Metal Katmanlı İmalat Malzemeleri: Kompozisyon, Özellikler, Uygulamalar

Katmanlı üretimolarak da bilinen 3D baskı, havacılıktan tıbbi cihazlara kadar tüm sektörlerde üretimde devrim yaratıyor. İlerlemenin önemli bir alanı, karmaşık metal parçaların pahalı takım veya kalıplara ihtiyaç duyulmadan doğrudan 3D CAD modellerinden oluşturulmasına olanak tanıyan metal 3D baskıdır.

Metal katkılı üretim, metal tozlarını eritmek ve katı nesnelere dönüştürmek için gereken aşırı sıcaklıklara ulaşmak için özel ekipman ve malzemeler gerektirir. Günümüzde kullanılan en yaygın metal 3D baskı teknolojileri toz yatağı füzyonu, yönlendirilmiş enerji biriktirme, bağlayıcı püskürtme ve tabaka laminasyonudur.

Metal 3D baskı yoluyla üretilen parçaların malzeme özellikleri, büyük ölçüde kullanılan metal tozlarının ve alaşımlarının bileşimine ve özelliklerine bağlıdır. Bu makale, en yaygın metal katkılı üretim malzemeleri, özellikleri, uygulamaları ve tedarikçileri hakkında genel bir bakış sunmaktadır.

Metal Katmanlı İmalat Malzeme Çeşitleri

Toz bazlı 3D baskı için çok çeşitli metal alaşımları mevcuttur. En yaygın kullanılanlar şunlardır:

Bu temel malzemeler, farklı uygulamalar için gereken belirli malzeme özelliklerini elde etmek üzere çeşitli kombinasyonlarda harmanlanabilir ve alaşımlanabilir.

Metal Katmanlı İmalat Malzeme Özellikleri

Katmanlı üretimde kullanılan metal tozlarının temel özellikleri şunlardır:

Parçacık boyutu dağılımı

• Toz yatağı füzyonu için toz partikül boyutu tipik olarak 15-45 mikrondur.
• <15 mikronluk daha küçük partiküller yoğunluğu artırır ancak akışkanlığı azaltır.
• 45 mikrondan büyük partiküller hassasiyeti ve yüzey kalitesini azaltır.
• Düzgün boyut dağılımı optimum paketleme yoğunluğu sağlar.

Morfoloji ve şekil

• Küresel toz şekli düzgün akış ve paketleme sağlar.
• Düzensiz şekiller zayıf yığın yoğunluğuna ve toz yatağı homojenliğine neden olabilir.

Akışkanlık

• Düzgün katmanlar için tozlar toz yatağı boyunca eşit olarak yayılmalıdır.
• Akışkanlık şekil, boyut dağılımı, yüzey dokusu ile belirlenir.
• Toz akışını iyileştirmek için akış ajanları eklenebilir.

Yoğunluk

• Tozun daha yüksek paketleme yoğunluğu, basılı parçalarda gözenekliliğin azalmasına neden olur.
• Görünür yoğunluk tipik olarak gerçek katı yoğunluğunun 40-60%'si kadardır.
• Çekilen yoğunluk, akış ve paketleme verimliliğini gösterir.

Saflık

• Yüksek saflık kusurları ve kontaminasyonu azaltır.
• Oksijen ve azot seviyeleri 100 ppm'in altında tutulmalıdır.
• Minimal uydular (daha büyük olanlara bağlı küçük parçacıklar).

Nem içeriği

• Nem, tozun topaklanmasına ve akışın azalmasına neden olabilir.
• Nem içeriği ağırlıkça 0,02%'nin altında tutulmuştur.
• Vakum veya inert gaz atmosferinde saklanan tozlar.

Toz özelliklerine ek olarak, dökme metal alaşımlarının bileşimi ve mikro yapısı AM parçalarına önemli performans özellikleri kazandırır:

Güç

• Akma dayanımı alaşıma bağlı olarak 500 MPa ila 1 GPa'nın üzerindedir.
• Isıl işlem, çökelme sertleşmesi yoluyla mukavemeti artırabilir.

Sertlik

• Vickers sertliği 150 HV'den 400 HV'ye kadar.
• Sertlik, ısıl işlem yoluyla yerel olarak uyarlanabilir.

Yoğunluk

• Tam yoğunluğa yakın >99% elde edilebilir.
• Artık gözeneklilik proses parametrelerine bağlıdır.

Yüzey kaplaması

• Baskılı yüzey 10-25 mikron Ra pürüzlüdür.
• Hassas finisaj için gerekli işleme, taşlama, parlatma.

Yorulma direnci

• Dövme malzemelerle karşılaştırılabilir ancak anizotropiktir.
• Yapı yönelimine, dahili kusurlara bağlıdır.

Korozyon direnci

• Alaşım bileşimine göre düşükten çok yükseğe kadar önemli ölçüde değişir.

Termal özellikler

• Dövülmüş alaşımlara yakın iletkenlik ve genleşme katsayıları.
• Mikroyapı nedeniyle yapı yönelimine bağlı olarak.

Elektriksel direnç

• Dövme malzemelerin 10-20% içinde.
• Daha yüksek gözeneklilik özdirenci artırır.

Optimize edilmiş tozların ve alaşımların seçilmesiyle metal AM, birçok durumda geleneksel üretimle karşılaştırılabilir mekanik özelliklere sahip yoğun parçaların üretilmesini sağlar. Bununla birlikte, özellikler üretim yönüne bağlı olarak anizotropik kalır.

Metal Katmanlı İmalat Malzemeleri Uygulamaları

Metal katkılı üretimden yararlanan başlıca uygulamalar şunlardır:

Havacılık ve uzay: Karmaşık jet motoru, roket ve hipersonik araç bileşenleri. Azaltılmış ağırlık, artırılmış performans.

Tıbbi: Özel ortopedik implantlar, protezler, cerrahi aletler. Anatomiye göre uyarlanmış biyouyumlu metaller.

Otomotiv: Hafifletilmiş bileşenler, performans parçaları, takımlar. Artırılmış güç ve işlevsel entegrasyon.

Endüstriyel: Pompalar, kompresörler, motorlar için son kullanım üretim parçaları. Azaltılmış teslim süresi ve envanter.

Tüketici: Takı, moda aksesuarları, küçük aletler. Benzersiz yüksek değerli geometriler.

Savunma: Saha kullanımı, koruyucu donanım, silahlanma için sağlam parçalar. Talep üzerine üretim.

Kalıp yapımı: Konformal soğutma kanalları daha yüksek verimlilik sağlar. Kalıp takımlarının doğrudan baskısı.

Enerji: Yağ/gaz bileşenleri korozyona karşı dayanıklıdır ve zorlu ortamlarda performans gösterir.

Metal AM'nin sağladığı mükemmel mekanik özellikler, hassasiyet ve tasarım özgürlüğü, onu birçok sektörde prototipler, aletler ve son kullanım üretim parçaları için değerli kılmaktadır.

Metal Katmanlı Üretim Süreci Yetenekleri

Farklı metal 3D baskı süreçleri, uyumlu malzemeler, parça boyutları, doğruluk, yüzey kalitesi ve daha fazlası açısından değişen yeteneklere sahiptir:

Toz yatağı füzyonu en iyi hassasiyeti ve yüzey kalitesini sunar ancak daha düşük hızlara sahiptir. Yönlendirilmiş enerji birikimi büyük, ağa yakın şekilli parçaların hızlı ancak daha düşük hassasiyetle üretilmesini sağlar. Bağlayıcı püskürtme daha hızlıdır ancak tam yoğunluk için infiltrasyon gerektirir. Levha laminasyonu daha ince kesitlerle sınırlıdır.

En uygun süreç uygulama gereksinimlerine bağlıdır - parça boyutu, malzeme seçenekleri, hassasiyet, hız ve işlem sonrası ihtiyaçlara göre seçim yapın.

Popüler Metal Katmanlı Üretim Alaşım Sistemleri

Katmanlı imalatta kullanılan en yaygın metal alaşım sistemlerinden bazılarını temel özellikleriyle birlikte burada bulabilirsiniz:

Paslanmaz Çelikler

Alüminyum Alaşımları

Titanyum Alaşımları

Nikel Alaşımları

Kobalt Krom Alaşımları

Eklemeli üretim, uygulama gereksinimleri için en uygun alaşımı seçerek yüksek performanslı metal parçaların talep üzerine 3D olarak basılmasını sağlar.

Katmanlı Üretim için Popüler Metal Tozu Kaliteleri

Çoğu büyük metal tozu tedarikçisi artık özellikle katkılı üretim için optimize edilmiş toz kaliteleri sağlamaktadır. İşte kullanılan en yaygın kalitelerden bazıları:

Paslanmaz Çelik Tozları

Alüminyum Alaşımlı Tozlar

Titanyum Alaşımlı Tozlar

Nikel Alaşımlı Tozlar

Kobalt Krom Alaşımlı Tozlar

Bu optimize edilmiş toz kaliteleri, yaygın havacılık, medikal ve endüstriyel alaşımlarda metal katkılı üretim için yüksek kalite ve tekrarlanabilir performans sağlar.

Metal Katmanlı Üretim Toz Maliyetleri

AM için metal tozlarının maliyetleri alaşım bileşimine, saflığa, parçacık boyutu dağılımına, tedarikçiye ve satın alma hacmine bağlı olarak önemli ölçüde değişebilir:

Toz maliyeti, metal AM'de toplam parça maliyetinin önemli bir bölümünü oluşturur. AM'yi benimseyen sektörler arasında havacılık, tıp, otomotiv ve yüksek değerli alaşımların maliyetleri haklı çıkardığı petrol ve gaz yer almaktadır. Hacimler arttıkça fiyatlar düşüyor. Atık tozun toz geri kazanım sistemleri aracılığıyla yeniden kullanılması da parça başına toplam maliyetlerin düşürülmesine yardımcı olur.

Metal Katmanlı Üretim Sonrası İşlemler

Çoğu metal AM işlemi, pürüzlü bir yüzey kalitesine ve bir miktar iç gözenekliliğe sahip parçalar üretir. Tipik olarak ilave son işlem gereklidir:

• Yapı plakasından çıkarma - Destekleri çıkarmak ve parçaları ayırmak için kesme, taşlama veya tel EDM.
• Yüzey bitirme - Yüzey kalitesini iyileştirmek için işleme, taşlama, parlatma, kumlama.
• Stres giderici - AM yapısından kalan gerilmeleri gidermek için ısıl işlem.
• Sıcak izostatik presleme - İç boşlukları ortadan kaldırmak ve yoğunluğu artırmak için yüksek basınç.
• Isıl işlem - Mekanik özellikleri geliştirmek için çökeltme sertleştirme, yaşlandırma.
• Kaplamalar - Gerekirse aşınma/korozyon direnci için işlevsel kaplamalar uygulayın.

Doğru son işlemlerle metal AM parçaları, geleneksel olarak üretilen metal bileşenlerle karşılaştırılabilecek son derece yüksek yoğunluk ve hassas yüzey kalitesi elde edebilir.

Metal Katmanlı İmalat Tasarım Kılavuzları

Metal AM'den tam olarak yararlanmak ve olası tuzaklardan kaçınmak için tasarım yönergelerinin izlenmesi önerilir:

• Destek gerektiren sarkık yapıları en aza indirin
• Merdiven basamaklı yüzey kaplama etkilerini azaltmak için parçaları yönlendirin
• Ağırlığı ve malzeme kullanımını azaltmak için ince duvarlar, kafesler kullanın
• Montajları tek bir karmaşık parça halinde birleştirin
• Konformal soğutma kanallarını ve biyonik tasarımları dahil edin
• İç kanalları ve boşlukları kendi kendini destekleyecek şekilde tasarlayın
• Tozlanmamış bölgeler için erişim deliklerine izin verin
• Yapı yönelimine bağlı olarak anizotropik özellikleri hesaba katın
• Köşelerde cömert filetolar ve yarıçaplar tasarlayın

Mühendisler, AM için tasarım zihniyetini benimseyerek bu yenilikçi yeteneklerden tam anlamıyla faydalanabilirler.

Metal Katmanlı İmalatın Geleceği

Metal katkılı üretim; malzemeler, süreçler, uygulamalar ve benimsenme açısından uzun bir yol kat etti. Ancak hız, maliyet, kalite ve malzeme seçeneklerini iyileştirmek için hala önemli fırsatlar mevcuttur.

Ekipman üreticileri üretkenliği artırmak için daha büyük yapı zarfları ve çoklu lazer sistemleri geliştirmektedir. Kapalı döngü izleme ve gelişmiş kalite kontrol sistemleri tutarlılığı ve güvenilirliği artırmaya yardımcı olacaktır.

Malzeme tedarikçileri nikel süper alaşımları, takım çelikleri, refrakter metaller gibi yüksek sıcaklık malzemeleri de dahil olmak üzere AM için optimize edilmiş daha fazla alaşımın nitelendirilmesine odaklanmıştır. Fonksiyonel olarak derecelendirilmiş ve kompozit metal tozları, özelliklerin daha fazla ayarlanmasını sağlayacaktır.

Yazılım Tasarım, simülasyon, optimizasyon, makine öğrenimi ve otomasyon alanlarındaki gelişmeler, AM'yi daha geniş bir kitle için daha erişilebilir hale getirecektir. Sistem bağlanabilirliği ve dijital üretim yaklaşımları daha dağıtık ve çevik üretime olanak tanıyacaktır.

Uygulamalar motorlar ve yapısal bileşenler için havacılıkta hızla büyümeye devam edecektir. Maliyetler düştükçe otomotiv, petrol ve gaz, tıbbi cihazlar ve tüketici elektroniğinde benimsenme hızlanacak. Hızlı üretim ve kitlesel özelleştirme gerçeğe dönüşecek.

Yeni oyuncular ve yeni inovasyonlar, 2028 yılına kadar $15 milyarın üzerine ulaşacağı tahmin edilen bu yüksek büyüme pazarına girdikçe metal AM endüstrisinde heyecan verici bir dönem yaşanıyor.

Metal Katmanlı Üretim - SSS

Metal katkılı üretim malzemeleri ve süreçleri hakkında sıkça sorulan bazı soruların yanıtlarını burada bulabilirsiniz:

Ne tür metaller 3D yazdırılabilir?

Paslanmaz çelikler, alüminyum, titanyum, nikel, kobalt krom, takım çelikleri, altın ve gümüş gibi değerli metaller ve bakır alaşımları dahil olmak üzere başlıca endüstriyel alaşımların çoğu basılabilir. Yeni alaşımlar sürekli olarak kalifiye edilmektedir.

Ne tür bir hassasiyet ve finiş elde edilebilir?

Boyutsal doğruluk tipik olarak ±0,1-0,2 mm toleranslarla ±0,1-0,3% civarındadır. Baskılı yüzey kalitesi 10-25 μm Ra'da pürüzlüdür ancak işleme ve parlatma yoluyla önemli ölçüde iyileştirilebilir.

Malzeme özellikleri geleneksel üretime kıyasla nasıldır?

Çoğu katkılı parçanın mikroyapısı ve özellikleri, döküm veya dövme malzeme formlarıyla karşılaştırılabilir. Mekanik özellikler, havacılık sınıfı titanyum ve nikel alaşımları gibi malzemeler için standartları karşılar veya aşar.

Parçalar 3D baskıdan sonra nasıl işleniyor?

İşlem sonrası, destek kaldırma, gerilim giderme, CNC işleme, taşlama ve parlatma gibi yüzey bitirme işlemlerinin yanı sıra gerekli ısıl işlemleri içerir. Bazı kritik uygulamalar, iç boşlukları ortadan kaldırmak ve yoğunluğu artırmak için sıcak izostatik presleme (HIP) gerektirebilir.

Metal AM parçaları için bazı temel tasarım ilkeleri nelerdir?

Tasarım yönergeleri arasında çıkıntıların en aza indirilmesi, yapı yönünün optimize edilmesi, kafeslerin ve iç yapıların dahil edilmesi, ince duvarların kullanılması ve montajların birleştirilmesi yer almaktadır. Performans, biyonik ve konformal soğutma tasarımlarıyla artırılabilir.