Обзор металлических материалов для 3D-печати
3D-печать, также известная как аддитивное производствопозволяет создавать сложные металлические детали непосредственно на основе данных 3D CAD. В отличие от традиционных субтрактивных методов, таких как обработка на станках с ЧПУ, 3D-печать создает детали послойно без использования специальной оснастки и приспособлений.
3D-печать по металлу открывает новые возможности для изготовления индивидуальных, легких и высокопроизводительных металлических деталей со сложной геометрией. Аэрокосмическая, автомобильная, медицинская и оборонная промышленность все активнее применяют 3D-печать металлов для конечного производства.
Однако не все металлы легко поддаются 3D-печати. Наиболее распространенными металлическими материалами являются алюминий, титан, никель, нержавеющая сталь и кобальто-хромовые сплавы. Выбор материала зависит от конкретных требований к применению - прочности, коррозионной стойкости, высокотемпературных характеристик, биосовместимости и т.д.
Данное руководство содержит подробный обзор различных металлов и сплавов, используемых в 3D-печати. Мы рассмотрим состав, свойства, области применения, а также плюсы и минусы популярных металлических материалов, чтобы помочь вам выбрать материал, соответствующий вашим потребностям.
Основные выводы по материалам для металлической 3D-печати:
- Алюминиевые сплавы обеспечивают хорошее соотношение прочности и веса и коррозионную стойкость при более низкой стоимости.
- Титановые сплавы обеспечивают отличную прочность при низкой плотности и биосовместимости для применения в медицине.
- Нержавеющие стали обладают высокой прочностью и коррозионной стойкостью для изготовления оснастки и функциональных деталей.
- Никелевые суперсплавы способны выдерживать высокие температуры, что позволяет использовать их в аэрокосмической промышленности.
- Кобальтохромовые сплавы обеспечивают твердость, износостойкость и биосовместимость для стоматологических и медицинских имплантатов.
- Выбор материала зависит от механических требований, необходимости последующей обработки, стоимости и пригодности метода 3D-печати.
- Ориентация деталей, опорные конструкции, толщина слоя и параметры сборки должны быть оптимизированы для каждого металлического материала.
- Последующая обработка, например горячее изостатическое прессование, может улучшить конечные свойства детали.
Состав металлических материалов для 3D-печати
Состав легирующих элементов в металлах и микроструктура обеспечивают специфические свойства и определяют пригодность материала для 3D-печати.
Алюминиевые сплавы
Алюминий известен своей низкой плотностью и хорошей коррозионной стойкостью. Чаще всего используются деформируемые и литые алюминиевые сплавы:
| Тип сплава | Композиции |
|---|---|
| 6061 | Mg, Si, Cu, Cr |
| 7075 | Zn, Mg, Cu, Cr |
| A356 | Si, Mg, Cu |
6061 обладает лучшей коррозионной стойкостью, а 7075 - более высокой прочностью. A356 - литейный сплав.
Титановые сплавы
Титан обладает высокой прочностью и биологической совместимостью, но может быть трудно поддающимся обработке. Распространенные сплавы:
| Тип сплава | Композиции |
|---|---|
| Ti-6Al-4V | Al, V |
| Ti 6242 | Al, Sn |
Ti-6Al-4V обладает наилучшим балансом свойств и является наиболее широко используемым титановым сплавом.
Нержавеющие стали
Нержавеющие стали содержат Cr и Ni для обеспечения хорошей коррозионной стойкости. Некоторые используемые сплавы:
| Тип сплава | Композиции |
|---|---|
| 316L | Ni, Mo, Cr |
| 17-4PH | Ni, Cr, Cu |
| 303 | S, Cr, Ni |
316L обеспечивает превосходную коррозионную стойкость. 17-4PH - мартенситная нержавеющая сталь, закаливающаяся осаждением.
Никелевые суперсплавы
Никелевые суперсплавы обладают высокой прочностью и выдерживают экстремальные температуры. Распространенные сплавы:
| Тип сплава | Композиции |
|---|---|
| Инконель 718 | Ni, Cr, Fe, Nb, Mo |
| Инконель 625 | Ni, Cr, Mo, Nb |
Инконель 718 широко используется в аэрокосмической промышленности. Инконель 625 обладает превосходной коррозионной стойкостью.
Кобальтохромовые сплавы
Кобальтохромовые сплавы обеспечивают твердость, износостойкость и биосовместимость. Используются две основные марки:
| Тип сплава | Композиции |
|---|---|
| CoCrMo | Co, Cr, Mo |
| CoNiCrMo | Co, Ni, Cr, Mo |
Оба обеспечивают сходные свойства. Более широко используется CoCrMo.
Механические свойства металлических материалов
Механические свойства металла определяют эксплуатационные характеристики 3D-печатной детали. Ниже приведены типичные свойства широко используемых сплавов:
| Материал металл | Предел текучести (МПа) | Прочность на разрыв (МПа) | Удлинение (%) | Плотность (г/см3) |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | 230 | 450 | 8 | 2.68 |
| Ti-6Al-4V | 880 | 930 | 10 | 4.43 |
| Нержавеющая сталь 316L | 290 | 515 | 40 | 8 |
| Инконель 718 | 1138 | 1275 | 12 | 8.19 |
| Инконель 625 | 550 | 860 | 35 | 8.44 |
| CoCrMo | 655 | 860 | 8 | 8.3 |
- Алюминиевые сплавы обладают средней прочностью при отличном удлинении.
- Титановые сплавы обеспечивают очень высокую прочность, учитывая их низкую плотность.
- Нержавеющая сталь 316L обладает хорошей пластичностью и отличной коррозионной стойкостью.
- Суперсплавы инконеля отличаются высокой прочностью, но меньшей пластичностью.
- Кобальтовый хром обладает высокой твердостью, что затрудняет его обработку после печати.
Области применения 3D-печати металлов
Выбор материала зависит от конечного применения и конкретных требований к конструкции:
| Промышленность | Приложения | Используемые материалы |
|---|---|---|
| Аэрокосмическая промышленность | Лопатки турбины, кронштейны конструкции | Титановые сплавы, инконель, нержавеющая сталь |
| Автомобильная промышленность | Нестандартные детали, оснастка | Алюминий, низколегированная сталь |
| Медицина | Имплантаты, хирургические инструменты | Титан, кобальт-хром |
| Нефть и газ | Клапаны, насосы, оснастка | Нержавеющая сталь, инконель |
| Оборона | Сложные детали, легкая броня | Алюминий, титан |
Некоторые типичные приложения, использующие преимущества металлических деталей, напечатанных методом 3D-печати:
- Аэрокосмическая промышленность: Сложные и легкие кронштейны и конструктивные элементы
- Автомобили: Нестандартные детали для автоспорта
- Медицина: Имплантаты и хирургический инструментарий, ориентированные на конкретного пациента
- Нефть и газ: Высокопроизводительные клапаны и насосы для трубопроводов
- Оборона: Детали и легкие компоненты для транспортных средств и оборудования
Плюсы и минусы основных металлических материалов
Ниже приводится сравнение преимуществ и ограничений популярных металлических сплавов, используемых в 3D-печати:
| Материал | Плюсы | Cons |
|---|---|---|
| Алюминий 6061 | Низкая стоимость, хорошая коррозионная стойкость | Низкая прочность |
| Алюминий 7075 | Высокое соотношение прочности и массы | Сложность сварки |
| Титан Ti-6Al-4V | Высокая прочность, низкая плотность | Дорогой материал |
| Нержавеющая сталь 316L | Отличная коррозионная стойкость | Более низкая прочность по сравнению со сплавами |
| Инконель 718 | Выдерживает экстремальные температуры | Сложность обработки |
| Кобальтовый хром | Отличная износостойкость и биосовместимость | Ограниченная пластичность |
Поставщики материалов для 3D-печати из металла
Многие компании поставляют металлические порошки и проволоку специально для процессов 3D-печати:
| Материал | Основные поставщики |
|---|---|
| Алюминиевые сплавы | AP&C, Sandvik, HC Starck |
| Титановые сплавы | AP&C, TLS Technik, Tekna |
| Нержавеющие стали | Sandvik, Carpenter Additive |
| Никелевые суперсплавы | AP&C, Sandvik, Praxair |
| Кобальтохромовые сплавы | AP&C, Sandvik, SLM Solutions |
Такие факторы, как качество порошка, его консистенция, форма и распределение частиц по размерам, влияют на свойства конечной детали и стабильность процесса печати. Известные поставщики предлагают хорошо зарекомендовавшие себя сплавы, специально разработанные для АМ.
Анализ затрат на материалы для 3D-печати металлов
Затраты на материалы составляют значительную часть стоимости конечной детали при 3D-печати металлов. Ниже приведены примерные ценовые диапазоны:
| Материал | Стоимость за кг | Стоимость за см3 |
|---|---|---|
| Алюминиевые сплавы | $50-$150 | $0.15-$0.45 |
| Титановые сплавы | $350-$1000 | $1.00-$3.00 |
| Нержавеющие стали | $90-$250 | $0.25-$0.75 |
| Инконель 718 | $350-$600 | $2.50-$4.50 |
| Кобальтовый хром | $500-$1200 | $3.50-$8.50 |
- Наиболее дорогими являются титановые и кобальтохромовые сплавы, в то время как цены на алюминий умеренны.
- Стоимость материалов зависит от объема сборки - более крупные детали из дорогих сплавов требуют большего бюджета на материалы.
- Оптимизация, направленная на сокращение отходов вспомогательного производства и последующей обработки, может способствовать снижению эффективных материальных затрат.
Стандарты на металлические порошки
Для обеспечения повторяемости отпечатков высокого качества металлические порошки, используемые в 3D-печати, должны соответствовать определенным минимальным стандартам:
| Недвижимость | Основные стандарты |
|---|---|
| Распределение частиц по размерам | ASTM B822, ISO 4490 |
| Текучесть | ASTM B213, ISO 4490 |
| Кажущаяся плотность | ASTM B212, ISO 3923 |
| Плотность отвода | ASTM B527, ISO 3953 |
| Химический состав | ASTM E1479, анализ ОЭС |
- Качество порошка влияет на такие свойства конечной детали, как плотность, качество поверхности и механические свойства.
- Сферические порошки с контролируемым гранулометрическим составом обладают отличной текучестью.
- Постоянство химического состава и плотности обеспечивает стабильность и воспроизводимость процесса.
Методы 3D-печати для металлов
Различные технологии 3D-печати могут обрабатывать металлы и сплавы:
| Метод | Материалы | Основные преимущества | Ограничения |
|---|---|---|---|
| Порошковая кровать Fusion | Большинство сплавов | Отличная точность и качество обработки поверхности | Медленные темпы строительства |
| Направленное энергетическое осаждение | Большинство сплавов | Наращивание характеристик на существующих деталях | Более низкое разрешение |
| Струйная обработка вяжущего | Нержавеющая сталь | Высокая скорость печати | Низкая прочность |
| Экструзия металла | Ограниченные сплавы | Низкая стоимость оборудования | Низкая плотность |
- Технологии с порошковым слоем, такие как DMLS, обеспечивают высочайшее разрешение и точность.
- Струйная обработка связующим позволяет работать с более широким диапазоном сплавов, но имеет более низкую конечную прочность детали.
- Направленное осаждение энергии позволяет печатать крупные детали почти сетчатой формы.
Требования к постобработке
Печатные металлические детали, как правило, требуют последующей обработки для достижения требуемых свойств:
| Постобработка | Назначение | Используемые материалы |
|---|---|---|
| Удаление опоры | Демонтаж опорных конструкций | Сплавы с тонкими, хрупкими опорами |
| Снятие стресса | Снижение остаточных напряжений | Все сплавы |
| Горячее изостатическое прессование | Повышение плотности, улучшение свойств | Все сплавы |
| Обработка поверхности | Улучшение шероховатости поверхности | Все сплавы |
| Термическая обработка | Модификация микроструктуры | Возрастно-твердеющие сплавы, такие как алюминий |
| Обработка | Точные размеры и качество обработки поверхности | Большинство сплавов |
- Для всех сплавов рекомендуется термическая обработка с целью снятия напряжений для предотвращения деформации.
- HIP-обработка позволяет значительно улучшить конечные свойства материала.
- Обработка с ЧПУ обеспечивает точность размеров и чистоту поверхности.
Как выбрать металлический материал для 3D-печати
Следуйте этим рекомендациям для выбора оптимального металлического материала:
- Соответствие свойств сплава требованиям конструкции, таким как прочность, твердость, термостойкость и т.д.
- Учитывайте необходимость последующей обработки - некоторые сплавы, например инконель, сложны в обработке.
- Оцените размер и геометрию детали - некоторые металлы, например алюминий, лучше подходят для крупных деталей.
- Оценить объемы производства - создать прототип из более дешевого материала, а затем перейти на сплавы с более высокими характеристиками.
- Учет доступности и стоимости материалов на ранней стадии проектирования.
- Для выбора оптимального материала тесно сотрудничайте с поставщиком услуг 3D-печати.
- Оптимизация параметров печати, таких как ориентация и толщина слоя, в зависимости от конкретного выбранного сплава.
- Проведение тестовых сборок и испытаний характеристик материалов перед началом производства.
Вопросы и ответы
Вопрос: Какой металлический сплав обладает наибольшей прочностью для 3D-печати?
Ответ: Суперсплавы инконеля, например инконель 718, обладают наибольшей прочностью на растяжение, но менее пластичны. Титан Ti-6Al-4V имеет самое высокое отношение прочности к массе.
Вопрос: Являются ли детали, напечатанные 3D-печатью из нержавеющей стали, устойчивыми к коррозии?
О: Да, 316L и другие сплавы нержавеющей стали сохраняют свою превосходную коррозионную стойкость после 3D-печати.
Вопрос: Какой титановый сплав наиболее часто используется в 3D-печати?
О: Ti-6Al-4V - самый популярный титановый сплав, составляющий 90% от всего объема титановой 3D-печати. Он обладает наилучшими универсальными свойствами.
Вопрос: Какой алюминиевый сплав лучше всего подходит для 3D-печати?
О: Наиболее широко применяются 6061 и 7075, причем 6061 обеспечивает хорошую коррозионную стойкость при меньшей стоимости, а 7075 выбирается для высокопрочных конструкций.
Вопрос: Обязательны ли этапы постобработки для металлических 3D-печатных деталей?
О: Для достижения оптимальных свойств и эксплуатационных характеристик материала настоятельно рекомендуется проводить последующую обработку, такую как удаление наростов, снятие напряжений и финишная обработка поверхности.
Вопрос: Какой процесс 3D-печати работает с наиболее широким спектром металлических сплавов?
Ответ: Струйное нанесение связующего и осаждение с направленной энергией могут работать с большинством сплавов, однако сплавление в порошковом слое позволяет получать детали с более высоким разрешением.
Вопрос: Как соотносится точность деталей при механической обработке и 3D-печати металлов?
Ответ: Детали, обработанные на станках с ЧПУ, обеспечивают более жесткие допуски и лучшую чистоту поверхности, чем 3D-печать металлов. Однако 3D-печать позволяет создавать более сложные геометрические формы.
Вопрос: Какой процесс металлической 3D-печати имеет самую высокую скорость сборки?
О: Струйное нанесение связующего позволяет достичь самых высоких скоростей печати, создавая детали в 10 раз быстрее, чем при сплавлении в порошковом слое.
