Материалы для аддитивного производства металлов: Состав, свойства, применение

Аддитивное производство3D-печать, также известная как трехмерная печать, революционизирует производство во всех отраслях - от аэрокосмической до медицинской. Одним из ключевых направлений развития является 3D-печать металлов, которая позволяет создавать сложные металлические детали непосредственно на основе 3D-моделей CAD без необходимости использования дорогостоящей оснастки или пресс-форм.

Аддитивное производство металлов требует специального оборудования и материалов для достижения экстремальных температур, необходимых для расплавления и сплавления металлических порошков в твердые объекты. Наиболее распространенными технологиями 3D-печати металлов сегодня являются порошковое напыление, направленное энергетическое осаждение, струйное нанесение связующего и ламинирование листов.

Свойства материалов деталей, полученных методом металлической 3D-печати, в значительной степени зависят от состава и характеристик используемых металлических порошков и сплавов. В данной статье представлен обзор наиболее распространенных материалов для аддитивного производства металлов, их свойств, областей применения и поставщиков.

Виды материалов для аддитивного производства металлов

Для порошковой 3D-печати существует широкий спектр металлических сплавов. К наиболее распространенным относятся:

Эти базовые материалы могут быть смешаны и легированы в различных комбинациях для получения специфических свойств материала, необходимых для различных областей применения.

Свойства материалов для аддитивного производства металлов

К основным свойствам металлических порошков, используемых в аддитивном производстве, относятся:

Распределение частиц по размерам

• Размер частиц порошка при плавке в порошковом слое обычно составляет 15-45 мкм.
• Более мелкие частицы <15 мкм повышают плотность, но снижают текучесть.
• Более крупные частицы >45 мкм снижают точность и качество обработки поверхности.
• Равномерное распределение по размерам обеспечивает оптимальную плотность упаковки.

Морфология и форма

• Сферическая форма порошка обеспечивает плавную подачу и упаковку.
• Неправильная форма может привести к нарушению насыпной плотности и однородности слоя порошка.

Текучесть

• Порошки должны равномерно распределяться по порошковому слою для получения однородных слоев.
• Текучесть определяется формой, распределением по размерам, текстурой поверхности.
• Для улучшения текучести порошка в него могут быть добавлены флотореагенты.

Плотность

• Повышенная плотность упаковки порошка приводит к уменьшению пористости в печатных деталях.
• Кажущаяся плотность обычно составляет 40-60% от истинной плотности твердого тела.
• Плотность нарезанной стружки указывает на расход и эффективность уплотнения.

Чистота

• Высокая чистота снижает количество дефектов и загрязнений.
• Содержание кислорода и азота не должно превышать 100 ppm.
• Минимальные спутники (мелкие частицы, прикрепленные к более крупным).

Содержание влаги

• Влага может привести к комкованию порошка и снижению расхода.
• Содержание влаги не должно превышать 0,02% по массе.
• Порошки хранятся в вакууме или в атмосфере инертного газа.

Помимо характеристик порошка, состав и микроструктура объемных металлических сплавов придают деталям АМ важные эксплуатационные свойства:

Прочность

• Предел текучести от 500 МПа до более 1 ГПа в зависимости от сплава.
• Термическая обработка позволяет повысить прочность за счет закалки осадком.

Твердость

• Твердость по Виккерсу от 150 HV до более 400 HV.
• Твердость можно регулировать локально с помощью термообработки.

Плотность

• Может быть достигнута почти полная плотность >99%.
• Остаточная пористость зависит от технологических параметров.

Обработка поверхности

• Шероховатость поверхности после печати составляет 10-25 мкм Ra.
• Обработка, шлифовка, полировка, необходимые для получения точной отделки.

Усталостная прочность

• Сравнимы с деформируемыми материалами, но анизотропны.
• Зависит от ориентации сборки, внутренних дефектов.

Коррозионная стойкость

• Значительно различается по составу сплава - от низкого до очень высокого.

Тепловые свойства

• Коэффициенты электропроводности и расширения близки к деформируемым сплавам.
• В зависимости от ориентации сборки, обусловленной микроструктурой.

Электрическое сопротивление

• В пределах 10-20% из деформируемых материалов.
• Повышение пористости увеличивает удельное сопротивление.

Благодаря выбору оптимальных порошков и сплавов металлический АМ позволяет изготавливать плотные детали, механические свойства которых во многих случаях сопоставимы с традиционным производством. Однако свойства остаются анизотропными в зависимости от направления сборки.

Применение материалов для аддитивного производства металлов

К основным областям применения, в которых используются преимущества аддитивного производства металлов, относятся:

Аэрокосмическая промышленность: Сложные компоненты реактивных двигателей, ракет и гиперзвуковых аппаратов. Снижение массы, повышение производительности.

Медицина: Индивидуальные ортопедические имплантаты, протезы, хирургические инструменты. Биосовместимые металлы с учетом анатомических особенностей.

Автомобили: Облегчение компонентов, деталей, оснастки. Повышение прочности и функциональной интеграции.

Промышленность: Конечные производственные детали для насосов, компрессоров, двигателей. Сокращение времени выполнения заказа и складских запасов.

Потребитель: Ювелирные изделия, модные аксессуары, небольшие гаджеты. Уникальные геометрические формы высокой стоимости.

Защита: Прочные детали для полевых условий, средства защиты, вооружение. Производство по требованию.

Формообразование: Конформные каналы охлаждения обеспечивают более высокую производительность. Прямая печать оснастки для пресс-форм.

Энергия: Нефтегазовые компоненты устойчивы к коррозии и работают в экстремальных условиях.

Превосходные механические свойства, точность и свобода проектирования, обеспечиваемые металлическим АМ, делают его ценным для изготовления прототипов, инструментов и конечных деталей во многих отраслях промышленности.

Возможности технологических процессов аддитивного производства металлов

Различные процессы 3D-печати металлов имеют разные возможности в плане совместимых материалов, размеров деталей, точности, качества обработки поверхности и т.д:

Сплавление порошкового слоя обеспечивает наилучшую точность и качество обработки поверхности, но имеет более низкую скорость. Направленное осаждение энергии позволяет быстро, но с меньшей точностью изготавливать крупные детали, близкие по форме к сетке. Струйная обработка вяжущего быстрее, но требует инфильтрации для достижения полной плотности. Ламинирование листов ограничивается более тонкими участками.

Оптимальный процесс зависит от требований приложения - выбирайте его, исходя из размера детали, вариантов материала, точности, скорости и необходимости последующей обработки.

Популярные системы сплавов для аддитивного производства металлов

Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных систем металлических сплавов, используемых в аддитивном производстве, а также их основные характеристики:

Нержавеющие стали

Алюминиевые сплавы

Титановые сплавы

Никелевые сплавы

Кобальтохромовые сплавы

Выбор оптимального сплава, соответствующего требованиям конкретного приложения, позволяет при помощи аддитивного производства получать высокопроизводительные металлические детали, которые можно печатать в 3D-формате по требованию заказчика.

Популярные марки металлических порошков для аддитивного производства

Большинство крупных поставщиков металлических порошков сегодня предлагают оптимизированные марки порошков, предназначенные специально для аддитивного производства. Вот некоторые из наиболее часто используемых марок:

Порошки из нержавеющей стали

Порошки алюминиевых сплавов

Порошки титановых сплавов

Порошки никелевых сплавов

Порошки кобальто-хромовых сплавов

Эти оптимизированные марки порошков обеспечивают высокое качество и повторяемость характеристик при аддитивном производстве металлов из распространенных аэрокосмических, медицинских и промышленных сплавов.

Стоимость порошка для аддитивного производства металлов

Стоимость металлических порошков для АМ может существенно различаться в зависимости от состава сплава, чистоты, гранулометрического состава, поставщика и объема закупки:

Стоимость порошка составляет значительную часть общей стоимости детали при АМ металлов. К отраслям, применяющим АМ, относятся аэрокосмическая, медицинская, автомобильная и нефтегазовая, где дорогостоящие сплавы оправдывают затраты. По мере увеличения объемов производства цены снижаются. Повторное использование отработанного порошка с помощью систем регенерации порошка также способствует снижению общих затрат на деталь.

Постобработка при аддитивном производстве металлов

Большинство процессов металлического AM-производства позволяют получать детали с шероховатой поверхностью и некоторой внутренней пористостью. Как правило, требуется дополнительная постобработка:

• Снятие с монтажной плиты - Резка, шлифовка или электроэрозионная обработка проволокой для удаления опор и разделения деталей.
• Обработка поверхности - Обработка, шлифовка, полировка, дробеструйная обработка для улучшения качества поверхности.
• Снятие стресса - Термообработка для снятия остаточных напряжений, возникших в результате AM-сборки.
• Горячее изостатическое прессование - Высокое давление для устранения внутренних пустот и повышения плотности.
• Термическая обработка - Закалка осаждением, старение для улучшения механических свойств.
• Покрытия - При необходимости нанести функциональные покрытия для повышения износостойкости/коррозионной стойкости.

При правильной постобработке металлические AM-детали могут достигать чрезвычайно высокой плотности и точности обработки поверхности, сравнимой с традиционно изготавливаемыми металлическими деталями.

Руководство по проектированию аддитивного производства металлов

Чтобы в полной мере использовать преимущества металлического АМ и избежать возможных "подводных камней", рекомендуется придерживаться рекомендаций по проектированию:

• Минимизация нависающих конструкций, требующих опор
• Ориентация деталей для уменьшения эффекта ступенчатой обработки поверхности
• Использование тонких стенок, решеток для снижения массы и уменьшения расхода материалов
• Консолидация сборочных единиц в отдельные сложные детали
• Использование конформных каналов охлаждения и бионических конструкций
• Внутренние каналы и пустоты должны быть самонесущими
• Предусмотрите отверстия для доступа к непорошковым областям
• Учет анизотропных свойств в зависимости от ориентации сборки
• Создание больших галтелей и радиусов в углах

Приняв концепцию design-for-AM, инженеры смогут в полной мере использовать эти инновационные возможности.

Будущее аддитивного производства металлов

Аддитивное производство металлов прошло долгий путь с точки зрения материалов, процессов, областей применения и внедрения. Однако все еще существуют значительные возможности для повышения скорости, стоимости, качества и выбора материалов.

Производители оборудования разрабатывают конверты больших размеров и многолазерные системы для повышения производительности. Мониторинг по замкнутому циклу и современные системы контроля качества позволят повысить стабильность и надежность работы.

Поставщики материалов направлены на квалификацию большего количества сплавов, оптимизированных для АМ, включая высокотемпературные материалы, такие как никелевые суперсплавы, инструментальные стали, тугоплавкие металлы. Функционально градированные и композитные металлические порошки позволят более точно настроить свойства.

Программное обеспечение достижения в области проектирования, моделирования, оптимизации, машинного обучения и автоматизации сделают АМ более доступными для широкой аудитории. Подключение систем и подходы к цифровому производству позволят создать более распределенное и гибкое производство.

Приложения будет продолжать быстро расти в аэрокосмической отрасли для двигателей и конструктивных элементов. По мере снижения затрат ускорится внедрение в автомобильной промышленности, нефтегазовой отрасли, производстве медицинского оборудования и бытовой электроники. Быстрое производство и массовая адаптация станут реальностью.

Сейчас в отрасли металлического AM наступает волнительное время, поскольку на этот быстрорастущий рынок, объем которого к 2028 году составит более $15 млрд. долларов, выходят новые игроки и внедряются новые инновации.

Аддитивное производство металлов - FAQ

Здесь представлены ответы на некоторые часто задаваемые вопросы о материалах и процессах аддитивного производства металлов:

Какие типы металлов можно печатать в 3D?

Печатаются большинство основных промышленных сплавов, включая нержавеющие стали, алюминий, титан, никель, кобальт-хром, инструментальные стали, драгоценные металлы, такие как золото и серебро, а также медные сплавы. Постоянно ведется разработка новых сплавов.

Какая точность и качество обработки могут быть достигнуты?

Точность размеров обычно составляет ±0,1-0,3% с допусками ±0,1-0,2 мм. Шероховатость поверхности после печати составляет 10-25 мкм Ra, но может быть значительно улучшена путем механической обработки и полировки.

Как соотносятся свойства материалов с традиционным производством?

Микроструктура и свойства большинства аддитивных деталей сопоставимы с литыми и коваными формами материалов. Механические свойства соответствуют или превышают стандарты для таких материалов, как титан и никелевые сплавы аэрокосмического класса.

Как осуществляется постобработка деталей после 3D-печати?

Последующая обработка включает в себя удаление опор, снятие напряжений, обработку поверхности с ЧПУ, шлифовку и полировку, а также необходимую термообработку. Для некоторых ответственных применений может потребоваться горячее изостатическое прессование (ГИП) для устранения внутренних пустот и повышения плотности.

Каковы основные принципы проектирования металлических AM-деталей?

Рекомендации по проектированию включают минимизацию выступов, оптимизацию ориентации корпуса, использование решеток и внутренних структур, применение тонких стенок и консолидацию узлов. Производительность может быть повышена за счет использования бионических и конформных систем охлаждения.