金属粉末在3D打印中的应用

金属粉末是3D打印中非常重要的耗材,那你知道它是如何运用到3D打印上的吗。

  金属3D打印是一种使用金属粉末直接打印金属零件的3D打印技术,又称为金属粉末烧结(SLM)。3D打印金属粉末需具备良好的可塑性外,还必须满足粉末粒径细小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松装密度高等要求。目前大多数3D打印机使用的金属粉末包括不锈钢、铝合金、钴铬合金、铜合金、钛合金和镍合金等。铁基合金是工程技术中最重要、用量最大的金属材料,多用于复杂结构的成型,在航空航天、汽车、船舶、机械制造等行业得到广泛的应用。

能用来3D打印的金属粉末种类

3D 打印广泛使用的打印耗材,从形态上主要包含四种:液态光敏树脂材料、薄材、低熔点丝材和粉末材料;从成分上则几乎涵盖了目前生产生活中的各类材料,包括塑料、树脂、蜡等高分子材料,金属和合金材料,陶瓷材料等,而在这其中,最前沿和最具潜力的无疑是金属粉末3D打印,根据咨询公司SmarTech预测,到2024年全球用于金属粉末增材制造的市场规模将达到110亿美金。

  目前,3D打印金属粉末材料种类包括不锈钢、模具钢、镍合金、钛合金、钴铬合金、铝合金和青铜合金等。
  铁基合金是工程技术中最重要、用量最大的金属材料,多用于复杂结构的成型,比如3D打印用不锈钢,相比于传统铸造锻造技术,其具有高强度、优异的耐高温、耐磨性和耐蚀性等物理、化学和力学性能,且具有很高的尺寸精度和材料利用率,在航空航天、汽车、船舶、机械制造等行业得到广泛的应用。
  钛合金具有优异的强度和韧性,结合耐腐蚀、低比重和生物相容性,使其在航空航天和汽车比赛中许多高性能工程应用非常理想,而且还用于生产生物医学植入物,强度高、模量低、耐疲劳性强。

  钴铬合金则由于高耐磨性、良好的生物相容性、无镍(镍含量<0.1%)特点,常用于外科植入物如合金人工关节、膝关节和髋关节,也可用于发动机部件,风力涡轮机和许多其他工业部件等。
  铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料,其密度低,比强度较高,接近或超过优质钢,塑性好。研究表明,3D打印用铝合金可以做到零件致密、组织细小,力学性能则堪比铸件甚至优于铸造成型零件,且相较于传统工艺零部件其质量可减少22%,成本却可减少30%。
  铜合金具有优异的导热性和导电性,热管理应用中的具优良热传导率的铜,可以结合设计自由度,产生复杂的内部结构和随形冷却通道。

不锈钢粉末

相对廉价的金属打印材料,性价比高,耐腐蚀性能好,强度高,可快速高效地进行小批量复杂工业零部件的生产制造.

铝合金粉末

目前,应用于金属3D打印的铝合金主要包括铝硅AlSi12和AlSi10Mg.铝硅12是一种轻质添加剂,用于生产具有良好热性能的金属粉末.硅镁组合使铝合金具有更高的强度和刚度,使其适用于薄壁和复杂的几何形状,特别是在具有良好热性能和低重量的应用中.铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料,其密度低,比强度较高,接近或超过优质钢,塑性好.研究表明,3D打印用铝合金可以做到零件致密、组织细小,力学性能则堪比铸件甚至优于铸造成型零件,且相较于传统工艺零部件其质量可减少22%,成本却可减少30%。

钴铬合金粉末

金属3D打印的钴铬合金粉末由于其具备优良的耐磨耗及耐腐蚀性能,常用用于打印各类人工关节及整形外科植入器械,此外于齿科领域也均有用到。

铜合金粉末

具有优异的导热性和导电性,热管理应用中的具优良热传导率的铜,可以结合设计自由度,产生复杂的内部结构和随形冷却通道。

钛合金粉末

在航空航天领域应用比较广泛,利用3D打印的优势帮助优化产品设计,例如用复杂且合理的结构代替原先的实心体,使成品重量更低,力学性能却更好.这样不仅能降低成本,而且能实现各个部件的轻量化生产。

镍合金粉末

镍合金耐氧化、耐腐蚀的特性使其适用于高温高压的严苛环境镍合金受热时,合金表面会钝化出一层又厚又稳定的氧化层,保护合金内部不受腐蚀.镍合金在很广的温度范围内能维持良好的机械性质。

3D打印对金属粉末的性能都有哪些要求

我们刚才提到了许多可用于3D打印的金属粉末,那么,要满足3D打印对材料的要求,金属粉末需要满足什么条件呢?
1、纯净度
  陶瓷夹杂物会显著降低最终制件的性能,而且这些夹杂物一般具有较高的熔点,难以烧结成形,因此粉末中必须无陶瓷夹杂物。
  除此之外,氧、氮含量也需要严格控制。目前用于金属3D打印的粉末制备技术主要以雾化法为主,粉末具有大的比表面积,容易氧化,在航空航天等特殊应用领域,客户对此指标的要求更为严格,如高温合金粉末氧含量为0.006%-0.018%,钛合金粉末氧含量为0.007%-0.013%,不锈钢粉末氧含量为0.010%-0.025%。
2、粉末粒度分布
  不同3D打印设备及成形工艺对粉末粒度分布要求不同。目前金属3D打印常用的粉末粒度范围是15-53μm(细粉)、53-105μm(粗粉),部分场合下可放宽至105-150μm(粗粉)。
  3D打印用金属粉末粒度的选择主要是根据不同能量源的金属打印机划分的,以激光作为能量源的打印机,因其聚焦光斑精细,较易熔化细粉,适合使用15-53μm的粉末作为耗材,粉末补给方式为逐层铺粉;以电子束作为能量源的铺粉型打印机,聚焦光斑略粗,更适于熔化粗粉,适合使用53-105μm的粗粉为主;对于同轴送粉型打印机,则可采用粒度为105-150μm的粉末作为耗材。

3、粉末形貌

粉末形貌和粉末的制备方法密切相关。一般由金属气态或熔融液态转变成粉末时,粉末颗粒形状趋于球形,由固态状变为粉末时,粉末颗粒多为不规则形状,而由水溶液电解法制备的粉末多数呈树枝状。

  一般而言,球形度越高,粉末颗粒的流动性也越好。3D打印金属粉末要求球形度在98%以上,这样打印时铺粉及送粉更容易进行。
上面的表格为不同制粉方法对应的金属粉末形貌,可以看出,除气雾化法和旋转电极法外,其余方法制备的粉末形貌均为非球形,因此,气雾化法、旋转电极法是高品质3D打印金属粉末的主要制备方法。

  4、粉末流动性和松装密度
  粉末流动性直接影响打印过程中铺粉的均匀性和送粉过程的稳定性.流动性与粉末形貌、粒度分布及松装密度相关,粉末颗粒越大、颗粒形状越规则、粒度组成中极细的粉末所占的比例越小,其流动性越好;颗粒密度不变,相对密度增加,粉末流动性则增加.另外,颗粒表面吸附水、气体等会降低粉末流动性.
近年来,中国积极探索3D打印金属粉末制备技术,目前已拥有多套先进制粉设备投入应用,在促进本土3D打印用金属粉末制备技术的发展上希望我们国家越来越好。好了,本期内容分享便到此结束了。
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