аддитивное производство металлический порошок

Аддитивное производство3D-печать, также известная как 3D-печать, совершает революцию в производстве во всех отраслях промышленности. Одним из ключевых материалов, который делает это возможным, является металлический порошок. Поскольку аддитивное производство продолжает стремительно развиваться, понимание сути металлических порошков крайне важно.

Когда мы задумываемся о металлической 3D-печати, легко сосредоточиться на умопомрачительных принтерах. Однако все это не работает без высококачественного металлического порошка! Этот порошок служит "чернилами" для печати сложных металлических деталей слой за слоем.

Но из чего состоит хороший металлический порошок? Какие типы используются сегодня? И почему это имеет значение? В этом руководстве мы подробно рассмотрим все, что вам нужно знать.

Металлический порошок 101

Во-первых, что такое металлический порошок? Проще говоря, это мелкодисперсный металлический материал в виде порошка, используемый в качестве основного сырья для 3D-печати металлических компонентов.

Я знаю, что вы думаете... металлический порошок больше похож на химический эксперимент, чем на инженерный материал! Но размер и консистенция частиц здесь не случайны. Металлические порошки для AM тщательно разрабатываются в соответствии со строгими спецификациями.

Это обеспечивает целостность материала, необходимую для создания прочных реальных деталей. Теперь давайте разберемся в критических характеристиках, которые отличают качественные порошки для печати на металле.

Аддитивное производство Виды металлических порошков

Многие металлы и сплавы могут быть превращены в тонкие однородные порошки для аддитивного производства. Но пока только некоторые из них нашли широкое применение.

Вот список наиболее распространенных металлических порошков, используемых сегодня в 3D-печати:

Материал	Основные свойства
Титан	Высокое соотношение прочности и массы, биосовместимость
Алюминий	Легкий, устойчивый к коррозии
Нержавеющая сталь	Высокая прочность, устойчивость к коррозии и высоким температурам
Кобальтовый хром	Биосовместимость, высокая твердость.
Никелевые сплавы	Термо/коррозионная стойкость, ковкость
Инструментальные стали	Термообработка, высокая твердость

Титан и алюминий активно используются в аэрокосмической и автомобильной промышленности, где важна экономия веса. Нержавеющая сталь охватывает широкий спектр применений, требующих хороших физических свойств. Экзотические сплавы, такие как кобальт-хром и никелевые сплавы, используются в медицине и при высоких температурах. А инструментальные стали идеально подходят для изготовления промышленной оснастки, пресс-форм и штампов, требующих высокой износостойкости после термообработки.

Теперь давайте разберем особенности порошковой металлургии более подробно!

Состав металлического порошка

Как уже говорилось, металлические порошки содержат чистые цветные металлы или металлические сплавы в виде очень мелких сферических частиц. Что касается состава частиц? Как правило, порошки делятся на следующие категории:

• Предварительные сплавы: Однородные частицы с равномерным внутренним химическим составом в каждом зерне порошка
• Смешанные сплавы: Физические смеси различных чистых металлических порошков в определенных соотношениях для достижения желаемого химического состава после печати
• Гибридные сплавы: Частицы содержат некоторые участки одного металла или сплава, смешанные с участками другого состава в каждом зерне порошка.

Предварительные сплавы обеспечивают однородность, поскольку каждая частица обладает идентичными свойствами. Однако смешанные сплавы обеспечивают большую гибкость при создании нестандартных материалов. В действительности большинство порошков для печати по металлу, используемых сегодня, - это предварительные сплавы. Но смешанные и гибридные порошки добавляют уникальные возможности.

Основные характеристики металлических порошков

Теперь перейдем к мясу и картофелю! Что именно делает металлический порошок подходящим для 3D-печати? Оказывается, характеристики порошка действительно имеют значение, будь то порошковая термоплавка или печать методом направленного энергетического осаждения. Вот важнейшие из них:

Размер частиц: Сырой металлический порошок начинается с 1-100 микрон, а затем классифицируется на диапазоны размеров менее 45 микрон для совместимости с AM. Обычные диапазоны - 0-10, 10-45 или 10-30 микрон.

Форма частиц: Сферические, текучие частицы печатаются лучше, чем неровные хлопья. Порошки должны демонстрировать хорошую текучесть без слипания.

Распределение частиц по размерам: Узкое распределение с минимальным количеством сателлитов и мелких частиц обеспечивает однородность отпечатков. Стандарты требуют гауссовых кривых с 95% между обозначенными наименьшими и наибольшими размерами.

Кажущаяся плотность: Более высокие плотности, превышающие 50% от плотности материала, печатают лучше из-за физики порошкового слоя. Значения варьируются в широком диапазоне 30-80% в зависимости от состава.

Плотность крана: Тест, измеряющий изменение плотности под воздействием вибрации. Высокая плотность отвода выше 65% указывает на лучшую укладку и распределяемость.

Скорость потока: Ключевой показатель растекаемости порошка в шкале от 1 (очень плотный) до 10 (свободно текущий). Большинство металлических AM-порошков находятся в диапазоне 3-6, причем более высокий показатель лучше.

Существуют и более сложные показатели, такие как коэффициент Хаузнера, индекс Карра и плотность Скотта, используемые для характеристики текучести и межчастичных взаимодействий, влияющих на качество. Но что же делать со всей этой загадочной статистикой порошка? Давайте выясним, как эти свойства влияют на качество печати металлов в реальном мире.

Почему свойства металлических порошков имеют значение

На первый взгляд, важность всех этих характеристик гранулированного порошка может быть неочевидной. В конце концов, разве не новые блестящие принтеры выполняют всю настоящую работу?

Короче говоря, пудра имеет большее значение, чем вы думаете! Вот почему:

• Распространение порошка в принтерах зависит от динамики потока и плотности упаковки. Частицы, которые хорошо распределяются и плотно упаковываются, позволяют создавать более тонкие печатные слои для повышения точности и качества поверхности.
• Размер частиц напрямую влияет на минимальное разрешение. Более мелкие частицы размером около 10 микрон лучше справляются со сложными деталями. Сверхтонкие нанопорошки размером менее 1 микрона могут обеспечить чрезвычайно высокое разрешение.
• Равномерный гранулометрический состав предотвращает появление таких дефектов, как пористость или растрескивание, вызванные расслоением частиц и препятствующие получению плотных отпечатков.
• Сферические частицы лучше сплавляются между печатными слоями, поскольку они плотно упакованы и равномерно плавятся при воздействии лазерного или электронного луча во время печати.
• Кажущаяся плотность показывает, сколько твердого материала содержится в определенном объеме порошка. Более высокая плотность позволяет увеличить фактическое содержание металла в процессе печати.

Другими словами, качественный порошок - это качественные отпечатки! Теперь давайте посмотрим, как на самом деле производятся порошки со свойствами, специально подобранными для аддитивного производства.

Производство металлических порошков

Превращение сырья в прецизионные сферические порошки размером менее 45 микрон - это целое искусство и наука. Специализированные технологии производства порошков для металлического AM включают:

• Распыление газа: Взрывная обработка расплавленного металлического сплава инертным газом под высоким давлением, чтобы разбить его на мелкие капли, которые застывают в порошок. Наиболее распространенный метод, позволяющий получить небольшие сферические частицы, идеально подходящие для печати.
• Распыление воды: Используют водяную струю для распыления расплавленного металла в порошок. Более низкая стоимость, но ограничена для реактивных материалов, таких как титан или алюминий.
• Плазменное распыление: Использование плазменного резака для распыления сплавов с чрезвычайно высокими температурами плавления, не поддающихся газовому распылению.
• Индукционная плавка электродов: Многократное расплавление и испарение конца металлического стержня в инертной атмосфере, что позволяет каплям затвердевать в порошок. Более дешевый источник нишевых сплавов.
• Механическая убыль: Физическое измельчение металлического сырья до порошкообразного состояния с помощью шарового размола или других способов пульверизации. Наименее предпочтительны из-за несферической формы частиц.
• Электролиз: Электрическое извлечение чистых реактивных металлов, таких как титан, из расплавленных солей в виде порошка. Источник специальных реактивных порошков для печати.
• Химическое восстановление: Получение металлических порошков, таких как никель, путем химических реакций и осаждения из водных растворов.

На приведенной ниже диаграмме представлена сравнительная характеристика каждой современной технологии производства пороха:

Метод	Уровень затрат	Материалы	Морфология частиц	Общее использование
Газовая атомизация	Высокая	Большинство сплавов	Сферическая	Основные порошки AM
Распыление воды	Низкий	Ограниченные сплавы	Нерегулярный	Нишевые приложения
Плазменное распыление	Очень высокий	Реактивные металлы	Сферическая	Аэрокосмические сплавы
Оплавление электродов	Низкий/Умеренный	Большинство сплавов	Сферическая	Нестандартные сплавы
Механическая убыль	Низкий	Любой металл	Хлопья	Наследные порошки
Электролиз	Высокая	Реактивные металлы	Переменная	Специальные порошки
Химическое сокращение	Умеренный	Некоторые чистые металлы	Переменная	Нишевые порошки

Теперь, когда мы ознакомились с методами изготовления порошков, давайте рассмотрим коммерческие металлические порошки, разработанные специально для аддитивного производства.

Поставщики металлических порошков

Сегодня множество профессиональных поставщиков предлагают широкий ассортимент специализированных металлических AM-порошков. Однако качество у разных поставщиков может сильно различаться.

При оценке источников металлического порошка следует учитывать не только основные характеристики, но и преимущества:

• Вертикально интегрированное производство порошков на собственном заводе для контроля качества
• Ассортимент доступных материалов, включая нестандартные сплавы
• Исследования и разработки новых сплавов, не доступных в других странах
• Масштабное серийное производство по заказу в сравнении с производством смесей по требованию
• Услуги по испытанию порошков и возможности отбора проб
• Возможность безопасного хранения и транспортировки
• Программы выкупа или утилизации

Учитывая эти советы покупателям, ниже представлены ведущие мировые поставщики металлических порошков профессионального класса для AM:

Производитель металлических порошков	Предлагаемые материалы	Примечательные моменты
AP&C	Титан, тантал, ниобий, сплавы	Аэрокосмическая отрасль, плазменное распыление
Arconic	Алюминиевые, титановые, никелевые сплавы	Вертикальная интеграция, широкий ассортимент материалов
Столярная присадка	Нержавеющие стали, кобальт-хром и многое другое	Нестандартные сплавы, внимание к качеству
Erasteel	Инструментальные стали, нержавеющие стали	Различные марки стали и способы обработки
GE Additive	Титан, алюминий, кобальтовый хром и многое другое	OEM-производство, широкий ассортимент материалов
Hoganas	Нержавеющие стали, инструментальные стали	Опыт работы в отрасли, масштаб
Технология LPW	Титан, алюминий, никель и многое другое	Металлический порошок R&D, тестирование качества
Praxair	Титановые, никелевые, кобальтовые сплавы	Наследие промышленных газов и порошков
Sandvik	Нержавеющие стали, суперсплавы и многое другое	Признанный лидер в производстве порошковых металлов

Наряду с ведущими мировыми поставщиками появляются и более мелкие экспертные бутики по производству порошков. Они часто специализируются на очень нишевых сплавах, используя специальные технологии производства, недоступные крупным поставщикам.

Крупные компании по производству материалов, такие как Aubert & Duval, GKN Powder Metallurgy, Rio Tinto Metal Powders и другие, также поддерживают AM. Проверьте и местные компании, поскольку региональные магазины постоянно расширяются. В цепочке поставок металлических порошков найдется что-то для каждого!

Стоимость металлических порошков

Мы рассмотрели ряд передовых металлических порошков, предназначенных для печати. Но сколько на самом деле стоит качественный порошок AM-класса? Вот ориентировочные цифры:

• Нержавеющая сталь 316L: $50-120 за кг
• Алюминий AlSi10Mg: $70-150 за кг
• Титан Ti64: $200-500 за кг
• Инконель 718: $80-220 за кг
• Кобальтовый хром: $130-350 за кг
• Инструментальная сталь H13: $50-150 за кг

Конечно, рыночные цены колеблются в зависимости от спроса и предложения. Но ожидайте, что за однородность печати придется заплатить больше, чем за необработанные металлические порошки, используемые в традиционной порошковой металлургии, основанной на прессовании и спекании. Вы получаете то, за что платите!

Стандарты на металлические порошки

При таком большом количестве критических свойств порошка для аддитивного производства стандарты играют важную роль. Такие группы, как ASTM International, ISO и ASME, выпускают все больший список спецификаций на металлические порошки:

• ASTM F3049: Стандартное руководство по определению характеристик металлических порошков, используемых для AM
• ASTM F3056: Спецификация порошков никелевых сплавов для аддитивного производства
• ASTM F3301: Спецификация порошков для аддитивного производства нержавеющей стали
• ISO/ASTM 52921: Стандартная терминология для порошкового наплавления в AM
• ISO/ASTM TS 52900: Аддитивное производство - Общие принципы - Требования к закупаемым деталям AM
• ASME MSFC-Spec-3717: Технические условия на порошок титанового сплава, распыляемый газом

Эти документы обеспечивают последовательные методы испытаний и критерии приемки для критических свойств порошка. Стандарты продолжают развиваться, и на горизонте появляется все больше материалов и процессов. Но они уже устанавливают базовые показатели качества и последовательности.

Хранение и обработка металлических порошков

Металлические порошки могут быть химически активными, поэтому правильное хранение и обращение с ними предотвращает их разрушение перед печатью. Некоторые ключевые меры включают:

• Хранить в герметичных контейнерах в инертной атмосфере аргона или азота
• Используйте нереактивные контейнеры, например, из нержавеющей стали, а не из пластика.
• Ограничьте перепады температуры при транспортировке и хранении
• Убедитесь, что контейнеры оснащены механизмами заземления
• Избегайте невидимой влаги, которая вызывает комкование и окисление
• Работайте в некислородной атмосфере, например, в перчаточных боксах
• Используйте средства контроля опасности, так как порошки могут воспламеняться с воздухом

Защитные средства для конкретных задач, такие как перчатки, одежда и маски для снятия статического электричества, обеспечивают безопасность обслуживающего персонала. А помещения или контейнеры для опасных производственных материалов (ОППМ) обеспечивают безопасное хранение порошка на месте перед загрузкой принтеров.

Бережное отношение к металлическим порошкам обеспечивает высокий процент повторного использования и меньшее количество отходов!

Переработка металлических порошков

Повторное использование отработанного порошка после печати имеет огромные экономические и экологические преимущества. Системы сбора фильтруют и смешивают отработанный порошок со свежими запасами, чтобы он снова поступил в производство.

Поскольку металлический порошок составляет до 30-50% от стоимости деталей в AM, его переработка позволяет добиться значительной экономии. Некоторые передовые методы включают:

• Используйте встроенные вакуумные системы на принтерах для сбора избыточного аэрозоля
• Просеивание использованного порошка для удаления крупных примесей, таких как брызги
• Смешивание переработанного порошка в контролируемых соотношениях с первичным сырьем
• Проверьте качество переработанных смесей на предмет возможности повторного использования.
• Ищите снижение выхода после нескольких циклов повторного использования
• Химическая очистка или повторная атомизация деградировавшего порошка, когда это необходимо

Как аддитивное производство В условиях бурного роста переработка металлических порошков имеет решающее значение для развития. Это ключевой элемент устойчивого развития отрасли 3D-печати в будущем.

Будущее разработки металлических порошков

Металлические порошки позволили совершить революцию в 3D-печати. И дальнейшее совершенствование порошков будет способствовать появлению новых приложений. Сегодня активно ведутся исследования в таких областях, как:

• Новые сплавы: Новые химические технологии расширяют свойства материалов за пределы традиционной металлургии
• Нанопорошки: Сверхтонкие субмикронные частицы для экстремального разрешения
• Гибридные порошки: Композитные смеси из металла/керамики/полимеров с улучшенными свойствами
• Модификация порошка: Покрытия и обработка для улучшения текучести или реакционной способности
• Характеристика: Улучшенная метрология и тестирование для контроля качества
• Переработка: Расширение возможностей повторного использования и восстановления

От крошечных стартапов до крупнейших компаний, производящих материалы, огромные инвестиции продолжают совершенствовать порошки для AM. Это означает, что на горизонте появится еще больше возможностей для печати с использованием этих порошков!

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

В чем главное преимущество металлических AM-порошков по сравнению с обычными металлическими порошками?

В порошках для АМ особое внимание уделяется таким характеристикам, как форма, распределение частиц по размерам и текучесть, что позволяет печатать, а не просто составлять композицию для прессования и спекания.

Как металлические AM-порошки становятся сферическими с плотным распределением по размерам?

Газовое и плазменное распыление расплавленных сплавов в тщательно контролируемых условиях обеспечивает точную консистенцию частиц.

Всегда ли необходима постобработка металлических деталей, изготовленных методом аддитивного производства, перед использованием? Что она включает в себя?

Последующие процессы, такие как горячее изостатическое прессование (HIP) и термообработка, уплотняют отпечатки и улучшают механические свойства за счет изменения микроструктуры. Также часто требуется финишная обработка поверхности.

Какие порошки металлических сплавов обычно используются в биомедицинской печати и почему?

Порошки титана и кобальт-хрома получили широкое распространение благодаря отличной биосовместимости. Нержавеющая сталь находит применение и там, где важна стоимость, например, в хирургических инструментах.

Сколько весит контейнер обычного металлического порошка для печати, например AlSi10Mg или нержавеющей стали 316L? И как он транспортируется?

Контейнеры обычно поставляются по 10-30 кг на поддонах в защитной атмосфере, например в аргоне. Для небольших образцов могут использоваться вакуумные пакеты. Всегда соблюдайте меры предосторожности!

узнать больше о процессах 3D-печати