Порошком не только стирают, но и печатаю в 3d

Порошки для 3D печати – разнообразие материалов, исследования и разработки в области совершенствования их свойств

На самом деле порошковые материалы редко бывают однородными по составу. Порошковая 3D-печать позволяет смешивать частицы из разных материалов и таким образом получать уникальные сплавы с превосходными механическими, функциональными и эстетическими свойствами. Исследовательские центры по всему миру активно развивают это направление сектора.

Следовательно, невозможно дать точное определение группы порошкообразных материалов или классифицировать их по функциям или свойствам. Поэтому кратко рассмотрим наиболее распространенные виды порошковых материалов, используемых для 3D-печати.

● Керамический порошок. Мелкодисперсная жидкая смесь, позволяющая печатать изделия различных оттенков, фактур, с разными механическими свойствами. Готовое изделие требует обжига и глазирования.

● Графен — одноатомная углеродная модификация графита с уникальными физико-химическими свойствами, изучение которой все еще находится в зачаточном состоянии. Считал материалом будущего.

● Металлические порошки — порошки металлов, смеси металлов, смеси неметаллов с металлами.

● Цементные смолы представляют собой порошковые материалы, подобные бетону, которые могут значительно улучшить физические свойства полимеров.

● Гипсовый порошок: 3D-печать превращает этот материал в удобный строительный материал с различными декоративными и физическими свойствами, например аналог песчаника с оптимизированными механическими свойствами.

● Композитный порошок на основе гипса для использования на 3D-принтерах Systems Projet с использованием технологии цветной струйной печати

● Гипс — порошковая смесь для строительного 3D-принтера, придающая лицевым поверхностям новые качества.

● Нержавеющая сталь — смесь стального порошка и связующих для печати на прочном металлическом материале с высокими антикоррозийными свойствами.

● Термопластические порошки — смеси пластиков различного состава, имеющие широкий спектр применения в технологиях спекания и плавления различных материалов. Они отличаются большим разнообразием качеств, характеристик и свойств.

Особенности технологии 3DP

Струйная печать — один из самых популярных методов аддитивного производства, предполагающий использование металла в качестве расходных материалов. Но эта технология позволяет создавать только составные модели из любого материала, превращенного в порошок. Связывание порошка происходит с помощью полимеров, поэтому готовые модели полностью металлические. С другой стороны, композитные модели могут быть преобразованы в цельнометаллические модели путем термообработки, плавления, сжигания связующего или спекания металлических частиц.

Сформованные таким образом модели не отличаются высокой прочностью из-за пористой структуры, поэтому прочность можно повысить, пропитав цельнометаллическую модель. Например, стальную деталь можно пропитать бронзой, чтобы сделать конструкцию более прочной. С помощью этой технологии можно получать модели не очень высокой прочности, востребованные в ювелирной или сувенирной индустрии.

Метод ламинирования (LOM)

Эта технология привлекает внимание, поскольку ламинирование осуществляется путем нанесения тонких листов материала, которые формируются путем механической или лазерной резки и склеивания. Так создается 3D-модель. В этом производстве также может использоваться металлическая фольга в качестве расходного материала. Полученные 3D-модели не являются полностью металлическими, так как они склеены с помощью клея, используемого для склеивания расходных листов. К положительным особенностям данной продукции можно отнести экономичность печати и высокую внешнюю схожесть получаемых моделей с цельнометаллическими изделиями. Чаще всего этот метод широко используется при прототипировании.

Послойное наплавление FDM

Металлический порошок также используется в 3D-печати по технологии FDM. Этот метод позволяет использовать металлический порошок, но печать чистыми металлами и сплавами не дала эффективных результатов. Тугоплавкие металлы нельзя использовать из-за трудностей с выбором высококачественного экструдера, способного выдерживать высокие температуры. Легкоплавкие металлы позволяют создавать только узоры, которые не будут широко использоваться на практике.

В результате используются более современные материалы — композиты, в состав которых входят термопласты (например, PLA) и бронзовый порошок. Полученные модели отличаются визуальным сходством с натуральной бронзой, возможностью шлифовки, но физико-химические свойства изделий очень ограничены. Такие композиты имеет смысл использовать для создания моделей выставок, сувениров и арт-объектов.

Выборочное лазерное спекание SLS

В большинстве 3D-принтеров на металлическом порошке используются лазерные машины, которые спекают частицы металлического порошка. Технология лазерного спекания предполагает использование металлов и термопластов в виде порошка. Металлические материалы часто покрываются металлами с низкой температурой плавления, что позволяет использовать лазерные излучатели меньшей мощности. В таких случаях требуется дальнейшее спекание металлических моделей в печах, после чего их пропитывают для достижения большей прочности.

Технология прямого лазерного спекания DMLS ориентирована на обработку чистым металлическим порошком. Эти модели имеют герметичные рабочие камеры, заполненные инертным газом, что позволяет работать с разными металлами. Еще одна особенность DMLS-печати — это возможность нагревать расходные материалы, что позволяет экономить мощность лазерных систем.

3d принтер порошковый металл: где взять материал?

3D-принтер с металлическим порошком — это самый быстрорастущий сегмент 3D-печати на сегодняшний день. Рост аддитивного производства связан с возможностями для бизнеса. Причем напрямую с имеющимися материалами и их стоимостью. Конечно, дешевый металлический порошок — ключевой фактор для 3D-печати. В результате они реализуют свой потенциал и трансформируют промышленное производство.

Доступный по цене металлический порошок для 3D-принтера для аддитивного производства используется в различных сферах. Например, медицина, авиакосмическая промышленность, ювелирные изделия, автомобилестроение и т.д.

Виды порошковых металлов

— инструментальные и штампованные стали,

— Нержавеющая сталь,

— алюминиевые сплавы,

— Суперсплавы на основе кобальта, хрома и никеля,

— Технически чистый титан и титановые сплавы,

— Медные сплавы

— Драгоценные металлы (золото, платина, палладий, серебро).

3d принтер порошковый металл варьируется:

— весовые

— фасованные (от сферических до неправильных).

Соответственно, характеристики обработки металлических систем AM также различаются.

Производители машин тесно сотрудничают с поставщиками порошков. Чтобы обеспечить постоянство и воспроизводимость качества металлического порошка для 3D-принтера.

Производители металлических AM-систем — EOS, Concept Laser, ARCAM и т.д. Предоставляют утвержденные порошковые материалы. Но многие порошки, вероятно, распыляются где-то еще. Стоимость их выше, чем покупка порошка напрямую у производителя.

Порошки для традиционных порошковых процессов готовятся:

— горячее изостатическое прессование (ГИП),

— литье металла под давлением (MIM)

— спекание порошка (ПС).

Компании, которые их производят, увеличивают долю рынка в этом быстрорастущем секторе.

Конечно, если им удастся выполнить требования по производству металлических добавок. Цепочка поставок 3D-принтеров на металлическом порошке постоянно развивается. Следовательно, они подвержены технологическим сбоям со стороны новаторов.

Литье металлических сплавов

При плавлении металлических сплавов первым начинает затвердевать элемент с наивысшей температурой плавления. Однако по мере того как отливка охлаждается от поверхности к центру, в зернах будут значительно отличаться концентрации легирующих элементов. Концентрация будет варьироваться по всему произведению. В результате зерна будут формироваться в определенной ориентации. Конечно, свойства материала не будут однородными или изотропными.

В процессах аддитивного производства металлов небольшое количество материала растворяется за один прием. В результате для сплавов происходит некоторая сегрегация легирующих элементов. Но в гораздо меньших масштабах. В результате быстрое затвердевание приводит к более однородному химическому составу и микроструктуре всей детали.

Порошковые технологии и расходные материалы

Наиболее распространены порошковые технологии: SLS — селективное лазерное спекание; SLM — лазерное плавление частиц; DMLS — Прямое лазерное спекание; Технология CJP (3DP) для послойного производства гипсового композита. Технология селективного спекания применяется при работе с металлами, полиамидами и порошками пластмасс. Прямая лазерная плавка и спекание — для работы с металлическими порошками.

CJP(3DP) — технология для работы с порошками на основе гипса

Технология 3D-печати из гипса, суть которой заключается в склейке и послойном окрашивании композитного порошка на основе гипса или пластика, имеет широкий спектр практических применений. Для работы используются два компонента: основной и соединительный. Первый служит основой для слоев продукта, второй формирует продукт, окрашивая и склеивая частицы композитного порошка.

Эта технология используется для создания прототипов, презентационных образцов, архитектурных и других моделей, сувениров, миниатюр и многого другого. Преимущество метода CJP — невысокая стоимость, отсутствие поддерживающего материала, высокая точность печати, возможность создавать как монохромные, так и цветные изделия.

Основными производителями порошкового металла для 3d принтера являются:

• Порошок для 3D-печати ATI Powder Metalssandvik metal
• Плотник
• Эрастил
• Технология LPW
• Технология Metallysis
• AP&C
• Sandvik Osprey
• TLS
• GKN Hoeganaes
• ХК Старк
• Praxair
• Метко

Свойства изделий, напечатанных по CJP технологии

Высокая точность гипсовой порошковой печати позволяет создавать модели с тонкими стенками и различным уровнем сложности поверхности изделий. Напечатанные прототипы легко подвергаются постобработке, в ходе которой их можно склеивать, шлифовать, красить, обрабатывать фиксаторами, смолой, воском.

Модели, изготовленные из порошка на основе гипса, отличаются презентабельным внешним видом, цветом и высокой детализацией. Благодаря этим качествам они широко востребованы в различных демонстрационных целях: образовательных, маркетинговых, демонстрационных, выставочных, научных и других.

SLS – аддитивный метод с большими возможностями

Этот тип порошковой 3D-печати был запатентован в 1989 году. Его изобретателями являются доктор Карл Декарт и его студенты из Университета Остина в Техасе. Сегодня существует два типа технологий: SLS-печать металлическими порошками и SLS-печать полиамидными порошками.

Готовые изделия из металлических порошков после отделки визуально практически не отличаются от оригиналов, созданных традиционными методами, например, методом литья. Однако по физическим характеристикам они могут существенно различаться. Например, легкость, сила.

Модели из смесей пластмассовых порошков отличаются повышенной ударопрочностью, износостойкостью, изотропностью и устойчивостью к термическим и химическим воздействиям. Порошки на пластиковой основе по большей части представляют собой технический материал с высоким качеством поверхности и детализацией.

В зависимости от используемого порошкового материала стойкость, продолжительность и температура приготовления могут варьироваться. Способ обжига также различается: лазер может воздействовать на всю глубину слоев или только по границам между слоями.

Преимущества технологии SLS:

● нет необходимости в вспомогательных материалах;
● ускоряется процесс изготовления продукта, так как нет необходимости полностью плавить частицы;
● есть возможность одновременного производства нескольких изделий;
● есть возможность изготовления крупногабаритных изделий;
● высокие показатели механических свойств изделий.

Требования к дизайну модели

Минимальная толщина стенки: 0,4 мм
Минимальная толщина выпуклой или гравированной части: 0,5 мм
Точность: 0,2 мм для детали размером до 10 см и не более 1-2% для размера более 10 см
Максимальные размеры модели: 280 x 280 x 350 мм
Минимальный размер модели: 3x3x3 мм
Минимальный диаметр отверстия для удаления пыли: 2 мм
Минимальное расстояние между двумя частями или стенами: 1 мм
Формат файла: STL

Использование нескольких моделей в файле STL, связанных частей или частей в части не допускается.

Производство металлических добавок: 3d принтер порошковый металл характеристики?

Металлические порошки, используемые в аддитивном производстве, должны иметь:

— сферическая форма для обеспечения хорошей гладкости / покрывающей способности и высокой плотности упаковки,

— размер частиц обычно составляет менее 50 микрон или 150 микрон, в зависимости от типа машины и требуемого качества поверхности или характеристик,

— гранулометрический состав с учетом применения и свойств,

— и, наконец, химический состав и контролируемое содержание газа.

Получение металлических порошков — в чем различие?

Распыление воды — самый распространенный и недорогой метод получения металлических порошков. Высокое давление воды влияет на поток большего количества расплавленного металла. Это сочетается с высокой скоростью охлаждения. Это приводит к образованию частиц пыли. Которые имеют жесткую и неправильную форму.

Неправильная форма менее желательна для частиц порошка, предназначенных для аддитивного производства. Поскольку при этом увеличивается время истечения. Это также может снизить плотность упаковки. Однако при определенных условиях можно получить сферические порошки с оптимизированным гранулометрическим составом для аддитивного производства.

В отличие от распыления воды, порошки для распыления газа предпочтительнее распыления воды для аддитивного производства. Газовое напыление стало наиболее распространенным методом получения металлических порошков.

Сырье плавят в атмосфере воздуха или инертного газа или в вакууме. Затем камера заполняется газом, чтобы протолкнуть расплавленный сплав через сопло. Газ с высокой скоростью (воздух, азот, гелий или аргон) входит в расплав и распадается на мелкие капли.

Межфазные натяжения естественным образом имеют сферическую форму на поверхности капель расплавленного металла. Они охлаждаются и падают на дно распылительной башни, где собираются порошки. Технология газового распыления обеспечивает получение качественных порошков для различных процессов аддитивного производства. Например, селективное лазерное плавление (SLM), электронно-лучевое плавление (EBM), прямое нанесение энергии (DED) и инфильтрация.

Прочность

Есть причина, по которой металлопластик не используется в производстве. Композиционный материал не обладает прочностью, долговечностью и пластичностью чистого металла. Кроме того, добавление металлических порошков к нити PLA делает ее более хрупкой, чем чистый PLA.

Объекты, напечатанные из металлических композитных волокон, очень хрупкие.

Порошковый металл может быть охарактеризован в соответствии с различными стандартными методами, используемыми для гранулированных материалов:

— Холловский поток: расход и насыпная плотность.

— Анализ текучести и реологических свойств порошка.

— Угол естественного откоса: самый крутой угол опускания, при котором порошки могут наноситься без опускания.

— Удельный вес: насыпная плотность порошка после уплотнения / сжатия.

— Морфология методом сканирующей электронной микроскопии.

— Пористость, обнаруженная с помощью сканирующей электронной или оптической микроскопии.

— Лазерная дифракция: гранулометрический анализ.

— Ситовой анализ: оцените гранулометрический состав.

— Определение влажности: вода механически удерживает воду на поверхности или между частицами материала.

— Анализ химического состава: количество металлических, неметаллических примесей. Это элементарная форма, растворенная в виде твердого раствора или в виде соединений).

— Наконец, порошки упаковываются в прочные и влагостойкие контейнеры из полиэтилена высокой плотности. Чистый титан и сплавы упаковываются в аргон, тогда как другие материалы обычно упаковываются в обычном воздухе.

SLM, DMLS и другие технологии сплавления порошков в 3d принтере

Первоначальная идея метода SLM появилась в 1995 году в Институте лазерных исследований Фраунгофера в Германии. Таким образом, ряд ученых, занимающихся аналогичными исследованиями, объединили усилия и запатентовали свою технологию. Примерно в то же время другие исследовательские центры также запатентовали свои собственные идентичные методы порошковой 3D-печати SLM, дав им разные названия.

Для изготовления деталей из порошковых сплавов методом 3D-печати используются такие методы, как: SLM, DMLS, LaserCUSING, EBM, SLS. Когда дело доходит до сходства часто путаемых технологий SLS и SLM, есть принципиальные различия. В первом случае частицы спекаются вместе, во втором они сливаются и превращаются в очень жесткий каркас.

Производство металлических добавок дает уникальную микроструктуру и механические свойства

Дополнительные металлические детали могут подвергаться очень высокой скорости охлаждения. Обычно это приводит к нескольким необычным эффектам в зависимости от материала, например:

— Подавление диффузионных твердофазных превращений.

— Образование пересыщенных растворов и неравновесных фаз.

— Формирование очень тонких и утонченных микроструктур с небольшой элементарной сегрегацией.

— Образование очень мелких частиц второй фазы, таких как включения и карбиды.

Конечно, иногда эти эффекты желательны, но их нужно учитывать в каждом конкретном случае.

Электронно-лучевое сплавление и его особенности

EBM — это технология, в которой электронный луч действует как лазер. Этот способ более сложный, но он считается наиболее удобным и эффективным для работы с металлическими сплавами, такими как титан. Изделия, изготовленные из порошков электронно-лучевого плавления, обладают высокой прочностью, износостойкостью и малым весом.

Преимущества технологий печати продукции на 3D-принтерах из порошковых материалов:

● возможность реализации любой категории сложности геометрии изделия;
● высокая точность воспроизведения копии;
● характеристики высокого сопротивления;
● легкий вес;
● высокие показатели жаростойкости.

В поисках низкой пористости, тонкой микроструктуры и однородных свойств порошкового металла для 3d принтера!

Повторное получение материалов аддитивного производства с эталонной плотностью 100%, несомненно, является проблемой. Конечно, методы аддитивного производства металлов могут обеспечить плотность выше 99%. Но некоторые материалы представлены в полной плотности. В то время как другие представляют диапазон плотностей.

На плотность влияет развитие пор или улавливание нерасплавленных порошков во время наслоения. Иногда для увеличения плотности производства применяется горячее изостатическое прессование.

С механической точки зрения пористость снижает ударопрочность и усталостные свойства деталей AM. Прежде всего «открытая» пористость. Фактически, в условиях циклического напряжения пористость или частичное расслоение могут вызвать трещины и привести к поломке деталей. Например, для несущих нагрузок в аэрокосмической промышленности критическими требованиями являются прочность и сопротивление усталости.

Распределение частиц металлического порошка

Гранулометрический состав металлического порошка влияет на плотность деталей AM. Хотя высокой плотности можно добиться с помощью разных видов порошка. Поэтому параметры процесса должны быть соответствующим образом скорректированы. Производительность явно меняется. Кроме того, гранулометрический состав влияет не только на плотность. Но также от механических свойств и качества поверхности деталей.

Серьезной проблемой в металле ALM является прогрессирующая деградация металлических порошков. Это происходит во время обработки из-за воздействия на слой пыли кислорода и других загрязняющих веществ. Существует большая потенциальная потребность в рентабельных методах восстановления металлических порошков.

Настройки принтера

Настройки принтера для печати металлических композитных нитей

Простота использования

Поскольку в качестве основного материала PLA используются металлокомпозитные нити, к ним можно применить те же настройки, что и при печати PLA. Это здорово, потому что PLA — это самый простой тип материала для 3D-печати, поэтому он так популярен. Композитная металлическая нить накаливания печатается при низкой температуре, около 200 ° C. Его также можно распечатать, не нагревая стол. Фактически, нити с металлическим наполнением даже менее склонны к короблению, чем обычные PLA.

Два образца печати, левый PLA, правый CopperFill, были напечатаны с одинаковыми настройками печати. Фактически, обе модели использовали один и тот же g-код для печати.

Однако есть некоторые предостережения при использовании нитей с металлическим наполнением, что делает их более сложными в использовании, чем обычные нити PLA.

Во-первых, металлический порошок в нити делает этот тип специализированного сырья более абразивным, чем чистый пластик. Большинство 3D-принтеров поставляются с латунным соплом. Однако латунь является относительно мягким металлом и ее можно истирать абразивными металлическими композитными нитями, что медленно ухудшает качество печати принтера.

Слева — стандартное латунное сопло после многих часов печати, включая около 3 кг металлической нити. Справа — новая закаленная насадка. Вы можете видеть, что сопло слева начало разрываться из-за абразивно-металлической композитной нити.

Во-вторых, металлические нити не работают так же хорошо, как чистый пластик, и не так хорошо, как другие материалы. Как упоминалось ранее, металлокомпозитные нити намного тяжелее обычных пластмасс, что затрудняет удержание насадок в воздухе для этого материала по мере затвердевания пластика.

Металлическое содержание композитной нити также позволяет материалу сохранять тепло дольше, чем обычный пластик. Фактически, это хорошая защита от деформации, так как это означает, что детали охлаждаются медленнее и равномернее. Однако это также затрудняет строительство моста и навесов.

Для достижения наилучших результатов детали должны быть сконструированы с минимальным количеством перемычек и выступов, в противном случае потребуется дополнительный поддерживающий материал. Если ваша деталь имеет выступы, не забудьте включить создание опор под довольно крутым углом.

Использование опор для выступающих элементов печатаемого объекта

Наиболее подходящие проекты для печати филаментом с металлическим наполнителем

Декоративные объекты

Учитывая, что металлические композитные нити в основном полезны из-за их эстетических свойств, они очень подходят для объектов декоративной печати: настольные фигурки, статуэтки, пресс-папье, настенное искусство — некоторые примеры распространенных декоративных объектов из композитного пластика.

Ювелирные изделия

Металлическая нить накала может быть напечатана на ювелирных изделиях, что позволяет дизайнерам создавать прототипы дизайна или даже печатать образцы продукции без необходимости литья металла.