Порошки для аддитивного производства

Обзор Порошки для аддитивного производства

Порошки для аддитивного производства - это материалы из металлических сплавов, произведенные в виде порошка специально для таких технологий 3D-печати, как селективное лазерное плавление (SLM), прямое лазерное спекание металлов (DMLS), электронно-лучевое плавление (EBM) и струйное нанесение связующего. Оптимизированное распределение частиц по размерам, морфология, химический состав и свойства порошка способствуют точному послойному сплавлению в конечные компоненты.

Таблица 1: Обзор атрибутов порошков для аддитивного производства

Атрибут	Описание
Материал сырья	Сферические частицы металлических сплавов
Методы производства	Атомизация газа, электролиз, карбонил
Используемые материалы	Титан, алюминий, нержавеющие стали, суперсплавы, инструментальные стали
Размеры частиц	Типичный размер 10 - 45 микрон
Основные свойства	Текучесть, плотность, микроструктура, чистота
Основные приложения	Аэрокосмическая, медицинская, автомобильная, промышленная

Благодаря тщательному контролю таких характеристик, как форма, распределение частиц по размерам, химический состав и микроструктура, порошки AM плавно текут, плотно упаковываются и последовательно наплавляются слой за слоем, создавая сложные, прочные металлические компоненты с механическими свойствами, соответствующими или превосходящими традиционные способы изготовления.

Методы производства металлических порошков для AM

Для получения мелкодисперсных сферических порошков с требуемым химическим составом, формированием зерен, морфологией поверхности, уровнем пористости и распределением частиц, необходимых для процессов AM, используется несколько основных производственных маршрутов.

Таблица 2: Сравнение методов производства порошков для аддитивного производства

Метод	Описание	Плюсы/минусы
Распыление газа	Газ под высоким давлением разбивает поток расплавленного металла на капли	Однородные частицы, гибкость сплава, недостатком является более высокая стоимость
Плазменное распыление	Электродная дуга расплавляет/расщепляет металлы на частицы	Очень сферический порошок, небольшие партии
Гидрид-дегидрид	Порошок сплава разрушается из-за поглощения водорода	Очень тонкие порошки с хорошей текучестью, но низкой плотностью
Электролиз	Металлическое сырье, растворенное на аноде в порошок	Более низкая стоимость, но неправильная форма хлопьев

По мере развития аппаратных средств AM, позволяющих получать более тонкие разрешения вплоть до 20 микрон, становятся жизненно важными более плотные распределения частиц порошка в диапазоне от 15 до 45 микрон, что требует более широкого использования газовой и плазменной атомизации, способствующей получению сферического метеоритного порошка, идеального для плотной упаковки и плавного сгребания.

Сопоставление производственного маршрута с предполагаемыми требованиями AM-процесса обеспечивает оптимальные характеристики порошка, уравновешивая недостатки производительности.

Типы порошков для аддитивного производства металлов

Различные металлические сплавы, получаемые в виде порошка, сегодня широко применяются в технологиях AM - от недорогих полимеров до дорогих тугоплавких суперсплавов - благодаря расширенной свободе проектирования, облегчающей консолидацию деталей, и улучшенным характеристикам, выходящим за пределы литья или механической обработки.

Таблица 3: Распространенные металлические порошковые материалы, используемые для AM

Класс материала	Виды сплавов	Описание
Алюминиевые сплавы	AlSi10Mg, AlSi7Mg	Уменьшение веса в аэрокосмической и автомобильной промышленности
Титановые сплавы	Ti-6Al-4V, Ti 6Al4V ELI	Высокопрочные авиационные и биомедицинские имплантаты
Нержавеющие стали	304L, 316L, 17-4PH	Устойчивость к коррозии для морского оборудования
Инструментальные стали	H13, Maraging 300	Режущие инструменты и пресс-формы повышенной твердости
Никелевые суперсплавы	Инконель 718, Инконель 625	Турбомашины, например, аэрокосмические двигатели
Экзотические сплавы	Медь, кобальт-хром, вольфрам	Нестандартные композиции расширяют границы

Оптимизированная среда для плавки в порошковом слое позволяет обрабатывать традиционно сложные композиции материалов, преодолевая обычные производственные препятствия. Это позволяет внедрять инновации в области терморегулирования электронной упаковки, нефтегазовых клапанов и насосов для экстремальных условий, компонентов для автогонок и спутникового оборудования.

Тщательный выбор оптимального сплава с учетом приоритетов дизайна, связанных с весом, стоимостью, прочностью и экологичностью, позволяет создавать идеальные высокопроизводительные аддитивные детали, не имеющие аналогов в традиционных процессах.

Основные свойства порошков для аддитивного производства

Для обеспечения плавного и эффективного осаждения материала, необходимого для получения плотных бездефектных печатных компонентов, порошковые продукты для аддитивного производства должны отвечать строгим требованиям, касающимся их характеристик текучести, видимой плотности, остаточной пористости, микроструктуры и пределов загрязнения.

Таблица 4: Типичные свойства металлических порошков AM

Характеристика	Типовые значения	Методы испытаний	Важность
Морфология порошка	Гладкая, почти сферическая	СЭМ-изображение	Упаковка и подача порошкового слоя
Распределение частиц по размерам	10 мкм - 45 мкм	Лазерный дифракционный анализ	Разрешение слоев, скорость сборки
Кажущаяся плотность и плотность отвода	65-80% / 80-92% соответственно	Гравиметрические измерения с помощью расходомера Холла	Разрешение и качество печати
Скорость потока	23-33 секунды для 50 г	Воронкообразные тесты по времени	Эффективность нанесения порошка
Остаточная пористость	<1%	Газовая пикнометрия	Плотность и механические свойства
Загрязнение оксидами азота	<1000 ppm / <500 ppm	Анализ инертных газов	Повторное использование порошка, предотвращение растрескивания в процессе производства

Проверка критических свойств порошка на производстве с помощью современных приборов обеспечивает воспроизводимость, преодолевая отклонения свойств от партии к партии с помощью статистических корректировок процесса в режиме реального времени.

Сопоставление хорошо охарактеризованного порошка, стабильных процессов создания и жестких допусков оборудования обеспечивает надежное производство АМ-изделий.

Технические характеристики порошков для аддитивного производства металлов

Для обеспечения высокого качества компонентов аппаратных систем AM порошки металлических сплавов должны соответствовать более жесткому химическому контролю и распределению размеров по сравнению с обычной порошковой металлургией, предназначенной только для уплотнения и спекания.

Таблица 5: Типичные значения технических характеристик порошка с добавками

Параметр	Общий диапазон	Метод испытания	Важность
Распределение частиц по размерам	15 мкм - 45 мкм	Дифракция лазерного излучения	Контролирует минимальное разрешение объекта
Элементарные примеси	<1000 ppm	Спектроскопия ICP	Коэффициенты повторного использования порошка
Кажущаяся плотность	65-85% теоретический	Гравиметрический анализ с помощью расходомера Холла	Влияет на механические характеристики
Плотность отвода	80-95% теоретический	Гравиметрический анализ	Коэффициенты упаковки слоев
Расход воздуха в зале	<40 секунд для 50 г порошка	Воронкообразный тест по времени	Консистенция порошкового слоя
Форма частиц	>80% сферический	СЭМ-изображение	Равномерность псевдоожижения в силовом слое
Остаточная пористость	<1%	Газовая пикнометрия	Плотность и механические свойства

Мониторинг усовершенствованных формул коэффициента равномерности и коэффициента скорости потока, разработанных для металлического AM-порошка, позволяет получить более глубокие сведения, чем простой поток Холла, обеспечивая надежную работу приложения.

А благодаря специальному распределению размеров порошковая химия активно способствует улучшению процесса, обеспечивая более тонкое разрешение, более высокую скорость сборки и более длительные непрерывные производственные циклы, что так важно для внедрения AM.

Степени и стандарты для порошков для аддитивного производства

С внедрением аддитивного производства в регулируемые среды, охватывающие аэрокосмическую, медицинскую, автомобильную и промышленную отрасли, стандартизированные методы спецификации, тестирования, сертификации и контроля металлических порошков становятся жизненно важными для обеспечения повторяемости, качества и безопасности.

Таблица 6: Новые стандарты для металлических AM-порошков

Стандарт	Область применения	Назначение
ASTM F3049	Стандартное руководство по определению характеристик порошков AM	Разработка эталонных методов испытаний для оценки общих свойств порошка
ASTM F3056	Технические условия на порошки из никелевых сплавов	Химия, производство, частота повторных испытаний
ASTM F3301	Практика применения методов вторичных процессов к деталям AM	Укажите приемлемые методы постобработки
AS9100 rev D	Утвержденные поставщики для аэрокосмического сектора	Системы качества для регулируемых отраслей
ISO/ASTM 52921	Стандартная терминология для АМ - согласование с глобальными нормами	Обеспечение единой терминологии и спецификаций порошковых материалов для АМ

По мере проникновения AM в коммерческие и оборонные отрасли, требующие строгой проверки и прослеживаемости деталей, становятся обязательными стандартизированные методы испытаний, документация по цепочке поставок, показатели выборки партий, контроль окружающей среды на объектах и обучение персонала. Соответствие требованиям гарантирует пользователям полную родословную материала и прозрачность процесса, что способствует строгости квалификации, ожидаемой в критически важных приложениях.

Государственные учреждения также поддерживают постоянную разработку спецификаций материалов, методов испытаний и передовых практик по мере развития AM на различных рынках. Сотрудничество между производителями порошков, OEM-производителями принтеров и промышленными пользователями будет и дальше способствовать улучшению контрольных показателей, повышающих реальную производительность и надежность.

Области применения порошков с металлическими добавками

Благодаря расширению возможностей принтерных систем и доступности оптимизированных порошков для нужд AM, аддитивное производство трансформирует экономику производства во многих отраслях промышленности - от аэрокосмической до производства потребительских товаров.

Таблица 7: Основные области применения порошков для аддитивного производства металлов

Сектор	Пример производственного процесса	Преимущества по стоимости/производительности
Аэрокосмические двигатели	Форсунки и коллекторы из инконеля 718 через DMLM	Сокращение сроков выполнения заказов, улучшение соотношения между покупкой и полетом
Авиационные турбины	Конструктивные кронштейны из Ti64 через EBM	Снижение веса, консолидация деталей
Биомедицинские имплантаты	Ортопедические изделия из кобальт-хромового сплава по технологии DMLS	Увеличение скорости срастания костей
Автомобильные гонки	Нестандартные сплавы и геометрические параметры с помощью SLM	Высокая тепло- и виброустойчивость и экономия веса
Роскошные часы	Микрокомпоненты из золота и стали с помощью SLM	Свобода дизайна/стиля и быстрые итерации

Благодаря расширению выбора материалов и увеличению доступных объемов сборки, металлический AM трансформирует производственные барьеры, стоящие перед традиционными процессами, обеспечивая более высокую прочность, облегчение веса, повышение теплостойкости благодаря генеративным каналам охлаждения, консолидацию деталей и сокращение общего времени выполнения заказа.

Эти преимущества производства стимулируют внедрение технологий AM, вытесняющих традиционное производство в отраслях, чувствительных к затратам, после того как станет очевидной экономия на масштабе. Продолжающиеся инновации в области материалов обещают расширить сферу применения в более экстремальных условиях химического воздействия, давления, коррозии и нагрузок.

Поставщики металлических AM-порошков

В настоящее время широкий спектр производителей порошков поставляет специализированные металлические материалы для аддитивного производства на стартовом оборудовании для небольших мастерских, крупных аэрокосмических компаний первого уровня и новаторов в области индивидуальных сплавов, расширяющих границы возможностей AM.

Таблица 8: Ведущие поставщики металлических порошков для добавок

Компания	Портфолио	Описание
Praxair	Титановые, никелевые, кобальтовые сплавы	Ведущий производитель распыляемых газов и порошков
Sandvik	Нержавеющие стали	Высокопроизводительные сплавы, включая дуплексные и мартенситно-стареющие стали
Технология LPW	Алюминиевые, титановые, никелевые сплавы	Нестандартные сплавы и связующие продукты
Столярная присадка	Инструментальные стали, нержавеющие стали	Нестандартные сплавы с использованием опыта сталелитейного производства
AP&C	Титан, никелевые суперсплавы	Поставщик решений для жизненного цикла порошка
Hoganas	Нержавеющие стали	Высокопроизводительные сплавы, включая дуплексные и мартенситно-стареющие стали

Эти лидеры в области производства порошков активно сотрудничают в индустрии AM с производителями принтеров, исследователями и группами по стандартизации, чтобы постоянно улучшать повторяемость размеров, снижать уровень пористости, улучшать эстетику готовых деталей и механические характеристики.

Анализ затрат на металлические AM-порошки

Цены на обычные металлические AM-порошки сильно варьируются в зависимости от состава, способа производства, уровня дистрибуции, требований к тестированию и объемов закупок, но в целом они значительно превышают цены на обычные порошки, используемые только для прессования и спекания.

Таблица 9: Цены на порошки с металлическими добавками

Материал	Диапазон цен	Факторы, определяющие затраты
Алюминиевые сплавы	$50-120 за кг	Низкие затраты на металл, но высокие расходы на газовый распылитель
Нержавеющая сталь	$50-200 за кг	316L дороже, чем марки 17-4 или 15-5
Инструментальные стали	$60-220 за кг	Более высокая стоимость легирующих элементов
Титановые сплавы	$200-600 за кг	Интенсивная переработка, добыча и обработка
Никелевые суперсплавы	$200-1000 за кг	Низкий выход элементов и возможность печати без трещин в критических точках
Экзотика, например, Ta или W	$500-2000 за кг	В настоящее время доступность продукции в мире очень низкая

Ценовая премия по сравнению с обычными порошками обусловлена гораздо меньшими объемами партий, более высокой стоимостью исходных материалов, а также различиями в обработке, оптимизирующими такие характеристики, как сферичность и контролируемый химический состав, что облегчает выполнение задач AM.

По мере распространения принтеров, усиления конкуренции и увеличения масштабов производства стоимость, вероятно, будет постепенно снижаться в течение 5-10 лет - в соответствии с типичной дорожной картой зрелости технологии. Однако цены на специальные сорта будут оставаться значительно выше, что отражает динамику рынка исходных металлов.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Вопрос: Как использованные/переработанные металлические AM-порошки омолаживаются для дополнительных циклов печати?

О: Порошки просеиваются для удаления крупных частиц размером более 100 микрон, химически ребалансируются, восстанавливая уровень кислорода/азота, и смешиваются с соразмерными первичными материалами, обеспечивая возможность повторного использования без ухудшения качества конечных печатных деталей.

Вопрос: Какие критические характеристики больше всего отличаются между порошками для AM и обычного прессования?

О: Более узкое распределение частиц по размерам, в среднем 25 микрон, более высокая кажущаяся плотность и плотность отвода, более гладкая сферическая форма метеоритного порошка и более низкий уровень кислорода и азота отличают потребности AM от традиционной порошковой металлургии, требующей только более низких допусков. Достижение этих оптимизированных характеристик способствует бездефектной АМ-печати.

Вопрос: Сколько раз можно повторно использовать обычные порошковые сплавы для АМ?

О: Аналогичные титановые и никелевые суперсплавы проходят до 20 циклов, после чего требуется пополнение запаса свежего порошка. Менее дорогие нержавеющие стали могут достигать 50+ циклов повторного использования. Алюминий и высокореакционные марки имеют наиболее ограниченную продолжительность повторного использования - менее 5 циклов.

Вопрос: Каков потенциал улучшения свойств металлических AM-порошков по сравнению с существующими материалами?

О: Сочетание повышенного соотношения прочности и веса за счет утончения/полости секций со встроенными каналами, способствующими потоку жидкости, теплообмену или усилению конструкции, открывает возможности для создания конфигураций, революционизирующих производство компонентов, невозможное при использовании только субтрактивной обработки или процессов одноступенчатого литья.

Вопрос: Какие категории промышленности в настоящее время демонстрируют наибольшие перспективы для роста производства порошков для АМ металлов?

О: Авиакосмическая промышленность, медицинское оборудование, автомобилестроение и нефтегазовая отрасль лидируют на ранних этапах развития благодаря компонентам высокой стоимости, оправдывающим инвестиции в НИОКР. Но в долгосрочной перспективе ожидается массовое внедрение, улучшающее долговечность потребительских товаров за счет использования преимуществ гибкости АМ по мере снижения стоимости системы.

узнать больше о процессах 3D-печати