Металлические порошки 3D

Металлические 3D-порошки это материалы, используемые в технологиях аддитивного производства для изготовления металлических деталей и компонентов. В этом руководстве представлен подробный обзор различных типов металлических порошков, их состава и свойств, областей применения, технических характеристик, цен и сравнений для понимания их роли в 3D-печати металлов.

Обзор металлических порошков для 3D-печати

Металлические 3D-порошки служат исходным материалом для таких технологий, как селективное лазерное спекание (SLS), прямое лазерное спекание металлов (DMLS), электронно-лучевое плавление (EBM) и струйное нанесение связующего для производства сложных металлических деталей со сложной геометрией. Они поставляются в различных элементарных формах или сплавах.

Порошки значительно отличаются от металлической массы, используемой в традиционных методах субтрактивного производства. Такие ключевые свойства, как текучесть, форма, распределение частиц по размерам и чистота, жестко контролируются для обеспечения точного послойного закрепления в процессе печати.

Преимущества использования металлических порошков в аддитивном производстве:

• Гибкость конструкции - изготовление легких решетчатых конструкций и сложных деталей, недостижимых с помощью механической обработки
• Сокращение отходов - в отличие от субтрактивных методов, используется только необходимый материал
• Сокращение времени выполнения заказа - быстрые итерации и анализ для оптимизации конструкции
• Нестандартные сплавы - состав и свойства в соответствии с применением
• Консолидация - сплавление и уплотнение порошков для получения цельных металлических деталей
• Обработка поверхности - достижение гладкости и точности без дополнительной постобработки

Виды металлических порошков

Некоторые элементарные металлы и сплавы выпускаются в виде порошка для использования в различных отраслях промышленности:

Материал	Распространенные сплавы/составы	Свойства	Приложения
Нержавеющая сталь	316L, 17-4PH, 304L, 420	Коррозионная стойкость, высокая прочность	Аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, потребительские товары
Алюминий	AlSi10Mg, AlSi7Mg0.6	Легкий, отличная теплопроводность.	Автомобильная промышленность, теплообменники
Титан	Ti64, Ti6Al4V ELI	Высокое соотношение прочности и массы, биосовместимость	Аэрокосмическая промышленность, медицинские имплантаты
Никелевые суперсплавы	Инконель 718, Инконель 625	Термостойкость, коррозионная стойкость	Аэрокосмические компоненты, такие как турбины и камеры сгорания
Кобальтовый хром	CoCr MP1, CoCrMo ASTM F75	Биосовместимость, высокая твердость.	Зубные имплантаты, ортопедические имплантаты колена/бедра
Медь	CuSn10, CuZn	Электрическая/тепловая проводимость, пластичность	Электрические контакты, теплообменники
Инструментальная сталь	H13, P20	Высокая твердость, термостойкость	Пресс-формы для литья под давлением, оснастка для листогибочного пресса

Форма частиц: В основном сферические, но могут быть и многоугольными в зависимости от метода производства. Улучшает текучесть и плотность упаковки.

Размер частиц: Диапазон от 10 до 100 микрон. Узкое распределение обеспечивает равномерную толщину слоя и лучшую плотность.

Системы спецификации размеров: Размер ячеек (сит, разделяющих порошок), значения D (статистическая метрика среднего размера).

Текучесть: Количественно определяется с помощью воронки с расходомером Холла. Критичен для однородности слоя. Улучшается за счет сферических частиц.

Другие свойства: Плотность порошка, плотность тапа, кажущаяся плотность, плотность пикнометра, окислительная стабильность и т.д.

Применение и использование металлических порошков в 3D-печати

Некоторые распространенные области применения включают:

• Облегчение критически важных движущихся компонентов, таких как крыльчатки и роторы
• Консолидация узлов для уменьшения количества деталей - кронштейны двигателя, крепления
• Индивидуальные оснастки, приспособления, вставки для прессовой и формовочной оснастки для сокращения сроков изготовления.
• Теплообменники высокой сложности, насосы, клапаны и блоки коллекторов
• Имплантаты, подобранные под пациента, улучшают результаты хирургических операций
• Миниатюры с высокой детализацией, например, башни для игры в кости и игровые фигуры

Преимущества по сравнению с традиционным производством:

• Снижение веса на 40-60% за счет решетчатых структур при сохранении прочности
• Точное соответствие моделям CAD в отличие от механической обработки/литья
• Уменьшение количества деталей за счет консолидации сокращает время/стоимость сборки
• Гладкие поверхности с точными размерами в значительной степени исключают последующую обработку
• Быстрая оборачиваемость без дорогостоящей замены оснастки

Превосходные характеристики: Компоненты, разработанные специально для аддитивного производства, превосходят аналоги, изготовленные традиционным способом. Например, компания Airbus добилась снижения веса на 45%, используя металлические кронштейны, напечатанные методом 3D, при сохранении эквивалентной прочности и жесткости.

Металлический порошок 3D Технические характеристики

Такие характеристики порошка, как распределение по размерам и форма, строго контролируют свойства конечных деталей, поэтому они поставляются в соответствии с жесткими техническими требованиями:

Атрибут	Типовые значения	Стандарты
Распределение частиц по размерам	от 10 до 45 микрон	ASTM B214
Кажущаяся плотность	2 - 5 г/куб. см	ASTM B212
Плотность отвода	от 3 до 8 г/куб. см	ISO 3923/1
Расход	15 - 25 с/50 г	ASTM B213
Остаточное содержание кислорода	0,1% макс.	AMS 4999B
Содержание остаточного азота	0,04% макс.	AMS 2769E
Остаточное содержание углерода	0,03% макс.	AMS 2769E

Размерные категории и сетки: Размер ячеек относится к классификации сит. Типичный размер порошка варьируется от -140 до +325 меш. Более мелкое распределение между -100 и +325 меш улучшает плотность и качество поверхности.

Соответствие химическому составу: Элементный состав подтвержден в соответствии со спецификацией сорта (AMS, ASTM). Критически важен для обеспечения ожидаемых механических характеристик.

Содержание влаги: Особенно важно для реактивных материалов, таких как алюминий и титан. Ограничивается до 0,1% по стандартам ASTM B964 и ISO 22068. Контролируется соответствующей герметизацией и сухим хранением.

Уровни загрязняющих веществ: Магний, кремний, фосфор, сера, свинец ограничены до низкого уровня частей на миллион (ppm) с помощью распыления в инертном газе и соответствующего обращения.

Переработанный порошок Соответствует требованиям: Порошок, извлекаемый в процессе печати, тщательно контролируется. Обычно ограничивается 30% с жестким химическим контролем в соответствии со стандартами ASTM F3055 и ISO/ASTM52904.

Чем отличаются поставщики металлических порошков для 3D-печати

Основа для сравнения	Традиционные производители	Производители специализированных порошков AM
Фокус	Общие области применения порошковой металлургии	Специально разработаны для процессов AM
Степени сплава	Только стандартные композиции	Нестандартные сплавы для AM
Соответствие качеству	Спокойная обстановка, только основные свойства	Чрезвычайно жесткие требования - химический состав, форма/размер частиц
Качество поверхности	Не критично, распыление газа опционально	Обязательная морфология гладких частиц
Цена	Снижение в связи с высокими объемами	Выше из-за более строгих требований
Размеры заказа	Крупные оптовые партии	Не более 5 кг в зависимости от области применения
Изменения для настройки	Требуются большие объемы заказов, длительное время выполнения заказа	Быстрая корректировка формулы, быстрое производство
Дополнительные услуги	Основные	Сплошная оптимизация конструкции, разработка параметров, быстрый отбор проб, постобработка, переработка

Ключевые отличия специалистов по порошкам AM:

• Высокосферические порошки с контролируемым распределением по размерам, адаптированные к каждому процессу AM
  -химический контроль значительно превышает обычные спецификации ASTM для ограничения вариабельности процесса
• Возможность настраивать сплавы и изменять такие свойства, как плотность, твердость и т. д.
• Управление жизненным циклом порошка: повторное использование, смешивание, переработка, хранение и безопасное обращение
• Низкие минимальные объемы заказов и ускоренное время выполнения заказа
• Комплексные услуги по дизайну и печати - оптимизация параметров для достижения наилучшего качества

Когда специальные классы имеют смысл для бизнеса

Для прототипов могут подойти обычные сплавы, но специальные порошки обеспечивают значительно более высокие механические свойства для конечного применения в производстве. Высокие затраты быстро компенсируются за счет повышения производительности, например, за счет более долговечных компонентов.

Изменения цен поставщиков на металлические порошки

Драйверы цен:

• Основной материал и степень чистоты
• Более строгие требования к химии
• Уровни соответствия качеству
• Тестирование и сертификация
• Объемы заказов
• Дополнительные услуги - разработка приложений, оптимизация параметров, постобработка деталей, регенерация и повторное использование порошка

Возможности снижения затрат:

Увеличение размеров заказов, переработка порошка, планирование запасов для своевременной доставки, стандартизация испытаний, более мягкие спецификации для некритичных приложений, автоматизация процессов

Типичные диапазоны цен:

Материал	Цена за кг
Алюминий AlSi10Mg	$55 – $120
Титан Ti6Al4V	$350 – $850
Никель Инконель 718	$120 – $500
Нержавеющая сталь 316L	$90 – $240
Кобальт-хром CoCrMo	$270 – $620
Медь CuSn10	$30 – $100
Инструментальная сталь H13	$70 – $190

Сравнение стоимости по сравнению с цельным брусом:

Для небольших и средних деталей, производимых аддитивным способом в небольших объемах, металлические порошки позволяют значительно снизить затраты на деталь, несмотря на более высокие цены на базовые материалы.

Безубыточность достигается при объеме производства всего 50-100 деталей для компонентов тяжелее 0,5 кг. Это преимущество значительно увеличивается при производстве более крупных компонентов весом более 5 кг.

Сокращение объема механической обработки и минимальная финишная обработка обеспечивают дополнительные преимущества по стоимости по сравнению с субтрактивными методами.

Получение металлических порошков для 3D-печати

Ключевые критерии оценки поставщиков:

• Ассортимент материалов и совместимых марок
• Сертификаты качества порошка
• Надежность поставок и минимальные объемы заказов
• Возможности разработки сплавов на заказ
• Дополнительные услуги, такие как оптимизация параметров, повторное использование порошка, постобработка и т. д.
• Общая экономия затрат

Соображения по безопасному обращению

Как и в других процессах обработки металла, могут возникнуть проблемы с безопасностью:

Опасность	Меры предосторожности
Пожар/взрыв	Использование инертного газа при работе с порошком для предотвращения окисления; устранение источников воспламенения
Токсичность	Используйте пылеудаление и респираторы для предотвращения вдыхания пыли
Реактивность	Изолируйте реактивные порошки, такие как алюминий/титан, с помощью инертных сепараторов

Для минимизации рисков необходимо соблюдать особую осторожность при загрузке, эксплуатации, очистке и хранении порошка. Контейнеры с порошком должны быть электрически заземлены.

Основные выводы

• Металлические 3D-порошки обладают определенными размерами, формой и химическими характеристиками, необходимыми для процессов AM. К распространенным материалам относятся алюминий, титан, нержавеющая сталь, суперсплавы Inconel, инструментальная сталь и кобальт-хром.
• Промышленность использует преимущества оптимизированных легких конструкций, консолидации деталей и повышения производительности по сравнению с традиционным производством.
• Поставщики-специалисты жестко контролируют критические свойства порошка и предлагают индивидуальные сплавы и услуги, соответствующие требованиям приложений. Это позволяет расширить доступ к продукции за счет меньших объемов.
• Учитывая опасность реактивности/воспламенения, необходимо обеспечить надлежащие процессы обработки и утилизации.
• Первоначальные затраты компенсируются преимуществами проектирования и производства при объемах производства до 50-100 штук для средних компонентов.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

В: Как изготавливают металлические порошки?

О: Газовое распыление - наиболее распространенная технология, при которой поток расплавленного металла распадается на капли с помощью струй инертного газа. Сферические частицы быстро затвердевают до контролируемых размеров, чему способствует закалка в воде или масле. Также используется плазменное распыление.

В: Какие размеры порошков оптимальны для 3D-печати обычных металлов?

О: Диапазон размеров порошка от 10 до 45 микрон обеспечивает наилучший компромисс между разрешением, качеством поверхности и скоростью сборки для популярных принтеров EOS, Concept Laser и др.

В: Как долго может храниться неиспользованный металлический порошок при правильном хранении?

О: До 10 лет в защищенном от влаги контейнере с влагопоглощающими мешками при температуре 20 C в соответствии со стандартами ASTM. Продувка сухим азотом позволяет использовать их еще дольше.

В: Можно ли использовать порошки для печати на металле повторно?

О: Да, неиспользованный порошок может быть собран и смешан со свежим запасом после анализа до пропорции 30%. Это снижает общую стоимость деталей, но пороговые значения химического состава и гранулометрического состава должны быть соблюдены в соответствии со стандартом ASTM F3055.

В: Определяет ли выбор материала стоимость металлической 3D-печати?

О: Да, титановые и никелевые суперсплавы имеют 3-5-кратную ценовую премию по сравнению с нержавеющей сталью из-за высокой стоимости сырья. Ограниченные конкурентные источники также вносят свой вклад в сравнение со сталью.

узнать больше о процессах 3D-печати