En tant que principal consommable pour impression 3D métal, la poudre métallique a un impact crucial sur la qualité des produits imprimés. L'impression 3D de pièces précises et complexes dans les domaines de l'aérospatiale, de la défense et de la médecine a des exigences élevées en matière de propriétés des poudres telles que la taille des particules, la morphologie et la pureté. Cet article présente les exigences de base et les principaux processus de fabrication de poudre pour plusieurs alliages et alliages à base de nickel et à base de cobalt de haute qualité couramment utilisés. poudres métalliques d'alliage de titane pour l'impression 3D dans le domaine aérospatial.
Introduction de poudres métalliques d'impression 3D pour l'aérospatiale
Contrairement à la technologie traditionnelle de fabrication de matériaux métalliques avec des équipements énormes, des processus longs, une consommation d'énergie élevée, une pollution et une faible utilisation des matériaux, l'impression 3D métallique présente les avantages suivants : (1) utilisation globale élevée des matériaux ; (2) pas besoin d'ouvrir des moules, peu de processus de fabrication et des temps de cycle courts ; (3) des pièces avec des structures complexes peuvent être fabriquées ; (4) conception libre selon les exigences de propriétés mécaniques, sans tenir compte des procédés de fabrication. Ces dernières années, l'impression 3D métal s'est développée à pas de géant.
L'impression 3D métal est principalement utilisée pour fournir une production rapide de modèles pour la conception industrielle et le traitement de moules complexes, ainsi que la production de petits lots, de structures complexes, de hautes performances et de grands composants métalliques. L'impression 3D métallique utilise de la poudre métallique comme matériau additif et utilise des méthodes de formage rapide telles que la fusion sélective au laser (SLM), la fusion sélective par faisceau d'électrons (EBSM) ou la formation laser proche du filet (LENS) pour transformer rapidement directement un modèle numérique informatisé en une partie solide. Les pièces métalliques imprimées en 3D de haute qualité pour les applications aérospatiales, de défense, médicales, automobiles et électroniques doivent avoir une résistance élevée, une précision dimensionnelle, une étanchéité à l'eau et un poids léger. En plus de l'équipement d'impression, la qualité de la poudre métallique, y compris la sphéricité et la propreté de la poudre, la distribution granulométrique, la teneur en oxygène, la fluidité et la densité apparente, ont également un impact significatif sur le contrôle qualité du processus d'impression 3D métallique. Cet article se concentre sur les exigences des poudres métalliques pour les pièces imprimées en 3D de haute qualité pour les applications aérospatiales et les
Ce document se concentre sur les exigences relatives aux pièces imprimées en 3D de haute qualité pour les applications aérospatiales et le processus de préparation des poudres.
Exigences en matière de poudre métallique pour une impression 3D de haute qualité
La poudre de métal est la matière première la plus importante pour l'impression 3D de pièces métalliques, et les propriétés de la poudre sont l'un des facteurs les plus importants affectant la qualité des produits d'impression 3D en métal. Les matériaux en poudre d'un diamètre inférieur à 1 mm sont généralement considérés comme adaptés à l'impression 3D, mais les produits métalliques imprimés en 3D de haute qualité ont des exigences plus élevées en matière de forme, de granulométrie et de pureté de la poudre. Les principaux types d'équipements d'impression 3D sont l'épandage de poudre, l'alimentation en poudre coaxiale et l'alimentation en poudre latérale, selon la méthode de réapprovisionnement en poudre. La pièce finale d'impression 3D d'alimentation latérale en poudre
La forme et la précision dimensionnelle de la pièce finale sont faibles, l'énergie laser ne peut pas être pleinement utilisée et le taux d'utilisation de l'énergie est faible. Par conséquent, les équipements d'impression 3D métal de haute qualité utilisent principalement deux types de méthodes de réapprovisionnement en poudre, à savoir l'épandage de poudre ou l'alimentation en poudre coaxiale.
Plusieurs indicateurs importants pour les poudres métalliques imprimées en 3D pour l'aérospatiale
Pureté. Les inclusions céramiques peuvent réduire considérablement les performances de la pièce finale, et ces inclusions ont généralement un point de fusion élevé et sont difficiles à fritter, donc une poudre d'inclusions céramiques est nécessaire. De plus, la teneur en oxygène et en azote doit être strictement contrôlée. La technologie actuelle de préparation de poudre pour l'impression 3D métallique est principalement basée sur l'atomisation (y compris des techniques telles que l'aérosolisation et l'atomisation par électrode rotative), où la poudre a une grande surface spécifique et est facilement oxydée. Dans l'aérospatiale et d'autres applications spéciales, les exigences du client pour cet indicateur sont plus strictes, telles que la teneur en oxygène de la poudre d'alliage à haute température de 0,006% à 0,018%, la teneur en oxygène de la poudre d'alliage de titane de 0,007% à 0,013%, la teneur en oxygène de la poudre d'acier inoxydable de 0,010% à 0,025% (toute fraction massique). Pour la poudre d'alliage de titane, l'azote, l'hydrogène et le titane à haute température formeront TiN et TiH2, réduisant la plasticité et la ténacité de l'alliage de titane. Par conséquent, l'atmosphère doit être strictement contrôlée pendant la préparation de la poudre.
Distribution granulométrique de la poudre. Différents équipements d'impression 3D et procédés de formage nécessitent différentes distributions granulométriques de poudre. À l'heure actuelle, la gamme de tailles de particules de poudre couramment utilisée pour l'impression 3D métallique est de 15 ~ 53 μm (poudre fine), 53 ~ 105 μm (poudre grossière), certaines occasions peuvent être assouplies à 105 ~ 150 μm (poudre grossière). L'impression 3D avec la sélection de la taille des particules de poudre métallique est principalement basée sur les différentes sources d'énergie de la division des imprimantes métalliques, au laser comme source d'énergie de l'imprimante, en raison de son point de mise au point fin, plus facile à faire fondre en poudre fine. L'imprimante avec laser comme source d'énergie convient à l'utilisation de poudre de 15 à 53 μm comme consommables, et la méthode de réapprovisionnement en poudre consiste à déposer la poudre couche par couche; l'imprimante avec le faisceau d'électrons comme source d'énergie est adaptée pour utiliser une poudre grossière de 53 à 105 μm comme poudre principale car la tache focalisée est légèrement plus grossière et plus adaptée à la fusion d'une poudre grossière ; pour l'imprimante de type à alimentation en poudre coaxiale, on peut utiliser une poudre de 105 à 150 μm comme consommables.
Morphologie de la poudre. La forme de la poudre et la méthode de préparation de la poudre sont étroitement liées, généralement du gaz métallique ou du liquide fondu en poudre, la forme des particules de poudre a tendance à être sphérique ; de l'état solide à la poudre, les particules de poudre ont pour la plupart une forme irrégulière ; et par la méthode d'électrolyse en solution aqueuse de la poudre, la préparation est principalement dendritique. D'une manière générale, plus la sphéricité est élevée, meilleure est la fluidité des particules de poudre. La poudre métallique d'impression 3D nécessite une asphéricité de 98% ou plus afin qu'il soit plus facile d'étaler et d'alimenter la poudre lors de l'impression.
Fluidité de la poudre et densité de tassement lâche. La fluidité de la poudre affecte directement l'uniformité du dépôt de la poudre et la stabilité du processus d'alimentation en poudre pendant l'impression. La fluidité est liée à la morphologie de la poudre, à la distribution granulométrique et à la densité apparente.
Plus les particules de poudre sont grosses, plus la distribution granulométrique et la densité de la poudre sont grandes. Plus les particules de poudre sont grosses, plus la forme des particules est régulière et plus la proportion de poudre très fine dans la composition granulométrique est faible, meilleure est la coulabilité. La densité des particules reste la même, mais la densité relative augmente et la fluidité de la poudre augmente. L'adsorption d'eau, de gaz, etc. sur la surface des particules réduira la mobilité de la poudre. La densité de garnissage en vrac est l'échantillon de poudre naturellement rempli du récipient spécifié, la masse de la poudre par unité de volume. En général, plus la taille de la poudre est grossière, plus la densité apparente est élevée, et plus la poudre est grossière et fine, plus la densité apparente est élevée. L'effet de la densité apparente sur la densité du produit d'impression métallique final n'est pas concluant, mais une augmentation de la densité apparente améliore l'écoulement de la poudre.
La technologie d'impression 3D convient à une variété de matériaux, un large éventail d'applications, un taux de formation de matériau élevé, est un développement rapide d'une technologie de fabrication de matériaux émergente ces dernières années. L'impression 3D métallique, en tant que partie importante de l'impression 3D, a été très appréciée et étudiée par les universités, les instituts de recherche et les entreprises concernés. La poudre métallique est un consommable important pour l'impression 3D métallique et a été appliquée avec succès dans le domaine aérospatial.