В качестве основного расходного материала для 3D печать металлом, металлический порошок оказывает решающее влияние на качество полиграфической продукции. 3D-печать точных и сложных деталей в аэрокосмической, оборонной и медицинской областях предъявляет высокие требования к свойствам порошка, таким как размер частиц, морфология и чистота. В этом документе представлены основные требования и основные процессы изготовления порошков для нескольких широко используемых высококачественных сплавов на основе никеля, кобальта и металлические порошки из титанового сплава для 3D-печати в аэрокосмической области.
Внедрение 3D-печати металлическими порошками для аэрокосмической отрасли
В отличие от традиционной технологии производства металлических материалов с огромным оборудованием, длительными процессами, высоким энергопотреблением, загрязнением окружающей среды и низким уровнем использования материалов, 3D-печать металлом имеет следующие преимущества: (1) высокий общий коэффициент использования материала; (2) отсутствие необходимости открывать формы, небольшое количество производственных процессов и короткое время цикла; (3) можно изготавливать детали сложной конструкции; (4) свободный дизайн в соответствии с требованиями к механическим свойствам без учета производственных процессов. В последние годы 3D-печать металлом развивается семимильными шагами.
Металлическая 3D-печать в основном используется для обеспечения быстрого изготовления моделей для промышленного дизайна и обработки сложных пресс-форм, а также производства небольших партий, сложных конструкций, высокой производительности и крупных металлических компонентов. Металлическая 3D-печать использует металлический порошок в качестве аддитивного материала и использует методы быстрого формования, такие как селективное лазерное плавление (SLM), избирательное плавление электронным лучом (EBSM) или лазерное формование почти в чистоте (LENS), чтобы быстро преобразовать компьютеризированную цифровую модель напрямую в солидная часть. Высококачественные напечатанные на 3D-принтере металлические детали для аэрокосмической, оборонной, медицинской, автомобильной и электронной промышленности должны обладать высокой прочностью, точностью размеров, водонепроницаемостью и малым весом. В дополнение к печатному оборудованию качество металлического порошка, в том числе сферичность и чистота порошка, гранулометрический состав, содержание кислорода, текучесть и объемная плотность, также оказывают значительное влияние на контроль качества процесса 3D-печати металлом. В этой статье основное внимание уделяется требованиям, предъявляемым к металлическим порошкам для высококачественных 3D-печатных деталей для аэрокосмических приложений и
В этой статье основное внимание уделяется требованиям к высококачественным 3D-печатным деталям для аэрокосмических приложений и процессу подготовки порошка.
Требования к металлическому порошку для высококачественной 3D-печати
Металлический порошок является наиболее важным сырьем для 3D-печати металлических деталей, а свойства порошка являются одним из наиболее важных факторов, влияющих на качество металлических изделий для 3D-печати. Порошковые материалы диаметром менее 1 мм обычно считаются подходящими для 3D-печати, однако к высококачественным 3D-печатным изделиям из металла предъявляются более высокие требования к форме, размеру частиц и чистоте порошка. Основными типами оборудования для 3D-печати являются распределение порошка, коаксиальная подача порошка и боковая подача порошка, в зависимости от метода пополнения порошка. Заключительная часть 3D-печати с боковой подачей порошка
Точность формы и размеров конечной детали низкая, энергия лазера не может быть использована полностью, а коэффициент использования мощности низкий. Поэтому в высококачественном оборудовании для 3D-печати металлом в основном используются два типа методов пополнения порошка, а именно насыпание порошка или коаксиальная подача порошка.
Несколько важных показателей для металлических порошков, напечатанных на 3D-принтере для аэрокосмической отрасли
Чистота. Керамические включения могут значительно снизить эксплуатационные характеристики конечной детали, и эти включения обычно имеют высокую температуру плавления и плохо поддаются спеканию, поэтому требуется беспорошок керамических включений. Кроме того, необходимо строго контролировать содержание кислорода и азота. Текущая технология подготовки порошка для 3D-печати металлом в основном основана на распылении (включая такие методы, как аэрозолизация и распыление вращающимся электродом), где порошок имеет большую удельную поверхность и легко окисляется. В аэрокосмической и других специальных областях требования заказчика к этому показателю более строгие, например, содержание кислорода в порошке жаропрочного сплава от 0,006% до 0,018%, содержание кислорода в порошке титанового сплава от 0,007% до 0,013%, содержание кислорода в порошке из нержавеющей стали от 0,010% до 0,025% (все массовые доли). Для порошка титанового сплава азот, водород и титан при высоких температурах образуют TiN и TiH2, снижая пластичность и ударную вязкость титанового сплава. Поэтому при приготовлении порошка следует строго контролировать атмосферу.
Распределение частиц порошка по размерам. Различное оборудование для 3D-печати и процессы формования требуют разного распределения частиц порошка по размерам. В настоящее время при 3D-печати металлом обычно используется диапазон размеров частиц порошка: 15 ~ 53 мкм (мелкий порошок), 53 ~ 105 мкм (крупный порошок), в некоторых случаях можно уменьшить до 105 ~ 150 мкм (крупный порошок). 3D-печать с выбором размера частиц металлического порошка в основном основана на различных источниках энергии подразделения металлических принтеров, а также на лазере в качестве источника энергии принтера из-за его мелкого пятна фокусировки, который легче расплавить. Принтер с лазером в качестве источника энергии подходит для использования порошка 15-53 мкм в качестве расходного материала, а метод пополнения порошка заключается в укладке порошка слой за слоем; принтер с электронным лучом в качестве источника энергии подходит для использования крупного порошка 53-105 мкм в качестве основного порошка, поскольку сфокусированное пятно немного крупнее и больше подходит для плавления крупного порошка; для принтера с коаксиальной подачей порошка в качестве расходных материалов можно использовать порошок размером 105-150 мкм.
Морфология порошка. Форма порошка и метод приготовления порошка тесно связаны, как правило, из металлического газа или расплавленной жидкости в порошок, форма частиц порошка имеет тенденцию быть сферической; из твердого состояния в порошок частицы порошка в основном имеют неправильную форму; и методом электролиза водного раствора порошка, препарат в основном дендритный. Вообще говоря, чем выше сферичность, тем лучше текучесть частиц порошка. Для 3D-печати металлическим порошком требуется асферичность 98% или выше, чтобы легче наносить и подавать порошок при печати.
Текучесть порошка и плотность рыхлой упаковки. Текучесть порошка напрямую влияет на равномерность укладки порошка и стабильность процесса подачи порошка во время печати. Текучесть связана с морфологией порошка, распределением частиц по размерам и объемной плотностью.
Чем крупнее частицы порошка, тем больше распределение частиц по размерам и плотность порошка. Чем крупнее частицы порошка, тем правильнее форма частиц и чем меньше доля очень тонкого порошка в гранулометрическом составе, тем лучше сыпучесть. Плотность частиц остается прежней, но увеличивается относительная плотность и повышается текучесть порошка. Адсорбция воды, газа и т. д. поверхностью частиц снижает подвижность порошка. Плотность насыпной упаковки – образец порошка, естественно заполненный указанной емкостью, масса порошка в единице объема. Как правило, чем крупнее размер порошка, тем выше объемная плотность, а чем крупнее и мельче порошок, тем выше объемная плотность. Влияние насыпной плотности на плотность конечной металлической печатной продукции не является окончательным, но увеличение насыпной плотности улучшает текучесть порошка.
Технология 3D-печати подходит для различных материалов, широкого спектра применений, высокой скорости формирования материала - это быстрое развитие новой технологии производства материалов в последние годы. 3D-печать металлом, как важная часть 3D-печати, высоко ценится и изучается соответствующими университетами, научно-исследовательскими институтами и предприятиями. Металлический порошок является важным расходным материалом для 3D-печати металлом и успешно применяется в аэрокосмической области.