Proszek metalowy SLS: Właściwości, zastosowania i dostawcy

Selektywne spiekanie laserowe (SLS) to technika wytwarzania przyrostowego, która wykorzystuje laser do łączenia małych cząstek proszków z tworzyw sztucznych, metalu, ceramiki lub szkła w obiekt 3D. Proszki metali SLS o odpowiednich właściwościach mają kluczowe znaczenie dla wytwarzania w tym procesie wysokiej jakości części metalowych o złożonej geometrii.

Przegląd proszków metali SLS

Proszki metalowe SLS odnoszą się do proszków metalicznych, które są zoptymalizowane do stosowania w drukarkach 3D z selektywnym spiekaniem laserowym do produkcji metalowych części i prototypów. Do najczęściej stosowanych proszków metalicznych SLS należą:

Rodzaje proszków metalowych SLS

Typ	Skład	Kluczowe cechy charakterystyczne
Stal nierdzewna	Stopy Fe, Cr, Ni	Odporność na korozję, wysoka wytrzymałość
Stal narzędziowa	Stopy Fe, Cr, Mo	Wysoka twardość, możliwość obróbki cieplnej
Stal stopowa	Stopy Fe, Cr, Ni	Możliwość obróbki cieplnej, możliwość obróbki mechanicznej
Kobalt-chrom	Stopy Co, Cr	Biokompatybilny, odporny na zużycie i korozję
Tytan i stopy	Stopy Ti, Al, V	Lekki, biokompatybilny, wytrzymały
Inconel	Ni, stopy Cr	Odporność na ciepło/korozję
Stopy aluminium	Stopy Al, Cu, Mg	Lekki, wytrzymały

Te proszki metali muszą mieć właściwości takie jak płynność, kształt cząstek i rozkład wielkości dostosowany do produkcji części SLS o wysokiej gęstości z dokładnością, precyzją i pożądanymi właściwościami mechanicznymi.

Kluczowe właściwości proszków metali SLS

Parametr	Opis	Wymagania
Zakres rozmiarów	Wymiary cząstek proszku	10-45 mikronów
Rozkład wielkości	Zakres rozmiarów proszku	Głównie sferyczne z dopuszczalnymi satelitami
Morfologia	Kształt cząstek proszku	Sferyczny jest optymalny, satelity mogą powodować wady
Natężenie przepływu	Płynność proszku	35-40 s/50 g z przepływomierza Halla
Gęstość pozorna	Gęstość upakowania proszku	Około 60% rzeczywistej gęstości
Prawdziwa gęstość	Gęstość materiału	Zależy od składu
Powierzchnia	Powierzchnia cząstek na jednostkę masy	Niższy jest lepszy, aby zmniejszyć utlenianie
Gazy resztkowe i wilgoć	Zanieczyszczenia obecne w proszku	Zminimalizowane dla wysokiej jakości części

Charakterystyka proszków metali SLS

Charakterystyka	Rola w procesie SLS
Kształt cząstek i tekstura powierzchni	Wpływa na przepływ proszku do każdej nowej warstwy, absorpcję lasera, współczynnik odbicia
Rozkład wielkości cząstek	Wpływ na gęstość upakowania, dynamikę puli stopu, smarowność
Charakterystyka przepływu	Umożliwia równomierne rozprowadzanie, konsystencję warstwy
Gęstość pozorna	Kontroluje odstępy między cząsteczkami, wymagany wkład energii
Prawdziwa gęstość	Określa ostateczną maksymalną osiągalną gęstość części
Dodatki stopowe	Umożliwia określone właściwości materiału, takie jak wytrzymałość, twardość itp.

Zastosowania Proszki metali SLS

Proszek metalowy SLS umożliwia drukowanie funkcjonalnych części metalowych o pełnej gęstości, służących do prototypowania, oprzyrządowania i produkcji krótkoseryjnej w branżach takich jak:

Przemysłowe zastosowania metalowych części drukowanych metodą SLS

Przemysł	Zastosowania	Powszechnie stosowane materiały
Lotnictwo i kosmonautyka	Łopatki turbin, elementy silnika/struktury	Stale nierdzewne, nadstopy, stopy tytanu
Motoryzacja	Części prototypowe, niestandardowe oprzyrządowanie	Stale nierdzewne, stale narzędziowe, stopy aluminium
Implanty medyczne	Specyficzne dla pacjenta implanty, prowadnice	Chrom kobaltowy, stopy tytanu, stal nierdzewna
Przemysłowy	Precyzyjne narzędzia, chwytaki robotów	Stale nierdzewne, stale narzędziowe
Biżuteria	Pierścionki, łańcuszki, elementy niestandardowe	Metale szlachetne, takie jak stopy złota, srebro

Unikalne korzyści w porównaniu z tradycyjnymi metodami produkcji:

Zalety SLS w produkcji części metalowych

Korzyści	Opis
Swoboda geometrii	Brak ograniczeń geometrii części w przeciwieństwie do metod odejmowania/odlewania
Szybka realizacja	Szybkie drukowanie z danych CAD
Niewielka waga	Struktury kratowe zmniejszają wagę o >30%
Konsolidacja części	Integralnie drukowane zespoły zastępują złącza
Masowa personalizacja	Urządzenia medyczne przeznaczone dla pacjentów
Struktury hybrydowe	Możliwe części wielomateriałowe z metalu i polimeru

Typowe zastosowania części metalowych drukowanych metodą SLS w różnych branżach:

Typowe zastosowania metalowych części drukowanych metodą SLS

Zastosowanie	Przykłady	Użyte materiały
Funkcjonalne prototypy	Komponenty silnika, implanty	Stale stopowe, stopy Ti
Narzędzia	Prowadnice wiertarskie, osprzęt, przyrządy pomiarowe	Stale nierdzewne
Oprzyrządowanie do form	Oprzyrządowanie do formowania wtryskowego	Stale narzędziowe, takie jak H13
Produkcja seryjna	Komponenty lotnicze/medyczne	Stopy Ti i Ni, CoCr
Lekkie konstrukcje	Panele kratowe, stężenia	Stopy Al, stopy Ti

Specyfikacje proszku metalowego SLS

Producenci systemów SLS, tacy jak EOS, 3D Systems i Renishaw, zapewniają kwalifikowane specyfikacje proszków metali SLS dostosowane do ich modeli drukarek. Niektóre popularne proszki metali i rozmiary obejmują:

Rodzaje i rozmiary proszków metalowych SLS

Materiał	Dostępne rodzaje proszków	Zakres wielkości cząstek
Stal nierdzewna	316L, 17-4PH, 303, 410	15-45 mikronów
Stal maraging	MS1, 18Ni300, 18Ni350	15-45 mikronów
Chrom kobaltowy	CoCr, CoCrMo	15-45 mikronów
Stop aluminium	AlSi10Mg, AlSi12	15-45 mikronów
Stop tytanu	Ti6Al4V Klasa 5	15-45 mikronów
Stop niklu	Inconel 718, Inconel 625	15-45 mikronów

Organizacje normalizacyjne zdefiniowały klasyfikacje dla różnych gatunków proszków metali stosowanych w procesach AM:

Gatunki proszków metali według norm ISO/ASTM

Standard	Stopnie	Opis
ISO 17296-2	PA1 do PA6	Określa coraz bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące zanieczyszczeń od P1 do P6.
ISO 17296-3	PM1 do PM4	Definiuje kształt cząstek, parametry wielkości od PM1 do PM4
ASTM F3049	Klasa 1 do klasy 4	Określa dopuszczalne limity składu w zakresie od 1 do 4.
ASTM F3056	Od typu 1 do typu 3	Definiuje parametry statystycznego rozkładu wielkości od 1 do 3

Te systemy klasyfikacji pomagają ustalić wzorcowe poziomy jakości i pomagają kupującym w zakupach. Proszek PA5 o wysokiej czystości zapewnia minimalne zanieczyszczenie. Podobnie klasa 4, ściślejsza kontrola chemiczna zmniejsza zmienność.

Proszek metalowy SLS Dostawcy

Różni dostawcy dostarczają gotowe do użycia proszki SLS na całym świecie. Niektórzy wiodący światowi dostawcy to:

Kluczowi dostawcy proszków metali SLS

Dostawca	Oferowane materiały	Obsługiwane obszary geograficzne
Sandvik	Stal nierdzewna, stopy niklu, CoCr, stal narzędziowa, stopy aluminium	Europa, Azja
Praxair	Stopy Ti, stopy Ni, stal nierdzewna, stale narzędziowe	Ameryka Północna
Technologia LPW	Stal nierdzewna, stopy aluminium, CoCr	Wielka Brytania, Europa
Carpenter Additive	Stale nierdzewne, CoCr, Cu, stopy aluminium	Globalny
Hoganas	Stale nierdzewne, stale narzędziowe	Europa, Azja

Zwykle minimalne dostawy wynoszą około 10 kg na gatunek materiału, choć istnieją również umowy na duże ilości dla nabywców OEM. Opcje pakowania wahają się od próżniowo zamkniętych puszek do specjalistycznych kartridży maszyn SLS mieszczących od 700 g do 1 kg proszku każdy.

Rodzaje opakowań proszków metali SLS

Typ	Zakresy głośności	Charakterystyka
Puszki próżniowe	Partie od 500 g do 20 kg	Okres trwałości do 1 roku
Wkłady do drukarek	Partie od 700 do 1000 g	Zminimalizowana ekspozycja na obsługę
Wieże materiałowe	Wkłady o wadze od 700 do 1200 g	Automatyczne podawanie do drukarki

Przedziały cenowe dla popularnych materiałów w małych ilościach są następujące:

Zakresy kosztów proszków metali dla druku SLS

Materiał	Zakres cen dla małych ilości*
Stal nierdzewna 316L	$60-$100 na kg
Aluminium AlSi10Mg	$80-$130 za kg
Stal maraging	$90-$140 za kg
Tytan Ti6Al4V	$200-$350 na kg
Chrom kobaltowy	$300-$500 na kg
Metale szlachetne	$3000+ za kg

Porównanie materiałów proszkowych SLS

Do drukowania SLS wykorzystywane są różne stopy metali, z których każdy ma swoje własne właściwości i kompromisy:

Porównanie materiałów proszkowych SLS

Parametr	Stale nierdzewne	Stale narzędziowe	Stopy tytanu	Stopy niklu	Chrom kobaltowy	Stopy aluminium
Gęstość	Średni	Wyższy	Niższy	Wysoki	Wysoki	Najniższy
Siła	Średni	Najwyższy	Średnio-wysoki	Średnio-wysoki	Średni	Średni
Twardość	Niższy	Bardzo wysoka	Średni	Średni	Wyższy	Niski-średni
Odporność na korozję	Doskonały	Średni	Doskonały	Doskonały	Doskonały	Średnio dobry
Biokompatybilność	Dobry	Ograniczony	Doskonały	Ograniczony	Doskonały	Dobry
Odporność na ciepło	Średni	Średnio-wysoki	Średni	Bardzo wysoka	Bardzo wysoka	Niższy
Koszt	Najniższy	Średni	Wysoki	Bardzo wysoka	Wysoki	Niski

Stale nierdzewne oferują najlepszą kombinację właściwości, gdy liczy się koszt, podczas gdy stale narzędziowe zapewniają ekstremalną twardość. Tytan zapewnia biokompatybilność i wytrzymałość przy niskiej gęstości. Nadstopy, takie jak Inconel i CoCr, oferują stabilność termiczną i biokompatybilność. Stopy aluminium są najbardziej opłacalną, lekką opcją.

Plusy i minusy popularnych proszków metali SLS

Materiał	Zalety	Wady
Stale nierdzewne	Ekonomiczne, łatwe w obróbce mechanicznej	Niższa twardość i wytrzymałość
Stale narzędziowe	Wyjątkowa twardość i możliwość obróbki cieplnej	Mniejsza odporność na korozję, biokompatybilność
Stopy tytanu	Mocny, lekki, przyjazny dla środowiska	Drogie, mogą się palić w atmosferze tlenu
Stopy niklu	Doskonała odporność na ciepło/korozję	Ciężkie, toksyczne, bardzo drogie
Chrom kobaltowy	Biokompatybilny, odporny na korozję	Ciężki, średni koszt
Stopy aluminium	Lekkość, dobra wytrzymałość	Niższa temperatura topnienia, twardość

Kryteria wyboru proszku metalicznego SLS przez klienta

Kryteria wyboru	Kluczowe pytania
Właściwości mechaniczne	Czy spełnia docelowe wymagania dotyczące wytrzymałości, odporności na zużycie i innych specyfikacji mechanicznych?
Koszt materiałów	Czy żądany rodzaj proszku metalowego pasuje do budżetu aplikacji?
Przetwarzanie końcowe	Czy konieczne są dodatkowe operacje, takie jak prasowanie izostatyczne na gorąco lub obróbka cieplna?
Wielkość serii produkcyjnej	Czy docelowy wolumen jest zbyt wysoki dla produkcyjnego druku SLS?
Wymiary części	Czy maksymalna objętość wydruku jest wystarczająca dla największych geometrii części?
Rozdzielczość, wykończenie powierzchni	Czy proces SLS może spełnić wymagania dotyczące szczegółowości i jakości powierzchni?
Czas realizacji dostawy	Czy czas realizacji zamówienia przez dostawcę jest akceptowalny, biorąc pod uwagę harmonogram produkcji?

Końcowe zastosowanie części kieruje optymalnym wyborem materiału, równoważąc potrzeby w zakresie wydajności i ekonomii.

Przegląd procesu drukowania metalu SLS

Zrozumienie druku 3D w technologii SLS pomaga docenić wpływ właściwości proszku na jakość części:

Etapy procesu druku 3D w technologii SLS

Etap	Opis
Modelowanie 3D	Oprogramowanie CAD tworzy model bryłowy/siatkowy części do druku
Krojenie	Model jest cyfrowo dzielony na warstwy w celu wygenerowania pliku drukarki
Rozprowadzanie proszku	Wałek lub łopatka rozprowadza cienką warstwę proszku na platformie roboczej
Skanowanie laserowe	Laser CO2 skanuje nad złożem proszku, aby stopić cząstki razem
Platforma opuszczania	Platforma kompilacji obniża się o 1 grubość warstwy (~50 mikronów).
Powtarzanie rozprowadzania/roztapiania	Kroki powtarzają się, aż cały obiekt zostanie zbudowany warstwa po warstwie.
Przetwarzanie końcowe	Usunięto nadmiar proszku, wykonano końcową obróbkę w celu wykończenia części

Jak właściwości proszku wpływają na wyniki drukowania

Własność proszku	Wpływ na jakość druku
Geometria proszku	Sferyczne cząstki o dobrym przepływie umożliwiają tworzenie jednolitych warstw bez defektów
Zakres wielkości cząstek	Zbyt drobne proszki mają słaby przepływ, zbyt duże powodują słabą rozdzielczość
Rozkład wielkości	Zbyt szeroka dystrybucja może powodować segregację lub zmienne stopienie
Gęstość pozorna	Wyższa gęstość zapewnia większą gęstość końcową części po spiekaniu
Prawdziwa gęstość	Nakłada górny limit na osiągalną gęstość części
Tekstura powierzchni	Bardziej szorstkie cząstki mogą zatrzymywać gazy lub utrudniać przepływ proszku.

Widzimy, że kilka właściwości fizycznych proszku ma bezpośredni wpływ na wyniki drukowania, więc ścisła kontrola przez dostawców ma kluczowe znaczenie.

Obróbka końcowa metalowych części drukowanych metodą SLS

Po procesie drukowania SLS, dodatkowe etapy wykańczania pomagają poprawić końcowe właściwości części:

Typowe etapy obróbki końcowej części SLS

Proces	Opis	Korzyści
Usuwanie proszku	Nadmiar proszku wyszczotkowany/usunięty	Ujawnia wydrukowany obiekt
Łagodzenie stresu	Ogrzewanie w celu usunięcia naprężeń szczątkowych	Poprawia dokładność wymiarową
Wykończenie powierzchni	Szlifowanie, polerowanie, piaskowanie	Wygładza powierzchnię, wspomaga przyczepność powłoki
Infiltracja	Płyn wypełnia resztkową porowatość	Jeszcze bardziej zwiększa gęstość, poprawia wytrzymałość
Obróbka cieplna	Cykle termiczne hartowania i odpuszczania	Zwiększa twardość stali

Wpływ przetwarzania końcowego na właściwości części

Nieruchomość	Wpływ przetwarzania końcowego
Gęstość	Infiltracja żywicą epoksydową lub brązem wypełnia pory zwiększając gęstość 5-15%
Chropowatość powierzchni	Ręczne/automatyczne polerowanie może osiągnąć chropowatość poniżej 2 mikronów
Dokładność wymiarowa	Odprężający cykl cieplny zmniejsza wypaczenia, poprawiając precyzję
Wytrzymałość na rozciąganie	Infiltracja poprawia UTS, podczas gdy obróbka cieplna może podwoić wytrzymałość na rozciąganie.
Plastyczność	Kompromis z poprawą wytrzymałości po leczeniu
Twardość	Stopy utwardzane wydzieleniowo, takie jak 17-4PH, dobrze reagują na starzenie

W ten sposób obróbka końcowa umożliwia dalsze dostosowanie właściwości metalu w oparciu o potrzeby aplikacji.

Kontrola jakości druku na metalu SLS

Stała wysoka jakość surowca proszkowego w połączeniu z monitorowaniem procesu SLS zapewnia niezawodne części:

Kontrola jakości dla Proszek metalowy SLS

Parametr	Typowa specyfikacja	Metody testowe
Rozkład wielkości cząstek	Natężenie przepływu w hali > 35s/50g	Przesiewanie, dyfrakcja laserowa
Gęstość pozorna	65-80% o rzeczywistej gęstości	Pomiar grawimetryczny
Skład proszku	Zakresy stopów zgodnie z normą ISO 27296	Fluorescencja rentgenowska
Morfologia powierzchni	Mediana okrągłości > 0,75	Mikrografy, analiza obrazu
Zanieczyszczenie	< 50 ppm tlenu, < 150 ppm azotu	Analiza syntezy gazów obojętnych

Monitorowanie procesu drukowania SLS

Metryczny	Używany czujnik	Cel
Moc lasera	Wbudowana fotodioda	Utrzymuje spójność fuzji
Temperatura złoża proszku	Czujnik podczerwieni	Zapewnia integralność części, bez wypaczeń
Atmosfera	Analizator tlenu	Zapobiega zapłonowi proszku w komorze roboczej
Grubość warstwy	Enkoder osi Z	Precyzyjnie odtwarzane warstwy

Tak rygorystyczna kontrola nad proszkiem wejściowym i ustawieniami procesu skutkuje wysoką jakością części metalowych z każdej serii produkcyjnej.

Drukowanie metalu metodą SLS w porównaniu z alternatywami

Inne alternatywy dla druku 3D z metalu to SLS:

Porównanie metod druku 3D w metalu

Metryczny	Binder Jetting	DMLS	SLM	EBM
Surowiec	Mieszanka metalu i polimeru w proszku	Proszek metalowy	Proszek metalowy	Metalowy drut/proszek
Źródło energii	Płynne spoiwo	Laser światłowodowy	Wydajny laser światłowodowy Yb	Wiązka elektronów
Szybkość budowania	Umiarkowane, szybsze niż metody laserowe	Powolne ze względu na skanowanie punkt po punkcie	Następuje bardzo szybkie, pełne stopienie	Najszybsza metoda
Rozdzielczość, wykończenie powierzchni	Słabsze ze względu na spoiwo, post-processing pomaga	Bardzo dobra dzięki drobnej plamce lasera	Doskonałe dzięki pełnemu stopieniu	Umiarkowane z powodu częściowego topnienia
Dokładność wymiarowa	+/- 0,3% z procesem CTQ	+/- 0.1-0.2%	+/- 0.1-0.2%	+/- 0.2-0.3%
Przetwarzanie końcowe	Wymagane utwardzanie i spiekanie	Obsługuje tylko usuwanie	Może być konieczna pewna obróbka	Wymagana większość prac drugorzędnych
Koszt na część	Niższe koszty materiałów pomagają obniżyć cenę	Znacznie wyższe koszty operacyjne	Wysokie koszty sprzętu i materiałów	Wysoki koszt sprzętu

Spośród wszystkich metod, strumieniowanie spoiwa okazało się najbardziej opłacalne w przypadku produkcji części metalowych w mniejszych ilościach do 10 000 sztuk. SLS zapewnia najłatwiejszą obróbkę końcową w połączeniu z dobrą dokładnością i wykończeniem powierzchni.

Najczęściej zadawane pytania

Jakie branże wykorzystują drukowanie metali metodą SLS?

Drukowanie metali metodą SLS jest stosowane w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, medycznym i wielu innych branżach, w których wymagane są precyzyjne części metalowe.

Jaka jest dokładność i rozdzielczość drukowania metalu metodą SLS?

Dokładność i rozdzielczość zależą od kilku czynników, w tym od maszyny, materiału i parametrów procesu, ale drukowanie metalu metodą SLS może osiągnąć wysoki poziom precyzji.

Czy części drukowane w technologii SLS wymagają obróbki końcowej?

Tak, obróbka końcowa może być wymagana w celu usunięcia struktur nośnych, poprawy wykończenia powierzchni i spełnienia określonych wymagań dotyczących aplikacji.

Jakie są ograniczenia drukowania metalu metodą SLS?

Niektóre ograniczenia obejmują koszt sprzętu, ograniczony rozmiar komór roboczych i potrzebę odpowiednich środków bezpieczeństwa ze względu na użycie laserów i proszków metali.

Czy drukowanie metalu metodą SLS może być wykorzystywane do masowej produkcji?

Tak, drukowanie metalu metodą SLS może być wykorzystywane zarówno do prototypowania, jak i produkcji części metalowych w małych i średnich ilościach.

Czy drukowanie metalu metodą SLS jest przyjazne dla środowiska?

Chociaż może zmniejszyć ilość odpadów materiałowych w porównaniu z tradycyjnymi metodami produkcji, utylizacja proszków metali i zużycie energii są czynnikami, które należy wziąć pod uwagę w odniesieniu do wpływu na środowisko.

Czy istnieją jakieś środki ostrożności podczas pracy z drukowaniem metalu metodą SLS?

Tak, należy podjąć środki bezpieczeństwa podczas pracy z proszkami metali, a operatorzy powinni zostać przeszkoleni w zakresie bezpiecznej pracy z systemami laserowymi.

Jaki jest koszt usług drukowania metalu metodą SLS?

Koszt różni się w zależności od czynników takich jak wybór materiału, złożoność części i ilość. Najlepiej jest poprosić dostawców usług o wycenę konkretnych projektów.

poznaj więcej procesów druku 3D