Proszek do selektywnego topienia laserowego: Kompletny przewodnik

Selektywne topienie laserowe (SLM) jest produkcja addytywna lub technika druku 3D, która wykorzystuje laser do łączenia proszku metalicznego w stałą część warstwa po warstwie. Właściwości końcowej części są określane przez charakterystykę użytego proszku metalicznego. Niniejszy artykuł zawiera kompleksowy przegląd proszków SLM obejmujący skład, właściwości, zastosowania, specyfikacje, ceny, zalety i wady i nie tylko.

Przegląd selektywnego topienia laserowego proszku

Selektywne topienie laserowe proszku, znane również jako proszek SLM, jest surowcem używanym w procesie produkcji addytywnej SLM. SLM wykorzystuje laser dużej mocy do topienia i łączenia sproszkowanych stopów metali w całkowicie gęste części 3D.

Proszki SLM to drobne proszki metaliczne, których wielkość waha się zazwyczaj od 15 do 45 mikronów. Najczęściej spotykane proszki SLM to stopy na bazie aluminium, tytanu, niklu, kobaltu i stali nierdzewnej. Skład i rozkład wielkości cząstek proszku determinują charakterystykę części drukowanych metodą selektywnego topienia laserowego.

Wybór odpowiedniego proszku SLM jest kluczowy dla produkcji wysokiej jakości części o pożądanych właściwościach mechanicznych, precyzji, wykończeniu powierzchni i mikrostrukturze. Ten przewodnik zawiera szczegółowe informacje na temat różnych typów proszków SLM, ich zastosowań, specyfikacji, cen, zalet i wad oraz wiodących globalnych dostawców.

Główne cechy proszków SLM

• Ultradrobny proszek o wielkości od 15 do 45 mikronów do precyzyjnego topienia laserowego
• Morfologia sferyczna dla płynności proszku
• Chemicznie czysty skład minimalizujący wady
• Kontrolowany rozkład wielkości cząstek zapobiega segregacji
• Metoda produkcji z wykorzystaniem rozpylania gazu obojętnego
• Dodatki stopowe w celu poprawy właściwości
• Może zawierać zastrzeżone powłoki poprawiające przepływ i topienie

Tabela 1: Rodzaje proszku do selektywnego topienia laserowego

Skład proszków SLM

Proszki SLM to sferyczne proszki metaliczne wykonane z różnych stopów przy użyciu atomizacji gazowej. Skład określa właściwości materiałowe drukowanych części.

Tabela 2: Skład typowych stopów proszkowych SLM

Główne składniki stopowe proszków SLM obejmują:

• Aluminium – obniża temperaturę topnienia, zwiększa przewodność cieplną
• Krzem – poprawia płynność i spawalność
• Magnez – środek wzmacniający
• Tytan – biokompatybilny, o dużej wytrzymałości
• Aluminium – stabilizator alfa i beta w stopach tytanu
• Wanad – stabilizator beta w stopach tytanu
• Nikiel – odporność na korozję, ciągliwość
• Chrom – odporność na utlenianie i korozję
• Żelazo – przyczynia się do wytrzymałości superstopów
• Niob – pierwiastek wzmacniający w superstopach
• Molibden – Wzmocnienie roztworem stałym w superstopach
• Kobalt – zwiększa wytrzymałość w wysokiej temperaturze

Minimalizujemy ilość śladowych zanieczyszczeń, aby zmniejszyć liczbę defektów w elementach drukowanych metodą SLM.

Właściwości proszków SLM

Właściwości proszków SLM bezpośrednio wpływają na charakterystykę części drukowanych w technologii 3D. Pożądane właściwości obejmują dobrą płynność, wysoką czystość i zoptymalizowany rozkład wielkości cząstek.

Tabela 3: Kluczowe właściwości proszków SLM

Ponadto proszki SLM charakteryzują się zoptymalizowanym rozkładem wielkości cząstek o wąskim zakresie, aby zapobiec problemom segregacji. Większość proszków do SLM ma wartości D10 i D90 w zakresie od 10 do 20 mikronów.

Cechy proszku SLM, takie jak gęstość warstwy proszku, płynność, rozprzestrzenianie się i możliwość recyklingu, decydują o jakości drukowanych części. Proszki są projektowane tak, aby zrównoważyć te czynniki.

Zastosowania proszków SLM

Proszki SLM są wykorzystywane do drukowania funkcjonalnych części metalowych w wielu gałęziach przemysłu:

Tabela 4: Zastosowania proszków do selektywnego topienia laserowego

Główne zalety technologii SLM w produkcji części obejmują:

• Możliwość tworzenia złożonych geometrii, niemożliwych do uzyskania przy użyciu odlewów lub obróbki skrawaniem
• Części dostosowane do potrzeb klienta, bez konieczności stosowania twardych narzędzi
• Zmniejszona waga dzięki optymalizacji konstrukcji pod kątem funkcjonalności
• Konsolidacja zespołów w pojedyncze części
• Krótki czas realizacji od projektu do części

Technologia SLM nadaje się do produkcji małych i średnich serii elementów metalowych przeznaczonych do użytku końcowego w różnych gałęziach przemysłu.

Specyfikacje proszków SLM

Proszki SLM muszą spełniać rygorystyczne specyfikacje pod względem składu, rozkładu wielkości cząstek, morfologii, charakterystyki przepływu, gęstości pozornej, poziomu zanieczyszczeń i mikrostruktury.

Tabela 5: Typowe specyfikacje proszków do selektywnego topienia laserowego

Wiodący dostawcy proszków SLM dysponują własnymi zakładami charakteryzacji proszków, aby mieć pewność, że parametry te zostaną spełnione dla każdej partii proszku przed dostawą do klientów.

Cennik proszków do selektywnego topienia laserowego

Koszt proszków SLM zależy od składu stopu, jakości, dostawcy, ilości zakupu i regionu geograficznego. Poniżej przedstawiono niektóre typowe ceny proszków:

Tabela 6: Orientacyjne zakresy cen popularnych stopów proszkowych SLM

Ceny są najwyższe dla stopów reaktywnych, takich jak tytan, a najniższe dla stopów towarowych, takich jak aluminium i stal nierdzewna. Gatunki lotnicze są droższe niż stopy konwencjonalne. Rabaty na zakup hurtowy są dostępne u dostawców proszków SLM.

Ogólnie rzecz biorąc, koszt materiału stanowi 15-30% całkowitego kosztu części dla metali AM. Sam proszek stanowi znaczną część kosztów tych materiałów. Optymalizacja ponownego wykorzystania niestopionego proszku pomaga obniżyć średni koszt części.

Wiodący dostawcy proszków SLM

Wiele firm oferuje metaliczne proszki rozpylane gazem, specjalnie zaprojektowane do produkcji addytywnej SLM. Niektórzy czołowi globalni dostawcy to:

Tabela 7: Główni dostawcy proszków do selektywnego topienia laserowego

Firmy te zainwestowały w technologię atomizacji i zaawansowaną charakterystykę, aby zapewnić, że proszki SLM spełniają surowe wymagania dotyczące drukowania 3D wysokiej jakości części. Oferują szeroką gamę opcji materiałowych dostosowanych do SLM.

Zalety i wady proszków SLM

Tabela 8: Zalety i ograniczenia proszków do selektywnego topienia laserowego

Plusy

• Drobne cząstki proszku SLM o wielkości 15–45 mikronów pozwalają na drukowanie bardzo wysokiej rozdzielczości i małych detali.
• Kulisty kształt cząstek i dobra płynność zapobiegają agregacji proszku i problemom z podawaniem podczas drukowania.
• Wysoka czystość chemiczna minimalizuje występowanie defektów, takich jak wtrącenia i puste przestrzenie, w drukowanych częściach.
• Rozkład wielkości cząstek jest zoptymalizowany, aby zapobiec segregacji i zapewnić jednorodne topienie.
• Dostawcy-specjaliści projektują stopy niestandardowe o składzie dostosowanym do zastosowań SLM.
• Atomizacja gazu obojętnego zapobiega utlenianiu proszku.

Wady

• W porównaniu do tradycyjnych metod produkcji, dostępnych jest mniej stopów stosowanych w technologii SLM.
• Stopy reaktywne, takie jak tytan, wymagają specjalnego postępowania, aby zapobiec zanieczyszczeniu, co zwiększa koszty.
• Materiały SLM, jako drobny proszek, są wrażliwe na wchłanianie wilgoci podczas przechowywania i obsługi.
• Proszki metali stwarzają zagrożenia takie jak wybuchy pyłu i zagrożenia dla zdrowia, które wymagają podjęcia środków ostrożności.
• Stopy SLM są znacznie droższe od standardowych stopów proszkowych ze względu na specjalistyczny proces produkcyjny.
• Niektóre stopy mają niewielu dostawców, co ogranicza dostępność i jakość materiału.
• Niewykorzystanego proszku nie można po prostu wyrzucić; ze względu na ekologiczność i koszty należy go ponownie wykorzystać.

Jak wybrać proszek SLM

Wybierając optymalny proszek SLM do danego zastosowania, należy wziąć pod uwagę takie czynniki jak:

• Funkcja części – Wymagania mechaniczne, naprężenia, warunki eksploatacji
• Właściwości stopu – Wytrzymałość, twardość, ciągliwość, odporność na ciepło
• Potrzeby w zakresie postprodukcji – Reakcja na obróbkę cieplną, obrabialność
• Czynniki procesu – Gęstość złoża proszku, absorpcja laserowa, płynność
• Rozważania nad kosztami – Cena materiału, implikacje dla sprzętu

Funkcja części przede wszystkim kieruje wyborem stopu. Krytyczne, silnie obciążone części wymagają proszków, które mogą osiągnąć maksymalną gęstość i właściwości mechaniczne. Mniej krytyczne zastosowania prototypowania pozwalają na większą elastyczność.

Czynniki procesu, takie jak prędkość drukowania, osiągalna dokładność i wykończenie powierzchni, również zależą od proszku. Porównywanie materiałów kandydackich na rzeczywistych drukarkach identyfikuje najlepsze dopasowanie.

Koszt odgrywa kluczową rolę. Stopy o wyższej wydajności do zastosowań lotniczych są znacznie droższe niż konwencjonalne gatunki. Unikalne stopy mogą być dostępne tylko u jednego dostawcy.

Dokładna ocena wymagań zastosowania w zestawieniu z możliwościami materiałowymi i kosztami pozwala na wybór optymalnego proszku SLM.

Jak przechowywać i obchodzić się z proszkiem SLM

Ostrożne obchodzenie się z proszkami SLM i ich przechowywanie ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania degradacji materiału i zapewnienia wysokiej jakości drukowanych części:

• Przechowywać nieotwarte pojemniki w chłodnym, suchym miejscu, z dala od światła słonecznego i wilgoci. Unikać nadmiernego ciepła.
• Pojemniki z proszkiem otwierać wyłącznie w obojętnej komorze rękawicowej, w której stężenie tlenu wynosi poniżej 10 ppm, aby zapobiec utlenianiu.
• Przenieś proszki w komorze rękawicowej, stosując odpowiednie uziemienie, aby uniknąć gromadzenia się ładunków elektrostatycznych. Załóż rękawiczki nitrylowe.
• Szczelnie zamykaj pojemniki podczas przechowywania. Używaj wyłącznie oryginalnych pojemników, nie plastikowych toreb.
• W przypadku dużych objętości proszek należy przechowywać w maszynach ze zintegrowanym systemem gazu obojętnego.
• Przed ponownym użyciem proszek należy przesiać przez sito o zalecanym rozmiarze oczek, aby rozbić aglomeraty i usunąć zanieczyszczenia.
• W razie potrzeby w celu obniżenia poziomu wilgoci należy stosować piece do suszenia proszkowego i próżniowe odgazowywacze termiczne.
• Przy wyrzucaniu zużytego proszku należy go zwilżyć wodą, aby zapobiec unoszeniu się pyłu w powietrzu, a następnie zutylizować jako odpad niebezpieczny.
• Należy przestrzegać wszystkich środków ostrożności dotyczących obchodzenia się z drobnymi proszkami metali, w tym środków ochrony osobistej i zapobiegania wybuchom.

Właściwe zarządzanie proszkiem utrzymuje spójność między seriami druku i umożliwia ponowne wykorzystanie do 80-90% nieskondensowanego proszku. Maksymalizuje to wydajność przy jednoczesnym minimalizowaniu kosztów surowców.

Selektywne topienie laserowe proszku FAQ

P: Jaki jest typowy zakres wielkości cząstek proszków SLM?

A: Większość proszków SLM mieści się w zakresie 15-45 mikronów, przy czym większość cząstek mieści się w zakresie 20-35 mikronów. Drobniejsze proszki poprawiają rozdzielczość, podczas gdy większe rozmiary pogarszają szczegółowość i dokładność.

P: W jaki sposób produkowane są proszki SLM?

A: Proszki SLM powstają w wyniku atomizacji gazu obojętnego, w której strumień stopionego stopu jest rozbijany na kropelki, które zestalają się w kuliste cząstki. Zapobiega to utlenianiu proszku.

P: Co oznacza „gęstość pozorna” i „gęstość nasypowa” proszku?

A: Gęstość pozorna to gęstość objętościowa mierzona w normalnych warunkach. Gęstość nasypowa to zwiększona gęstość uzyskana po mechanicznym nasypaniu próbki proszku w celu jej zagęszczenia. Większe gęstości poprawiają charakterystykę złoża proszku.

P: Dlaczego charakterystyka przepływu jest ważna w przypadku proszków SLM?

A: Dobry przepływ proszku i rozprowadzalność zapewniają równomierne warstwy dla spójnego topienia i zapobiegają problemom z agregacją. Sferyczne cząstki poprawiają przepływ w porównaniu do nieregularnych kształtów.

P: W jaki sposób proszki SLM są ponownie wykorzystywane po drukowaniu?

A: Nieutwardzony proszek jest przesiewany w celu rozbicia aglomeratów, suszony próżniowo w celu obniżenia wilgotności i mieszany ze świeżym proszkiem przed ponownym użyciem. Pozwala to na osiągnięcie wskaźników recyklingu powyżej 80%.

P: Jakie środki ostrożności należy zachować przy obchodzeniu się z proszkami SLM?

A: Proszki metaliczne stanowią zagrożenie wybuchem, pożarem i dla zdrowia. Stosuj odpowiednie środki ochrony osobistej, odpowiednią wentylację, właściwe uziemienie i komory rękawicowe z gazem obojętnym. Nigdy nie wysypuj proszku na wolnym powietrzu.