La stampa di metalli 3D, comunemente nota anche come fusione di metalli, ha conquistato nuovi mercati nel settore aeronautico, medicale, delle costruzioni e automobilistico negli ultimi anni con i suoi incomparabili vantaggi e convenienza. Allo stato attuale, la tecnologia di stampa dei metalli 3D è veloce e relativamente economica, può anche essere utilizzata per creare strutture di grandi dimensioni. La tecnologia di stampa comprende principalmente la sinterizzazione laser selettiva (SLS), la fusione a fascio di elettroni (EBM), la fusione laser selettiva (SLM) e la modellatura a rete (LENS) ingegnerizzata al laser. SLM utilizza una fonte laser ad alta energia che può fondere una varietà di polvere metallica, è il metodo più comunemente usato. La polvere di metallo utilizzata per le stampanti 3D in ambito domestico e straniero è generalmente: acciaio per utensili, acciaio martensitico, acciaio inossidabile, titanio puro e lega di titanio, lega di alluminio, lega a base di nichel, lega a base di rame, lega di cobalto-cromo e così via.
ACCIAIO INOSSIDABILE
Acciaio inossidabile è il primo materiale utilizzato nella stampa 3D in metallo grazie alla sua buona resistenza chimica, alle alte temperature e alle buone proprietà meccaniche. Al momento, ci sono principalmente tre tipi di acciaio inossidabile applicati nella stampa 3D in metallo: acciaio inossidabile austenite 316L, acciaio inossidabile martensitico 15-5PH e acciaio inossidabile martensitico 17-4PH.
316L Acciaio inossidabile austenitico, con elevata resistenza e resistenza alla corrosione, può essere ridotto a basse temperature in un'ampia gamma di temperature. È applicato in varie applicazioni ingegneristiche come aerospaziale e petrolchimico, nonché nella lavorazione degli alimenti e nelle cure mediche.
15-5PH L'acciaio inossidabile martensitico, noto anche come acciaio inossidabile martensitico (temprato a precipitazione), ha un'elevata resistenza, buona tenacità e resistenza alla corrosione, è un ulteriore indurimento dell'acciaio privo di ferrite. Attualmente è ampiamente utilizzato nelle industrie aerospaziale, petrolchimica, chimica, alimentare, della carta e della lavorazione dei metalli.
17-4 PH Acciaio inossidabile martensitico, che ha ancora elevata resistenza e alta tenacità sotto 315 ℃, e una forte resistenza alla corrosione e può portare un'eccellente duttilità come lo stato di lavorazione laser.
LEGA DI TITANIO
Le leghe di titanio sono state ampiamente utilizzate nell'industria aerospaziale, chimica, nucleare, attrezzature sportive e dispositivi medici a causa della loro resistenza alle alte temperature, elevata resistenza alla corrosione, alta resistenza, bassa densità e biocompatibilità. Le parti in lega di titanio sono state ampiamente utilizzate in campi ad alta tecnologia, come gli aerei militari F14, F15, F117, B2 e F22. La proporzione di titanio utilizzata in un aeromobile Boeing 747 è rispettivamente 24%, 27%, 25%, 26% e 42%. Tuttavia, i metodi tradizionali di forgiatura e colata per produrre pezzi in lega di titanio di grandi dimensioni presentano molti svantaggi, come ad esempio costi elevati, processi complessi, basso tasso di utilizzo del materiale e difficile trattamento di follow-up, che ne ostacolano l'applicazione più ampia. La tecnologia di stampa in metallo 3D è in grado di risolvere questi problemi fondamentalmente, quindi è diventata una nuova tecnologia per la produzione diretta di parti in lega di titanio negli ultimi anni.
TiAl6V4 (Gr5) è la prima lega utilizzata nella produzione di stampa SLM3D. Tuttavia, la scarsa resistenza alla deformazione del taglio plastico e la resistenza all'usura del titanio ne limitano l'uso in condizioni di alta temperatura, corrosione e resistenza all'usura. Pertanto, Re e Ni vengono introdotti nelle leghe di titanio e l'irrigatore composito stampato a base di Re 3D è stato applicato con successo alla camera di combustione del motore aeronautico e la temperatura operativa può raggiungere 2200%.
COBALTO
L'acciaio per utensili da lavoro a caldo H13 è uno di questi. Acciai per utensili sono ampiamente utilizzati nelle parti industriali a causa della loro eccellente durezza, resistenza all'usura, resistenza alla deformazione e capacità di mantenere i bordi taglienti alle alte temperature. Gli acciai martensitici, prendendo come esempio il martensite 300, noto anche come acciai maraging, sono noti per la loro elevata resistenza, tenacità e stabilità dimensionale durante l'invecchiamento. Grazie alla sua elevata durezza e resistenza all'usura, Martensite 300 è adatto per molte applicazioni di stampo a iniezione, fusione di leghe leggere, stampaggio ed estrusione ed è anche ampiamente utilizzato in aerospaziale, parti di fusoliera ad alta resistenza e parti di auto da corsa.
LEGA DI ALLUMINIO
Le leghe di alluminio hanno eccellenti proprietà fisiche, chimiche e meccaniche e sono state ampiamente utilizzate in molti campi. Tuttavia, le proprietà stesse delle leghe di alluminio (quali facile ossidazione, alta riflessione e conducibilità termica) aumentano la difficoltà della produzione di fusione laser selettiva. Ci sono alcuni problemi come l'ossidazione, lo stress residuo, i difetti del vuoto e la densificazione nel processo SLM durante la stampa di leghe di alluminio. Questi problemi possono essere migliorati proteggendo rigorosamente l'atmosfera, aumentando la potenza del laser e riducendo la velocità di scansione. Allo stato attuale, SLM stampa materiali in lega di alluminio principalmente la lega serie Al-Si-Mg come AlSi12 e AlSi10Mg. Silicio di alluminio 12 è una polvere di metallo additivo leggera con buone prestazioni termiche. Può essere applicato a parti di pareti sottili, come scambiatori di calore o altri ricambi auto. Può essere applicato anche al prototipo e alle parti di produzione dell'industria aerospaziale e aeronautica. L'aggiunta di silicio e magnesio conferisce alla lega di alluminio maggiore resistenza e durezza, rendendola adatta per pareti sottili e parti geometriche complesse, specialmente nel caso di buone proprietà termiche prestazioni e peso ridotto.
LEGA DI MAGNESIO
Essendo la lega strutturale più leggera, la lega di magnesio ha la possibilità di sostituire l'acciaio e la lega di alluminio in molti campi di applicazione grazie alle sue speciali proprietà di alta resistenza e smorzamento. Ad esempio, le applicazioni leggere di leghe di magnesio nei componenti automobilistici e aeronautici possono ridurre il consumo di carburante e le emissioni di scarico. La lega di Mg ha un'eccellente degradazione in situ e biocompatibilità, con un basso modulo di Young e vicino alla forza ossea umana. Ha più prospettive di applicazione nell'impianto chirurgico rispetto alla lega tradizionale.
LEGA ALTA TEMPERATURA
La lega ad alta temperatura si riferisce alla super lega di acciaio che con ferro, nichel e cobalto come base e può ancora lavorare a lungo termine nella temperatura elevata di 600 ℃ o superiore e ambiente stressante. Ha resistenza alle alte temperature, buona resistenza alla corrosione e resistenza all'ossidazione e buona plasticità e tenacità. Allo stato attuale, le leghe possono essere divise approssimativamente in tre categorie: lega a base di Fe, lega a base di nichel e lega di cobalto.
La superlega viene principalmente utilizzata nei motori ad alte prestazioni. Nei moderni motori aeronautici avanzati, l'uso di materiale in superlega rappresenta 40% ~ 60% della massa totale del motore. Lo sviluppo di moderni motori aerodinamici ad alte prestazioni richiede sempre più alte temperature e prestazioni di superlega. Il processo metallurgico tradizionale dei lingotti è lento nel raffreddamento, alcuni elementi e la segregazione della seconda fase sono gravi nei lingotti. La stampa 3D è un nuovo metodo per risolvere il collo di bottiglia tecnico nella formazione della lega di nichel.
Come risultato, Inconel 625 è spesso utilizzato nelle parti metalliche utilizzate nelle applicazioni marine e nella produzione di petrolio e gas. Inconel 718 è una versione invecchiata di 625. 718 è una lega a base di nichel, che ha buone proprietà di resistenza alla corrosione e resistenza al calore, allungamento, fatica e creep ed è adatta per varie applicazioni di fascia alta, come i motori delle turbine degli aerei e le turbine terrestri. La lega 718 di Inconel è la prima superlega a base di nichel utilizzata e attualmente è anche la lega più utilizzata del motore aerodinamico.
La lega di cobalto-cromo ha elevata resistenza, forte resistenza alla corrosione, buona biocompatibilità e proprietà non magnetiche. Viene utilizzato principalmente in impianti chirurgici, tra cui articolazioni artificiali in lega, articolazioni del ginocchio e articolazioni dell'anca, e può essere utilizzato anche nelle parti di motori, nell'industria della moda e della gioielleria.
Dall'emergere della tecnologia di stampa 3D negli 1990, dai materiali polimerici iniziali alla polvere metallica, sono state sviluppate e applicate molte nuove tecnologie, nuove attrezzature e nuovi materiali. Ci sono una vasta gamma di materiali metallici adatti alla stampa industriale 3D, ma solo diversi materiali in polvere specificati possono soddisfare i requisiti della produzione industriale. Sebbene la tecnologia di stampa 3D della polvere metallica abbia raggiunto alcuni risultati al momento, il materiale è ancora il fattore principale e ci sono requisiti più elevati per i materiali di stampa 3D. Pertanto, lo sviluppo della tecnologia di stampa 3D della polvere metallica ha ancora molta strada da fare.