Table of Contents

Понимание свойств порошкового материала DMLS

Селективное лазерное плавление (SLM), обычно называемое прямым металлическим лазерным спеканием (DMLS), представляет собой процесс производства присадок для сплава порошкового слоя, который создает полностью плотные металлические детали слой за слоем. Успех любой сборки DMLS критически зависит от качества и характеристик сырья металлического порошка. Выбор правильного порошка требует тщательной оценки нескольких взаимозависимых свойств, которые непосредственно влияют на печатаемость, качество конечной детали и механические характеристики.

Распределение размеров частиц (PSD)

Для DMLS типичный PSD колеблется от 15 до 45 микрон для мелких порошков, используемых в частях с высоким разрешением, с более грубыми диапазонами (20-63 микрона), иногда используемыми для более быстрых сборок с более низким разрешением. Более узкое распределение улучшает проходимость и плотность упаковки, позволяя более тонкие слои порошка (до 20-30 микрон) и лучшую отделку поверхности. Однако чрезмерно тонкие частицы (<10 микрон) могут вызывать агломерацию, плохой поток и повышенные опасности для здоровья из-за рисков вдыхания. Производители должны сбалансировать PSD с возможностями машины, высотой слоя и желаемой шероховатостью поверхности.

Частичное морфологическое исследование

Сферические частицы являются золотым стандартом для DMLS, поскольку они переворачиваются друг с другом с минимальным трением, обеспечивая последовательное распространение по всей платформе сборки. Нерегулярные, угловые или спутниковые частицы могут перекидываться, создавая пустоты в порошковом слое, которые приводят к нехватке пористости и неточности размеров. Сферические порошки обычно производятся процессами атомизации газа или атомизации плазмы. В то время как анатомизированные водой порошки дешевле, их нерегулярные формы снижают текучесть и консистенцию деталей. Всегда проверяйте морфологию с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) изображений от вашего поставщика.

Материалы и лампы; чистота

Химический состав должен соответствовать точным спецификациям для предполагаемого сплава. Примеси, такие как кислород, азот, водород и сера, могут значительно ухудшать механические свойства, особенно в реактивных металлах, таких как титановые и алюминиевые сплавы. Например, кислородный пикап в Ti-6Al-4V увеличивает прочность на растяжение, но резко снижает пластичность, делая материал хрупким. Большинство применений DMLS требуют содержания кислорода ниже 0,2% по весу для титановых сплавов. Всегда запрашивайте сертификат анализа (CoA) с каждой пороховой партией и проверяйте уровни микроэлементов по соответствующим стандартам, таким как ASTM F2924 для Ti-6Al-4V или ASTM F138 для нержавеющей стали 316L.

Flowability & - видимая плотность

Подвижность измеряется временем, необходимым для прохождения фиксированной массы порошка через стандартную воронку расходомера Холла (ASTM B213). Значения ниже 25 секунд на 50 граммов в целом приемлемы для DMLS. Показательная плотность, масса на единицу объема рыхлого порошка, влияет на то, сколько порошка упаковано в каждый слой - более высокая кажущаяся плотность уменьшает усадку и улучшает точность измерений. Защелкнутая плотность, измеренная после вибрации, указывает на максимальный потенциал упаковки. Высокое соотношение Хаузнера (захваченная плотность / кажущаяся плотность) указывает на плохую текучесть и его следует избегать.

Популярные порошковые материалы DMLS; их применение

В то время как десятки сплавов теперь могут быть обработаны через DMLS, основной набор доминирует в промышленных приложениях из-за их хорошо характеризованного поведения, коммерческой доступности и проверенных маршрутов постобработки.В следующих разделах подробно описаны наиболее широко используемые порошки, их ключевые свойства, типичное использование и важные соображения выбора.

316L нержавеющая сталь

316L является рабочей лошадкой DMLS, предлагая отличную коррозионную стойкость, хорошую свариваемость и умеренную прочность. Его низкое содержание углерода минимизирует осадки карбида во время сварки и высокотемпературное воздействие, что делает его идеальным для медицинских имплантатов, хирургических инструментов и оборудования химической обработки. В сборке DMLS 316L демонстрирует низкий остаточный стресс по сравнению с более твердыми сплавами, уменьшая потребность в отжиге от напряжения. Однако детали могут потребовать горячего изостатического прессования (HIP) для закрытия оставшейся пористости для сосудов под давлением или критических для усталости приложений. Типичная прочность выхода в состоянии по мере отжижения составляет около 450-550 МПа; после отжига раствора она падает до 300-400 МПа, но приобретает пластичность. Плотность деталей обычно превышает 99,9% с оптимизированными параметрами.

Ti-6Al-4V (23 класс / 5 класс)

Ti-6Al-4V является наиболее распространенным титановым сплавом для аддитивного производства, ценится за его высокое соотношение прочности к весу, выдающуюся коррозионную стойкость и биосовместимость. Вариант ELI (Extra Low Interstitial) класса 23 предпочтителен для медицинских имплантатов из-за его пониженного содержания кислорода и железа, что улучшает прочность переломов. В аэрокосмической промышленности класс 5 используется для скобок, воздуховодов и структурных компонентов, которые требуют снижения веса. Постобработка всегда включает отжига с помощью снятия напряжения (обычно 650-750 ° C в аргоне или вакууме) для снятия тепловых напряжений, за которым следует либо горячее изостатическое прессование (HIP) для устранения внутренних пустот, либо обработка раствора и старение (STA) для оптимизации механических свойств. Достижение полной плотности в сборках Ti-6Al-4V DMLS является сложной задачей, но регулярно демонстрируется с тщательным контролем плотности энергии, чтобы избежать испарения алюминия и чрезмерной пористости.

Алюминий AlSi10Mg

AlSi10Mg представляет собой литейный сплав, адаптированный для DMLS, сочетающий легкий вес (плотность ~ 2,67 г/см3) с хорошей теплопроводностью и умеренной прочностью. Кремний и магний укрепляют алюминиевую матрицу, а эвтектическая композиция обеспечивает отличную плавкую текучесть при лазерной обработке. Части требуют сброса напряжения при 300 ° C в течение 2 часов, чтобы избежать растрескивания, а затем термической обработки T6 (раствор при 530°C, закалка, возраст при 160°C) для достижения максимальной прочности на растяжение выше 300 МПа. Приложения включают в себя крышки головки автомобильного цилиндра, теплообменники, аэрокосмические скобки и легкие компоненты дрона. Одной из проблем является образование осадков Mg2Si, которые оседают при высокотемпературном воздействии; контроль тепловой истории является ключевым. Алюминиевые порошки также являются пирофорными, требующими инертной обработки газа во время хранения и обработки.

Inconel 625 & Inconel 718

Эти суперсплавы на основе никеля необходимы для высокотемпературных применений, где сопротивление ползучести, сопротивление окислению и механическая прочность должны поддерживаться выше 700°C. Inconel 625 получает свою прочность от твердого затвердевания с молибденом и ниобием, в то время как Inconel 718 полагается на затвердевание осадков (гамма двойного прайма) после двухэтапной обработки старения. Оба сплава используются в компонентах турбины, выхлопных системах, оборудовании химической обработки и масле & газовые скважинные инструменты. DMLS обработка Inconel 625 более простительна, чем Inconel 718, поскольку последний склонен к растрескиванию из-за его высокого содержания гамма-первички. Правильный предварительный нагрев строительной пластины (150-200°C) и послепроцессное горячее изостатическое прессование настоятельно рекомендуется для закрытия микрофиссур и улучшения усталостного срока службы. Механические свойства сплавов DMLS Inconel часто превышают таковые кованых аналогов после

Кобальт-хром (CoCr ASTM F75)

Сплавы кобальта-хрома, в частности варианты F75 и MP1, в настоящее время широко используются в стоматологических протезах, ортопедических имплантатах (горбы, колени) и высокоизносных аэрокосмических компонентах. CoCr предлагает исключительную износостойкость, высокую твердость (обычно 31-42 HRC) и хорошую биосовместимость. Сплав образует твердый, коррозионно-стойкий оксидный слой, что делает его пригодным для несущих поверхностей. DMLS CoCr детали требуют сброса напряжения при 800°C с последующим горячим изостатическим прессованием для достижения полной плотности. Высокая температура плавления и низкая теплопроводность требуют высокой лазерной мощности (300-400 Вт) и медленных скоростей сканирования, чтобы избежать дефектов шарнирного покрытия. Часть анизотропия является значительной; Ориентация компонентов для минимизации нагрузки Z-направления имеет решающее значение для несущих имплантатов. Постобработка часто включает этап улучшения поверхности (вибрационная отделка или электрохимическая полировка) для удаления видимых линий

Маражинговая сталь (AISI 18Ni300 / 1.2709)

Маражирующие стали представляют собой низкоуглеродистые, никель-кобальт-молибденовые высокопрочные сплавы, которые достигают исключительных свойств благодаря старению при относительно низких температурах (около 480°C). В состоянии, построенном по стандарту DMLS, микроструктура в основном мартенситная, но мягкая (по-видимому, твердость ~ 35 HRC). После 6-часовой обработки по старению твердость переходит к >52 HRC с предельной прочностью на разрыв, превышающей 2000 МПа. Маражирующая сталь используется для высокопрочных инструментов, вставок литья под давлением, структурных компонентов для гоночных автомобилей и оборонных применений. Его низкое содержание углерода (0,03%) предотвращает чувствительность к растрескиванию во время быстрого затвердевания, что делает его одним из более легких высокопрочных сплавов для печати. Однако тщательная конструкция поддержки по-прежнему требуется из-за высокого остаточного напряжения. Поверхностная отделка обычной обработкой или обработкой электрическим разрядом (EDM) проста.

Медь и обезболивающие; медные сплавы (Pure Cu, CuCrZr, CuNi2Si)

Печать чистой меди исключительно затруднена из-за ее высокой отражательной способности (95% + на ближнем инфракрасном диапазоне) и высокой теплопроводности, вызывающей быстрое рассеивание тепла. Большинство DMLS-машин требуют диодов зеленого лазера (515 нм) или синего лазера (450 нм) или специализированных волоконных лазеров с высоким поглощением покрытий для обработки чистой меди. Медные сплавы, такие как CuCrZr (медный хром-цирконий) и GRCop-84 (разработанный НАСА медный хром-ниобийный сплав) легче печатать при сохранении высокой теплопроводности. Приложения включают теплообменники, индукционные катушки, камеры сгорания ракетных камер и электрические контакты. Пост-обработка обычно включает отжига раствора и старения для достижения пиковой жесткости (CuCrZr до 180 HV) без ущерба для проводимости.

Ключевые соображения для выбора материала

Выбор правильного порошка DMLS требует балансировки технических требований с коммерческими и эксплуатационными ограничениями.Для каждого проекта следует анализировать следующие факторы.

Требования к приложениям и усилителям; Цели производительности

Начнем с функциональных требований конечной части. Является ли это статическим структурным скобом, перегруженным усталостью рычагом, высокотемпературным соплом или биосовместимым имплантатом? Определите необходимые механические свойства: прочность на растяжение, прочность на выходе, удлинение при разрыве, твердость, предел усталости и прочность на разрыв. Также учитывайте воздействие окружающей среды (коррозионные среды, циклическая температура, износ) и любые нормативные сертификаты (ASTM, ISO 10993, AMS). Параметры процесса DMLS могут быть отрегулированы в ограниченном окне, но химия базового материала устанавливает достижимый диапазон. Например, если коррозионная стойкость в морских средах имеет решающее значение, 316L или Inconel 625 превосходят мародерный стальной или алюминиевый сплав.

Стоимость & доступность

Стоимость металлического порошка широко варьируется: стандартные стальные и алюминиевые сплавы варьируются от 50 до 150 долларов за килограмм; титановые сплавы от 300 до 600 долларов за килограмм; никельные суперсплавы от 100 до 400 долларов за кг; и специализированные материалы, такие как тантал или вольфрам, могут превышать 2000 долларов за кг. В дополнение к стоимости сырого порошка, фактор эффективности сборки (порошок не расплавлен, который можно повторно использовать), затраты на постобработку (термическая обработка, HIP, обработка) и любые потери переработки порошка (обычно 20-40% порошка теряется после каждого повторного использования из-за деградации в проточной способности и кислородной утилизации). Для производственных частей необходима комплексная стоимость на модель детали, включая циклы восстановления порошка. Наличие сертифицированного порошка для медицинских и аэрокосмических применений может потребовать длительного времени свинца от квалифицированных поставщиков; всегда подтверждайте запас и время свинца при планировании проекта.

Постпроцессорные потребности и усилие; совместимость

Части DMLS редко оставляют машину готовой к окончательному использованию. Почти все металлические сплавы требуют по крайней мере одной термообработки: снятия напряжения, отжига или обработки раствора и старения. Некоторые сплавы, такие как Inconel 718 и Ti-6Al-4V, требуют специальных температурных пандусов и защитных атмосфер (аргон или вакуум), чтобы избежать окисления. Горячее изостатическое прессование (HIP) рекомендуется для деталей, подвергающихся высоким усталостным нагрузкам или сосудам под давлением, добавляя 2-10 долларов США за деталь в зависимости от размера. Поверхностная отделка может включать в себя кувыркание, взрыв бисера, электрохимическую полирование или ручную полирование - каждый добавляет время и стоимость. Обработка деталей DMLS может быть более сложной, чем кованые материалы из-за переменной твердости, остаточных напряжений и внутренней пористости; план для более твердых режущих инструментов и более медленных скоростей подачи.

Экологические и атмосферные факторы; факторы безопасности

Металлические порошки, отнесенные к группе 1 легковоспламеняющиеся твердые вещества (титан, алюминий, магниевые сплавы) и имеющие канцерогенный потенциал (кобальт, никель), требуют специализированных средств обработки. Операторы ДМЛС должны использовать инерцию азота или аргона, системы обработки порошков с замкнутым контуром и вакуумные пылесосы, отфильтрованные HEPA. Персонал должен носить соответствующую дыхательную защиту и антистатическую одежду. Отработанные порошковые фильтры, салфетки и напольные стрелки должны рассматриваться как опасные отходы и утилизироваться в соответствии с местными правилами. Также необходимо учитывать воздействие на окружающую среду производства порошка (энергоемкая атомизация газа) и переработки в нисходящем потоке, особенно для организаций, ориентированных на устойчивость. Некоторые поставщики теперь предлагают сертифицированные «зеленые» порошки, произведенные с использованием возобновляемых источников энергии или из переработанного лома.

Квалификация поставщика & Сертификация

Не все металлические порошки равны. Квалифицированный поставщик должен предоставить полный сертификат анализа (CoA), включая химический состав, данные PSD (по лазерной дифракции), расходомер (Hall flowmeter), кажущуюся и плотность крана (ASTM B527), а для требовательных приложений - специальный отчет о тестировании аддитивного производства, показывающий механические свойства в направлениях XY и Z от стандартного купона. Ищите поставщиков, сертифицированных по ISO 9001 или AS9100 для аэрокосмической промышленности. Для медицинских имплантатов поставщик порошка должен соответствовать ISO 13485 и обеспечивать прослеживаемость от партии к пациенту. Создайте короткий список по крайней мере трех поставщиков для каждого материала, чтобы обеспечить конкурентоспособное ценообразование и непрерывность поставок.

Reusability &: Порошковая деградация

Во время процесса DMLS порошок, сидящий за пределами бассейна расплава, испытывает тепловое старение: воздействие повышенных температур (150-250 ° C в камере сборки) и кислородный пикап (от следовых утечек или остаточной связанной влаги). В течение последовательных циклов сборки концентрация кислорода в порошке увеличивается, текучесть уменьшается и морфология частиц изменяется (сферические частицы частично спекаются в агломераты). Большинство операторов перерабатывают порошок путем просеивания (обычно 80 сеток для удаления грубых агломератов) и смешивания с порошком-деревом в соотношении 50-70% переработанного до 30-50% девственного. Максимальные циклы повторного использования варьируются по материалу: 316L часто можно повторно использовать 20-30 раз, Ti-6Al-4V только 5-10 раз, прежде чем содержание кислорода превысит спецификацию. Разработайте протокол управления порошком, который отслеживает количество циклов повторного использования, уровни кислорода и скорость потока для поддержания согласованного качества сборки.

Новые материалы и лампы: будущие тенденции

Продолжается расширение палитры материалов DMLS. В число разрабатываемых новых сплавов входят огнеупорные металлы (вольфрам, ниобий, молибден) для применения в экстремальных температурах, объемные металлические стекла (никель-палладий-фосфор) для высокотвердых, коррозионно-стойких инструментов и композиционно-градуированные материалы (классифицированный Ti-6Al-4V в Inconel 718) для функционально-градуированных компонентов. В то же время, все более широкое использование мощных зеленых и синих лазерных источников открывает двери для чистой меди, золота и серебра для применения в электротехнике и ювелирных изделиях. В ближайшей перспективе ожидается улучшение скорости переработки и снижение затрат на установленные сплавы в качестве порошковых производственных процессов для удовлетворения растущего спроса на аддитивное производство.

Заключение

Выбор оптимального порошкового материала DMLS требует систематической оценки свойств частиц, состава материала и требований к применению. Наиболее надежный подход заключается в том, чтобы начать с хорошо охарактеризованного коммерческого сплава с проверенным послужным списком DMLS, такого как нержавеющая сталь 316L для коррозионно-чувствительных деталей, Ti-6Al-4V для высокопрочных легких конструкций, AlSi10Mg для теплопроводных сборок или Inconel 718 для экстремальных тепловых применений. Всегда сочетайте выбор материала с надежным планом управления порошком, который включает в себя квалификацию поставщика, тестирование на проходимость, контролируемые циклы повторного использования и соответствующую обработку. Интегрируя эти факторы в рабочий процесс вашего проектирования для дополнительного производства (DfAM), вы можете последовательно производить высококачественные, долговечные и функциональные металлические детали, которые соответствуют техническим характеристикам и целевым показателям стоимости.