Металлический порошок для аддитивного производства: Обзор

Аддитивное производствоВ технологии 3D-печати в качестве сырья для создания металлических деталей и изделий слой за слоем используются металлические порошки. Свойства и характеристики металлического порошка оказывают значительное влияние на качество, механические свойства, точность и производительность 3D-печатных металлических компонентов. В этой статье представлен полный обзор металлических порошков для аддитивного производства.

Типы металлических порошков для аддитивного производства

Существуют различные типы металлов и сплавов, доступные в виде порошка для использования в технологиях 3D-печати. Наиболее часто используемые металлические порошки включают:

Типы металлических порошков для аддитивного производства

Форма частиц, распределение по размерам, характеристики текучести и микроструктура металлического порошка могут значительно отличаться в зависимости от метода производства. Это влияет на плотность упаковки, распределяемость и поведение при спекании во время 3D-печати.

Методы производства металлических порошков

Существует несколько технологий производства металлических порошков для аддитивного производства:

Методы производства металлического порошка

Газовое распыление и распыление водой - наиболее распространенные методы получения мелкодисперсных порошков для процессов 3D-печати с порошковым напылением. Технология производства порошка влияет на состав, форму частиц, пористость, характеристики текучести, микроструктуру и стоимость металлического порошка.

Свойства и характеристики металлических порошков

Свойства металлических порошков, используемых в аддитивном производстве, играют решающую роль в определении качества конечной детали, механических свойств, точности, качества обработки поверхности и производительности. Некоторые ключевые характеристики включают:

Свойства металлических порошков для аддитивного производства

Соблюдение строгих требований к характеристикам порошка имеет решающее значение для достижения высокой плотности, хороших механических свойств и качества аддитивно изготовленных деталей.

Технические характеристики металлических порошков

Металлические порошки, используемые в аддитивном производстве, должны соответствовать определенным спецификациям по составу, гранулометрическому составу, скорости потока, кажущейся плотности и микроструктуре. Некоторые распространенные спецификации металлических порошков включают:

Типовые спецификации металлических порошков для аддитивного производства

Распределение частиц по размерам имеет решающее значение: обычные размеры частиц D10, D50 и D90 находятся в диапазоне 5-100 микрон. Более плотное распределение улучшает плотность слоя порошка и разрешение. Такие стандарты, как ASTM F3049, F3301 и ISO/ASTM 52921, устанавливают строгие правила для металлических порошков, используемых в аддитивном производстве.

Применение металлических порошков в аддитивном производстве

Металлические порошки используются в различных технологиях аддитивного производства для печати функциональных металлических деталей в различных отраслях промышленности:

Применение металлических порошков в аддитивном производстве

Аддитивное производство с использованием металлических порошков идеально подходит для изготовления сложных, индивидуальных деталей с улучшенными механическими свойствами и формами, которые невозможно получить при обычном производстве. Расширение ассортимента доступных металлических сплавов продолжает расширять сферу их применения в различных отраслях промышленности.

Анализ затрат Металлические порошки

Тип металлического порошка и требуемое качество оказывают значительное влияние на стоимость материала при аддитивном производстве. Некоторые типичные затраты на металлический порошок составляют:

Диапазон цен на металлические порошки для аддитивного производства

Цены зависят от состава сплава, характеристик частиц, качества порошка и объема закупки. Сокращение отходов материала путем переработки неиспользованного порошка может повысить экономическую эффективность печати с использованием дорогих сплавов.

Подробная разбивка цен на металлические порошки

Затраты, связанные с металлическими порошками, могут составлять значительную часть общих расходов на аддитивное производство. В этом разделе подробно описаны текущие цены на различные металлические сплавы:

Ценообразование на порошки титановых сплавов

Наиболее часто используемый сплав Ti-6Al-4V для аэрокосмических применений стоит от $250-500/кг. Более современные титановые сплавы могут стоить более $800/кг.

Порошковая окраска алюминиевого сплава

Алюминиевые сплавы обычно стоят $80-150/кг, а специализированные составы и порошки с нано-армированием - $250-500/кг.

Цены на порошок никелевого сплава

Никелевые суперсплавы варьируются от $120-800/кг в зависимости от состава сплава, характеристик частиц и объемов оптовых заказов.

Драгоценные металлы, используемые для изготовления ювелирных изделий и медицинских приборов, стоят очень дорого - от $1500-3000/кг за золото, серебро и платиновые сплавы.

Понимание текущего уровня цен на наиболее распространенные сплавы позволяет обоснованно выбирать экономически эффективные материалы для конкретных применений.

Ценообразование на порошок из нержавеющей стали

Цены на порошки из нержавеющей стали варьируются от $30-200/кг в зависимости от марки. Более специализированные сплавы и композиции с более жесткими техническими условиями имеют более высокие цены.

Ценообразование на порошок для инструментальной стали

Цены на порошок из инструментальной стали варьируются от $80-250/кг в зависимости от твердости, состава сплава и характеристик частиц.

Цены на порошок медного сплава

Порошки меди и медных сплавов, используемые для определения их тепловых и электрических свойств, составляют $50-150/кг.

Цены на порошок кобальто-хромового сплава

Медицинские кобальто-хромовые сплавы варьируются в пределах $170-300/кг в зависимости от состава и характеристик частиц.

В целом цены на металлические порошки варьируются в широком диапазоне в зависимости от сплава, метода производства, качества и объема заказа. Однако понимание текущих рыночных цен помогает ориентироваться при проектировании изделий и выборе материалов для аддитивного производства.

В аддитивном производстве существует два основных подхода, использующих металлические порошки: процессы плавления в порошковом слое и процессы направленного энергетического осаждения. В этом разделе сравниваются различные требования к порошку и его характеристики при использовании порошкового слоя и выдувного порошка.

Процессы плавления в порошковом слое

В процессах плавления в порошковом слое, таких как селективное лазерное спекание (SLS) и электронно-лучевое плавление (EBM), металлический порошок распределяется тонкими слоями по рабочей пластине и выборочно плавится источником тепла слой за слоем для изготовления детали. Некоторые ключевые различия в свойствах порошков включают:

Требования к порошкам для порошкового наплавления

Сферические газоатомизированные порошки с контролируемым распределением по размерам и хорошей текучестью идеально подходят для процессов AM с оплавлением в порошковом слое.

Порошковое направленное осаждение энергии

В таких технологиях DED, как лазерное формование сетки (LENS) и электронно-лучевое аддитивное производство (EBAM), металлический порошок непосредственно впрыскивается в расплавленный бассейн, созданный лазером или электронно-лучевым источником тепла. Основные отличия порошка от порошкового слоя:

Требования к порошкам для выдувного порошка DED

При использовании выдувного порошка DED требования к исходному порошковому сырью более гибкие по сравнению с процессами плавления в порошковом слое. Ключевым преимуществом DED является возможность использования более дешевых методов производства порошка.

Соображения по качеству и стоимости порошка

Таким образом, сплавление в порошковом слое предъявляет более жесткие требования к характеристикам порошка для предотвращения дефектов и получения деталей высокой плотности. Это обычно требует использования более дорогих порошков, распыляемых газом. Сварка с вдуванием порошка обеспечивает большую гибкость в использовании более дешевых порошков, но это может повлиять на механические свойства и точность. Размер детали, требования к чистоте поверхности, механические характеристики и бюджет являются ключевыми факторами при выборе подходящего процесса аддитивного производства и порошкового сырья.

Аддитивное производство металломатричных композитов

Металломатричные композиты (MMC) с керамическими армирующими элементами являются новой областью аддитивного производства на основе порошка. В этом разделе представлен обзор печати ГМК с использованием порошкового наплавления и направленного осаждения энергии из выдувного порошка.

Аддитивное производство ГМК с использованием порошкового наплавления

Армирующие вещества, такие как карбиды, бориды и оксиды, могут быть смешаны с порошками металлических сплавов для печати армированных частицами металломатричных композитов с улучшенными свойствами:

Порошки ГМК для порошкового наплавления AM

Однако такие факторы, как разница в температурах плавления, плохая смачиваемость и агломерация армирующих элементов, могут стать причиной дефектов и проблем при печати высококачественных деталей из ГМК. Для успешной печати плотных, изотропных ГМК методом AM с порошковым напылением необходимы наноразмерные армирующие элементы и индивидуально подобранные параметры смешивания и распределения порошка.

Аддитивное производство ГМК с использованием выдувного порошка DED

Подходы с использованием выдувного порошка DED дают преимущества для печати ГМК:

• Арматура может быть непосредственно введена в расплав, что позволяет избежать проблем с агломерацией
• Быстрое плавление и затвердевание улучшает распределение керамики
• Можно использовать частицы большего размера и более высокие фракции армирования

Однако контроль содержания армирующего материала по всей высоте конструкции и его равномерное распределение остаются сложной задачей. Гибридные системы AM, сочетающие порошковое наплавление и DED, позволяют печатать металлы высокой плотности, такие как медь, в виде непрерывной матрицы с помощью порошкового наплавления, а керамические армирующие элементы одновременно впрыскиваются для локального усиления или упрочнения участков.

В целом, аддитивное производство позволяет изготавливать сложные компоненты ГМК сетчатой формы с локально настраиваемыми составами и свойствами, что невозможно при традиционном производстве композитов. Однако разработка исходных порошков и параметров печати, адаптированных к конкретным металлокерамическим системам, необходима для реализации всего потенциала печати ГМК, армированных частицами, с помощью АМ.

Часто задаваемые вопросы о металлических порошках для аддитивного производства

Здесь представлены ответы на некоторые распространенные вопросы о металлических порошках, используемых в процессах аддитивного производства:

Часто задаваемые вопросы о металлических порошках для AM

В: Какой металлический порошок чаще всего используется для 3D-печати?

О: Алюминиевые сплавы, в частности AlSi10Mg, являются одними из самых популярных металлов для порошкового AM в аэрокосмической, автомобильной и промышленной отраслях благодаря их малому весу, коррозионной стойкости и экономическим преимуществам по сравнению с титановыми и никелевыми сплавами.

Вопрос: Какой самый дорогой металлический порошок?

О: Драгоценные металлы, такие как золото, серебро и платина, имеют самую высокую стоимость материала - $1500-3000 за килограмм. Титановые сплавы также относительно дороги - более $200/кг. Никелевые суперсплавы стоят от $100-300/кг в зависимости от состава.

Вопрос: В чем разница между первичным и переработанным металлическим порошком?

О: Виргинский порошок - это свежеприготовленный порошок, который ранее не использовался в печати. Переработанный порошок - это порошок, восстановленный после печати и использованный повторно. Переработанный порошок может быть дешевле 20-30%, но при этом существует риск загрязнения и изменения свойств после нескольких циклов повторного использования.

Вопрос: Что имеет решающее значение при определении распределения металлического порошка по размерам?

О: Плотный гранулометрический состав очень важен для АМ с порошковым слоем, чтобы обеспечить равномерную толщину слоя, высокую плотность упаковки, хорошую текучесть и разрешение. Типичное распределение стремится к D10: 20-40 микрон, D50: 20-45 микрон, D90 менее 100 микрон.

Вопрос: Как влага в металлическом порошке влияет на процессы AM?

О: Влага, попавшая на частицы порошка, может вызвать их комкование и ухудшение текучести. Избыток влаги также приводит к пористости печатных деталей. Большинство процессов требуют содержания влаги менее 0,2 мас.% в результате сушки.

Вопрос: Какова роль вторичной переработки порошка в AM?

О: Повторное использование неиспользованного порошка после печати позволяет сократить отходы и стоимость материала, особенно для дорогих сплавов. Однако после повторного использования может произойти загрязнение. Процессы с использованием инертной атмосферы или вакуума сводят к минимуму окисление и повышают пригодность к переработке.

Вопрос: Как металлические порошки с бимодальным распределением используются в AM?

О: Бимодальные порошки с двумя различными фракциями крупного и мелкого порошка могут улучшить плотность упаковки и разрешение печати. Более мелкий порошок помещается между более крупными частицами. Однако такие порошки требуют специальных знаний для обеспечения правильного смешивания и обращения.

Вопрос: Позволяет ли АМ использовать более дешевые порошки низкого качества по сравнению с другими процессами?

О: В технологии DED AM с вдуванием порошка можно использовать более дешевые порошки, полученные другими методами производства, которые могут не соответствовать строгим спецификациям для сплавления в порошковом слое. Но при этом могут ухудшаться механические свойства и точность по сравнению с порошками, распыляемыми газом.

Заключение

В целом, металлические порошки служат основным сырьем для изготовления металлических деталей методом 3D-печати с использованием технологий аддитивного производства с порошковым напылением и направленным энергетическим осаждением. Характеристики и качество исходного металлического порошка оказывают сильное влияние на свойства конечной детали, точность, качество обработки поверхности и производительность в аэрокосмической, медицинской, автомобильной и промышленной отраслях. Основными методами производства являются газовое распыление и распыление водой. Ключевые характеристики порошка, такие как распределение частиц по размерам, морфология, кажущаяся плотность, характеристики текучести и микрочистота, должны соответствовать строгим спецификациям для процессов AM и требованиям к конечным деталям. Постоянное совершенствование технологии производства металлических порошков, моделирования и определения характеристик будет иметь решающее значение для раскрытия всего потенциала аддитивного производства металлов.