Металлический порошок для 3D-печати

Обзор Металлический порошок для 3d-печати

Металлические порошки для 3D-печати - это мелкие металлические порошки, которые используются в качестве сырья в различных процессах аддитивного производства металлов для изготовления металлических деталей и изделий. Наиболее распространенные металлические порошки, используемые для 3D-печати, включают нержавеющую сталь, титан, никелевые сплавы, алюминий и кобальт-хром.

Сплавление металлического порошка и направленное энергетическое осаждение - два основных семейства процессов металлической 3D-печати, в которых используются металлические порошки для послойного создания деталей по моделям CAD. Характеристики и свойства материала металлических порошков оказывают значительное влияние на качество, точность, качество обработки поверхности и производительность конечной детали.

Ключевые детали:

• Распространенные металлические порошки: нержавеющая сталь, титан, никелевые сплавы, алюминий, кобальт-хром
• Основные процессы 3D-печати металлов: Сплавление порошкового слоя, направленное энергетическое осаждение
• Характеристики порошка критически важны для качества деталей
• Различные варианты сплавов в зависимости от применения
• Наиболее широко используется для создания прототипов и производства в различных отраслях промышленности
• Обеспечивает такие преимущества, как сложная геометрия, облегчение веса, консолидация деталей

Виды и составы металлических порошков

Существует множество стандартных и специальных порошков металлических сплавов, доступных для 3D-печати от различных производителей материалов. Большинство сплавов оптимизировано специально для процессов аддитивного производства.

Нержавеющая сталь 316L и Ti-6Al-4V являются наиболее популярными сплавами, используемыми в настоящее время для металлической 3D-печати. Постоянно разрабатываются и внедряются новые сплавы с улучшенными свойствами для сложных применений в аэрокосмической, медицинской, автомобильной и общетехнической сферах.

Свойства порошка для печати по металлу

К основным свойствам металлических порошков, определяющим качество деталей и стабильность процесса, относятся:

Размер частиц - Между 15-45 микрон
Морфология - Сфероидальная форма, хорошая текучесть
Химия - Состав сплава в пределах жестких допусков
Плотность - Основные показатели кажущейся плотности и плотности отвода
Расход - Критические условия для равномерной толщины слоя
Многоразовое использование - Обычно перерабатывается до 5-10 раз

Распределение частиц по размерам особенно важно в оптимальном диапазоне размеров - слишком большое количество мелких или крупных частиц за пределами идеальной фракции приводит к дефектам. Производители стремятся к высокому выходу продукции в рамках узкой спецификации и стабильному качеству партии.

Применение порошка для 3D-печати металлов

3D-печать металлических деталей набирает обороты во всех отраслях промышленности - от аэрокосмической, медицинской и автомобильной до общего машиностроения.

Некоторые типичные области применения распространенных материалов включают:

Нержавеющая сталь - Оборудование для обработки пищевых продуктов, хирургические инструменты, трубы, корпуса насосов
Титан - Конструктивные детали самолетов и вертолетов, биомедицинские имплантаты
Алюминий - Автомобильные компоненты, теплообменники, спортивные товары
Никелевые суперсплавы - Лопасти турбин, детали ракетных двигателей, ядерные установки
Кобальтовый хром - Замена коленного/тазобедренного сустава, зубные коронки и мосты

Добавление металлов позволяет создавать более легкие, прочные и высокоэффективные изделия. Это экономически выгодно для дорогих материалов, используемых в небольших объемах с нестандартной геометрией, например, для аэрокосмических компонентов. 3D-печать также значительно упрощает изготовление сложных конструкций с внутренними каналами для конформного охлаждения в литьевых формах.

Технические характеристики металлических порошков

Для обеспечения соответствия требованиям качества при промышленном использовании металлических AM-порошков были разработаны международные и отраслевые стандарты:

Производители предоставляют сертификаты на партии порошка с результатами испытаний, подтверждающими соответствие стандартам для наиболее распространенных материалов, таких как 316L или Ti64.

Поставщики и стоимость производства металлических порошков

Широкий ассортимент металлических порошков для аддитивного производства предлагается как крупными конгломератами, так и небольшими специализированными производителями по всему миру. К числу ведущих поставщиков относятся:

Производители металлических порошков

Стоимость металлических порошков

Стоимость зависит от сплава, стандарта качества, производителя, объема закупки, региона и т.д. Нестандартные сплавы могут стоить в несколько раз дороже стандартных марок. Порошок - основной фактор, влияющий на стоимость АМ-конструкций, поэтому пользователи стремятся использовать его как можно чаще.

Сравнение процессов 3D-печати металлов

Существует два основных семейства технологий аддитивного производства, подходящих для работы с металлическими материалами. Сплав порошкового слоя (PBF) и Направленное энергетическое осаждение (DED). В рамках этих методов существуют различные методы с незначительными вариациями в зависимости от источника тепла, используемого для локального плавления слоев металлического порошка.

Методы порошкового наплавления:

• Селективное лазерное плавление (SLM)
• Селективное лазерное спекание (SLS)
• Электронно-лучевое плавление (ЭЛП)

Методы направленного энергетического осаждения:

• Лазерное осаждение металлов (LMD)
• Формирование сетки с помощью лазера (LENS)

Сравнение методов 3D-печати металлов

DED лучше подходит для крупных металлических деталей, таких как ремонтные пресс-формы или корпуса турбин, где точность размеров не слишком важна. PBF обеспечивает значительно лучшую чистоту поверхности и разрешение для небольших деталей со сложными деталями, такими как решетки. Варианты материалов для DED более обширны, включая реактивные сплавы.

Оба процесса используют такие ключевые преимущества металлического AM, как персонализация, консолидация деталей и легкость конструкций. Для производственного использования гибридное производство, сочетающее 3D-печать металла и обработку с ЧПУ, обеспечивает оптимальный баланс геометрической сложности и точности.

Преимущества аддитивного производства металлов

Использование 3D-печати для производства металлических деталей дает различные технические и экономические преимущества, что способствует их внедрению в различных отраслях промышленности:

Преимущества металлического AM

• Свобода проектирования сложных, органических форм с оптимизацией топологии
• Значительное снижение веса за счет решетки и тонких стенок
• Сокращение количества деталей за счет консолидации узлов
• Индивидуальные геометрии, адаптированные к нагрузкам и функциям
• Отсутствие необходимости в инструментах, приспособлениях и быстрой переналадке идеально подходит для небольших объемов работ
• Сокращение отходов материалов по сравнению с субтрактивными методами

Более легкие кованые титановые кронштейны для самолетов, черепные имплантаты, соответствующие пациентам, и упрощенные топливные форсунки двигателей - вот некоторые примеры того, как металлический AM обеспечивает преимущества перед традиционными производственными подходами.

Ограничения аддитивного производства металлов

Несмотря на преимущества, аддитивная обработка металлов имеет ряд неотъемлемых технологических ограничений, которые в настоящее время препятствуют ее применению во многих областях:

Ограничения металлического AM

• Высокие затраты на оборудование и материалы
• Ограниченный выбор сплавов и механических свойств
• Более низкая производительность по сравнению с методами массового производства
• Постобработка, такая как удаление накладок и обработка поверхности, добавляет время
• Требования к квалификации и сертификации в регулируемых секторах
• Неточности в размерах и низкая повторяемость
• Повышенная шероховатость поверхности, требующая финишной обработки
• Остаточные напряжения, возникающие во время сборки

Эти технические и экономические барьеры означают, что АМ лучше всего подходит для небольших партий, где преимущества перевешивают ограничения. Гибридные субтрактивные технологии помогают устранить недостатки при изготовлении прецизионных деталей. Постоянно ведущиеся исследования и разработки в области оборудования и материалов, направленные на оптимизацию качества, скорости и параметров, повышают промышленную жизнеспособность.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Вот несколько распространенных вопросов, связанных с металлическими порошками для процессов AM:

В: Какие металлические сплавы наиболее широко используются для 3D-печати в настоящее время?

A: нержавеющая сталь 316L, титановый сплав Ti-6Al-4V, алюминиевый сплав AlSi10Mg, никелевые суперсплавы Inconel 625 и 718 и кобальтохромовые сплавы CoCr.

Вопрос: Какие испытания проводятся для обеспечения стабильности качества партии порошков для печати на металле?

О: Поставщики проводят испытания в соответствии с промышленными стандартами, чтобы убедиться, что химический состав находится в пределах допусков, распределение частиц по размерам соответствует идеальным фракциям, оптимизированным для процессов AM, морфология и форма порошка сферические, кажущаяся плотность и плотность отвода соответствуют диапазону для хорошего потока, а скорость потока подходит.

Вопрос: Обязательно ли использовать порошок из первичного металла или можно использовать и переработанный порошок?

О: В зависимости от задач можно использовать как первичный порошок, так и переработанный порошок из предыдущих сборок, обычно до 5-10 циклов повторного использования перед обновлением первичной массы.

В: Как производятся металлические порошки для AM?

О: Обычные технологии производства включают газовое распыление, плазменное распыление и электролитические процессы. Они позволяют получить тонкие сферические порошки, пригодные для нанесения тонких равномерных слоев, необходимых для металлического PBF.

В: Что вызывает дефекты в металлических деталях, напечатанных методом 3D, связанные с порошками?

О: Загрязнения в порошках, слишком большое количество спутников или частиц неправильной формы, выходящих за пределы спецификации, проблемы с разрушением порошка при повторных циклах использования, а также проблемы с толщиной или равномерностью слоя при нанесении и повторном покрытии.

Вопрос: Как покупатели могут выбрать оптимальный тип и качество металлического порошка?

О: Авторитетные производители, предоставляющие полные паспорта материалов, сертификаты анализа производственных партий, соответствие промышленным стандартам, таким как ASTM F3049, данные тщательного контроля качества, а также гарантии в отношении химического состава, гранулометрического состава и т. д., обеспечивают надежность и постоянство, необходимые для промышленного применения AM.

Заключение

Таким образом, мелкодисперсные сферические металлические порошки с жестко контролируемыми характеристиками играют важную роль в качестве базового сырья для аддитивного производства прецизионных металлических компонентов в аэрокосмической, медицинской, автомобильной и машиностроительной отраслях.

Нержавеющая сталь, титан, алюминий, никелевые суперсплавы и кобальт-хром - вот те материалы, которые в настоящее время преимущественно используются в промышленном производстве. Качество деталей, точность, свойства материалов и стабильность процесса в значительной степени зависят от размера, формы, химического состава, плотности и параметров потока порошка.

По мере расширения качества и выбора сплавов, а также повышения производительности оборудования 3D-печать способна изменить производство во многих отраслях, позволяя создавать более легкие, прочные и высокопроизводительные изделия с ранее невозможными конструкциями для топологически оптимизированных деталей, собранных из узлов.

узнать больше о процессах 3D-печати