Technologia druku 3D wykorzystuje sproszkowany materiał do tworzenia obiektów warstwa po warstwie. Wybór odpowiedniego proszku ma kluczowe znaczenie dla jakości części, właściwości mechanicznych, dokładności, rozdzielczości detali i wykończenia powierzchni. Niniejszy artykuł zawiera przegląd różnych rodzajów proszków stosowanych w głównych procesach druku 3D, ich skład, kluczowe właściwości, zastosowania i wiodących światowych dostawców.
Przegląd Dostawcy proszku do drukarek 3D
Druk 3D, znany również jako produkcja addytywna, wykorzystuje sproszkowane polimery, metale, ceramikę lub kompozyty jako surowiec wejściowy. W oparciu o zastosowaną technologię i materiały, proszki mogą być zaprojektowane z określonymi rozkładami wielkości cząstek, morfologią, charakterystyką przepływu, temperaturami topnienia i innymi atrybutami fizycznymi i chemicznymi dostosowanymi do procesu drukowania.
Rodzaje proszków do drukarek 3D
Kilka kluczowych technologii opiera się na syntezie w złożu proszku w celu selektywnego topienia i zestalania materiału warstwa po warstwie w celu wytwarzania obiektów 3D. Popularne procesy i związane z nimi proszki obejmują:
| Proces | Materiały |
|---|---|
| Selektywne spiekanie laserowe (SLS) | Proszki termoplastyczne, takie jak nylon, TPU, PEEK |
| Bezpośrednie spiekanie laserowe metali (DMLS) | Proszki metali, takie jak aluminium, tytan, stopy stali |
| Topienie wiązką elektronów (EBM) | Stopy tytanu, chrom kobaltowy, stal nierdzewna |
| Binder Jetting | Stal nierdzewna, stal narzędziowa, węglik wolframu |
| Stereolitografia (SLA) | Żywice fotopolimerowe z zawiesiną ceramiczną |
Skład proszków polimerowych dla SLS
Selektywne spiekanie laserowe opiera się na drobnych proszkach polimerowych o kontrolowanym rozkładzie wielkości cząstek i morfologii. Typowe materiały obejmują:
| Polimer | Kluczowe właściwości | Zastosowania |
|---|---|---|
| Nylon 12 | Wytrzymałość, elastyczność | Funkcjonalne prototypy, części do zastosowań końcowych |
| Nylon 11 | Wysoka wytrzymałość, odporność na ciepło, biokompatybilność | Przemysł lotniczy, motoryzacyjny, medyczny |
| TPU | Elastyczność, odporność na ścieranie | Części elastyczne, artykuły sportowe |
| PEEK | Odporność na ekstremalne temperatury/chemikalia | Przemysł lotniczy, naftowy/gazowy, medyczny |
Nylon 12 jest najczęściej stosowanym proszkiem polimerowym do spiekania laserowego. Kompozycja zawiera podstawowy polimer nylonowy, środki ułatwiające płynięcie i inne dodatki:
Nylon 12 Skład proszku
| Komponent | Funkcja |
|---|---|
| Polimer bazowy | Zapewnia właściwości mechaniczne, zachowanie podczas topienia |
| Czynniki przepływu | Poprawa przepływu proszku i ograniczenie aglomeracji |
| Dodatki przeciwstarzeniowe | Zwiększona stabilność termiczna i zapobieganie degradacji materiału w czasie |
Rodzaje proszków metali dla procesów AM
Powszechnie stosowane proszki metali w procesie stapiania w złożu proszkowym i wtryskiwania spoiwa obejmują:
| Materiał | Stopy/Gatunki | Właściwości | Kluczowe aplikacje |
|---|---|---|---|
| Aluminium | AlSi10Mg, AlSi7Mg | Lekka, odporna na korozję | Przemysł lotniczy i motoryzacyjny |
| Tytan | Ti-6Al-4V, Ti 6242 | Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi | Lotnictwo i kosmonautyka, implanty medyczne |
| Stale nierdzewne | 316L, 17-4PH, 420 | Odporność na korozję/gorąco | Pompy, zawory, oprzyrządowanie |
| Stale narzędziowe | H13, P20, D2 | Twardość, odporność na zużycie | Formy wtryskowe, matryce |
| Chrom kobaltowy | Co28Cr6Mo | Biokompatybilność, odporność na zmęczenie/ korozję | Stomatologia, medycyna |
| Inconel | IN625, IN718 | Wytrzymałość na wysokie temperatury | Łopatki turbin, dysze rakiet |
Stopy tytanu, takie jak Ti-6Al-4V, są szeroko stosowane do produkcji wytrzymałych, lekkich elementów konstrukcyjnych w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i medycznym za pomocą DMLS i EBM.
Skład i produkcja proszków metali
Większość komercyjnych proszków metali jest wytwarzana w procesie atomizacji gazowej lub wodnej. Kompozycja zawiera podstawowy pierwiastek stopowy, taki jak tytan lub aluminium oraz inne składniki stopowe:
Skład proszku Ti-6Al-4V
| Element | Waga % | Cel |
|---|---|---|
| Tytan (Ti) | Równowaga | Główny element |
| Aluminium (Al) | 5.5-6.75% | Wzmocnienie |
| Wanad (V) | 3.5-4.5% | Uszlachetnianie ziarna |
| Żelazo (Fe) | < 0,3% | Zanieczyszczenie |
Inne powszechne metody produkcji proszków metalowych AM obejmują atomizację plazmową, elektrolizę i redukcję chemiczną. Wpływają one na właściwości proszku, takie jak kształt cząstek, rozkład wielkości, płynność, gęstość pozorna i mikrostruktura.
Proszki ceramiczne i kompozytowe
Ceramika i kompozyty mogą być również przetwarzane za pomocą technologii złoża proszkowego w celu tworzenia wysokowydajnych komponentów:
| Materiał | Właściwości | Zastosowania |
|---|---|---|
| Tlenek glinu | Wysoka twardość, odporność na temperaturę i korozję | Narzędzia tnące, części zużywające się |
| Węglik krzemu | Ekstremalna twardość, odporność na szok termiczny | Cięcie metalu, materiały ścierne |
| Polimer PEEK | Wydajność termomechaniczna | Kompozyty lotnicze i kosmiczne |
| Kompozyty z włókien ciągłych | Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi | Elementy konstrukcyjne |
Fotoutwardzalne proszki żywicy ceramicznej zawierające nanocząstki dwutlenku krzemu zawieszone w fotopolimerze są powszechnie stosowane w precyzyjnych drukarkach stereolitograficznych.
Charakterystyka i specyfikacja proszku
Proszki do drukarek 3D muszą spełniać rygorystyczne specyfikacje w zakresie rozkładu wielkości cząstek, morfologii, szybkości przepływu, gęstości i mikrostruktury. Typowe wartości przedstawiono poniżej:
Specyfikacja proszku polimerowego
| Parametr | Typowa wartość |
|---|---|
| Wielkość cząstek | 15-150 μm |
| Kształt cząsteczki | Kulisty |
| Gęstość pozorna | 0,35-0,55 g/cm3 |
| Temperatura topnienia | 172-185°C (nylon 12) |
Specyfikacja proszku metalowego
| Parametr | Typowa wartość |
|---|---|
| Wielkość cząstek | 15-45 μm |
| Gęstość pozorna | 2,5-4,5 g/cm3 |
| Natężenie przepływu | 25-35 s/50g |
| Zawartość tlenków | < 0,4 wt.% |
| Mikrostruktura | W pełni zwarta sferyczna |
Producenci dostarczają arkusze danych materiałów proszkowych określające właściwości fizyczne, raporty z testów składu chemicznego, analizę rozkładu wielkości cząstek, pomiary natężenia przepływu i obrazy ze skaningowej mikroskopii elektronowej.
Zastosowania proszków do druku 3D
Proszki polimerowe i metalowe umożliwiają produkcję komponentów końcowych w różnych branżach. Niektóre przykłady obejmują:
Części polimerowe
- Funkcjonalne prototypy
- Przewody samochodowe, obudowy
- Produkty konsumenckie, artykuły sportowe
- Komponenty wewnętrzne dla przemysłu lotniczego
Części metalowe
- Części silników lotniczych/strukturalne
- Łopatki turbin, wirniki
- Implanty i urządzenia biomedyczne
- Formy wtryskowe, narzędzia tnące
Proszki do druku 3D umożliwiają tworzenie złożonych geometrii o ulepszonych właściwościach mechanicznych, nieosiągalnych w tradycyjnych procesach odlewania lub obróbki skrawaniem.
Dostawcy proszków
Do wiodących światowych dostawców proszków dostosowanych do głównych technologii druku 3D należą:
Proszki polimerowe
| Firma | Materiały |
|---|---|
| BASF | Ultrasint PA6, PA11, PA12, TPU |
| Henkel | Loctite PA12, PP, TPE |
| EOS | PA2200, PA3200GF |
| Evonik | Polimery Vestosint |
Proszki metali
| Firma | Materiały |
|---|---|
| AP&C | Stopy tytanu, niklu i kobaltu |
| Sandvik Osprey | Stale nierdzewne, stale narzędziowe, nadstopy |
| Praxair | Tytan, aluminium, chrom kobaltowy |
| GE Additive | Stale nierdzewne, CoCr, Inconel |
Firmy te oferują szeroką gamę gatunków materiałów dostosowanych do SLS, DMLS, EBM, binder jetting ze specjalistycznymi rozkładami wielkości cząstek, kształtami, poziomami czystości i składami chemicznymi stopów.
Analiza kosztów proszku
Koszt materiału jest istotnym czynnikiem decydującym o wdrożeniu technologii AM. Ceny proszków zależą od składu, metody produkcji, jakości i wielkości zamówienia:
| Proszek | Zakres cen |
|---|---|
| Nylon 12 | $60-100/kg |
| Aluminium AlSi10Mg | $50-150/kg |
| Tytan Ti-6Al-4V | $200-500/kg |
| Nikiel IN625 | $100-250/kg |
| Chrom kobaltowy | $150-600/kg |
Proszki polimerowe mogą być o 40-90% tańsze w porównaniu do egzotycznych stopów lotniczych. Recykling zużytego proszku poprzez przesiewanie i mieszanie ze świeżymi zapasami pomaga obniżyć koszty materiałów.
Plusy i minusy AM w proszku
| Zalety | Ograniczenia |
|---|---|
| Złożone geometrie nieosiągalne w innych procesach | Generalnie wolniejsze tempo budowy niż w przypadku tradycyjnych metod |
| Skonsolidowane zespoły, mniejsza liczba części | Usuwanie/czyszczenie proszku po zakończeniu przetwarzania |
| Niestandardowe stopy, mieszanki kompozytowe | Anizotropowe właściwości materiału |
| Ograniczona obróbka w porównaniu do metod subtraktywnych | Problemy związane z porowatością w niektórych procesach laserowych/wiązki laserowej |
Podsumowanie
Podsumowując, fuzja w złożu proszkowym i wtryskiwanie spoiwa opierają się na specjalnie zaprojektowanych proszkach z tworzyw sztucznych, metali, ceramiki lub kompozytów o dostosowanym rozmiarze, kształcie, składzie i mikrostrukturze. Wiodące opcje polimerowe obejmują nylon 12, PEEK i TPU, podczas gdy popularne metale obejmują aluminium, tytan i stopy na bazie niklu. Globalni dostawcy oferują szeroki wybór materiałów zatwierdzonych dla głównych systemów AM. Wybór proszków specyficznych dla danego zastosowania, spełniających wymagania mechaniczne i właściwości, ma kluczowe znaczenie dla wydajności części.
Najczęściej zadawane pytania
Jakie są główne rodzaje proszków do druku 3D?
Cztery główne kategorie to tworzywa sztuczne, takie jak nylon 12 i PEEK, metale, w tym aluminium, tytan i stopy stali narzędziowej, ceramika, taka jak tlenek glinu lub węglik krzemu, oraz kompozyty polimerowo-włókniste.
Jaki rozmiar proszku jest idealny dla procesów AM?
Typowy zakres to 15-100 mikronów dla metali i 15-150 mikronów dla polimerów. Rozkład wielkości wpływa na gęstość, płynność, chropowatość powierzchni, dokładność i szybkość.
Jakie metody produkcji są wykorzystywane do wytwarzania proszków metali?
Powszechne techniki obejmują atomizację w gazie obojętnym przy użyciu argonu lub azotu oraz atomizację wodną. Niektóre niszowe stopy wykorzystują atomizację plazmową, elektrolizę lub procesy chemiczne.
Jak ocenić przydatność proszków do AM?
Kluczowe parametry to rozkład wielkości cząstek, szybkość przepływu, gęstość pozorna, morfologia i mikrostruktura. Raporty z certyfikacji materiałów potwierdzają skład chemiczny, zawartość gazów/tlenków i śladowe zanieczyszczenia.
Jaka obróbka końcowa jest wymagana w przypadku drukowanych 3D części proszkowych?
W zależności od materiału i procesu, typowe etapy obejmują usuwanie podpór, obróbkę strumieniowo-ścierną, wyżarzanie, HIP i obróbkę skrawaniem w celu uzyskania dokładności wymiarowej i pożądanego wykończenia.
Jakie są typowe poziomy cen hurtowych dla metalowych proszków AM?
Próbki 1-5 kg kosztują $100-300/kg. Typowe zamówienia 10-100 kg wahają się od $60-250/kg. Zamówienia o dużej objętości >500 kg mogą osiągnąć $30-150/kg dla popularnych stopów lotniczych/narzędziowych.
Jak proszek z recyklingu wpływa na jakość części i wydajność mechaniczną?
Wielokrotny recykling powyżej 2-3 warstw może skutkować zmianą rozkładu wielkości, zanieczyszczeniem, gromadzeniem się satelitów, degradacją proszku powodującą niższą gęstość i gorsze właściwości mechaniczne. Mieszanie świeżego proszku pomaga przezwyciężyć te problemy.
Jakich ulepszeń oczekuje się w przyszłych proszkach metali?
Kluczowymi obszarami zainteresowania są niestandardowe stopy, lepsza rozprowadzalność proszku i gęstość upakowania w celu szybszego budowania, mniejsza porowatość i wyższa gęstość prowadząca do lepszych właściwości materiału i wykończenia powierzchni.
