Metalen voor 3D-printen: een gids voor het kiezen van het juiste materiaal

Metalen voor 3D-printen

Metaal 3D-printen is allang niet meer beperkt tot prototypes. Het wordt gebruikt door industrieën van de lucht- en ruimtevaart tot de productie van medische apparatuur om hoogwaardige componenten te creëren met geometrieën die met conventionele bewerkingstechnieken niet mogelijk zijn. Het scala aan metalen dat geprint kan worden, is aanzienlijk toegenomen naarmate de technologie zich verder heeft ontwikkeld. Het kiezen van het juiste materiaal is net zo belangrijk als het selecteren van de juiste machine.

Ingenieurs en inkoopteams zijn beter in staat om beslissingen te nemen wanneer ze de mechanische eigenschappen van elk materiaal kennen, het kostenprofiel en de ideale toepassingen. Een verkeerde keuze kan leiden tot slechte prestaties van onderdelen, hogere kosten of dure nabewerking, waardoor de voordelen van additive manufacturing teniet worden gedaan. Materiaalkeuze is van invloed op alles, of het nu gaat om structurele componenten, biomedische implantaten of gereedschap.

Boda werkt samen met fabrikanten in diverse sectoren om het beste 3D-metaalprintproces voor hun toepassing te vinden. 3D-printen op maat middelen en redelijke kosten van 3D-metaalprinten Dit zijn goede uitgangspunten om je opties te evalueren.

Wat is 3D metaalprinten?

Metaaladditieve productie staat ook bekend als metalen 3D-afdrukkenHet produceert onderdelen op basis van digitale bestanden met behulp van metaalpoeders, draden of gebonden mallen. Additieve processen, in tegenstelling tot subtractieve productie waarbij materiaal van een blok materiaal wordt verwijderd, brengen materiaal alleen aan op de plekken waar het nodig is. Dit vermindert afval en maakt complexe interne geometrieën mogelijk die anders onmogelijk te bewerken zouden zijn.

Poederbedfusie, gebonden poederextrusie en gerichte energieafzetting zijn de meest gebruikte procesfamilies. Elk proces heeft verschillende kenmerken wat betreft materiaalcompatibiliteit en resolutie. U kunt de metalen die u wilt verwerken kiezen op basis van het proces dat u selecteert.

Metaal 3D-printen: hoe werkt het?

3D-geprinte metalen roosterkubusstructuur

Poederbedfusie is een methode om metaalpoeder te smelten door het selectief laagje voor laagje te smelten met behulp van een laserstraal of een elektronenbundel. De straal smelt de volgende dwarsdoorsnede voordat elke nieuwe laag metaalpoeder op het bouwplatform wordt aangebracht. Bij gebonden poederextrusie wordt metaalpoeder gemengd met een bindmiddelpolymeer, geëxtrudeerd tot een vorm die lijkt op een dikke pasta, en vervolgens gesinterd in een oven om het bindmiddel te verwijderen. Beide methoden produceren dichte, functionele onderdelen, maar beide hebben aanzienlijke nadelen met betrekking tot oppervlakteafwerking, bouwtijd, dimensionale nauwkeurigheid en materiaalkeuze.

Voordelen van conventionele productie

Metaal voor 3D-printen blinkt uit in onderdelen die roosterstructuren of organische geometrieën vereisen, die met machinale bewerking niet te realiseren zijn. Deze technologie maakt ook kortere doorlooptijden mogelijk voor kleine series of unieke items, en maakt de kosteneffectieve productie mogelijk van dure legeringen zoals Inconel en titanium, die anders onbetaalbaar zouden zijn om te bewerken. Additieve productie is niet alleen een alternatief voor machinale bewerking voor veel hoogwaardige toepassingen, maar vaak ook de enige productiemethode die gebruikt kan worden.

Metalen 3D-printmaterialen: de 05 meest voorkomende metalen

Staal, superlegeringen en titanium behoren tot de meest gebruikte materialen. 3D afdrukmaterialen voor metaaladditieve productie. Elke materiaalgroep biedt een andere balans tussen mechanische eigenschappen, kosten en geschiktheid voor de toepassing, terwijl individuele kwaliteiten worden geselecteerd op basis van specifieke prestatie-eisen.

Staal

Staal is een van de meest gebruikte metalen in 3D-printers. Het is het populairste metaal voor 3D-printen vanwege zijn uitstekende sterkte en stijfheid. 3D-printen met staal wordt ook veel gebruikt in de industrie, kent een brede kennisbasis en is relatief goedkoop. De meeste staalsoorten zijn printbaar, maar roestvrij staal en gereedschapsstaal zijn het populairst. Deze soorten zijn duur om te bewerken en lastig te verwerken. Additieve productie is daarom een ​​kosteneffectieve optie voor deze soorten.

Roestvrij staal

Verschillende 3D-geprinte metalen onderdelen

De corrosiebestendigheid van roestvrij staal is te danken aan de aanwezigheid van minimaal 12 procent chroom. Twee typen roestvrij staal domineren de 3D-printtechnologie:

• Austenitisch (316L): Roestvrij staal is het meest gebruikte materiaal voor printen en heeft een superieure corrosiebestendigheid. Het kan worden gelast en bewerkt, maar niet warmtebehandeld. Het is geschikt voor chemische processen, medische instrumenten en scheepvaartonderdelen.
• 17-4 PH (Martensitisch): Een precipitatiehardende staalsoort die door middel van warmtebehandeling een breed scala aan mechanische eigenschappen kan verkrijgen bij verschillende hardheidsgraden. Het is harder en sterker dan 316L, maar minder corrosiebestendig. Veel gebruikt in de industriële productie en voor componenten in de lucht- en ruimtevaart.

Gereedschapsstaal

Gereedschapsstaal is ontworpen voor specifieke bewerkingen zoals snijden, slijpen en stempelen. Deze staalsoorten bevatten carbideverbindingen, die zorgen voor een extreme hardheid en slijtvastheid bij zowel omgevings- als hoge temperaturen. De drie meest voorkomende soorten zijn:

• A2: Een veelzijdig gereedschapsstaal voor koudbewerking, gebruikt in stempels, matrijzen en algemeen gereedschap. Een goede balans tussen taaiheid en slijtvastheid.
• D2 is geoptimaliseerd voor maximale slijtvastheid bij koudbewerkingstoepassingen, waaronder industriële messen en snijmachines.
• H13 Een hittebestendig gereedschapsstaal dat hittebestendigheid combineert met taaiheid en slijtvastheid. Het is ideaal voor inzetstukken voor spuitgieten en smeedmatrijzen.

Superlegeringen – Inconel en kobaltchroom

3D-geprinte metalen onderdelen

Superlegeringen kunnen presteren in extreme omstandigheden, waar hitte, druk en corrosieve chemische stoffen traditionele legeringen zouden vernietigen. Metaal 3D-printen is een kosteneffectieve manier om superlegeringen te produceren die met traditionele methoden moeilijk en kostbaar zijn.

Inconel

Inconel, een familie van superlegeringen op nikkelbasis, staat bekend om zijn extreme sterkte, taaiheid en corrosiebestendigheid, zelfs bij temperaturen waarbij staal zijn structurele integriteit zou verliezen. Inconel 625 is beter bestand tegen thermische vermoeidheid en oxidatie, terwijl Inconel 718 een superieure sterkte en taaiheid heeft. Beide kwaliteiten worden gebruikt in gasturbines, afdichtingen van straalmotoren, uitlaatonderdelen en raketonderdelen.

Kobalt chroom

Kobaltchroom combineert een hoge sterkte-gewichtsverhouding, biocompatibiliteit en corrosiebestendigheid. Het is een dichter, hoogwaardig alternatief voor titanium voor toepassingen die zowel structurele betrouwbaarheid als biologische compatibiliteit vereisen. Kobaltchroom kan worden gebruikt voor diverse toepassingen, waaronder turbines, industriële omgevingen en medische instrumenten.

Titanium

Titanium is een materiaal met een uitzonderlijke sterkte-gewichtsverhouding, maar de grondstofkosten en bewerkingskosten bij conventionele productie zijn hoog. Dit maakt het een aantrekkelijk argument voor additive manufacturing (3D-printen). 3D-printen met titanium biedt materiaalbesparingen en de geometrische vrijheid die het biedt, rechtvaardigt vaak de hogere kosten per machine voor titanium componenten. Het kan in twee hoofdvormen worden geprint:

• Ti-6Al-4V: Dit is de meest gebruikte titaniumlegering bij additive manufacturing. Het is ongeveer 40% lichter dan 17-4 PH, maar heeft een vergelijkbare of zelfs grotere sterkte. Het is bestand tegen corrosieve omgevingen en hoge temperaturen. Het wordt gebruikt in ruimtevaartconstructies, auto-onderdelen en industriële hardware, waar gewichtsvermindering een belangrijke rol speelt.
• Commercieel zuiver titanium: Minder sterk dan Ti64, maar biocompatibeler, ongeacht de verwerkingsomstandigheden. Gebruikt voor medische hulpmiddelen zoals orthopedische implantaten, botschroeven en andere medische producten waar bio-integratie belangrijk is.

Titanium is een essentieel materiaal voor elk engineeringteam dat 3D-geprinte metalen onderdelen produceert, waarbij de verhouding tussen gewicht en prestaties bepalend is voor het ontwerp.

Koper

Koper is een metaal dat een bijzondere plaats inneemt in de additieve productie. Het wordt bijna uitsluitend gekozen vanwege zijn thermische en elektrische geleidbaarheid, en niet zozeer vanwege zijn mechanische eigenschappen. Metaal 3D-printen stelt ingenieurs in staat om geometrisch geoptimaliseerde koperen componenten te creëren die anders zeer moeilijk te produceren zouden zijn door middel van verspanen of gieten. Koelplaten, stroomrails, inductiespoelen en laselektroden zijn enkele voorbeelden van toepassingen.

• Zuiver koper: Het heeft de hoogste thermische en elektrische geleidbaarheid van alle kopervarianten. Door de hoge laserreflectie is het echter niet compatibel met standaard PBF-lasersystemen. Alleen printbaar op Bound Powder Extrusion Machines.
• Gelegeerd koper (bijv. C18150): Het bevat 1-2% legeringscomponenten zoals chroom of zink, die de laserreflectie zodanig verminderen dat printen op bepaalde PBF-platformen mogelijk is. De geleidbaarheid van gelegeerd koper is lager dan die van zuiver koper, maar nog steeds hoger dan die van de andere metaalgroepen.

Aluminium

3D-printen van aluminium is veel minder gebruikelijk dan conventioneel 3D-printen. Dit komt voornamelijk doordat de meest gebruikte smeedlegeringen, 6061 en 7075, niet printbaar zijn met standaard PBF-systemen. Gietlegeringen met maximaal 12 procent silicium zijn wel printbaar, maar hebben inferieure mechanische eigenschappen vergeleken met smeedlegeringen. Het rendement op investering (ROI) voor het printen van aluminium is lager dan dat van de meeste andere metalen vanwege de relatief lage kosten van het bewerken van standaard aluminium.

Continu vezelcomposietprinten is een uitstekende optie voor engineeringteams die onderdelen nodig hebben met een sterkte die vergelijkbaar is met die van aluminium. Het kan ook de stijfheid, vermoeiingsweerstand en slagvastheid verbeteren. Overweeg dit alternatief voordat u kiest voor 3D-printen met aluminium.

Vergelijkingstabel van materialen voor 3D-metaalprinten

Wat zijn de beste materialen voor 3D-printen met metaal?

 Vers geprinte metalen waaier 

Inzicht in de vier dimensies van uw project – mechanische prestaties, blootstelling aan de omgeving, biocompatibiliteit en het totale budget – helpt u bij het kiezen van het beste materiaal. Dit is een kostbare fout die teams vaak maken bij de overgang van prototype naar productie.

Het afstemmen van materiaal op de toepassingsomgeving

Superlegeringen zijn een goede keuze als uw onderdeel wordt blootgesteld aan hoge temperaturen of chemisch agressieve omgevingen. Titanium is het sterkste materiaal voor structurele onderdelen, waar gewicht een belangrijke factor is. Gereedschapsstaal of roestvrij staal is het meest kosteneffectieve materiaal voor algemene industriële hardware en gereedschappen. Koper is het enige metaal dat de thermische beheersingscomponenten kan leveren die moderne elektronica en energiesystemen vereisen.

Houd rekening met de nabewerkingsvereisten

Verschillende materialen vereisen verdere bewerking om hun uiteindelijke mechanische eigenschappen te bereiken. Andere materialen, zoals H13 en 17-4 PH, vereisen een warmtebehandeling. Om interne porositeit te dichten, worden superlegeringen of titanium componenten vaak gesloten met behulp van heet isostatisch persen. Oppervlaktebehandeling is vaak nodig voor afdichtingsoppervlakken en lagerinterfaces. Deze stappen kunnen de tijd en kosten van een project verhogen. Bij de materiaalkeuze mogen ze niet als een bijzaak worden beschouwd. 

Voor materialen zoals Inconel of titanium kan een warmtebehandeling of heet isostatisch persen nodig zijn om interne porositeit te sluiten en de vereiste mechanische sterkte te bereiken. Dit brengt extra tijd en kosten met zich mee. Onderdelen van roestvrij staal daarentegen hebben doorgaans alleen een oppervlaktebehandeling nodig, zoals polijsten of straalreiniging, om te voldoen aan de eisen voor afdichting en lageraansluiting. Inzicht in deze nabewerkingsbehoeften voor elk materiaal vóór de definitieve ontwerpfase helpt budgetoverschrijdingen en vertragingen als gevolg van onverwachte extra stappen laat in het productieproces te voorkomen.

Balans tussen kosten en prestaties

Staal is goedkoper dan superlegeringen. Titanium en superlegeringen zijn echter duurder om te produceren en te verwerken. Een kostenanalyse voor 3D-metaalprinten moet worden uitgevoerd, samen met de materiaalkeuze, voor budgetgevoelige projecten. De beste prijs-prestatieverhouding wordt gevonden in roestvrij staal 316L, dat voor diverse toepassingen gebruikt kan worden. Dit materiaal zou de standaardkeuze moeten zijn, tenzij specifieke eisen een materiaal met hogere prestaties vereisen.

Metaal voor 3D-printen voor auto-onderdelen

De auto-industrie heeft metaaladditieve productie op veel grotere schaal toegepast dan andere sectoren. Dit komt door de vraag naar lichtgewicht constructieonderdelen en koelkanalen met complexe topologieën. Ook beugels met geoptimaliseerde topologieën zijn zeer gewild. Materialen die geschikt zijn voor gewichtsgevoelige constructieonderdelen zijn onder andere aluminium- en titaniumlegeringen. Gereedschapsstaal wordt gebruikt voor matrijzen en mallen. 

De productie van inlaat- en uitlaatspruitstukken kan met behulp van 3D-printing worden gedaan. Ook op maat gemaakte beugels, productiegereedschappen en ophangingsonderdelen zijn mogelijk. Het resultaat is een lager aantal onderdelen, kortere montageprocessen en meetbare verbeteringen in de prestatie-gewichtsverhouding voor diverse voertuigprogramma's.

Veelgemaakte fouten bij het kiezen van metalen 3D-printmaterialen

Door veelgemaakte selectiefouten te vermijden, kunt u productievertragingen voorkomen en geld besparen.

• Als alle legeringen gelijkmatig worden bedrukt, Niet alle niveaus binnen een materiaalreeks zijn afdrukbaar. De meest gebruikte soorten gesmeed aluminium, 6061 en 7705, zijn niet verkrijgbaar als standaard PBF-systemen.
• Exclusief nabewerkingskosten in de kostenraming. Veel materialen, zoals Inconel of titanium, vereisen na het printen een warmtebehandeling en nabewerking. Deze kosten worden vaak over het hoofd gezien in de begroting, wat leidt tot aanzienlijke overschrijdingen tijdens de productiefase.
• Overspecificatie van de materiaalkwaliteit: Het gebruik van Inconel wanneer 316L net zo goed presteert, brengt extra materiaal- en verwerkingskosten met zich mee. Het materiaal moet worden gekozen op basis van de omgevingsomstandigheden en niet op basis van de hoogst beschikbare specificatie.
• Ontwerpoptimalisatie overslaan voor additieve productie: 3D-geprinte metalen onderdelen maken geometrieën mogelijk die met machinale bewerking onmogelijk zijn. Het vervangen van een machinaal bewerkt onderdeel zonder het opnieuw te ontwerpen voor additive manufacturing is niet kosteneffectief en doet afbreuk aan de kernwaarde van deze technologie.

Conclusie 

Metalen 3D-printmaterialen zijn verkrijgbaar met uiteenlopende eigenschappen, prijzen en toepassingen. Koper maakt thermisch en elektrisch geoptimaliseerde ontwerpen mogelijk. Aluminium wordt gebruikt voor toepassingen waarbij gewicht een cruciale factor is en printbaarheidsbeperkingen acceptabel zijn. Om het juiste materiaal voor de juiste toepassing te kiezen, is het belangrijk om de mechanische eigenschappen, procescompatibiliteit, nabewerkingsbehoeften en de totale kosten te evalueren.

Boda helpt engineering- en inkoopteams bij het kiezen van het juiste materiaal, proces en productiemethode voor hun projecten. Of u nu uw eerste 3D-geprinte metalen onderdeel produceert of een bestaande workflow uitbreidt, onze 3D-afdrukservice Dit omvat materiaalselectie, ontwerpbegeleiding en productie. Bezoek onze pagina voor 3D-printen op maat of neem contact op met ons team om uw project te bespreken.

FAQ's

Welke metalen worden het meest gebruikt voor 3D-printen en waarom?

Metalen zoals staal (met name 316L roestvrij staal en 17-4 PH), titanium (Ti-6Al-4V), kobaltchroom (chroom), koper en aluminiumlegeringen van gietkwaliteit worden momenteel het meest gebruikt bij additive manufacturing. Staal is het populairste metaal vanwege de kosteneffectiviteit en veelzijdigheid in diverse industrieën.

Wat is het sterkste metaal dat met een 3D-printer kan worden gemaakt?

De hardste staalsoorten zijn gereedschapsstalen. Met name H13 en D2 zijn warmtebehandeld. Inconel 718 is een constructielegering die een uitzonderlijke treksterkte bij hoge temperaturen biedt. Titaniumlegeringen zoals Ti-6Al-4V zijn het sterkst in termen van sterkte-gewichtsverhouding. De beste keuze hangt af van of u de vloeigrens of hardheid, vermoeiingsweerstand of prestaties bij hoge temperaturen meet.

Hoe duur is 3D-printen van metaal?

Metaal 3D-printen is per onderdeel duurder dan conventioneel bewerken bij grote volumes en eenvoudige geometrieën. Additieve productie is vaak goedkoper voor complexe geometrieën of legeringen die moeilijk te bewerken zijn, zoals Inconel of titanium. De uiteindelijke kosten worden sterk beïnvloed door de materiaalkeuze, de gekozen verwerkingsmethode en de nabewerking. Daarom is het belangrijk om de kosten vooraf te modelleren.

Is metaal sterker dan plastic?

Ja, in vrijwel alle structurele toepassingen. 3D-geprinte metalen onderdelen hebben mechanische eigenschappen die gelijkwaardig of zelfs beter zijn dan die van hun machinaal bewerkte tegenhangers van dezelfde legering. Hoewel 3D-printen met continue vezelcomposieten een sterkte op aluminiumniveau kan bereiken, kan het de hoogwaardige legeringen niet evenaren onder hoge temperaturen of zware belastingen. Metaal is het enige materiaal dat gebruikt kan worden voor toepassingen die dragend, slijtagegevoelig of thermisch veeleisend zijn.