Hvad er metalmaterialerne til 3D-print?

Metal 3D-print - også kendt som metal additive manufacturing - har bevæget sig langt ud over prototyping og ind i produktionen af ​​funktionelle, -bærende og endda flyve-kritiske komponenter. Udvalget af metalpulvere, der er tilgængelige til disse processer, er udvidet tilsvarende, og hver materialefamilie bringer sin egen kombination af mekaniske egenskaber, termisk opførsel og printbarhed, der passer til bestemte applikationer. De vigtigste metalmaterialer, der bruges i 3D-print, omfatter titanium og titanlegeringer, nikkel-baserede superlegeringer, aluminium og aluminiumlegeringer, kobolt-chromlegeringer, værktøjsstål og formstål samt specialmaterialer og nye materialer såsom kobber og kobberlegeringer, høj{9}}metallegeringer,{0} ildfaste metaller,{0} legeringer. En detaljeret introduktion til hver er givet nedenfor, sammen med yderligere kontekst om, hvorfor disse materialer er valgt, og hvor teknologien er på vej hen.

TC4 (Ti-6Al-4V):Dette er langt den mest udbredte titanlegering i fremstilling af metaladditiv, der kombinerer høj styrke, lav vægt, fremragende korrosionsbestandighed og god biokompatibilitet. I rumfart bruges den til komplekse strukturelle komponenter såsom flybeslag og motorblade, hvor dens høje styrke-til-vægt-forhold direkte omsættes til brændstofbesparelser og nyttelastkapacitet. Inden for det medicinske område bruges det til ortopædiske implantater såsom hofteled og kraniale reparationsproteser - dens biokompatibilitet gør det muligt at integrere sikkert med knoglevæv på lang sigt, og additiv fremstillings evne til at producere porøse, gitterlignende overfladestrukturer forbedrer yderligere sammenlignet med osseointegration. TC4s popularitet forstærkes også af det faktum, at det er en af ​​de bedst-karakteriserede legeringer til laserpulverbelægningsfusion, hvilket betyder, at procesparametre, mekaniske egenskabsdata og kvalifikationsstandarder er mere modne end for mange andre titaniumkvaliteter.

Andre titanlegeringer:Legeringer såsom Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo bruges til flymotorkomponenter, der kræver højere temperaturmodstand end TC4 pålideligt kan levere. Disse næsten alfa- og alfa-beta titanlegeringer bevarer deres styrke og krybemodstand ved forhøjede driftstemperaturer, hvilket gør dem velegnede til kompressorsektioner og andre motorzoner, der kører varmere end de flyskrogstrukturer, hvor TC4 typisk tjener.

Nikkel-baserede superlegeringer er i stand til at opretholde ekstrem høj styrke, oxidationsmodstand og krybemodstand ved høje temperaturer, typisk over 600 grader. De er det foretrukne materiale til fremstilling af kritiske varme-komponenter såsom aero-turbineskiver og -vinger og raketmotorforbrændingskamre. Gennem 3D-print kan der fremstilles blade med komplekse interne kølekanaler, hvilket forbedrer motorens effektivitet - disse konforme kølepassager, som følger den buede indre geometri af vingen i stedet for at være begrænset til lige-line borede huller, tillader mere jævn og effektiv afkøling af vingeoverfladen, hvilket igen tillader motoren i materialet at køre ved højere turbinetemperaturer uden at køre ved højere turbiner. Dette udmønter sig direkte i forbedret termodynamisk effektivitet og brændstoføkonomi på motorniveau, hvilket er grunden til, at nikkel-superlegeringer forbliver en af ​​de mest overvågede materialekategorier inden for forskning i tilsætningsstoffer i luftfartsindustrien.

Aluminiumslegeringspulvere tilbyder god specifik styrke, termisk ledningsevne og korrosionsbestandighed med fremragende printbarhed. De er meget udbredt i bilindustrien (såsom letvægtsbeslag og varmevekslere), rumfart (dronekomponenter) og formindustrien (konforme kølekanaler). Aluminiums relativt lave smeltepunkt og høje termiske ledningsevne gør det forholdsvis nemmere at behandle via laser- eller elektronstrålepulverlejefusion end metaller med højere-smeltepunkt-, selvom det giver sine egne udfordringer - især høj reflektivitet for laserenergi og en tendens til oxidlagsdannelse, som har dannelse af oxidlag, som er i gang med dannelse af parametre og skjoldning af lasere, kontrol. Kombinationen af ​​let vægt og god varmeafledning gør aluminiumslegeringer særligt attraktive for dele, der skal være både strukturelt effektive og termisk funktionelle, såsom kombinerede strukturelle-varmevekslerkomponenter, der ville være vanskelige eller umulige at fremstille som en enkelt del ved hjælp af konventionel bearbejdning.

Kobolt-chromlegeringer er kendt for ekstrem høj hårdhed, slidstyrke og biokompatibilitet. På det medicinske område bruges de til at lave tandkroner, broer og ledimplantater; i industrielle applikationer bruges de til at fremstille meget slidstærke-værktøjer og forme. Den samme hårdhed og slidstyrke, der gør disse legeringer vanskelige at bearbejde konventionelt, er lidt paradoksalt nok mindre af en hindring i additiv fremstilling, da delen er bygget op lag for lag af pulver i stedet for skåret fra fast materiale - dette har gjort 3D-print til en særlig attraktiv rute for tandrestaureringer, hvor komplekse, specifikke geometriske værktøj kan fremstilles direkte fra det digitale værktøj{6} bearbejdningstid, der ellers ville være påkrævet.

Værktøjsstålpulver kan bruges via 3D-print til direkte fremstilling af sprøjtestøbeforme eller-støbeforme med komplekse interne kølekanaler. Dette "konforme køling"-design kan forkorte produktstøbningscyklusser, forbedre produktionseffektiviteten og forbedre produktkvaliteten. Fordi kølekanalerne kan dirigeres til at følge formhulrummets kontur i stedet for at være begrænset til lige borede passager, udvindes varmen mere jævnt over den støbte dels overflade, hvilket reducerer skævhed og cyklus-til-cyklus-inkonsistens - en fordel, der har gjort dette til en af de mere kommercielle investering i metal, som er en af de mere kommercielle investering. ofte retfærdiggøres gennem reduktion af cyklustiden alene, selv før man overvejer designfriheden, som additiv fremstilling giver for formgeometri.

Kobber og kobberlegeringer:Med fremragende termisk og elektrisk ledningsevne har kobber et betydeligt potentiale ved fremstilling af raketmotorforbrændingskammerforinger, højeffektive køleplader og elektroniske komponenter. Rent kobber er imidlertid vanskeligt at udskrive - hovedsageligt fordi dets høje reflektionsevne og termiske ledningsevne gør det svært at opretholde en stabil smeltepool med konventionelle infrarøde lasersystemer, da meget af laserenergien reflekteres væk eller ledes ud af smeltezonen, før den kan absorberes -, og dette er fortsat et hotspot for teknisk forskning og udvikling. Grønne og blå lasersystemer, som kobber absorberer mere effektivt end infrarøde bølgelængder, er blandt de metoder, der aktivt udforskes for at overvinde denne barriere.

Ildfaste metaller:Metaller som wolfram, molybdæn og tantal bruges i ekstremt høje-temperaturer, strålings-afskærmning eller i specielle korrosive miljøer. Deres meget høje smeltepunkter, som gør dem værdifulde til disse krævende applikationer, gør dem også notorisk vanskelige at behandle, hvilket ofte kræver specialiseret udstyr såsom elektronstrålesmeltning frem for standardlaserbaserede-systemer.

Ædelmetaller:Guld-, sølv- og platinpulvere har specialiserede anvendelser inden for specialfremstillede smykker og elektronikindustrien, hvor additiv fremstilling muliggør indviklede,-en- slags designs eller præcist kontrollerede ledende geometrier, som ville være dyrt at opnå gennem traditionel støbning eller bearbejdning.

Høj-entropi-legeringer:Disse legeringer, der er sammensat af flere hovedelementer i næsten -ækviatomiske proportioner, tilbyder et stort, justerbart egenskabsrum og repræsenterer en vigtig retning for fremtidig ny-materialeforskning og -udvikling. Fordi deres egenskaber kan justeres ved at variere de relative andele af deres bestanddele, bliver legeringer med høj-entropi aktivt undersøgt for kombinationer af styrke, sejhed og korrosions- eller oxidationsbestandighed, som er svære at opnå samtidigt i konventionelle enkelt-hovedpræcis-grundstoflegeringer, {{6}medvirkende} lag-for-lagskontrol over komposition og mikrostruktur gør det til en særdeles velegnet- platform til at udforske dette ekspanderende materialedesignrum.

Tilsammen illustrerer disse materialefamilier, hvordan metal 3D-print er vokset fra en niche-prototypeteknologi til en ægte produktionsplatform, der spænder over rumfarts-, medicinsk-, bil-, værktøjs- og energiapplikationer. Mainstream-materialer såsom titanlegeringer, nikkel-superlegeringer, aluminiumlegeringer, kobolt-chromlegeringer og værktøjsstål har allerede vel-etablerede procesparametre og industrielle forsyningskæder, mens specialmaterialer og nye materialer såsom kobber, ildfaste metaller, ædelmetaller, allelegeringer, og høje{100}{101}er forskning, støt udvider, hvad der kan udskrives. I takt med at laser- og strålekildeteknologi, pulvermetallurgi og proceskontrol fortsætter med at udvikle sig, vil rækken af ​​metaller, der kan 3D-printes pålideligt og økonomisk, sandsynligvis fortsætte med at vokse, hvilket yderligere udvider de anvendelser, denne fremstillingsmetode kan tjene.