Como principal consumível para impressão 3D metálica, o pó metálico tem um impacto crucial na qualidade dos produtos impressos. A impressão 3D de peças precisas e complexas nas áreas aeroespacial, de defesa e médica tem altos requisitos de propriedades do pó, como tamanho de partícula, morfologia e pureza. Este artigo apresenta os requisitos básicos e os principais processos de fabricação de pó para várias ligas à base de níquel e cobalto de alta qualidade comumente usadas e pós de metal de liga de titânio para impressão 3D no campo aeroespacial.
Introdução de pós metálicos de impressão 3D para a indústria aeroespacial
Ao contrário da tecnologia tradicional de fabricação de material metálico com equipamentos enormes, processos longos, alto consumo de energia, poluição e baixa utilização de material, a impressão 3D de metal tem as seguintes vantagens: (1) alta utilização geral do material; (2) sem necessidade de abrir moldes, poucos processos de fabricação e tempos de ciclo curtos; (3) podem ser fabricadas peças com estruturas complexas; (4) projeto livre de acordo com os requisitos de propriedades mecânicas, sem considerar os processos de fabricação. Nos últimos anos, a impressão 3D de metal foi desenvolvida aos trancos e barrancos.
A impressão 3D de metal é usada principalmente para fornecer produção rápida de modelos para design industrial e processamento de moldes complexos, bem como a produção de pequenos lotes, estruturas complexas, alto desempenho e grandes componentes metálicos. A impressão 3D de metal usa pó de metal como material aditivo e usa métodos de formação rápida, como fusão seletiva a laser (SLM), fusão seletiva por feixe de elétrons (EBSM) ou formação a laser near-net (LENS) para transformar rapidamente diretamente de um modelo digital computadorizado em uma parte sólida. Peças de metal impressas em 3D de alta qualidade para aplicações aeroespaciais, de defesa, médicas, automotivas e eletrônicas precisam ter alta resistência, precisão dimensional, estanqueidade à água e leveza. Além do equipamento de impressão, a qualidade do pó metálico, incluindo esfericidade e limpeza do pó, distribuição do tamanho das partículas, teor de oxigênio, fluidez e densidade aparente, também têm um impacto significativo no controle de qualidade do processo de impressão 3D do metal. Este artigo se concentra nos requisitos de pós metálicos para peças impressas em 3D de alta qualidade para aplicações aeroespaciais e a
Este artigo se concentra nos requisitos para peças impressas em 3D de alta qualidade para aplicações aeroespaciais e o processo de preparação de pó.
Requisitos de pó metálico para impressão 3D de alta qualidade
O pó metálico é a matéria-prima mais importante para a impressão 3D de peças metálicas, e as propriedades do pó são um dos fatores mais importantes que afetam a qualidade dos produtos de impressão 3D metálicos. Materiais em pó com diâmetro inferior a 1 mm são geralmente considerados adequados para impressão 3D, mas produtos de metal impressos em 3D de alta qualidade têm requisitos mais altos para a forma, tamanho de partícula e pureza do pó. Os principais tipos de equipamentos de impressão 3D são espalhamento de pó, alimentação de pó coaxial e alimentação de pó lateral, dependendo do método de reposição de pó. A parte final da impressão 3D de alimentação de pó lateral
A forma e a precisão dimensional da peça final são baixas, a energia do laser não pode ser totalmente utilizada e a taxa de utilização de energia é baixa. Portanto, o equipamento de impressão 3D de metal de alta qualidade usa principalmente dois tipos de métodos de reabastecimento de pó, ou seja, espalhamento de pó ou alimentação de pó coaxial.
Vários indicadores importantes para pós metálicos impressos em 3D para a indústria aeroespacial
Pureza. As inclusões cerâmicas podem reduzir significativamente o desempenho da peça final, e essas inclusões geralmente possuem alto ponto de fusão e são difíceis de sinterizar, portanto, é necessário um pó isento de inclusões cerâmicas. Além disso, o teor de oxigênio e nitrogênio precisa ser rigorosamente controlado. A tecnologia atual de preparação de pó para impressão 3D de metal é baseada principalmente na atomização (incluindo técnicas como aerossolização e atomização por eletrodo rotativo), onde o pó possui uma grande área de superfície específica e é facilmente oxidado. Na indústria aeroespacial e outras aplicações especiais, os requisitos do cliente para este indicador são mais rigorosos, como teor de oxigênio em pó de liga de alta temperatura de 0,006% a 0,018%, teor de oxigênio em pó de liga de titânio de 0,007% a 0,013%, teor de oxigênio em pó de aço inoxidável de 0,010% a 0,025% (toda a fração de massa). Para pó de liga de titânio, nitrogênio, hidrogênio e titânio em altas temperaturas formarão TiN e TiH2, reduzindo a plasticidade e tenacidade da liga de titânio. Portanto, a atmosfera deve ser rigorosamente controlada durante a preparação do pó.
Distribuição do tamanho das partículas do pó. Diferentes equipamentos de impressão 3D e processos de formação requerem diferentes distribuições de tamanho de partículas de pó. Atualmente, a faixa de tamanho de partícula de pó comumente usada para impressão 3D de metal é de 15 ~ 53 μm (pó fino), 53 ~ 105 μm (pó grosso), algumas ocasiões podem ser relaxadas para 105 ~ 150 μm (pó grosso). Impressão 3D com seleção de tamanho de partícula de pó de metal é baseada principalmente nas diferentes fontes de energia da divisão de impressora de metal, a laser como fonte de energia da impressora, por causa de seu ponto de foco fino, mais fácil de derreter pó fino. A impressora com laser como fonte de energia é adequada para usar pó de 15-53 μm como consumíveis, e o método de reabastecimento de pó é colocar pó camada por camada; a impressora com o feixe de elétrons como fonte de energia é adequada para usar pó grosso de 53-105 μm como pó principal porque o ponto focado é ligeiramente mais grosso e mais adequado para derreter pó grosso; para a impressora do tipo de alimentação de pó coaxial pode usar pó de 105-150 μm como consumíveis.
Morfologia do pó. A forma do pó e o método de preparação do pó estão intimamente relacionados, geralmente a partir do gás metálico ou líquido fundido em pó, a forma das partículas de pó tende a ser esférica; do estado sólido em pó, as partículas de pó são principalmente de forma irregular; e pelo método de eletrólise em solução aquosa do pó, a preparação é principalmente dendrítica. De um modo geral, quanto maior a esfericidade, melhor a fluidez das partículas de pó. O pó de metal para impressão 3D requer asfericidade de 98% ou mais para que seja mais fácil espalhar e alimentar o pó durante a impressão.
Fluidez do pó e densidade de embalagem solta. A fluidez do pó afeta diretamente a uniformidade da disposição do pó e a estabilidade do processo de alimentação do pó durante a impressão. A fluidez está relacionada com a morfologia do pó, distribuição do tamanho das partículas e densidade aparente.
Quanto maiores as partículas de pó, maior a distribuição do tamanho das partículas e a densidade do pó. Quanto maiores as partículas de pó, mais regular a forma das partículas e quanto menor a proporção de pó muito fino na composição do tamanho das partículas, melhor a fluidez. A densidade das partículas permanece a mesma, mas a densidade relativa aumenta e a fluidez do pó aumenta. A adsorção de água, gás, etc. na superfície das partículas reduzirá a mobilidade do pó. A densidade de embalagem solta é a amostra de pó naturalmente preenchida com o recipiente especificado, a massa do pó por unidade de volume. Em geral, quanto mais grosso o tamanho do pó, maior a densidade aparente, e quanto mais grosso e fino o pó, maior a densidade aparente. O efeito da densidade aparente na densidade do produto final de impressão de metal não é conclusivo, mas um aumento na densidade aparente melhora o fluxo do pó.
A tecnologia de impressão 3D é adequada para uma variedade de materiais, uma ampla gama de aplicações, alta taxa de formação de materiais, é um rápido desenvolvimento de uma tecnologia emergente de fabricação de materiais nos últimos anos. A impressão 3D de metal, como uma parte importante da impressão 3D, tem sido altamente valorizada e estudada por universidades, institutos de pesquisa e empresas relevantes. O pó metálico é um importante consumível para impressão 3D de metal e tem sido aplicado com sucesso no campo aeroespacial.