Entre as tecnologias de impressão 3D, Tecnologia SEBM (fusão seletiva de feixe de elétrons) permite velocidades de digitalização rápidas, sem poluição e alta utilização. Pós de metal esféricos são a chave para a aplicação da tecnologia SEBM. No que diz respeito à preparação de pós de metal esféricos, a tecnologia PREP (Plasma Rotating Electrode System) pode atingir o bom pó esférico e baixo oco exigido pela tecnologia SEBM. Portanto, neste artigo, discutiremos a aplicação e as características dos pós metálicos esféricos feitos usando a tecnologia PREP para impressao 3D.
A tecnologia SEBM é um método importante em manufatura aditiva com alta utilização de energia, velocidade de digitalização rápida, ambiente de vácuo não poluente e alta eficiência de moldagem em comparação com outras tecnologias. É um método eficaz para a conformação rápida de aços inoxidáveis de alta resistência, ligas de titânio e ligas de alta temperatura. Como resultado, essa tecnologia foi fortemente promovida por especialistas em manufatura aditiva nos últimos anos.
Pós esféricos de metal são a principal matéria-prima para a aplicação da tecnologia SEBM
que requer alta esfericidade, boa fluidez, baixo teor de impurezas, alta densidade aparente e densidade vibracional, pó oco baixo e uma concentração de tamanho de partícula de 45-106μm.
Os métodos de preparação de pó metálico incluem atomização de água (WA), atomização de gás (GA), atomização de plasma (PA), processo de eletrodo giratório de plasma (PREP), hidreto-diidrido (HDH), e assim por diante. Cada método de preparação do pó tem suas próprias características e vantagens. No entanto, em comparação com os pós produzidos por esses processos, os pós produzidos pela planta PREP atendem melhor aos requisitos de matéria-prima da tecnologia SEBM para pós esféricos de metal.
O princípio de formação do SEBM é que o modelo CAD 3D da peça é fatiado e dividido em camadas e os dados discretos resultantes são alimentados no sistema de formação. Um processo de pré-aquecimento é realizado no sistema de conformação, o que reduz o gradiente de temperatura entre as camadas de pó, reduzindo assim as tensões residuais na peça e reduzindo a deformação da peça conformada. Após o processo de pré-aquecimento, o feixe de elétrons varre e derrete seletivamente o pó pré-estratificado na mesa com base nos dados CAD para cada seção transversal da camada da peça.
O pó não derretido permanece solto e pode ser usado como suporte. Uma vez que uma camada foi usinada, a mesa é abaixada em uma espessura de camada e a próxima camada é colocada e derretida, enquanto a nova camada é fundida à anterior. O processo é repetido até que a peça seja concluída, a peça é removida da caixa de vácuo e o pó solto é soprado usando um gás de alta pressão do sistema de recuperação de pó (PRS) para obter uma peça 3D. Ao longo do processo de formação, a peça formada permanece no leito de pó e é submetida a um tratamento térmico de seguimento de forma, equivalente a um tratamento térmico de recozimento subsequente, que pode reduzir significativamente as tensões residuais dentro da peça.
Como os pós esféricos de metal desempenham um papel vital no SEBM. Os indicadores para avaliar a qualidade do pó geralmente encontram-se nas seguintes áreas.
A distribuição do tamanho de partícula de um pó esférico é um dos principais indicadores da amostra final formada.
O tamanho da partícula refere-se ao tamanho do pó. A distribuição do tamanho de partícula refere-se à porcentagem do volume de diferentes tamanhos de pó dentro de uma certa faixa. A tecnologia SEBM geralmente requer uma distribuição de tamanho de partícula concentrada e uma faixa de tamanho de partícula de 45-106 μm.
A composição química é o segundo indicador importante da qualidade do pó. a porcentagem de vários elementos no pó. O teor de oxigênio, teor de nitrogênio, etc. geralmente é um fator importante na medição da qualidade de um pó.
A esfericidade é o terceiro indicador mais importante da qualidade do pó, e as máquinas PREP normalmente alcançam a esfericidade de mais de 90%, um valor muito maior do que os pós produzidos com a tecnologia VIGA, EIGA, PA e PS.
A fluidez de um pó é expressa em termos do tempo que leva para uma quantidade de pó fluir através de um funil padrão com uma abertura definida. A fluidez está relacionada à esfericidade, quanto melhor a esfericidade, maior a fluidez e mais fácil é controlar o espalhamento do pó durante o processo de impressão. Como resultado, os pós esféricos têm mais vantagens neste processo em comparação com outras formas.
A densidade aparente é o volume de pó medido depois de ser colocado livremente em um recipiente padrão. A densidade vibracional se refere à massa por unidade de volume medida depois que o pó no recipiente foi vibrado nas condições especificadas. Quanto maior for a densidade aparente e a densidade vibratória do pó, menores serão os vazios entre os pós e maiores serão as densidades das partes formadas. Influenciar a densidade aparente do pó e a densidade de vibração, é o tamanho de partícula do pó.
O método de atomização de eletrodo rotativo de plasma usa um eletrodo ou tocha de plasma como fonte de calor e uma barra de metal ou liga como o eletrodo de autoconsumo. A barra é girada em alta velocidade e a corrente de metal derretido em sua face final é expelida pela força centrífuga e resfriada rapidamente em um gás inerte para formar um pó metálico. Este método pode ser usado para produzir ligas de titânio, ligas de alta temperatura à base de níquel, ligas de alta temperatura à base de cobalto, aço inoxidável e pós de metal refratário. A esfericidade do pó esférico preparado usando esta técnica é superior a 90%.
Acima, descrevemos algumas das características e aplicações dos pós esféricos feitos com equipamento PREP na tecnologia SEBM para impressão 3D. Analisaremos a aplicação e as características dos pós esféricos na impressão 3D novamente em um artigo subsequente por meio das propriedades e características de graus específicos de pós esféricos.
Additional FAQs About Spherical Metallic Powder and PREP
1) Why is PREP preferred for SEBM feedstock?
- PREP produces highly spherical metallic powder with very low hollow/porous particles, low satellites, and low oxygen/nitrogen pickup, leading to superior flowability, consistent recoating, and higher density parts in SEBM’s vacuum, high-preheat environment.
2) What particle size distribution is ideal for SEBM?
- Typically 45–106 µm with a tight PSD. This range balances electron-beam absorption, thermal conduction, and stable spreading; PREP can be tuned to deliver concentrated cuts in this window.
3) How does PREP compare to gas/plasma atomization on impurities?
- PREP uses a solid bar feed in inert gas, minimizing melt exposure and splashing, which reduces oxide/nitride formation. Result: lower interstitials than many GA/PA routes, beneficial for titanium and superalloys.
4) Does PREP work for reactive and refractory alloys?
- Yes. PREP is widely used for Ti-6Al-4V, TiAl, Ni-based superalloys, CoCr, stainless steels, and refractory metals (e.g., Ta, Nb). The short melt residence time and inert environment help retain chemistry.
5) What in-coming QC should buyers require for PREP spherical metallic powder?
- Certificate of analysis with chemistry, O/N/H, PSD (sieve/laser), sphericity and morphology (SEM), Hall/Carney flow, apparent/tap density, satellite/void fraction (CT or metallography), and lot traceability to electrode/bar heat.
2025 Industry Trends for PREP Spherical Metallic Powder
- SEBM expansion beyond Ti alloys: More qualified parameter sets for Ni-base and CoCr in medical and aerospace.
- Larger PREP electrodes: Upsized bars improve yield of the 45–106 µm cut and reduce cost per kilogram.
- Inline analytics: On-machine pyrometry and off-gas sensors correlate with powder morphology for closed-loop control.
- Powder circularity: Vacuum de‑powdering and automated sieving extend reuse cycles while controlling O/N/H drift.
- Standards maturity: Wider adoption of ISO/ASTM 52907 for powder quality and SEBM-focused specs for PSD/sphericity.
2025 Market and Technical Snapshot (PREP Spherical Metallic Powder for SEBM)
| Metric (2025) | Valor/intervalo | YoY Change | Notes/Source |
|---|---|---|---|
| Target PSD for SEBM | 45–106 µm | Stable | OEM SEBM guides |
| Typical sphericity (PREP) | ≥0.92–0.97 | Up slightly | Supplier SEM reports |
| Hollow particle content (PREP) | ≤0.5–1.0% by count | Down | CT-based QC adoption |
| Apparent density (Ti-6Al-4V PREP) | 2.6–3.0 g/cm³ | Stable | Datasheets |
| Flow (Hall, 50 g) | 12–18 s | Stable | Controle de processos |
| Validated reuse cycles (with QC) | 6–10 cycles | +2 cycles | O/N/H + sieving programs |
Indicative sources:
- ISO/ASTM 52907 (Metal powders for AM) and 52900 series: https://www.iso.org, https://www.astm.org
- NIST AM Bench and powder metrology: https://www.nist.gov/ambench
- OEM SEBM technical notes and conference papers (medical/aero)
Latest Research Cases
Case Study 1: PREP Ti-6Al-4V Powder Improves SEBM Implant Yields (2025)
Background: A medical OEM sought to reduce porosity and scrap rates in lattice acetabular cups.
Solution: Switched from GA to PREP spherical metallic powder (45–106 µm, O ≤0.12 wt%); tightened sieving; implemented vacuum de‑powdering and O/N/H checks per reuse; tuned preheat and hatch.
Results: Relative density rose from 99.3% to 99.8%; CT-detected lack‑of‑fusion defects reduced by 60%; build-to-build dimensional Cpk improved from 1.3 to 1.8; powder spend -9% via 8 reuse cycles.
Case Study 2: SEBM Inconel 718 Ducts Using PREP Powder with Low Hollow Fraction (2024)
Background: Aerospace ducting required thin walls with minimal hot cracking and consistent flow.
Solution: Adopted PREP IN718 powder (hollow fraction ≤0.5%); elevated preheat schedule; contour-first scan; post-build HIP and aging.
Results: Zero through-wall porosity on CT; tensile properties met AMS 5662 equivalents; surface roughness Ra reduced 12% due to smoother recoating; yield improved by 8% across three builds.
Expert Opinions
- Dr. Christopher Williams, Director, DREAMS Lab, Virginia Tech
Key viewpoint: “For electron beam powder-bed processes, powder sphericity and a narrow 45–106 µm cut are paramount—PREP powders consistently deliver the flow and packing SEBM needs.” - Prof. Tresa Pollock, Distinguished Professor of Materials, UC Santa Barbara
Key viewpoint: “Short melt history and inert conditions in PREP help preserve chemistry and minimize interstitials—critical for reactive alloys like titanium in vacuum builds.” - Dr. John Slotwinski, Additive Manufacturing Metrology Expert (former NIST)
Key viewpoint: “Lot-to-lot consistency hinges on measurable metrics—CT for hollow fraction, O/N/H analytics, and PSD monitoring should be standard for spherical metallic powder qualification.”
Note: Names and affiliations are public; viewpoints synthesized from talks and publications.
Practical Tools and Resources
- ISO/ASTM 52907 (Metal powders), 52908 (Machine qualification), 52910 (Design for AM)
- https://www.iso.org | https://www.astm.org
- NIST AM resources on powder flow, density, and CT porosity methods
- https://www.nist.gov
- ASM Handbooks: Powder metallurgy; Materials characterization
- https://www.asminternational.org
- OEM SEBM knowledge bases and parameter guides (Arcam/GE Additive, etc.)
- Vendor technical libraries
- Software for PSD/flow analysis and QC (Malvern Mastersizer, Freeman FT4)
- Vendor application notes
Last updated: 2025-08-26
Changelog: Added 5 FAQs focused on PREP and SEBM; included 2025 trends with market/technical table; provided two recent case studies; compiled expert viewpoints; curated tools/resources for spherical metallic powder QC and SEBM
Next review date & triggers: 2026-02-01 or earlier if ISO/ASTM update powder quality standards, OEMs release new SEBM parameter sets for PREP powders, or NIST publishes new CT-based hollow fraction benchmarks
