Materiały do wytwarzania przyrostowego metali: Skład, właściwości, zastosowania

Produkcja addytywna, znany również jako druk 3D, rewolucjonizuje produkcję w różnych branżach, od lotnictwa i kosmonautyki po urządzenia medyczne. Jednym z kluczowych obszarów rozwoju jest druk 3D w metalu, który umożliwia tworzenie złożonych części metalowych bezpośrednio z modeli 3D CAD bez konieczności stosowania drogich narzędzi lub form.

Produkcja addytywna metali wymaga specjalistycznego sprzętu i materiałów, aby osiągnąć ekstremalne temperatury potrzebne do stopienia i stopienia proszków metali w stałe obiekty. Najpopularniejsze stosowane obecnie technologie druku 3D z metalu to stapianie proszków, ukierunkowane osadzanie energii, rozpylanie spoiwa i laminowanie arkuszy.

Właściwości materiałowe części wytwarzanych za pomocą druku 3D z metalu zależą w dużej mierze od składu i właściwości zastosowanych proszków i stopów metali. Niniejszy artykuł zawiera przegląd najpopularniejszych materiałów do produkcji dodatków metalowych, ich właściwości, zastosowań i dostawców.

Rodzaje materiałów do wytwarzania przyrostowego metali

Dostępna jest szeroka gama stopów metali do druku 3D opartego na proszkach. Do najczęściej stosowanych należą:

Te materiały bazowe mogą być mieszane i stopowane w różnych kombinacjach w celu uzyskania określonych właściwości materiałowych potrzebnych do różnych zastosowań.

Właściwości materiałów do wytwarzania przyrostowego metali

Kluczowe właściwości proszków metali stosowanych w produkcji addytywnej obejmują:

Rozkład wielkości cząstek

• Wielkość cząstek proszku wynosi zazwyczaj 15-45 mikronów w przypadku fuzji w złożu proszkowym.
• Mniejsze cząstki <15 mikronów poprawiają gęstość, ale zmniejszają płynność.
• Większe cząstki >45 mikronów zmniejszają precyzję i wykończenie powierzchni.
• Jednolity rozkład wielkości zapewnia optymalną gęstość upakowania.

Morfologia i kształt

• Sferyczny kształt proszku umożliwia płynny przepływ i pakowanie.
• Nieregularne kształty mogą powodować słabą gęstość nasypową i jednorodność złoża proszku.

Płynność

• Proszki muszą rozprowadzać się równomiernie po łożu proszkowym, aby uzyskać jednolite warstwy.
• Płynność określona przez kształt, rozkład wielkości, teksturę powierzchni.
• W celu poprawy przepływu proszku można dodać środki poprawiające przepływ.

Gęstość

• Wyższa gęstość upakowania proszku prowadzi do zmniejszenia porowatości drukowanych części.
• Gęstość pozorna stanowi zazwyczaj 40-60% rzeczywistej gęstości ciała stałego.
• Gęstość stuknięć wskazuje przepływ i wydajność pakowania.

Czystość

• Wysoka czystość redukuje defekty i zanieczyszczenia.
• Poziom tlenu i azotu utrzymywany poniżej 100 ppm.
• Minimalne satelity (małe cząsteczki przyczepione do większych).

Zawartość wilgoci

• Wilgoć może powodować zbrylanie się proszku i zmniejszać przepływ.
• Zawartość wilgoci utrzymywana poniżej 0,02% wagowo.
• Proszki przechowywane w próżni lub atmosferze gazu obojętnego.

Oprócz właściwości proszku, skład i mikrostruktura stopów metali luzem nadają częściom AM istotne właściwości użytkowe:

Siła

• Granica plastyczności od 500 MPa do ponad 1 GPa w zależności od stopu.
• Obróbka cieplna może zwiększyć wytrzymałość poprzez utwardzanie wydzieleniowe.

Twardość

• Twardość Vickersa od 150 HV do ponad 400 HV.
• Twardość można dostosować lokalnie poprzez obróbkę cieplną.

Gęstość

• Możliwe jest osiągnięcie niemal pełnej gęstości >99%.
• Porowatość resztkowa zależy od parametrów procesu.

Wykończenie powierzchni

• Powierzchnia po wydrukowaniu jest szorstka 10-25 mikronów Ra.
• Obróbka, szlifowanie, polerowanie wymagane do precyzyjnego wykończenia.

Odporność na zmęczenie

• Porównywalne z materiałami kutymi, ale anizotropowe.
• Zależy od orientacji kompilacji, wad wewnętrznych.

Odporność na korozję

• Różni się znacznie w zależności od składu stopu, od niskiego do bardzo wysokiego.

Właściwości termiczne

• Przewodność i współczynniki rozszerzalności zbliżone do stopów kutych.
• W zależności od orientacji budowy ze względu na mikrostrukturę.

Rezystywność elektryczna

• W ramach 10-20% materiałów kutych.
• Wyższa porowatość zwiększa rezystywność.

Wybierając zoptymalizowane proszki i stopy, technologia AM umożliwia wytwarzanie gęstych części o właściwościach mechanicznych porównywalnych w wielu przypadkach z tradycyjną produkcją. Właściwości pozostają jednak anizotropowe w zależności od kierunku formowania.

Zastosowania materiałów do wytwarzania przyrostowego metali

Kluczowe zastosowania wykorzystujące produkcję addytywną metali obejmują:

Aerospace: Złożone komponenty silników odrzutowych, rakiet i pojazdów hipersonicznych. Zmniejszona waga, zwiększona wydajność.

Medyczne: Niestandardowe implanty ortopedyczne, protezy, narzędzia chirurgiczne. Biokompatybilne metale dostosowane do anatomii.

Motoryzacja: Lekkie komponenty, części o wysokiej wydajności, oprzyrządowanie. Zwiększona wytrzymałość i integracja funkcjonalna.

Przemysłowe: Końcowe części produkcyjne do pomp, sprężarek, silników. Krótszy czas realizacji i mniejsze zapasy.

Konsument: Biżuteria, akcesoria modowe, małe gadżety. Unikalne geometrie o wysokiej wartości.

Obrona: Wytrzymałe części do użytku w terenie, sprzęt ochronny, uzbrojenie. Produkcja na żądanie.

Produkcja form: Konforemne kanały chłodzące zapewniają wyższą produktywność. Bezpośrednie drukowanie oprzyrządowania formy.

Energia: Komponenty olejowe/gazowe są odporne na korozję i sprawdzają się w ekstremalnych warunkach.

Doskonałe właściwości mechaniczne, dokładność i swoboda projektowania zapewniane przez technologię AM sprawiają, że jest ona cenna dla prototypów, narzędzi i końcowych części produkcyjnych w wielu branżach.

Możliwości procesu wytwarzania przyrostowego metali

Różne procesy druku 3D z metalu mają różne możliwości pod względem kompatybilnych materiałów, rozmiarów części, dokładności, wykończenia powierzchni i nie tylko:

Fuzja złoża proszkowego oferuje najlepszą dokładność i wykończenie powierzchni, ale wolniejsze prędkości. Ukierunkowane osadzanie energii umożliwia szybkie tworzenie dużych części o kształcie zbliżonym do siatki, ale z mniejszą precyzją. Rozpylanie spoiwa jest szybszy, ale wymaga infiltracji dla pełnej gęstości. Laminowanie arkuszy jest ograniczona do cieńszych sekcji.

Optymalny proces zależy od wymagań aplikacji - należy go wybrać w oparciu o rozmiar części, opcje materiałowe, dokładność, szybkość i potrzeby związane z obróbką końcową.

Popularne systemy stopów do wytwarzania przyrostowego metali

Oto niektóre z najpopularniejszych systemów stopów metali stosowanych w produkcji addytywnej wraz z ich kluczowymi cechami:

Stale nierdzewne

Stopy aluminium

Stopy tytanu

Stopy niklu

Stopy kobaltowo-chromowe

Wybierając optymalny stop do wymagań aplikacji, produkcja addytywna umożliwia drukowanie 3D na żądanie wysokowydajnych części metalowych.

Popularne gatunki proszków metali do produkcji addytywnej

Większość głównych dostawców proszków metali zapewnia obecnie zoptymalizowane gatunki proszków specjalnie do produkcji addytywnej. Oto niektóre z najczęściej używanych gatunków:

Proszki ze stali nierdzewnej

Proszki ze stopów aluminium

Proszki ze stopów tytanu

Proszki stopów niklu

Proszki stopów kobaltowo-chromowych

Te zoptymalizowane gatunki proszków zapewniają wysoką jakość i powtarzalną wydajność w produkcji przyrostowej metali w zakresie popularnych stopów lotniczych, medycznych i przemysłowych.

Koszty proszku do wytwarzania przyrostowego metali

Koszty proszków metali dla AM mogą się znacznie różnić w zależności od składu stopu, czystości, rozkładu wielkości cząstek, dostawcy i wielkości zakupu:

Koszt proszku stanowi znaczną część całkowitego kosztu części w technologii AM. Branże stosujące AM obejmują przemysł lotniczy, medyczny, motoryzacyjny oraz naftowy i gazowy, w których stopy o wysokiej wartości uzasadniają koszty. Wraz ze wzrostem ilości, ceny spadają. Ponowne wykorzystanie zużytego proszku za pomocą systemów odzyskiwania proszku również pomaga obniżyć ogólne koszty części.

Obróbka końcowa wytwarzania przyrostowego metali

Większość procesów AM metalu wytwarza części o szorstkim wykończeniu powierzchni i pewnej wewnętrznej porowatości. Zazwyczaj wymagana jest dodatkowa obróbka końcowa:

• Usuwanie z płyty montażowej - Cięcie, szlifowanie lub elektrodrążenie drutowe w celu usunięcia podpór i oddzielenia części.
• Wykończenie powierzchni - Obróbka skrawaniem, szlifowanie, polerowanie, śrutowanie w celu poprawy wykończenia powierzchni.
• Łagodzenie stresu - Obróbka cieplna w celu zmniejszenia naprężeń szczątkowych powstałych podczas budowy AM.
• Prasowanie izostatyczne na gorąco - Wysokie ciśnienie eliminuje wewnętrzne puste przestrzenie i zwiększa gęstość.
• Obróbka cieplna - Utwardzanie wydzieleniowe, starzenie w celu poprawy właściwości mechanicznych.
• Powłoki - W razie potrzeby nałożyć powłoki funkcjonalne zapewniające odporność na zużycie/korozję.

Dzięki odpowiedniej obróbce końcowej metalowe części AM mogą osiągnąć niezwykle wysoką gęstość i precyzyjne wykończenie powierzchni porównywalne z tradycyjnie wytwarzanymi komponentami metalowymi.

Wytyczne projektowe dotyczące wytwarzania przyrostowego metali

Aby w pełni wykorzystać zalety technologii AM i uniknąć potencjalnych pułapek, zaleca się przestrzeganie wytycznych projektowych:

• Minimalizacja zwisających konstrukcji wymagających podpór
• Ukierunkowanie części w celu zmniejszenia efektu schodkowego wykończenia powierzchni
• Zastosowanie cienkich ścian i kratownic w celu zmniejszenia masy i zużycia materiałów
• Konsolidacja zespołów w pojedyncze, złożone części
• Konforemne kanały chłodzące i bioniczne konstrukcje
• Zaprojektuj wewnętrzne kanały i puste przestrzenie tak, aby były samonośne
• Otwory dostępowe dla obszarów niesproszkowanych
• Uwzględnienie właściwości anizotropowych w oparciu o orientację kompilacji
• Projektowanie dużych zaokrągleń i promieni w narożnikach

Przyjmując podejście "design for AM", inżynierowie mogą w pełni wykorzystać te innowacyjne możliwości.

Przyszłość wytwarzania przyrostowego metali

Produkcja addytywna metali przeszła długą drogę pod względem materiałów, procesów, zastosowań i adopcji. Nadal jednak istnieją znaczne możliwości poprawy szybkości, kosztów, jakości i opcji materiałowych.

Producenci sprzętu opracowują większe koperty produkcyjne i systemy wielolaserowe w celu zwiększenia produktywności. Monitorowanie w pętli zamkniętej i zaawansowane systemy kontroli jakości pomogą zwiększyć spójność i niezawodność.

Dostawcy materiałów koncentrują się na kwalifikowaniu większej liczby stopów zoptymalizowanych pod kątem AM, w tym materiałów o wyższej temperaturze, takich jak nadstopy niklu, stale narzędziowe, metale ogniotrwałe. Funkcjonalnie stopniowane i kompozytowe proszki metali zapewnią większe możliwości dostrajania właściwości.

Oprogramowanie Postępy w zakresie projektowania, symulacji, optymalizacji, uczenia maszynowego i automatyzacji sprawią, że technologia AM stanie się bardziej dostępna dla szerszego grona odbiorców. Łączność systemowa i cyfrowe podejście do produkcji pozwolą na bardziej rozproszoną i zwinną produkcję.

Zastosowania będzie nadal szybko rosnąć w przemyśle lotniczym w zakresie silników i elementów konstrukcyjnych. Wraz ze spadkiem kosztów przyspieszy również przyjęcie w branży motoryzacyjnej, naftowej i gazowej, urządzeń medycznych i elektroniki użytkowej. Szybka produkcja i masowa personalizacja staną się rzeczywistością.

To ekscytujący czas w branży metalowej AM, ponieważ nowi gracze i nowatorskie innowacje wchodzą na ten szybko rozwijający się rynek, którego wartość szacuje się na ponad $15 miliardów do 2028 roku.

Wytwarzanie przyrostowe metali - FAQ

Poniżej znajdują się odpowiedzi na najczęściej zadawane pytania dotyczące materiałów i procesów wytwarzania przyrostowego metali:

Jakie rodzaje metali można drukować w 3D?

Większość głównych stopów przemysłowych nadaje się do druku, w tym stale nierdzewne, aluminium, tytan, nikiel, kobalt, chrom, stale narzędziowe, metale szlachetne, takie jak złoto i srebro oraz stopy miedzi. Stale kwalifikowane są nowe stopy.

Jaką dokładność i wykończenie można osiągnąć?

Dokładność wymiarowa wynosi zwykle około ±0,1-0,3% z tolerancjami ±0,1-0,2 mm. Wykończenie powierzchni po wydrukowaniu jest szorstkie i wynosi 10-25 μm Ra, ale można je znacznie poprawić poprzez obróbkę i polerowanie.

Jak właściwości materiału wypadają w porównaniu z tradycyjną produkcją?

Mikrostruktura i właściwości większości części addytywnych są porównywalne z formami materiałów odlewanych lub kutych. Właściwości mechaniczne spełniają lub przekraczają normy dla materiałów takich jak tytan i stopy niklu klasy lotniczej.

W jaki sposób części są przetwarzane po wydrukowaniu 3D?

Obróbka końcowa obejmuje usuwanie podpór, odprężanie, operacje wykańczania powierzchni, takie jak obróbka CNC, szlifowanie i polerowanie, a także wszelką wymaganą obróbkę cieplną. Niektóre krytyczne zastosowania mogą wymagać prasowania izostatycznego na gorąco (HIP) w celu wyeliminowania wewnętrznych pustek i zwiększenia gęstości.

Jakie są kluczowe zasady projektowania metalowych części AM?

Wytyczne projektowe obejmują minimalizację zwisów, optymalizację orientacji konstrukcji, włączenie kratownic i struktur wewnętrznych, stosowanie cienkich ścian i konsolidację zespołów. Wydajność można zwiększyć dzięki bionicznym i konformalnym konstrukcjom chłodzącym.