proszków.

Rozważania dotyczące proszków pod kątem jakości i kosztów

Podsumowując, fuzja w złożu proszkowym nakłada surowsze wymagania na właściwości proszku, aby zapobiec defektom i uzyskać części o wysokiej gęstości. Zwykle wymaga to użycia droższych proszków rozpylanych gazowo. Technologia DED zapewnia większą elastyczność w stosowaniu tańszych proszków, ale może to mieć wpływ na właściwości mechaniczne i dokładność. Rozmiar części, wymagania dotyczące wykończenia powierzchni, wydajność mechaniczna i budżet są kluczowymi czynnikami przy wyborze odpowiedniego procesu produkcji addytywnej i surowca proszkowego.

Produkcja addytywna kompozytów na osnowie metalowej

Kompozyty o osnowie metalowej (MMC) ze wzmocnieniami ceramicznymi to wschodzący obszar w produkcji dodatków opartych na proszkach. Ta sekcja zawiera przegląd drukowania MMC przy użyciu fuzji złoża proszku i osadzania energii skierowanej na proszek rozdmuchiwany.

Wytwarzanie addytywne MMC z wykorzystaniem fuzji w złożu proszkowym

Wzmocnienia, takie jak węgliki, borki i tlenki, mogą być mieszane z proszkami stopów metali w celu drukowania kompozytów z osnową metalową wzmocnioną cząstkami o ulepszonych właściwościach:

Proszki MMC do fuzji w złożu proszkowym AM

Jednak czynniki takie jak różnica temperatur topnienia, słaba zwilżalność i aglomeracja wzmocnień mogą powodować defekty i wyzwania w drukowaniu wysokiej jakości części MMC. Wzmocnienia w nanoskali oraz dostosowane parametry mieszania i rozprowadzania proszku są wymagane do skutecznego drukowania gęstych, izotropowych MMC przy użyciu fuzji w złożu proszkowym AM.

Wytwarzanie addytywne MMC z wykorzystaniem proszku wdmuchiwanego DED

Metody proszkowe z rozdmuchiwaniem DED oferują korzyści w zakresie drukowania MMC:

• Wzmocnienia mogą być wtryskiwane bezpośrednio do jeziorka, co pozwala uniknąć aglomeracji.
• Szybkie topienie i krzepnięcie poprawia dystrybucję ceramiki
• Można stosować większe rozmiary cząstek i wyższe frakcje wzmacniające

Jednak kontrolowanie zawartości wzmocnienia na całej wysokości wydruku i osiągnięcie równomiernego rozkładu pozostaje wyzwaniem. Hybrydowe systemy AM łączące syntezę w łożu proszkowym i DED umożliwiają drukowanie metali o wysokiej gęstości, takich jak miedź, jako ciągłej matrycy przy użyciu syntezy w łożu proszkowym, podczas gdy ceramiczne wzmocnienia są jednocześnie wtryskiwane w celu lokalnego wzmocnienia lub utwardzenia obszarów.

Ogólnie rzecz biorąc, produkcja addytywna umożliwia wytwarzanie złożonych komponentów MMC o kształcie siatki z lokalnie dostosowanym składem i właściwościami, co nie jest możliwe w przypadku konwencjonalnej produkcji kompozytów. Jednak opracowanie proszków wsadowych i parametrów drukowania dostosowanych do konkretnych systemów metalowo-ceramicznych jest niezbędne do wykorzystania pełnego potencjału drukowania MMC wzmocnionych cząstkami za pomocą AM.

Często zadawane pytania dotyczące proszków metali w produkcji addytywnej

Poniżej znajdują się odpowiedzi na najczęściej zadawane pytania dotyczące proszków metali wykorzystywanych w procesach wytwarzania przyrostowego:

Najczęściej zadawane pytania dotyczące proszków metali dla AM

P: Jaki jest najczęściej używany proszek metalowy do druku 3D?

O: Stopy aluminium, w szczególności AlSi10Mg, są jednymi z najpopularniejszych metali do produkcji proszkowej w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i przemysłowym ze względu na ich niewielką wagę, odporność na korozję i przewagę kosztową nad stopami tytanu i niklu.

P: Jaki jest najdroższy proszek metalowy?

O: Metale szlachetne, takie jak złoto, srebro i platyna, mają najwyższe koszty materiałowe na poziomie $1500-3000 za kilogram. Stopy tytanu są również stosunkowo drogie i kosztują ponad $200/kg. Nadstopy niklu wahają się od $100-300/kg w zależności od składu.

P: Jaka jest różnica między pierwotnym a pochodzącym z recyklingu proszkiem metalowym?

O: Proszek pierwotny to świeżo wyprodukowany proszek, który nie był wcześniej używany do drukowania. Proszek z recyklingu to proszek odzyskany po wydrukowaniu i ponownie wykorzystany. Proszek z recyklingu może być 20-30% tańszy, ale wiąże się z ryzykiem zanieczyszczenia i zmian właściwości po wielu cyklach ponownego użycia.

P: Co ma kluczowe znaczenie przy określaniu rozkładu wielkości proszku metalu?

O: Ścisły rozkład wielkości cząstek ma kluczowe znaczenie dla fuzji w złożu proszkowym AM, aby zapewnić jednolitą grubość warstwy, wysoką gęstość upakowania, dobry przepływ i rozdzielczość. Typowe rozkłady mają na celu D10: 20-40 mikronów, D50: 20-45 mikronów, D90 poniżej 100 mikronów.

P: Jak wilgoć w proszku metalu wpływa na procesy AM?

O: Wilgoć wchłaniana przez cząsteczki proszku może powodować zlepianie się proszków i utrudniać ich przepływ. Nadmiar wilgoci prowadzi również do porowatości drukowanych części. Większość procesów wymaga zawartości wilgoci poniżej 0,2 wt% podczas suszenia.

P: Jaka jest rola możliwości recyklingu proszku w AM?

O: Recykling niewykorzystanego proszku po wydruku zmniejsza ilość odpadów materiałowych i koszty, szczególnie w przypadku drogich stopów. Po ponownym użyciu może jednak dojść do zanieczyszczenia. Procesy z atmosferą obojętną lub próżnią minimalizują utlenianie i poprawiają możliwości recyklingu.

P: W jaki sposób proszki metali o bimodalnym rozkładzie są wykorzystywane w AM?

Bimodalne proszki z dwiema różnymi frakcjami proszku gruboziarnistego i drobnoziarnistego mogą poprawić gęstość upakowania i rozdzielczość druku. Drobniejszy proszek jest upakowany między większymi cząstkami. Takie proszki wymagają jednak specjalistycznej wiedzy, aby zapewnić odpowiednie mieszanie i obsługę.

P: Czy AM pozwala na stosowanie tańszych proszków niższej jakości w porównaniu z innymi procesami?

O: Dmuchany proszek DED AM może wykorzystywać tańsze proszki z innych metod produkcji, które mogą nie spełniać rygorystycznych specyfikacji dotyczących fuzji złoża proszku. Może to jednak negatywnie wpływać na właściwości mechaniczne i dokładność w porównaniu do proszków rozpylanych gazowo.

Wnioski

Podsumowując, proszki metali służą jako podstawowy surowiec do produkcji metalowych komponentów drukowanych w 3D przy użyciu technologii wytwarzania przyrostowego z wykorzystaniem syntezy w złożu proszkowym i ukierunkowanego osadzania energii. Właściwości i jakość surowca w postaci proszku metalowego wywierają silny wpływ na końcowe właściwości części, precyzję, wykończenie powierzchni i wydajność w zastosowaniach lotniczych, medycznych, motoryzacyjnych i przemysłowych. Podstawowymi metodami produkcji są atomizacja gazowa i wodna. Kluczowe atrybuty proszku, takie jak rozkład wielkości cząstek, morfologia, gęstość pozorna, charakterystyka przepływu i mikroczystość, muszą spełniać rygorystyczne specyfikacje procesów AM i wymagania dotyczące części końcowych. Ciągłe postępy w inżynierii, modelowaniu i charakteryzacji proszków metali będą miały kluczowe znaczenie dla uwolnienia pełnego potencjału produkcji addytywnej z wykorzystaniem metali.