Wytwarzanie przyrostowe (AM) -- powszechnie znane jako druk 3D -- rewolucjonizuje sposób projektowania i wytwarzania elementów metalowych. Od wsporników lotniczych po implanty medyczne, możliwość budowania złożonych geometrii warstwa po warstwie otwiera nowe możliwości, które były niemożliwe przy tradycyjnych metodach produkcji. U podstaw każdego procesu AM metali leży surowiec: proszek metalu.
Globalny rynek metalowego wytwarzania przyrostowego rósł w tempie przekraczającym 25% rocznie w ciągu ostatniej dekady, a proszki metali stanowią najszybciej rosnący segment branży metalurgii proszkowej. Ten artykuł omawia wymagania dotyczące proszków do AM, stosowane materiały oraz wyzwania, przed którymi stoją producenci proszków i użytkownicy AM.
Dlaczego jakość proszku ma znaczenie w AM
W wytwarzaniu przyrostowym jakość proszku ma bezpośredni i mierzalny wpływ na jakość części. W odróżnieniu od tradycyjnych procesów prasowania i spiekania, w których siły zagęszczania mogą kompensować pewne niespójności proszku, procesy AM wymagają, aby proszek rozprowadzał się równomiernie, topił przewidywalnie i krzepł bez defektów. Każda cecha proszku -- od kształtu cząstek po skład chemiczny -- wpływa na końcowy wynik.
Najważniejsze właściwości proszku dla AM obejmują:
- Sferyczna morfologia: Wysoce sferyczne cząstki są niezbędne do równomiernego rozprowadzania proszku w warstwie. Cząstki niesferyczne tworzą pustki i nierówne warstwy prowadzące do porowatości i defektów powierzchni w gotowej części.
- Wąski rozkład wielkości cząstek: Większość systemów LPBF wymaga proszku w zakresie 15-45 lub 15-63 mikronów. Wąski, dobrze kontrolowany PSD zapewnia jednolitą grubość warstwy i absorpcję energii.
- Wysoka sypkość: Proszek musi swobodnie przepływać z leja i rozprowadzać się równomiernie po platformie budowy. Słaba sypkość powoduje luki w warstwie proszku, które prowadzą do niekompletnego topienia i defektów strukturalnych.
- Niska zawartość tlenu: Tlen obecny jako tlenki powierzchniowe na cząstkach proszku może powodować porowatość, wtrącenia tlenkowe i obniżone właściwości mechaniczne w spiekanej części. Dla proszków miedzi zawartość tlenu poniżej 0,1% jest zazwyczaj wymagana do AM.
- Spójna chemia: Powtarzalność między partiami jest krytyczna w AM, gdzie parametry procesu są ściśle optymalizowane pod konkretny skład proszku. Wahania w chemii stopu mogą prowadzić do nieprzewidywalnego zachowania podczas topienia i wadliwych części.
Materiały do metalowego AM
Chociaż tytan i stal nierdzewna dominowały dotychczas w metalowym AM, zakres materiałów dostępnych do wytwarzania przyrostowego szybko się poszerza. Proszki na bazie miedzi zyskują znaczną uwagę ze względu na ich unikalne połączenie przewodności cieplnej i elektrycznej.
Czysta Miedź
Czysta miedź jest jednym z najbardziej wymagających materiałów do laserowego AM ze względu na jej wysoką refleksyjność przy bliskiej podczerwieni (długość fali stosowana przez większość laserów światłowodowych) oraz jej ekstremalnie wysoką przewodność cieplną, która szybko odprowadza ciepło z jeziorka stopionego metalu. Jednakże rozwój systemów laserowych zielonych i niebieskich pracujących przy krótszych długościach fali dramatycznie poprawił przetwarzalność czystej miedzi w LPBF.
Zastosowania miedzi w AM obejmują wymienniki ciepła, cewki indukcyjne, szyny elektryczne i elementy silników rakietowych, gdzie złożone wewnętrzne kanały chłodzenia zapewniają zalety wydajnościowe niemożliwe do osiągnięcia przy konwencjonalnej produkcji.
Stopy Miedzi
Stopy miedzi takie jak CuSn10 (brąz), CuCr1Zr i CuNi2SiCr są łatwiejsze w obróbce niż czysta miedź ze względu na ich niższą refleksyjność i przewodność cieplną. Proszki brązu są stosowane w AM do elementów morskich, łożysk i zastosowań artystycznych. CuCr1Zr jest ceniony za połączenie przewodności i wytrzymałości w podwyższonych temperaturach.
Stopy Niklu
Superstopy na bazie niklu (Inconel 625, Inconel 718, Hastelloy X) należą do najlepiej ugruntowanych materiałów w metalowym AM, szeroko stosowanych w zastosowaniach lotniczych i energetycznych ze względu na ich wybitne właściwości wysokotemperaturowe i odporność na korozję.
Technologie Procesów AM
Selektywne Topienie Laserowe w Warstwie Proszku (LPBF)
Znane również jako selektywne topienie laserowe (SLM), LPBF jest najszerzej stosowaną technologią metalowego AM. Laser selektywnie topi obszary cienkiej warstwy proszku zgodnie z modelem cyfrowym, budując część warstwa po warstwie. LPBF zazwyczaj wykorzystuje proszki w zakresie 15-45 mikronów i osiąga grubości warstw 20-60 mikronów, produkując części o doskonałym wykończeniu powierzchni i dokładności wymiarowej.
Topienie Wiązką Elektronów (EBM)
EBM wykorzystuje skupioną wiązkę elektronów w środowisku próżniowym do topienia warstw proszku. Pracuje w wyższych temperaturach niż LPBF i wykorzystuje grubsze proszki (45-105 mikronów). EBM jest szczególnie odpowiedni dla materiałów reaktywnych jak tytan i zastosowań wymagających zmniejszonych naprężeń szczątkowych.
Nakładanie Skierowaną Energią (DED)
Procesy DED podają proszek lub drut do skupionego źródła energii (laser lub wiązka elektronów), które topi materiał w momencie nanoszenia. DED wykorzystuje grubsze proszki (45-150 mikronów) i jest często stosowany do napraw, napawania i produkcji wielkogabarytowej.
Wyzwania i Rozważania
Koszt Proszku
Gazowo atomizowane proszki sferyczne odpowiednie do AM mają znaczną premię cenową w porównaniu z konwencjonalnymi proszkami atomizowanymi wodnie. Rygorystyczne wymagania dotyczące PSD oznaczają, że tylko część całkowitej wydajności atomizacji spełnia specyfikacje AM, co dodatkowo zwiększa koszt za kilogram. Wraz ze wzrostem popytu i skalowaniem produkcji, koszty powinny spadać, ale koszt proszku pozostaje istotnym czynnikiem w całkowitym koszcie części AM.
Recykling Proszku
Opłacalność ekonomiczna metalowego AM zależy częściowo od możliwości ponownego użycia nieprzetopionego proszku z poprzednich budów. Jednakże wielokrotne cykle termiczne i ekspozycja na środowisko budowy mogą z czasem zmieniać właściwości proszku: mogą powstawać tlenki powierzchniowe na cząstkach, mogą tworzyć się satelity, a PSD może się przesuwać. Ustanowienie solidnych protokołów recyklingu proszku -- obejmujących przesiewanie, monitoring chemii i maksymalne limity ponownego użycia -- jest niezbędne dla stałej jakości części.
Kontrola Jakości
AM stawia wyższe wymagania kontroli jakości proszku niż tradycyjna metalurgia proszkowa. Każda partia musi być scharakteryzowana pod kątem PSD, morfologii, sypkości, gęstości nasypowej i chemii. Kontrola wejściowa proszku, monitoring procesowy i identyfikowalność są krytycznymi elementami solidnego systemu jakości AM. Normy takie jak ASTM F3049 i ISO/ASTM 52907 zapewniają ramy charakteryzacji proszków.
Wilgoć i Obchodzenie się
Proszki metali do AM muszą być przechowywane i transportowane w kontrolowanych warunkach, aby zapobiec absorpcji wilgoci i zanieczyszczeniu. Wilgoć na powierzchni proszku generuje wodór podczas topienia, powodując porowatość w zakrzepłej części. Właściwe procedury przechowywania, obsługi i kondycjonowania są niezbędne.
Gazowo Atomizowane Proszki MEPOSO do AM
Zdolności atomizacji gazowej MEPOSO pozwalają na produkcję wysoce sferycznych proszków miedzi, brązu i stopów specjalnych spełniających wymagające kryteria wytwarzania przyrostowego. Nasze proszki atomizowane gazowo cechują się doskonałą sferycznością, wąskimi rozkładami wielkości cząstek, niską zawartością tlenu i powtarzalnością między partiami.
Ściśle współpracujemy z producentami systemów AM i użytkownikami końcowymi w celu opracowania specyfikacji proszków zoptymalizowanych pod konkretne procesy i zastosowania. Niezależnie od tego, czy potrzebują Państwo czystego proszku miedzi do wymienników ciepła LPBF, czy wstępnie stopowego brązu do binder jetting, nasz zespół techniczny pomoże zidentyfikować odpowiedni gatunek.
Skontaktuj się z MEPOSO aby omówić Państwa wymagania dotyczące proszków do wytwarzania przyrostowego i zamówić próbki materiału do oceny.