Alapanyagok a 3D fémnyomtatásban

Az elmúlt pár évben a 3D nyomtatási technológiák robbanásszerű fejlődése volt megfigyelhető. Ma már rengeteg különböző nyomtatási technológia és alapanyagok széles választéka áll rendelkezésünkre, hogy komplex geometriájú tárgyakat alkossunk. Ezen anyagok listáján szerepelnek UV fényre megszilárduló műgyanták, műanyag polimerszálak, műanyag porok, különböző fémek és ötvözetek is. 

A különböző fémeket alkalmazó additív folyamatok, például a fémporból történő összeolvasztás, vagy a DED (directed energy deposition) alkalmasak kiváló minőségű, funkcionális és nagy teherbírású fémalkatrészek gyártására számos különböző alapanyagból. Fontos azt is megjegyezni, hogy az iparban általában nem hatékonyak az univerzális, minden területen felhasználható technológiák, hiszen minden alkalmazásnak megvannak a maga igényei. Amikor csúcsminőségű alkatrészek gyártására van szükség, elengedhetetlen, hogy ismerjük az általunk végzett folyamatokat, és annak megfelelően válasszuk ki a legoptimálisabb technológiát.

Hogyan juthatunk hozzá?

A mai 3D nyomtatási iparnak a fémnyomtatás a leggyorsabban fejlődő szegmense. A fejlődés leginkább az üzleti lehetőségeken, a rendelkezésre álló alapanyagokon és azok árán múlik. Az alacsony árú fémporok jelentik tehát a 3D nyomtatás jövőjét, mivel rendkívül nagy hatással lehetnek az ipari megmunkálások változására. A gyógyászatban, a repülőgépiparban, az ékszerkészítésben, az autóiparban és sok más területen ezeket az alapanyagokat használják a leggyakrabban:

  • szerszám és martenzites acélok
  • rozsdamentes acélok
  • alumínium ötvözetek
  • Kobalt-­króm és nikkel alapú szuper ötvözetek
  • Tiszta titán és titán ötvözetek
  • Rézötvözetek
  • Nemesfémek (arany, platina, palládium, ezüst)

3D_MetalPrinting_cikk1

A fémporok mérete és formája rendkívül széles skálán mozog, ebből kifolyólag jellemzőik és feldolgozási folyamataik is változatosak. Ahhoz, hogy a szerszámgépgyártók az adott anyagok karakterisztikájának legoptimálisabb folyamatokat és a gyártás ismételhetőségét biztosítsák, szoros együttműködésben dolgoznak a fémporok előállítóival. Az additív fémmegmunkáló rendszereket gyártó cégek általában alapanyagokat is értékesítenek, azonban ezek gyakran jóval drágábbak, mintha közvetlenül a gyártótól vásárolnánk. A hagyományos porkohászati megoldásokhoz alapanyagokat gyártó cégek számára jó lehetőség, hogy a 3D nyomtatás hihetetlen mértékben növekvő piacára is betörjenek, persze, csak ha sikerül megfelelniük az additív fémmegmunkálási folyamatok elvárásainak. A 3D nyomtatási technológia ellátási láncának kialakulása még folyamatban van, így rendkívül fogékony a technológiai újításokra. Néhány a legnagyobb gyártók közül, akiktől fémporokat vásárolhatunk:

  • ATI Powder Metals
  • Carpenter
  • Erasteel
  • LPW Technology
  • Metalysis Technology
  • AP&C
  • Sandvik Osprey
  • TLS
  • GKN Hoeganaes
  • HC Starck
  • Praxair
  • Metco

Hogyan készülnek?

A leggazdaságosabb technika a fémporok előállítására a víz atomizálása. A magas nyomású víz nagy energiával hat az olvasztott fémre, ami a gyors hűléssel kombinálva kemény és szabálytalan formájú fém szemcséket hoz létre. A szabálytalan forma kevésbé optimális az additív megmunkálási folyamatokhoz, mivel csökkenti az áramlás sebességét a por adagolásakor, valamint a sűrűség csökkentésével rontja a por térkitöltését is. Azonban – bizonyos körülmények között – előállíthatók gömb alakú porszemcsék is, amik optimálisabban felhasználhatóak a 3D nyomtatási folyamatok során. Éppen ezért általában a gáz atomizált porokat részesítik előnyben, így jelenleg ez a legelterjedtebb technológia. Az alapanyagot levegő, inert gáz vagy vákuum közegben megolvasztják, majd a kamrát feltöltik gázzal, hogy a nyomás segítségével egy fúvókán keresztül áramoltassák az olvadt ötvözetet. A nagy sebességű gáz (levegő, nitrogén, hélium vagy argon) érintkezik a folyékony fémmel és finom cseppeket képez. A felületi feszültség természetes módon gömbösíti a cseppeket, melyek lehűlés után az atomizációs torony aljára hullanak, és itt már gömb alakú fémpor szemcsék formájában kerülnek begyűjtésre. A gáz atomizációs technológia kiváló minőségű fémporok előállítására alkalmas különböző additív fémmegmunkálási folyamatokhoz, például szelektív lézeres olvasztáshoz (SLM), elektron sugaras olvasztáshoz (EBM), célzott energiájú rétegezéshez (DED). Általában vas, nikkel és kobalt ötvözetekhez alkalmazzák, de alumínium és titán ötvözetek esetében is alkalmazható.

Atomizációs technológiák:

  • Víz atomizálás: alacsony reaktivitású anyagok esetén ajánlott, szabálytalan részecskéket hoz létre.
  • Plazma atomizálás: kiváló minőségű, szinte tökéletes gömbformájú részecskék képződnek, kizárólag olyan ötvözetek esetében használható, amik huzal formában adagolhatók.
  • Gáz atomizálás indukciós olvasztással: minden ötvözethez megfelelő, de reaktív ötvözetek, például titán esetében a leggazdaságosabb. Egy rúd alakú alapanyag darabot forgatnak és olvasztanak meg egy indukciós tekercs segítségével, majd gázzal atomizálják. Olcsó, tiszta folyamat, kisebb mennyiségű, kis átmérőjű szemcsék gyártására alkalmas.
  • Konfigurációs atomizálás: Kevésbé reaktív anyagok nagyobb mennyiségű előállításához, alacsony olvadásponttal rendelkező ötvözetekhez ajánlott, de nikkel alapú szuperötvözet porok gyártásához is alkalmazható.

Az előállítást követően meghatározzák a fémporok tulajdonságait:

  • Áramlási sebesség és látszólagos sűrűség
  • Por áramlása és reológiai (az anyagok folyási tulajdonságaival foglalkozó tudomány) tulajdonságainak vizsgálata
  • Rézsűszög: A granulált szemcsékből álló kúp alakú dombok lejtője egy egyenessel közelíthető. A rézsűszög azt a maximális szögértéket jelöli, melynél meredekebb falú kúpot már nem tudunk létrehozni a szemcsékből.
  • Tömörített sűrűség: A fémpor átlagos sűrűsége a tömörítést követően.
  • Pásztázó elektronmikroszkópos morfológia
  • Elektronmikroszkópos vagy fénymikroszkópos porozitás
  • Lézer diffrakció: szemcsék méretének vizsgálata
  • Szitálás: Szemcse méretek eloszlásának meghatározása
  • Nedvesség meghatározás: Az anyag felületén és a részecskék között mechanikailag tartott víz mennyiségének vizsgálata
  • Kémiai összetétel meghatározása: fémes és nemfémes szennyeződések mennyisége (elemi, oldott vagy vegyület formában)

És végül az elkészült és megvizsgált fémporokat robusztus és nedvesség taszító HDPE konténerekbe csomagolják. A tiszta titán és titán ötvözet porokat argon gázban, a többi anyagot pedig általában normál levegős közegben tárolják.

Hogyan válasszuk ki a megfelelőt?

Az additív fémmegmunkálásban használt fémporoknak rendelkezni kell az alábbi tulajdonságokkal:

  • gömb alakú részecskék, megfelelő folyási sebesség, bevonóképesség és térkitöltés biztosítására,
  • 50 μm vagy 150 μm alatti szemcseméret, a gép típusától és az elvárt felületi minőségtől függően,
  • szemcseméret eloszlása az alkalmazásnak és a tulajdonságoknak megfelelően kialakítva,
  • optimalizált kémiai összetétel és gáz tartalom.

A szemcseméret eloszlása nagy mértékben befolyásolja a nyomtatott alkatrészek sűrűségét. Bár egyes fémpor típusokkal nagy sűrűséget lehet elérni, fontos, hogy a paramétereket az anyag tulajdonságainak megfelelően válasszuk meg, hiszen a produktivitás is ezektől a beállításoktól függ. Ezen felül, a szemcseméretek eloszlása nem csupán a sűrűséget, de az alkatrész mechanikai tulajdonságait és felületi minőségét is befolyásolja. Komoly probléma a 3D fémnyomtatásban a fémpor progresszív lebomlása a feldolgozás során, ami a fémpor ágy oxigénnel és más anyagokkal való érintkezésének hatására alakul ki. Ennek köszönhetően egyre nagyobb a kereslet egy költséghatékony folyamatra, mellyel a károsodott fémpor visszanyerhető.

Egy alacsony porozitású, finom mikrostruktúrájú, egységes tulajdonságokkal rendelkező megoldás nyomában!

A referencia sűrűség 100%-­os fenntartásával készült alkatrészek sorozatgyártása rendkívül nagy kihívást jelent. Az additív fémmegmunkálási technikákkal átlagosan 99%­-ot meghaladó sűrűséggel dolgozhatunk, mivel egyes anyagokból 100%­-os, míg másokból alacsonyabb sűrűséggel állíthatók elő az alkatrészek a referenciához képest. A sűrűséget a rétegek létrehozása közben kialakuló pórusok, vagy a meg nem olvadt szemcsék jelenléte befolyásolja leginkább. Bizonyos esetekben izosztatikus préseléssel próbálnak javítani az elkészült termék sűrűségén. Mechanikai szempontból a porozitás (különösen a “nyitott” porozitás) veszélyezteti az alkatrészek törési szívósságát és anyagfáradási tulajdonságait. Ismétlődő stresszhatások és részleges rétegleválások esetén valóban könnyen keletkeznek repedések, amik tönkreteszik az alkatrészt. A nagy teherbírást igénylő, például repülőgép ipari alkalmazások esetében a szívósság és az anyagfáradási ellenállás pedig alapvető elvárások, így mindenképpen szükséges lenne egy olyan eljárás kidolgozása, amivel a fent említett problémák kiküszöbölhetők.

3D_MetalPrinting_cikk2

 

Fémötvözetekből való öntvénykészítéskor a magasabb olvadásponttal rendelkező elem szilárdul meg először. Ahogy az öntvény a felületétől a központja felé más ütemben kezd hűlni, a szemcsék jelentősen eltérő ötvözőelem koncentrációt mutatnak. A koncentráció az elkészült alkatrészen belül is különböző lesz, így a szemcsék egy bizonyos irányban formálódnak majd, ami az anyag jellemzőiben is jelentős eltéréseket okoz majd. EZ az oka, ami miatt az additív fémmegmunkálási folyamatok során csak kis mennyiségű alapanyag kerül megolvasztásra egyszerre. Ötvözetek esetében az ötvözőelemek elkülönülése megfigyelhető, de sokkal kisebb mértékben. A gyors megszilárdulás sokkal egyenletesebb kémiai összetételhez vezet, így az alkatrész teljes térfogatában egységes mikrostruktúra alakulhat ki. Ennek köszönhetően az additív fémmegmunkálás lehetőséget ad egyedi mikrostruktúrájú és kémiai viselkedésű alkatrészek létrehozására is. Az additívan megmunkált fémalkatrészeknél gyakran nagyon magas hűlési ráta tapasztalható, ami különleges hatásokat gyakorolhat, az anyagtól függően, például:

  • A diffúzió vezérelt szilárdtest állapot transzformációk visszaszorulása
  • Túltelített oldatok és nem egyensúlyi állapot kialakulása
  • Extra-finom, kis elemi szegregációs mikrostruktúrák kialakulása
  • Nagy finomságú második fázisú részecskék, például zárványok és karbidok kialakulása

Ugyan ezek az események olykor szükségesek, a végleges termékre gyakorolt hatásukat minden egyes megmunkálás előtt figyelembe kell vennünk. Általában az additív megmunkálással gyártott fémek finomított mikrostruktúrái megnövelik az alkatrészek merevségét, csökkentik az alakíthatóságát, a hagyományos öntött vagy feldolgozott ötvözetekhez képest. Az alkatrészek rétegenkénti felépítése felelős az irányított kristályosításért és anizotrópiáért, miközben az energiasugár szkennelő mintázata természetes módon hozza létre a mikrostruktúrákat. Mindez a technika egyik hátrányaként van számon tartva, ugyanakkor lehetőséget biztosít, hogy testre szabhassuk a mikrostruktúrát a szkennelő mintázat vezérlésével.

Forrás:3dprintingindustry.com