Druk 3D z wolframu: specyfikacje, ceny, zalety

Proszki wolframu i stopów wolframu umożliwiają drukowanie komponentów o wysokiej gęstości i doskonałych właściwościach mechanicznych i termicznych przy użyciu laserowego spiekania proszków (LPBF) i topienia wiązką elektronów (EBM). Niniejszy przewodnik zawiera przegląd druku 3D z metalu wolframowego.

Wprowadzenie do Druk 3D z wolframu

Wolfram jest wyjątkowym materiałem do produkcji addytywnej ze względu na jego właściwości:

• Wyjątkowo wysoka gęstość - 19 g/cm3
• Wysoka twardość i wytrzymałość
• Doskonała przewodność cieplna
• Wysoka temperatura topnienia 3422°C
• Wymagająca przetwarzalność i skrawalność

Kluczowe zastosowania drukowanych części wolframowych:

• Osłona przed promieniowaniem
• Komponenty dla przemysłu lotniczego i sportów motorowych
• Urządzenia i kolimatory do radioterapii
• Implanty medyczne, takie jak sztyfty dentystyczne
• Przeciwwagi i elementy wyważające
• Styki elektryczne i elementy grzejne

Powszechne stopy wolframu dla AM:

• Ciężkie stopy wolframu z Ni, Fe, Cu, Co
• Węgliki wolframu
• Tlenki wolframu domieszkowane potasem

Czysty proszek wolframowy

Czysty proszek wolframowy zapewnia najwyższą gęstość:

Właściwości:

• Gęstość 19,3 g/cm3
• Doskonałe blokowanie i ekranowanie promieniowania
• Wysoka twardość do 400 Hv
• Wytrzymałość do 1200 MPa
• Temperatura topnienia 3422°C
• Dobra przewodność elektryczna i cieplna

Zastosowania:

• Osłony przed promieniowaniem medycznym
• Kolimatory i przysłony rentgenowskie
• Przeciwwagi lotnicze
• Tłumienie drgań w sportach motorowych
• Styki elektryczne i grzałki

Dostawcy: TRU Group, Buffalo Tungsten, Midwest Tungsten

Ciężkie stopy wolframu

Ciężkie stopy wolframu z niklem, żelazem i miedzią zapewniają idealną równowagę między gęstością, wytrzymałością i plastycznością:

Wspólne oceny:

• WNiFe (90W-7Ni-3Fe)
• WNiCu (90W-6Ni-4Cu)
• WNi (90W-10Ni)

Właściwości:

• Gęstość 17-18 g/cm3
• Wytrzymałość do 1 GPa
• Dobra odporność na korozję i zużycie
• Wytrzymałość na wysokie temperatury

Zastosowania:

• Części samochodowe i do sportów motorowych
• Systemy lotnicze i obronne
• Ciężarki tłumiące drgania
• Osłona przed promieniowaniem
• Implanty medyczne, takie jak sztyfty dentystyczne

Dostawcy: Sandvik, Grupa TRU, Nanosteel

Węgliki wolframu

Proszki węglika wolframu drukują części wyjątkowo odporne na zużycie:

Rodzaje

• Twarde metale WC-Co z kobaltem 6-15%
• Węgliki spiekane WC-Ni
• Cermetale WC-CoCr

Właściwości

• Twardość do 1500 HV
• Wytrzymałość na ściskanie powyżej 5 GPa
• Wysoki moduł Younga
• Doskonała odporność na ścieranie i erozję

Zastosowania

• Narzędzia tnące i wiertła
• Części zużywające się i uszczelki
• Elementy pancerza balistycznego
• Narzędzia do formowania i tłoczenia metali

Dostawcy: Sandvik, Nanosteel, Buffalo Tungsten

Domieszkowane tlenki wolframu

Tlenki wolframu domieszkowane potasem, takie jak K2W4O13, zapewniają wyjątkowe właściwości elektryczne:

Charakterystyka

• Zachowanie półprzewodnikowe
• Przewodność elektryczna dostrajana poziomami domieszkowania
• Wysoka gęstość do 9 g/cm3
• Wysoka stabilność promieniowania

Zastosowania

• Elektronika i komponenty elektryczne
• Elektrody, styki i rezystory
• Generatory termoelektryczne
• Detektory promieniowania

Dostawcy: Zaawansowane materiały Inframat

Porównanie właściwości materiałów

Metody produkcji proszku wolframowego

1. Redukcja wodoru

• Najbardziej powszechny i ekonomiczny proces
• Tlenek wolframu zredukowany wodorem
• Nieregularna morfologia proszku

2. Sferoidyzacja plazmy

• Poprawia kształt i płynność proszku
• Wykonane po redukcji wodoru
• Zapewnia wysoką czystość

3. Atomizacja plazmowa

• Doskonała sferyczność i płynność proszku
• Kontrola nad rozkładem wielkości cząstek
• Niższy pobór tlenu niż w przypadku atomizacji gazu

4. Chemiczna synteza par

• Najdrobniejsze proszki wolframu w nanoskali
• Wysoka czystość i małe rozmiary cząstek
• Używany do proszków tlenku wolframu

Technologia druku dla wolframu

Laserowa fuzja proszkowa (LPBF)

• Lasery światłowodowe dużej mocy > 400W
• Atmosfera obojętnego argonu
• Precyzyjna kontrola puli stopionego metalu ma kluczowe znaczenie

Topienie wiązką elektronów (EBM)

• Wiązka elektronów o dużej mocy > 3 kW
• Środowisko wysokiej próżni
• Najbardziej nadaje się do materiałów o dużej gęstości

Binder Jetting

• Spoiwo klejowe stosowane do selektywnego łączenia proszków
• Przetwarzanie końcowe potrzebne do uzyskania pełnej gęstości
• Niższa wytrzymałość części w porównaniu do LPBF i EBM

LPBF i EBM umożliwiają drukowanie elementów wolframowych o wysokiej gęstości.

Specyfikacja techniczna

Typowe specyfikacje proszku wolframowego dla AM:

Kontrolowanie właściwości proszku, takich jak rozkład wielkości cząstek i morfologia, ma kluczowe znaczenie dla wydruków o wysokiej gęstości.

Rozwój procesu drukowania

Optymalizacja parametrów procesu LPBF dla wolframu:

• Podgrzewanie wstępne w celu kontroli pękania - typ 100-150°C
• Wysoka moc lasera > 400W z precyzyjną kontrolą
• Mała grubość warstwy około 20-30 μm
• Strategie skanowania w celu zminimalizowania naprężeń
• Kontrolowane chłodzenie po drukowaniu

Dla EBM:

• Ogrzewanie do temperatury >600°C w celu spiekania proszku
• Wysoki prąd wiązki przy małym rozmiarze punktu
• Wolniejsze prędkości skanowania dla pełnego stopienia
• Minimalizacja gradientów termicznych

Wydruki testowe są wymagane do scharakteryzowania właściwości.

Dostawcy i ceny

• Czysty wolfram kosztuje od ~$350 do $850 za kg.
• Stopy ciężkie kosztują od ~$450 do $1000 za kg.
• Tlenki domieszkowane do $1500 za kg

Ceny zależą od czystości, morfologii, jakości proszku i wielkości zamówienia.

Przetwarzanie końcowe

Typowe etapy obróbki końcowej wolframowych części AM:

• Usuwanie podpór za pomocą EDM lub strumienia wody
• Prasowanie izostatyczne na gorąco w celu wyeliminowania pustych przestrzeni
• Infiltracja stopami o niższej temperaturze topnienia
• Obróbka w celu poprawy wykończenia powierzchni
• Łączenie z innymi komponentami w razie potrzeby

Właściwa obróbka końcowa jest niezbędna do osiągnięcia ostatecznej jakości części.

Zastosowania drukowanych komponentów wolframowych

Lotnictwo i kosmonautyka: Łopatki turbin, elementy satelitów, przeciwwagi

Motoryzacja: Ciężarki wyważające, części tłumiące drgania

Medyczny: Osłony przed promieniowaniem, kolimatory, implanty dentystyczne

Elektronika: Radiatory, styki elektryczne, rezystory

Obrona: Osłona przed promieniowaniem, ochrona balistyczna

Drukowane komponenty wolframowe umożliwiają poprawę wydajności w wymagających zastosowaniach w różnych branżach.

Plusy i minusy Tungsten AM

Zalety

• Wysoka gęstość dla ochrony przed promieniowaniem
• Doskonała wytrzymałość i twardość
• Dobre właściwości termiczne i elektryczne
• Niestandardowe geometrie
• Konsoliduje wiele części

Wady

• Trudne i kosztowne przetwarzanie
• Kruchy materiał wymagający podpór
• Niska plastyczność i odporność na pękanie
• Wymaga specjalistycznego sprzętu

Rozwiązywanie problemów z drukowaniem

Najczęściej zadawane pytania

P: Jaki jest typowy rozmiar cząstek stosowanych w proszku do drukowania wolframu?

O: 15-45 mikronów jest powszechne, przy ścisłej kontroli rozkładu wielkości cząstek około 20-35 mikronów.

P: Jakiego poziomu porowatości można oczekiwać w drukowanych częściach wolframowych?

O: Porowatość mniejsza niż 1% jest zwykle osiągana poprzez optymalizację procesu i prasowanie izostatyczne na gorąco.

P: Jakie stopy zapewniają dobrą równowagę między gęstością a właściwościami mechanicznymi?

O: Ciężkie stopy wolframu z 6-10% Ni, Fe i Cu zapewniają wysoką gęstość przy dobrej ciągliwości i odporności na pękanie.

P: Jaka obróbka końcowa jest wymagana w przypadku drukowanych części wolframowych?

O: Usuwanie podpór, prasowanie izostatyczne na gorąco, infiltracja i obróbka skrawaniem są powszechnie stosowanymi procesami po wydrukowaniu.

P: Jakie temperatury podgrzewania są stosowane?

O: W przypadku LPBF podgrzewanie wstępne do 150°C jest powszechne w celu zmniejszenia naprężeń szczątkowych i pęknięć.

P: Jakie środki ostrożności są niezbędne podczas pracy z proszkiem wolframu?

O: Należy stosować odpowiednie środki ochrony indywidualnej, unikać wdychania i postępować zgodnie z procedurami bezpiecznego obchodzenia się z proszkiem zalecanymi przez dostawcę.

poznaj więcej procesów druku 3D

P: Jakie standardy są stosowane do kwalifikowania proszku do drukowania wolframu?

O: ASTM B809, ASTM F3049 i MPIF Standard 46 obejmują analizę chemiczną, pobieranie próbek i testowanie.

Wnioski

Wolfram i jego stopy umożliwiają produkcję addytywną komponentów o wysokiej gęstości i niezrównanej sztywności, wytrzymałości, twardości i właściwościach termicznych przy użyciu zaawansowanych procesów druku 3D, takich jak LPBF i EBM. Dzięki bardzo wysokiej temperaturze topnienia, gęstości i zdolności blokowania promieniowania, drukowane komponenty wolframowe znajdują zastosowanie w lotnictwie, sportach motorowych, medycynie, obronie i elektronice. Jednak trudne wymagania dotyczące drukowalności i obróbki końcowej wymagają rygorystycznej kontroli procesu i optymalizacji parametrów w celu osiągnięcia pełnego zagęszczenia i idealnych właściwości materiału. Wraz z rozwojem wiedzy i doświadczenia w drukowaniu wolframu, jego unikalne zalety można wykorzystać do produkcji wysokowydajnych komponentów o możliwościach przekraczających tradycyjne ograniczenia produkcyjne.