Produkcja addytywna proszku metalu

Produkcja addytywna, znany również jako druk 3D, rewolucjonizuje produkcję w różnych branżach. Jednym z kluczowych materiałów, które to umożliwiają, jest proszek metalowy. Ponieważ produkcja addytywna nadal szybko się rozwija, zrozumienie proszków metali jest niezbędne.

Kiedy myślimy o druku 3D z metalu, łatwo jest skupić się na niesamowitych drukarkach. Jednak nic z tego nie działa bez wysokiej jakości proszku metalowego! Proszek ten służy jako "atrament" do drukowania skomplikowanych metalowych części warstwa po warstwie.

Ale co sprawia, że proszek metalowy jest dobry? Jakie rodzaje są obecnie stosowane? I dlaczego ma to znaczenie? Niniejszy przewodnik zawiera szczegółowe informacje na ten temat.

Metal Powder 101

Po pierwsze, czym dokładnie jest proszek metalowy? Mówiąc najprościej, jest to drobny materiał metaliczny w postaci proszku wykorzystywany jako podstawowy surowiec do drukowania 3D komponentów metalowych.

Wiem, co możesz sobie myśleć... proszek metalowy brzmi bardziej jak eksperyment chemiczny niż materiał inżynieryjny! Ale wielkość i konsystencja cząstek nie jest tu przypadkowa. Proszki metali do AM są starannie opracowywane zgodnie ze ścisłymi specyfikacjami.

Daje to wydrukom integralność materiału potrzebną do tworzenia wytrzymałych części w świecie rzeczywistym. Rozszyfrujmy teraz krytyczne cechy, które wyróżniają wysokiej jakości proszki do drukowania metalu.

Produkcja addytywna Rodzaje proszków metali

Wiele metali i stopów można przekształcić w drobne, jednorodne proszki do produkcji addytywnej. Jednak tylko niektóre z nich znalazły do tej pory główne zastosowanie.

Oto zestawienie najpopularniejszych proszków metali stosowanych obecnie w druku 3D:

Materiał	Kluczowe właściwości
Tytan	Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi, biokompatybilność
Aluminium	Lekka, odporna na korozję
Stal nierdzewna	Wysoka wytrzymałość, odporność na korozję/gorąco
Chrom kobaltowy	Biokompatybilność, wysoka twardość
Stopy niklu	Odporne na wysoką temperaturę i korozję, ciągliwe
Stale narzędziowe	Możliwość obróbki cieplnej, wysoka twardość

Tytan i aluminium znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym, gdzie liczy się oszczędność wagi. Stal nierdzewna obejmuje szeroki zakres zastosowań wymagających dobrych właściwości fizycznych. Egzotyczne stopy, takie jak kobaltowo-chromowe i niklowe, pełnią specjalistyczne funkcje medyczne lub wysokotemperaturowe. Stale narzędziowe są idealne do produkcji oprzyrządowania przemysłowego, form i matryc wymagających wysokiej odporności na zużycie po obróbce cieplnej.

Teraz omówmy bardziej szczegółowo specyfikę metalurgii proszków!

Skład proszku metalu

Jak wspomniano wcześniej, proszki metali zawierają czyste metale nieszlachetne lub stopy metali w postaci bardzo drobnych, kulistych cząstek. A co ze składem cząstek? Ogólnie proszki dzielą się na następujące kategorie:

• Stopy wstępne: Jednorodne cząstki o jednolitym składzie chemicznym w każdym ziarnie proszku
• Stopy mieszane: Fizyczne mieszaniny różnych czystych proszków metali w określonych proporcjach w celu uzyskania pożądanego składu chemicznego po wydrukowaniu.
• Stopy hybrydowe: Cząsteczki zawierają pewne części jednego metalu lub stopu zmieszane z częściami innego składu w każdym ziarnie proszku

Stopy wstępne zapewniają spójność, ponieważ każda cząstka ma identyczne właściwości. Jednak mieszane stopy pozwalają na większą elastyczność w tworzeniu niestandardowych materiałów. W rzeczywistości większość stosowanych obecnie proszków do drukowania metali to stopy wstępne. Jednak proszki mieszane i hybrydowe dodają unikalne możliwości.

Kluczowe właściwości proszków metali

Przejdźmy teraz do mięsa i ziemniaków! Co dokładnie sprawia, że proszek metalowy nadaje się do druku 3D? Okazuje się, że właściwości proszku naprawdę mają znaczenie, niezależnie od tego, czy chodzi o syntezę w złożu proszkowym, czy o druk z ukierunkowanym osadzaniem energii. Oto najważniejsze z nich:

Wielkość cząstek: Surowy proszek metalowy zaczyna się od około 1-100 mikronów, a następnie jest dalej klasyfikowany do zakresów wielkości poniżej 45 mikronów w celu zapewnienia kompatybilności z AM. Typowe zakresy to 0-10, 10-45 lub 10-30 mikronów.

Kształt cząsteczki: Najlepiej drukują się kuliste, płynne cząstki, a nie postrzępione płatki. Proszki powinny wykazywać dobre tempo przepływu bez sklejania się.

Rozkład wielkości cząstek: Wąski rozkład z minimalnymi satelitami i drobinami zapewnia jednorodne wydruki. Normy wymagają krzywych gaussowskich z 95% pomiędzy wyznaczonymi najmniejszymi i największymi rozmiarami.

Gęstość pozorna: Wyższe gęstości powyżej 50% gęstości stałej materiału drukują się lepiej ze względu na fizykę złoża proszku. Wartości te wahają się od 30-80% w zależności od składu.

Gęstość kranu: Test mierzący zmianę gęstości pod wpływem wibracji. Wysoka gęstość powyżej 65% wskazuje na lepsze upakowanie i rozprowadzalność.

Natężenie przepływu: Kluczowy wskaźnik rozprowadzalności proszku w skali od 1 (bardzo spoisty) do 10 (sypki). Większość metalowych proszków AM mieści się w przedziale 3-6, przy czym wyższa wartość jest lepsza.

Istnieją bardziej zaawansowane wskaźniki, takie jak współczynnik Hausnera, wskaźnik Carra i gęstość Scotta, wykorzystywane do charakteryzowania przepływu i interakcji międzycząsteczkowych wpływających na jakość. Ale co możemy zrobić z tymi wszystkimi tajemniczymi statystykami proszku? Wyjaśnijmy następnie, w jaki sposób te właściwości przekładają się na lepsze drukowanie metalu w świecie rzeczywistym.

Dlaczego właściwości proszków metali mają znaczenie

Na pierwszy rzut oka znaczenie wszystkich tych cech granulowanego proszku może nie być oczywiste. W końcu, czy to nie nowe, błyszczące drukarki wykonują całą prawdziwą pracę?

Krótko mówiąc - proszek ma większe znaczenie niż mogłoby się wydawać! Oto dlaczego:

• Rozprzestrzenianie się proszku wewnątrz drukarek zależy od dynamiki przepływu i upakowania. Cząsteczki, które dobrze się rozprzestrzeniają i są gęsto upakowane, umożliwiają drukowanie cieńszych warstw, co przekłada się na większą dokładność i wykończenie powierzchni.
• Rozmiar cząstek ma bezpośredni wpływ na minimalną rozdzielczość. Mniejsze cząstki o wielkości około 10 mikronów lepiej radzą sobie ze skomplikowanymi szczegółami. Ultradrobne nanoproszki poniżej 1 mikrona mogą zapewnić niezwykle wysoką rozdzielczość.
• Jednolity rozkład wielkości cząstek zapobiega powstawaniu defektów, takich jak porowatość lub pękanie spowodowane segregacją cząstek, które zakłócają gęste wydruki.
• Sferyczne cząstki lepiej łączą się w warstwach druku, ponieważ są ciasno upakowane i topią się równomiernie po naświetleniu laserem lub wiązką elektronów podczas drukowania.
• Gęstość pozorna wskazuje, ile materiału stałego znajduje się w określonej objętości proszku. Wyższa gęstość oznacza większą rzeczywistą zawartość metalu podczas drukowania.

Innymi słowy, wysokiej jakości proszek przekłada się na wysokiej jakości wydruki! Zobaczmy teraz, jak faktycznie wytwarzane są proszki o właściwościach celowo dostosowanych do produkcji addytywnej.

Produkcja proszków metali

Przekształcanie surowców w precyzyjne sferyczne proszki o wielkości poniżej 45 mikronów jest sztuką i nauką samą w sobie. Specjalistyczne techniki produkcji proszków dla metalowego AM obejmują:

• Atomizacja gazu: Wydmuchiwanie strumienia stopionego metalu za pomocą gazu obojętnego pod wysokim ciśnieniem w celu rozbicia go na drobne kropelki, które zestalają się w proszek. Najpopularniejsza metoda dająca małe kuliste cząstki idealne do drukowania.
• Rozpylanie wody: Wykorzystanie strumienia wody do rozpylania stopionego metalu na proszek. Niższy koszt, ale ograniczony do materiałów reaktywnych, takich jak tytan lub aluminium.
• Atomizacja plazmowa: Wykorzystanie palnika plazmowego do atomizacji stopów o ekstremalnie wysokich temperaturach topnienia, wykraczających poza możliwości atomizacji gazowej.
• Topienie indukcyjne elektrod: Wielokrotne topienie i odparowywanie końca metalowego pręta w atmosferze obojętnej, co pozwala kroplom zestalić się w proszek. Tańsze źródło niszowych stopów.
• Zużycie mechaniczne: Fizyczne rozdrobnienie surowca metalowego do postaci proszku poprzez mielenie kulowe lub inne metody proszkowania. Najmniej preferowane ze względu na niesferyczne kształty cząstek.
• Elektroliza: Elektryczna ekstrakcja czystych metali reaktywnych, takich jak tytan, ze stopionych soli do postaci proszku. Źródło specjalistycznych reaktywnych proszków drukarskich.
• Redukcja chemiczna: Produkcja proszków metali, takich jak nikiel, poprzez reakcje chemiczne i wytrącanie z roztworów wodnych.

Poniższy wykres porównuje w skrócie każdą nowoczesną technikę produkcji proszku:

Metoda	Poziom kosztów	Materiały	Morfologia cząsteczek	Wspólne użytkowanie
Atomizacja gazu	Wysoki	Większość stopów	Kulisty	Główne proszki AM
Atomizacja wody	Niski	Ograniczone stopy	Nieregularny	Aplikacje niszowe
Atomizacja plazmowa	Bardzo wysoka	Metale reaktywne	Kulisty	Stopy lotnicze
Topienie elektrod	Niski/umiarkowany	Większość stopów	Kulisty	Stopy na zamówienie
Mechaniczny zanik	Niski	Dowolny metal	Flaky	Proszki Legacy
Elektroliza	Wysoki	Metale reaktywne	Zmienna	Proszki specjalne
Redukcja chemiczna	Umiarkowany	Niektóre czyste metale	Zmienna	Proszki niszowe

Mając już za sobą przegląd metod wytwarzania proszków, przyjrzyjmy się teraz krajobrazowi komercyjnych proszków metali zaprojektowanych specjalnie do produkcji addytywnej.

Dostawcy proszków metali

Wielu profesjonalnych dostawców oferuje obecnie coraz szerszą gamę specjalistycznych proszków metalowych AM. Jakość może się jednak znacznie różnić w zależności od dostawcy.

Oceniając źródła proszków metali, należy wziąć pod uwagę korzyści wykraczające poza podstawowe specyfikacje:

• Pionowo zintegrowana produkcja proszków we własnym zakresie w celu kontroli jakości
• Zakres dostępnych materiałów, w tym niestandardowe stopy
• Prace badawczo-rozwojowe nad nowymi stopami niedostępnymi gdzie indziej
• Skalowana niestandardowa produkcja seryjna a mieszanie na żądanie
• Usługi testowania proszków i możliwości pobierania próbek
• Opcje bezpiecznego przechowywania i transportu
• Programy odkupu lub recyklingu

Mając na uwadze te wskazówki dla kupujących, poniżej przedstawiamy wiodących globalnych dostawców profesjonalnych proszków metali dla AM:

Producent proszków metalowych	Oferowane materiały	Najważniejsze wydarzenia
AP&C	Tytan, tantal, niob, stopy	Aerospace focus, atomizacja plazmowa
Arconic	Aluminium, tytan, stopy niklu	Zintegrowany pionowo, szeroki zakres materiałów
Carpenter Additive	Stale nierdzewne, chrom kobaltowy, więcej	Stopy na zamówienie, wysoka jakość
Erasteel	Stale narzędziowe, stale nierdzewne	Różnorodne gatunki stali i obróbka
GE Additive	Tytan, aluminium, chrom kobaltowy i inne	Spinoff OEM, szerokie portfolio materiałów
Hoganas	Stale nierdzewne, stale narzędziowe	Doświadczenie branżowe, skala
Technologia LPW	Tytan, aluminium, nikiel i inne	Badania i rozwój proszków metali, testy jakości
Praxair	Stopy tytanu, niklu i kobaltu	Gaz przemysłowy i pozostałości proszku
Sandvik	Stale nierdzewne, nadstopy, więcej	Uznany lider w dziedzinie metali proszkowych

Po uwzględnieniu wiodących globalnych dostawców, pojawiają się również mniejsze butikowe wytwórnie proszków. Często koncentrują się one na bardzo niszowych stopach, wykorzystując specjalne techniki produkcji niedostępne u dużych dostawców.

Główne firmy zajmujące się materiałami, takie jak Aubert & Duval, GKN Powder Metallurgy, Rio Tinto Metal Powders i inne, również wspierają AM. Sprawdź również lokalnie, ponieważ regionalne sklepy rozwijają się. W łańcuchu dostaw proszków metali każdy znajdzie coś dla siebie!

Koszty proszku metalowego

Przeanalizowaliśmy szereg zaawansowanych proszków metalowych przeznaczonych do drukowania. Ale ile tak naprawdę kosztuje wysokiej jakości proszek AM? Oto przybliżone dane:

• Stal nierdzewna 316L: $50-120 za kg
• Aluminium AlSi10Mg: $70-150 za kg
• Tytan Ti64: $200-500 za kg
• Inconel 718: $80-220 za kg
• Chrom kobaltowy: $130-350 za kg
• Stal narzędziowa H13: $50-150 za kg

Oczywiście ceny rynkowe zmieniają się wraz z podażą i popytem. Należy jednak liczyć się z wyższą ceną za spójność druku w porównaniu z surowymi proszkami metali stosowanymi w tradycyjnej metalurgii proszków metodą prasowania i spiekania. Dostajesz to, za co płacisz!

Normy dotyczące proszków metali

Przy tak wielu krytycznych właściwościach proszku dla produkcji addytywnej, normy odgrywają ważną rolę. Grupy takie jak ASTM International, ISO i ASME publikują coraz większą listę specyfikacji proszków metali:

• ASTM F3049: Standardowe wytyczne dotyczące charakterystyki proszków metali stosowanych w AM
• ASTM F3056: Specyfikacja proszków stopów niklu do wytwarzania przyrostowego
• ASTM F3301: Specyfikacja proszków do wytwarzania przyrostowego stali nierdzewnej
• ISO/ASTM 52921: Standardowa terminologia fuzji w złożu proszkowym AM
• ISO/ASTM TS 52900: Produkcja addytywna - Zasady ogólne - Wymagania dotyczące zakupionych części AM
• ASME MSFC-Spec-3717: Specyfikacja proszku ze stopu tytanu rozpylanego gazowo

Dokumenty te zapewniają spójne metody testowania i kryteria akceptacji dla krytycznych właściwości proszku. Normy wciąż ewoluują, a na horyzoncie pojawia się coraz więcej materiałów i procesów. Jednak już teraz ustanawiają one podstawy jakości i spójności.

Przechowywanie i obsługa proszków metali

Proszki metaliczne mogą być reaktywne, więc właściwe przechowywanie i obchodzenie się z nimi zapobiega degradacji przed drukowaniem. Niektóre kluczowe środki obejmują:

• Przechowywać w szczelnie zamkniętych pojemnikach w atmosferze obojętnego argonu lub azotu.
• Używaj pojemników niereaktywnych, takich jak stal nierdzewna, a nie tworzywa sztuczne.
• Ograniczenie skrajnych temperatur podczas transportu i przechowywania
• Upewnij się, że kontenery mają mechanizmy uziemiające
• Unikaj WIDOCZNEJ wilgoci, która powoduje zbrylanie i utlenianie.
• Obsługa w atmosferach beztlenowych, takich jak komory rękawicowe
• Należy stosować środki kontroli zagrożeń, ponieważ proszki mogą zapalić się w kontakcie z powietrzem.

Sprzęt ochronny przeznaczony do konkretnych zadań, taki jak rękawice rozpraszające ładunki elektrostatyczne, odzież i maski, zapewnia bezpieczeństwo osobom obsługującym. Pomieszczenia lub kontenery zgodne z wymogami dotyczącymi niebezpiecznych materiałów produkcyjnych (HPM) zapewniają bezpieczne miejsca do przechowywania proszków przed załadowaniem drukarek.

Ostrożne traktowanie proszków metalowych zapewnia wysoki wskaźnik ponownego wykorzystania i mniej odpadów!

Recykling proszków metali

Ponowne wykorzystanie zużytego proszku po drukowaniu ma ogromne zalety ekonomiczne i środowiskowe. Systemy zbierania filtrują i mieszają zużyty proszek ze świeżymi zapasami, aby ponownie wprowadzić je do produkcji.

Ponieważ proszek metalowy stanowi do 30-50% kosztów części w AM, recykling zapewnia duże oszczędności. Niektóre najlepsze praktyki obejmują:

• Używaj zintegrowanych systemów próżniowych na drukarkach do zbierania nadmiaru aerozolu.
• Przesiać zużyty proszek w celu usunięcia dużych zanieczyszczeń, takich jak odpryski.
• Mieszanie proszku z recyklingu w kontrolowanych proporcjach z surowcami pierwotnymi
• Przeprowadzanie kontroli jakości mieszanek pochodzących z recyklingu pod kątem możliwości ich ponownego wykorzystania
• Zwróć uwagę na malejącą wydajność po wielu cyklach ponownego użycia.
• Uszlachetnianie chemiczne lub ponowna atomizacja zdegradowanego proszku w razie potrzeby

Jak produkcja addytywna W obliczu ciągłej ekspansji, recykling proszków metali ma kluczowe znaczenie dla rozwoju. Jest to kluczowy filar zrównoważonego rozwoju w branży druku 3D w przyszłości.

Przyszłość rozwoju proszków metali

Proszki metali umożliwiły rewolucję w druku 3D. Dalszy rozwój proszków będzie wspierał również aplikacje nowej generacji. Obszary, w których prowadzone są obecnie aktywne prace badawczo-rozwojowe obejmują:

• Nowe stopy: Nowa chemia rozszerza właściwości materiałów poza konwencjonalną metalurgię
• Nano proszki: Ultradrobne cząstki submikronowe zapewniające ekstremalną rozdzielczość
• Proszki hybrydowe: Mieszanki kompozytowe met/ceramika/polimer o ulepszonych właściwościach
• Modyfikacja proszku: Powłoki i obróbka dla lepszego przepływu lub reaktywności
• Charakterystyka: Ulepszona metrologia i testy kontroli jakości
• Recykling: Zwiększone możliwości ponownego wykorzystania i odzyskiwania

Od maleńkich startupów po największe firmy materiałowe, ogromne inwestycje wciąż ulepszają proszki AM. Oznacza to, że na horyzoncie pojawi się więcej aplikacji drukujących wykorzystujących te proszki!

FAQ

Jaka jest główna zaleta proszków metalowych AM w porównaniu z konwencjonalnymi proszkami metalowymi?

Proszki AM koncentrują się na takich cechach, jak kształt cząstek, rozkład wielkości i właściwości płynięcia, aby umożliwić drukowanie, a nie tylko skład do stosowania w prasach i spiekach.

W jaki sposób metalowe proszki AM są wytwarzane w postaci kulistej o wąskim rozkładzie wielkości?

Atomizacja gazowa i plazmowa stopionych stopów w dokładnie kontrolowanych warunkach zapewnia precyzyjną konsystencję cząstek.

Czy części metalowe wytwarzane addytywnie zawsze wymagają obróbki końcowej przed ich użyciem? Co się z tym wiąże?

Procesy końcowe, takie jak prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) i obróbka cieplna, zagęszczają wydruki i poprawiają właściwości mechaniczne poprzez modyfikację mikrostruktur. Często konieczne jest również wykończenie powierzchni.

Jakie są popularne proszki stopów metali stosowane w biomedycznych aplikacjach drukujących i dlaczego?

Proszki tytanowe i kobaltowo-chromowe są powszechne dzięki doskonałej biokompatybilności. Stal nierdzewna znajduje również zastosowanie tam, gdzie liczy się koszt, np. w narzędziach chirurgicznych.

Ile waży pojemnik zwykłego proszku do drukowania metali, takiego jak AlSi10Mg lub stal nierdzewna 316L? I w jaki sposób jest on wysyłany?

Kontenery zazwyczaj transportują ładunki o wadze 10-30 kg na paletach w atmosferze ochronnej, takiej jak argon. Małe próbki mogą być dostarczane w próżniowo zamkniętych workach. Należy jednak zawsze przestrzegać środków ostrożności!

poznaj więcej procesów druku 3D