Металлы для 3D-печати: руководство по выбору подходящего материала.

Металлы для 3D-печати

Металлическая 3D-печать вышла за рамки лабораторий прототипирования. Она используется в самых разных отраслях, от аэрокосмической до производства медицинского оборудования, для создания высокоэффективных компонентов с геометрией, недоступной для традиционной механической обработки. По мере развития технологии значительно расширился спектр металлов, которые можно печатать. Выбор правильного материала так же важен, как и выбор подходящего оборудования.

Инженеры и специалисты по закупкам лучше подготовлены к принятию решений, когда знают механические свойства каждого материала, его стоимость и идеальные области применения. Неправильный выбор может привести к ухудшению характеристик деталей, увеличению затрат или дорогостоящей постобработке, что сводит на нет преимущества аддитивного производства. Выбор материала может повлиять на все, будь то конструкционные компоненты, биомедицинские имплантаты или оснастка.

Компания Boda Tech сотрудничает с производителями из различных отраслей, чтобы найти оптимальный процесс 3D-печати металлом для конкретного применения. индивидуальная 3D-печать ресурсы и разумные стоимость 3D-печати металлом Это хорошие отправные точки для оценки имеющихся вариантов.

Что такое 3D-печать на металле?

Аддитивное производство металлов также известно как металлическая 3D печатьАддитивные процессы создают детали из цифровых файлов, используя металлические порошки, проволоку или связанные формы. В отличие от субтрактивного производства, при котором материал удаляется из блока материала, аддитивные процессы наносят материал только в необходимых областях. Это уменьшает количество отходов и позволяет создавать сложные внутренние геометрические формы, которые в противном случае было бы невозможно обработать механическим способом.

Наиболее распространенными семействами технологических процессов являются послойное спекание порошка, экструзия связанного порошка и направленное энергетическое осаждение. Каждый процесс имеет свои особенности с точки зрения совместимости материалов и разрешения. В зависимости от выбранного процесса вы сможете выбрать необходимые металлы.

Металлическая 3D-печать: как это работает

Металлическая 3D-печатная решетчатая кубическая структура

Метод послойного плавления порошка (Powder Bed Fusion) заключается в послойном расплавлении металлического порошка с помощью лазерного или электронного луча. Луч расплавляет следующий поперечный срез перед нанесением каждого нового слоя металлического порошка на рабочую платформу. Экструзия связанного порошка (Bound Powder Extrusion) включает смешивание металлического порошка с полимерным связующим, экструзию полученной массы в форму, похожую на густую пасту, а затем спекание в печи для выжигания связующего. Оба метода позволяют получать плотные, функциональные детали, но каждый из них имеет существенные недостатки с точки зрения качества поверхности, времени построения, точности размеров и выбора материалов.

Преимущества традиционного производства

Металл для 3D-печати превосходно подходит для деталей, требующих решетчатых структур или органических геометрических форм, которые невозможно получить механической обработкой. Эта технология также позволяет сократить сроки выполнения заказов на мелкосерийное производство компонентов или уникальных изделий, а также обеспечивает экономически эффективное производство дорогостоящих сплавов, таких как инконель и титан, механическая обработка которых обходится непомерно дорого. Аддитивное производство — это не только альтернатива механической обработке во многих высокотехнологичных областях применения, но и единственный доступный метод производства.

Металлические материалы для 3D-печати: 05 наиболее распространенных металлов

Сталь, суперсплавы и титан входят в число наиболее широко используемых материалов. 3D Материалы для печати для аддитивного производства металлов. Каждая группа материалов предлагает различное соотношение механических свойств, стоимости и пригодности для применения, при этом отдельные марки выбираются на основе конкретных требований к эксплуатационным характеристикам.

Сталь

Сталь — один из наиболее часто используемых металлов в 3D-принтерах. Благодаря своей превосходной прочности и жесткости, сталь является самым популярным металлом для 3D-печати. ​​3D-печать сталью также широко применяется в промышленности, имеет обширный опыт и относительно низкую стоимость. Большинство типов стали пригодны для печати, но наиболее популярны нержавеющие стали и инструментальные стали. Обработка этих марок стали обходится дорого и сложна. Поэтому аддитивное производство является экономически выгодным вариантом для этих марок стали.

Нержавеющая сталь

Различные металлические детали, напечатанные на 3D-принтере.

Коррозионная стойкость нержавеющих сталей обусловлена ​​наличием не менее 12 процентов хрома. В 3D-печати из нержавеющей стали преобладают два типа:

• Аустенитная сталь (316L): Наиболее распространенный вид нержавеющей стали, используемый для печатной обработки, обладает превосходной коррозионной стойкостью. Нержавеющая сталь поддается сварке и механической обработке, но не термообработке. Она подходит для химической промышленности, медицинских инструментов и морского оборудования.
• 17-4 PH (мартенситный): Упрочняемая осаждением сталь, которую можно подвергать термообработке для достижения широкого диапазона механических свойств при различных значениях твердости. Она тверже и прочнее, чем сталь 316L, но менее устойчива к коррозии. Широко используется в промышленном производстве и в аэрокосмической отрасли.

Инструментальные стали

Инструментальные стали предназначены для конкретных операций, таких как резка, шлифовка и штамповка. Эти стали содержат карбидные соединения, которые обеспечивают исключительную твердость и износостойкость при комнатной и высоких температурах. Три наиболее распространенных марки, указанных на маркировке:

• A2: Универсальная инструментальная сталь для холодной обработки, используемая в пуансонах, штампах и инструментах общего назначения. Обеспечивает хороший баланс между прочностью и износостойкостью.
• D2 Оптимизирован для обеспечения максимальной износостойкости при обработке в холодных условиях, включая промышленные лезвия и резаки.
• H13 Высокотемпературная инструментальная сталь, сочетающая в себе жаростойкость, прочность и износостойкость. Идеально подходит для изготовления вставок для литья под давлением и ковочных штампов.

Суперсплавы – инконель и кобальт-хром

Металлические детали, напечатанные на 3D-принтере

Суперсплавы способны работать в суровых условиях, где высокие температуры, давление и агрессивные химические вещества разрушают традиционные сплавы. 3D-печать металлом — это экономически эффективный способ производства суперсплавов, которые трудно и дорого изготавливать традиционными методами.

Инконель

Инконель, семейство никелевых суперсплавов, известен своей исключительной прочностью, ударной вязкостью и коррозионной стойкостью, даже при температурах, при которых сталь теряет структурную целостность. Инконель 625 более устойчив к термической усталости и окислению, а инконель 718 обладает превосходной прочностью и ударной вязкостью. Оба марки используются в газовых турбинах, уплотнениях реактивных двигателей, выхлопных системах и ракетном оборудовании.

Кобальт хром

Кобальт-хромовый сплав сочетает в себе высокое соотношение прочности к весу, биосовместимость и коррозионную стойкость. Это более плотная и высокоэффективная альтернатива титану для применений, требующих как структурной надежности, так и биологической совместимости. Кобальт-хромовый сплав может использоваться в самых разных областях, включая турбины, промышленные предприятия и медицинские инструменты.

Титан

Титан — это материал, обладающий исключительным соотношением прочности к весу, но при этом имеющий высокую стоимость сырья и обработки в традиционном производстве. Это делает его веским аргументом в пользу аддитивного производства. 3D-печать из титана позволяет экономить материал, а предоставляемая ею геометрическая свобода часто оправдывает более высокую стоимость станка для титановых компонентов. Его можно печатать в двух основных формах:

• Ти-6Ал-4В: Наиболее распространенный титановый сплав, используемый в аддитивном производстве. Он примерно на 40% легче, чем 17-4 PH, но обладает сопоставимой или большей прочностью. Он устойчив к коррозионным средам и высоким температурам. Используется в аэрокосмических конструкциях, автомобильных компонентах и ​​промышленном оборудовании, где снижение массы играет важную роль.
• Технически чистый титан: Менее прочный, чем Ti64, но более биосовместимый независимо от условий обработки. Используется в медицинских изделиях, таких как ортопедические имплантаты, костные винты и другие медицинские изделия, где важна биоинтеграция.

Титан является ключевым материалом для любой инженерной команды, занимающейся производством металлических деталей с помощью 3D-печати, где соотношение веса и производительности определяет техническое задание.

Медь

Медь — металл, занимающий особое место в аддитивном производстве. Ее выбирают почти исключительно из-за теплопроводности и электропроводности, а не из-за механических свойств. 3D-печать металлом позволяет инженерам создавать геометрически оптимизированные компоненты из меди, которые было бы очень сложно изготовить механическим способом или литьем. К областям применения относятся радиаторы, шины, индукционные катушки и сварочные электроды.

• Чистая медь: Среди всех разновидностей меди она обладает самой высокой теплопроводностью и электропроводностью. Однако высокое лазерное отражение делает её несовместимой со стандартными лазерными системами PBF. Подходит только для печати на экструзионных машинах для нанесения порошкового покрытия.
• Легированная медь (например, C18150): В его состав входит 1-2% легирующих компонентов, таких как хром или цинк, которые снижают отражательную способность лазера до такой степени, что печать становится возможной на некоторых платформах PBF. Проводимость легированной меди ниже, чем у чистой меди, но все же превосходит проводимость других групп металлов.

алюминий

3D-печать алюминием гораздо менее распространена, чем традиционное производство. Это объясняется главным образом тем, что наиболее часто используемые марки кованого алюминия, 6061 и 7075, не поддаются печати с помощью стандартных систем порошковой порошковой наплавки (PBF). Литейные сплавы с содержанием кремния до 12% поддаются печати, но обладают худшими механическими свойствами по сравнению с коваными сплавами. Рентабельность инвестиций в печать алюминия ниже, чем в большинство других металлов, из-за относительно низкой стоимости обработки стандартного алюминия.

Печать композитных материалов из непрерывных волокон — отличный вариант для инженерных групп, которым нужны детали с прочностью, эквивалентной алюминию. Она также позволяет повысить жесткость, усталостную прочность и ударопрочность. Рассмотрите этот вариант, прежде чем принимать решение о внедрении аддитивного производства из алюминия.

Таблица сравнения металлических материалов для 3D-печати

Какие материалы для 3D-печати из металла являются лучшими?

 Свежеотпечатанная металлическая крыльчатка 

Понимание требований к вашему проекту в четырех измерениях – механические характеристики, требования к воздействию окружающей среды, требования к биосовместимости и общий бюджет – поможет вам выбрать оптимальный материал. Это дорогостоящая ошибка, которую часто допускают команды при переходе от прототипа к серийному производству.

Подбор материала в соответствии с условиями применения.

Если ваша деталь подвергается воздействию высоких температур или химически агрессивных сред, следует рассмотреть возможность использования суперсплавов. Титан — самый прочный материал для конструкционных деталей, где важен вес. Инструментальная сталь или нержавеющая сталь — наиболее экономичный материал для общего промышленного оборудования и инструментов. Медь — единственный металл, способный обеспечить теплоотвод, необходимый для современных электронных и энергетических систем.

Учитывайте требования к постобработке

Для достижения окончательных механических характеристик некоторым материалам требуется дополнительная обработка. Другие материалы, такие как H13 и 17-4 PH, требуют термообработки. Для устранения внутренней пористости в суперсплавах или титановых компонентах часто используется горячее изостатическое прессование. Для уплотнительных поверхностей и подшипниковых соединений часто требуется финишная обработка поверхности. Эти этапы могут увеличить время и стоимость проекта. При выборе материалов не следует рассматривать их как второстепенный вопрос. 

Для таких материалов, как инконель или титан, может потребоваться термообработка или горячее изостатическое прессование для устранения внутренней пористости и достижения необходимой механической прочности, что увеличивает время и стоимость проекта. Детали из нержавеющей стали, с другой стороны, обычно требуют только поверхностной обработки, такой как полировка или пескоструйная обработка, для соответствия требованиям к уплотнению и контакту с подшипниками. Понимание этих требований к постобработке для каждого материала до окончательного утверждения проекта помогает избежать перерасхода бюджета и задержек, вызванных неожиданными дополнительными этапами на поздних стадиях производства.

Сбалансируйте затраты и производительность.

Сталь дешевле суперсплавов. Однако производство и обработка титана и суперсплавов обходятся дороже. Анализ стоимости 3D-печати металлом следует проводить одновременно с выбором материала для проектов с ограниченным бюджетом. Наилучшее соотношение цены и качества обеспечивает нержавеющая сталь 316L, которая может использоваться в самых разных областях. Этот материал следует использовать по умолчанию, если только особые требования не предполагают более высокую производительность.

Металл для 3D-печать для автомобильных деталей

Автомобильная промышленность внедрила аддитивное производство металлов в гораздо больших масштабах, чем другие отрасли. Это связано с потребностью в легких конструкционных компонентах и ​​каналах охлаждения со сложной топологией. Кронштейны с оптимизированной топологией также пользуются высоким спросом. К материалам, подходящим для конструкционных компонентов, чувствительных к весу, относятся алюминиевые и титановые сплавы. Инструментальная сталь используется для штампов и оснастки. 

Изготовление впускных и выпускных коллекторов может осуществляться с помощью 3D-печати. ​​Также возможно изготовление кронштейнов, производственных инструментов и элементов подвески на заказ. В результате сокращается количество деталей, укорачиваются этапы сборки и достигается ощутимое улучшение соотношения производительности и веса в рамках различных автомобильных программ.

Распространенные ошибки при выборе материалов для 3D-печати металлом

Избегая распространенных ошибок при выборе, вы можете предотвратить задержки в производстве и сэкономить деньги.

• Если все сплавы напечатаны одинаково, Не все материалы одной группы могут быть распечатаны. Наиболее распространенные марки кованого алюминия, 6061 и 7705, не выпускаются в стандартном исполнении для систем порошковой металлургии.
• В смету не включены затраты на постобработку. Многие материалы, такие как инконель или титан, требуют термообработки и финишной механической обработки после печати. ​​Эти затраты часто упускаются из виду в бюджете, что приводит к значительным перерасходам на этапе производства.
• Излишняя детализация марки материала: Использование инконеля, если 316L демонстрирует аналогичные характеристики, увеличивает затраты на материалы и обработку. Материал следует выбирать в соответствии с условиями окружающей среды, а не исходя из максимально возможных технических характеристик.
• Пропуск оптимизации конструкции для аддитивных материалов: Детали из металла, изготовленные с помощью 3D-печати, позволяют создавать геометрические формы, недоступные при механической обработке. Замена детали, изготовленной механическим способом, без ее перепроектирования для аддитивного производства не будет экономически конкурентоспособной и приведет к потере основной ценности этой технологии.

Заключение 

Металлические материалы для 3D-печати доступны в различных вариантах по свойствам, ценам и областям применения. Медь позволяет создавать конструкции с оптимизированными тепловыми и электрическими характеристиками. Алюминий используется в областях применения, где критически важен вес, и где допустимы ограничения по возможности печати. ​​Для подбора подходящего материала для конкретного применения важно оценить механические свойства, совместимость с технологическим процессом, потребности в постобработке и общую стоимость.

Boda Tech помогает инженерным и закупочным командам выбирать оптимальные материалы, процессы и подходы к производству для своих проектов. Независимо от того, производите ли вы свою первую деталь из металла методом аддитивного производства или расширяете существующий рабочий процесс, наши решения вам помогут. Сервис 3D-печати Включает в себя подбор материалов, поддержку в проектировании и производство. Посетите нашу страницу, посвященную 3D-печати на заказ, или свяжитесь с нашей командой, чтобы обсудить ваш проект.

Часто задаваемые вопросы

Какие металлы чаще всего используются для 3D-печати и почему?

В настоящее время в аддитивном производстве наиболее часто используются такие металлы, как сталь (особенно нержавеющая сталь 316L и 17-4 PH), титан (Ti-6Al-4V), кобальт-хром, медь и литейные алюминиевые сплавы. Сталь является наиболее популярным металлом благодаря своей экономичности и универсальности в различных отраслях промышленности.

Какой металл самый прочный, напечатанный на 3D-принтере?

Самые твердые стали — это инструментальные стали. В частности, стали H13 и D2 подвергаются термообработке. Инконель 718 — это конструкционный сплав, обладающий исключительной прочностью на растяжение при высоких температурах. Титановые сплавы, такие как Ti-6Al-4V, являются самыми прочными по соотношению прочности к весу. Оптимальный выбор будет зависеть от того, измеряете ли вы предел текучести или твердость, усталостную прочность или характеристики при высоких температурах.

Насколько дорога 3D-печать металлом?

Металлическая 3D-печать обходится дороже в расчете на деталь, чем традиционная механическая обработка, при использовании в больших объемах для простых геометрических форм. Аддитивное производство часто оказывается дешевле для сложных геометрических форм или сплавов, которые трудно обрабатывать, таких как инконель или титан. На конечную стоимость сильно влияют выбор материала, технологии обработки и постобработка. Именно поэтому важно заранее смоделировать затраты.

Металл прочнее пластика?

Да, практически во всех конструкционных применениях. Металлические детали, напечатанные на 3D-принтере, обладают механическими свойствами, равными или превосходящими свойства их аналогов, изготовленных механическим способом из того же сплава. Хотя печать композитных материалов с непрерывным волокном позволяет достичь прочности на уровне алюминия, она не может сравниться с высокоэффективными сплавами в условиях высоких температур или больших нагрузок. Металл — единственный материал, который можно использовать в приложениях, связанных с несущими нагрузками, интенсивным износом или высокими термическими нагрузками.