Лучшие металлические порошки для 3D-печати 2020: полное руководство

Для любой компании, заглядывающей в металлическую 3D-печать, критически важно знать, какие металлы можно использовать с этой технологией сегодня. От дизайна до производства — выбор правильных материалов обеспечивает наивысший стандарт готовой продукции.
 
Чтобы помочь вам освоить текущую экосистему материалов для AM, мы исследуем коммерчески доступные сплавы для порошкового спекания в ложе порошка, ключевые требования к материалам для успешной печати и как использование металлов будет эволюционировать в будущем. Но сначала давайте разберем, что такое порошковое спекание в ложе порошка.
 

Краткий обзор технологий металлического порошкового спекания в ложе порошка

 

 
Металлическое порошковое спекание в ложе порошка (PBF) — самая утвердившаяся технология металлического аддитивного производства (AM) сегодня.
 
При PBF слои металлического порошка равномерно распределяются на строительной платформе машины и селективно плавятся источником энергии — либо лазером, либо электронным пучком.
 
Два ключевых металлических 3D-печатных процесса относятся к категории порошкового спекания в ложе порошка:
 

• Селективное лазерное плавление (SLM) / Прямая металлическая лазерная спекание (DMLS)

 

• Электронно-лучевое плавление (EBM)

 
В SLM мощный, тонко настроенный лазер селективно воздействует на слой металлического порошка. Таким образом, металлические частицы сплавляются для создания детали.
 
Важным требованием для SLM является герметичная камера сборки, заполненная инертным газом, таким как аргон. Это предотвращает кислородное загрязнение металлического порошка и помогает поддерживать правильную температуру в процессе печати.
 
EBM работает аналогично SLM в том, что металлические порошки также плавятся для создания полностью плотных металлических деталей. Для предотвращения загрязнения и окисления порошка процесс EBM происходит в вакуумной среде.
 
Ключевое различие между SLM/DMLS и EBM технологиями — источник энергии: вместо лазера EBM-системы используют мощный электронный пучок как источник тепла для плавления слоев металлического порошка.
 
Поскольку электронный пучок обычно более мощный, чем лазер, EBM часто используется с высокотемпературными никелевыми суперсплавами для создания деталей для высоконагруженных приложений, как реактивные двигатели и газовые турбины. Кроме того, поскольку технология опирается на электрические заряды, EBM может использоваться только с проводящими металлами, такими как титан и кобальт-хромовые сплавы.
 

Требования к металлическим порошкам для 3D-печати

 
Для обеспечения точного и воспроизводимого металлического AM-производства металлические порошки должны демонстрировать согласованные характеристики.
 
Из-за различных методов производства порошка, характеристики порошка отличаются по процессам и сплавам. Некоторые из самых важных характеристик включают:
 

• Распределение размера частиц (PSD): Меньшие частицы позволяют более тонкое разрешение размеров детали и шероховатости поверхности. В PBF, EBM-системы традиционно используют PSD 45–105 мкм, в то время как большинство лазерных систем желают 15–45 мкм PSD.

 

• Морфология: Гладкие правильной формы частицы металлического порошка предпочтительны. Это позволяет им хорошо укладываться, что приводит к плотному изделию с хорошими и желаемыми механическими свойствами.

 

• Текучесть: Текучесть порошка играет главную роль в формировании однородного порошкового слоя, так как порошок распределяется рекоутером.

 

• Плотность: Оптимальная плотность укладки порошка во время течения и обработки позитивно влияет на целостность и шероховатость поверхности 3D-печатных деталей. Эллипсоидальные частицы имеют лучшую и более последовательную естественную или случайную укладку.

 

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

 

Какие металлы можно 3D-печатать в порошковом спекании в ложе порошка?

 

Сталь

 
Сплавы, доступные для AM: 316L, H13 Tool Steel, Maraging Steel, Case Hardening Steel, Stainless Steel 15-5 PH, Stainless Steel 17-4 PH, Stainless Steel 300 series, Stainless Steel 400 series, Low Alloy Steels

 
Сталь — и самый широко используемый, и самый перерабатываемый металлический материал на Земле. От нержавеющей и высокотемпературных сталей, сталь в своих различных формах и сплавах предлагает разные свойства для удовлетворения широкого круга приложений.
 
В металлическом PBF сегодня существует только около десяти основных стальных сплавов, широко печатаемых. Хотя набор печатаемых сталей довольно мал сегодня по сравнению с традиционными металлообрабатывающими технологиями, компании вроде Carpenter, Sandvik, Hoganas, GKN и Oerlikon активно разрабатывают новые стали для AM, чтобы войти в новые рынки.
 
Например, GKN Additive Materials недавно стали пионерами новых порошков низколегированных сталей для AM. Благодаря своей вязкости и коррозионной стойкости, порошки низколегированных сталей создают новые возможности для AM в таких секторах, как автомобильная промышленность, где масштабируемость и стоимость — ключевые драйверы.
 
Сегодня использование стали для конечного AM-производства растет, особенно в новых рынках для 3D-печати, таких как судостроение и автомобилестроение. Это делает сталь одним из ключей к дальнейшему внедрению металлической AM-технологии за пределами традиционных медицинских и авиакосмических отраслей.
 
Эти достижения указывают на то, что стали очень вероятно станут самыми широко используемыми металлическими AM-материалами в ближайшие несколько лет.
 

Алюминий

 
Сплавы, доступные для AM: Al-Si10Mg, AlSi12, AlSi7Mg, AlSi9Cu3, Al4047, Al-Si-Mg (F357), Scalmalloy (Al-Mg-Sc), Al-Cu-Ti-B2 (A205/A20X)
 
Алюминий — прочный, легкий металл, сочетающий выдающиеся механические и термические свойства. По этим причинам алюминиевые сплавы широко используются в авиакосмической, автомобильной и биомедицинской отраслях.
 

 
Исследовательская фирма AM, SmarTech, оценивает, что алюминиевая 3D-печать составила около 10 процентов от всей металлической печати в 2018 году. С тех пор произошел значительный рост разработки и коммерциализации алюминиевых сплавов для AM, стимулируемый спросом в авиакосмической и автомобильной отраслях.
 
Например, APWORKS в сотрудничестве с Airbus разработала Scalmalloy для авиационных приложений. Материал предлагает наименьший buy-to-fly ratio, особую благословение для авиакосмической промышленности.
 
Хотя материал разрабатывался с учетом авиации, его свойства также привлекательны для моторспорта — поэтому Scalmalloy недавно добавлен в список одобренных AM-материалов для Формулы-1.
 
Однако многие алюминиевые сплавы для AM остаются очень дорогими и не соответствуют требованиям целевых отраслей. Например, автомобильная промышленность требует, чтобы алюминиевые 3D-печатные детали проходили крэш-тесты для рассмотрения их использования в серийных автомобилях.
 
Инженерная группа EDAG разработала новый алюминиевый сплав, известный как CustAlloy, как часть исследовательского проекта «CustoMat_3D», сфокусированного на адаптации AM для серийного автомобильного производства.
 
Новейший разработанный материал предназначен для преодоления этих вызовов, обеспечивая как более высокую прочность, так и более высокие удлинения на разрыве — существенные свойства, которые позволят автомобильным 3D-печатным деталям использовать новый сплав для хорошей работы в крэш-тестах.
 

Титан

 
Градусы: Ti-6Al-4V (Grade 5), Ti-6Al-4V (Grade 23), Cp-Ti (Grade 1), Cp-Ti (Grade 2), Ti-Al, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti5553, Ti6242
 
Титан обладает отличными материальными свойствами, но его высокая стоимость исторически ограничивала использование высокоценностными приложениями в авиакосмике.
 
Теперь, когда металлическая 3D-печать становится все более признанной как жизнеспособный производственный метод, технология делает титан более доступным для отраслей вроде медицинской, автомобильной и моторспорта.
 
Существует большой потенциал для 3D-печати титана, особенно в области ортопедических имплантов, благодаря нетоксичности титана, высокой прочности и коррозионной стойкости.
 
При использовании с 3D-печатью производители медицинских устройств могут создавать титановые импланты со сложными пористыми структурами. Удивительно, эти структуры имитируют структуру человеческих костей, поэтому костные клетки распознают их как каркас, через который расти.
 

 
Растущий спрос на титановый порошок заставил некоторых производителей металлических порошков начать строительство новых титановых производственных заводов, а других — увеличить производство титановых порошков.
 
Например, Sandvik открыла порошковый завод для своих титановых и никелевых суперсплавов под брендом Osprey® в конце 2019 года. Тот же год PyroGenesis, канадский производитель плазменно-атомизированного металлического порошка, увеличил свою производительность титанового порошка, что также позволило компании снизить стоимость исторически очень дорогого титанового порошкового производства.
 

Медь и драгоценные металлы

 
Сплавы, доступные для AM: CuNi3Si, CuNi2SiCr, CuCrZr, CuAl10Fe5Ni5, Cu High Oxygen
 
Не все металлы хорошо поддаются 3D-печати. Например, медь особенно сложна для печати, с абсолютным большинством 3D-печатанной меди, основанной на сплавах меди, а не на чистом металле.
 
Чистая медь имеет коэффициент отражения лазера более 90 процентов, и лазеру трудно непрерывно и регулярно плавить чистый медный порошок.
 
Один путь вперед — разработка новых систем, способных 3D-печатать такие металлы.
 
На Formnext 2018 TRUMPF продемонстрировал свою технологию зеленого лазера, который может печатать чистую медь, а также другие драгоценные металлы.
 
Компания считает, что 3D-печать чистой меди может стать альтернативным способом создания проводимых индукторов и теплообменников, которые особенно полезны для электроники, автомобиля и космических приложений.
 
В плане драгоценных металлов, как золото, серебро и платина, преимущество 3D-печати этих материалов лежит в возможности достижения сложного дизайна, идеального для ювелирки, аксессуаров и декоративных объектов.
 
Однако 3D-печать драгоценных металлов обычно непрямая и включает производство восковой формы, которая затем используется в технике восковой литья.
 
Прямая 3D-печать с драгоценными металлами, используя PBF, также возможна, хотя количество 3D-печатных машин, 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 точке плавления.
 
Изначально разработанные для компонентов газовых турбин в турбореактивных двигателях, суперсплавы теперь широко используются для высокотемпературных приложений в авиакосмической и энергетической отраслях.
 

Никель

 
Сплавы, доступные 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 металлических PBF-процессах уже в 2007 году.
 
Текущий спрос на никелевые сплавы доминируется суперсплавами семейства Inconel — особенно сплавами IN625 и IN718 — благодаря их значительным возможностям в приложениях, требующих большой твердости, временной прочности и, возможно, самое главное, химической и температурной стойкости.
 
Помимо этих двух сплавов, существует еще много никель-хромовых суперсплавов, предлагаемых ведущими металлическими компаниями. Несколько суперсплавов Haynes, суперсплавов Hastelloy и различные формы Inconel теперь становятся более утвердившимися.
 
Пока авиакосмическая промышленность сейчас движет большей частью спроса на никелевое аддитивное производство, существует огромный потенциал для 3D-печати никелевых суперсплавов в нефтегазовом, энергетическом и общих промышленных сегментах, как химическая обработка.
 

Кобальт

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

 
Запуск первых коммерчески доступных кобальтовых суперсплавов для 3D-печати датируется 2006 годом. С тех пор использование материала росло, движимое спросом в медицинской и авиакосмической отраслях.
 
Кобальтовые суперсплавы обладают отличными механическими свойствами, наряду с устойчивостью к коррозии и высоким температурам. Кобальт-хромовый сплав особенно подходит для медицинских (ортопедические импланты) и стоматологических приложений, так как он имеет отличную биосовместимость.
 

Железо

 
Сплавы, доступные для AM: Invar 36, Fe-Si, Fe-Ni
 
Несколько производителей металлических PBF-систем предлагают возможность печати Invar 36, никель-железного сплава, известного своим крайне низким тепловым расширением. Invar 36 используется в компонентах, требующих высокой размерной стабильности в широком диапазоне температур, таких как в радио и электронных устройствах, авиационных управлении, оптических и лазерных системах.
 
Höganäs, один из ведущих производителей металлических порошков, также предоставляет ряд железных порошков, устойчивых к абразивному износу и коррозии, под своим брендом AMPERPRINT.
 

Рефрактарные металлы

 

 
Рефрактарные металлы обладают необычайными свойствами, но в то же время они крайне сложны в обработке.
 
Наиболее частое использование рефрактарных металлов в AM сегодня — в легировании со сталями, никелем и кобальтом для создания многих популярных суперсплавов.
 
В настоящее время только несколько компаний предлагают рефрактарные металлические порошки для AM.
 
H.C. Starck Tantalum and Niobium GmbH, недавно ребрендированная как TANIOBIS GmbH, — одна из таких компаний, предоставляющая ряд атомизированных танталовых и ниобиевых (Ta/Nb) порошков и их сплавов, разработанных для AM под брендом AMtrinsic.
 
Тантал и ниобий, считает TANIOBIS, откроют новые возможности в AM, цитируя их высокие температуры плавления, высокую коррозионную стойкость и высокую термическую и электрическую проводимость.
 
Свойства вроде этих позволят компаниям применять AM в химической обработке, энергетическом секторе и ряде высокотемпературных сред.
 

Вечорастущий ассортимент металлических порошков для 3D-печати

 

 
В металлическом PBF разработка материалов — работа в процессе. Количество доступных металлов для 3D-печати остается ограниченным по сравнению с традиционным производством, как литье или механическая обработка.
 
Одна причина — время и ресурсы, необходимые для разработки новых металлических порошков для AM — в некоторых случаях процесс разработки может занять несколько лет.
 
Другая причина кроется в аппаратных ограничениях, как в случае с медным порошком, который требует другой длины волны лазера, по сравнению с другими металлами, для успешной печати. К счастью, аппаратные вызовы преодолеваются для дальнейшего расширения области печатаемых металлов.
 
Несмотря на вызовы, будущее металлического PBF выглядит светлым, так как его внедрение в производство растет и больше отраслей начинают принимать технологию. Это означает усиленный фокус на новых материальных химиях, которые помогут разблокировать новые приложения и вывести металлическую 3D-печать на следующий уровень.