Порошок для селективного лазерного плавления: Полное руководство

Селективное лазерное плавление (СЛМ) - это аддитивное производство или технология 3D-печати, при которой с помощью лазера металлический порошок послойно сплавляется в твердую деталь. Свойства конечной детали определяются характеристиками используемого металлического порошка. В данной статье представлен полный обзор порошков для SLM, в котором рассматриваются состав, свойства, области применения, технические характеристики, цены, преимущества и недостатки, а также многое другое.

Обзор порошка для селективного лазерного плавления

Порошок для селективного лазерного плавления, также известный как SLM-порошок, является сырьем, используемым в процессе аддитивного производства SLM. В процессе SLM используется мощный лазер для расплавления и сплавления порошкообразных металлических сплавов в полностью плотные 3D-детали.

SLM-порошки представляют собой тонкие металлические порошки размером, как правило, от 15 до 45 мкм. Наиболее распространенными порошками для СЛМ являются сплавы на основе алюминия, титана, никеля, кобальта и нержавеющей стали. Состав и гранулометрический состав порошка определяют характеристики деталей, напечатанных методом селективного лазерного плавления.

Выбор правильного порошка для СЛМ является критически важным для получения высококачественных деталей с требуемыми механическими свойствами, точностью, качеством поверхности и микроструктурой. В данном руководстве представлена подробная информация о различных типах порошков для СЛМ, их применениях, технических характеристиках, ценах, преимуществах и недостатках, а также о ведущих мировых поставщиках.

Основные характеристики порошков SLM

• Сверхтонкий порошок размером от 15 до 45 мкм для точного лазерного плавления
• Сферическая морфология для обеспечения текучести порошка
• Химически чистый состав для минимизации дефектов
• Контролируемый гранулометрический состав предотвращает сегрегацию
• Метод производства с распылением инертного газа
• Легирующие добавки для улучшения свойств
• Может включать патентованные покрытия для улучшения текучести и плавления

Таблица 1: Типы порошков для селективного лазерного плавления

Состав порошков для СЛМ

Порошки для SLM представляют собой сферические металлические порошки, изготовленные из различных сплавов методом газового распыления. Состав определяет свойства материала печатных деталей.

Таблица 2: Состав распространенных порошковых сплавов для СЛМ

Основными легирующими элементами в порошках для СЛМ являются:

• Алюминий - снижает температуру плавления, повышает теплопроводность
• Кремний - улучшает текучесть и свариваемость
• Магний - укрепляющее средство
• Титан - биосовместимость, высокая прочность
• Алюминий - альфа- и бета-стабилизатор в титановых сплавах
• Ванадий - бета-стабилизатор в титановых сплавах
• Никель - коррозионная стойкость, пластичность
• Хром - стойкость к окислению и коррозии
• Железо - обеспечивает прочность суперсплавов
• Ниобий - упрочняющий элемент в суперсплавах
• Молибден - упрочнение твердых растворов в суперсплавах
• Кобальт - повышает высокотемпературную прочность

Минимизация следовых примесей позволяет уменьшить количество дефектов в печатных компонентах, изготовленных методом SLM.

Свойства порошков для СЛМ

Свойства порошков для СЛМ напрямую влияют на характеристики 3D-печатных деталей. К желаемым свойствам относятся хорошая текучесть, высокая чистота и оптимальный гранулометрический состав.

Таблица 3: Основные свойства порошков для СЛМ

Кроме того, порошки для SLM отличаются оптимизированным гранулометрическим составом с узким диапазоном, что позволяет избежать проблем сегрегации. Большинство порошков для SLM имеют значения D10 и D90 в пределах 10-20 мкм.

Такие характеристики порошков для СЛМ, как плотность порошкового слоя, текучесть, растекаемость и возможность переработки, определяют качество печатных деталей. Порошки разрабатываются таким образом, чтобы сбалансировать эти факторы.

Области применения порошков SLM

Порошки SLM используются для печати функциональных металлических деталей в различных отраслях промышленности:

Таблица 4: Области применения порошков селективного лазерного плавления

К основным преимуществам СЛМ для изготовления деталей относятся:

• Возможность создания сложных геометрических форм, невозможных при литье или механической обработке
• Изготовление деталей по индивидуальному заказу без применения сложной оснастки
• Снижение массы за счет оптимизации конструкции с учетом функциональности
• Консолидация узлов в отдельные детали
• Быстрое время выполнения заказа от разработки до изготовления детали

СЛМ подходит для мало- и среднесерийного производства конечных металлических компонентов в различных отраслях промышленности.

Технические характеристики порошков SLM

Порошки для SLM должны соответствовать строгим техническим требованиям по составу, гранулометрическому составу, морфологии, текучести, кажущейся плотности, уровню загрязнения и микроструктуре.

Таблица 5: Типовые технические характеристики порошков для селективного лазерного плавления

Ведущие поставщики SLM-порошков имеют собственные установки для определения характеристик порошка, что позволяет гарантировать соблюдение этих параметров для каждой партии порошка перед поставкой заказчику.

Ценообразование на порошки для селективного лазерного плавления

Стоимость порошков для SLM зависит от состава сплава, качества, поставщика, количества закупок и географического региона. Ниже приведены некоторые типичные цены на порошки:

Таблица 6: Ориентировочные диапазоны цен на популярные порошковые сплавы для СЛМ

Самые высокие цены - на реактивные сплавы, такие как титан, самые низкие - на товарные сплавы, такие как алюминий и нержавеющая сталь. Аэрокосмические марки стоят дороже обычных сплавов. Поставщики SLM-порошков предоставляют скидки при оптовых закупках.

В целом стоимость материалов составляет 15-30% от общей стоимости детали при АМ металлов. Большая часть стоимости материалов приходится на сам порошок. Оптимизация повторного использования нерасплавленного порошка позволяет снизить среднюю стоимость детали.

Ведущие поставщики порошков для УШМ

Многие компании предлагают газоатомизированные металлические порошки, специально разработанные для аддитивного SLM-производства. К числу ведущих мировых поставщиков относятся:

Таблица 7: Основные поставщики порошков для селективного лазерного плавления

Эти компании инвестировали в технологию распыления и улучшенную характеризацию, чтобы порошки для SLM отвечали строгим требованиям, предъявляемым к 3D-печати деталей высокого качества. Они предлагают широкий спектр материалов, предназначенных для SLM.

Плюсы и минусы порошков SLM

Таблица 8: Преимущества и ограничения порошков для селективного лазерного плавления

Плюсы

• Тонкость порошков SLM размером 15-45 микрон позволяет печатать с очень высоким разрешением и мелкими элементами.
• Сферическая форма частиц и хорошая текучесть предотвращают агрегацию порошка и проблемы с подачей при печати.
• Высокая химическая чистота сводит к минимуму такие дефекты, как включения и пустоты в печатных деталях.
• Гранулометрический состав оптимизирован для предотвращения сегрегации и обеспечения однородности плавления.
• Специальные поставщики разрабатывают сплавы с составом, специально предназначенным для применения в SLM.
• Распыление в инертном газе позволяет избежать окисления порошка.

Cons

• По сравнению с традиционными методами производства для SLM существует меньшее количество устоявшихся сплавов.
• Реактивные сплавы, такие как титан, требуют особого обращения для предотвращения загрязнения, что увеличивает стоимость.
• Будучи мелкодисперсными порошками, материалы SLM чувствительны к поглощению влаги при хранении и обработке.
• Металлические порошки представляют опасность в виде взрывов пыли и угрозы здоровью, что требует соблюдения мер предосторожности.
• Сплавы, полученные методом SLM, стоят существенно дороже стандартных порошковых марок из-за особенностей производственного процесса.
• Некоторые сплавы имеют очень мало поставщиков, что ограничивает их доступность и качество материала.
• Нерасплавленный порошок не может быть просто выброшен и должен быть использован повторно по соображениям экологичности и стоимости.

Как выбрать порошок SLM

Выбор оптимального порошка для SLM требует учета таких факторов, как:

• Функция детали - Механические требования, напряжения, условия эксплуатации
• Свойства сплавов - Прочность, твердость, пластичность, термостойкость
• Потребности в постобработке - Реакция на термическую обработку, обрабатываемость
• Факторы процесса - Плотность порошкового слоя, лазерное поглощение, текучесть
• Соображения, связанные с затратами - Стоимость материалов, стоимость оборудования

Назначение детали в первую очередь определяет выбор сплава. Критически важные детали с высокими нагрузками требуют порошков, обеспечивающих максимальную плотность и механические свойства. Менее ответственные задачи, связанные с изготовлением прототипов, допускают большую гибкость.

От порошка также зависят такие технологические факторы, как скорость печати, достижимая точность и качество поверхности. Бенчмаркинг материалов-кандидатов на реальных принтерах позволяет выявить наилучшее соответствие.

Ключевую роль играет стоимость. Сплавы с более высокими характеристиками для аэрокосмических применений гораздо дороже обычных марок. Уникальные сплавы могут быть доступны только у одного поставщика.

Тщательная оценка требований приложения в сравнении с возможностями и стоимостью материалов позволяет выбрать оптимальный порошок для СЛМ.

Как хранить и обращаться с порошком SLM

Бережное обращение и хранение порошков для СЛМ является важнейшим условием предотвращения деградации материала и обеспечения высокого качества печатных деталей:

• Невскрытые контейнеры хранить в сухом прохладном месте, вдали от солнечного света и влаги. Не допускать перегрева.
• Открывать контейнеры с порошком следует только в инертном перчаточном боксе с уровнем кислорода ниже 10 ppm для предотвращения окисления.
• Переносите порошки в перчаточном боксе с надлежащим заземлением, чтобы избежать накопления статического электричества. Надевайте нитриловые перчатки.
• При хранении плотно закрывайте контейнеры. Используйте только оригинальные контейнеры, а не пластиковые пакеты.
• При больших объемах порошок следует хранить в машинах со встроенными системами инертных газов.
• Перед повторным использованием просеивайте порошок через сетки с рекомендуемым размером ячеек для разрушения агломератов и удаления загрязнений.
• При необходимости используйте печи для сушки порошков и вакуумные термодегазаторы для снижения уровня влажности.
• При утилизации использованного порошка смочите его водой для предотвращения образования пыли в воздухе и утилизируйте как опасные отходы.
• Соблюдайте все меры безопасности при работе с мелкими металлическими порошками, включая СИЗ и меры по предотвращению взрыва.

Правильное управление порошком позволяет поддерживать стабильность печати и повторно использовать до 80-90% нерасплавленного порошка. Это позволяет максимизировать выход продукции при минимизации затрат на сырье.

FAQ по порошкам для селективного лазерного плавления

Вопрос: Каков типичный диапазон размеров частиц для порошков SLM?

О: Большинство порошков для СЛМ имеют размер 15-45 мкм, при этом большинство частиц находится в диапазоне 20-35 мкм. Более мелкие порошки улучшают разрешение, в то время как большие размеры ухудшают детализацию и точность.

Вопрос: Как производятся порошки для СЛМ?

О: Порошки SLM изготавливаются методом распыления в инертном газе, при котором поток расплавленного сплава разбивается на капли, застывающие в виде сферических частиц. Это позволяет избежать окисления порошка.

Вопрос: Что понимается под "кажущейся плотностью" и "тангенциальной плотностью" порошка?

О: Кажущаяся плотность - это насыпная плотность, измеренная при нормальных условиях. Плотность отвода - это повышенная плотность, достигаемая при механическом постукивании по образцу порошка для его уплотнения. Более высокая плотность улучшает характеристики порошкового слоя.

Вопрос: Почему для порошков, полученных методом SLM, важны характеристики текучести?

О: Хорошая текучесть и распределяемость порошка обеспечивает однородность слоев для равномерного плавления и предотвращает образование агрегатов. Сферические частицы улучшают текучесть по сравнению с частицами неправильной формы.

Вопрос: Как используются порошки для SLM после печати?

О: Нерасплавленный порошок просеивается для разрушения агломератов, высушивается в вакууме для снижения влажности и смешивается со свежим порошком перед повторным использованием. Это позволяет достичь уровня переработки более 80%.

Вопрос: Какие меры безопасности необходимо соблюдать при работе с порошками SLM?

О: Металлические порошки представляют опасность для здоровья, пожара и взрыва. Используйте соответствующие СИЗ, адекватную вентиляцию, надлежащее заземление и перчаточные боксы с инертным газом. Никогда не высыпайте порошок на открытый воздух.