Порошок для 3D-печати металлом

Обзор

Порошок для печати 3d металломТакже известная как аддитивное производство или прямое лазерное спекание металлов, - это революционная технология производства, позволяющая создавать сложные металлические детали непосредственно по цифровым проектам. Лазер выборочно сплавляет мелкий металлический порошок, слой за слоем, пока не появится готовый 3D-объект.

Ключевым компонентом, обеспечивающим эту революционную технологию, является металлический порошок. Характеристики и качество порошка оказывают значительное влияние на механические свойства, точность, качество поверхности и общую производительность напечатанных металлических деталей.

В этой статье представлен полный обзор металлических порошков для 3D-печати. Мы рассмотрим типы порошков, их состав, свойства, технические характеристики, области применения, преимущества, ограничения и многое другое на основе последних отраслевых исследований и стандартов. Читайте дальше, чтобы получить более глубокое представление об этом удивительном материале, который станет сердцем следующей промышленной революции.

Виды Порошок для печати 3d металлом

Для изготовления порошка для 3D-печати можно использовать несколько сплавов и металлических материалов. Наиболее распространенные варианты включают:

Порошки из нержавеющей стали

Нержавеющая сталь - один из самых популярных металлов для 3D-печати благодаря своей высокой прочности, коррозионной стойкости и способности выдерживать высокие температуры. Чаще всего используются следующие сплавы нержавеющей стали:

• 316L нержавеющая сталь - Стандартный сплав с превосходной коррозионной стойкостью и механическими свойствами. 316L имеет низкое содержание углерода, что позволяет минимизировать остаточное напряжение при печати.
• 17-4PH нержавеющая сталь - Закаленная осаждением нержавеющая сталь, которая может достигать очень высокого предела текучести и предела прочности на разрыв благодаря термической обработке после печати.
• 15-5PH нержавеющая сталь - Еще одна нержавеющая сталь, закаленная осаждением, обладающая высокой прочностью и твердостью. 15-5PH обладает лучшей коррозионной стойкостью, чем 17-4PH.
• Дуплексные нержавеющие стали - Сплавы со смешанной ферритно-аустенитной микроструктурой. Дуплексные стали обладают более высокими показателями текучести и прочности на растяжение по сравнению с аустенитной сталью 316L. К распространенным дуплексным сплавам относятся 2205 и 2304.

Инструментальные стали

Инструментальные стали обладают очень высокой твердостью, износостойкостью и прочностью на сжатие. К распространенным металлическим порошкам этой группы относятся:

• Инструментальная сталь H13 - Чрезвычайно универсальная инструментальная сталь Cr-Mo-V для горячей обработки, сохраняющая высокую твердость и стабильность при повышенных температурах.
• Инструментальная сталь P20 - Универсальная низколегированная формовочная сталь с хорошей обрабатываемостью и полируемостью. P20 часто используется в качестве более дешевой альтернативы инструментальной стали H13.
• Мартенситностареющие стали - Термин "мартенситный" означает мартенситное старение. Эти стали достигают сверхвысокой прочности путем термической обработки при старении. Распространенными мартенситностареющими сплавами являются 18Ni(350) и 18Ni(300).

Алюминиевые сплавы

Легкий вес, коррозионная стойкость и высокая теплопроводность алюминия делают его популярным выбором для аэрокосмической, автомобильной промышленности и применения в условиях высоких температур. К распространенным алюминиевым порошкам относятся:

• AlSi10Mg - Наиболее широко используемый алюминиевый сплав с превосходной текучестью, стабильностью и механическими свойствами. Si и Mg выступают в качестве усиливающих агентов.
• AlSi7Mg - Очень похож на AlSi10Mg. Более низкое содержание кремния улучшает текучесть порошка.
• Scalmalloy - Высокопрочный сплав Al-Mg-Sc, который получает исключительный предел текучести благодаря добавкам скандия.

Суперсплавы кобальта и никеля

Благодаря сложному составу эти современные металлические порошки обладают чрезвычайно высокой жаро- и износостойкостью. Типичные сплавы включают:

• Инконель 718 - Суперсплав на основе никеля и хрома, обладающий невероятной высокотемпературной прочностью благодаря термообработке твердым раствором и закалке осадком.
• Инконель 625 - Превосходная стойкость к окислению и коррозии даже при экстремальных температурах. Широко используется в аэрокосмической, химической и морской промышленности.
• Кобальт-хром (CoCr) - Кобальт, усиленный карбидами хрома, позволяет изготавливать биосовместимые имплантаты, такие как протезы и зубные коронки/мосты.
• Хастеллой - Коррозионностойкие никелевые сплавы с такими добавками, как молибден, хром и вольфрам.

Титан и титановые сплавы

Чистый титан обеспечивает оптимальное сочетание высокой прочности и низкой плотности. Легирующие элементы, такие как алюминий, ванадий и железо, обеспечивают дополнительные преимущества:

• Ti6Al4V - Самый популярный титановый сплав, в котором алюминий стабилизирует альфа-фазу, а ванадий усиливает бета-фазу.
• TiAl6V4 - Более высокое содержание алюминия дополнительно улучшает механические свойства и устойчивость к окислению.
• Ti6Al4V ELI - Аббревиатура "ELI" означает extra low interstitial с пониженным содержанием кислорода, азота и углерода. Обладает повышенной прочностью на излом по сравнению с обычным Ti64.

Тугоплавкие и интерметаллические сплавы

Эти усовершенствованные порошки могут выдерживать экстремальные температуры или обладать исключительной прочностью/твердостью:

• Карбид вольфрама (WC/Co) - Твердые карбиды вольфрама, удерживаемые кобальтовой связующей фазой, делают этот сплав более жестким, чем сталь, сохраняя при этом прочность.
• Молибден (Mo) - Чистый молибденовый порошок позволяет создавать детали с высокой жаропрочностью, способные выдерживать температуру свыше 750°C.
• Инконель 625 - Порошок суперсплава на основе никеля и хрома позволяет создавать предметы, сохраняющие высокую прочность в окислительной среде при температуре до 980°C.

Драгоценные металлы

Уникальные свойства драгоценных металлов, таких как золото, серебро и платина, также делают их пригодными для 3D-печати:

• Серебро (Ag) - Чистый серебряный порошок сохраняет превосходные свойства электро- и теплопроводности даже при сложной геометрии печати.
• Золото (Au) - Большинство набивных золотых изделий - это золото, легированное небольшим количеством таких металлов, как серебро, медь и палладий, для повышения твердости и оптимизации свойств.
• Платина (Pt) - Платиновый порошок биосовместим и устойчив к коррозии и химическому воздействию. Используется для изготовления медицинских имплантатов и лабораторного оборудования.

В этой таблице приведены характеристики наиболее распространенных порошков для печати по металлу:

Методы производства металлического порошка

Для достижения свойств, необходимых для высококачественной 3D-печати, металлические порошки должны обладать определенными физическими характеристиками и распределением частиц по размерам. Существует несколько технологий производства порошков:

Газовая атомизация

• Струя расплавленного металла дезинтегрируется струями инертного газа под высоким давлением
• Получает сферический порошок, идеальный для печати - высокая текучесть, плотность упаковки
• Наиболее распространенный метод для тонких порошков нержавеющей стали, инструментальной стали, суперсплавов и титана

Распыление воды

• Использует водяные струи, чтобы разбить расплавленный металл на мелкие капли
• Неправильная форма порошка влияет на расход, но дешевле, чем газовое распыление
• Обычно используется для более доступных вариантов, таких как алюминий и магний.

Плазменное распыление

• Плазменная дуга очень высокой энергии плавит и рассеивает металл на мелкие частицы
• Получение высокосферических порошков из реактивных сплавов, таких как алюминиды титана
• Порошки имеют более высокую степень очистки и позволяют более точно печатать сложные детали

Электродное индукционное плавление с газовым распылением (ЭИГА)

• Сочетание индукционной плавки и газового распыления
• Исключительный контроль над химическим составом и чистотой
• Используется для специальных сплавов, таких как никелевые суперсплавы и драгоценные металлы

Механическое легирование

• Порошок, полученный в процессе высокоэнергетического шарового измельчения
• Используется для CMD медных сплавов, алюминиевых композитов и интерметаллидов
• Получение тонких однородных композиций из смешанных порошков элементов

Правильная технология производства порошка очень важна для получения желаемого химического состава сплава, формы частиц, распределения их по размерам, степени чистоты и характеристик текучести, необходимых для высококачественной металлической 3D-печати.

Характеристики металлических порошков

Порошки для 3D-печати должны соответствовать строгим спецификациям по химическому составу, гранулометрическому составу, морфологии, микроструктуре и другим параметрам. К ключевым характеристикам относятся:

Распределение частиц по размерам

Типичный диапазон - от 15 до 45 микрон. Критические факторы включают:

• D10 - размер, ниже которого опускается 10% частиц
• D50 - медианный размер частиц с 50% выше и ниже этого диаметра
• D90 - размер, при котором 90% порошка находится ниже этого диаметра

Идеальные значения: D10: 20-25 мкм; D50: 30-35 мкм; D90: 40-45 мкм

Форма частиц и морфология поверхности

• Высокосферические частицы с гладкой поверхностью обеспечивают легкое распределение порошка и наилучшее уплотнение.

Скорость потока и кажущаяся плотность

• Расход определяет легкость распределения порошка во время печати
• Кажущаяся плотность показывает, насколько плотно порошок упакован в фиксированном объеме.
• Значения зависят от таких факторов, как форма частиц, распределение по размерам, структура поверхности
• Порошки, распыляемые газом, обладают высочайшей текучестью и плотностью упаковки

Плотность отвода

• Максимальная плотность, достигнутая после механического простукивания/агитации
• Повышенная плотность кранов улучшает плотность конечной детали

Коэффициент Хаузнера

• Отношение между плотностью крана и кажущейся плотностью
• Более низкие коэффициенты ~1,1 указывают на хорошую текучесть
• Более высокие коэффициенты ~1,4 свидетельствуют о сплошности и плохой текучести

Остаточные оксиды и примеси

• Чистота имеет решающее значение, кислород и азот могут вызвать дефекты пористости
• Химические составы должны соответствовать спецификациям сплавов
• Газовое, плазменное и EIGA-распыление позволяет получать самые чистые порошки

Внутренняя микроструктура

• Зависит от состава, скорости затвердевания при производстве порошка
• Однофазные, равноосные зерна, необходимые для оптимального сплавления слоев
• В некоторых сплавах намеренно создаются двойные фазы для получения уникальных свойств

Твердость частиц

• Влияет на характеристики готовых деталей
• Пирамидальное число Викера (HV), используемое для количественной оценки
• Твердые частицы противостоят деформации при распределении порошка

Формирование спутников

• Мелкие частицы могут связываться с более крупными частицами в процессе производства порошка
• Спутники могут влиять на формирование бассейна расплава во время печати
• Порошки, распыляемые газом, имеют минимальное количество спутников

Химия поверхности

• Поверхностные функциональные группы влияют на растекание и плавление порошка
• Атмосфера и температура во время производства оказывают влияние
• Инертная обработка позволяет получить чистый порошок, не содержащий оксидов

Строгий контроль качества этих характеристик порошка очень важен для успешной высококачественной 3D-печати.

Технические характеристики металлических порошков

Производители 3D-принтеров и такие организации, как ISO и ASTM, разработали стандартные спецификации для большинства порошков для печати металлами. Типичные параметры включают:

Распределение по размерам

• Значения D10, D50, D90 соответствуют рекомендуемым диапазонам
• Максимальное содержание спутников < 1%

Соответствие химическому составу

• Элементный состав соответствует опубликованным диапазонам состава сплавов
• Низкий уровень кислорода и азота (<1000 ppm)
• Остаточное количество углерода и серы в зависимости от сплава

Кажущаяся и таповая плотность

• Кажущаяся плотность 2,5-4,5 г/см3
• Плотность отвода до 65% выше кажущейся плотности

Скорость потока

• Испытание расходомера Холла > 15 с/50 г

Содержание влаги

• Высокая влажность вызывает агломерацию порошка
• Максимальное содержание влаги < 0,02%

Поверхностные оксиды

• Оксиды и загрязняющие вещества могут вызывать дефекты пористости
• СЭМ-изображение для проверки поверхности частиц

Авторитетные производители порошка тестируют каждую партию и предоставляют полные данные анализа, а также коэффициенты MLS, Хауснера, индексы Карра, результаты пикнометра и флоуметра Холла, чтобы определить соответствие порошка установленным нормам.

Применение порошка для печати по металлу

3D-печать металлов преобразует производство в различных отраслях промышленности. Типичные области применения включают:

Аэрокосмическая промышленность

• Компоненты авиационных и ракетных двигателей - турбины, сопла, топливные системы
• Конструктивные детали планера и шасси из титана, алюминия, инконеля
• Значительное снижение веса, консолидация деталей, повышение производительности

Медицина и стоматология

• Имплантаты для восстановления суставов, таких как колени, бедра, плечи
• Зубные имплантаты, коронки и мосты
• Черепные пластины, хирургические инструменты, направляющие и инструменты, соответствующие пациенту
• Биосовместимый кобальт-хром, титан, нержавеющая сталь и драгоценные сплавы

Автомобильная промышленность

• Облегченные детали прототипов и серийных автомобилей - шасси, трансмиссия
• Конформная охлаждающая оснастка для литья под давлением
• Нестандартная оснастка, приспособления для сборочных линий
• Проводится сертификация компонентов из конструкционной нержавеющей стали

Промышленное производство

• Металлическая оснастка - литье под давлением, термоформовка, формовка листового металла
• Прессы и штампы из закаленных инструментальных сталей
• Конформные каналы охлаждения минимизируют время цикла работы инструмента
• Быстрое изготовление оснастки для мелкосерийного производства

Нефть и газ

• Клапаны, насосы, трубы из нержавеющей стали и сплава Хастеллой для производства
• Коррозионностойкие компоненты из инконеля для морских месторождений
• Конформные каналы минимизируют потери напора

Потребительская электроника

• Корпуса, экраны, рамы из нержавеющей стали или алюминия по индивидуальному заказу
• Терморегулирующие устройства для рассеивания тепла
• Компоненты электромагнитного экранирования
• Дизайнерские украшения высокого класса - золото, серебро, платина

Технологии быстрого производства, такие как 3D-печать, открывают новые возможности для функциональности, производительности и свободы дизайна. Уникальные свойства металлических порошков для печати позволяют создавать готовые к производству конечные детали практически во всех отраслях промышленности.

Порошок для печати 3d металлом Поставщики

Большинство крупных конгломератов по производству металлов сегодня выпускают специализированные порошки, предназначенные для аддитивного производства. К числу ведущих мировых поставщиков относятся:

Авторитетные поставщики предоставляют исчерпывающие данные о составе и свойствах своих порошков, подкрепленные интенсивными исследованиями и разработками и строгим контролем качества. Многие из них также предлагают услуги по разработке сплавов на заказ. Глобальная логистическая цепочка поставок обеспечивает надежную доступность на основных рынках.

Порошок для 3d-печати металла Ценообразование

Нержавеющая сталь 316L - $50-100 USD за кг

Мартенситностареющая сталь (300 класс) - $100-200 USD за кг

Алюминий AlSi10Mg - $30-60 USD за кг

Титан Ti6Al4V (Grade 5) - $200-400 USD за кг

Инконель 718 - $100-200 USD за кг

Кобальтовый хром F75 - $100-250 USD за кг

Цены зависят от:

• Уровни чистоты
• Распределение по размерам
• Минимальные объемы заказа
• Стоимость разработки сплавов на заказ
• Импортные пошлины/налоги

Плюсы и минусы 3D-печати металлов

Преимущества

• Свобода проектирования для сложных геометрических форм
• Консолидация деталей в отдельные компоненты
• Снижение веса за счет оптимизации топологии
• Уменьшенная сборка из меньшего количества компонентов
• Варианты из высокопрочных сплавов
• Функциональная интеграция - например, конформные каналы охлаждения
• Быстрые сроки выполнения и настройки
• Производство устаревших/устаревших запасных частей по требованию
• Сокращение отходов материалов по сравнению с субтрактивными методами

Ограничения

• Более высокая стоимость деталей по сравнению с традиционным крупносерийным производством
• Ограниченные возможности по размерам в зависимости от объема сборки оборудования
• Ограниченное разнообразие вариантов сплавов, которые в настоящее время сертифицированы и квалифицированы
• Более низкая точность размеров и более тонкая обработка поверхности требуют дополнительной обработки
• Механическая анизотропия, поскольку свойства различаются в зависимости от ориентации сборки
• Послепечатная обработка, такая как горячее изостатическое прессование, необходима для полной консолидации плотности
• Отсутствие отраслевых стандартов для некоторых приложений

Ассортимент печатаемых металлов растет в геометрической прогрессии, а качество и воспроизводимость - по мере того, как технология и материаловедение продолжают стремительно развиваться.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Какой диапазон размеров частиц необходим металлическим порошкам для 3D-печати?

• Типичный диапазон размеров 15-45 микрон
• Кривые распределения определяют диаметры частиц D10, D50 и D90
• Значения зависят от желаемого разрешения слоя, но обычно составляют 20-45 микрон.

В чем разница между порошками из нержавеющей стали 316L и 17-4PH?

• Оба сплава - железо/хром/никель. 316L обладает лучшей коррозионной стойкостью.
• 17-4PH имеет более высокую прочность и твердость после термической обработки закалки осадком
• 316L находит все большее применение в морской, химической и биомедицинской промышленности, где требуется коррозионная стойкость.
• 17-4PH подходит для применения в инструментах, требующих высокой износостойкости

Почему форма важна для порошков для печати на металле?

• Сферические частицы обладают лучшей текучестью и высокой плотностью упаковки
• Гладкая морфология поверхности без сателлитов обеспечивает оптимальное слияние
• Порошки, распыляемые газом, позволяют получать отпечатки высочайшего качества.

узнать больше о процессах 3D-печати