Аддитивное производство методом порошковой 3D-печати (Powder Bed Fusion, PBF) — самая быстрорастущая и широко распространённая технология 3D-печати металлами. Она обладает такими преимуществами, как высокая точность формования, хорошие механические свойства, сложные компоненты и высокая эффективность формования. В качестве металлических порошков для 3D-печати, обычно используемых в аддитивном производстве методом порошковой 3D-печати, используются титановые сплавы, сплавы на основе никеля, сплавы на основе железа, кобальт-хромовые сплавы, алюминиевые сплавы, медные сплавы и тугоплавкие металлы, такие как вольфрам, молибден, тантал и ниобий.
Качество металлических порошков как сырья во многом определяет качество конечного продукта. Чистота, морфология и гранулометрический состав порошка являются ключевыми факторами, влияющими на эффективность формовки деталей.
Чистота порошка
Химический состав металлических порошков для 3D-печати состоит из металлических элементов и примесей. К распространённым металлическим элементам относятся Fe, Ti, Ni, Al, Cu, Co, Cr и драгоценные металлы, такие как Ag и Au. Примеси в основном состоят из соединений металлов или неметаллических компонентов, таких как Si, Mn, C, S, P, O и других, присутствующих в восстановленном железе. В процессе производства сырья и порошка могут быть внесены механические включения, такие как SiO₂, Al₂O₂, силикаты, нерастворимые карбиды металлов и другие нерастворимые в кислотах вещества. Кислород, водяной пар и другие газы также могут адсорбироваться на поверхности порошка.
При сканировании порошка лазером или электронным лучом примеси могут вступать в реакцию с основным металлом, изменяя его свойства и влияя на качество 3D-печатных деталей. Кроме того, включения вызывают неравномерное плавление порошка, что приводит к появлению внутренних дефектов в готовой детали. Механические включения, в частности, значительно снижают прочность деталей, особенно ударную вязкость. Распределение и форма неметаллических включений также оказывают различное влияние на формуемые детали.
В случаях с высоким содержанием кислорода окисление основного металла при высоких температурах образует плотную оксидную пленку, которая влияет на эксплуатационные характеристики и может привести к сфероидизации, снижая как плотность, так и качество формовки деталей. Такие элементы, как углерод, фосфор, сера, кислород и азот, особенно негативно влияют на вязкость стали. Поэтому содержание примесей и включений в порошке должно строго контролироваться для соответствия требованиям аддитивного производства и эксплуатационным характеристикам готовых деталей.
Морфология порошка
The морфология порошка напрямую влияет на его насыпную плотность и текучесть, что, в свою очередь, влияет на процесс подачи порошка и конечные характеристики детали.
В аддитивном производстве методом плавления в порошковой оболочке механизм распределения порошка обеспечивает равномерное распределение частиц порошка в зоне формования. Хорошая текучесть необходима для получения однородного и плоского слоя порошка. Сферические и близкие к сферическим порошки обладают хорошей текучестью, высокой насыпной плотностью и однородной структурой, что делает их предпочтительным сырьем для аддитивного производства методом плавления в порошковой оболочке.
Однако наличие полых или сателлитных частиц в сферических и почти сферических порошках может ухудшить конечные характеристики детали. Полые частицы чаще встречаются в порошках с размером частиц более 70 мкм, что приводит к появлению дефектов, таких как поры, которые трудно устранить в формованной детали. Сателлитные частицы снижают текучесть и препятствуют равномерному накоплению порошка. Этот процесс происходит при распределении непрерывных слоев порошка, что приводит к дефектам детали. Поэтому металлические порошки для аддитивного производства методом плавления в слое порошка должны быть максимально малы по содержанию полых и сателлитных частиц.
Распределение размеров частиц порошка
Распределение размеров частиц порошка характеризует состав и распределение частиц различных размеров в порошковой системе. Это важный параметр, описывающий характеристики частиц порошка. Размер частиц напрямую влияет на качество укладки порошка, скорость формования, точность и однородность структуры в процессе аддитивного производства. Различные процессы требуют разных размеров частиц порошка. Технология селективного лазерного плавления (SLM) использует порошки с размером частиц 15–45 мкм, а технология селективного электронно-лучевого плавления (SEBM) — порошки с размером частиц 45–106 мкм.
С точки зрения термодинамики и кинетики, более мелкие частицы порошка имеют большую площадь поверхности, что увеличивает движущую силу спекания. Мелкие частицы способствуют формованию деталей. Однако слишком мелкие порошки снижают текучесть, плотность, электропроводность и вызывают сфероидизацию во время печати. Крупные порошки снижают активность спекания, затрудняют равномерность распределения порошка и снижают точность формования. Таким образом, баланс между крупными и мелкими порошками имеет решающее значение для повышения насыпной плотности и текучести, что положительно влияет на аддитивное производство методом плавления порошка.
Исследования показывают, что более широкий диапазон размеров частиц улучшает плотность порошкового слоя при нанесении. Более мелкие частицы заполняют промежутки между более крупными, повышая плотность.
Когезия порошка
При лазерной плавке порошка слои металлического порошка распределяются и расплавляются лазером. Когезия порошка влияет на равномерность распределения и качество формования. Когезия, наряду с размером и морфологией частиц, является ключевым фактором. В фармацевтической и пищевой промышленности влияние когезии порошка на текучесть хорошо изучено. На когезию влияют такие факторы, как механическая нагрузка, силы взаимодействия частиц и капиллярные силы, вызванные адсорбированной влагой. Эти факторы влияют на текучесть, которая, в свою очередь, влияет на распределение.
Изменения размера частиц, морфологии и свойств поверхности влияют на качество распределения и формования. Рациональное распределение размеров, более высокая сферичность и сниженная когезия улучшают насыпную плотность и качество распределения. Это уменьшает количество пор и непроплавленных дефектов, повышая плотность и качество готовой детали.
Текущее состояние отрасли производства металлических порошков для аддитивного производства
Китай добился значительного прогресса в исследованиях и разработках металлических порошков и их индустриализации для порошковой плавки. Однако он отстаёт от зарубежных стран. Ключевые технологии и оборудование в основном контролируются такими странами, как Германия, США и Великобритания. Такие компании, как Carpenter и GE (США), LPW, Sandvik и GKN (Великобритания), а также Höganäs (Швеция), владеют более чем 60% патентами на порошки титановых сплавов для аддитивного производства. Некоторые страны ограничивают экспорт сферических металлических порошков, таких как титановые сплавы, что повышает стоимость сырья и удлиняет циклы поставок. Это сдерживает развитие китайской промышленности по порошковой плавке и аддитивному производству металлов.
Для решения этой проблемы Китаю следует разработать системы металлических сплавов (например, титановых), обладающие независимой интеллектуальной собственностью. Решение ключевых задач в области производства высококачественных сферических порошков позволит снизить затраты, увеличить производство и принести пользу таким отраслям, как аэрокосмическая промышленность и биомедицина.
Эпическая Порошковая Машина
Эпическая Порошковая Машина — ведущий поставщик передового оборудования для обработки порошков для аддитивного производства и других отраслей. Ориентируясь на инновации и качество, мы предлагаем передовые решения для оптимизации свойств порошков, повышения эффективности процессов 3D-печати металлами и удовлетворения конкретных потребностей наших клиентов. Независимо от того, производите ли вы металлические порошки для аддитивного производства или улучшаете характеристики порошков для других применений, Эпический порошок стремится поставлять надежное, высокопроизводительное оборудование, способствующее успеху в отраслях, связанных с порошковой промышленностью.