Металлические порошки для 3D-печати

Оглавление

Обзор Металлические порошки для 3D-печати

3D-печать, также известная как аддитивное производство, позволяет создавать сложные металлические детали непосредственно из цифровых моделей. Эта революционная технология использует металлические порошки в качестве сырья и сплавляет тонкие слои материала вместе, создавая детали слой за слоем.

Конкретный используемый металлический порошок оказывает значительное влияние на свойства, производительность, применение и экономичность металлических 3D-печатных деталей. В этом руководстве представлен полный обзор металлических порошков для 3D-печати, включая:

Металлический порошок для 3d-печати

Виды металлических порошков для 3D-печати

В этом разделе рассматриваются основные категории и сплавы металлических порошков, используемых в технологиях 3D-печати методом порошкового наплавления и прямого энергетического осаждения.

Свойства металлических порошков

Рассматриваются ключевые физико-химические свойства металлических порошков, влияющие на качество деталей. Обсуждаются гранулометрический состав, морфология, текучесть и микроструктура.

Области применения металлических порошков для 3D-печати

Уникальные возможности аддитивного производства металлов привели к его широкому применению в аэрокосмической промышленности, медицине, стоматологии, автомобилестроении и общем машиностроении. Представлены типичные области применения различных металлических порошковых сплавов.

Технические условия и стандарты на металлические порошки

Представлены марки порошков, диапазоны размеров, методы производства, стандарты качества, а также соображения, связанные с цепочкой поставок для поиска металлических порошков.

Анализ затрат на производство металлических порошков

Сравниваются и сопоставляются затраты, связанные с различными металлическими сплавами и классами качества. Также обсуждается экономичность металлических и пластиковых порошков.

Преимущества против ограничений

Взвешиваются плюсы и минусы распространенных разновидностей металлических порошков с точки зрения требований к функциональности деталей, достигаемых механических свойств, производственных затрат, контроля качества и доступности цепочки поставок.

Вооружившись этим исчерпывающим руководством, инженеры, дизайнеры, менеджеры по закупкам и технические специалисты смогут выбрать и найти оптимальный тип металлического порошка, соответствующий их конкретным требованиям к применению и соотношению цены и качества.

Виды металлических порошков для 3D-печати

Существует широкий спектр металлов и сплавов, доступных в виде порошка для промышленного аддитивного производства в автомобильной, аэрокосмической, медицинской, стоматологической, ювелирной и других отраслях.

Наиболее распространенными категориями используемых металлов являются:

  • Нержавеющие стали - Аустенитные, мартенситные, дуплексные и т.д.
  • Инструментальные стали - Маркировка, горячая обработка, холодная обработка и т.д.
  • Суперсплавы - Кобальт-хром, никелевые сплавы, инконель
  • Титан и титановые сплавы - Коммерчески чистые, Ti-6Al-4V и др.
  • Алюминий и алюминиевые сплавы - Скальмаллоид, армированный кремнием и т.д.
  • Сплавы на основе никеля
  • Медные сплавы - Латунь, бронза и т.д.
  • Драгоценные металлы - Серебро, золото, платина

Кроме того, композитные металлические порошки, армированные керамикой или карбидами, обеспечивают улучшенные свойства.

В этой таблице приведены общие категории металлов, из которых изготавливаются порошки для основных технологий 3D-печати:

Виды металлических порошковОсновные сплавыОбщие приложения
Нержавеющие стали316L, 17-4PH, 316L, 420Аэрокосмическая, автомобильная, медицинская промышленность
Инструментальные сталиH13, M2, D2, A2, горячая/холодная работаИнструмент, пресс-формы, механические детали
СуперсплавыИнконель 718, 625, Haynes 282Турбины, ракеты, морские компоненты
Титановые сплавыTi-6Al-4V, Ti 6242, TiAlАэрокосмическая промышленность, медицинские имплантаты
Алюминиевые сплавы2024, 7050, 7075, 6061Автомобили, конструкции
Никелевые сплавыИнконель 625, Хастеллой XКоррозионная стойкость, пресс-формы
Медные сплавыCuSn10, CuCr1ZrЭлектрические контакты, тепловые
Драгоценные металлыСеребро, золото, платинаЮвелирные изделия, стоматология

Теперь, когда был представлен обзор категорий и разновидностей сплавов металлических порошков для аддитивного производства, в следующем разделе мы рассмотрим свойства, которыми характеризуются эти материалы.

Свойства металлических порошков для 3D-печати

Характеристики и показатели качества металлических порошков оказывают значительное влияние на механические свойства, микроструктуру, точность размеров, качество поверхности и общую производительность печатных компонентов.

Основные физические и химические свойства::

  • Распределение частиц по размерам
  • Форма и морфология частиц
  • Характеристики потока
  • Кажущаяся плотность и плотность отвода
  • Сжимаемость
  • Остаточный кислород и азот
  • Микроструктура

В этой таблице приведены основные свойства порошка и их значение:

Свойства порошкаТиповые значенияВажность
Размер частиц10 - 45 мкмКонтролирует минимальный размер детали, качество обработки поверхности
Распределение по размерамД10, Д50, Д90Влияет на плотность упаковки, текучесть
МорфологияСфероидальный, зернистыйВлияет на распределение в порошковом слое
Скорость потокаРезультаты работы расходомера ХоллаКритически важно для равномерного осаждения слоев
Кажущаяся плотность2 - 4 г/куб. смВлияет на плотность конечной детали
Плотность отводаДо 65% вышеУказывает на эффективность упаковки порошка
Остаточный кислород< 500 ppmВлияет на механические характеристики
Остаточный азот< 150 ppmВлияет на пластичность и коррозионную стойкость

Теперь давайте рассмотрим эти характеристики и спецификации порошка более подробно.

Распределение частиц по размерам

Размер частиц и их гранулометрический состав напрямую влияют на разрешение, минимальный размер детали, шероховатость поверхности и механические свойства напечатанных металлических деталей.

Типичные распределения по размерам для процессов лазерного сплавления в порошковом слое:

  • D10: 10-25 микрон
  • D50: 20-45 микрон
  • D90: 35-100 микрон

Где DX означает, что X% частиц находятся ниже порогового диаметра.

Для процессов осаждения связанных металлов используются более крупные частицы в диапазоне 50-150 микрон.

Более мелкие частицы в диапазоне 10-45 микрон позволяют добиться высокой чистоты поверхности и разрешения, в то время как крупные частицы размером более 100 микрон способствуют более высокой скорости осаждения.

Форма и морфология частиц

Форма и структура поверхности металлических порошков для AM-обработки существенно влияют на плотность упаковки, равномерность слоя, возможность повторного использования порошка и характеристики деталей.

  • Сфероидальный Частицы улучшают текучесть и укладку, а также способствуют вторичной переработке. Технологии газового и плазменного распыления позволяют получать сферические порошки.
  • Гранулированный Частицы с повышенной шероховатостью поверхности улучшают механическое сцепление между частицами. Однако их сложнее наносить тонкими равномерными слоями по сравнению со сферическими морфологиями.

Для определения формы и морфологии поверхности частиц используется сканирующая электронная микроскопия.

Расход порошка

Текучесть металлических порошков имеет решающее значение для обеспечения стабильной подачи, плавного распределения порошка и равномерного нанесения слоев при печати. Плохая текучесть и агрегация порошка могут препятствовать надежному формированию тонких слоев.

Общие меры включают:

  • Угол наклона: Показывает, насколько легко порошок течет по поверхности. Более низкие углы соответствуют лучшей скорости потока.
  • Расходомер Холла: Время прохождения через воронку 50 г образца. Оптимальными являются значения <30 с.
  • Коэффициент Хаузнера: Более низкие коэффициенты означают лучшую текучесть и рассчитываются путем деления плотности крана на кажущуюся плотность.

Плотность и сжимаемость

Насыпная плотность показывает, насколько плотно и эффективно металлические порошки могут быть упакованы в заданный объем, а сжимаемость измеряет, как эта плотность изменяется под действием давления.

Ключевыми показателями являются:

  • Кажущаяся плотность: Отношение массы порошка к объему без уплотнения
  • Плотность отвода: Плотность, достигнутая после механического простукивания/агитации
  • Сжимаемость: Как плотность повышается под действием давления при распределении порошка и печати

Более высокая плотность и сжимаемость обеспечивают лучшее межчастичное сцепление, в то время как низкая плотность приводит к образованию пустот и пористости в деталях.

Остаточный кислород и азот

Ограниченное загрязнение кислородом и азотом необходимо для получения металлических порошков высокой чистоты для печати. Повышенные уровни могут резко снизить пластичность, коррозионную стойкость и механические характеристики.

Строгий контроль качества и испытания позволяют поддерживать остаточное содержание кислорода ниже 500 ppm и азота ниже 150 ppm для многих сплавов и критических применений.

Теперь, когда мы рассмотрели влияние физических свойств порошка на свойства печатных деталей, давайте перейдем к обсуждению марок металлических порошков и способов их производства.

Производство и классификация металлических порошков

Стандарты классификации

Различные стандарты используются для классификации металлических порошков по распределению размеров, химическому составу, методу производства и качеству:

  • ASTM B213: Стандарт классификации металлических порошков, используемых для обработки в порошковой металлургии
  • ISO 4490: Металлические порошки для процессов аддитивного производства
  • AS9100D: Аэрокосмический стандарт с жесткими требованиями для критически важных приложений
  • ASTM F3049: Стандартное руководство по определению характеристик металлических порошков, используемых для AM-обработки
  • ASTM F3056: Спецификация на никелевый сплав для аддитивного производства
  • ASTM F3301: Стандарт для аддитивного производства порошка из нержавеющей стали

Эти порошковые стандарты обеспечивают последовательную связь между производителями и потребителями в отношении распределения и свойств материалов. Для подтверждения соответствия регулируемым отраслям промышленности требуются строгие испытания.

Теперь, когда был представлен обзор способов производства коммерческих порошков и систем классификации, давайте рассмотрим области применения и использования металлической 3D-печати.

Промышленное применение Металлические порошки для 3D-печати

Целый ряд отраслей промышленности использует аддитивное производство металлов для создания сложных высокопроизводительных компонентов с улучшенными механическими свойствами и геометрией, превышающей традиционные производственные ограничения.

Типичные области применения включают:

Аэрокосмическая промышленность

  • Конструктивные кронштейны
  • Футеровка камеры сгорания реактивного двигателя
  • Сопла ракетных двигателей
  • Лопатки турбины
  • Каркасы скелетных спутников

Автомобильная промышленность

  • Облегчение деталей шасси и трансмиссии
  • Настраиваемые оснастки и приспособления
  • Инструментарий для конформного охлаждения
  • Гибкое, малосерийное производство

Медицина и стоматология

  • Ортопедические имплантаты
  • Протезирование с учетом особенностей пациента
  • Хирургические инструменты
  • Коронки и мосты

Общее машиностроение

  • Формы для литья под давлением и выдувные формы
  • Конечные производственные детали
  • Конформные каналы охлаждения
  • Облегчение компонентов

В этой таблице приведены некоторые типичные области применения основных категорий сплавов металлических порошков в различных отраслях промышленности:

ПромышленностьТипичный металлический сплавОбщие приложения
Аэрокосмическая промышленностьИнконель 718, Ti-6Al-4VЛопатки турбин, сопла двигателей
Автомобильная промышленностьАлюминий 6061, 316L, инструментальная стальШасси, пресс-формы, приспособления
МедицинаТитановые сплавы, CoCrОртопедические имплантаты, протезы
СтоматологияКобальтовый хром, сереброКоронки, мосты, частичные протезы
ПромышленностьИнструментальная сталь H13, нержавеющая стальПресс-формы для литья под давлением, детали конечного использования

Аддитивный металл открывает возможности для безграничных инноваций в дизайне. Детали оптимизируются по весу и характеристикам, а не по ограничениям технологичности. Производство "точно в срок" на основе цифровых файлов сокращает складские запасы и позволяет выполнять массовую кастомизацию.

Теперь, когда мы сделали обзор промышленных применений AM-технологии металлов, давайте рассмотрим технические характеристики и вопросы поиска поставщиков.

Технические характеристики, марки и цепочка поставок металлических порошков

Успешное внедрение аддитивного производства металлов включает в себя не только оборудование принтера. Контроль качества, спецификации порошка, факторы выбора поставщиков и цепочки поставок играют решающую роль в производительности деталей, экономичности и масштабируемости производства.

В этом разделе представлены рекомендации по:

  • Диапазоны размеров металлических порошков
  • Различные классы качества
  • Соображения по переработке порошка
  • Факторы поиска сырья
  • Требования к запасам и логистике

Характеристики распределения частиц по размерам

В большинстве технологий присадки металлов используются порошки размером от 10 до 150 микрон. Более мелкие частицы размером менее 45 микрон обычно используются в технологиях порошкового слоя, в то время как более крупные частицы подходят для процессов осаждения связанных металлов.

Типичные диапазоны размеров включают:

  • D10: 10 - 25 микрон
  • D50: 20 - 45 микрон
  • D90: 35 - 100 микрон

Крупные частицы диаметром более 100 микрон обеспечивают более высокую скорость осаждения для процессов с направленной энергией, таких как лазерная наплавка или электронно-лучевая сварка. Более мелкие частицы диаметром менее 45 микрон улучшают разрешение, качество поверхности и механические свойства при плавке в порошковом слое.

Градусы металлических порошков

Большинство сплавов выпускается в различных классах качества в зависимости от требований к применению, стандартов испытаний, пределов загрязнения и используемого метода производства.

Более высокие марки обычно увеличивают стоимость, но уменьшают количество дефектов и улучшают характеристики. Применяются компромиссы между стоимостью и возможностями.

КлассОписаниеЦена
ПромышленностьЭкономичность, более высокие уровни кислорода/азота, ограниченное количество испытаний$$
Аэрокосмическая промышленностьСтрогие стандарты, низкий уровень загрязнения, полное тестирование на соответствие требованиям.$$$
ПользовательскоеЭкзотические сплавы, высокая чистота, специфические применения$$$$

Переработка порошков

Учитывая высокую стоимость сырья для нишевых сплавов, переработка использованного порошка может значительно улучшить экономику.

Однако загрязнение, вызванное многократным повторным использованием, ухудшает текучесть, химический состав и свойства деталей уже через 5-10 сборок. Для поддержания качества необходимо пополнять запасы свежего порошка.

Соображения, связанные с поиском поставщиков

Надежный доступ к определенным сортам, гранулометрическому составу и маркам порошка необходим для обеспечения непрерывности производства. Ключевую роль играют такие факторы, как время выполнения заказа, минимальный объем заказа, уровень запасов, логистика и географическая близость.

В общем, понимание спецификаций порошков, их качества, переработки и нюансов поиска поставщиков жизненно важно для успешной навигации по цепочке поставок металлического AM.

Теперь, когда мы рассмотрели марки порошка и факторы поставки, в следующем разделе мы рассмотрим затраты, связанные с основными сплавами.

Анализ стоимости металлических порошков для AM

Металлические порошки на порядки дороже, чем обычные пластиковые нити и агломерационные порошки для 3D-печати. Стоимость существенно различается для разных сплавов, распределений по размерам, уровней качества, объемов заказов и географических регионов.

В этой таблице приведены ориентировочные диапазоны стоимости для распространенных сплавов и марок, подходящих для основных процессов металлической AM:

Металлический порошокРазновидности сплавовСтоимость за кг
Нержавеющая сталь316L, 17-4PH, 303, 440C$$
Инструментальная стальH13, M2, M4, D2$$$
Титановые сплавыTi-6Al-4V, Ti 6242, TiAl$$$$
Алюминиевые сплавы2024, 7075, 6061$$
Inconel625, 718$$$$
Кобальтовый хромCoCr MP1, CoCrMo$$$$

Где $ = десятки, $$ = сотни, $$$ = тысячи в долларах США за кг.

Более нишевые сплавы или специфические свойства и распределение материалов еще больше увеличивают затраты из-за меньших объемов производства. Мелкосерийное производство также имеет более высокую стоимость по сравнению с оптовыми заказами.

Металлические и пластиковые порошки

МатериалТипичная стоимость за кг
PLA пластик$20-50
АБС-пластик$25-100
Нержавеющая сталь 316L$50-150
Алюминий 2024$70-200
Инконель 718$150-600

Хотя металлические порошки в 10-100 раз дороже пластмасс в расчете на единицу веса из-за материалоемкости, металлы обеспечивают значительно более высокие механические свойства, термостойкость и потенциал конечного использования.

Таким образом, выбор сплава, степень чистоты, спецификации распределения и параметры заказа существенно влияют на стоимость порошка. Однако улучшенные характеристики деталей оправдывают более высокие цены на металл для критических применений.

Теперь, когда расходы на порошок рассмотрены, в следующем разделе мы сравним преимущества и недостатки различных сплавов.

Металлический порошок для 3d-печати

Преимущества и недостатки металлических порошков

Идеального металлического порошка для AM-приложений не существует. Выбор материала предполагает поиск компромиссов между размерами частиц, механическими свойствами, потребностями в последующей обработке, классами качества и факторами снабжения.

Порошки из нержавеющей стали

  • Преимущества: Экономичный материал, отличная коррозионная стойкость, возможность переработки, налаженные цепочки поставок
  • Ограничения: Только умеренные механические свойства, часто требуется постобработка

Порошки для инструментальной стали

  • Преимущества: Очень высокая твердость/износостойкость при старении, жаростойкость/температуростойкость, высокая обрабатываемость
  • Ограничения: Необходим тщательный контроль термических профилей. После обработки может стать хрупким.

Порошки титановых сплавов

  • Преимущества: Высокая удельная прочность, биосовместимость для имплантатов, коррозионная стойкость
  • Ограничения: Очень дорогой, сильно реагирует на загрязнение кислородом в процессе обработки

Порошки алюминиевых сплавов

  • Преимущества: Потенциал облегчения, умеренная стоимость
  • Ограничения: Ограниченные высокотемпературные свойства, более низкая прочность на разрыв, чем у сталей/титана

Порошки никелевого суперсплава

  • Преимущества: Выдерживают экстремальные температуры/окисление/коррозию
  • Ограничения: Очень дорого, сложно обеспечить полную плотность и обработку

Порошки драгоценных металлов

  • Преимущества: Биосовместимость, эстетика, уникальные свойства
  • Ограничения: Большие затраты на сырье, ограниченная техническая функциональность

В итоге, несмотря на то, что универсального оптимального порошка не существует, в данном руководстве рассмотрен широкий спектр вариантов по стоимости, возможностям и ограничениям для обоснования выбора.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

В этом разделе часто задаваемых вопросов содержатся ответы на распространенные вопросы о металлических порошках для аддитивного производства:

В: Какой металл наиболее широко используется для 3D-печати?

О: Нержавеющая сталь 316L широко применяется для изготовления деталей конечного использования в аэрокосмической промышленности, автомобилестроении, медицинской технике и промышленных компонентах благодаря своей доступности, дешевизне и умеренной коррозионной стойкости.

Вопрос: Какой сплав обеспечивает наилучшее соотношение прочности и веса?

О: Титановые сплавы, такие как Ti-6Al-4V, обеспечивают очень высокую удельную прочность, превышающую прочность алюминия и приближающуюся к прочности высококачественных сталей. Медицинские имплантаты используют биосовместимость и прочность титана. Диффузионное соединение улучшает межслойную адгезию.

Вопрос: Чем свойства материала металлических деталей AM отличаются от традиционных методов?

О: Уникальные термические профили, получаемые при лазерном/электронно-лучевом плавлении, создают дифференцированные микроструктуры, часто устраняя границы зерен для повышения прочности и твердости. Однако свойства становятся зависимыми от ориентации сборки.

В: Какие методы позволяют улучшить качество обработки поверхности?

О: Дополнительная последующая обработка с помощью ЧПУ и шлифования или специализированная электрополировка позволяют добиться шероховатости поверхности менее 5 микрон, что соответствует самым высоким стандартам качества. Отжиг также позволяет снизить остаточные напряжения.

Вопрос: Какой сплав лучше всего подходит для высокотемпературных применений?

О: Никелевые суперсплавы, такие как Inconel 718, сохраняют прочность и коррозионную стойкость при температуре до 700°C и находят применение в камерах сгорания реактивных двигателей, соплах ракет и ядерных реакторах.

узнать больше о процессах 3D-печати

Поделиться

Facebook
Twitter
LinkedIn
WhatsApp
Электронная почта

MET3DP Technology Co., LTD - ведущий поставщик решений для аддитивного производства со штаб-квартирой в Циндао, Китай. Наша компания специализируется на производстве оборудования для 3D-печати и высокопроизводительных металлических порошков для промышленного применения.

Сделайте запрос, чтобы получить лучшую цену и индивидуальное решение для вашего бизнеса!

Похожие статьи

Получите информацию о Metal3DP
Брошюра о продукции

Получить последние продукты и прайс-лист