металлические порошки для 3d-печати

Металлические порошки являются важнейшим сырьем для аддитивного производства с использованием технологии порошкового наплавления. В данном руководстве представлен обзор различных металлических порошков, используемых в таких процессах 3D-печати, как селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое плавление (EBM).

Введение в металлические порошки для AM

Металлические порошки позволяют печатать сложные высокопроизводительные металлические детали с помощью аддитивного производства.

Используемые материалы:

• Нержавеющие стали
• Инструментальные стали
• Кобальтохромовые сплавы
• Титан и титановые сплавы
• Алюминиевые сплавы
• Никелевые суперсплавы
• Медные сплавы

Основные свойства порошка:

• Химия - Чистота и состав
• Форма и морфология частиц
• Распределение частиц по размерам
• Кажущаяся плотность и плотность отвода
• Текучесть
• Повторное использование порошка

Методы производства порошков:

• Распыление газа
• Распыление воды
• Плазменное распыление
• Индукционное плавление электродов
• Карбонильный процесс
• Механическое легирование

Порошки из нержавеющей стали

Порошки из нержавеющей стали широко используются для печати коррозионностойких деталей:

Типы сплавов:

• Аустенитные стали, такие как 316L, 304L
• Мартенситные стали, такие как 17-4PH
• Дуплексные стали типа 2205
• Упрочнение осаждением, например, 17-4PH, 15-5PH

Характеристики:

• Высокая стойкость к коррозии и окислению
• Хорошая прочность и пластичность
• Менее склонны к растрескиванию, чем высоколегированные стали
• Такие параметры, как критическая атмосфера сборки

Приложения:

• Детали для химической и обрабатывающей промышленности
• Морские компоненты
• Медицинские имплантаты и устройства
• Детали для пищевой/фармацевтической промышленности, требующие соблюдения гигиены

Поставщики: Carpenter, Sandvik, Praxair, Höganäs, LPW Technology

Порошки для инструментальной стали

Инструментальные стали типа H13 идеально подходят для печати износостойких и высокотвердых деталей:

Типы сплавов:

• Ударопрочные стали типа S7
• Стали для холодной обработки, такие как D2
• Стали для горячей обработки, такие как H13, H11
• Быстрорежущие стали типа M2

Характеристики:

• Отличная твердость до 60 HRC
• Высокая износостойкость
• Хорошая вязкость и сопротивление термической усталости
• Требуется высокотемпературный отжиг в растворе

Приложения:

• Металлообрабатывающие штампы и пресс-формы
• Режущие инструменты и сверла
• Износостойкие детали и подшипники
• Высокотемпературная оснастка

Поставщики: Sandvik, Erasteel, LPW Technology, Tekna Plasma Systems

Кобальтохромовые сплавы

Кобальт-хромовые порошки печатают биосовместимые имплантаты и зубные реставрации:

Типы сплавов:

• CoCrMo как Co-28Cr-6Mo
• CoNiCrMo, как Co-35Ni-20Cr-10Mo
• CoCr как Co-67Cr-28Fe

Характеристики:

• Отличная биосовместимость и коррозионная стойкость
• Высокая прочность и твердость
• Износостойкость шарнирных соединений
• Проблемная печатаемость и склонность к растрескиванию

Приложения:

• Зубные протезы, мостовидные протезы и коронки
• Ортопедические имплантаты коленного и тазобедренного суставов
• Фиксирующие устройства, такие как краниальные пластины
• Аппаратные средства для соединения позвонков

Поставщики: SLM Solutions, Carpenter, Arcam EBM

Титановые порошки

Титановые порошки позволяют создавать прочные и легкие печатные детали:

Типы сплавов:

• Нелегированный титан типа Ti Grade 1-4
• Сплав Ti-6Al-4V
• Сплав Ti-6Al-7Nb
• Другие альфа + бета сплавы

Характеристики:

• Высокое соотношение прочности и массы
• Отличная коррозионная стойкость
• Хорошие высокотемпературные свойства
• Низкая плотность - 4,5 г/куб. см
• Реактивный и требует инертной атмосферы

Приложения:

• Аэрокосмические и автоспортивные компоненты
• Медицинские имплантаты и протезы
• Детали для пищевой/химической промышленности
• Автомобильные запчасти

Поставщики: AP&C, Tekna, Carpenter Additive

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые порошки позволяют печатать легкие конструкционные или функциональные детали:

Типы сплавов:

• AlSi10Mg
• AlSi7Mg
• AlSi12
• Scalmalloy® и другие Al-сплавы

Характеристики:

• Низкая плотность - 2,7 г/куб. см
• Хорошая прочность и жесткость
• Отличная теплопроводность
• Склонны к образованию трещин и остаточным напряжениям

Приложения:

• Автомобильные и автоспортивные компоненты
• Аэрокосмические и космические приложения
• Теплообменники
• Медицинское оборудование, например, гипсы

Поставщики: AP&C, Sandvik, LPW Technology, ECKA Granules

Никелевые суперсплавы

Из никелевых суперсплавов, таких как Inconel 718, печатают высокотемпературные детали:

Типы сплавов:

• Инконель 718
• Инконель 625
• Васпалой
• Хастеллой X

Характеристики:

• Отличная высокотемпературная прочность
• Хорошая коррозионная стойкость и стойкость к ползучести
• Способность работать в условиях стресса при высоких температурах
• Сложность обработки и склонность к образованию трещин

Приложения:

• Лопатки турбины
• Детали камеры сгорания
• Компоненты космического аппарата
• Детали для атомной/химической промышленности

Поставщики: Praxair, Carpenter Additive, GE Additive

Медные сплавы

Из медных сплавов, таких как CuCrZr, печатаются высокопроводящие детали:

Типы сплавов:

• Медно-хромовые, например CuCr1Zr
• Медно-никелевый сплав типа CuNi2SiCr
• Бронзы типа CuSn10

Характеристики:

• Отличная тепло- и электропроводность
• Хорошая коррозионная стойкость
• Антибактериальное свойство
• Более низкая прочность по сравнению со сталями и сплавами Ni

Приложения:

• Электрические компоненты, такие как шины
• Теплообменники и радиаторы
• Волноводы и радиочастотные компоненты
• Медицинские инструменты и фиксаторы

Поставщики: Sandvik, LPW Technology, Metalysis

Технические характеристики

Типичные характеристики металлических порошков, используемых в АМ:

Параметр	Типовые значения	Стандарты испытаний
Размер частиц	10 - 45 мкм	ASTM B214
Форма частиц	Сферическая	ISO 13322-2
Расход	25 - 35 с/50 г	ASTM B213
Кажущаяся плотность	2 - 5 г/куб. см	ASTM B212
Плотность отвода	4 - 8 г/куб. см	ASTM B527
Остаточный кислород	< 300 ppm	Внутрифирменный метод
Остаточный азот	< 50 ppm	Внутрифирменный метод
Остаточный углерод	< 30 ppm	ASTM E1019

Методы получения порошков

1. Распыление газа

• Высокосферический порошок
• Малые размеры частиц 5-100 мкм
• Используется для реактивных сплавов, таких как титан

2. Распыление воды

• Неправильная форма порошка
• Крупные частицы до 300 мкм
• Более дешевый процесс

3. Плазменное распыление

• Управляемые формы частиц
• Размеры от субмикронных до 150 мкм
• Порошок высокой чистоты

4. Механическое легирование

• Смешивание и измельчение элементов
• Экономическая эффективность при использовании нестандартных сплавов
• Большие размеры частиц

Поставщики и ценообразование

Поставщик	Материалы	Диапазон цен
Технология LPW	Инструментальные стали, нержавеющие стали	$50 - $120/кг
AP&C	Титановые сплавы, сплавы алюминия	$70 - $450/кг
Sandvik	Нержавеющие стали, сплавы Ni	$45 - $250/кг
Praxair	Суперсплавы, титан	$150 - $600/кг
Столярная присадка	Инструментальные стали, CoCr, нержавеющие	$80 - $300/кг

• Стоимость порошков из нержавеющей стали 1ТП4Т45-1ТП4Т120 за кг
• Стоимость порошков титановых сплавов $150-$450 за кг
• Стоимость суперсплавов и инструментальных сталей $250-$600 за кг

Цены зависят от сплава, качества, размера партии и условий договора купли-продажи.

Обработка и хранение порошков

Для предотвращения загрязнения очень важно правильно обращаться с порошком:

• Использование специальных зон просеивания порошка
• Обеспечить наличие перчаточных боксов и бункеров в инертной атмосфере
• Используйте токопроводящие контейнеры для отвода статического заряда
• Заземлить все оборудование и транспортные контейнеры
• Избегайте контакта с маслом, водой или кислородом
• Хранить порошок в герметичных контейнерах в инертном газе
• Контроль температуры и влажности в процессе хранения
• Соблюдайте меры предосторожности, такие как СИЗ, при работе с оборудованием

Правильное хранение продлевает срок повторного использования порошка.

Просеивание порошков

Просеивание обеспечивает постоянство размеров частиц:

Преимущества:

• Удаление частиц-спутников, вызывающих дефекты
• Разбивает агломераты
• Повышение пропускной способности и плотности упаковки
• Уменьшение проблем с утилизацией
• Удаление инородных загрязнений

Процедура:

• Просеивание порошка с размером ячеек около 20-63 мкм
• Просеивание с использованием ротационного или вибрационного просеивания
• Проведение рассева в инертной атмосфере
• Процент остаточной массы порошка по документу

Просеивание улучшает качество деталей, обеспечивая идеальное распределение порошка.

Монтаж и ввод в эксплуатацию

Установка металлического AM-принтера с порошковой системой включает в себя:

• Очистка поверхностей оборудования во избежание загрязнения
• Проверка герметичности соединений инертных газов
• Проверка мощности лазерного или электронного луча
• Загрузка и тестирование системы повторного нанесения порошковых покрытий
• Интеграция чиллера, вытяжки и сервисных соединений
• Установка датчиков контроля и безопасности
• Проверка систем просеивания и обработки порошков
• Калибровка выравнивания плиты сборки
• Тестовая печать образцов деталей и проверка качества

Поставщики обеспечивают поддержку при монтаже и вводе в эксплуатацию.

Эксплуатация и лучшие практики

Рекомендации по эксплуатации принтера:

• Проводить регулярные проверки герметичности и чистоты инертного газа
• Предварительное кондиционирование порошка для обеспечения однородной текстуры
• Настройка толщины слоя и параметров лазера для новых материалов
• Тщательный мониторинг бассейна расплава и контроль температуры деталей
• Проверка критических размеров с помощью тестовых отпечатков
• Контролируйте состояние порошка и используйте его только в соответствии с рекомендациями
• Проводить регулярное техническое обслуживание оптики, системы подачи луча и механизма повторного нанесения порошка

Безопасность персонала:

• Используйте соответствующие СИЗ, такие как респираторы и перчатки
• Избегайте контакта с реагирующими мелкими металлическими порошками
• Обращение с отработанным порошком должно осуществляться в инертной атмосфере

Часть постобработки:

• Использование соответствующих температур термообработки и старения раствора в зависимости от сплава и области применения
• Регулирование темпа в процессе термической обработки для снятия напряжений
• При необходимости для повышения плотности сложных деталей использовать горячее изостатическое прессование
• Применение финишных операций, таких как обработка на станках с ЧПУ и полировка

Техническое обслуживание и проверка

Регулярные работы по техническому обслуживанию:

Ежедневно:

• Осмотрите оптику, например, зеркала, линзы, стекла на предмет повреждений
• Очистка камеры сборки и системы подачи порошка
• Проверить уровень инертного газа и при необходимости пополнить запасы
• Испытание механизма просеивания и устройства для повторного нанесения порошка

Еженедельно:

• Калибровка датчиков и приборов
• Проверьте крепежные элементы, электрические клеммы и заземление
• Смазка и осмотр движущихся частей, таких как двигатели и приводы
• Контролируйте фильтры на предмет замены

Ежемесячно:

• Проверка герметичности системы инертных газов с использованием гелия
• Проверьте устройства безопасности, такие как пожарные извещатели
• Проверка работоспособности системы КУ

Ежегодно:

• Планирование профилактического обслуживания с поставщиком оборудования
• Калибровка измерителя мощности лазера
• Замена фильтров и расходных материалов

Для поддержания качества деталей и работоспособности оборудования необходимо проводить техническое обслуживание в соответствии с рекомендациями поставщика.

Выбор подходящей системы печати на металле

Факторы, которые необходимо учитывать при выборе металлической AM-машины:

1. Требования к производству

• Тип производимых компонентов
• Необходимый материал с учетом свойств детали
• Требования к объему производства
• Требуемая точность и качество обработки поверхности

2. Технические характеристики принтера

• Поддерживаемые материалы и параметры
• Размер и скорость сборки
• Точность и повторяемость
• Управление инертной атмосферой
• Функции автоматизации и средства управления

3. Система транспортировки порошка

• Интегрированная или автономная система
• Возможности просеивания, подачи, хранения и повторного использования
• Контейнер для реактивных материалов, таких как титан
• Функции контроля для предотвращения загрязнения

4. Соответствие стандартам

• Отраслевые стандарты, такие как ASTM F3301
• Сертификаты качества производителя
• Соблюдение стандартов безопасности

5. Удостоверения поставщика

• Доказанный опыт работы в отрасли AM
• Возможности продаж и технической поддержки на местах
• Контракты на техническое обслуживание и предлагаемые услуги
• Планы обучения операторов
• Общая стоимость владения

Тщательный анализ требований и сравнение предложений машин по этим критериям позволяют выбрать идеальную систему трехмерной печати металлов, соответствующую производственным потребностям.

Плюсы и минусы металлического АМ

Преимущества:

• Высокая геометрическая сложность легко печатается
• Сокращение времени выпуска функциональных деталей
• Сокращение отходов по сравнению с субтрактивными процессами
• Одностадийное производство непосредственно из CAD
• Потенциал облегчения и укрупнения деталей
• Улучшение эксплуатационных характеристик за счет применения конструкционных сплавов
• Возможности персонализации и массовой настройки

Недостатки:

• Высокие затраты на оборудование и материалы
• Необходимы дополнительные этапы постобработки
• Ограниченный размер в зависимости от камеры сборки
• Контроль внутренних дефектов может быть сложной задачей
• Свойства материала могут отличаться от свойств деформируемого
• Ограничения по качеству поверхности могут потребовать доводки
• Требования к обучению и опыту

Поиск и устранение неисправностей, характерных для АМ металлов

Дефект	Возможные причины	Корректирующие действия
Пористость	Неправильные параметры процесса	Оптимизация мощности лазера, скорости, расстояния между люками
	Загрязнение порошком	Использование свежего просеянного порошка улучшает работу с ним
	Недостаточное перекрытие дорожек сканирования	Регулировка размера фокуса и перекрытия луча
Раскрытие	Чрезмерные тепловые нагрузки	Оптимизация предварительного нагрева, управление скоростью охлаждения с помощью нагревателей
	Материал, склонный к растрескиванию	Изменение ориентации для снижения стресса
	Загрязнение из атмосферы здания	Обеспечение высокой чистоты инертной атмосферы
Искривление	Неравномерный нагрев или охлаждение	Оптимизация шаблонов сканирования и фиксация детали на монтажной плите
Плохое качество обработки поверхности	Слишком низкая температура детали	Увеличить температуру предварительного нагрева
	Неправильная текучесть расплава	Регулировка мощности и других параметров
	Загрязненный порошок	Использование свежего порошка и улучшение управляемости

Вопросы и ответы

Вопрос: Порошки каких металлических сплавов могут быть использованы для АМ?

О: Распространены нержавеющие стали, инструментальные стали, титановые сплавы, никелевые суперсплавы, алюминиевые сплавы, кобальтохромовые и медные сплавы.

Вопрос: Каков типичный диапазон размеров используемых частиц порошка?

О: Для процессов PBF-LB/M обычным является диапазон 10-45 мкм, с более плотным распределением в районе 20-45 мкм.

Вопрос: Каков срок службы металлических порошков?

О: При идеальном хранении в аргоне многие сплавы служат 1-2 года. Срок повторного использования короче - 20-100 отпечатков в зависимости от сплава.

Вопрос: Какие этапы постобработки необходимы для металлических AM-деталей?

О: Часто требуется снятие поддержки, термообработка, обработка поверхности, например, обработка с ЧПУ, полировка и нанесение покрытий.

Вопрос: Как обрабатываются порошки реактивных металлов, таких как титан и алюминий?

Ответ: Для предотвращения захвата кислорода необходима специальная обработка порошка в инертной атмосфере аргона.

Вопрос: Каковы общие риски загрязнения порошка?

A: Воздействие атмосферы, приводящее к захвату кислорода или азота. Металлические частицы в результате обработки или износа. Масло и влага.

Вопрос: Какие стандарты используются для квалификации металлических порошков?

A: ASTM B214, ASTM B812, ASTM F3049, ASTM F3301 и стандарты MPIF.

Вопрос: Почему важно просеивать порошки?

О: Он разбивает агломераты, удаляет спутники и обеспечивает оптимальный и постоянный размер порошка для высокой плотности и качества поверхности.

Заключение

Металлические порошки позволяют аддитивно изготавливать современные высокопроизводительные детали, свойства которых в некоторых случаях превосходят свойства деформируемых материалов. Широкий спектр сплавов - от нержавеющих сталей до суперсплавов и титана - доступен в виде порошков, которые предназначены для решения сложных задач в аэрокосмической, медицинской, автомобильной и других отраслях промышленности. Благодаря постоянному совершенствованию сплавов, стандартов качества, производственных процессов, оборудования и свойств деталей технология АМ металлов превращается в одну из основных производственных технологий во всем мире. Однако для реализации всех преимуществ необходимы знания и опыт в области процессов и материалов, а также строгий контроль качества. По мере накопления опыта технология AM в металле открывает беспрецедентные возможности для изготовления сложных и индивидуальных деталей с большей свободой проектирования и сокращением сроков изготовления.

узнать больше о процессах 3D-печати