Jaké jsou kovové materiály pro 3D tisk?

Kovový 3D tisk -, také známý jako výroba aditivních kovů -, se posunul daleko za hranice prototypování a do výroby funkčních, nosných-a dokonce letových-kritických součástí. Rozsah kovových prášků dostupných pro tyto procesy se odpovídajícím způsobem rozšířil a každá materiálová skupina přináší svou vlastní kombinaci mechanických vlastností, tepelného chování a potiskovatelnosti, která jí vyhovuje pro konkrétní aplikace. Mezi hlavní kovové materiály používané při 3D tisku patří titan a slitiny titanu, superslitiny na bázi niklu, hliník a slitiny hliníku, slitiny kobaltu-chromu, nástrojové oceli a formovací oceli, jakož i speciální a nově vznikající materiály, jako je měď a slitiny mědi, žáruvzdorné kovy, drahé kovy a vysoce{10}} slitiny. Níže je uveden podrobný úvod ke každému z nich spolu s dalším kontextem, proč jsou tyto materiály vybrány a kam technologie směřuje.

TC4 (Ti-6Al-4V):Toto je zdaleka nejrozšířenější slitina titanu ve výrobě kovových přísad, která kombinuje vysokou pevnost, nízkou hmotnost, vynikající odolnost proti korozi a dobrou biokompatibilitu. V letectví se používá pro složité konstrukční součásti, jako jsou držáky letadel a lopatky motoru, kde se jeho vysoký poměr pevnosti-k-hmotnosti přímo promítá do úspory paliva a kapacity užitečného zatížení. V lékařské oblasti se používá pro ortopedické implantáty, jako jsou kyčelní klouby a protetika na opravu lebky -, jeho biokompatibilita mu umožňuje bezpečnou integraci s kostní tkání po dlouhou dobu a schopnost aditivní výroby vytvářet porézní, mřížkovité-povrchové struktury dále zlepšuje osseointegraci ve srovnání s pevnými implantáty. Popularitu TC4 posiluje také skutečnost, že se jedná o jednu z nejlépe-charakterizovaných slitin pro fúzi laserového prášku, což znamená, že parametry procesu, údaje o mechanických vlastnostech a kvalifikační standardy jsou vyzrálejší než u mnoha jiných druhů titanu.

Ostatní slitiny titanu:Slitiny jako Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo se používají pro součásti leteckých motorů, které vyžadují vyšší teplotní odolnost, než může TC4 spolehlivě poskytnout. Tyto téměř alfa a alfa-beta titanové slitiny si zachovávají svou pevnost a odolnost proti tečení při zvýšených provozních teplotách, díky čemuž jsou vhodné pro kompresorové sekce a další zóny motoru, které jsou teplejší než konstrukce draku, kde TC4 obvykle slouží.

Superslitiny na bázi niklu- jsou schopny udržet extrémně vysokou pevnost, odolnost proti oxidaci a odolnost proti tečení při vysokých teplotách, obvykle nad 600 stupňů . Jsou materiálem volby pro výrobu kritických komponent horkých-sekcí, jako jsou disky a lopatky leteckých{4}motorů a spalovací komory raketových motorů. Prostřednictvím 3D tisku lze vyrábět lopatky se složitými vnitřními chladicími kanály, což zlepšuje účinnost motoru - tyto konformní chladicí kanály, které sledují zakřivenou vnitřní geometrii lopatky a nejsou omezeny na přímé- vrtané otvory, umožňují rovnoměrnější a efektivnější chlazení povrchu lopatky, což zase umožňuje motoru běžet při vyšších vstupních teplotách turbíny bez překročení teplotních limitů materiálu. To se přímo promítá do zlepšené termodynamické účinnosti a spotřeby paliva na úrovni motoru, a proto zůstávají niklové superslitiny jednou z nejostřeji sledovaných kategorií materiálů ve výzkumu výroby aditiv v letectví.

Prášky z hliníkové slitiny nabízejí dobrou specifickou pevnost, tepelnou vodivost a odolnost proti korozi s vynikající potiskovatelností. Jsou široce používány v automobilovém průmyslu (jako jsou lehké držáky a výměníky tepla), v letectví (komponenty pro drony) a v průmyslu forem (konformní chladicí kanály). Relativně nízký bod tání a vysoká tepelná vodivost hliníku usnadňují zpracování pomocí laserového nebo elektronového paprsku fúze prášku než kovy s vyšším -bodem tání{3}}, i když představuje své vlastní problémy -, zejména vysokou odrazivost vůči laserové energii a tendenci k tvorbě oxidové vrstvy -, které vedly k neustálému zdokonalování parametrů řízení laseru pomocí ochranného plynu. Díky kombinaci nízké hmotnosti a dobrého odvodu tepla jsou hliníkové slitiny obzvláště atraktivní pro díly, které musí být konstrukčně účinné a tepelně funkční, jako jsou kombinované konstrukční součásti -tepelných- výměníků, které by bylo obtížné nebo nemožné vyrobit jako jeden díl konvenčním obráběním.

Slitiny kobaltu-chrómu jsou známé pro extrémně vysokou tvrdost, odolnost proti opotřebení a biologickou kompatibilitu. V lékařské oblasti se používají k výrobě zubních korunek, můstků a kloubních implantátů; v průmyslových aplikacích se používají k výrobě nástrojů a forem vysoce odolných proti opotřebení-. Stejná tvrdost a odolnost proti opotřebení, kvůli které jsou tyto slitiny obtížně obrobitelné konvenčním způsobem, jsou poněkud paradoxně menší překážkou v aditivní výrobě, protože součást je vytvářena vrstva po vrstvě z prášku, nikoli z pevného materiálu -, díky tomu je 3D tisk obzvláště atraktivní cestou pro zubní náhrady, kde lze vytvářet složité, pro pacienta-specifické geometrie přímo z digitálního obrábění, které by vyžadovalo časové opotřebení nástroje.

Prášky nástrojové oceli lze použít prostřednictvím 3D tisku k přímé výrobě vstřikovacích forem nebo forem pro tlakové lití-se složitými vnitřními chladicími kanály. Tento design "konformního chlazení" může zkrátit cykly formování produktu, zlepšit efektivitu výroby a zlepšit kvalitu produktu. Vzhledem k tomu, že chladicí kanály mohou být vedeny tak, aby sledovaly obrys dutiny formy a nebyly omezeny na rovné vrtané průchody, je teplo odváděno rovnoměrněji po povrchu lisovaného dílu, což snižuje deformaci a cyklus-k{5}}nekonzistenci cyklu -, což je výhoda, díky které se jedná o jednu z komerčně vyspělejších aplikací výroby kovových aditiv, a to i před samotným zkrácením doby cyklů, protože návratnost investice může být často odůvodněna samotnou návratností investice do výroby přísad. zajišťuje geometrii formy.

Měď a slitiny mědi:Díky vynikající tepelné a elektrické vodivosti má měď významný potenciál při výrobě vložek spalovací komory raketových motorů, vysoce účinných chladičů- a elektronických součástek. Čistá měď se však tiskne - obtížně - především proto, že její vysoká odrazivost a tepelná vodivost znesnadňují udržení stabilní lázně taveniny pomocí konvenčních infračervených laserových systémů, protože velká část laserové energie je odražena nebo vyvedena mimo zónu taveniny, než může být absorbována -, což zůstává aktuálním bodem pro technický výzkum a vývoj. Systémy zeleného a modrého laseru, které měď absorbuje účinněji než infračervené vlnové délky, patří mezi přístupy, které jsou aktivně zkoumány, aby tuto bariéru překonaly.

Žáruvzdorné kovy:Kovy, jako je wolfram, molybden a tantal, se používají v extrémně vysokých-teplotách, radiaci{1}}stínění nebo ve specializovaných korozních prostředích. Jejich velmi vysoké body tání, díky nimž jsou cenné pro tyto náročné aplikace, je také notoricky znesnadňují zpracování a často vyžadují specializované vybavení, jako je tavení elektronovým paprskem, spíše než standardní laserové -systémy.

Drahé kovy:Zlaté, stříbrné a platinové prášky mají specializované aplikace ve výrobě šperků na zakázku a v elektronickém průmyslu, kde aditivní výroba umožňuje složité,{0}}jedinečné{1}}-designy nebo přesně řízené vodivé geometrie, jejichž dosažení tradičním litím nebo obráběním by bylo nákladné.

Slitiny s vysokou-entropií:Tyto slitiny se skládají z několika hlavních prvků v téměř{0}}ekviatomárních proporcích a nabízejí velký prostor laditelných vlastností a představují důležitý směr pro budoucí nový-výzkum a vývoj materiálů. Vzhledem k tomu, že jejich vlastnosti lze upravovat změnou relativních poměrů jejich základních prvků, vysoce-entropické slitiny jsou aktivně zkoumány z hlediska kombinací pevnosti, houževnatosti a odolnosti proti korozi nebo oxidaci, kterých je obtížné dosáhnout současně v konvenčních slitinách s jedním-hlavním-prvkem - a aditivní výroby díky přesnému složení{8}} vrstvy{8}} a zvláště díky tomu, že její mikrostruktura{8}} je zvláště kontrolována{8}}} -dobře vhodná platforma pro objevování tohoto rozšiřujícího se prostoru pro návrh materiálů.

Dohromady tyto rodiny materiálů ilustrují, jak se kovový 3D tisk rozrostl ze speciální technologie prototypování na skutečnou výrobní platformu zahrnující letecké, lékařské, automobilové, nástrojové a energetické aplikace. Běžné materiály, jako jsou slitiny titanu, superslitiny niklu, slitiny hliníku, slitiny kobaltu,-chromu a nástrojové oceli, již mají dobře-zavedené procesní parametry a průmyslové dodavatelské řetězce, zatímco speciální a nově vznikající materiály, jako je měď, žáruvzdorné kovy, drahé kovy a-probíhající výzkum v oblasti entropie, kde jsou slitiny s vysokou roztažitelností na prvním místě. Vzhledem k tomu, že technologie laserových zdrojů a zdrojů paprsků, prášková metalurgie a řízení procesů se neustále vyvíjejí, rozsah kovů, které lze spolehlivě a ekonomicky 3D tisknout, se bude pravděpodobně dále rozšiřovat a dále rozšiřovat aplikace, kterým může tato výrobní metoda sloužit.