Selektywne spiekanie laserowe (SLS) to technika wytwarzania przyrostowego, która wykorzystuje laser do łączenia małych cząstek proszków z tworzyw sztucznych, metalu, ceramiki lub szkła w obiekt 3D. Proszki metali SLS o odpowiednich właściwościach mają kluczowe znaczenie dla wytwarzania w tym procesie wysokiej jakości części metalowych o złożonej geometrii.
Przegląd proszków metali SLS
Proszki metalowe SLS odnoszą się do proszków metalicznych, które są zoptymalizowane do stosowania w drukarkach 3D z selektywnym spiekaniem laserowym do produkcji metalowych części i prototypów. Do najczęściej stosowanych proszków metalicznych SLS należą:
Rodzaje proszków metalowych SLS
| Typ | Skład | Kluczowe cechy charakterystyczne |
|---|---|---|
| Stal nierdzewna | Stopy Fe, Cr, Ni | Odporność na korozję, wysoka wytrzymałość |
| Stal narzędziowa | Stopy Fe, Cr, Mo | Wysoka twardość, możliwość obróbki cieplnej |
| Stal stopowa | Stopy Fe, Cr, Ni | Możliwość obróbki cieplnej, możliwość obróbki mechanicznej |
| Kobalt-chrom | Stopy Co, Cr | Biokompatybilny, odporny na zużycie i korozję |
| Tytan i stopy | Stopy Ti, Al, V | Lekki, biokompatybilny, wytrzymały |
| Inconel | Ni, stopy Cr | Odporność na ciepło/korozję |
| Stopy aluminium | Stopy Al, Cu, Mg | Lekki, wytrzymały |
Te proszki metali muszą mieć właściwości takie jak płynność, kształt cząstek i rozkład wielkości dostosowany do produkcji części SLS o wysokiej gęstości z dokładnością, precyzją i pożądanymi właściwościami mechanicznymi.
Kluczowe właściwości proszków metali SLS
| Parametr | Opis | Wymagania |
|---|---|---|
| Zakres rozmiarów | Wymiary cząstek proszku | 10-45 mikronów |
| Rozkład wielkości | Zakres rozmiarów proszku | Głównie sferyczne z dopuszczalnymi satelitami |
| Morfologia | Kształt cząstek proszku | Sferyczny jest optymalny, satelity mogą powodować wady |
| Natężenie przepływu | Płynność proszku | 35-40 s/50 g z przepływomierza Halla |
| Gęstość pozorna | Gęstość upakowania proszku | Około 60% rzeczywistej gęstości |
| Prawdziwa gęstość | Gęstość materiału | Zależy od składu |
| Powierzchnia | Powierzchnia cząstek na jednostkę masy | Niższy jest lepszy, aby zmniejszyć utlenianie |
| Gazy resztkowe i wilgoć | Zanieczyszczenia obecne w proszku | Zminimalizowane dla wysokiej jakości części |
Charakterystyka proszków metali SLS
| Charakterystyka | Rola w procesie SLS |
|---|---|
| Kształt cząstek i tekstura powierzchni | Wpływa na przepływ proszku do każdej nowej warstwy, absorpcję lasera, współczynnik odbicia |
| Rozkład wielkości cząstek | Wpływ na gęstość upakowania, dynamikę puli stopu, smarowność |
| Charakterystyka przepływu | Umożliwia równomierne rozprowadzanie, konsystencję warstwy |
| Gęstość pozorna | Kontroluje odstępy między cząsteczkami, wymagany wkład energii |
| Prawdziwa gęstość | Określa ostateczną maksymalną osiągalną gęstość części |
| Dodatki stopowe | Umożliwia określone właściwości materiału, takie jak wytrzymałość, twardość itp. |
Zastosowania Proszki metali SLS
Proszek metalowy SLS umożliwia drukowanie funkcjonalnych części metalowych o pełnej gęstości, służących do prototypowania, oprzyrządowania i produkcji krótkoseryjnej w branżach takich jak:
Przemysłowe zastosowania metalowych części drukowanych metodą SLS
| Przemysł | Zastosowania | Powszechnie stosowane materiały |
|---|---|---|
| Lotnictwo i kosmonautyka | Łopatki turbin, elementy silnika/struktury | Stale nierdzewne, nadstopy, stopy tytanu |
| Motoryzacja | Części prototypowe, niestandardowe oprzyrządowanie | Stale nierdzewne, stale narzędziowe, stopy aluminium |
| Implanty medyczne | Specyficzne dla pacjenta implanty, prowadnice | Chrom kobaltowy, stopy tytanu, stal nierdzewna |
| Przemysłowy | Precyzyjne narzędzia, chwytaki robotów | Stale nierdzewne, stale narzędziowe |
| Biżuteria | Pierścionki, łańcuszki, elementy niestandardowe | Metale szlachetne, takie jak stopy złota, srebro |
Unikalne korzyści w porównaniu z tradycyjnymi metodami produkcji:
Zalety SLS w produkcji części metalowych
| Korzyści | Opis |
|---|---|
| Swoboda geometrii | Brak ograniczeń geometrii części w przeciwieństwie do metod odejmowania/odlewania |
| Szybka realizacja | Szybkie drukowanie z danych CAD |
| Niewielka waga | Struktury kratowe zmniejszają wagę o >30% |
| Konsolidacja części | Integralnie drukowane zespoły zastępują złącza |
| Masowa personalizacja | Urządzenia medyczne przeznaczone dla pacjentów |
| Struktury hybrydowe | Możliwe części wielomateriałowe z metalu i polimeru |
Typowe zastosowania części metalowych drukowanych metodą SLS w różnych branżach:
Typowe zastosowania metalowych części drukowanych metodą SLS
| Zastosowanie | Przykłady | Użyte materiały |
|---|---|---|
| Funkcjonalne prototypy | Komponenty silnika, implanty | Stale stopowe, stopy Ti |
| Narzędzia | Prowadnice wiertarskie, osprzęt, przyrządy pomiarowe | Stale nierdzewne |
| Oprzyrządowanie do form | Oprzyrządowanie do formowania wtryskowego | Stale narzędziowe, takie jak H13 |
| Produkcja seryjna | Komponenty lotnicze/medyczne | Stopy Ti i Ni, CoCr |
| Lekkie konstrukcje | Panele kratowe, stężenia | Stopy Al, stopy Ti |
Specyfikacje proszku metalowego SLS
Producenci systemów SLS, tacy jak EOS, 3D Systems i Renishaw, zapewniają kwalifikowane specyfikacje proszków metali SLS dostosowane do ich modeli drukarek. Niektóre popularne proszki metali i rozmiary obejmują:
Rodzaje i rozmiary proszków metalowych SLS
| Materiał | Dostępne rodzaje proszków | Zakres wielkości cząstek |
|---|---|---|
| Stal nierdzewna | 316L, 17-4PH, 303, 410 | 15-45 mikronów |
| Stal maraging | MS1, 18Ni300, 18Ni350 | 15-45 mikronów |
| Chrom kobaltowy | CoCr, CoCrMo | 15-45 mikronów |
| Stop aluminium | AlSi10Mg, AlSi12 | 15-45 mikronów |
| Stop tytanu | Ti6Al4V Klasa 5 | 15-45 mikronów |
| Stop niklu | Inconel 718, Inconel 625 | 15-45 mikronów |
Organizacje normalizacyjne zdefiniowały klasyfikacje dla różnych gatunków proszków metali stosowanych w procesach AM:
Gatunki proszków metali według norm ISO/ASTM
| Standard | Stopnie | Opis |
|---|---|---|
| ISO 17296-2 | PA1 do PA6 | Określa coraz bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące zanieczyszczeń od P1 do P6. |
| ISO 17296-3 | PM1 do PM4 | Definiuje kształt cząstek, parametry wielkości od PM1 do PM4 |
| ASTM F3049 | Klasa 1 do klasy 4 | Określa dopuszczalne limity składu w zakresie od 1 do 4. |
| ASTM F3056 | Od typu 1 do typu 3 | Definiuje parametry statystycznego rozkładu wielkości od 1 do 3 |
Te systemy klasyfikacji pomagają ustalić wzorcowe poziomy jakości i pomagają kupującym w zakupach. Proszek PA5 o wysokiej czystości zapewnia minimalne zanieczyszczenie. Podobnie klasa 4, ściślejsza kontrola chemiczna zmniejsza zmienność.
Proszek metalowy SLS Dostawcy
Różni dostawcy dostarczają gotowe do użycia proszki SLS na całym świecie. Niektórzy wiodący światowi dostawcy to:
Kluczowi dostawcy proszków metali SLS
| Dostawca | Oferowane materiały | Obsługiwane obszary geograficzne |
|---|---|---|
| Sandvik | Stal nierdzewna, stopy niklu, CoCr, stal narzędziowa, stopy aluminium | Europa, Azja |
| Praxair | Stopy Ti, stopy Ni, stal nierdzewna, stale narzędziowe | Ameryka Północna |
| Technologia LPW | Stal nierdzewna, stopy aluminium, CoCr | Wielka Brytania, Europa |
| Carpenter Additive | Stale nierdzewne, CoCr, Cu, stopy aluminium | Globalny |
| Hoganas | Stale nierdzewne, stale narzędziowe | Europa, Azja |
Zwykle minimalne dostawy wynoszą około 10 kg na gatunek materiału, choć istnieją również umowy na duże ilości dla nabywców OEM. Opcje pakowania wahają się od próżniowo zamkniętych puszek do specjalistycznych kartridży maszyn SLS mieszczących od 700 g do 1 kg proszku każdy.
Rodzaje opakowań proszków metali SLS
| Typ | Zakresy głośności | Charakterystyka |
|---|---|---|
| Puszki próżniowe | Partie od 500 g do 20 kg | Okres trwałości do 1 roku |
| Wkłady do drukarek | Partie od 700 do 1000 g | Zminimalizowana ekspozycja na obsługę |
| Wieże materiałowe | Wkłady o wadze od 700 do 1200 g | Automatyczne podawanie do drukarki |
Przedziały cenowe dla popularnych materiałów w małych ilościach są następujące:
Zakresy kosztów proszków metali dla druku SLS
| Materiał | Zakres cen dla małych ilości* |
|---|---|
| Stal nierdzewna 316L | $60-$100 na kg |
| Aluminium AlSi10Mg | $80-$130 za kg |
| Stal maraging | $90-$140 za kg |
| Tytan Ti6Al4V | $200-$350 na kg |
| Chrom kobaltowy | $300-$500 na kg |
| Metale szlachetne | $3000+ za kg |
Porównanie materiałów proszkowych SLS
Do drukowania SLS wykorzystywane są różne stopy metali, z których każdy ma swoje własne właściwości i kompromisy:
Porównanie materiałów proszkowych SLS
| Parametr | Stale nierdzewne | Stale narzędziowe | Stopy tytanu | Stopy niklu | Chrom kobaltowy | Stopy aluminium |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Gęstość | Średni | Wyższy | Niższy | Wysoki | Wysoki | Najniższy |
| Siła | Średni | Najwyższy | Średnio-wysoki | Średnio-wysoki | Średni | Średni |
| Twardość | Niższy | Bardzo wysoka | Średni | Średni | Wyższy | Niski-średni |
| Odporność na korozję | Doskonały | Średni | Doskonały | Doskonały | Doskonały | Średnio dobry |
| Biokompatybilność | Dobry | Ograniczony | Doskonały | Ograniczony | Doskonały | Dobry |
| Odporność na ciepło | Średni | Średnio-wysoki | Średni | Bardzo wysoka | Bardzo wysoka | Niższy |
| Koszt | Najniższy | Średni | Wysoki | Bardzo wysoka | Wysoki | Niski |
Stale nierdzewne oferują najlepszą kombinację właściwości, gdy liczy się koszt, podczas gdy stale narzędziowe zapewniają ekstremalną twardość. Tytan zapewnia biokompatybilność i wytrzymałość przy niskiej gęstości. Nadstopy, takie jak Inconel i CoCr, oferują stabilność termiczną i biokompatybilność. Stopy aluminium są najbardziej opłacalną, lekką opcją.
Plusy i minusy popularnych proszków metali SLS
| Materiał | Zalety | Wady |
|---|---|---|
| Stale nierdzewne | Ekonomiczne, łatwe w obróbce mechanicznej | Niższa twardość i wytrzymałość |
| Stale narzędziowe | Wyjątkowa twardość i możliwość obróbki cieplnej | Mniejsza odporność na korozję, biokompatybilność |
| Stopy tytanu | Mocny, lekki, przyjazny dla środowiska | Drogie, mogą się palić w atmosferze tlenu |
| Stopy niklu | Doskonała odporność na ciepło/korozję | Ciężkie, toksyczne, bardzo drogie |
| Chrom kobaltowy | Biokompatybilny, odporny na korozję | Ciężki, średni koszt |
| Stopy aluminium | Lekkość, dobra wytrzymałość | Niższa temperatura topnienia, twardość |
Kryteria wyboru proszku metalicznego SLS przez klienta
| Kryteria wyboru | Kluczowe pytania |
|---|---|
| Właściwości mechaniczne | Czy spełnia docelowe wymagania dotyczące wytrzymałości, odporności na zużycie i innych specyfikacji mechanicznych? |
| Koszt materiałów | Czy żądany rodzaj proszku metalowego pasuje do budżetu aplikacji? |
| Przetwarzanie końcowe | Czy konieczne są dodatkowe operacje, takie jak prasowanie izostatyczne na gorąco lub obróbka cieplna? |
| Wielkość serii produkcyjnej | Czy docelowy wolumen jest zbyt wysoki dla produkcyjnego druku SLS? |
| Wymiary części | Czy maksymalna objętość wydruku jest wystarczająca dla największych geometrii części? |
| Rozdzielczość, wykończenie powierzchni | Czy proces SLS może spełnić wymagania dotyczące szczegółowości i jakości powierzchni? |
| Czas realizacji dostawy | Czy czas realizacji zamówienia przez dostawcę jest akceptowalny, biorąc pod uwagę harmonogram produkcji? |
Końcowe zastosowanie części kieruje optymalnym wyborem materiału, równoważąc potrzeby w zakresie wydajności i ekonomii.
Przegląd procesu drukowania metalu SLS
Zrozumienie druku 3D w technologii SLS pomaga docenić wpływ właściwości proszku na jakość części:
Etapy procesu druku 3D w technologii SLS
| Etap | Opis |
|---|---|
| Modelowanie 3D | Oprogramowanie CAD tworzy model bryłowy/siatkowy części do druku |
| Krojenie | Model jest cyfrowo dzielony na warstwy w celu wygenerowania pliku drukarki |
| Rozprowadzanie proszku | Wałek lub łopatka rozprowadza cienką warstwę proszku na platformie roboczej |
| Skanowanie laserowe | Laser CO2 skanuje nad złożem proszku, aby stopić cząstki razem |
| Platforma opuszczania | Platforma kompilacji obniża się o 1 grubość warstwy (~50 mikronów). |
| Powtarzanie rozprowadzania/roztapiania | Kroki powtarzają się, aż cały obiekt zostanie zbudowany warstwa po warstwie. |
| Przetwarzanie końcowe | Usunięto nadmiar proszku, wykonano końcową obróbkę w celu wykończenia części |
Jak właściwości proszku wpływają na wyniki drukowania
| Własność proszku | Wpływ na jakość druku |
|---|---|
| Geometria proszku | Sferyczne cząstki o dobrym przepływie umożliwiają tworzenie jednolitych warstw bez defektów |
| Zakres wielkości cząstek | Zbyt drobne proszki mają słaby przepływ, zbyt duże powodują słabą rozdzielczość |
| Rozkład wielkości | Zbyt szeroka dystrybucja może powodować segregację lub zmienne stopienie |
| Gęstość pozorna | Wyższa gęstość zapewnia większą gęstość końcową części po spiekaniu |
| Prawdziwa gęstość | Nakłada górny limit na osiągalną gęstość części |
| Tekstura powierzchni | Bardziej szorstkie cząstki mogą zatrzymywać gazy lub utrudniać przepływ proszku. |
Widzimy, że kilka właściwości fizycznych proszku ma bezpośredni wpływ na wyniki drukowania, więc ścisła kontrola przez dostawców ma kluczowe znaczenie.
Obróbka końcowa metalowych części drukowanych metodą SLS
Po procesie drukowania SLS, dodatkowe etapy wykańczania pomagają poprawić końcowe właściwości części:
Typowe etapy obróbki końcowej części SLS
| Proces | Opis | Korzyści |
|---|---|---|
| Usuwanie proszku | Nadmiar proszku wyszczotkowany/usunięty | Ujawnia wydrukowany obiekt |
| Łagodzenie stresu | Ogrzewanie w celu usunięcia naprężeń szczątkowych | Poprawia dokładność wymiarową |
| Wykończenie powierzchni | Szlifowanie, polerowanie, piaskowanie | Wygładza powierzchnię, wspomaga przyczepność powłoki |
| Infiltracja | Płyn wypełnia resztkową porowatość | Jeszcze bardziej zwiększa gęstość, poprawia wytrzymałość |
| Obróbka cieplna | Cykle termiczne hartowania i odpuszczania | Zwiększa twardość stali |
Wpływ przetwarzania końcowego na właściwości części
| Nieruchomość | Wpływ przetwarzania końcowego |
|---|---|
| Gęstość | Infiltracja żywicą epoksydową lub brązem wypełnia pory zwiększając gęstość 5-15% |
| Chropowatość powierzchni | Ręczne/automatyczne polerowanie może osiągnąć chropowatość poniżej 2 mikronów |
| Dokładność wymiarowa | Odprężający cykl cieplny zmniejsza wypaczenia, poprawiając precyzję |
| Wytrzymałość na rozciąganie | Infiltracja poprawia UTS, podczas gdy obróbka cieplna może podwoić wytrzymałość na rozciąganie. |
| Plastyczność | Kompromis z poprawą wytrzymałości po leczeniu |
| Twardość | Stopy utwardzane wydzieleniowo, takie jak 17-4PH, dobrze reagują na starzenie |
W ten sposób obróbka końcowa umożliwia dalsze dostosowanie właściwości metalu w oparciu o potrzeby aplikacji.
Kontrola jakości druku na metalu SLS
Stała wysoka jakość surowca proszkowego w połączeniu z monitorowaniem procesu SLS zapewnia niezawodne części:
Kontrola jakości dla Proszek metalowy SLS
| Parametr | Typowa specyfikacja | Metody testowe |
|---|---|---|
| Rozkład wielkości cząstek | Natężenie przepływu w hali > 35s/50g | Przesiewanie, dyfrakcja laserowa |
| Gęstość pozorna | 65-80% o rzeczywistej gęstości | Pomiar grawimetryczny |
| Skład proszku | Zakresy stopów zgodnie z normą ISO 27296 | Fluorescencja rentgenowska |
| Morfologia powierzchni | Mediana okrągłości > 0,75 | Mikrografy, analiza obrazu |
| Zanieczyszczenie | < 50 ppm tlenu, < 150 ppm azotu | Analiza syntezy gazów obojętnych |
Monitorowanie procesu drukowania SLS
| Metryczny | Używany czujnik | Cel |
|---|---|---|
| Moc lasera | Wbudowana fotodioda | Utrzymuje spójność fuzji |
| Temperatura złoża proszku | Czujnik podczerwieni | Zapewnia integralność części, bez wypaczeń |
| Atmosfera | Analizator tlenu | Zapobiega zapłonowi proszku w komorze roboczej |
| Grubość warstwy | Enkoder osi Z | Precyzyjnie odtwarzane warstwy |
Tak rygorystyczna kontrola nad proszkiem wejściowym i ustawieniami procesu skutkuje wysoką jakością części metalowych z każdej serii produkcyjnej.
Drukowanie metalu metodą SLS w porównaniu z alternatywami
Inne alternatywy dla druku 3D z metalu to SLS:
Porównanie metod druku 3D w metalu
| Metryczny | Binder Jetting | DMLS | SLM | EBM |
|---|---|---|---|---|
| Surowiec | Mieszanka metalu i polimeru w proszku | Proszek metalowy | Proszek metalowy | Metalowy drut/proszek |
| Źródło energii | Płynne spoiwo | Laser światłowodowy | Wydajny laser światłowodowy Yb | Wiązka elektronów |
| Szybkość budowania | Umiarkowane, szybsze niż metody laserowe | Powolne ze względu na skanowanie punkt po punkcie | Następuje bardzo szybkie, pełne stopienie | Najszybsza metoda |
| Rozdzielczość, wykończenie powierzchni | Słabsze ze względu na spoiwo, post-processing pomaga | Bardzo dobra dzięki drobnej plamce lasera | Doskonałe dzięki pełnemu stopieniu | Umiarkowane z powodu częściowego topnienia |
| Dokładność wymiarowa | +/- 0,3% z procesem CTQ | +/- 0.1-0.2% | +/- 0.1-0.2% | +/- 0.2-0.3% |
| Przetwarzanie końcowe | Wymagane utwardzanie i spiekanie | Obsługuje tylko usuwanie | Może być konieczna pewna obróbka | Wymagana większość prac drugorzędnych |
| Koszt na część | Niższe koszty materiałów pomagają obniżyć cenę | Znacznie wyższe koszty operacyjne | Wysokie koszty sprzętu i materiałów | Wysoki koszt sprzętu |
Spośród wszystkich metod, strumieniowanie spoiwa okazało się najbardziej opłacalne w przypadku produkcji części metalowych w mniejszych ilościach do 10 000 sztuk. SLS zapewnia najłatwiejszą obróbkę końcową w połączeniu z dobrą dokładnością i wykończeniem powierzchni.
Najczęściej zadawane pytania
Jakie branże wykorzystują drukowanie metali metodą SLS?
Drukowanie metali metodą SLS jest stosowane w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, medycznym i wielu innych branżach, w których wymagane są precyzyjne części metalowe.
Jaka jest dokładność i rozdzielczość drukowania metalu metodą SLS?
Dokładność i rozdzielczość zależą od kilku czynników, w tym od maszyny, materiału i parametrów procesu, ale drukowanie metalu metodą SLS może osiągnąć wysoki poziom precyzji.
Czy części drukowane w technologii SLS wymagają obróbki końcowej?
Tak, obróbka końcowa może być wymagana w celu usunięcia struktur nośnych, poprawy wykończenia powierzchni i spełnienia określonych wymagań dotyczących aplikacji.
Jakie są ograniczenia drukowania metalu metodą SLS?
Niektóre ograniczenia obejmują koszt sprzętu, ograniczony rozmiar komór roboczych i potrzebę odpowiednich środków bezpieczeństwa ze względu na użycie laserów i proszków metali.
Czy drukowanie metalu metodą SLS może być wykorzystywane do masowej produkcji?
Tak, drukowanie metalu metodą SLS może być wykorzystywane zarówno do prototypowania, jak i produkcji części metalowych w małych i średnich ilościach.
Czy drukowanie metalu metodą SLS jest przyjazne dla środowiska?
Chociaż może zmniejszyć ilość odpadów materiałowych w porównaniu z tradycyjnymi metodami produkcji, utylizacja proszków metali i zużycie energii są czynnikami, które należy wziąć pod uwagę w odniesieniu do wpływu na środowisko.
Czy istnieją jakieś środki ostrożności podczas pracy z drukowaniem metalu metodą SLS?
Tak, należy podjąć środki bezpieczeństwa podczas pracy z proszkami metali, a operatorzy powinni zostać przeszkoleni w zakresie bezpiecznej pracy z systemami laserowymi.
Jaki jest koszt usług drukowania metalu metodą SLS?
Koszt różni się w zależności od czynników takich jak wybór materiału, złożoność części i ilość. Najlepiej jest poprosić dostawców usług o wycenę konkretnych projektów.
