Przegląd proszków metali do druku 3D
Druk 3D, znany również jako produkcja addytywnazrewolucjonizował procesy produkcyjne w zakresie prototypowania i zastosowań produkcyjnych. W przeciwieństwie do tradycyjnych technik subtraktywnych, które usuwają materiał, druk 3D buduje komponenty warstwa po warstwie w oparciu o cyfrowy model 3D.
W szczególności druk 3D z metalu otwiera możliwości wytwarzania skomplikowanych, lekkich geometrii o wysokiej wytrzymałości i odporności termicznej przy użyciu różnych proszków stopowych. Drobny proszek metaliczny jest selektywnie topiony przez źródło ciepła, takie jak laser lub wiązka elektronów, w celu połączenia ze sobą warstw.
Kanada staje się wiodącym ośrodkiem druku 3D z metalu, a dostawcy materiałów, biura serwisowe i producenci części do zastosowań końcowych wdrażają tę technologię. Niniejszy artykuł zawiera kompleksowy przegląd proszków metali wykorzystywanych do drukowania 3D w Kanadzie.
Rodzaje proszków metali stosowanych w druku 3D
Do tworzenia metalowych części drukowanych 3D wykorzystywanych jest kilka stopów, w tym:
| Stop Proszek | Kluczowe właściwości | Zastosowania |
|---|---|---|
| Proszek ze stali nierdzewnej | Odporność na korozję, wysoka wytrzymałość, odporność na zużycie | Przemysł lotniczy i kosmiczny, motoryzacja, produkty konsumenckie |
| Proszek ze stopu aluminium | Lekkość, wysoka przewodność cieplna | Przemysł lotniczy i motoryzacyjny |
| Proszek ze stopu tytanu | Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi, biokompatybilność | Lotnictwo i kosmonautyka, implanty medyczne |
| Proszek kobaltowo-chromowy | Wysoka wytrzymałość, odporność na zużycie, biokompatybilność | Implanty medyczne, oprzyrządowanie |
| Proszek ze stopu niklu | Odporność na ciepło, odporność na korozję | Przemysł lotniczy, naftowy i gazowy |
| Miedź w proszku | Wysoka przewodność cieplna i elektryczna | Elektronika, wymienniki ciepła |
Najpopularniejszymi materiałami proszkowymi stosowanymi obecnie w druku 3D są stale nierdzewne, stopy tytanu, nadstopy niklu i stopy kobaltowo-chromowe. Wybór zależy od wymagań mechanicznych, wymaganej odporności na korozję, wydajności w wysokich temperaturach, wagi, biokompatybilności i kosztów.
Metody produkcji proszków metali
Proszki metali mogą być wytwarzane przy użyciu różnych metod, z których każda skutkuje proszkami o różnych właściwościach dostosowanych do procesów AM:
- Atomizacja gazu - Gaz pod wysokim ciśnieniem rozbija strumień stopionego metalu na drobne kropelki, które zestalają się w kuliste cząstki idealne do druku 3D.
- Rozpylanie wody - Tańszy, ale produkuje cząstki o bardziej nieregularnych kształtach
- Atomizacja plazmowa - Umożliwia rozpylanie reaktywnych stopów, takich jak tytan i aluminium, w atmosferze obojętnej.
- Atomizacja gazu topiącego metodą indukcji elektrody (EIGA) - Łączy topienie indukcyjne i atomizację gazową dla małych ilości specjalistycznych stopów
- Mechaniczne frezowanie/stopowanie - Frezowanie kulowe proszków metali w celu uzyskania określonych mikrostruktur i kształtów cząstek
Techniki atomizacji umożliwiają precyzyjną kontrolę składu proszku, morfologii, struktury ziaren, rozkładu wielkości cząstek i charakterystyki przepływu potrzebnej do uzyskania wysokiej jakości drukowanych części 3D.
Specyfikacja proszku metalowego
Proszki metali stosowane w produkcji addytywnej muszą spełniać rygorystyczne specyfikacje:
- Wielkość cząstek - Zazwyczaj od 10 do 45 mikronów
- Morfologia - Sferyczne, pozbawione satelitów cząstki zapewniają dobry przepływ i gęste upakowanie
- Skład chemiczny - Ścisła kontrola w celu uzyskania pożądanych właściwości mechanicznych
- Mikrostruktura - Zależy od szybkości krzepnięcia podczas atomizacji
- Charakterystyka przepływu proszku - Wpływa na równomierność rozprowadzania podczas drukowania
Utrzymanie spójności w tych właściwościach proszku ma kluczowe znaczenie dla wolnych od wad, niezawodnych komponentów metalowych drukowanych w 3D.
Dostawcy proszków metali w Kanadzie
W Kanadzie działa coraz więcej firm zajmujących się produkcją i dostarczaniem proszków metali dla przemysłu AM:
Wiodący dostawcy proszków metali w Kanadzie
| Firma | Lokalizacja | Materiały |
|---|---|---|
| ATI Powder Metals | Barrie, Ontario | Stopy niklu, kobaltu i tytanu |
| Praxair Surface Technologies | Indianapolis, Indiana; Wyprodukowano w Kanadzie | Tytan, nikiel, stal nierdzewna, chrom kobaltowy |
| Sandvik Osprey | Neath, Walia; magazyn w Windsor, Ontario | Stal nierdzewna, stal maraging, chrom kobaltowy, tantal, niob |
| Carpenter Additive | Reading, Pensylwania; Magazyn w Ancaster, Ontario | Stale nierdzewne, chrom kobaltowy, tytan, aluminium, miedź, stopy niklu |
| Höganäs | Halmstad, Szwecja; Toronto, Ontario | Stal nierdzewna, stal narzędziowa, stal niskostopowa |
| AP&C | Laval, Quebec | Tytan, tantal, stopy aluminium |
Ci główni producenci proszków metalowych rozpoczęli działalność w Kanadzie, aby być blisko rozwijającego się rynku. Oferują szeroką gamę stopów spełniających wymagania dla przemysłu lotniczego, medycznego, motoryzacyjnego i przemysłowego druku 3D.
Ponadto Kanada jest domem dla producentów specjalistycznych proszków metali, takich jak Nanosteel, Quebec Metal Powders i GKN Powder Metallurgy, koncentrujących się na stopach niestandardowych. Uniwersytety takie jak McGill, UBC i Waterloo również posiadają możliwości produkcji proszków do celów badawczych.
Koszt proszków metali
Proszki metali stanowią znaczną część kosztów operacyjnych metalowej AM. Ceny różnią się znacznie w zależności od składu, wymagań jakościowych i wielkości zakupu:
| Materiał | Zakres cen |
|---|---|
| Stal nierdzewna | $45 - $105 na kg |
| Tytan Ti64 | $350 - $500 za kg |
| Nadstopy niklu | $90 - $250 za kg |
| Chrom kobaltowy | $110 - $350 za kg |
Proszki ze stali nierdzewnej i stali niskostopowej są najbardziej ekonomiczne, podczas gdy stopy tytanu, niklu i kobaltu używane w krytycznych zastosowaniach są znacznie droższe.
Wysokiej jakości proszki spełniające rygorystyczne specyfikacje lotnicze i medyczne wymagają wyższych cen. Niestandardowe stopy i zakupy małych partii również znacznie zwiększają koszty. Ponowne wykorzystanie nadwymiarowych i odzyskanych proszków pomaga obniżyć koszty.
Ogólnie rzecz biorąc, koszty proszków spadają wraz ze wzrostem skali produkcji. Koszty materiałów pozostają jednak czynnikiem ograniczającym, zwłaszcza dla małych nabywców. Więksi nabywcy mają większą możliwość uzyskania rabatów od producentów proszków metali.
Zastosowania druku 3D w metalu w Kanadzie
Produkcja dodatków metalowych zyskuje na popularności w kilku branżach w Kanadzie:
Lotnictwo i kosmonautyka
- Złożone komponenty ze stopów tytanu i niklu, takie jak kanały, obudowy, elementy konstrukcyjne
- Lekkie, wymagające geometrie zapewniające oszczędność paliwa
- Zespoły o zredukowanej liczbie części skonsolidowane w jeden element
- Niestandardowe naprawy i części do starszych samolotów
Medyczny
- Implanty ortopedyczne, takie jak implanty biodrowe, kolanowe i kręgosłupa, wykonane z tytanu i chromu kobaltowego
- Implanty dopasowane do anatomii pacjenta dzięki skanom 3D
- Porowate struktury wspomagające wrastanie kości
- Prowadnice tnące i narzędzia chirurgiczne drukowane na żądanie
Motoryzacja
- Lekkie części aluminiowe i tytanowe
- Niestandardowe oprzyrządowanie, takie jak przyrządy, uchwyty, chwytaki
- Niskonakładowa produkcja wsporników, obudów, rozdzielaczy
- Niestandardowe akcesoria i komponenty tuningowe na rynku wtórnym
Ropa i gaz
- Elementy ze stali nierdzewnej do zaworów, pomp i armatury
- Odporne na korozję części ze stopu niklu do wyposażenia głowic odwiertów
- Niestandardowe, jednorazowe części zamienne na platformach morskich
Towary konsumpcyjne
- Niestandardowe produkty, takie jak biżuteria, figurki, sprzęt drukowany w metalach szlachetnych
- Limitowane produkty premium ze stali nierdzewnej, takie jak zegarki, długopisy, rzeźby
- Indywidualna ortodoncja, implanty dentystyczne, komponenty protetyczne
Branże te wdrażają technologię AM w Kanadzie ze względu na swobodę projektowania, konsolidację części, lekkość, wzrost wydajności, masową personalizację i możliwości cyfrowej inwentaryzacji.
Dostawcy usług druku 3D z metalu w Kanadzie
Wraz z dostawcami części, Kanada posiada silną sieć wyspecjalizowanych biur serwisowych skoncentrowanych na produkcji dodatków metalowych:
Wiodące biura usług druku 3D z metalu w Kanadzie
| Firma | Lokalizacja | Materiały i procesy |
|---|---|---|
| 3DSP | Toronto, Ontario | Tytan, Inconel, stal nierdzewna - bezpośrednie spiekanie laserowe metali |
| Technologie wytwarzania przyrostowego | Ontario | Tytan, stal, aluminium, Inconel - Laserowa fuzja w łożu proszkowym |
| Express Metal | Ontario | Stal nierdzewna, stal narzędziowa, tytan, aluminium - Laserowe stapianie w łożu proszkowym |
| Kanadyjska obróbka metali | Vancouver | Stal nierdzewna, aluminium, stal narzędziowa - Laserowe stapianie w łożu proszkowym |
| Aurora Labs | Vancouver | Tytan, stopy niklu - bezpośrednie osadzanie energii |
| Burloak Technologies | Ontario | Tytan, aluminium, stal, nikiel - bezpośrednie osadzanie energii |
| LaserCusing | Quebec | Stal nierdzewna, aluminium, tytan - Laserowe stapianie w łożu proszkowym |
| Prototypowanie laserowe | Quebec | Tytan, aluminium - bezpośrednie osadzanie energii |
Biura te obsługują klientów z branży lotniczej, medycznej, motoryzacyjnej i przemysłowej w całej Kanadzie, zapewniając dostęp do różnych technologii druku 3D z metalu na potrzeby prototypowania i produkcji. Ich specjalistyczna wiedza i wysokiej klasy sprzęt sprawiają, że wysokiej jakości druk 3D z metalu jest dostępny dla kanadyjskich firm, które chcą wdrożyć technologię AM.
Trendy i perspektywy dla obróbki metali w Kanadzie
Kanada rozwinęła silny łańcuch dostaw proszków metali, sieć biur serwisowych i bazę użytkowników końcowych w przemyśle lotniczym i medycznym. Niektóre kluczowe trendy kształtujące rozwój druku 3D z metalu w Kanadzie obejmują:
- Rosnące wykorzystanie technologii AM przez wiodące firmy lotnicze, takie jak Bombardier, Pratt & Whitney, Bell Helicopter.
- Finansowanie badań nad AM metali na kanadyjskich uniwersytetach i w laboratoriach rządowych
- Międzynarodowi dostawcy proszków zakładają kanadyjskie oddziały, aby zdobyć rosnący rynek
- Pojawienie się kanadyjskich producentów proszków metali koncentrujących się na stopach niszowych
- Rozszerzenie działalności biur serwisowych na produkcję seryjną komponentów do zastosowań końcowych
- Więcej MŚP bada AM pod kątem lekkości, dostosowywania, skonsolidowanych zespołów
- Współpraca rządowa i branżowa za pośrednictwem organizacji takich jak CRIAQ, NGen, CAMX
- Opracowanie kontroli procesów i standardów specyficznych dla AM metali
- Hybrydowa produkcja łącząca metal AM z subtraktywną obróbką CNC
- Symulacje i oprogramowanie workflow poprawiające jakość i powtarzalność
Wraz z rosnącym zainteresowaniem zarówno ze strony uznanych, jak i nowych użytkowników, produkcja dodatków metalowych w Kanadzie jest gotowa na silny, ciągły wzrost. Ciągłe udoskonalanie materiałów, procesów, narzędzi projektowych i kontroli jakości pomoże rozszerzyć zastosowania w przemyśle lotniczym, medycznym, motoryzacyjnym i ogólnym. Kanadyjski ekosystem innowacji i możliwości sprawiają, że Kanada może przyczynić się do rozwoju druku 3D z metalu na całym świecie.
Często zadawane pytania dotyczące proszków metali do druku 3D
Oto odpowiedzi na najczęściej zadawane pytania dotyczące proszków metali dla AM:
P: Jaki zakres wielkości cząstek jest zalecany dla proszków do druku 3D z metalu?
O: Idealny rozmiar cząstek to zazwyczaj 10-45 mikronów. Drobniejsze cząstki lepiej się upakowują, ale słabiej przepływają, podczas gdy grubsze cząstki pogarszają gęstość i wykończenie powierzchni.
P: Jak kuliste powinny być proszki metali w procesach AM?
O: Wysoka sferyczność i gładka powierzchnia pomagają w przepływie i upakowaniu proszku. Satelity i luźne aglomeraty mają na to wpływ i powinny być zminimalizowane.
P: Który proces druku 3D z metalu wymaga najwyższej jakości proszków?
Laserowa synteza złoża proszkowego ma najsurowsze wymagania dotyczące właściwości i konsystencji proszku w celu zapewnienia płynnej pracy.
P: Czy proszki metali powinny być suszone przed drukiem 3D?
O: Tak, suszenie jest zalecane w celu usunięcia wchłoniętej wilgoci, która może powodować problemy podczas przetwarzania. Powszechnie stosuje się suszenie próżniowe lub pieczenie.
P: Czy niewykorzystane proszki do drukowania metali można poddać recyklingowi?
O: Tak, niewykorzystany proszek można zazwyczaj odzyskać, przesiać i zmieszać ze świeżym proszkiem w celu ponownego wykorzystania, co pozwala obniżyć koszty.
P: W jaki sposób przetwarzane są proszki metali zawierające pierwiastki reaktywne, takie jak tytan lub aluminium?
O: Aby zapobiec utlenianiu lub zanieczyszczeniu, konieczna jest specjalistyczna obsługa w warunkach obojętnych, takich jak komory rękawicowe i szczelne pojemniki.
P: Jaki jest typowy okres przechowywania nieużywanych proszków metali?
O: Prawidłowo przechowywane w chłodnym, suchym i obojętnym środowisku proszki mogą przetrwać kilka lat, zanim ich właściwości ulegną pogorszeniu. Zaleca się zarządzanie zapasami według zasady "pierwsze przyszło - pierwsze wyszło" (FIFO).
P: Czy proszek metalowy do AM musi być traktowany jako materiał niebezpieczny?
O: Wymagane są środki ostrożności ze względu na łatwopalność i ryzyko wybuchu spowodowane drobnymi proszkami metalicznymi. Niezbędny jest odpowiedni sprzęt ochronny i procedury bezpieczeństwa.
P: Jakie są nowe proszki stopowe opracowywane na potrzeby metalowego AM?
O: CuNiSi dla styków elektrycznych, FeNiCoTi dla miękkich magnesów, CoCrFeNi dla stopów o wysokiej entropii, CuCoMnNi dla pamięci kształtu to niektóre z nowych materiałów.
