Przegląd materiałów metalowych do druku 3D
Druk 3D, znany również jako produkcja addytywnapozwala na tworzenie złożonych części metalowych bezpośrednio z danych 3D CAD. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod subtraktywnych, takich jak obróbka CNC, druk 3D tworzy części warstwa po warstwie bez potrzeby stosowania dedykowanych narzędzi lub uchwytów.
Druk 3D w metalu otwiera nowe możliwości produkcji niestandardowych, lekkich i wysokowydajnych komponentów metalowych o złożonej geometrii. Przemysł lotniczy, motoryzacyjny, medyczny i obronny coraz częściej wykorzystuje druk 3D z metalu do zastosowań produkcyjnych.
Jednak nie wszystkie metale można łatwo wydrukować w 3D. Najczęściej stosowanymi materiałami metalowymi są aluminium, tytan, nikiel, stal nierdzewna i stopy kobaltowo-chromowe. Wybór materiału zależy od konkretnych wymagań aplikacji - wytrzymałości, odporności na korozję, działania w wysokich temperaturach, biokompatybilności itp.
Ten kompleksowy przewodnik zawiera szczegółowy przegląd różnych metali i stopów stosowanych w druku 3D. Omawiamy skład, właściwości, zastosowania oraz wady i zalety popularnych materiałów metalowych, aby pomóc Ci wybrać materiał odpowiedni do Twoich potrzeb.
Kluczowe wnioski dotyczące materiałów do druku 3D z metalu:
- Stopy aluminium oferują dobry stosunek wytrzymałości do masy i odporność na korozję przy niższych kosztach.
- Stopy tytanu zapewniają doskonałą wytrzymałość przy niskiej gęstości i biokompatybilności w zastosowaniach medycznych.
- Stale nierdzewne charakteryzują się wysoką wytrzymałością i odpornością na korozję w przypadku narzędzi i części funkcjonalnych.
- Nadstopy niklu są odporne na wysokie temperatury, co czyni je odpowiednimi dla przemysłu lotniczego.
- Stopy kobaltowo-chromowe zapewniają twardość, odporność na zużycie i biokompatybilność implantów dentystycznych i medycznych.
- Wybór materiału zależy od wymagań mechanicznych, potrzeb związanych z obróbką końcową, kosztów i przydatności metody druku 3D.
- Orientacja części, struktury nośne, grubość warstwy i parametry budowy muszą być zoptymalizowane dla każdego materiału metalowego.
- Obróbka końcowa, taka jak prasowanie izostatyczne na gorąco, może poprawić końcowe właściwości części.
Skład materiałów metalowych do druku 3D
Skład pierwiastków stopowych w metalach i mikrostruktura zapewniają określone właściwości i określają przydatność materiału do druku 3D.
Stopy aluminium
Aluminium znane jest z niskiej gęstości i dobrej odporności na korozję. Najczęściej stosowane są kute i odlewane stopy aluminium:
| Typ stopu | Kompozycje |
|---|---|
| 6061 | Mg, Si, Cu, Cr |
| 7075 | Zn, Mg, Cu, Cr |
| A356 | Si, Mg, Cu |
6061 oferuje lepszą odporność na korozję, podczas gdy 7075 ma wyższą wytrzymałość. A356 jest stopem odlewniczym.
Stopy tytanu
Tytan charakteryzuje się wysokim stosunkiem wytrzymałości do masy i biokompatybilnością, ale może być trudny w obróbce. Popularne stopy:
| Typ stopu | Kompozycje |
|---|---|
| Ti-6Al-4V | Al, V |
| Ti 6242 | Al, Sn |
Ti-6Al-4V oferuje najlepszą równowagę właściwości i jest najczęściej stosowanym stopem tytanu.
Stale nierdzewne
Stale nierdzewne zawierają Cr i Ni zapewniające dobrą odporność na korozję. Niektóre stosowane stopy:
| Typ stopu | Kompozycje |
|---|---|
| 316L | Ni, Mo, Cr |
| 17-4PH | Ni, Cr, Cu |
| 303 | S, Cr, Ni |
316L zapewnia doskonałą odporność na korozję. 17-4PH to martenzytyczna stal nierdzewna utwardzana wydzieleniowo.
Nadstopy niklu
Nadstopy niklu charakteryzują się wysoką wytrzymałością i odpornością na ekstremalne temperatury. Popularne stopy:
| Typ stopu | Kompozycje |
|---|---|
| Inconel 718 | Ni, Cr, Fe, Nb, Mo |
| Inconel 625 | Ni, Cr, Mo, Nb |
Inconel 718 jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym. Inconel 625 charakteryzuje się doskonałą odpornością na korozję.
Stopy kobaltowo-chromowe
Stopy kobaltowo-chromowe zapewniają twardość, odporność na zużycie i biokompatybilność. Stosowane są dwa główne gatunki:
| Typ stopu | Kompozycje |
|---|---|
| CoCrMo | Co, Cr, Mo |
| CoNiCrMo | Co, Ni, Cr, Mo |
Oba zapewniają podobne właściwości. CoCrMo jest szerzej stosowany.
Właściwości mechaniczne materiałów metalowych
Właściwości mechaniczne metalu decydują o wydajności drukowanej w 3D części. Poniżej znajdują się typowe właściwości powszechnie stosowanych stopów:
| Materiał metalowy | Granica plastyczności (MPa) | Wytrzymałość na rozciąganie (MPa) | Wydłużenie (%) | Gęstość (g/cm3) |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | 230 | 450 | 8 | 2.68 |
| Ti-6Al-4V | 880 | 930 | 10 | 4.43 |
| Stal nierdzewna 316L | 290 | 515 | 40 | 8 |
| Inconel 718 | 1138 | 1275 | 12 | 8.19 |
| Inconel 625 | 550 | 860 | 35 | 8.44 |
| CoCrMo | 655 | 860 | 8 | 8.3 |
- Stopy aluminium oferują średnią wytrzymałość i doskonałe wydłużenie.
- Stopy tytanu zapewniają bardzo wysoką wytrzymałość, biorąc pod uwagę ich niską gęstość.
- Stal nierdzewna 316L oferuje dobrą ciągliwość i doskonałą odporność na korozję.
- Nadstopy Inconel są niezwykle wytrzymałe, ale mniej plastyczne.
- Chrom kobaltowy ma wysoką twardość, co utrudnia obróbkę po wydrukowaniu.
Zastosowania druku 3D w metalu
Wybór materiału zależy od zastosowania końcowego i konkretnych wymagań projektowych:
| Przemysł | Zastosowania | Użyte materiały |
|---|---|---|
| Lotnictwo i kosmonautyka | Łopaty turbin, wsporniki konstrukcyjne | Stopy tytanu, Inconel, stal nierdzewna |
| Motoryzacja | Części niestandardowe, oprzyrządowanie | Aluminium, stal niskostopowa |
| Medyczny | Implanty, narzędzia chirurgiczne | Tytan, kobalt-chrom |
| Ropa i gaz | Zawory, pompy, oprzyrządowanie | Stal nierdzewna, Inconel |
| Obrona | Złożone części, lekki pancerz | Aluminium, tytan |
Niektóre typowe zastosowania wykorzystujące drukowane w 3D części metalowe:
- Lotnictwo i kosmonautyka: Złożone i lekkie wsporniki i elementy konstrukcyjne
- Motoryzacja: Niestandardowe części do zastosowań w sportach motorowych
- Medycyna: Specyficzne dla pacjenta implanty i narzędzia chirurgiczne
- Ropa i gaz: Wysokowydajne zawory i pompy do rurociągów
- Obrona: Szczegółowe i lekkie komponenty do pojazdów i sprzętu
Plusy i minusy kluczowych materiałów metalowych
Oto porównanie zalet i ograniczeń popularnych stopów metali stosowanych w druku 3D:
| Materiał | Plusy | Wady |
|---|---|---|
| Aluminium 6061 | Niski koszt, dobra odporność na korozję | Niższa wytrzymałość |
| Aluminium 7075 | Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi | Trudne do spawania |
| Tytan Ti-6Al-4V | Wysoka wytrzymałość, niska gęstość | Drogie materiały |
| Stal nierdzewna 316L | Doskonała odporność na korozję | Niższa wytrzymałość niż stopów |
| Inconel 718 | Wytrzymuje ekstremalne temperatury | Trudne do obróbki |
| Chrom kobaltowy | Doskonała odporność na zużycie i biokompatybilność | Ograniczona plastyczność |
Dostawcy materiałów do druku 3D z metalu
Wiele firm dostarcza proszki metali i druty specjalnie na potrzeby procesów druku 3D:
| Materiał | Kluczowi dostawcy |
|---|---|
| Stopy aluminium | AP&C, Sandvik, HC Starck |
| Stopy tytanu | AP&C, TLS Technik, Tekna |
| Stale nierdzewne | Sandvik, Carpenter Additive |
| Nadstopy niklu | AP&C, Sandvik, Praxair |
| Stopy kobaltowo-chromowe | AP&C, Sandvik, SLM Solutions |
Czynniki takie jak jakość proszku, konsystencja, kształt i rozkład wielkości cząstek wpływają na końcowe właściwości części i stabilność procesu drukowania. Renomowani dostawcy zapewniają dobrze scharakteryzowane i spersonalizowane stopy dostosowane do AM.
Analiza kosztów materiałów do druku 3D z metalu
Koszty materiałów stanowią znaczną część ostatecznego kosztu części w druku 3D z metalu. Poniżej znajdują się przybliżone przedziały cenowe:
| Materiał | Koszt za kg | Koszt za cm3 |
|---|---|---|
| Stopy aluminium | $50-$150 | $0.15-$0.45 |
| Stopy tytanu | $350-$1000 | $1.00-$3.00 |
| Stale nierdzewne | $90-$250 | $0.25-$0.75 |
| Inconel 718 | $350-$600 | $2.50-$4.50 |
| Chrom kobaltowy | $500-$1200 | $3.50-$8.50 |
- Tytan i stopy kobaltowo-chromowe są najdroższe, podczas gdy aluminium ma umiarkowaną cenę.
- Koszty materiałów rosną wraz z wielkością produkcji - większe części wykonane z drogich stopów wymagają wyższych budżetów materiałowych.
- Optymalizacja mająca na celu ograniczenie odpadów pomocniczych i przetwarzania końcowego może pomóc obniżyć efektywne koszty materiałów.
Normy dotyczące proszków metali
Aby zapewnić powtarzalną, wysoką jakość wydruków, proszki metali stosowane w druku 3D muszą spełniać określone minimalne standardy:
| Nieruchomość | Kluczowe standardy |
|---|---|
| Rozkład wielkości cząstek | ASTM B822, ISO 4490 |
| Płynność | ASTM B213, ISO 4490 |
| Gęstość pozorna | ASTM B212, ISO 3923 |
| Gęstość kranu | ASTM B527, ISO 3953 |
| Skład chemiczny | ASTM E1479, analiza OES |
- Jakość proszku wpływa na końcowe właściwości części, takie jak gęstość, wykończenie powierzchni i właściwości mechaniczne.
- Sferyczne proszki o kontrolowanym rozkładzie wielkości cząstek mają doskonałą płynność.
- Stały skład chemiczny i gęstość zapewniają stabilność i powtarzalność procesu.
Metody druku 3D dla metali
Różne technologie druku 3D mogą przetwarzać metale i stopy:
| Metoda | Materiały | Kluczowe korzyści | Ograniczenia |
|---|---|---|---|
| Powder Bed Fusion | Większość stopów | Doskonała dokładność i wykończenie powierzchni | Wolne tempo budowy |
| Ukierunkowane osadzanie energii | Większość stopów | Elementy wbudowane w istniejące części | Niższa rozdzielczość |
| Binder Jetting | Stal nierdzewna | Drukowanie z dużą prędkością | Niższa wytrzymałość |
| Wyciskanie metalu | Ograniczone stopy | Niskie koszty sprzętu | Niższa gęstość |
- Technologie proszkowe, takie jak DMLS, oferują najwyższą rozdzielczość i dokładność.
- Wtryskiwanie spoiwa działa z szerszym zakresem stopów, ale ma niższą wytrzymałość końcową części.
- Ukierunkowane osadzanie energii umożliwia drukowanie dużych części o kształcie zbliżonym do siatki.
Wymagania dotyczące przetwarzania końcowego
Wydrukowane części metalowe zazwyczaj wymagają obróbki końcowej w celu uzyskania pożądanych właściwości:
| Post-Process | Cel | Użyte materiały |
|---|---|---|
| Usunięcie wsparcia | Usunięcie konstrukcji wsporczych | Stopy z cienkimi, delikatnymi podporami |
| Łagodzenie stresu | Redukcja naprężeń szczątkowych | Wszystkie stopy |
| Prasowanie izostatyczne na gorąco | Zwiększenie gęstości, poprawa właściwości | Wszystkie stopy |
| Wykończenie powierzchni | Poprawa chropowatości powierzchni | Wszystkie stopy |
| Obróbka cieplna | Modyfikacja mikrostruktury | Stopy odporne na starzenie, takie jak aluminium |
| Obróbka skrawaniem | Dokładne wymiary i wykończenie powierzchni | Większość stopów |
- Obróbka cieplna odprężająca jest zalecana dla wszystkich stopów, aby zapobiec odkształceniom.
- Obróbka HIP może znacznie poprawić końcowe właściwości materiału.
- Obróbka CNC zapewnia dokładność wymiarową i wykończenie powierzchni.
Jak wybrać materiał metalowy do druku 3D
Postępuj zgodnie z poniższymi wskazówkami, aby wybrać optymalny materiał metalowy:
- Dopasowanie właściwości stopu do wymagań projektowych, takich jak wytrzymałość, twardość, odporność termiczna itp.
- Weź pod uwagę potrzeby związane z obróbką końcową - niektóre stopy, takie jak Inconel, są trudne w obróbce.
- Oceń rozmiar i geometrię części - niektóre metale, takie jak aluminium, są lepsze do większych części.
- Ocena wielkości produkcji - prototypowanie w tańszym materiale, a następnie przejście na stopy o wyższej wydajności.
- Weź pod uwagę dostępność materiałów i koszty na wczesnym etapie projektowania.
- Ściśle współpracuj z dostawcą usług druku 3D, aby wybrać najlepszy materiał.
- Optymalizacja parametrów druku, takich jak orientacja i grubość warstwy, w oparciu o wybrany stop.
- Przeprowadzanie testów budowy i charakterystyki materiałów przed rozpoczęciem produkcji.
Najczęściej zadawane pytania
P: Który stop metali charakteryzuje się najwyższą wytrzymałością w druku 3D?
O: Nadstopy Inconel, takie jak Inconel 718, mają najwyższą wytrzymałość na rozciąganie, ale są mniej plastyczne. Tytan Ti-6Al-4V ma najwyższy stosunek wytrzymałości do masy.
P: Czy części wydrukowane w 3D ze stali nierdzewnej są odporne na korozję?
O: Tak, 316L i inne stopy stali nierdzewnej zachowują doskonałą odporność na korozję po druku 3D.
P: Jaki jest najczęściej stosowany stop tytanu w druku 3D?
O: Ti-6Al-4V to najpopularniejszy stop tytanu, składający się z 90% wszystkich tytanowych wydruków 3D. Oferuje on najlepsze wszechstronne właściwości.
P: Który stop aluminium jest najlepszy do druku 3D?
O: 6061 i 7075 są najczęściej używane, przy czym 6061 oferuje dobrą odporność na korozję przy niższych kosztach, a 7075 jest wybierany do zastosowań konstrukcyjnych o wysokiej wytrzymałości.
P: Czy etapy obróbki końcowej są obowiązkowe w przypadku metalowych części drukowanych 3D?
O: Obróbka końcowa, taka jak usuwanie podpór, odprężanie i wykańczanie powierzchni, jest wysoce zalecana w celu uzyskania optymalnych właściwości materiału i wydajności.
P: Który proces druku 3D współpracuje z najszerszą gamą stopów metali?
O: Strumieniowanie spoiwa i ukierunkowane osadzanie energii może działać z większością stopów, ale fuzja w złożu proszkowym zapewnia części o wyższej rozdzielczości.
P: Jak wygląda porównanie dokładności obróbki skrawaniem i druku 3D metali?
O: Części obrabiane CNC zapewniają ściślejsze tolerancje i lepsze wykończenie powierzchni niż metale drukowane 3D. Druk 3D umożliwia jednak tworzenie bardziej złożonych geometrii.
P: Który proces druku 3D z metalu charakteryzuje się największą prędkością kompilacji?
O: Strumieniowanie spoiwa pozwala osiągnąć najwyższe prędkości drukowania, tworząc części do 10 razy szybciej niż procesy stapiania w łożu proszkowym.
