proszki metali do druku 3D

Proszki metali są krytycznym surowcem dla produkcji dodatkowej z wykorzystaniem technologii łączenia w warstwie proszku. Niniejszy przewodnik zawiera przegląd różnych proszków metali stosowanych w procesach druku 3D, takich jak selektywne topienie laserowe (SLM) i topienie wiązką elektronów (EBM).

Wprowadzenie do proszków metali do AM

Proszki metali umożliwiają drukowanie złożonych, wysokowydajnych części metalowych z wykorzystaniem produkcji dodatkowej.

Użyte materiały:

• Stale nierdzewne
• Stale narzędziowe
• Stopy kobaltowo-chromowe
• Tytan i stopy tytanu
• Stopy aluminium
• Nadstopy niklu
• Stopy miedzi

Kluczowe właściwości proszku:

• Chemia – Czystość i skład
• Kształt i morfologia cząstek
• Rozkład wielkości cząstek
• Gęstość pozorna i gęstość kranowa
• Płynność
• Ponowne użycie proszku

Metody produkcji proszku:

• Atomizacja gazu
• Rozpylanie wody
• Atomizacja plazmowa
• Topienie indukcyjne elektrod
• Proces karbonylowy
• Stopy mechaniczne

Proszki ze stali nierdzewnej

Proszki ze stali nierdzewnej są powszechnie stosowane do drukowania części odpornych na korozję:

Rodzaje stopów:

• Stale austenityczne, takie jak 316L, 304L
• Stale martenzytyczne, takie jak 17-4PH
• Stale duplex, takie jak 2205
• Utwardzanie wydzieleniowe, takie jak 17-4PH, 15-5PH

Charakterystyka:

• Wysoka odporność na korozję i utlenianie
• Dobra wytrzymałość i ciągliwość
• Mniej podatne na pękanie niż stale wysokostopowe
• Krytyczne parametry, takie jak atmosfera budowy

Zastosowania:

• Części dla przemysłu chemicznego i przetwórczego
• Komponenty morskie
• Implanty i urządzenia medyczne
• Części dla przemysłu spożywczego/farmaceutycznego wymagające higieny

Dostawcy: Carpenter, Sandvik, Praxair, Höganäs, LPW Technology

Proszki stali narzędziowej

Stale narzędziowe, takie jak H13, są idealne do drukowania części odpornych na zużycie i o wysokiej twardości:

Rodzaje stopów:

• Stale odporne na wstrząsy, takie jak S7
• Stale do pracy na zimno, takie jak D2
• Stale do pracy na gorąco, takie jak H13, H11
• Stale szybkotnące, takie jak M2

Charakterystyka:

• Doskonała twardość do 60 HRC
• Wysoka odporność na zużycie
• Dobra wytrzymałość i odporność na zmęczenie cieplne
• Wymagają wyżarzania roztwórczego w wysokiej temperaturze

Zastosowania:

• Matryce i formy do kształtowania metali
• Narzędzia tnące i wiertła
• Części zużywające się i łożyska
• Narzędzia wysokotemperaturowe

Dostawcy: Sandvik, Erasteel, LPW Technology, Tekna Plasma Systems

Stopy kobaltowo-chromowe

Proszki kobaltowo-chromowe drukują biokompatybilne implanty i odbudowy dentystyczne:

Rodzaje stopów:

• CoCrMo, takie jak Co-28Cr-6Mo
• CoNiCrMo, takie jak Co-35Ni-20Cr-10Mo
• CoCr, takie jak Co-67Cr-28Fe

Charakterystyka:

• Doskonała biokompatybilność i odporność na korozję
• Wysoka wytrzymałość i twardość
• Odporność na zużycie dla przegubów
• Trudna drukowalność i tendencja do pękania

Zastosowania:

• Korony, mosty i korony dentystyczne
• Ortopedyczne implanty kolan i bioder
• Urządzenia mocujące, takie jak płytki czaszkowe
• Sprzęt do fuzji kręgosłupa

Dostawcy: SLM Solutions, Carpenter, Arcam EBM

Proszki tytanowe

Proszki tytanu tworzą mocne, lekkie części drukowane:

Rodzaje stopów:

• Niestopowy tytan, taki jak Ti Grade 1-4
• Stop Ti-6Al-4V
• Stop Ti-6Al-7Nb
• Inne stopy alfa + beta

Charakterystyka:

• Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi
• Doskonała odporność na korozję
• Dobre właściwości wysokotemperaturowe
• Niska gęstość – 4,5 g/cm3
• Reaktywny i wymaga obojętnej atmosfery

Zastosowania:

• Komponenty lotnicze i sportów motorowych
• Implanty medyczne i protetyka
• Części dla przemysłu spożywczego/chemicznego
• Części samochodowe

Dostawcy: AP&C, Tekna, Carpenter Additive

Stopy aluminium

Proszki aluminiowe drukują lekkie części konstrukcyjne lub funkcjonalne:

Rodzaje stopów:

• AlSi10Mg
• AlSi7Mg
• AlSi12
• Scalmalloy® i inne stopy Al

Charakterystyka:

• Niska gęstość – 2,7 g/cm3
• Dobra wytrzymałość i sztywność
• Doskonała przewodność cieplna
• Podatne na pękanie i naprężenia resztkowe

Zastosowania:

• Komponenty motoryzacyjne i sportów motorowych
• Zastosowania lotnicze i kosmiczne
• Wymienniki ciepła
• Sprzęt medyczny, taki jak odlewy

Dostawcy: AP&C, Sandvik, LPW Technology, ECKA Granules

Nadstopy niklu

Stopy niklu, takie jak Inconel 718, drukują części wysokotemperaturowe:

Rodzaje stopów:

• Inconel 718
• Inconel 625
• Waspaloy
• Hastelloy X

Charakterystyka:

• Doskonała wytrzymałość w wysokich temperaturach
• Dobra odporność na korozję i pełzanie
• Zdolność do pracy pod obciążeniem w wysokich temperaturach
• Trudne w obróbce i podatne na pękanie

Zastosowania:

• Łopatki turbiny
• Części komory spalania
• Elementy statku kosmicznego
• Części dla przemysłu jądrowego/chemicznego

Dostawcy: Praxair, Carpenter Additive, GE Additive

Stopy miedzi

Stopy miedzi, takie jak CuCrZr, drukują części o wysokiej przewodności:

Rodzaje stopów:

• Miedź-chrom, taka jak CuCr1Zr
• Miedź-nikiel, taka jak CuNi2SiCr
• Brązy, takie jak CuSn10

Charakterystyka:

• Doskonała przewodność cieplna i elektryczna
• Dobra odporność na korozję
• Właściwość antybakteryjna
• Niższe wytrzymałości niż stale i stopy Ni

Zastosowania:

• Komponenty elektryczne, takie jak szyny zbiorcze
• Wymienniki ciepła i radiatory
• Falowody i komponenty RF
• Instrumenty medyczne i mocowania

Dostawcy: Sandvik, LPW Technology, Metalysis

Specyfikacja techniczna

Typowe specyfikacje proszków metali stosowanych w AM:

Parametr	Typowe wartości	Normy testowe
Wielkość cząstek	10 - 45 μm	ASTM B214
Kształt cząsteczki	Kulisty	ISO 13322-2
Natężenie przepływu	25 - 35 s/50g	ASTM B213
Gęstość pozorna	2 - 5 g/cc	ASTM B212
Gęstość kranu	4 - 8 g/cc	ASTM B527
Tlen resztkowy	< 300 ppm	Metoda wewnętrzna
Azot resztkowy	< 50 ppm	Metoda wewnętrzna
Węgiel resztkowy	< 30 ppm	ASTM E1019

Metody produkcji proszków

1. Atomizacja gazu

• Wysoce sferyczny proszek
• Małe rozmiary cząstek 5-100 μm
• Stosowana do stopów reaktywnych, takich jak tytan

2. Atomizacja wody

• Nieregularny kształt proszku
• Większe cząstki do 300 μm
• Tańszy proces

3. Atomizacja plazmowa

• Kontrolowane kształty cząstek
• Rozmiary od submikronowych do 150 μm
• Proszek o wysokiej czystości

4. Mieszanie mechaniczne

• Mieszanie i mielenie pierwiastków
• Opłacalne dla stopów niestandardowych
• Duże rozmiary cząstek

Dostawcy i ceny

Dostawca	Materiały	Zakres cen
Technologia LPW	Stale narzędziowe, stale nierdzewne	$50 - $120/kg
AP&C	Stopy tytanu, stopy Al	70–450 USD/kg
Sandvik	Stale nierdzewne, stopy Ni	45–250 USD/kg
Praxair	Superstopy, tytan	150–600 USD/kg
Carpenter Additive	Stale narzędziowe, CoCr, stal nierdzewna	$80 - $300/kg

• Proszki ze stali nierdzewnej kosztują 45–120 USD za kg
• Proszki ze stopów tytanu kosztują 150–450 USD za kg
• Superstopy i stale narzędziowe kosztują 250–600 USD za kg

Ceny zależą od stopu, jakości, wielkości partii i umów kupna.

Obsługa i przechowywanie proszku

Aby zapobiec zanieczyszczeniu, krytyczna jest właściwa obsługa proszku:

• Używaj dedykowanych obszarów przesiewania proszku
• Zapewnij skrzynie rękawicowe i zasobniki z obojętną atmosferą
• Używaj pojemników przewodzących w celu rozpraszania ładunków elektrostatycznych
• Uziemiaj cały sprzęt i pojemniki transportowe
• Unikaj kontaktu z olejem, wodą lub tlenem
• Przechowuj proszek w szczelnych pojemnikach pod gazem obojętnym
• Kontroluj temperaturę i wilgotność podczas przechowywania
• Podczas obsługi przestrzegaj środków ostrożności, takich jak środki ochrony indywidualnej

Właściwe przechowywanie wydłuża okres ponownego użycia proszku.

Przesiewanie proszków

Przesiewanie zapewnia spójne rozmiary cząstek:

Korzyści:

• Usuwa cząstki satelitarne, które powodują wady
• Rozbija aglomeraty
• Poprawia przepływ i gęstość upakowania
• Zmniejsza problemy z recyklingiem
• Usuwa zanieczyszczenia obce

Procedura:

• Przesiewaj proszek przy użyciu rozmiarów oczek od 20 do 63 μm
• Przesiewaj przy użyciu przesiewania obrotowego lub wibracyjnego
• Przeprowadzaj przesiewanie w obojętnej atmosferze
• Dokumentuj pozostałą procentową masę proszku

Przesiewanie poprawia jakość części, zapewniając idealną rozsypywalność proszku.

Instalacja i uruchomienie

Instalacja drukarki AM do metalu z systemem proszkowym obejmuje:

• Czyszczenie powierzchni sprzętu w celu uniknięcia zanieczyszczeń
• Test szczelności połączeń gazu obojętnego
• Sprawdzanie mocy lasera lub wiązki elektronów
• Ładowanie i testowanie systemu ponownego powlekania proszkiem
• Integracja chłodziarki, wyciągu i połączeń serwisowych
• Instalacja czujników monitorujących i bezpieczeństwa
• Weryfikacja systemów przesiewania i obsługi proszku
• Kalibracja poziomowania płyty konstrukcyjnej
• Testowanie drukowania części próbnych i walidacja jakości

Dostawcy zapewniają wsparcie w zakresie instalacji i uruchomienia.

Eksploatacja i najlepsze praktyki

Wytyczne dotyczące obsługi drukarki:

• Przeprowadzaj regularne testy szczelności i czystości gazu obojętnego
• Wstępnie kondycjonuj proszek, aby zapewnić spójną teksturę
• Dostosuj grubość warstwy i parametry lasera dla nowych materiałów
• Uważnie monitoruj basen topnienia i kontroluj temperaturę części
• Sprawdzaj krytyczne wymiary za pomocą wydruków testowych
• Monitoruj stan proszku i używaj go ponownie tylko zgodnie z zaleceniami
• Przeprowadzaj regularną konserwację optyki, systemu dostarczania wiązki i mechanizmu ponownego powlekania proszkiem

Bezpieczeństwo personelu:

• Używaj odpowiednich środków ochrony indywidualnej, takich jak respiratory i rękawice
• Unikaj kontaktu z reaktywnymi drobnymi proszkami metali
• Odpowiednio obchodź się z odpadami proszkowymi w obojętnej atmosferze

Część przetwarzania końcowego:

• Używaj odpowiednich temperatur obróbki cieplnej roztworu i starzenia, dostosowanych do stopu i zastosowania
• Kontroluj prędkości narastania podczas obróbki termicznej, aby złagodzić naprężenia
• W razie potrzeby używaj prasowania izostatycznego na gorąco do złożonych części, aby poprawić gęstość
• Zastosuj kroki wykańczania, takie jak obróbka CNC i polerowanie

Konserwacja i inspekcja

Regularne czynności konserwacyjne:

Codziennie:

• Sprawdzaj optykę, taką jak lustra, soczewki, okna pod kątem uszkodzeń
• Wyczyść komorę budowlaną i system obsługi proszku
• Sprawdzaj poziom gazu obojętnego i w razie potrzeby uzupełniaj
• Przetestuj mechanizm sita i powlekarkę proszkową

Co tydzień:

• Kalibruj czujniki i aparaturę pomiarową
• Sprawdzaj elementy mocujące, zaciski elektryczne i uziemienie
• Smaruj i sprawdzaj ruchome części, takie jak silniki i napędy
• Monitoruj filtry pod kątem wymiany

Miesięcznie:

• Test szczelności systemu gazu obojętnego przy użyciu helu
• Sprawdzaj urządzenia zabezpieczające, takie jak czujniki dymu
• Sprawdzaj stan systemu CHP

Rocznie:

• Zaplanuj konserwację zapobiegawczą u dostawcy sprzętu
• Kalibruj miernik mocy lasera
• Wymieniaj filtry i elementy eksploatacyjne

Konserwacja zgodnie z wytycznymi dostawcy jest wymagana do utrzymania jakości części i stanu sprzętu.

Wybór odpowiedniego systemu drukowania metali

Czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze maszyny AM do metali:

1. Wymagania produkcyjne

• Rodzaj komponentów, które mają być produkowane
• Materiał potrzebny w oparciu o właściwości części
• Wymagania dotyczące wielkości produkcji
• Wymagana dokładność i wykończenie powierzchni

2. Specyfikacja drukarki

• Obsługiwane materiały i parametry
• Rozmiar i prędkość budowy
• Precyzja i powtarzalność
• Zarządzanie obojętną atmosferą
• Funkcje automatyzacji i sterowania

3. System obsługi proszków

• System zintegrowany lub samodzielny
• Możliwości przesiewania, podawania, przechowywania i ponownego użycia
• Utrzymywanie materiałów reaktywnych, takich jak tytan
• Funkcje monitorowania w celu uniknięcia zanieczyszczeń

4. Zgodność z normami

• Standardy branżowe, takie jak ASTM F3301
• Certyfikaty jakości producenta
• Zgodność ze standardami bezpieczeństwa

5. Poświadczenia dostawcy

• Udowodniona historia w branży AM
• Lokalna sprzedaż i możliwości wsparcia technicznego
• Oferowane umowy serwisowe i usługi
• Plany szkolenia operatorów
• Całkowity koszt posiadania

Dokładna analiza wymagań i porównania ofert maszyn przy użyciu tych kryteriów skutkuje wyborem idealnego systemu drukowania 3D metalu dostosowanego do potrzeb produkcyjnych.

Zalety i wady metalu AM

Zalety:

• Wysoka złożoność geometryczna wydrukowana z łatwością
• Krótszy czas do uzyskania funkcjonalnych części
• Zmniejszona ilość odpadów w porównaniu z procesami subtraktywnymi
• Produkcja w jednym ustawieniu bezpośrednio z CAD
• Potencjał odchudzania i konsolidacji części
• Poprawa wydajności dzięki stopom inżynieryjnym
• Możliwości dostosowywania i masowego dostosowywania

Wady:

• Wysokie koszty maszyn i materiałów
• Wymagane dodatkowe etapy obróbki końcowej
• Ograniczony rozmiar w oparciu o komorę budowlaną
• Kontrola wad wewnętrznych może stanowić wyzwanie
• Właściwości materiału mogą się różnić w porównaniu z kutymi
• Ograniczenia wykończenia powierzchni mogą wymagać wykończenia
• Wymagania dotyczące szkolenia i wiedzy specjalistycznej

Rozwiązywanie typowych problemów z metalem AM

Wada	Możliwe przyczyny	Działania naprawcze
Porowatość	Niewłaściwe parametry procesu	Zoptymalizuj moc lasera, prędkość, odstępy między kreskami
	Zanieczyszczenie proszku	Używaj świeżego przesiewanego proszku, popraw obsługę proszku
	Niewystarczające zachodzenie na siebie ścieżek skanowania	Dostosuj rozmiar i zachodzenie na siebie wiązki
Pękanie	Nadmierne naprężenia termiczne	Zoptymalizuj podgrzewanie wstępne, kontroluj szybkość chłodzenia za pomocą grzejników
	Materiał podatny na pękanie	Zmień orientację, aby zmniejszyć naprężenia
	Zanieczyszczenie z atmosfery budowlanej	Zapewnij wysoką czystość obojętnej atmosfery
Wypaczenie	Nierównomierne ogrzewanie lub chłodzenie	Zoptymalizuj wzorce skanowania i przytrzymaj część na płycie konstrukcyjnej
Słabe wykończenie powierzchni	Temperatura części zbyt niska	Zwiększ temperaturę podgrzewania wstępnego
	Niewłaściwa płynność basenu topnienia	Dostosuj moc i inne parametry
	Zanieczyszczony proszek	Używaj świeżego proszku i popraw obsługę

Najczęściej zadawane pytania

P: Jakich proszków ze stopów metali można używać do AM?

O: Stale nierdzewne, stale narzędziowe, stopy tytanu, super stopy niklu, stopy aluminium, chrom-kobalt i stopy miedzi są powszechne.

P: Jaki jest typowy zakres rozmiarów cząstek proszku?

O: W przypadku procesów PBF-LB/M powszechne jest 10-45 mikronów, z węższym rozkładem w zakresie 20-45 μm.

P: Jak długo mogą wytrzymać proszki metali?

O: Przy idealnym przechowywaniu w argonie wiele stopów wytrzymuje 1-2 lata. Okres ponownego użycia jest krótszy – 20-100 wydruków w oparciu o stop.

P: Jakie etapy obróbki końcowej są wymagane w przypadku części metalowych AM?

O: Często wymagane jest usuwanie podpór, obróbka cieplna, wykończenie powierzchni, takie jak obróbka CNC, polerowanie i powlekanie.

P: Jak obchodzi się z reaktywnymi proszkami metali, takimi jak tytan i aluminium?

O: Potrzebna jest specjalistyczna obsługa proszku w obojętnej atmosferze argonu, aby zapobiec pobieraniu tlenu.

P: Jakie są typowe zagrożenia związane z zanieczyszczeniem proszku?

O: Narażenie na atmosferę prowadzące do pobierania tlenu lub azotu. Cząstki metaliczne z obróbki skrawaniem lub zużycia. Olej i wilgoć.

P: Jakie standardy są stosowane do kwalifikowania proszków metali?

O: ASTM B214, ASTM B812, ASTM F3049, ASTM F3301 i standardy MPIF.

P: Dlaczego przesiewanie proszku jest ważne?

O: Rozbija aglomeraty, usuwa satelity i zapewnia optymalny i spójny rozmiar proszku dla wysokiej gęstości i wykończenia powierzchni

Wnioski

Proszki metali umożliwiają wytwarzanie addytywne zaawansowanych, wysokowydajnych komponentów o właściwościach lepszych niż materiały kute w niektórych przypadkach. Szeroka gama stopów, od stali nierdzewnych po super stopy i tytan, jest dostępna w postaci proszku, dostosowanego do wymagających zastosowań w przemyśle lotniczym, medycznym, motoryzacyjnym i ogólnym. Dzięki ciągłym ulepszeniom w stopach, standardach jakości, procesach produkcyjnych, maszynach i właściwościach części – metalowe AM dojrzewa do kluczowej technologii produkcji na całym świecie. Jednak wiedza specjalistyczna w zakresie procesów i materiałów oraz rygorystyczna kontrola jakości są niezbędne do pełnego wykorzystania korzyści. Wraz ze zdobywaniem większego doświadczenia, metalowe AM zapewnia bezprecedensowe możliwości wytwarzania złożonych i niestandardowych części z większą swobodą projektowania i krótszym czasem realizacji.

poznaj więcej procesów druku 3D