Como principal consumible para impresión 3D de metales, el polvo metálico tiene un impacto crucial en la calidad de los productos impresos. La impresión 3D de piezas precisas y complejas en los campos aeroespacial, de defensa y médico tiene altos requisitos en cuanto a las propiedades del polvo, como el tamaño de partícula, la morfología y la pureza. Este documento presenta los requisitos básicos y los principales procesos de fabricación de polvo para varias aleaciones y aleaciones a base de cobalto y níquel de alta calidad de uso común. polvos metálicos de aleación de titanio para la impresión 3D en el campo aeroespacial.

Introducción de polvos metálicos de impresión 3D para la industria aeroespacial

A diferencia de la tecnología tradicional de fabricación de materiales metálicos con equipos enormes, procesos largos, alto consumo de energía, contaminación y baja utilización de materiales, la impresión 3D de metales tiene las siguientes ventajas: (1) alta utilización general de materiales; (2) sin necesidad de abrir moldes, pocos procesos de fabricación y tiempos de ciclo cortos; (3) se pueden fabricar piezas con estructuras complejas; (4) diseño libre de acuerdo con los requisitos de propiedad mecánica, sin considerar los procesos de fabricación. En los últimos años, la impresión 3D en metal se ha desarrollado a pasos agigantados.

La impresión 3D de metal se utiliza principalmente para proporcionar una producción rápida de modelos para el diseño industrial y el procesamiento de moldes complejos, así como la producción de lotes pequeños, estructuras complejas, alto rendimiento y componentes metálicos grandes. La impresión 3D de metal utiliza polvo de metal como material aditivo y utiliza métodos de formación rápida como la fusión selectiva por láser (SLM), la fusión selectiva por haz de electrones (EBSM) o la formación casi neta por láser (LENS) para transformar rápidamente directamente de un modelo digital computarizado a una parte sólida. Las piezas metálicas impresas en 3D de alta calidad para aplicaciones aeroespaciales, de defensa, médicas, automotrices y electrónicas deben tener alta resistencia, precisión dimensional, hermeticidad y peso ligero. Además del equipo de impresión, la calidad del polvo metálico, incluida la esfericidad y la limpieza del polvo, la distribución del tamaño de las partículas, el contenido de oxígeno, la fluidez y la densidad aparente, también tienen un impacto significativo en el control de calidad del proceso de impresión 3D de metal. Este documento se centra en los requisitos de los polvos metálicos para piezas impresas en 3D de alta calidad para aplicaciones aeroespaciales y la

Este documento se centra en los requisitos de las piezas impresas en 3D de alta calidad para aplicaciones aeroespaciales y el proceso de preparación de polvo.

Requisitos de polvo metálico para la impresión 3D de alta calidad

El polvo metálico es la materia prima más importante para la impresión 3D de piezas metálicas, y las propiedades del polvo son uno de los factores más importantes que afectan la calidad de los productos de impresión 3D metálicos. Los materiales en polvo con un diámetro de menos de 1 mm generalmente se consideran adecuados para la impresión 3D, pero los productos metálicos impresos en 3D de alta calidad tienen requisitos más altos en cuanto a la forma, el tamaño de las partículas y la pureza del polvo. Los principales tipos de equipos de impresión 3D son la distribución de polvo, la alimentación de polvo coaxial y la alimentación de polvo lateral, según el método de reposición de polvo. La pieza final de impresión 3D de alimentación de polvo lateral

La precisión de la forma y las dimensiones de la pieza final es baja, la energía del láser no se puede utilizar por completo y la tasa de utilización de la energía es baja. Por lo tanto, los equipos de impresión 3D de metal de alta calidad utilizan principalmente dos tipos de métodos de reposición de polvo, a saber, la distribución de polvo o la alimentación coaxial de polvo.

Varios indicadores importantes para polvos metálicos impresos en 3D para la industria aeroespacial

Pureza. Las inclusiones de cerámica pueden reducir significativamente el rendimiento de la pieza final, y estas inclusiones generalmente tienen un punto de fusión alto y son difíciles de sinterizar, por lo que se requiere una inclusión de cerámica libre de polvo. Además, el contenido de oxígeno y nitrógeno debe controlarse estrictamente. La tecnología actual de preparación de polvo para la impresión 3D de metal se basa principalmente en la atomización (incluidas técnicas como la aerosolización y la atomización con electrodo rotatorio), donde el polvo tiene una gran superficie específica y se oxida fácilmente. En aplicaciones aeroespaciales y otras aplicaciones especiales, los requisitos del cliente para este indicador son más estrictos, como un contenido de oxígeno en polvo de aleación de alta temperatura de 0,006% a 0,018%, contenido de oxígeno en polvo de aleación de titanio de 0,007% a 0,013%, contenido de oxígeno en polvo de acero inoxidable de 0.010% a 0.025% (todas las fracciones de masa). Para el polvo de aleación de titanio, el nitrógeno, el hidrógeno y el titanio a altas temperaturas formarán TiN y TiH2, lo que reduce la plasticidad y dureza de la aleación de titanio. Por lo tanto, la atmósfera debe controlarse estrictamente durante la preparación del polvo.

Distribución del tamaño de las partículas de polvo. Diferentes equipos de impresión 3D y procesos de formación requieren diferentes distribuciones de tamaño de partículas de polvo. En la actualidad, el rango de tamaño de partícula de polvo de uso común de impresión 3D de metal es de 15 ~ 53 μm (polvo fino), 53 ~ 105 μm (polvo grueso), algunas ocasiones se pueden relajar a 105 ~ 150 μm (polvo grueso). La impresión 3D con selección de tamaño de partícula de polvo metálico se basa principalmente en las diferentes fuentes de energía de la división de impresoras de metal, al láser como fuente de energía de la impresora, debido a su punto de enfoque, polvo fino más fácil de derretir. La impresora con láser como fuente de energía es adecuada para usar polvo de 15-53 μm como consumibles, y el método de reposición de polvo es colocar el polvo capa por capa; la impresora con el haz de electrones como fuente de energía es adecuada para usar polvo grueso de 53-105 μm como polvo principal porque el punto enfocado es ligeramente más grueso y más adecuado para derretir polvo grueso; para el tipo de alimentación de polvo coaxial, la impresora puede usar polvo de 105-150 μm como consumibles.

Morfología del polvo. La forma del polvo y el método de preparación del polvo están estrechamente relacionados, generalmente desde el gas metálico o el líquido fundido hasta el polvo, la forma de las partículas de polvo tiende a ser esférica; desde el estado sólido hasta el polvo, las partículas de polvo son en su mayoría de forma irregular; y por el método de electrólisis de solución acuosa de polvo, la preparación es principalmente dendrítica. En términos generales, cuanto mayor sea la esfericidad, mejor será la fluidez de las partículas de polvo. La impresión 3D de polvo metálico requiere una asfericidad de 98% o más para que sea más fácil esparcir y alimentar el polvo al imprimir.

Fluidez del polvo y densidad de empaque suelto. La fluidez del polvo afecta directamente la uniformidad de la disposición del polvo y la estabilidad del proceso de alimentación del polvo durante la impresión. La fluidez está relacionada con la morfología del polvo, la distribución del tamaño de las partículas y la densidad aparente.

Cuanto más grandes sean las partículas de polvo, mayor será la distribución del tamaño de las partículas y la densidad del polvo. Cuanto más grandes sean las partículas de polvo, más regular será la forma de las partículas y cuanto menor sea la proporción de polvo muy fino en la composición del tamaño de las partículas, mejor será la fluidez. La densidad de las partículas sigue siendo la misma, pero aumenta la densidad relativa y aumenta la fluidez del polvo. La adsorción superficial de partículas de agua, gas, etc. reducirá la movilidad del polvo. La densidad de empaque suelto es la muestra de polvo que se llena naturalmente con el contenedor especificado, la masa del polvo por unidad de volumen. En general, cuanto más grueso es el tamaño del polvo, mayor es la densidad aparente, y cuanto más grueso y fino es el polvo, mayor es la densidad aparente. El efecto de la densidad aparente sobre la densidad del producto de impresión de metal final no es concluyente, pero un aumento en la densidad aparente mejora el flujo del polvo.

La tecnología de impresión 3D es adecuada para una variedad de materiales, una amplia gama de aplicaciones, alta tasa de formación de materiales, es un rápido desarrollo de una tecnología de fabricación de materiales emergente en los últimos años. La impresión 3D en metal, como parte importante de la impresión 3D, ha sido muy valorada y estudiada por universidades, institutos de investigación y empresas relevantes. El polvo metálico es un consumible importante para la impresión 3D de metal y se ha aplicado con éxito en el campo aeroespacial.