metal powders for 3d printing

Metallpulver är ett kritiskt råmaterial för additiv tillverkning med pulverbäddsfusionsteknik. Den här guiden ger en översikt över olika metallpulver som används i 3D-utskriftsprocesser som selektiv lasersmältning (SLM) och elektronstrålesmältning (EBM).

Introduktion till metallpulver för AM

Metallpulver möjliggör tryckning av komplexa, högpresterande metalldelar med hjälp av additiv tillverkning.

Använda material:

• Rostfria stål
• Verktygsstål
• Kobolt-krom-legeringar
• Titan och titanlegeringar
• Aluminiumlegeringar
• Superlegeringar av nickel
• Kopparlegeringar

Viktiga pulveregenskaper:

• Kemi - Renhet och sammansättning
• Partikelns form och morfologi
• Fördelning av partikelstorlek
• Skenbar densitet och tappdensitet
• Flytbarhet
• Återanvändning av pulver

Produktionsmetoder för pulver:

• Atomisering av gas
• Atomisering av vatten
• Plasmaatomisering
• Induktionssmältning av elektroder
• Karbonylprocess
• Mekanisk legering

Pulver av rostfritt stål

Pulver av rostfritt stål används ofta för att trycka korrosionsbeständiga delar:

Legeringstyper:

• Austenitiska stål som 316L, 304L
• Martensitiska stål som 17-4PH
• Duplex-stål som 2205
• Utfällningshärdande som 17-4PH, 15-5PH

Kännetecken:

• Hög korrosions- och oxidationsbeständighet
• God hållfasthet och duktilitet
• Mindre benägna att spricka än höglegerade stål
• Parametrar som bygg atmosfär kritisk

Applikationer:

• Delar till kemi- och processindustrin
• Marina komponenter
• Medicinska implantat och utrustning
• Hygienkrävande delar inom livsmedels- och läkemedelsindustrin

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

Pulver för verktygsstål

Verktygsstål som H13 är idealiska för tryckning av slitdelar och delar med hög hårdhet:

Legeringstyper:

• Stötbeständiga stål som S7
• Kallbearbetningsstål som D2
• Stål för varmbearbetning som H13, H11
• Höghastighetsstål som M2

Kännetecken:

• Utmärkt hårdhet upp till 60 HRC
• Hög slitstyrka
• God seghet och motståndskraft mot termisk utmattning
• Kräver lösglödgning vid hög temperatur

Applikationer:

• Formverktyg och formar för metallformning
• Skärande verktyg och borrkronor
• Slitdelar och lager
• Verktyg för höga temperaturer

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

Kobolt-kromlegeringar

Kobolt-krom-pulver för tryckning av biokompatibla implantat och tandfyllningar:

Legeringstyper:

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

Kännetecken:

• Utmärkt biokompatibilitet och korrosionsbeständighet
• Hög hållfasthet och hårdhet
• Slitstyrka för artikulerande leder
• Utmanande tryckbarhet och sprickbenägenhet

Applikationer:

• Tandproteser, broar och kronor
• Ortopediska knä- och höftledsimplantat
• Fixeringsanordningar som kraniala plattor
• Hårdvara för spinal fusion

Leverantörer: SLM Solutions, Carpenter, Arcam EBM

Titanpulver

Titanpulver skapar starka, lättviktiga tryckta delar:

Legeringstyper:

• Olegerad titan som Ti Grade 1-4
• Ti-6Al-4V-legering
• Ti-6Al-7Nb-legering
• Andra alfa- + beta-legeringar

Kännetecken:

• Högt förhållande mellan styrka och vikt
• Utmärkt korrosionsbeständighet
• Goda egenskaper vid höga temperaturer
• Låg densitet - 4,5 g/cc
• Reaktiv och kräver inert atmosfär

Applikationer:

• Komponenter för flyg- och motorsport
• Medicinska implantat och proteser
• Delar till livsmedels-/kemisk industri
• Reservdelar till fordon

Leverantörer: AP&C, Tekna, Carpenter Additive

Aluminiumlegeringar

Aluminiumpulver trycker lättviktiga strukturella eller funktionella delar:

Legeringstyper:

• AlSi10Mg
• AlSi7Mg
• AlSi12
• Scalmalloy® och andra Al-legeringar

Kännetecken:

• Låg densitet - 2,7 g/cc
• God hållfasthet och styvhet
• Utmärkt värmeledningsförmåga
• Benägen för sprickbildning och restspänningar

Applikationer:

• Fordons- och motorsportkomponenter
• Flyg- och rymdtillämpningar
• Värmeväxlare
• Medicinsk utrustning som gips

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

Superlegeringar av nickel

Nickel-superlegeringar som Inconel 718 ger tryck på högtemperaturdelar:

Legeringstyper:

• Inconel 718
• Inconel 625
• Waspaloy
• Hastelloy X

Kännetecken:

• Utmärkt hållfasthet vid höga temperaturer
• God korrosions- och krypbeständighet
• Förmåga att arbeta under stress i höga temperaturer
• Utmanande att bearbeta och benägen att spricka

Applikationer:

• Turbinblad
• Förbränningskammarens delar
• Rymdfarkostens komponenter
• Delar till kärnkrafts-/kemisk industri

Leverantörer: Praxair, Carpenter Additive, GE Additive

Kopparlegeringar

Kopparlegeringar som CuCrZr trycker mycket ledande delar:

Legeringstyper:

• Koppar-krom som CuCr1Zr
• Koppar-nickel som CuNi2SiCr
• Bronser som CuSn10

Kännetecken:

• Utmärkt termisk och elektrisk ledningsförmåga
• God korrosionsbeständighet
• Antibakteriell egenskap
• Lägre hållfasthet än stål och Ni-legeringar

Applikationer:

• Elektriska komponenter som samlingsskenor
• Värmeväxlare och kylflänsar
• Vågledare och RF-komponenter
• Medicinska instrument och fixeringar

Leverantörer: Sandvik, LPW Technology, Metalysis

Tekniska specifikationer

Typiska specifikationer för metallpulver som används i AM:

Metoder för produktion av pulver

1. Atomisering av gas

• Mycket sfäriskt pulver
• Små partikelstorlekar på 5-100 μm
• Används för reaktiva legeringar som titan

2. Atomisering av vatten

• Oregelbunden pulverform
• Större partiklar upp till 300 μm
• Lägre kostnad för processen

3. Atomisering med plasma

• Kontrollerade partikelformer
• Storlekar från submikron till 150 μm
• Pulver med hög renhet

4. Mekanisk legering

• Blandning och malning av grundämnen
• Kostnadseffektivt för speciallegeringar
• Stora partikelstorlekar

Leverantörer och prissättning

• Pulver av rostfritt stål kostnad $45-$120 per kg
• Pulver av titanlegeringar kostar $150-$450 per kg
• Superlegeringar och verktygsstål kostnad $250-$600 per kg

Priserna beror på legering, kvalitet, tomtstorlek och köpeavtal.

Pulverhantering och förvaring

För att förhindra kontaminering är korrekt pulverhantering avgörande:

• Använd särskilda pulversiktningsområden
• Säkerställa handskboxar och behållare med inert atmosfär
• Använd ledande behållare för att avleda statiska laddningar
• Jorda all utrustning och alla transportbehållare
• Undvik kontakt med olja, vatten eller syre
• Förvara pulver i slutna behållare under inert gas
• Kontrollera temperatur och luftfuktighet under lagring
• Följ säkerhetsåtgärder som personlig skyddsutrustning vid hantering

Korrekt förvaring förlänger livslängden för återanvändning av pulver.

Pulversiktning

Siktning säkerställer konsekventa partikelstorlekar:

Fördelar:

• Avlägsnar satellitpartiklar som orsakar defekter
• Bryter upp agglomerat
• Förbättrar flöde och packningstäthet
• Minskar problem med återvinningsbarhet
• Avlägsnar främmande föroreningar

Förfarande:

• Sikta pulvret med en maskstorlek på cirka 20-63 μm
• Siktning med rotations- eller vibrationssiktning
• Utför siktning under inert atmosfär
• Dokumentera återstående pulverviktsprocent

Siktning förbättrar detaljkvaliteten genom att säkerställa perfekt spridning av pulvret.

Installation och idrifttagning

Installation av en AM-skrivare för metall med pulversystem innebär:

• Rengöring av utrustningens ytor för att undvika kontaminering
• Läckagetestning av anslutningar för inert gas
• Kontroll av laser- eller elektronstrålens effekt
• Laddning och testning av pulverlackeringssystem
• Integrering av kylare, avgas- och serviceanslutningar
• Installation av övervaknings- och säkerhetssensorer
• Verifiering av system för siktning och hantering av pulver
• Kalibrering av byggplattans nivellering
• Testtryckning av provdelar och validering av kvalitet

Leverantörerna tillhandahåller support för installation och driftsättning.

Drift och bästa praxis

Riktlinjer för användning av skrivaren:

• Utför regelbundna läckagekontroller och renhetstester av inert gas
• Förbehandla pulver för att säkerställa en jämn textur
• Justera skikttjocklek och laserparametrar för nya material
• Noggrann övervakning av smältbadet och kontroll av detaljtemperaturen
• Validera kritiska dimensioner med hjälp av testutskrifter
• Övervaka pulvret och återanvänd det endast enligt rekommendationerna
• Utföra regelbundet underhåll på optik, strålmatningssystem och pulverbeläggningsmekanism

Säkerhet för personalen:

• Använd lämplig personlig skyddsutrustning, t.ex. andningsskydd och handskar
• Undvik kontakt med reaktiva fina metallpulver
• Hantera pulveravfall på rätt sätt under inert atmosfär

Delvis efterbearbetning:

• Använd lämpliga värmebehandlings- och åldringstemperaturer som är anpassade till legering och tillämpning
• Kontrollera ramphastigheten under värmebehandlingen för att minska spänningarna
• Använd varm isostatisk pressning för komplexa delar om det behövs för att förbättra densiteten
• Tillämpa efterbehandlingssteg som CNC-bearbetning och polering

Underhåll och inspektion

Regelbundna underhållsaktiviteter:

Dagligen:

• Inspektera optik som speglar, linser och fönster för skador
• Rengör byggkammaren och pulverhanteringssystemet
• Kontrollera nivåerna av inert gas och fyll på vid behov
• Test av siktmekanism och pulveråterförare

Varje vecka:

• Kalibrera sensorer och instrument
• Kontrollera fästanordningar, elektriska terminaler och jordning
• Smörj och inspektera rörliga delar som motorer och frekvensomriktare
• Övervaka filter för byte

Månadsvis:

• Läckagetest av inertgassystem med helium
• Inspektera säkerhetsanordningar som branddetektorer
• Kontrollera kraftvärmesystemets hälsa

Årligen:

• Planera förebyggande underhåll med utrustningsleverantören
• Kalibrera lasereffektmätaren
• Byt ut filter och förbrukningsartiklar

Underhåll enligt leverantörens riktlinjer krävs för att upprätthålla kvaliteten på delarna och utrustningens hälsa.

Att välja rätt system för metalltryck

Faktorer att ta hänsyn till vid val av AM-maskin för metall:

1. Produktionskrav

• Typ av komponenter som ska tillverkas
• Materialbehov baserat på detaljens egenskaper
• Krav på produktionsvolym
• Nödvändig noggrannhet och ytfinish

2. Specifikationer för skrivare

• Stödda material och parametrar
• Byggstorlek och hastighet
• Precision och repeterbarhet
• Hantering av inerta atmosfärer
• Automationsfunktioner och kontroller

3. Pulverhanteringssystem

• Integrerat eller fristående system
• Kapacitet för siktning, matning, lagring och återanvändning
• Inneslutning för reaktiva material som titan
• Övervakningsfunktioner för att undvika kontaminering

4. Efterlevnad av standarder

• Branschstandarder som ASTM F3301
• Tillverkarens kvalitetscertifieringar
• Efterlevnad av säkerhetsstandarder

5. Legitimation för leverantör

• Dokumenterade meriter inom AM-industrin
• Lokal försäljning och teknisk support
• Erbjudna underhållsavtal och tjänster
• Utbildningsplaner för operatörer
• Total ägandekostnad

En grundlig kravanalys och jämförelser av maskinutbudet med hjälp av dessa kriterier leder till valet av det perfekta 3D-metalltryckningssystemet som är skräddarsytt för produktionsbehoven.

För- och nackdelar med Metal AM

Fördelar:

• Hög geometrisk komplexitet som lätt kan skrivas ut
• Kortare tid till funktionella delar
• Minskat spill jämfört med subtraktiva processer
• Produktion med en enda inställning direkt från CAD
• Potential för lättvikt och konsolidering av delar
• Prestandaförbättringar med konstruerade legeringar
• Funktioner för kundanpassning och massanpassning

Nackdelar:

• Höga maskin- och materialkostnader
• Ytterligare efterbearbetningssteg krävs
• Begränsad storlek baserad på byggkammare
• Kontroll av interna defekter kan vara en utmaning
• Materialegenskaperna kan variera jämfört med smide
• Begränsningar i ytfinish kan kräva efterbehandling
• Krav på utbildning och expertis

Felsökning av vanliga Metal AM-problem

Vanliga frågor

F: Vilka pulver av metallegeringar kan användas för AM?

A: Rostfria stål, verktygsstål, titanlegeringar, nickel-superlegeringar, aluminiumlegeringar, kobolt-krom och kopparlegeringar är vanliga.

F: Vad är det typiska intervallet för pulverpartikelstorlekar som används?

S: För PBF-LB/M-processer är 10-45 mikrometer vanligt, med snävare fördelning runt 20-45 μm.

F: Hur länge kan metallpulver hålla?

S: Med idealisk argonförvaring håller många legeringar i 1-2 år. Livslängden för återanvändning är kortare - 20-100 utskrifter beroende på legering.

F: Vilka efterbearbetningssteg krävs för AM-delar i metall?

A: Ofta krävs borttagning av stöd, värmebehandling, ytbehandling som CNC-bearbetning, polering och beläggning.

F: Hur hanteras reaktiva metallpulver som titan och aluminium?

A: Specialiserad pulverhantering under inert argonatmosfär krävs för att förhindra syreupptagning.

F: Vilka är de vanligaste riskerna med kontaminering av pulver?

A: Exponering för atmosfär som leder till syre- eller kväveupptagning. Metallpartiklar från maskinbearbetning eller slitage. Olja och fukt.

F: Vilka standarder används för att kvalificera metallpulver?

A: ASTM B214, ASTM B812, ASTM F3049, ASTM F3301 och MPIF-standarder.

F: Varför är pulversiktning viktigt?

A: Den bryter upp agglomerat, avlägsnar satelliter och ger en optimal och jämn pulverstorlek för hög densitet och ytfinish.

Slutsats

Metallpulver möjliggör additiv tillverkning av avancerade, högpresterande komponenter som i vissa fall har bättre egenskaper än smidda material. Ett brett utbud av legeringar, från rostfritt stål till superlegeringar och titan, finns tillgängliga i pulverform, skräddarsydda för krävande applikationer inom flyg- och rymdindustrin, medicinteknik, fordonsindustrin och andra industrier. Med ständiga förbättringar av legeringar, kvalitetsstandarder, produktionsprocesser, maskiner och detaljegenskaper håller AM-metall på att utvecklas till en viktig produktionsteknik globalt. Det krävs dock process- och materialkompetens samt rigorös kvalitetskontroll för att dra full nytta av fördelarna. I takt med att erfarenheterna ökar ger metall-AM helt nya möjligheter att tillverka komplexa och kundanpassade detaljer med större designfrihet och kortare ledtider.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser