Какие порошки для 3D-печати по металлу можно использовать в 2020 году? [Руководство]

Для любой компании, стремящейся окунуться в процесс 3D-печати металлом, крайне важно знать, какие металлы можно использовать с этой технологией сегодня. От проектирования до производства правильный выбор материалов обеспечивает высочайший стандарт готовой продукции.

Чтобы помочь вам освоить текущую экосистему металлов для AM, мы исследуем коммерчески доступные сплавы для Powder Bed Fusion, ключевые требования к материалам для успешной печати и то, как использование металлов будет развиваться в будущем. . Но давайте сначала узнаем, что такое Powder Bed Fusion.

Краткий обзор технологий сварки в порошковом слое металла

Metal Powder Bed Fusion (PBF) - наиболее распространенная технология аддитивного производства металлов (AM) на сегодняшний день.

С помощью PBF слои металлического порошка равномерно распределяются на строительной платформе машины и выборочно сплавляются источником энергии - лазером или электронным лучом.

В категорию Powder Bed Fusion входят два ключевых процесса 3D-печати металлом:

• Выборочная лазерная плавка (SLM) / прямое лазерное спекание металла (DMLS)
• Электронно-лучевое плавление (ЭЛП)

В SLM мощный точно настроенный лазер выборочно наносится на слой металлического порошка. Таким образом, металлические частицы сплавлены и образуют деталь.

Важным требованием для SLM является закрытая камера сборки, заполненная инертным газом, например аргоном. Это предотвращает загрязнение металлического порошка кислородом и помогает поддерживать правильную температуру во время процесса печати.

EBM работает аналогично SLM в том, что металлические порошки также расплавляются, чтобы создать полностью плотную металлическую деталь. Чтобы предотвратить загрязнение и окисление порошка, процесс EBM происходит в вакууме.

Ключевое различие между технологиями SLM / DMLS и EBM заключается в источнике энергии:вместо лазера в системах EBM в качестве источника тепла для плавления слоев металлического порошка используется мощный электронный луч.

Поскольку электронный луч обычно более мощный, чем лазер, EBM часто используется с высокотемпературными металлическими суперсплавами для создания деталей для высоконадежных приложений, таких как реактивные двигатели и газовые турбины. Кроме того, поскольку технология основана на электрических зарядах, EBM можно использовать только с проводящими металлами, такими как титан и хром-кобальтовые сплавы.

Требования к порошку для 3D-печати на металле

Чтобы обеспечить точное и воспроизводимое производство металлических АМ, металлические порошки должны обладать постоянными характеристиками.

Из-за различных методов производства порошка характеристики порошка различаются в зависимости от процесса и сплава. Вот некоторые из наиболее важных характеристик:

• Распределение размеров частиц (PSD) :Более мелкие частицы обеспечивают более точное разрешение размеров деталей и качества поверхности. В рамках PBF системы EBM традиционно используют PSD 45–105 мкм, тогда как для большинства лазерных систем требуется PSD 15–45 мкм.

• Морфология :Предпочтительны гладкие частицы металлического порошка правильной формы. Это позволяет им быть хорошо упакованными, что приводит к получению плотного продукта с хорошими и желаемыми механическими свойствами.

• Растекаемость :Сыпучесть порошка играет важную роль в формировании однородного порошкового слоя, так как порошок распределяется устройством для повторного нанесения покрытия.

• Плотность :Оптимальная плотность упаковки порошка во время растекания и обработки положительно влияет на целостность и качество поверхности деталей, напечатанных на 3D-принтере. Эллипсоидальные частицы будут иметь лучшую и более последовательную естественную или случайную упаковку.

• Химический / фазовый состав :Это объясняет, почему не все сплавы доступны в виде порошков. PBF обычно предпочитает свариваемые металлы.

Какие металлы можно напечатать на 3D-принтере в Powder Bed Fusion?

Сталь

Доступны сплавы для AM :316L, инструментальная сталь H13, мартенситностареющая сталь, закаленная сталь, нержавеющая сталь 15-5 PH, нержавеющая сталь 17-4 PH, нержавеющая сталь серии 300, нержавеющая сталь серии 400, низколегированные стали

Сталь - это наиболее широко используемый и наиболее перерабатываемый металлический материал на Земле. Сталь в различных формах и сплавах, от нержавеющих и жаропрочных сталей, предлагает различные свойства для широкого спектра применений.

В металлических PBF существует только около десяти первичных стальных сплавов, которые широко используются в печати. сегодня. Хотя набор сталей с печатью сегодня довольно невелик по сравнению с традиционными технологиями обработки металлов, такие компании, как Carpenter, Sandvik, Hoganas, GKN и Oerlikon, активно разрабатывают новые стали для AM, чтобы выйти на новые рынки.

Например, GKN Additive Materials недавно разработала новые порошки из низколегированной стали для AM. Благодаря своей прочности и коррозионной стойкости порошки из низколегированной стали открывают новые возможности для AM в таких секторах, как автомобильная промышленность, где масштабируемость и стоимость являются ключевыми факторами.

Сегодня сталь используется для конечных целей. Производство части AM растет, особенно на новых рынках 3D-печати, таких как морской и автомобильный. Это делает сталь одним из ключей к дальнейшему внедрению технологии AM из металла за пределы традиционной медицинской и аэрокосмической промышленности.

Эти достижения указывают на то, что в ближайшие несколько лет сталь, скорее всего, станет наиболее широко используемым металлическим AM-материалом.

Алюминий

Доступны сплавы для AM :Al-Si10Mg, AlSi12, AlSi7Mg, AlSi9Cu3, Al4047, Al-Si-Mg (F357), скальмаллой (Al-Mg-Sc), Al-Cu-Ti-B2 (A205 / A20X)

Алюминий - прочный и легкий металл, сочетающий в себе выдающиеся механические и термические свойства. По этим причинам алюминиевые сплавы широко используются в аэрокосмической, автомобильной и биомедицинской промышленности.

По оценкам исследовательской компании AM SmarTech, в 2018 году на 3D-печать алюминием приходилось около 10% всей печати на металле. спрос в аэрокосмической и автомобильной промышленности.

Например, APWORKS в сотрудничестве с Airbus разработала Scalmalloy для аэрокосмической промышленности. Этот материал предлагает самое низкое соотношение цены и качества, что является особенным преимуществом для аэрокосмической промышленности.

Хотя материал был разработан с учетом требований авиакосмической отрасли, его свойства также привлекательны для сектора автоспорта - вот почему Скалмаллой недавно был добавлен в список одобренных материалов AM для Формулы 1.

Однако многие алюминиевые сплавы для AM остаются очень дорогими и не соответствуют требованиям целевых отраслей. Например, автомобильная промышленность требует, чтобы алюминиевые детали, напечатанные на 3D-принтере, прошли краш-тесты, чтобы их можно было использовать в серийных автомобилях.

Инженерная группа EDAG разработала новый алюминиевый сплав, известный как CustAlloy, в рамках исследовательского проекта CustoMat_3D, направленного на адаптацию AM для серийного производства автомобилей.

Недавно разработанный материал призван преодолеть эти проблемы, обеспечивая как более высокую прочность, так и более высокое удлинение при разрыве - важные свойства, которые позволят автомобильным деталям, напечатанным на 3D-принтере, использовать новый сплав для успешных испытаний при краш-тестах.

Титан

Оценки :Ti-6Al-4V (сорт 5), Ti-6Al-4V (сорт 23), Cp-Ti (сорт 1), Cp-Ti (сорт 2), Ti-Al, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo , Ti5553, Ti6242

Титан обладает превосходными свойствами материала, но его высокая стоимость исторически ограничивала его использование для дорогостоящих применений в аэрокосмической отрасли.

Теперь, когда 3D-печать металлом становится все более жизнеспособным методом производства, эта технология делает титан более доступным для таких отраслей, как медицина, автомобилестроение и автоспорт.

потенциал для 3D-печати титаном, особенно в области ортопедических имплантатов, благодаря нетоксичности титана, его высокой прочности и устойчивости к коррозии.

При использовании 3D-печати производители медицинских устройств могут создавать титановые имплантаты с сложные, пористые структуры. Примечательно, что эти структуры имитируют структуру костей человека, поэтому костные клетки распознают ее как основу, через которую они могут расти.

Растущий спрос на титановый порошок побудил некоторых производителей металлического порошка начать строительство новых заводов по производству титана, а других - увеличить производство титановых порошков.

Например, в конце 2019 года Sandvik открыла порошковый завод для своих суперсплавов на основе титана и никеля под торговой маркой Osprey®. В том же году PyroGenesis, канадский производитель металла, распыляемого плазмой. Powder, увеличила скорость производства титанового порошка, что также позволило компании снизить затраты на производство исторически очень дорогого титанового порошка.

Медь и драгоценные металлы

Доступны сплавы для AM :CuNi3Si, CuNi2SiCr, CuCrZr, CuAl10Fe5Ni5, Cu с высоким содержанием кислорода

Не все металлы подходят для 3D-печати. Например, медь особенно сложно печатать, поскольку подавляющее большинство меди, напечатанной на 3D-принтере, в настоящее время основано на сплавах меди, а не на чистом металле.

Чистая медь имеет коэффициент отражения лазера более 90 на 1. центов, и лазеру трудно непрерывно и регулярно плавить чистый медный порошок.

Одним из путей продвижения вперед является разработка новых систем для 3D-печати таких металлов.

На Formnext 2018 компания TRUMPF продемонстрировала свою зеленую лазерную технологию, с помощью которой можно печатать чистую медь, а также другие драгоценные металлы.

Компания считает, что 3D-печать чистой меди может стать альтернативный способ создания токопроводящих индукторов и теплообменников, которые особенно полезны для электроники, автомобилестроения и космоса.

Что касается драгоценных металлов, таких как золото, серебро и платина, преимущество 3D-печати Эти материалы заключаются в возможности достижения замысловатого дизайна, идеально подходящего для украшений, аксессуаров и декоративных предметов.

Однако 3D-печать драгоценных металлов обычно косвенная и включает изготовление восковой формы, которая затем используется в технике воскового литья.

Прямая 3D-печать драгоценными металлами с использованием PBF также возможна, хотя количество машин для 3D-печати, совместимых с драгоценными металлами, ограничено.

Суперсплавы

Суперсплавы, семейство металлических смесей на основе никеля, кобальта или железа, устойчивы к высокотемпературной деформации, коррозии и окислению, особенно при работе при повышенной температуре, близкой к их температуре плавления.

Суперсплавы, впервые разработанные для компонентов газовых турбин в турбореактивных двигателях, в настоящее время широко используются для высокотемпературных применений в аэрокосмической и энергетической отраслях.

Никель

Доступны сплавы для AM :Inconel 625, Inconel 718, Inconel 738, Inconel 939, Ni-Ti, Waspaloy, Hastelloy, ABD900AM, Haynes 282

Никелевые сплавы впервые стали коммерчески доступны для использования в процессах производства PBF металлов еще в 2007 году.

В настоящее время в никелевых сплавах преобладают суперсплавы семейства Inconel - особенно сплавы IN625 и IN718 - благодаря их значительным возможностям в приложениях, требующих высокой твердости, прочности на разрыв и, что, возможно, наиболее важно, химических и температурных условий. Сопротивление.

Помимо этих двух сплавов, ведущие металлургические компании предлагают гораздо больше никель-хромовых суперсплавов. Несколько суперсплавов Хейнса, суперсплавов Хастеллой и различных форм инконеля в настоящее время становятся все более популярными.

В то время как аэрокосмическая промышленность в настоящее время является источником большей части спроса на аддитивное производство на основе никеля, существует огромный потенциал для 3D-печати никелевых суперсплавов в нефтегазовом, энергетическом и общепромышленном сегментах, например химическая обработка.

Кобальт

Доступны сплавы для AM: MP1, CP2, Co-Cr, Co-Cr-MoC, 188 Cobalt Alloy, 509 Cobalt Alloy, CoCr-0404, CO502, CO90, CO212, Co49Fe2V

Выпуск первых коммерчески доступных суперсплавов кобальта для 3D-печати датируется 2006 годом. С тех пор использование этого материала постоянно растет, что обусловлено спросом в медицинской и аэрокосмической отраслях.

Суперсплавы кобальта обладают прекрасными механическими свойствами, а также устойчивостью к коррозии и высоким температурам. Кобальт-хромовый сплав особенно подходит для использования в медицине (ортопедические имплантаты) и стоматологии, поскольку он обладает отличной биосовместимостью.

Утюг

Доступны сплавы для AM :Инвар 36, Fe-Si, Fe-Ni

Некоторые производители металлических систем PBF предлагают возможность печати на инвар 36, никелево-железном сплаве, отличающемся чрезвычайно низким тепловым расширением. Инвар 36 используется в компонентах, требующих высокой стабильности размеров в широком диапазоне температур, таких как радио и электронные устройства, средства управления самолетами, оптические и лазерные системы.

Компания Höganäs, один из ведущих производителей металлических порошков, также предлагает ряд устойчивых к истиранию, износу и коррозии порошков на основе железа под своим брендом AMPERPRINT.

тугоплавкие металлы

Тугоплавкие металлы обладают исключительными свойствами, но в то же время с ними чрезвычайно сложно работать.

Наиболее распространенное использование тугоплавких металлов в настоящее время - легирование сталей, никелем и кобальтом для создания многих популярных суперсплавов.

В настоящее время лишь несколько компаний предлагают порошки тугоплавких металлов для АМ.

Х. Starck Tantalum and Niobium GmbH, которая недавно была переименована в TANIOBIS GmbH, является одной из таких компаний, предлагая ряд распыленных порошков тантала и ниобия (Ta / Nb) и их сплавов, разработанных для AM под торговой маркой AMtrinsic.

Тантал и ниобий, по мнению TANIOBIS, откроют новые возможности в AM, поскольку они обладают высокой температурой плавления, высокой коррозионной стойкостью, а также высокой теплопроводностью и электропроводностью.

Подобные свойства позволят компаниям применять AM в химической обработке, энергетическом секторе и в ряде высокотемпературных сред.

Постоянно расширяющийся ассортимент порошков для 3D-печати по металлу

В области металлических PBF разработка материалов еще не завершена. Количество доступных металлов для 3D-печати остается ограниченным по сравнению с традиционным производством, таким как литье или механическая обработка.

Одной из причин этого является время и ресурсы, необходимые для разработки новых металлических порошков для AM - в некоторых случаях процесс разработки может занять несколько лет.

Другая причина заключается в аппаратных ограничениях, как это было в случае с медным порошком, который требует другой длины волны лазера по сравнению с другими металлами для успешной печати. К счастью, проблемы с оборудованием решаются, чтобы еще больше расширить сферу применения металлов для печати.

Несмотря на трудности, будущее металлического PBF выглядит радужным, поскольку его применение в производстве растет, и все больше отраслей начинают использовать эту технологию. Это означает повышенное внимание к химическому составу новых материалов, что поможет открыть новые возможности и вывести 3D-печать металлом на новый уровень.