W druku 3D metali jest o wiele więcej niż tylko stal nierdzewna i aluminium. W rzeczywistości istnieje 10 najczęściej używanych opcji dla stale rosnącego zakresu zastosowań.
Drukowanie 3D metali wykorzystuje szeroką gamę proszków metalowych, drutów, włókien, a nawet żywicy płynnej z dodatkiem metalu. Praktycznie każdy metal można drukować w technologii 3D, od stali nierdzewnej po stopy na bazie niklu, ale w praktyce najczęściej używa się około 10.
Najczęściej zadawane pytanie dotyczące druku 3D elementów metalowych brzmi: Czy moja gotowa część będzie miała takie same właściwości mechaniczne jak część metalowa obrabiana maszynowo, formowana lub kuta?
Krótka odpowiedź brzmi: generalnie tak, a czasami nawet lepsze właściwości mechaniczne, ale wiele zależy od tego, jakiej technologii druku 3D metalu używasz (jest ich około 10 ), od jakiego rodzaju surowca zaczynasz, od obróbki końcowej i kształtu części. Ponadto porównania zależą od tego, na jakich aspektach się skupiasz, takich jak wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość przy obciążeniu statycznym, zmęczenie wysokocykliczne itp.
„Ponieważ coraz więcej metali drukowanych w technologii 3D jest używanych w konstrukcjach nośnych, ich właściwości mechaniczne ostatnio zyskały dużą uwagę”, zauważa Gonghe Zhang i in. w swoim ostatnim badaniu . Ci badacze doszli do wniosku, że ponieważ drukowanie w technologii 3D jest procesem warstwa po warstwie, wszystkie metalowe części drukowane w technologii 3D będą miały pewien stopień anizotropii w swojej wytrzymałości. (Anizotropia odnosi się do możliwych słabszych właściwości wzdłuż warstw). Ale te środki są przewidywalne i możliwe do opanowania w zależności od sposobu drukowania części.
Jedno z badań wykazało, że w pewnych warunkach części ze stali nierdzewnej wykonane na drukarkach 3D LPBF były nawet trzykrotnie wytrzymalsze od części ze stali nierdzewnej wykonanych przy użyciu konwencjonalnych technik.
Ogólnie rzecz biorąc, właściwości materiałowe części metalowych wykonanych metodą strumieniowego łączenia metali są takie same, jak części metalowych wyprodukowanych metodą formowania wtryskowego, która jest jedną z najpowszechniej stosowanych metod produkcji masowej części metalowych.
Od funkcjonalnych prototypów aluminiowych po tytanowe endoprotezy stawu biodrowego, druk 3D metali udowadnia swoją przydatność w coraz dłuższej liście typowych zastosowań.
Metale
Dlaczego właśnie te 10?
Wraz z rozwojem produkcji addytywnej metali ewoluują również materiały metalowe. Wykazano, że unikalność procesów drukowania 3D, od opartego na laserze po drukowanie strumieniowe spoiwem, reaguje szczególnie dobrze na nowe stopy metali, a nawet rozmiary cząstek proszku metalu. Nie będziemy tutaj zagłębiać się w szczegóły, ale te nowe sposoby wytwarzania części metalowych zapoczątkowały zupełnie nową branżę materiałów metalowych, pozostawiając klientów z wątpliwościami co do tradycyjnych wyborów dotyczących metali.
W miarę jak coraz więcej branż przechodzi z kluczowych aplikacji na druk 3D, pojawiają się nowe możliwości materiałowe. Poniżej przedstawiamy 10 najczęściej używanych obecnie kategorii metali, pozwalając sobie na pewne swobody w grupowaniu niektórych i wyodrębnianiu innych.
Te 10 rozwiązań to zaledwie początek tego, co jest możliwe już dziś, gdyż producenci materiałów metalowych wciąż przesuwają granice i dostosowują stopy metali do konkretnych potrzeb, wykorzystując specjalną technologię druku 3D metali.
(Powyższa infografika nie stanowi wyczerpującej listy podtypów metali nadających się do druku w technologii 3D.)Najpopularniejsze metale do druku 3D
Stal nierdzewna: uniwersalna
Stal nierdzewna, oczywiście, nie jest jednym materiałem, ale wieloma odmianami stopów powszechnie stosowanymi w druku 3D. Dwiema najlepszymi są 316L i 17-4 PH, ale możesz również drukować w 3D z 304L, 15-5PH, 420, 254, PH1, GP1, 630 i 410, a także z mieszanek niestandardowych produkowanych przez producenta materiałów.
Te stale są specjalnie zaprojektowane pod kątem odporności na korozję. Są lekkim i niedrogim metalem idealnym do druku 3D. Obecnie producenci drukują w 3D stal nierdzewną, ponieważ jest to szybsze i tańsze niż tradycyjne metody w przypadku małych serii i skomplikowanych części. Dla firm, które potrzebują jednego narzędzia na końcu ramienia lub tylko kilku części zamiennych, druk 3D jest najlepszym wyborem.
Stal nierdzewną można stosować w niemal każdym rodzaju druku 3D, od ekonomicznego filamentu do drukowania 3D metodą wytłaczania na maszynach stacjonarnych, po proszek do drukowania strumieniowego i laserowego łączenia proszków, a nawet żywicę.
Stal narzędziowa: wysoka twardość i odporność na zużycie
Stal narzędziowa, podobnie jak stal nierdzewna, występuje w odmianach o różnych poziomach wytrzymałości na rozciąganie, ciągliwości, twardości i innych cechach. Stale narzędziowe to różne stale stopowe specjalnie zaprojektowane do produkcji narzędzi. Są znane ze swojej twardości, odporności na ścieranie i zdolności do utrzymywania krawędzi tnącej w wysokich temperaturach. Ta drukowana w 3D stal jest często używana do produkcji wkładek do form wtryskowych, elementów lotniczych, zastosowań wojskowych, narzędzi produkcyjnych oraz w architekturze i budownictwie.
Główną zaletą stali narzędziowej drukowanej w technologii 3D jest nie tylko jej wytrzymałość, ale również wyjątkowa możliwość tworzenia części z kanałami wewnętrznymi (takimi jak konforemne kanały chłodzące w narzędziach do formowania) i wypełnieniami kratowymi, których nie można wytworzyć tradycyjnymi metodami.
Druk 3D stali nie ma na celu zastąpienia tradycyjnych metod w każdym zastosowaniu, ale może być lepszym wyborem w przypadku szerokiego i rosnącego zakresu zastosowań.Najpopularniejsze metale do druku 3D
Stal niskostopowa:
Wszystkie stale drukowane w technologii 3D są stopami, ale ta kategoria obejmuje stale, które mają niski poziom lub mniej niż 5% innego pierwiastka. Te stale niskostopowe są zaprojektowane tak, aby osiągnąć jeszcze wyższe właściwości mechaniczne i większą odporność na zużycie i korozję w porównaniu z innymi stalami. Stale niskostopowe są powszechnie stosowane w zastosowaniach motoryzacyjnych, lotniczych i konstrukcyjnych.
Stale niskostopowe można poddawać obróbce cieplnej, co zwiększa elastyczność ich wykorzystania w produkcji.
Innym rodzajem stali zyskującym popularność w produkcji addytywnej jest stal maraging, która nie jest stalą niskostopową, ponieważ może zawierać do 25% niklu, ale umieszczamy ją w tym zestawie ze względu na jej zastosowanie. Stale maraging mają wyjątkową wytrzymałość i twardość, co czyni je odpowiednimi do zastosowań w przemyśle lotniczym i w warunkach dużego naprężenia.Najpopularniejsze metale do druku 3D
Aluminium: lekkie i odporne na korozję
W przypadku przemysłu lotniczego, motoryzacyjnego i przemysłowego lekkie i odporne na działanie chemikaliów atrybuty części aluminiowych są dodatkowo wzmacniane przez swobodę projektowania i opłacalność druku 3D. Zastosowanie aluminium i stopów aluminium w druku 3D rośnie, ponieważ ten metal jest ekonomiczny i łatwy do drukowania w 3D.
Podobnie jak większość metali, aluminium jest dostępne jako filament, proszek lub drut do różnych technologii druku 3D. Poczyniono znaczne wysiłki badawczo-rozwojowe w zakresie stopów aluminium do produkcji addytywnej, a obecnie materiały te są szczególnie dostosowane do wykorzystania unikalnych procesów topienia w produkcji addytywnej laserowej i wiązką elektronów.
Stopy aluminium charakteryzują się dobrą odpornością chemiczną, są bardzo lekkie i mają jeden z najlepszych stosunków wytrzymałości do masy wśród metali. W połączeniu z krzemem i magnezem jest to wybór wielu osób w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym ze względu na jego zdolność do wytrzymywania trudnych warunków.
Istnieje tak wiele materiałów aluminiowych nadających się do druku 3D, że stworzyliśmy kompletny przewodnik po aluminium, do którego link znajduje się poniżej.
Tytan: lekki i biokompatybilny
Tytan – wytrzymały jak stal, lecz o połowę od niej cięższy – to trudny w obróbce metal, ale w praktyce stworzony do druku 3D.
Tytan stał się jednym z najczęściej stosowanych metali w produkcji addytywnej, szeroko stosowanym w przemyśle lotniczym, w endoprotezach stawów, narzędziach chirurgicznych, samochodach wyścigowych i ramach rowerowych, elektronice i innych produktach o wysokiej wydajności.
Tytan i stopy na bazie tytanu oferują wysoką wytrzymałość mechaniczną, wysoki stosunek wytrzymałości do masy i lepszą odporność na korozję niż stale nierdzewne. Sprawia, że rakiety i samoloty są lżejsze, co oszczędza paliwo i zwiększa ładowność. W przemyśle lotniczym i kosmicznym kilka części na bazie tytanu, wyprodukowanych metodą addytywną, zatwierdzonych przez US FAA, jest obecnie wykorzystywanych komercyjnie i wojskowo, a wiele innych prototypów zmierza w kierunku certyfikacji. Tytan drukowany w 3D jest ceniony za niski współczynnik „kup-do-lotu”.
W branży medycznej implanty tytanowe drukowane w technologii 3D odnoszą sukcesy w zastosowaniach związanych z kręgosłupem, biodrami, kolanami i kończynami ze względu na wrodzoną biokompatybilność tego metalu i dobre właściwości mechaniczne w połączeniu z możliwością drukowania w technologii 3D tworzenia porowatych struktur, co umożliwia integrację z kością i masową personalizację w celu uzyskania lepszych wyników leczenia pacjentów.
Istnieje tak wiele materiałów tytanowych nadających się do druku 3D, że stworzyliśmy kompletny przewodnik po tytanie, do którego link znajduje się poniżej.
Miedź: przewodnictwo elektryczne i cieplne
Drukowanie 3D z czystej miedzi i kosmicznych stopów miedzi jest możliwe dzięki szerokiej gamie drukarek 3D do metalu i usług. Możesz tworzyć szybkie prototypy miedziane z miedzianym filamentem na drukarce 3D FDM i duże miedziane silniki rakietowe przy użyciu stopów miedzi na drukarkach 3D do laserowego łączenia proszkowego. Istnieje również drut miedziany i żywica miedziana, które są używane do mikrodruku 3D.
Miedź odgrywa w rzeczywistości ogromną rolę w realizacji globalnych celów zrównoważonego rozwoju, gdyż jest kluczowym elementem silników elektrycznych, infrastruktury ładowania, energii słonecznej i akumulatorów.
Dostępnych jest tak wiele materiałów miedzianych, które można drukować w technologii 3D, że stworzyliśmy kompletny przewodnik po miedzi, do którego link znajduje się poniżej.
Stop niklu: odporny na ekstremalne warunki
Stopy na bazie niklu i „superstopy” są znane ze swojej doskonałej wytrzymałości w wysokich temperaturach, odporności na korozję i utlenianie. Stopy te zachowują swoją wytrzymałość i właściwości mechaniczne w podwyższonych temperaturach. Są powszechnie stosowane w wymagających zastosowaniach, takich jak przemysł lotniczy, turbiny gazowe, przetwórstwo chemiczne i środowiska morskie. W ostatnich latach stopy te zyskały również popularność w druku 3D, szczególnie w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym.
Możesz usłyszeć termin Inconel, gdy mowa o stopach niklu. Inconel jest zastrzeżoną nazwą handlową rodziny superstopów na bazie niklu i chromu, w tym IN625, IN718 i IN939.
Stopy niklu są na ogół droższe od innych materiałów, takich jak stal czy aluminium, i mogą nie nadawać się do zastosowań w niskich temperaturach.
Brąz: odporny na zużycie
Mimo że brąz jest stopem miedzi, zasługuje na osobne miejsce ze względu na szeroki zakres zastosowań przemysłowych, a także w sztuce dekoracyjnej, np. w postaci posągów, trofeów i biżuterii.
W warunkach przemysłowych brąz jest często ważny ze względu na swoje właściwości iskrzenia w miejscach, w których iskrzenie może stwarzać zagrożenie pożarem lub wybuchem. Górnictwo, obrona i lotnictwo to sektory wymagające narzędzi i komponentów z brązu, takich jak ta grzechotka strzelecka z brązu aluminiowego (przedstawiona powyżej) wydrukowana w technologii natrysku na zimno przez Spee3D. Brąz aluminiowy jest również wysoce odporny na korozję i szczególnie ceniony w środowiskach morskich.
Brąz jest również mieszany z innymi metalami i materiałami do konkretnych zastosowań w produkcji addytywnej. Brąz fosforowy, który zawiera miedź i różne ilości cyny i fosforu, jest wysoce odporny na zmęczenie i zużycie. Brąz krzemowy składa się z miedzi, z niewielką ilością krzemu i innych pierwiastków, takich jak mangan, cyna lub cynk, i jest stosowany do komponentów pomp i zaworów, a także w przemyśle chemicznym i przetwórstwie żywności. Brąz niklowy jest znany ze swojej doskonałej odporności na korozję, a także ma dobrą przewodność cieplną i elektryczną.
Kobalt chromowy: odporny na wysokie temperatury i korozję
Drukowany w 3D chrom kobaltowy oferuje wysoki stosunek wytrzymałości do masy i doskonałą odporność na korozję, co czyni go dobrym wyborem materiału do komponentów lotniczych i maszyn przemysłowych. Jest również biokompatybilny i często stosowany w implantach ortopedycznych, protezach dentystycznych i instrumentach medycznych, gdzie wymagany jest długotrwały kontakt z tkankami biologicznymi.
Stopy kobaltu i chromu można przetwarzać przy użyciu technik wytwarzania addytywnego, takich jak selektywne topienie laserowe (SLM) lub topienie wiązką elektronów (EBM). Umożliwia to produkcję złożonych geometrii i niestandardowych części przy minimalnym odpadzie materiałowym, co czyni je atrakcyjnymi dla branż przyjmujących zaawansowane technologie produkcyjne.
Złoto i srebro: piękne i biokompatybilne
Drukowane w 3D złoto i srebro, podobnie jak inne metale szlachetne, cieszą się coraz większą popularnością. Chociaż biżuteria na zamówienie zazwyczaj może obejmować formę odlewniczą drukowaną w 3D, bezpośredni druk 3D z proszkiem złota i srebra odbywa się przy użyciu technologii łączenia proszków laserem (LBPF), a drukowanie strumieniowe spoiwem jest inną, rzadziej stosowaną opcją.
Złoto i srebro można łączyć z szeroką gamą innych metali, co pozwala na polepszenie ich właściwości w konkretnych zastosowaniach przemysłowych.
Metal używany w druku 3D nie jest w 100% złoty, ponieważ czyste złoto jest miękkim metalem, który wymaga stopowania, aby stał się trwałym materiałem, który znamy. Z tego samego powodu intensywne lasery w LBPF używane do spiekania stali niemal wyparowałyby złoto.
Według EOS, niemieckiego producenta wszelkiego rodzaju technologii druku na metalu, który nawiązał współpracę z Cookson Precious Metals w celu udoskonalenia procesu drukowania złotem, najlepsze rezultaty w przypadku złotej biżuterii można uzyskać przy użyciu specjalistycznej maszyny z odpowiednim laserem i odpowiednim proszkiem złota, który wytrzyma moc lasera.
Złoto znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, m.in. w technologii kosmicznej, energetyce odnawialnej i produkcji ze względu na swoją przewodność elektryczną, odporność na korozję i biokompatybilność.
Do drukowania w technologii 3D srebrnych części wykorzystuje się również technologię laserowego stapiania proszku lub drukarkę 3D z wykorzystaniem strumienia spoiwa, ale inne specjalistyczne metody, takie jak wytłaczanie stopionego metalu z zawiesiny fotopolimeru srebra przy użyciu srebrnego drutu, również wykazują potencjał.
Firmy produkujące biżuterię na zamówienie i domy mody z najwyższej półki przyjmują druk 3D z proszkiem srebra i złota, ponieważ przyspiesza to produkcję części na zamówienie w małych i średnich ilościach. W jednym cyklu drukowania firmy mogą wydrukować kilkanaście lub więcej pierścionków, z których każdy jest inny. Istnieje również możliwość drukowania wyłącznie na żądanie, co eliminuje zapasy i umożliwia firmom jubilerskim szybką reakcję na najnowsze trendy w biżuterii i modzie.
Mimo że srebro kojarzy się najczęściej z przedmiotami dekoracyjnymi, znajduje ono również zastosowanie w przemyśle, m.in. w panelach słonecznych, medycynie i mikrofalach.
źródłó: all3dp
