Pulver för 3D-metalltryckning

Översikt

Pulver för 3d-metalltryckning, även känd som additiv tillverkning eller direkt metalllasersintring, är en revolutionerande produktionsteknik som gör det möjligt att skapa komplexa metalldelar direkt från digitala konstruktioner. En laser smälter selektivt samman fint metallpulver, lager för lager, tills det färdiga 3D-objektet framträder.

Den viktigaste komponenten som möjliggör denna transformativa teknik är metallpulvret. Pulverets egenskaper och kvalitet har en betydande inverkan på de mekaniska egenskaperna, noggrannheten, ytfinishen och den totala prestandan hos de tryckta metalldelarna.

Den här artikeln ger en omfattande översikt över metallpulver för 3D-utskrifter. Vi undersöker pulvertyper, sammansättningar, egenskaper, specifikationer, tillämpningar, fördelar, begränsningar och mycket mer baserat på den senaste branschforskningen och standarderna. Läs vidare för att få djupare insikter om detta fascinerande material i hjärtat av nästa industriella revolution.

Typer av Pulver för 3d-metalltryckning

Flera legeringar och metallmaterial kan användas för 3D-utskrift av pulver. De vanligaste alternativen inkluderar:

Pulver av rostfritt stål

Rostfritt stål är en av de mest populära metallerna för 3D-utskrifter på grund av dess höga hållfasthet, korrosionsbeständighet och förmåga att motstå höga temperaturer. De vanligaste legeringarna av rostfritt stål som används är:

• 316L rostfritt stål – Standardlegering med utmärkt korrosionsbeständighet och mekaniska egenskaper. 316L har en låg kolhalt för att minimera restspänningar under tryckning.
• 17-4PH rostfritt stål – Utskiljningshärdat rostfritt stål som kan uppnå mycket hög sträckgräns och brottgräns genom värmebehandling efter tryckning.
• 15-5PH rostfritt stål – Ett annat utskiljningshärdande rostfritt stål som kan ge hög hållfasthet och hårdhet. 15-5PH erbjuder bättre korrosionsbeständighet än 17-4PH.
• Duplex rostfritt stål – Legeringar med en blandad ferritisk-austenitisk mikrostruktur. Duplexstål erbjuder överlägsen sträck- och draghållfasthet jämfört med austenitiskt 316L-stål. Vanliga duplexlegeringar är 2205 och 2304.

Verktygsstål

Verktygsstål har mycket hög hårdhet, slitstyrka och tryckhållfasthet. Vanliga metallpulver i denna grupp är t.ex:

• H13 verktygsstål – Ett extremt mångsidigt Cr-Mo-V verktygsstål för varmbearbetning som bibehåller hög hårdhet och stabilitet vid förhöjda temperaturer.
• P20 verktygsstål – Ett mångsidigt låglegerat formstål med god bearbetbarhet och polerbarhet. P20 används ofta som ett billigare alternativ till H13 verktygsstål.
• Maråldringsstål – ‘Maraging’ står för martensitisk åldring. Dessa stål uppnår ultrahög hållfasthet genom åldrande värmebehandling. Vanliga martensitiska legeringar är 18Ni(350) och 18Ni(300).

Aluminiumlegeringar

Aluminium’s lätta vikt, korrosionsbeständighet och höga värmeledningsförmåga gör det till ett populärt val för flyg-, fordons- och högvärmeapplikationer. Vanliga aluminiumpulver inkluderar:

• AlSi10Mg – Den mest använda aluminiumlegeringen med utmärkt flytbarhet, stabilitet och mekaniska egenskaper. Si och Mg fungerar som förstärkande ämnen.
• AlSi7Mg – Mycket likt AlSi10Mg. Lägre kiselhalt förbättrar pulvrets flytbarhet.
• Scalmalloy – En höghållfast Al-Mg-Sc-legering som får exceptionell sträckgräns från skandiumtillsatserna.

Kobolt & Nickel Superlegeringar

Dessa avancerade metallpulver har extremt hög värme- och slitstyrka tack vare sina komplexa sammansättningar. Typiska legeringar inkluderar:

• Inconel 718 – En nickel-krombaserad superlegering med otrolig hållfasthet vid höga temperaturer genom värmebehandling med solid-lösning och utskiljningshärdning.
• Inconel 625 – Utmärkt oxidations- och korrosionsbeständighet även vid extrema temperaturer. Används ofta inom flyg-, kemi- och marina applikationer.
• Kobolt-krom (CoCr) – Kobolt förstärkt med kromkarbider ger biokompatibla implantat som proteser och tandkronor/broar.
• Hastelloy – Korrosionsbeständiga nickellegeringar med tillsatser som molybden, krom och volfram.

Titan och titanlegeringar

Ren titan erbjuder den ultimata kombinationen av hög hållfasthet och låg densitet. Legeringselement som aluminium, vanadin och järn ger ytterligare fördelar:

• Ti6Al4V – Den mest populära titanlegeringen med aluminium som stabiliserar alfafasen och vanadin som förstärker betafasen.
• TiAl6V4 – Högre aluminiumhalt förbättrar ytterligare de mekaniska egenskaperna och oxidationsbeständigheten.
• Ti6Al4V ELI – ‘ELI’ står för extra låg interstitial med lägre syre-, kväve- och kolhalt. Har förbättrat brottmotstånd jämfört med vanlig Ti64.

Eldfasta legeringar och intermetalliska legeringar

Dessa avancerade pulver tål extrema temperaturer eller har exceptionell styrka/hårdhet:

• Volframkarbid (WC/Co) – Hårda volframkarbider som hålls samman av en koboltbindemedelsfas gör denna legering styvare än stål med bibehållen seghet.
• Molybden (Mo) – Rent molybdenpulver skapar detaljer med hög värmebeständighet som klarar temperaturer över 750°C.
• Inconel 625 – Nickel-krombaserat superlegeringspulver skapar föremål som behåller sin höga hållfasthet i oxiderande miljöer upp till 980°C.

Ädelmetaller

De unika egenskaperna hos ädelmetaller som guld, silver och platina gör dem också lämpliga för 3D-utskrifter:

• Silver (Ag) – Rent silverpulver bevarar utmärkta elektriska och termiska ledningsförmågor även i komplexa tryckta geometrier.
• Guld (Au) – Det mesta tryckta guldet är faktiskt guld som legerats med små mängder metaller som silver, koppar och palladium för att förbättra hårdheten och optimera egenskaperna.
• Platina (Pt) – Platinapulver är biokompatibelt och motståndskraftigt mot korrosion och kemiska angrepp. Används för att tillverka medicinska implantat och laboratorieutrustning.

I denna tabell sammanfattas egenskaperna hos de vanligaste metalltryckpulvren:

Typ av pulver	Sammansättning	Viktiga egenskaper
316L rostfritt stål	Fe/Cr18/Ni10/Mo3	Korrosionsbeständighet, hög duktilitet
17-4PH rostfritt stål	Fe/Cr17/Ni4/Cu4	Hög hållfasthet efter utskiljningshärdning
AlSi10Mg	Al/Si10/Mg0,5	Lätt, stark, god värmeledningsförmåga
Inconel 718	Ni/Cr18/Fe19/Nb5	Bibehåller hög hållfasthet vid extrema temperaturer
Ti6Al4V	Ti/Al6/V4	Låg densitet, biokompatibel, hög hållfasthet
Volframkarbid	WC/Co	Extremt hård och värmebeständig
Silver	Ag > 99	Utmärkt elektrisk/termisk ledningsförmåga

Metoder för produktion av metallpulver

För att uppnå de egenskaper som krävs för 3D-utskrifter av hög kvalitet måste metallpulver ha vissa specifika fysiska egenskaper och partikelstorleksfördelningar. Det finns flera olika tekniker för pulvertillverkning:

Atomisering av gas

• Ström av smält metall sönderdelas av högtrycksstrålar med inert gas
• Producerar sfäriskt pulver som är idealiskt för tryckning – hög flytbarhet, packningstäthet
• Vanligaste metoden för finare rostfritt stål, verktygsstål, superlegeringar & titanpulver

Atomisering av vatten

• Använder vattenstrålar för att bryta upp smält metall i fina droppar
• Oregelbunden pulverform påverkar flödet men billigare än gasatomisering
• Används vanligtvis för mer prisvärda alternativ som aluminium och magnesium

Plasmaatomisering

• Plasmabåge med mycket hög energi smälter och dispergerar metall till fina partiklar
• Skapar mycket sfäriska pulver från reaktiva legeringar som titanaluminider
• Pulver har högre renhet och kan skriva ut komplicerade detaljer med större noggrannhet

Induktionssmältning med elektrod och gasatomisering (EIGA)

• Kombinerar induktionssmältning och gasatomisering
• Exceptionell kontroll över kemisk sammansättning och renhet
• Används för speciallegeringar som nickel-superlegeringar och ädelmetaller

Mekanisk legering

• Pulver framställt genom högenergibollfräsning
• Används för CMD kopparlegeringar, aluminiumkompositer och intermetalliska material
• Skapar fina homogena kompositioner från blandade elementpulver

Korrekt pulverproduktionsteknik är avgörande för att få önskad legeringskemi, partikelformer, storleksfördelning, renhetsnivåer och flödesegenskaper som är nödvändiga för högkvalitativ 3D-utskrift av metall.

Egenskaper för metallpulver

pulver för 3D-printing måste uppfylla strikta specifikationer när det gäller kemi, partikelstorleksfördelning, morfologi, mikrostruktur och andra parametrar. Viktiga egenskaper inkluderar:

Fördelning av partikelstorlek

Typiskt intervall är 15 mikrometer till 45 mikrometer. Kritiska faktorer inkluderar:

• D10 – Storlek under vilken 10% av partiklarna faller
• D50 – Medianpartikelstorlek med 50% över och under denna diameter
• D90 – Storlek där 90% av pulvret är under denna diameter

Idealiska värden: D10: 20-25 μm; D50: 30-35 μm; D90: 40-45 μm

Partikelform & Ytmorfologi

• Mycket sfäriska partiklar med släta ytor gör det lätt att sprida pulvret och ger bästa möjliga förtätning.

Flödeshastighet & skenbar densitet

• Flödeshastigheten avgör hur lätt pulvret sprids under tryckningen
• Den skenbara densiteten anger hur tätt pulver packas ihop i en fast volym
• Värdena beror på faktorer som partikelform, storleksfördelning och ytstruktur
• Gasatomiserade pulver har högsta flytbarhet och packningstäthet

Tappdensitet

• Maximal densitet uppnås efter mekanisk knackning/agitation
• Högre gängdensitet förbättrar den slutliga komponentdensiteten

Hausner-kvot

• Förhållandet mellan tappdensitet och skenbar densitet
• Lägre kvoter ~1,1 indikerar god flytbarhet
• Högre nyckeltal ~1,4 tyder på sammanhållen verksamhet och dåligt flöde

Återstående oxider & Föroreningar

• Renheten är kritisk, syre och kväve kan orsaka porositetsdefekter
• Kemikalierna måste överensstämma med legeringsspecifikationerna
• Gas-, plasma- och EIGA-atomisering ger renaste pulver

Intern mikrostruktur

• Beror på sammansättning, stelningshastigheter under pulverproduktion
• Enfasiga, likformiga korn önskas för optimal skiktfusion
• Vissa legeringar skapar avsiktligt dubbla faser för unika egenskaper

Hårdhet hos partiklar

• Påverkar prestandan hos färdiga delar
• Vickers’pyramidtal (HV) används för att kvantifiera
• Hårda partiklar motstår deformation under pulverspridning

Satellitformation

• Mindre partiklar kan bindas till större partiklar under pulvertillverkningen
• Satelliter kan påverka bildandet av smältbassänger under tryckningen
• Gasatomiserade pulver har minimala satelliter

Ytkemi

• Funktionella grupper på ytan påverkar pulverspridning och fusion
• Atmosfär och temperatur under produktionen har en inverkan
• Inert bearbetning genererar ren, oxidfri pulverkemi

Att upprätthålla en strikt kvalitetskontroll över dessa pulveregenskaper är avgörande för att lyckas med högkvalitativ 3D-utskrift.

Specifikationer för metallpulver

tillverkare av 3D-skrivare och organisationer som ISO och ASTM har standardiserade specifikationer för de flesta metallpulver för tryckning. Typiska parametrar inkluderar:

Storleksfördelning

• D10, D50, D90 värden enligt rekommenderade intervall
• Maximal satellitinnehåll < 1%

Överensstämmelse med kemi

• Elementär sammansättning möter publicerade legeringssammansättningsintervall
• Låga syre- och kvävenivåer (<1000 ppm)
• Restmängder av kol och svavel beroende på legering

Skenbar densitet och tappdensitet

• Skenbar densitet 2,5-4,5 g/cm3
• Tappdensitet upp till 65% högre än skenbar densitet

Flödeshastighet

• Test av Hall-flödesmätare > 15 s/50 g

Fukthalt

• Hög luftfuktighet orsakar agglomerering av pulver
• Maximal fukthalt: 0,02%

Ytoxider

• Oxider och föroreningar kan orsaka porositetsdefekter
• SEM-bildtagning för kontroll av partikelytor

Välrenommerade pulvertillverkare testar varje batch och tillhandahåller fullständiga analysdata samt MLS-kvoter, Hausner-kvoter, Carr-index och resultat från pyknometer och Hall-flödesmätare för att kvalificera pulvret enligt fastställda normer.

Tillämpningar för metalltryckpulver

3D-metalltryck förändrar produktionen inom många olika branscher. Typiska tillämpningar inkluderar:

Flyg- och rymdindustrin

• Komponenter till flyg- och raketmotorer – turbiner, munstycken, bränslesystem
• Strukturella delar till flygplansskrov och landningsställ tillverkade av titan, aluminium, Inconel
• Betydande viktbesparingar, konsolidering av delar, prestandaförbättringar

Medicin & tandvård

• Implantat för rekonstruktion av leder som knän, höfter och axlar
• Tandimplantat, kronor och broar
• Kranialplattor, kirurgiska instrument, patientanpassade guider & verktyg
• Biokompatibla legeringar av koboltkrom, titan, rostfritt stål och ädelmetaller

Fordon

• Lättviktsdelar till prototyp- och produktionsbilar – chassi, drivlina
• Verktyg för konform kylning för formsprutning
• Anpassade jiggar och fixturer för monteringslinjer
• Certifiering för strukturella komponenter i rostfritt stål pågår

Industriell tillverkning

• Verktyg för metallbearbetning – formsprutning, termoformning, plåtbearbetning
• Press- och stansverktyg av härdat verktygsstål
• Konforma kylkanaler minimerar verktygets cykeltider
• Snabb leverans av produktionsverktyg för korta serier

Olja & Gas

• Ventiler, pumpar och rör i rostfritt stål och Hastelloy för produktion
• Korrosionsbeständiga Inconel-komponenter för offshore
• Konforma kanaler minimerar tryckfallsförluster

Konsumentelektronik

• Kundanpassade kapslingar, sköldar och ramar i rostfritt stål eller aluminium
• Värmehanteringsanordningar för värmeavledning
• Komponenter för elektromagnetisk avskärmning
• Högklassiga designsmycken – guld, silver, platina

Snabba tillverkningstekniker som 3D-printing ger en helt ny funktionalitet, prestanda och designfrihet. De unika egenskaperna hos metallpulver för tryckning möjliggör produktionsklara slutanvändningsdelar i nästan alla branscher.

Pulver för 3d-metalltryckning Leverantörer

De flesta stora metalltillverkande konglomerat producerar nu specialpulver för additiv tillverkning. Några av de ledande globala leverantörerna är t.ex:

Företag	Viktiga produkter	Beskrivning
Sandvik	Osprey Pulver för rostfritt stål, verktygsstål och höglegeringar	Branschledande inom atomisering av rostfritt, höglegerat och verktygsstål med globala teknikcenter
Snickare Tillsats	17-4PH, 304L, legering 625, koboltkrom, titankvaliteter	Bred portfölj med låglegerade stål, rostfria stål, nickellegeringar, titan och koboltkrom
Praxair	TAFA Pulver för tryckbarhet av metall	Smal storleksfördelning och sfäriska morfologier optimerade för tryckning
Höganäs	Digitala metallsorteringar	Pulver av hög kvalitet av rostfritt stål, verktygsstål, koboltkrom och nickellegeringar
LPW-teknik	LPW Pulverlösningar	Specialiserar sig på plasmaatomisering för reaktiva material som titan- och aluminiumlegeringar
Arcast	Arcast metallpulver för 3D-utskrift	Atomiseringskapacitet i kommersiell skala för en rad olika rostfria stål, verktygsstål, nickel-superlegeringar etc
Metal Powders Industries Federation	MPIF Standard 35	Global federation som fastställer accepterade specifikationsstandarder för metallpulver

Välrenommerade leverantörer tillhandahåller omfattande data om sammansättning och egenskaper för sina pulver med stöd av intensiv forskning och utveckling och sträng kvalitetskontroll. Många erbjuder även tjänster för utveckling av anpassade legeringar. Den globala logistiken i leveranskedjan säkerställer tillförlitlig tillgänglighet på de största marknaderna.

3d metalltryckpulver Prissättning

Rostfritt stål 316L – $50-100 USD per kg

Maråldrat stål (klass 300) – $100-200 USD per kg

Aluminium AlSi10Mg – $30-60 USD per kg

Titan Ti6Al4V (klass 5) – 200-400 USD per kg

Inconel 718 – $100-200 USD per kg

Kobolt krom F75 – $100-250 USD per kg

Priserna varierar beroende på:

• Renhetsnivåer
• Storleksfördelning
• Minsta orderkvantiteter
• Avgifter för utveckling av anpassade legeringar
• Importtullar/skatter

Fördelar och nackdelar med 3D-utskrift av metall

Fördelar

• Designfrihet för komplexa geometrier
• Konsolidering av delar till enskilda komponenter
• Viktminskning genom topologioptimering
• Minskad montering från färre komponenter
• Alternativ för höghållfasta legeringar
• Funktionell integration – t.ex. konforma kylkanaler
• Snabb leveranstid för omarbetningar och anpassningar
• Produktion på begäran av föråldrade/legacy-reservdelar
• Minskat materialspill jämfört med subtraktiv teknik

Begränsningar

• Högre delkostnader jämfört med konventionell tillverkning av stora volymer
• Begränsad storlekskapacitet baserad på utrustningens byggvolym
• Begränsat utbud av legeringsalternativ som för närvarande är certifierade och kvalificerade
• Lägre måttnoggrannhet och finare ytfinish kräver sekundär bearbetning
• Mekanisk anisotropi eftersom egenskaperna skiljer sig åt beroende på byggorientering
• Efterbearbetning som varm isostatisk pressning behövs för konsolidering av full densitet
• Brist på branschstandarder för vissa applikationer

Utbudet av metaller som kan tryckas ökar exponentiellt tillsammans med kvalitet och repeterbarhet i takt med att tekniken och materialvetenskapen utvecklas snabbt.

VANLIGA FRÅGOR

Vilket partikelstorleksintervall behöver metallpulver för 3D-utskrifter?

• Typiskt storleksintervall är 15-45 mikron
• Distributionskurvorna anger partikeldiametrarna D10, D50 och D90
• Värdena beror på önskad skiktupplösning, men vanligtvis 20-45 mikrometer

Vad’är skillnaden mellan rostfritt stål 316L och 17-4PH pulver?

• Båda är järn/krom/nickellegeringar. 316L har bättre korrosionsbeständighet.
• 17-4PH har högre hållfasthet och hårdhet efter värmebehandling med utskiljningshärdning
• 316L används mer inom marin, kemisk och biomedicinsk användning där korrosionsbeständighet krävs
• 17-4PH passar för verktygstillämpningar som kräver hög slitstyrka

Varför är formen viktig för metalltryckpulver?

• Mycket sfäriska partiklar har bättre flöde och hög packningstäthet
• Slät ytmorfologi utan satelliter säkerställer optimal fusion
• Pulver som finfördelas med gas ger utskrifter av högsta kvalitet.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser