Порошки для 3D-печати

3D-печать, также известная как аддитивное производство (AM), использует специализированные порошки для создания трехмерных компонентов методом последовательного наслоения. Данное руководство представляет собой подробный справочник по порошкам для 3D-печати: типы, свойства, технические характеристики, методы производства, основные поставщики и цены, применение в различных отраслях, сравнение с альтернативами, часто задаваемые вопросы и многое другое.

Обзор Порошки для 3D-печати

Порошки для 3D-печати - это сырье, позволяющее изготавливать аддитивные детали из пластика, металла и керамики. Ключевые характеристики:

• Состояние: Ультратонкие порошки твердых частиц
• Диапазон размеров: Обычно 10-150 микрон
• Морфология: Чаще всего сферическая форма частиц
• Состав: Полимер, металлический сплав, керамика, смесь песчаника
• Ключевые свойства: Разработанный гранулометрический состав, текучесть, плотность упаковки и микроструктура

Благодаря жесткому контролю физических свойств порошка и его взаимодействия с термическими и кинетическими процессами печати, порошки для 3D-печати позволяют создавать сложные геометрии деталей и градиенты состава материалов, недостижимые иным способом.

Типы порошков для 3D-печати

Категория	Материалы	Способ печати
Пластмассы	Нейлон, ABS, TPU, PEKK, PEEK...	Селективное лазерное спекание (SLS)
Металлы	Нержавеющие, инструментальные стали, титан и сплавы, суперсплавы...	Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)
Керамика	Глинозем, диоксид циркония, карбид кремния	Струйное нанесение связующего, моделирование плавленым напылением
Композиты	Смеси металла и пластика, смеси песчаника	Многоструйная плавка (MJF), осаждение связанного металла
Биосовместимый	PEEK, PLGA, TCP...	Селективное лазерное плавление (SLM)

Таблица 1: Основные категории, материалы и соответствующие печатные платформы для коммерческих порошков для 3D-печати

Полимерные, металлические, керамические и композитные порошки способствуют производству деталей конечного использования на аэрокосмическом, автомобильном, медицинском, стоматологическом и промышленном рынках.

Методы производства

Метод	Описание	Пригодность материала	Преимущества	Недостатки
Распыление	Этот общий термин охватывает различные методы, которые расщепляют расплавленный металл на мелкие частицы. Расплавленный металл выбрасывается через сопло в поток газа или воды под высоким давлением, быстро превращая капли в сферические частицы.	Металлы (железо, алюминий, титановые сплавы)	– Высокая производительность – Постоянный размер и форма частиц – Хорошая сыпучесть порошка	– Требует больших энергозатрат – Возможность образования оксидов на частицах – Ограничено некоторыми материалами
Газовая атомизация	Самый распространенный метод распыления, при котором для разрушения расплавленного металла используется инертный газ (обычно азот).	Похож на распыление, но в целом лучшее качество поверхности и более жесткий контроль над размером частиц.	– Превосходное качество порошка по сравнению с другими методами распыления – Подходит для химически активных металлов	Аналогично распылению, но более высокая стоимость оборудования.
Распыление воды	Для дробления расплавленного металла используется струя воды под высоким давлением. Более рентабельно, чем газовое распыление, но дает меньше сферических частиц.	Некоторые металлы (железо, медь) и некоторые полимеры.	– Более низкая стоимость по сравнению с газовым распылением – Хорошо подходит для материалов, нечувствительных к влаге	– Низкое качество порошка (неправильная форма) – Может быть не идеальным для высокопроизводительного применения
Плазменное распыление	Электрическая дуга нагревает исходный материал (металлическую проволоку или порошок) до расплавленного состояния. Затем расплавленный металл выбрасывается через сопло и распыляется с помощью плазменной горелки.	Широкий выбор материалов (металлы, сплавы, керамика)	– Может работать с материалами с высокой температурой плавления – Подходит для создания композитных порошков	– Сложный и дорогостоящий процесс – Требует строгих мер безопасности
Механическое распыление	Физический процесс, при котором сыпучий материал измельчается в мелкий порошок.	Хрупкие материалы (керамика, некоторые полимеры)	– Более простая и дешевая установка по сравнению с другими методами.	– Ограниченный контроль над размером и морфологией частиц – Могут вноситься примеси во время измельчения
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)	Химический процесс, при котором газообразные предшественники реагируют с образованием твердого осадка на затравочной частице.	Металлы, керамика и некоторые современные материалы.	– Высокая чистота и точный контроль состава частиц – Возможность создания сложной геометрии	– Медленный процесс с ограниченной производительностью – Высокие капиталовложения
Электролитическое распыление	Электролитическая ячейка используется для разложения металлического анода на ионы. Затем ионы соединяются с электронами на катоде, образуя частицы металла.	Металлы	– Экологически чистый процесс (избегает высоких температур) – Подходит для материалов, чувствительных к влаге	– Более низкая производительность по сравнению с методами распыления – Ограничено определенными электролитами и анодными материалами
Сфероидизация	Дополнительный процесс, используемый для улучшения формы порошков неправильной формы, полученных другими методами. Включает термическую обработку или химические процессы, способствующие агломерации частиц в сферы.	Большинство типов порошков (металлы, полимеры, керамика)	– Улучшает сыпучесть порошка и плотность упаковки – Улучшает качество печати	– Добавляет дополнительный этап обработки – Может потребоваться не для всех приложений

Свойства Порошки для 3D-печати

Недвижимость	Описание	Важность для 3D-печати	Примеры и соображения
Размер и распределение частиц	Относится к вариациям размеров отдельных частиц порошка и общему разбросу в различных диапазонах размеров. Измеряется в микрометрах (мкм).	Играет решающую роль в возможности печати, разрешении и плотности конечной детали. – Слишком большой: затрудненная сыпучесть, неравномерное растекание и возможность образования дефектов. – Слишком маленький: Увеличение площади поверхности может привести к слеживанию и плохой упаковке, что повлияет на прочность.	– SLS (селективное лазерное спекание): Обычно предпочитает более мелкие порошки (20–80 мкм) для получения более детальных характеристик. – MJF (многоструйный синтез): Можно использовать частицы немного большего размера (50–100 мкм) благодаря способности струйной технологии преодолевать ограничения потока. – Металлические порошки: Плотное распределение (узкий диапазон) идеально подходит для хорошей плотности упаковки и минимальной пористости в конечной детали.
Морфология частиц	Форма отдельных частиц порошка.	Влияет на то, насколько хорошо частицы упаковываются вместе, текучесть и качество поверхности конечной детали. – Сферический: Обеспечивает наилучшую плотность упаковки и сыпучесть, что позволяет получать прочные и однородные детали. – Неправильные формы: Может создавать зазоры и несоответствия, потенциально влияющие на прочность и качество поверхности.	– Пластиковые порошки: Обычно сферическая или почти сферическая форма для оптимальной печати. – Металлические порошки: Может варьироваться в зависимости от металла и способа производства. Сферическая морфология является предпочтительной, но ее можно достичь с помощью методов постобработки, таких как атомизация.
Текучесть	Легкость, с которой порошок течет под собственным весом или с минимальной силой сдвига.	Критически важен для равномерного нанесения материала и равномерного формирования слоев во время печати. – Хорошая текучесть: Обеспечивает равномерное растекание и минимизирует риск дефектов слоев. – Плохая текучесть: Это может привести к неравномерному нанесению, несоответствиям и потенциальным проблемам с печатью.	– Порошки с узким гранулометрическим составом имеют тенденцию течь лучше из-за меньшего взаимодействия размеров частиц. – Добавки и обработка поверхности может использоваться для улучшения сыпучести за счет уменьшения трения между частицами.
Плотность упаковки	Мера того, насколько плотно частицы порошка могут быть упакованы вместе. Выражается в процентах от общего объема, занимаемого порошком.	Влияет на конечную плотность, прочность и точность размеров печатной детали. – Высокая плотность упаковки: Позволяет получать более плотные детали с улучшенными механическими свойствами и точностью размеров. – Низкая плотность упаковки: В результате получаются детали с более высокой пористостью, потенциально более слабые и менее точные по размерам.	– Форма частиц играет значительную роль. Сферические частицы упаковываются более эффективно, чем частицы неправильной формы. – Такие процессы, как струйная обработка связующего можно извлечь выгоду из несколько более низкой плотности упаковки, чтобы обеспечить правильную инфильтрацию связующего.
Спекаемость	Способность частиц порошка сливаться или связываться вместе в процессе 3D-печати, обычно за счет тепла или энергии лазера.	Необходим для получения прочных и функциональных печатных деталей. – Хорошая спекаемость: Обеспечивает прочное соединение между частицами, что приводит к созданию прочных и функциональных деталей. – Плохая спекаемость: Это может привести к ослаблению соединений и потенциальному выходу детали из строя под нагрузкой.	– Материальная композиция: Металлы обычно обладают хорошей спекаемостью благодаря присущей им способности образовывать прочные связи при высоких температурах. – Полимерные порошки часто требуются специальные добавки или этапы последующей обработки (например, печи для спекания) для улучшения сцепления.
Химический состав	Элементный состав порошкового материала.	Определяет конечные свойства печатной детали, такие как прочность, термостойкость и биосовместимость. – Выбор материала имеет решающее значение в зависимости от желаемого приложения и функциональных требований. – Порошки можно смешивать. для достижения определенных свойств (например, сочетание металлов для улучшения соотношения прочности к весу).	– Металлические порошки Может варьироваться от чистых металлов, таких как титан, до сложных сплавов с индивидуальными свойствами. – Полимерные порошки могут включать нейлоны, полиамиды и биосовместимые материалы для медицинского применения.
Тепловые свойства	Поведение порошкового материала при различных температурах, включая температуру плавления, теплопроводность и коэффициент теплового расширения.	Факторы воздействия, такие как стабильность размеров, деформация и тепловая деформация во время печати и последующей обработки. – Контролируемое отопление важно, чтобы избежать превышения температурных пределов материала и возникновения дефектов деталей. – Соответствие термических свойств порошка и платформы для сборки минимизирует коробление и обеспечивает точность размеров.	– Металлические порошки часто имеют высокие температуры плавления и требуют точного контроля температуры во время лазерных процессов, таких как SLM (селективное лазерное плавление). – Полимерные порошки может размягчиться или расплавиться при более низких температурах,

Технические характеристики порошка для 3D-печати

Недвижимость	Описание	Влияние на возможности печати и качество деталей	Примеры материалов
Размер и распределение частиц	Относится к диаметру отдельных частиц и вариациям внутри порошка. Измеряется в микронах (мкм).	Мелкие порошки (< 50 мкм) обеспечивают высокое разрешение и чистоту поверхности, но могут быть трудны для растекания и могут требовать специального обращения. Более крупные порошки (> 100 мкм) улучшают текучесть, но могут ограничивать детализацию и увеличивать шероховатость поверхности. Узкое распределение по размерам обеспечивает стабильные характеристики упаковки и печати.	Полимеры: Нейлон (15–75 мкм), Полипропилен (40–100 мкм)
Морфология частиц	Форма отдельных частиц порошка.	Сферические частицы свободно текут и эффективно упаковываются, что обеспечивает хорошие возможности печати. Неправильные формы могут улучшить соединение между частицами, но могут вызвать проблемы с растеканием и потребовать специальных методов печати.	Полимеры: Обычно сферическая форма из-за производственных процессов.
Кажущаяся плотность и плотность упаковки	Кажущаяся плотность — это масса порошка на единицу объема в рыхлом, насыпанном состоянии. Плотность упаковки – это максимальная плотность, достижимая после постукивания или вибрации.	Кажущаяся плотность влияет на текучесть порошка и его обработку. Плотность упаковки влияет на конечную плотность печатной детали и ее механические свойства. Более высокая плотность упаковки обычно приводит к получению более прочных деталей.	Полимеры: Кажущаяся плотность (0,3-0,8 г/см³), Плотность упаковки (0,5-0,9 г/см³)
Текучесть	Легкость, с которой порошок течет под действием силы тяжести или при минимальном перемешивании.	Хорошая текучесть имеет решающее значение для равномерного распределения порошка во время печати. Плохая текучесть может привести к неравномерности слоев и дефектам печати.	Полимеры: Обычно сыпучие из-за своей сферической морфологии. Для улучшения текучести можно использовать добавки.
Содержание влаги	Количество водяного пара, задержанного внутри частиц порошка.	Избыточная влага может вызвать проблемы во время печати, такие как взрывы пара или нестабильное плавление. Большинство порошков требуют строгого контроля влажности.	Полимеры: Обычно очень низкое содержание влаги (< 0,1 wt%) для предотвращения гидролиза и обеспечения стабильных характеристик печати.
Химический состав и чистота	Элементный состав порошка и наличие каких-либо примесей.	Химический состав определяет конечные свойства печатной детали. Примеси могут повлиять на печатные свойства, механические характеристики и качество поверхности.	Полимеры: Используется материал высокой чистоты, обеспечивающий стабильные свойства и возможность печати.
Тепловые свойства	Температура плавления, температура стеклования (Tg) полимеров и теплопроводность.	Термические свойства влияют на параметры процесса печати и конечную микроструктуру печатной детали.	Полимеры: Точка плавления и Tg имеют решающее значение для настройки параметров печати, таких как мощность лазера или температура стола.

Поставщики порошка для 3D-печати

Материал	Ключевые приложения	Представительные поставщики	Соображения
Полимерные порошки	– Прототипирование – Функциональные части – Медицинские изделия – Товары народного потребления	* Полиамид (Нейлон): БАСФ, Эвоник, Аркема * Полимолочная кислота (PLA): NatureWorks, ExxonMobil Chemical, DuPont * Полипропилен (PP): Роял ДСМ, САБИК, Репсол	* Размер и распределение частиц влияют на возможность печати и свойства конечной детали. * Свойства материала, такие как термостойкость, гибкость и биосовместимость, различаются. * Учитывайте химическую совместимость с методами последующей обработки.
Металлические порошки	– Компоненты аэрокосмической отрасли – Автомобильные детали – Медицинские имплантаты – Инструменты и штампы	* Титановые сплавы: AP Powder Company, Höganäs, GE Additive * Нержавеющая сталь: Аддитивное производство Carpenter, SLM Solutions, EOS GmbH * Алюминиевые сплавы: Rio Tinto Alcan, DLP Manufacturing, Exone	* Морфология (форма) порошка влияет на сыпучесть и плотность упаковки. * Размер зерна влияет на механические свойства конечной детали. * Протоколы безопасности имеют решающее значение при работе с порошками химически активных металлов.
Композитные порошки	– Легкие конструкции с высокой прочностью – Проводящие компоненты – Биосовместимые имплантаты с улучшенными свойствами	* Полимерно-металлические композиты: Технология LPW, Markforged, Настольный металл * Металлокерамические композиты: Sandvik Hyperion, Extrume Hone, Plasma Technik * Полимерно-углеродные композиты: Stratasys, Металлический настольный компьютер, Henkel	* Выбор зависит от желаемой комбинации свойств (прочность, проводимость, биосовместимость). * Для достижения оптимальной производительности взаимодействие между различными материалами требует тщательного рассмотрения. * Параметры печати могут нуждаться в корректировке по сравнению с порошками из одного материала.

Применение Порошки для 3D-печати

Порошки для печати уникальным образом облегчают изготовление сложных деталей с индивидуальной геометрией в различных отраслях промышленности:

Промышленность	Пример компонентов	Преимущества
Аэрокосмическая промышленность	Лопасти турбин, сопла ракет, шасси БПЛА	Снижение веса, повышение производительности
Медицина	Имплантаты, протезы, подобранные под пациента	Индивидуальный размер, биологическая совместимость
Автомобильная промышленность	Теплообменники, легкие элементы шасси	Консолидация деталей, эффективность
Промышленность	Изготовление на заказ оснастки, приспособлений	Сокращение сроков разработки

Таблица 5: Основные отрасли, использующие порошковые возможности 3D-печати

Возможность быстрой итерации дизайна и экономичной печати коротких тиражей позволяет создавать инновационные детали для конечного использования.

Плюсы и минусы 3D-печати на основе порошка

Плюсы	Cons
Высокая точность и разрешение	Обращение с порошком и безопасность
Широкий выбор материалов	Ограниченный размер сборки
Минимальные структуры поддержки	Требования к постобработке
Высокие темпы производства	Высокие первоначальные инвестиции

Вопросы и ответы

Вопрос: Какой диапазон размеров частиц лучше всего подходит для металлических порошков для 3D-печати?

A: 10-45 мкм способствует хорошей упаковке и распределению, избегая проблем с ультратонким порошком при работе с ним. Большинство сплавов хорошо работают при распределении 30±15 мкм.

Вопрос: Какой процесс 3D-печати из полимерных порошков обеспечивает наилучшие механические характеристики?

О: Селективное лазерное спекание (SLS) обеспечивает превосходное сплавление и тонкую обработку деталей, создавая высокопроизводительные пластиковые детали, конкурирующие с процессами литья под давлением или превосходящие их.

В: Как долго может храниться неиспользованный порошок для 3D-печати?

О: При хранении в сухом прохладном помещении с влагопоглотителем порошки сохраняют текучесть не менее 12 месяцев. Даже вскрытые порошки сохраняют текучесть в течение 6+ месяцев до заметного ухудшения свойств.

В: Оказывает ли качество исходного порошка существенное влияние на свойства напечатанных деталей?

О: Да, химическая чистота порошка и адекватный контроль его характеристик в значительной степени определяют механические свойства конечной детали, эстетику, точность размеров и надежность работы.

узнать больше о процессах 3D-печати