Металлический порошок SLS: Свойства, применение и поставщики

Селективное лазерное спекание (SLS) - это технология аддитивного производства, в которой используется лазер для сплавления мелких частиц пластика, металла, керамики или стеклянных порошков в 3D-объект. Металлические порошки SLS с нужными характеристиками очень важны для изготовления высококачественных металлических деталей со сложной геометрией с помощью этого процесса.

Обзор металлических порошков для SLS

Металлические порошки SLS относятся к металлическим порошкам, которые оптимизированы для использования в 3D-принтерах селективного лазерного спекания для производства металлических деталей и прототипов. Наиболее часто используемые металлические порошки для SLS включают:

Виды металлических порошков SLS

Тип	Состав	Основные характеристики
Нержавеющая сталь	Сплавы Fe, Cr, Ni	Коррозионная стойкость, высокая прочность
Инструментальная сталь	Сплавы Fe, Cr, Mo	Высокая твердость, возможность термообработки
Легированная сталь	Сплавы Fe, Cr, Ni	Поддается термической обработке, поддается механической обработке
Кобальт-хром	Сплавы Co, Cr	Биосовместимые, износостойкие/коррозионностойкие
Титан и сплавы	Сплавы Ti, Al, V	Легкий, биосовместимый, прочный
Inconel	Сплавы Ni, Cr	Термо/коррозионная стойкость
Алюминиевые сплавы	Сплавы Al, Cu, Mg	Легкий, прочный

Эти металлические порошки должны обладать такими свойствами, как текучесть, форма и распределение частиц по размерам, которые необходимы для производства деталей SLS высокой плотности с точностью, аккуратностью и требуемыми механическими свойствами.

Основные свойства металлических порошков SLS

Параметр	Описание	Требования
Диапазон размеров	Размеры частиц порошка	10-45 микрон общий
Распределение по размерам	Диапазон размеров порошка	В основном сферические с некоторыми разрешенными спутниками
Морфология	Форма частиц порошка	Сферическая форма оптимальна, сателлиты могут вызывать дефекты
Расход	Текучесть порошка	35-40 с/50 г по расходомеру Холла
Кажущаяся плотность	Плотность упаковки порошка	Около 60% истинной плотности
Истинная плотность	Плотность материала	Зависит от состава
Площадь поверхности	Площадь поверхности частиц на единицу массы	Ниже - лучше для уменьшения окисления
Остаточные газы и влага	Примеси, присутствующие в порошке	Минимизация для высококачественных деталей

Характеристики металлических порошков SLS

Характеристика	Роль в процессе SLS
Форма частиц и текстура поверхности	Влияние на поток порошка в каждый новый слой, лазерное поглощение, отражательная способность
Распределение частиц по размерам	Влияет на плотность упаковки, динамику расплава, распределяемость
Характеристики потока	Обеспечивает равномерное распределение, однородность слоя
Кажущаяся плотность	Контролирует расстояние между частицами, требует затрат энергии
Истинная плотность	Определяет окончательную максимально достижимую плотность деталей
Легирующие добавки	Обеспечивает определенные свойства материала, такие как прочность, твердость и т.д.

Применение SLS Металлические порошки

Металлический порошок SLS позволяет печатать функциональные металлические детали полной плотности для прототипирования, оснастки и мелкосерийного производства в таких отраслях, как:

Отраслевые применения металлических деталей, напечатанных методом SLS

Промышленность	Приложения	Используемые материалы
Аэрокосмическая промышленность	Лопатки турбины, компоненты двигателя/конструкции	Нержавеющие стали, суперсплавы, титановые сплавы
Автомобильная промышленность	Прототипы деталей, индивидуальная оснастка	Нержавеющие стали, инструментальные стали, алюминиевые сплавы
Медицинские имплантаты	Имплантаты, направляющие, ориентированные на конкретного пациента	Кобальт-хром, титановые сплавы, нержавеющая сталь
Промышленность	Прецизионная оснастка, роботизированные захваты	Нержавеющие стали, инструментальные стали
Ювелирные изделия	Кольца, цепочки, изделия на заказ	Драгоценные металлы, такие как сплавы золота, серебро

Некоторые уникальные преимущества по сравнению с традиционными способами производства:

Преимущества SLS для производства металлических деталей

Выгода	Описание
Свобода геометрии	Отсутствие ограничений на геометрию деталей в отличие от субтрактивных методов/методов литья
Быстрый оборот	Быстрая печать по данным САПР
Легкий вес	Решетчатые структуры снижают вес на >30%
Объединение частей	Интегрально напечатанные узлы заменяют соединения
Массовая кастомизация	Медицинские устройства, ориентированные на пациента
Гибридные структуры	Возможность изготовления деталей из нескольких материалов - металла и полимеров

Общие области применения металлических деталей, напечатанных методом SLS, в различных отраслях промышленности:

Типичные области применения металлических деталей, напечатанных методом SLS

Приложение	Примеры	Используемые материалы
Функциональные прототипы	Компоненты двигателя, имплантаты	Легированные стали, сплавы титана
Инструменты	Направляющие для сверл, приспособления, оснастка	Нержавеющие стали
Оснастка для пресс-форм	Оснастка для литья под давлением	Инструментальные стали типа H13.
Серийное производство	Аэрокосмические/медицинские компоненты	Сплавы титана и никеля, CoCr
Легкие конструкции	Решетчатые панели, скобы	Сплавы алюминия, сплавы титана

Технические характеристики металлического порошка SLS

Производители систем SLS, такие как EOS, 3D Systems и Renishaw, предоставляют квалифицированные спецификации металлических порошков для SLS, разработанные специально для их моделей принтеров. К числу распространенных металлических порошков и их размеров относятся:

Типы и диапазоны размеров металлических порошков SLS

Материал	Доступные типы порошка	Диапазон размеров частиц
Нержавеющая сталь	316L, 17-4PH, 303, 410	15-45 мкм
Мартенситно-стареющая сталь	MS1, 18Ni300, 18Ni350	15-45 мкм
Кобальтовый хром	CoCr, CoCrMo	15-45 мкм
Алюминиевый сплав	AlSi10Mg, AlSi12	15-45 мкм
Титановый сплав	Ti6Al4V Класс 5	15-45 мкм
Никелевый сплав	Инконель 718, Инконель 625	15-45 мкм

Стандартные организации определили классификацию различных сортов металлических порошков, используемых в процессах AM:

Градации металлических порошков в соответствии со стандартами ISO/ASTM

Стандарт	Классы	Описание
ISO 17296-2	PA1 - PA6	Определяет все более строгие требования к примесям от P1 до P6
ISO 17296-3	PM1 - PM4	Определяет форму частиц, параметры размера от PM1 до PM4
ASTM F3049	Класс 1 - Класс 4	Определяет допустимые пределы для диапазонов состава от 1 до 4
ASTM F3056	Тип 1 - Тип 3	Определяет параметры статистического распределения размеров от 1 до 3

Эти схемы градации помогают установить эталонные уровни качества и помогают покупателям при закупках. Порошок класса PA5 высокой чистоты обеспечивает минимальное загрязнение. Аналогичным образом, более жесткий химический контроль класса 4 снижает вариативность.

SLS Металлический порошок Поставщики

Различные поставщики поставляют готовые к использованию порошки SLS по всему миру. К числу ведущих мировых поставщиков относятся:

Основные поставщики металлических порошков для SLS

Поставщик	Предлагаемые материалы	Обслуживаемые регионы
Sandvik	Нержавеющая сталь, сплавы Ni, CoCr, инструментальная сталь, алюминиевые сплавы	Европа, Азия
Praxair	Сплавы титана, сплавы никеля, нержавеющие, инструментальные стали	Северная Америка
Технология LPW	Нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы, CoCr	Великобритания, Европа
Столярная присадка	Нержавеющие стали, CoCr, Cu, алюминиевые сплавы	Глобальная
Hoganas	Нержавеющие стали, инструментальные стали	Европа, Азия

Обычный минимальный объем поставок составляет около 10 кг для каждой марки материала, хотя для OEM-покупателей также существуют контракты на большие объемы. Варианты упаковки варьируются от вакуумных герметичных банок до специализированных картриджей для машин SLS, содержащих от 700 г до 1 кг порошка в каждом.

Виды упаковки металлических порошков SLS

Тип	Диапазоны объемов	Характеристики
Вакуумные банки	Партии от 500 до 20 кг	Срок годности до 1 года
Картриджи для принтеров	Партии от 700 до 1000 г	Минимизация воздействия при обращении
Материальные башни	Картриджи весом от 700 до 1200 г	Автоматизированная подача в принтер

Цены на обычные материалы в небольших количествах варьируются:

Диапазон стоимости металлических порошков для SLS-печати

Материал	Диапазон цен на небольшое количество*
Нержавеющая сталь 316L	$60-$100 за кг
Алюминий AlSi10Mg	$80-$130 за кг
Мартенситно-стареющая сталь	$90-$140 за кг
Титан Ti6Al4V	$200-$350 за кг
Кобальтовый хром	$300-$500 за кг
Драгоценные металлы	$3000+ за кг

Сравнение материалов металлических порошков для SLS

Для SLS-печати используются различные металлические сплавы, каждый из которых обладает своими свойствами и недостатками:

Сравнение материалов металлических порошков для SLS

Параметр	Нержавеющие стали	Инструментальные стали	Титановые сплавы	Никелевые сплавы	Кобальтовый хром	Алюминиевые сплавы
Плотность	Средний	Выше	Нижний	Высокая	Высокая	Самый низкий
Прочность	Средний	Самый высокий	Средний и высокий	Средний и высокий	Средний	Средний
Твердость	Нижний	Очень высокий	Средний	Средний	Выше	Низкий-средний
Коррозионная стойкость	Отличный	Средний	Отличный	Отличный	Отличный	Средний и хороший
Биологическая совместимость	Хороший	Limited	Отличный	Limited	Отличный	Хороший
Термостойкость	Средний	Средний и высокий	Средний	Очень высокий	Очень высокий	Нижний
Стоимость	Самый низкий	Средний	Высокая	Очень высокий	Высокая	Низкий

Мы видим, что нержавеющая сталь обеспечивает наилучшее сочетание свойств, когда речь идет о стоимости, в то время как инструментальная сталь обеспечивает чрезвычайную твердость. Титан обеспечивает биосовместимость и прочность при низкой плотности. Суперсплавы, такие как инконель и CoCr, обеспечивают термическую стабильность и биологическую совместимость. Алюминиевые сплавы - самый экономичный вариант легкого сплава.

Плюсы и минусы распространенных металлических порошков для SLS

Материал	Преимущества	Недостатки
Нержавеющие стали	Экономичные, легко поддаются обработке	Низкая твердость и прочность
Инструментальные стали	Чрезвычайно твердые и поддаются термообработке	Низкая коррозионная стойкость, биосовместимость
Титановые сплавы	Прочный, легкий, биологически чистый	Дорогой, может сгореть в кислородной атмосфере
Никелевые сплавы	Отличная термо/коррозионная стойкость	Тяжелый, токсичный, очень дорогой
Кобальтовый хром	Биосовместимый, устойчивый к коррозии	Тяжелые, средней стоимости
Алюминиевые сплавы	Легкий вес, хорошая прочность	Низкая температура плавления, твердость

Критерии выбора металлического порошка для SLS

Критерии отбора	Основные вопросы
Механические свойства	Соответствует ли она целевой прочности, износостойкости и другим механическим характеристикам?
Стоимость материалов	Соответствует ли желаемый тип металлического порошка бюджету?
Постобработка	Необходимы ли вторичные операции, такие как горячее изостатическое прессование или термообработка?
Размер производственной партии	Слишком ли велик целевой объем для серийной SLS-печати?
Размеры деталей	Достаточно ли максимального объема сборки принтера для самых больших геометрических размеров деталей?
Разрешение, обработка поверхности	Можно ли с помощью процесса SLS добиться тонкой детализации и качества поверхности?
Срок поставки	Приемлемо ли время выполнения заказа поставщиком с учетом сроков производства?

В зависимости от назначения конечной детали выбирается оптимальный материал, который обеспечивает баланс между эксплуатационными характеристиками и экономичностью.

Обзор процесса печати на металле SLS

Понимание 3D-печати SLS помогает оценить, как свойства порошка влияют на качество деталей:

Этапы процесса 3D-печати SLS

Сцена	Описание
3D-моделирование	Программное обеспечение CAD создает твердотельную/сетчатую модель детали для печати
Нарезка	Модель нарезается на слои в цифровом формате для создания файла принтера
Распределение порошка	Валик или лопатка наносит тонкий слой порошка на платформу для сборки
Лазерное сканирование	Лазер CO2 сканирует слой порошка, чтобы расплавить частицы вместе
Опускающаяся платформа	Платформа опускается на толщину 1 слоя (~50 микрон)
Повторное распределение/плавление	Шаги повторяются до тех пор, пока объект не будет создан слой за слоем.
Постобработка	Удаление излишков порошка, окончательная обработка детали

Как характеристики порошка влияют на результаты печати

Свойства порошка	Влияние на качество печати
Геометрия порошка	Сферические частицы с хорошей текучестью позволяют создавать равномерные слои без дефектов
Диапазон размеров частиц	Слишком мелкие порошки плохо расходуются, слишком крупные создают плохое разрешение
Распределение по размерам	Слишком широкое распределение может привести к сегрегации или созданию переменного плавления
Кажущаяся плотность	Более высокая плотность обеспечивает большую плотность конечной детали после спекания
Истинная плотность	Устанавливает верхний предел достижимой плотности деталей
Текстура поверхности	Шероховатые частицы могут задерживать газы или препятствовать потоку порошка

Мы видим, что некоторые физические свойства порошка напрямую влияют на результаты печати, поэтому жесткий контроль со стороны поставщиков имеет решающее значение.

Постобработка металлических деталей, напечатанных методом SLS

После процесса SLS-печати дополнительные этапы отделки помогают улучшить свойства конечной детали:

Общие этапы постобработки деталей SLS

Процесс	Описание	Преимущества
Удаление порошка	Излишки порошка счищаются/обезжириваются	Раскрывает напечатанный объект
Снятие стресса	Нагрев для снятия остаточных напряжений	Повышает точность размеров
Обработка поверхности	Шлифовка, полировка, дробеструйная обработка	Выравнивает поверхность, способствует адгезии покрытия
Инфильтрация	Жидкость заполняет остаточную пористость	Увеличивает плотность, повышает прочность
Термическая обработка	Термические циклы закалки и отпуска	Повышает твердость сталей

Влияние постобработки на свойства деталей

Недвижимость	Влияние постобработки
Плотность	Инфильтрация эпоксидной смолой или бронзой заполняет поры, увеличивая плотность 5-15%
Шероховатость поверхности	Ручная/автоматическая полировка позволяет достичь шероховатости менее 2 микрон
Точность размеров	Снятие напряжений при термоцикле уменьшает коробление, повышая точность
Прочность на разрыв	Инфильтрация улучшает UTS, а термообработка позволяет удвоить прочность при выходе
Пластичность	Компромисс с улучшением прочности после лечения
Твердость	Сплавы, упрочняемые осаждением, такие как 17-4PH, хорошо реагируют на обработку старением

Таким образом, постобработка позволяет дополнительно изменять свойства металла в зависимости от потребностей применения.

Контроль качества печати на металле SLS

Постоянное высокое качество порошкового сырья в сочетании с контролем процесса SLS обеспечивает надежность деталей:

Контроль качества для SLS Металлический порошок

Параметр	Типовая спецификация	Методы испытаний
Распределение частиц по размерам	Скорость потока в зале > 35s/50g	Просеивание, лазерная дифракция
Кажущаяся плотность	65-80% истинной плотности	Гравиметрические измерения
Состав порошка	Диапазоны легирования согласно ISO 27296	Рентгеновская флуоресценция
Морфология поверхности	Медианная окружность > 0,75	Микрографы, анализ изображений
Загрязнение	< 50 ppm кислорода, < 150 ppm азота	Анализ плавления инертных газов

Мониторинг в процессе печати SLS

Метрика	Используемый датчик	Назначение
Мощность лазера	Встроенный фотодиод	Поддерживает постоянство плавления
Температура порошкового слоя	ИК-датчик	Обеспечивает целостность деталей, не деформируется
Атмосфера	Кислородный анализатор	Предотвращает воспламенение порошка в рабочей камере
Толщина слоя	Энкодер оси Z	Точные воспроизводимые слои

Такой строгий контроль над исходным порошком и настройками процесса позволяет получать высококачественные металлические детали из каждой партии.

SLS-печать по металлу в сравнении с альтернативами

Среди других альтернатив SLS - металлическая 3D-печать:

Сравнение методов 3D-печати металлов

Метрика	Струйная обработка вяжущего	DMLS	SLM	EBM
Сырье	Порошок смеси металла и полимера	Металлический порошок	Металлический порошок	Металлическая проволока/порошок
Источник энергии	Жидкое связующее	Волоконный лазер	Мощный Yb волоконный лазер	Электронный луч
Скорость сборки	Умеренно, быстрее, чем лазерные методы	Медленный из-за сканирования по точкам	Очень быстро, происходит полное расплавление	Самый быстрый метод
Разрешение, обработка поверхности	Плохое качество из-за переплета, помогает постобработка	Очень хорошо благодаря тонкому лазерному пятну	Превосходно благодаря полной плавке	Умеренная из-за частичного таяния
Точность размеров	+/- 0,3% с процессом CTQ	+/- 0.1-0.2%	+/- 0.1-0.2%	+/- 0.2-0.3%
Постобработка	Необходимо отверждение и спекание	Только поддержка удаления	Может потребоваться небольшая механическая обработка	Требуется большая часть второстепенных работ
Стоимость за деталь	Более низкая стоимость материалов помогает снизить цену	Значительно более высокие эксплуатационные расходы	Высокая стоимость оборудования и материалов	Высокая стоимость оборудования

Среди всех методов струйное нанесение связующего оказалось наиболее экономически эффективным для производства металлических деталей при небольших объемах до 10 000 штук. SLS обеспечивает самую простую постобработку в сочетании с высокой точностью и чистотой поверхности.

Вопросы и ответы

В каких отраслях используется SLS-печать по металлу?

SLS-печать на металле используется в аэрокосмической, автомобильной, медицинской и многих других отраслях, где требуются прецизионные металлические детали.

Какова точность и разрешение при печати по металлу методом SLS?

Точность и разрешение зависят от нескольких факторов, включая машину, материал и параметры процесса, но SLS-печать по металлу позволяет достичь высокого уровня точности.

Требуется ли постобработка для деталей, напечатанных методом SLS на металле?

Да, может потребоваться постобработка для удаления несущих конструкций, улучшения качества поверхности и выполнения специфических требований к применению.

Каковы ограничения печати по металлу SLS?

Некоторые ограничения включают стоимость оборудования, ограниченный размер камер для сборки и необходимость соблюдения мер безопасности из-за использования лазеров и металлических порошков.

Можно ли использовать SLS-печать по металлу для массового производства?

Да, SLS-печать по металлу может использоваться как для создания прототипов, так и для мелко- и среднесерийного производства металлических деталей.

Является ли SLS-печать на металле экологически безопасной?

Хотя по сравнению с традиционными методами производства он позволяет сократить количество отходов материалов, необходимо учитывать факторы, связанные с утилизацией металлических порошков и потреблением энергии, а также с воздействием на окружающую среду.

Существуют ли какие-либо меры предосторожности при работе с SLS-печатью по металлу?

Да, при работе с металлическими порошками необходимо соблюдать меры безопасности, а операторы должны быть обучены безопасной работе с лазерными системами.

Какова стоимость услуг по печати на металле методом SLS?

Стоимость варьируется в зависимости от таких факторов, как выбор материала, сложность деталей и их количество. Для конкретных проектов лучше всего запрашивать расценки у поставщиков услуг.

узнать больше о процессах 3D-печати