additiv tillverkning metallpulver

Additiv tillverkning, även känt som 3D-printing, revolutionerar produktionen i alla branscher. Ett av de viktigaste materialen som gör detta möjligt är metallpulver. Eftersom additiv tillverkning fortsätter att växa snabbt är det viktigt att förstå metallpulver.

När vi tänker på 3D-utskrifter i metall är det lätt att fokusera på de häpnadsväckande skrivarna. Men inget av det fungerar utan högkvalitativt metallpulver! Detta pulver fungerar som “bläck” för att skriva ut invecklade metalldelar lager för lager.

Men vad är ett bra metallpulver? Vilka typer används idag? Och varför spelar det någon roll? Den här guiden tar en djupgående titt för att avslöja allt du behöver veta.

Metallpulver 101

Först, vad exakt är metallpulver? Enkelt uttryckt är det ett fint metalliskt material i pulverform som används som basråvara för 3D-utskrift av metallkomponenter.

Jag vet vad du kanske tänker…metallpulver låter mer som ett kemiexperiment än ett tekniskt material! Men partikelstorlek och konsistens är ingen tillfällighet. Metallpulver för AM är noggrant konstruerade enligt strikta specifikationer.

Detta ger utskrifterna den materialintegritet som behövs för robusta delar i verkligheten. Låt oss nu avkoda de kritiska egenskaper som skiljer kvalitetspulver för metalltryck från varandra.

Additiv tillverkning Typer av metallpulver

Många metaller och legeringar kan omvandlas till fina, enhetliga pulver för additiv tillverkning. Men hittills är det bara vissa som har kommit till allmän användning.

Här’s en uppdelning av de vanligaste metallpulvren i 3D-utskrift idag:

Material	Viktiga egenskaper
Titan	Högt förhållande mellan styrka och vikt, biokompatibilitet
Aluminium	Lättvikt, korrosionsbeständig
Rostfritt stål	Hög hållfasthet, korrosions- och värmebeständig
Kobolt Krom	Biokompatibilitet, hög hårdhet
Nickellegeringar	Värme- och korrosionsbeständig, formbar
Verktygsstål	Värmebehandlingsbar, hög hårdhet

Titan och aluminium används ofta för delar till flyg- och bilindustrin där viktbesparingar är viktiga. Rostfritt stål täcker ett brett spektrum av applikationer som kräver goda fysikaliska egenskaper. Exotiska legeringar som koboltkrom- och nickellegeringar används för specialiserade medicinska eller högtemperaturtillämpningar. Och verktygsstål är idealiska för industriverktyg, formar och matriser som kräver hög slitstyrka efter värmebehandling.

Låt oss nu’ bryta ner pulvermetallurgiska detaljer mer detaljerat!

Metall pulver sammansättning

Som tidigare nämnts innehåller metallpulver rena basmetaller eller metallegeringar i form av mycket fina sfäriska partiklar. Hur är det med partikelsammansättningen? Generellt faller pulver in i dessa kategorier:

• Förlegeringar: Homogena partiklar med enhetlig intern kemi genom varje pulverkorn
• Blandade legeringar: Fysiska blandningar av olika rena metallpulver i specifika proportioner för att uppnå en önskad bulkkemi efter tryckning
• Hybridlegeringar: Partiklarna innehåller vissa delar av en metall eller legering blandat med delar av en annan sammansättning inom varje pulverkorn

Förlegeringar säkerställer enhetlighet eftersom varje partikel har identiska egenskaper. Blandade legeringar ger dock mer flexibilitet för att skapa anpassade material. I själva verket är de flesta metalltryckpulver som används idag pre-legeringar. Men blandade pulver och hybridpulver ger unika möjligheter.

Viktiga egenskaper för metallpulver

Nu till köttet och potatisen! Exakt vad är det som gör ett metallpulver rätt för 3D-utskrifter? Det visar sig att pulveregenskaper verkligen spelar roll, oavsett om det gäller pulverbäddfusion eller utskrift med riktad energideposition. Här är de avgörande:

Partikelstorlek: Råmetallpulver börjar runt 1-100 mikrometer och klassificeras sedan ytterligare i storleksintervall under 45 mikrometer för AM-kompatibilitet. Vanliga band är 0-10, 10-45 eller 10-30 mikrometer.

Partikelform: Sfäriska, flödande partiklar ger bäst tryck jämfört med ojämna flingor. Pulver bör uppvisa bra flödeshastigheter utan att klibba ihop.

Fördelning av partikelstorlek: En smal fördelning med minimalt med satelliter och finfördelningar ger homogena tryck. Standarderna kräver gaussiska kurvor med 95% mellan de utvalda minsta och största storlekarna.

Skenbar densitet: Högre densiteter över 50% av ett materials fasta densitet ger bättre tryck på grund av pulverbäddens fysik. Värdena varierar från 30-80% beroende på sammansättning.

Tappdensitet: Testet mäter förändring i densitet under vibration. Hög densitet över 65% indikerar bättre packning och spridbarhet.

Flödeshastighet: Nyckelindikator för pulvrets spridbarhet, skalad från 1 (mycket sammanhängande) till 10 (fritt flytande). De flesta AM-pulver av metall ligger mellan 3-6, där högre värde är bättre.

Det finns mer avancerade mått som Hausner-kvot, Carr-index och Scott-densitet som används för att karakterisera flöde och interaktioner mellan partiklar som påverkar kvaliteten. Men vad ska vi göra av all denna kryptiska pulverstatistik? Låt oss klargöra nästa hur dessa egenskaper översätts till bättre metalltryck i verkligheten.

Varför metallpulvers egenskaper är viktiga

Vid första anblicken kanske inte betydelsen av alla dessa egenskaper hos granulatpulver är uppenbar. Är det inte trots allt de nya, glänsande skrivarna som gör allt det verkliga arbetet?

Kort sagt – krutet spelar större roll än du kanske tror! Här’är varför:

• Pulverspridning i skrivare är beroende av flödesdynamik och packningsbeteende. Partiklar som sprids väl och packas tätt möjliggör tunnare trycklager för högre noggrannhet och ytfinish.
• Partikelstorleken har en direkt inverkan på den minsta upplösningen. Mindre partiklar runt 10 mikrometer hanterar invecklade detaljer bättre. Ultrafina nanopulver under 1 mikrometer kan ge extremt hög upplösning.
• Enhetlig partikelstorleksfördelning förhindrar defekter som porositet eller sprickbildning från partikelsegregering som stör täta tryck.
• Sfäriska partiklar smälter bättre över tryckskikten eftersom de packas tätt och smälter jämnt vid exponering med laser- eller elektronstrålar under tryckningen.
• Den skenbara densiteten anger hur mycket fast material som finns i en viss pulvervolym. Högre densitet ger mer faktiskt metallinnehåll under tryckningen.

Med andra ord: kvalitetspulver ger kvalitetstryck! Låt oss nu se hur pulver faktiskt produceras med egenskaper som är avsiktligt inställda för additiv tillverkning.

Produktion av metallpulver

Att omvandla råmaterial till sfäriska pulver med en precision på under 45 mikrometer är en konst och vetenskap i sig. Specialiserade pulverproduktionstekniker för metall AM inkluderar:

• Atomisering av gas: Blästring av smält metallegeringsström med inert gas under högt tryck för att bryta den i fina droppar som stelnar till pulver. Den vanligaste metoden ger små sfäriska partiklar som är idealiska för tryckning.
• Vattenatomisering: Vattenstråle används för att finfördela smält metall till pulver. Lägre kostnad men begränsad för reaktiva material som titan eller aluminium.
• Plasmaatomisering: Använd plasmabrännare för att atomisera legeringar med extremt höga smältpunkter som inte kan atomiseras med gas.
• Induktionssmältning med elektrod: Upprepad smältning och förångning av metallstavens ände under inert atmosfär, vilket gör att dropparna stelnar till pulver. Lägre kostnadskälla för nischlegeringar.
• Mekanisk förslitning: Mal metallråvaran fysiskt till pulverform genom kulfräsning eller andra pulveriseringsmetoder. Lägst föredragen på grund av icke-sfäriska partikelformer.
• Elektrolys: Elektrisk extrahering av rena reaktiva metaller som titan från smälta salter till pulverform. Källa till specialiserade reaktiva tryckpulver.
• Kemisk reduktion: Framställning av metallpulver som nickel genom kemiska reaktioner och utfällning från vattenlösningar.

I diagrammet nedan jämförs varje modern krutproduktionsteknik med en överblick:

Metod	Kostnadsnivå	Material	Partikelmorfologi	Gemensam användning
Atomisering av gas	Hög	De flesta legeringar	Sfärisk	Vanliga AM-pulver
Atomisering av vatten	Låg	Begränsade legeringar	Oregelbunden	Nischade tillämpningar
Plasmaatomisering	Mycket hög	Reaktiva metaller	Sfärisk	Legeringar för flyg- och rymdindustrin
Smältning av elektrod	Låg/Måttlig	De flesta legeringar	Sfärisk	Anpassade legeringar
Mekanisk utmattning	Låg	Vilken metall som helst	Fläckig	Äldre pulver
Elektrolys	Hög	Reaktiva metaller	Variabel	Specialpulver
Reduktion av kemikalier	Måttlig	Vissa rena metaller	Variabel	Nischade pulver

Med en översikt över pulvertillverkningsmetoder under bältet, låt oss nu undersöka landskapet av kommersiella metallpulver som är konstruerade speciellt för additiv tillverkning.

Leverantörer av metallpulver

Ett stort antal professionella leverantörer erbjuder idag ett växande utbud av specialiserade AM-pulver för metall. Kvaliteten kan dock variera mycket mellan olika leverantörer.

När du utvärderar källor för metallpulver finns det en rad fördelar utöver de grundläggande specifikationerna att ta hänsyn till:

• Vertikalt integrerad pulverproduktion in-house för kvalitetskontroll
• Utbud av tillgängliga material inklusive speciallegeringar
• Forskning och utveckling för nya legeringar som inte finns tillgängliga någon annanstans
• Skalerad anpassad batchproduktion vs mix-on-demand
• Tjänster för provning av pulver och provtagningskapacitet
• Säkra lagrings- och transportalternativ
• Återköp eller återvinningsprogram

Med dessa köpartips i åtanke finns nedan ledande globala leverantörer av metallpulver av professionell kvalitet för AM:

Tillverkare av metallpulver	Erbjudna material	Noterbara höjdpunkter
AP&C	Titan, tantal, niob, legeringar	Fokus på flyg- och rymdindustrin, plasmaatomisering
Arconic	Aluminium-, titan- och nickellegeringar	Vertikalt integrerad, brett materialutbud
Snickare Tillsats	Rostfritt stål, koboltkrom m.m	Kundanpassade legeringar, fokus på kvalitet
Erasteel	Verktygsstål, rostfritt stål	Olika stålkvaliteter och behandlingar
GE Additiv	Titan, aluminium, koboltkrom m.m	OEM-avknoppning, bred materialportfölj
Hoganas	Rostfria stål, verktygsstål	Branscherfarenhet, storlek
LPW-teknik	Titan, aluminium, nickel och mycket mer	Metallpulver R&D, kvalitetstestning
Praxair	Titan-, nickel- och koboltlegeringar	Industriella gaser och pulver
Sandvik	Rostfria stål, superlegeringar m.m	Etablerad ledare inom pulvermetallurgi

Förutom de ledande globala leverantörerna dyker det också upp mindre expertbutiker som tillverkar pulver. Dessa fokuserar ofta på mycket nischade legeringar med hjälp av speciella tillverkningstekniker som inte finns tillgängliga hos de stora leverantörerna.

Och stora materialföretag som Aubert & Duval, GKN Powder Metallurgy, Rio Tinto Metal Powders och andra stöder också AM. Kolla också lokalt eftersom regionala butiker expanderar. Leverantörskedjan för metallpulver har något för alla!

Kostnader för metallpulver

Vi har undersökt en rad olika avancerade metallpulver som är specialtillverkade för tryckning. Men hur mycket kostar egentligen kvalitetspulver av AM-kvalitet? Här är några ungefärliga siffror:

• Rostfritt stål 316L: $50-120 per kg
• Aluminium AlSi10Mg: 70-150 dollar per kg
• Titan Ti64: 200-500 USD per kg
• Inconel 718: 80-220 USD per kg
• Cobalt Chrome: 130-350 USD per kg
• Verktygsstål H13: $50-150 per kg

Naturligtvis fluktuerar marknadspriserna med utbud och efterfrågan. Men räkna med att betala en premie för tryckkonsistens jämfört med råa metallpulver som används i traditionell press- och sintringspulvermetallurgi. Du får vad du betalar för!

Standarder för metallpulver

Med så många kritiska pulveregenskaper för additiv tillverkning spelar standarder en viktig roll. Grupper som ASTM International, ISO och ASME släpper en växande lista med specifikationer för metallpulver:

• ASTM F3049: Standardguide för karakterisering av metallpulver som används för AM
• ASTM F3056: Specifikation för nickellegeringspulver för additiv tillverkning
• ASTM F3301: Specifikation för pulver av rostfritt stål för additiv tillverkning
• ISO/ASTM 52921: Standardterminologi för AM pulverbäddsfusion
• ISO/ASTM TS 52900: Additiv tillverkning - Allmänna principer - Krav på inköpta AM-delar
• ASME MSFC-Spec-3717: Specifikation för gasatomiserat titanlegeringspulver

Dessa dokument tillhandahåller konsekventa testmetoder och acceptanskriterier för kritiska pulveregenskaper. Standarderna fortsätter att utvecklas med fler material och processer på horisonten. Men de utgör redan en baslinje för kvalitet och enhetlighet.

Förvaring och hantering av metallpulver

Metallpulver kan vara reaktiva, så korrekt förvaring och hantering förhindrar nedbrytning före tryckning. Några viktiga åtgärder inkluderar:

• Förvaras i slutna behållare under inert argon- eller kväveatmosfär
• Använd icke-reaktiva behållare, t.ex. rostfritt stål eller plast
• Begränsa extrema temperaturer under transport och förvaring
• Se till att behållarna har jordningsanordningar
• Undvik SYNLIG fukt som orsakar klumpbildning och oxidation
• Hantering i syrefria miljöer som handskboxar
• Använd riskkontroller eftersom pulver kan förbrännas med luft

Uppgiftsspecifik skyddsutrustning som statiskt avledande handskar, kläder och masker håller hanterarna säkra. Och rum eller behållare som uppfyller kraven för farligt produktionsmaterial (HPM) ger säkra förvaringsutrymmen för pulver på plats innan skrivarna laddas.

Genom att behandla metallpulver med omsorg säkerställs hög återanvändningsgrad och mindre avfall!

Återvinning av metallpulver

Att återanvända förbrukat pulver efter tryckning har stora ekonomiska och miljömässiga fördelar. Uppsamlingssystem filtrerar och blandar tillbaka använt pulver med färskt lager för att gå in i produktionen igen.

Eftersom metallpulver står för upp till 30-50% av komponentkostnaderna i AM ger återvinning stora besparingar. Några av de bästa metoderna är

• Använd integrerade vakuumsystem på skrivare för att samla upp översprutning
• Sikta använt pulver för att avlägsna stora orenheter som stänk
• Blanda återvunnet pulver i kontrollerade proportioner med jungfruligt material
• Utför kvalitetskontroller av återvunna blandningar för återanvändning
• Leta efter minskande avkastning efter flera återanvändningscykler
• Kemisk raffinering eller omatomisering av nedbrutet pulver vid behov

Som additiv tillverkning fortsätter att expandera explosionsartat är återvinning av metallpulver avgörande för tillväxten. Det är en viktig grundpelare för hållbarheten i 3D-printingindustrin framöver.

Framtiden för utveckling av metallpulver

Metallpulver möjliggjorde revolutionen inom 3D-printing. Och fortsatta framsteg inom pulver kommer att stödja även nästa generations applikationer. Områden där det pågår aktiv forskning och utveckling idag inkluderar:

• Nya legeringar: Nya kemiska metoder ger materialegenskaper som överträffar konventionell metallurgi
• Nanopulver: Ultrafina partiklar i submikronstorlek för extrem upplösning
• Hybridpulver: Kompositblandningar av metall/keramik/polymer med förbättrade egenskaper
• Pulvermodifiering: Ytbeläggningar och behandlingar för bättre flöde eller reaktivitet
• Karaktärisering: Förbättrad metrologi och testning för kvalitetskontroll
• Återvinning: Ökade möjligheter till återanvändning och återvinning

Från små nystartade företag till de största materialföretagen fortsätter massiva investeringar att förbättra AM-pulver. Det innebär att fler kapabla utskriftsapplikationer som utnyttjar dessa pulver är på väg!

VANLIGA FRÅGOR

Vad är den största fördelen med AM-pulver av metall jämfört med konventionella metallpulver?

AM-pulver fokuserar på egenskaper som partikelform, storleksfördelning och flödesegenskaper för att möjliggöra tryckning och inte bara sammansättning för användning i press och sintring.

Hur görs AM-pulver av metall sfäriska med snäva storleksfördelningar?

Gas- och plasmaatomisering av smälta legeringar under noggrant kontrollerade förhållanden ger exakt partikelkonsistens.

Behövs det alltid efterbearbetning av additivt tillverkade metalldelar före användning? Vad innebär detta?

Efterprocesser som varm isostatisk pressning (HIP) och värmebehandling förtätar trycket och förbättrar de mekaniska egenskaperna genom att ändra mikrostrukturerna. Ytbehandling behövs ofta också.

Vilka är de vanligaste metallegeringspulvren som används i biomedicinska tryckapplikationer och varför?

Pulver av titan och koboltkrom är vanligt förekommande tack vare sin utmärkta biokompatibilitet. Rostfritt stål används också där kostnaden spelar roll, t.ex. för kirurgiska instrument.

Hur mycket väger en behållare med vanligt metalltryckpulver som AlSi10Mg eller 316L rostfritt stål? Och hur fraktas det?

Containrar skickas vanligtvis med 10-30 kg last på pallar under skyddande atmosfärer som argon. För små prover kan vakuumförslutna påsar användas. Följ dock alltid säkerhetsåtgärderna!

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser