Polvos metálicos para impresión 3D
Los polvos metálicos son la materia prima más importante para la impresión 3D de piezas metálicas, y las propiedades del polvo son uno de los factores más importantes que afectan la calidad de los productos de impresión 3D metálicos. Los materiales en polvo con un diámetro de menos de 1 mm generalmente se consideran adecuados para la impresión 3D, pero los productos metálicos impresos en 3D de alta calidad tienen requisitos más altos en cuanto a la forma, el tamaño de las partículas y la pureza del polvo. Los principales tipos de equipos de impresión 3D son la distribución de polvo, la alimentación de polvo coaxial y la alimentación de polvo lateral, según el método de reposición de polvo. La pieza final de impresión 3D de alimentación de polvo lateral
La precisión de la forma y las dimensiones de la pieza final es baja, la energía del láser no se puede utilizar por completo y la tasa de utilización del polvo es baja. Por lo tanto, el equipo de impresión 3D de metal de alta calidad es principalmente Los dos métodos principales de reposición de polvo son la distribución de polvo o la alimentación coaxial de polvo.
A diferencia de la tecnología tradicional de fabricación de materiales metálicos con su enorme equipo, procesos largos, alto consumo de energía, contaminación y baja utilización de materiales, la impresión 3D de metales tiene las siguientes ventajas: (1) alta utilización general de materiales; (2) sin necesidad de abrir moldes, pocos procesos de fabricación y tiempo de ciclo corto; (3) puede fabricar piezas con estructuras complejas; (4) diseño libre de acuerdo con los requisitos de propiedad mecánica, sin considerar los procesos de fabricación. En los últimos años, la impresión 3D de metal se ha desarrollado rápidamente, con GKN Aerospace suministrando a las francesas Airbus y Safran toberas de cohetes Ariane 6 (SWAN) de 2,5 m de diámetro, procesando componentes estructurales clave a través de procesos de soldadura láser y deposición de energía láser, reduciendo la cantidad de componentes de la tobera. de
aproximadamente 1000 a aproximadamente 100 piezas, reduciendo los costos en 40% y los tiempos de entrega en 30%. La impresión 3D en metal se utiliza principalmente para proporcionar una producción rápida de modelos para el diseño industrial y el mecanizado de moldes complejos, así como la producción de lotes pequeños, estructuras complejas, alto rendimiento y componentes metálicos de gran tamaño. La impresión 3D de metal utiliza polvo de metal como material aditivo y utiliza métodos de formación rápida como la fusión selectiva por láser (SLM), la fusión selectiva por haz de electrones (EBSM) o la formación cercana a la red por láser (LENS) para transformar rápidamente directamente un modelo digital computarizado en un parte solida Las piezas metálicas impresas en 3D de alta calidad para aplicaciones aeroespaciales, de defensa, médicas, automotrices y electrónicas deben tener alta resistencia, precisión dimensional, hermeticidad y peso ligero. Medios de control de calidad para los procesos de impresión 3D de metal Además del equipo de impresión, las propiedades del polvo metálico, incluida la esfericidad y la limpieza del polvo, la distribución del tamaño de las partículas
la esfericidad y la limpieza del polvo, la distribución del tamaño de las partículas, el contenido de oxígeno, la fluidez y la densidad de empaque suelto La calidad del polvo metálico, incluida la esfericidad y la limpieza del polvo, la distribución del tamaño de las partículas, el contenido de oxígeno, la fluidez y la densidad aparente, también tienen un impacto significativo.
Indicadores clave de rendimiento de los polvos metálicos para impresión 3D
(1) Pureza. Las inclusiones cerámicas pueden reducir significativamente el rendimiento de la pieza final y, por lo general, estas inclusiones tienen un punto de fusión alto y son difíciles de sinterizar para darles forma, por lo que el polvo debe estar libre de inclusiones cerámicas. Además, el contenido de oxígeno y nitrógeno debe controlarse estrictamente. La tecnología actual de preparación de polvo para la impresión 3D de metal se basa principalmente en la atomización (incluidas técnicas como la aerosolización y la atomización con electrodo rotatorio), donde el polvo tiene una gran superficie específica y se oxida fácilmente. En aplicaciones aeroespaciales y otras aplicaciones especiales, los requisitos del cliente para este indicador son más estrictos, como un contenido de oxígeno en polvo de aleación de alta temperatura de 0.006% ~ 0.018%, contenido de oxígeno en polvo de aleación de titanio de 0.007% ~ 0.013%, contenido de oxígeno en polvo de acero inoxidable de 0.010% ~ 0.025% (todas las fracciones de masa). Para el polvo de aleación de titanio, el nitrógeno, el hidrógeno y el titanio a altas temperaturas formarán TiN y TiH2, lo que reduce la plasticidad y la tenacidad de la aleación de titanio. Por lo tanto, el proceso de preparación del polvo debe controlarse estrictamente para la atmósfera.
(2) Distribución del tamaño de las partículas de polvo. Como se mencionó anteriormente, diferentes equipos de impresión 3D y procesos de formación requieren diferentes distribuciones de tamaño de partículas de polvo. En la actualidad, el rango de tamaño de partículas de polvo comúnmente utilizado para la impresión 3D de metal es de 15-53 μm (polvo fino), 53-105 μm (polvo grueso), que puede reducirse a 105-150 μm (polvo grueso) en algunas ocasiones [ 11]. La impresión 3D con selección de tamaño de partícula de polvo metálico se basa principalmente en las diferentes fuentes de energía de las impresoras de metal, con láser como fuente de energía de la impresora, debido a su punto de enfoque fino, más fácil de derretir Polvo fino, adecuado para usar 15 ~ 53 μm polvo como consumible, método de reposición de polvo para polvo de colocación capa por capa; al haz de electrones como fuente de energía de la impresora de tipo de polvo de colocación, punto de enfoque ligeramente grueso, más adecuado para derretir polvo grueso, adecuado para usar polvo grueso de 53 ~ 105 μm como principal; para la impresora de tipo de alimentación de polvo coaxial puede usar el tamaño de partícula de 105 ~ 150 μm de polvo como consumibles.
(3) Morfología del polvo. La morfología del polvo y el método de preparación del polvo están estrechamente relacionados, generalmente desde el gas metálico o el líquido fundido hasta el polvo, la forma de las partículas de polvo tiende a ser esférica; del estado sólido al polvo, las partículas de polvo tienen una forma más irregular; y por el método de electrólisis en solución acuosa para preparar el polvo más dendrítico. En términos generales, cuanto mayor sea la esfericidad, mejor será la fluidez de las partículas de polvo.
Polvos metálicos para impresión 3D requieren una esfericidad de 98% o más, lo que facilita la distribución y alimentación del polvo durante la impresión. Los métodos de aerosol y de electrodo rotatorio son los métodos principales para la preparación de polvos metálicos de impresión 3D de alta calidad.
- Fluidez del polvo y densidad de empaque suelto. La fluidez del polvo afecta directamente la uniformidad de la distribución del polvo y la estabilidad del proceso de alimentación del polvo en el proceso de impresión. (4) Fluidez del polvo y densidad aparente. La fluidez está relacionada con la morfología del polvo, la distribución del tamaño de las partículas y la densidad aparente. Cuanto más grandes sean las partículas de polvo, mayor será la distribución del tamaño de las partículas y la densidad del polvo. Cuanto más grandes sean las partículas de polvo, más regular será la forma de las partículas y menor será la proporción de polvo muy fino en la composición del tamaño de las partículas Cuanto más grandes sean las partículas de polvo, más regular será la forma de las partículas y menor será la proporción de polvo muy fino en la partícula composición de tamaño, mejor es la movilidad. Partícula La densidad permanece igual, la densidad relativa aumenta y la movilidad del polvo aumenta. Partículas La adsorción de agua, gases, etc. en la superficie reducirá la fluidez del polvo. La densidad de empaque suelto es una unidad de volumen de polvo cuando la muestra de polvo llena naturalmente el contenedor especificado. La masa del polvo. En general, cuanto más grueso es el tamaño del polvo, mayor es la densidad aparente. Cuanto más grueso es el polvo, mayor es la densidad aparente. Suelto El efecto de la densidad aparente sobre la densidad del producto de impresión de metal final no es concluyente. No hay evidencia concluyente sobre el efecto de la densidad aparente en la densidad del producto de impresión de metal final, pero un aumento en la densidad aparente mejora el flujo del polvo.
La impresión 3D es una tecnología de fabricación de materiales emergente que se ha desarrollado rápidamente en los últimos años, ya que es adecuada para una amplia gama de materiales y tiene una amplia gama de aplicaciones y altas tasas de materialización.
Los polvos metálicos son un consumible importante para la impresión 3D de metales, de los cuales AA y métodos de preparación se han aplicado con éxito en la industria aeroespacial. Los métodos AA y PREP se han aplicado con éxito en la industria aeroespacial. Sin embargo, los polvos metálicos para la impresión 3D deben ser El tamaño del polvo debe ser pequeño, con una distribución estrecha del tamaño de las partículas, alta esfericidad, bajo contenido de oxígeno. El uso de polvos metálicos para la impresión 3D es claramente un gran desafío. Está claro que el método PREP es mejor que el método AA tradicional (VIGA) para la aplicación de polvos metálicos en impresión 3D. El método PREP es claramente más ventajoso que el método AA tradicional (método VIGA) para la preparación de componentes metálicos impresos en 3D de alta calidad, y ahora se usa ampliamente en máquinas de impresión 3D alimentadas coaxialmente. El método PREP ha sido ampliamente utilizado en máquinas de impresión 3D alimentadas coaxialmente. El método PREP se ha utilizado ampliamente en máquinas de impresión 3D alimentadas coaxialmente debido a su capacidad para producir polvos esféricos ultrafinos (tamaño de partícula de hasta 50 μm). (tamaño de partícula de hasta 50 μm) y la producción relativamente baja El uso de PREP en equipos de impresión 3D de dispersión de polvo es relativamente bajo debido a su bajo rendimiento y productividad relativamente baja. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de optimizar el proceso y desarrollar una nueva generación de tecnología y equipos de atomización de polvo por electrodo rotatorio de plasma para mejorar aún más el rendimiento del metal esférico ultrafino El desarrollo de una nueva generación de tecnología y equipos de atomización por electrodo rotatorio de plasma Por lo tanto, se necesita con urgencia para mejorar aún más el rendimiento de polvos metálicos esféricos ultrafinos y para lograr La tecnología y el equipo mejorarán aún más el rendimiento de polvos metálicos esféricos ultrafinos y lograrán la producción continua de polvos metálicos esféricos ultrafinos de alta calidad como como aleaciones a base de níquel, a base de cobalto y aleaciones de titanio en grandes cantidades, por lo que
El método PREP se puede utilizar para mejorar la rentabilidad de los polvos metálicos y adaptarlos a varios. Esto mejorará la rentabilidad del método PREP y permitirá que se adapte a varios tipos de equipos de impresión 3D, haciéndolo más utilizado en 3D. impresión.