Druk 3D z metalu wykorzystuje szeroką gamę proszków metalowych, filamentów, a nawet płynnej żywicy z dodatkiem metalu. Praktycznie każdy metal może być drukowany w 3D, od stali nierdzewnej po stopy na bazie niklu. W praktyce jednak najczęściej stosuje się około 10 różnych rodzajów metali.
Najczęstszym pytaniem dotyczącym druku 3D z metalu jest: Czy moja część będzie miała
Szybka odpowiedź brzmi: generalnie tak, a czasami nawet oferuje lepsze właściwości mechaniczne. Jednak zależy to w dużej mierze od technologii druku 3D z metalu (jest ich około 10), rodzaju surowca, od którego zaczynasz, obróbki końcowej i kształtu części. Ponadto porównania zależą od tego, na jakich aspektach się skupisz, takich jak wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość przy obciążeniu statycznym, zmęczenie wysokocyklowe itp.
Zauważono, że coraz więcej metali drukowanych w technologii 3D znajduje zastosowanie w konstrukcjach nośnych, co skupia uwagę na ich właściwościach mechanicznych. Badacze, w tym Gonghe Zhang i inni, doszli do wniosku, że proces druku 3D, który odbywa się warstwa po warstwie, wprowadza pewien stopień anizotropii w wytrzymałości metalowych części drukowanych 3D (anizotropia odnosi się do potencjalnych różnic w wytrzymałości wzdłuż warstw). Niemniej jednak te różnice są przewidywalne i można nimi zarządzać, dostosowując sposób drukowania części.
Jedno z badań wykazało, że w określonych warunkach części ze stali nierdzewnej wykonane na drukarkach 3D z technologią LPBF (laserowego spiekania proszkowego) były nawet trzykrotnie mocniejsze niż części ze stali nierdzewnej wytwarzane konwencjonalnymi metodami.
Ogólnie rzecz biorąc, właściwości materiałowe metalowych części wytwarzanych metodą wtrysku spoiwa metalowego są porównywalne z częściami metalowymi produkowanymi za pomocą formowania wtryskowego, co jest jedną z najpopularniejszych technik masowej produkcji części metalowych.
Druk 3D z metalu znajduje zastosowanie w różnych dziedzinach, od funkcjonalnych prototypów aluminiowych po tytanowe protezy stawu biodrowego, co potwierdza jego rosnącą przydatność w wielu powszechnych zastosowaniach
METALE
Dlaczego te 10 jest najlepsze?
Wraz z ewolucją produkcji metali w technologii addytywnej, również materiały metalowe ulegają zmianom. Wykazano, że unikalność procesów druku 3D, począwszy od laserowego spiekania proszku po strumieniowanie spoiwa, szczególnie dobrze reaguje na nowe stopy metali oraz różne rozmiary cząstek proszku metalowego. Nie będziemy tutaj zagłębiać się w szczegóły, ale te nowe metody wytwarzania części metalowych otworzyły zupełnie nową dziedzinę materiałów metalowych, zmuszając klientów do kwestionowania swoich tradycyjnych wyborów.
W miarę jak coraz więcej branż przenosi kluczowe aplikacje do druku 3D, pojawiają się nowe możliwości materiałowe. Poniżej przedstawiamy 10 najczęściej używanych obecnie kategorii metali, korzystając z pewnej swobody w grupowaniu niektórych i wyodrębnianiu innych.
Te 10 punktów stanowi jedynie punkt wyjścia dla tego, co jest dziś możliwe, ponieważ producenci materiałów metalowych wciąż przesuwają granice i dostosowują stopy metali do konkretnych potrzeb, wykorzystując określone technologie druku 3D z metalu.
Stal nierdzewna: Uniwersalny
Stal nierdzewna, naturalnie, nie jest jednym materiałem, ale wieloma odmianami stopów powszechnie stosowanymi w druku 3D. Dwa najpopularniejsze to 316L i 17-4 PH, ale można również drukować 3D ze stali 304L, 15-5PH, 420, 254, PH1, GP1, 630 i 410, a także niestandardowych mieszanek produkowanych przez producenta materiałów.
Te stale są specjalnie zaprojektowane pod kątem odporności na korozję. Są to lekkie i niedrogie metale, idealne do druku 3D. Obecnie producenci drukują w 3D stal nierdzewną, ponieważ jest to szybsze i tańsze niż tradycyjne metody w przypadku niewielkich i skomplikowanych części. Dla firm, które potrzebują jednego narzędzia końcowego lub tylko kilku części zamiennych, druk 3D jest najlepszym wyborem.
Stal nierdzewną można wykorzystać w niemal każdym rodzaju druku 3D, od ekonomicznego filamentu do ekstruzyjnego druku 3D na maszynach stacjonarnych, po proszek do rozpylania spoiwa i laserowej fuzji proszkowej, 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 właściwościach. Stale narzędziowe to różne rodzaje stali stopowych zaprojektowanych specjalnie do produkcji narzędzi. Są one znane ze swojej twardości, odporności na ścieranie i zdolności do zachowania krawędzi tnącej w wysokich temperaturach. Ta drukowana w 3D stal jest często używana do produkcji wkładek do form wtryskowych, komponentów lotniczych, zastosowań wojskowych, narzędzi produkcyjnych oraz w architekturze i budownictwie.
Główną zaletą stali narzędziowej drukowanej w 3D jest nie tylko jej wytrzymałość, ale także wyjątkowa zdolność do tworzenia części z wewnętrznymi kanałami (takimi jak konforemne kanały chłodzące w narzędziach do formowania) i wypełnieniami kratowymi, które są niemożliwe do wyprodukowania tradycyjnymi metodami. Druk 3D stali nie ma na celu zastąpienia tradycyjnych metod w każdym zastosowaniu, ale może być lepszym wyborem dla szerokiego i rosnącego zakresu zastosowań.
Stal o niskiej zawartości stopów:
Wszystkie stale drukowane w 3D są stopami, ale ta kategoria obejmuje stale, które mają niski poziom, czyli mniej niż 5%, innego pierwiastka. Stale niskostopowe zostały zaprojektowane w celu osiągnięcia jeszcze lepszych właściwości mechanicznych i większej odporności na zużycie oraz korozję w porównaniu do innych stali. Stale niskostopowe są powszechnie stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym i konstrukcyjnym.
Stale niskostopowe można poddawać obróbce cieplnej, co zwiększa elastyczność ich zastosowań produkcyjnych.
Innym rodzajem stali, który zyskuje na popularności w produkcji addytywnej, jest stal maraging. Mimo że nie jest to stal niskostopowa, może zawierać do 25% niklu. Umieszczamy ją w tej samej kategorii ze względu na jej zastosowanie. Stale maraging charakteryzują się wyjątkową wytrzymałością i ciągliwością, dzięki czemu nadają się do zastosowań w przemyśle lotniczym oraz przy dużych obciążeniach.
Aluminium: Lekkość i odporność na korozję
W branży lotniczej, motoryzacyjnej i przemysłowej, lekkie i odporne na chemikalia części aluminiowe są dodatkowo ulepszane dzięki swobodzie projektowania i opłacalności druku 3D. Zastosowanie aluminium i stopów aluminium w druku 3D rośnie, ponieważ metal ten jest ekonomiczny i łatwy w druku 3D.
Podobnie jak w przypadku większości metali, aluminium jest dostępne w postaci filamentu, proszku lub drutu dla 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 z wykorzystaniem lasera i wiązki elektronów.
Stopy aluminium charakteryzują się dobrą odpornością chemiczną, są bardzo lekkie i mają jeden z najlepszych stosunków wytrzymałości do masy spośród wszystkich metali. W połączeniu z krzemem i magnezem, jest to wybór wielu osób w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym ze względu na jego odporność na trudne warunki.
Tytan: Lekki i biokompatybilny
Tytan – mocny jak stal, ale o połowę lżejszy – jest metalem skomplikowanym w obróbce, ale praktycznie stworzonym do druku 3D.
Tytan stał się jednym z najczęściej wykorzystywanych metali w produkcji addytywnej, szeroko stosowanym w przemyśle lotniczym, protezach stawów i narzędziach chirurgicznych, samochodach wyścigowych i ramach rowerowych, elektronice i innych wysokowydajnych produktach.
Tytan i stopy na bazie tytanu oferują wysoką wytrzymałość mechaniczną, wysoki stosunek wytrzymałości do masy i lepszą odporność na korozję niż stale nierdzewne. Dzięki temu rakiety i samoloty są lżejsze, co pozwala zaoszczędzić paliwo i zwiększyć ładowność. W przemyśle lotniczym, kilka tytanowych części produkowanych addytywnie zatwierdzonych przez amerykańską FAA jest obecnie w użyciu komercyjnym i wojskowym, a wiele innych prototypów zmierza w kierunku certyfikacji. Tytan drukowany w 3D jest ceniony za niski współczynnik „zakupu do lotu”.
W branży medycznej implanty tytanowe drukowane w 3D odniosły sukces w zastosowaniach związanych z kręgosłupem, biodrem, kolanem i kończynami ze względu na naturalną biokompatybilność metalu i dobre właściwości mechaniczne w połączeniu ze zdolnością druku 3D do dostosowywania porowatych struktur umożliwiających integrację kości i dostosowanie masy w celu uzyskania lepszych wyników leczenia.
Istnieje tak szeroki zakres materiałów tytanowych do druku 3D, że stworzyliśmy kompletny przewodnik po tytanie, do którego link znajduje się poniżej.
Miedź: Przewodność elektryczna i cieplna
Drukowanie 3D z czystej miedzi i kosmicznych stopów miedzi jest możliwe dzięki szerokiej gamie metalowych drukarek 3D i usług. Możesz tworzyć szybkie miedziane prototypy z miedzianego filamentu na drukarce 3D FDM oraz duże miedziane silniki rakietowe przy użyciu stopów miedzi na laserowych drukarkach 3D ze złożem proszkowym. Istnieje również drut miedziany i żywica miedziana, które są używane do mikrodruku 3D.
W rzeczywistości miedź odgrywa ogromną rolę w globalnych celach zrównoważonego rozwoju jako kluczowy element silników elektrycznych, infrastruktury ładowania, energii słonecznej i akumulatorów.
Stop niklu: Odporność na ekstremalne warunki
Stopy i „superstopy” na bazie niklu są znane z doskonałej wytrzymałości w wysokich temperaturach, odporności na korozję i utlenianie. Te stopy zachowują swoją wytrzymałość i właściwości mechaniczne nawet w podwyższonych temperaturach. Są powszechnie stosowane w wymagających aplikacjach, 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.
Termin Inconel można usłyszeć w odniesieniu do stopów niklu. Inconel to nazwa handlowa rodziny nadstopów na bazie niklu i chromu, w tym IN625, IN718 i IN939.
Stopy niklu są generalnie droższe niż inne materiały, takie jak stal i aluminium, i mogą nie nadawać się do zastosowań w niskich temperaturach
Brąz: odporny na zużycie
Chociaż brąz jest stopem miedzi, zasługuje na osobny wpis ze względu na szeroki zakres zastosowań przemysłowych, a także dekoracyjnych, takich jak posągi, trofea i biżuteria.
W warunkach przemysłowych brąz jest często ważny ze względu na swoją odporność na iskry w miejscach, w których generowanie iskier może stanowić zagrożenie pożarem lub wybuchem. Górnictwo, obronność i lotnictwo to sektory wymagające narzędzi i komponentów z brązu, takich jak ta aluminiowo-brązowa grzechotka strzelca (na zdjęciu powyżej) wydrukowana w 3D przy użyciu technologii natryskiwania 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 określonych zastosowań w produkcji dodatków. Brąz fosforowy, który zawiera miedź oraz 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 produkcji elementów pomp i zaworów, a także w przemyśle chemicznym i spożywczym. Brąz niklowy jest znany z doskonałej odporności na korozję, a jednocześnie ma dobrą przewodność cieplną i elektryczną.
Chrom kobaltowy: odporność na wysokie temperatury i korozję
Chrom kobaltowy, drukowany w 3D, oferuje wysoki stosunek wytrzymałości do masy oraz doskonałą odporność na korozję. Dzięki tym właściwościom jest to dobry materiał do produkcji komponentów lotniczych i maszyn przemysłowych. Ponadto, jest biokompatybilny i często stosowany w implantach ortopedycznych, protetyce dentystycznej oraz instrumentach medycznych, gdzie wymagany jest długotrwały kontakt z tkankami biologicznymi.
Stopy kobaltowo-chromowe mogą być przetwarzane przy użyciu technik produkcji addytywnej, takich jak selektywne topienie laserowe (SLM) lub topienie wiązką elektronów (EBM). Pozwala to na produkcję złożonych geometrii i niestandardowych części przy minimalnej ilości odpadów materiałowych, co czyni je atrakcyjnymi dla branż stosujących zaawansowane technologie produkcyjne.
Złoto i srebro: Piękne i biokompatybilne
Drukowane w 3D złoto i srebro, podobnie jak inne metale szlachetne, zyskują na popularności. Chociaż niestandardowa biżuteria może zazwyczaj obejmować formę odlewniczą drukowaną w 3D, bezpośredni druk 3D przy użyciu proszku złota i srebra odbywa się za pomocą technologii laserowego stapiania proszku (LBPF), a strumieniowanie spoiwa jest inną, rzadziej stosowaną opcją.
Metal używany w druku 3D nie jest w 100% złoty, ponieważ czyste złoto jest miękkim metalem, który wymaga stopów, aby uczynić go trwałym materiałem, który znamy. Z tego samego powodu intensywne lasery w LBPF używane do spiekania stali prawie wyparowałyby złoto.
Według EOS, niemieckiego producenta wszelkiego rodzaju technologii drukowania metali, który nawiązał współpracę z Cookson Precious Metals w celu ulepszenia procesu drukowania złota, najlepsze wyniki dla złotej biżuterii wymagają specjalistycznej maszyny z odpowiednim laserem i odpowiednim proszkiem złota, który może wytrzymać moc lasera.
Złoto ma kilka zastosowań przemysłowych w technologii kosmicznej, energii odnawialnej i produkcji ze względu na przewodność elektryczną, odporność na korozję i biokompatybilność.
Drukowane w 3D srebrne części również wykorzystują laserową syntezę złoża proszku lub drukarkę 3D ze strumieniem spoiwa, ale inne niszowe metody, takie jak wytłaczanie stopionego metalu ze srebrnej zawiesiny fotopolimerowej za pomocą srebrnego drutu, również wykazują potencjał.
Firmy produkujące biżuterię na zamówienie i wysokiej klasy domy mody stosują druk 3D z proszkiem srebra i złota, ponieważ przyspiesza on produkcję niestandardowych części w małych i średnich ilościach. W jednym nakładzie firmy mogą wydrukować tuzin lub więcej pierścionków, z których każdy jest inny. Istnieje również możliwość drukowania tylko na żądanie, co eliminuje zapasy i umożliwia firmom jubilerskim szybkie reagowanie na najnowsze trendy w biżuterii i modzie.
Chociaż srebro jest prawdopodobnie najczęściej kojarzone z przedmiotami dekoracyjnymi, ma ono różne zastosowania przemysłowe, w tym w panelach słonecznych, zastosowaniach medycznych i mikrofalowych.
Żródło: https://all3dp.com
