3D-metaalbedrukking, ook algemeen bekend als metaalfusie, heeft de laatste paar jaar nieuwe markten veroverd in de luchtvaart, medische sector, bouw- en autosector met zijn onvergelijkbare voordelen en gemak. Op dit moment is de 3D-metaaldruktechnologie snel en relatief goedkoop, en kan ze ook worden gebruikt om grote structuren te maken. De druktechnologie omvat hoofdzakelijk selectieve laser sintering (SLS), elektronenbundelfusie (EBM), selectieve laserfusie (SLM) en lasergeformeerde netvorming (LENS). SLM gebruikt een hoogenergetische laserbron die een verscheidenheid aan metaalpoeder kan smelten, is de meest gebruikte methode. Metaalpoeder dat wordt gebruikt voor 3D-printers in binnen- en buitenland zijn doorgaans: gereedschapsstaal, martensitisch staal, roestvrij staal, zuivere titanium en titaniumlegering, aluminiumlegering, nikkellegering, koperlegering, kobalt-chroomlegering enzovoort.
ROESTVRIJ STAAL
Roestvrij staal is het eerste materiaal dat wordt gebruikt bij 3D-metaalprinten vanwege de goede chemische bestendigheid, hoge temperatuurbestendigheid en goede mechanische eigenschappen. Momenteel worden er hoofdzakelijk drie soorten roestvrij staal toegepast bij 3D-printen van metaal: austeniet roestvrij staal 316L, martensiet roestvrij staal 15-5PH en martensiet roestvrij staal 17-4PH.
316L Austenitisch roestvrij staal, met hoge sterkte en corrosieweerstand, kan bij een groot temperatuurbereik tot een lage temperatuur worden gereduceerd. Het wordt toegepast in verschillende technische toepassingen, zoals lucht- en ruimtevaart en petrochemische, evenals voedselverwerking en medische behandeling.
15-5PH Martensitisch roestvast staal, ook bekend als Martensitic aging (precipitated hardening) roestvrij staal, heeft een hoge sterkte, goede taaiheid en corrosieweerstand, is een verdere uitharding van het ferrietvrije staal. Momenteel wordt het veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, petrochemische, chemische, voedselverwerkende, papier- en metaalverwerkende industrie.
17-4 PH Martensitisch roestvrij staal, dat nog steeds een hoge sterkte en hoge taaiheid heeft onder 315 ℃, en een hoge weerstand tegen corrosie en uitstekende ductiliteit kan bieden als de laser machinale bewerking uitvoert.
TITANIUM LEGERING
Titaniumlegeringen worden veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, chemische industrie, nucleaire industrie, sportuitrusting en medische apparaten vanwege hun hoge temperatuurbestendigheid, hoge corrosieweerstand, hoge sterkte, lage dichtheid en biocompatibiliteit. Titaniumlegering onderdelen zijn op grote schaal gebruikt in high-tech velden, zoals F14, F15, F117, B2 en F22 militaire vliegtuigen. Het aandeel titanium dat wordt gebruikt in een Boeing 747-vliegtuig is respectievelijk 24%, 27%, 25%, 26% en 42%. De traditionele smeed- en gietmethoden voor het produceren van grote onderdelen van titaniumlegeringen hebben echter vele nadelen, zoals een kostbaar, ingewikkeld proces, een lage mate van materiaalbenutting en een moeilijke nabewerking, die de bredere toepassing ervan belemmeren. Metalen 3D-afdruktechnologie kan deze problemen fundamenteel oplossen, dus het is een nieuwe technologie geworden voor het direct produceren van onderdelen van titaniumlegering in de afgelopen jaren.
TiAl6V4 (Gr5) is de eerste legering die wordt gebruikt in de productie van SLM3D-afdrukken. De slechte weerstand tegen afschuiving door plastische afschuiving en de slijtbestendigheid van titanium beperken echter het gebruik ervan onder omstandigheden van hoge temperatuur, corrosie en slijtagebestendigheid. Daarom worden Re en Ni in titaniumlegeringen ingebracht en is de met 3D bedrukte, op Re gebaseerde, samengestelde sprinkler met succes toegepast op de verbrandingskamer van de vliegtuigmotor en kan de bedrijfstemperatuur 2200% bereiken.
KOBALT
H13 heet gereedschapsstaal is er daar een van. Gereedschapsstaal worden veel gebruikt in industriële onderdelen vanwege hun uitstekende hardheid, slijtvastheid, weerstand tegen vervorming en het vermogen om snijkanten bij hoge temperaturen te behouden. Martensitische staalsoorten, die Martensite 300 als voorbeeld nemen, ook bekend als maragingstaal, staan bekend om hun hoge sterkte, taaiheid en dimensionale stabiliteit tijdens veroudering. Vanwege zijn hoge hardheid en slijtvastheid, is Martensite 300 geschikt voor vele matrijstoepassingen zoals spuitgietmatrijzen, lichtmetaallegering, stampen en extrusie, en wordt het ook veel gebruikt in aerospace, romponderdelen met hoge weerstand en racewagenonderdelen.
ALUMINIUM PROFIEL
Aluminiumlegeringen hebben uitstekende fysische, chemische en mechanische eigenschappen en zijn op grote schaal op vele gebieden gebruikt. De eigenschappen van aluminiumlegeringen zelf (zoals gemakkelijke oxidatie, hoge reflectie en thermische geleidbaarheid) vergroten echter de moeilijkheid van selectieve lasersmelfabricage. Er zijn enkele problemen zoals oxidatie, restspanning, holtefouten en verdichting in het SLM-proces bij het afdrukken van aluminiumlegeringen. Deze problemen kunnen worden verbeterd door de atmosfeer strikt te beschermen, het laservermogen te vergroten en de vaarsnelheid te verminderen. Op dit moment drukt SLM aluminium materialen uit aluminiumlegeringen hoofdzakelijk uit de legering Al-Si-Mg-reeks zoals AlSi12 en AlSi10Mg. Aluminium-silicium 12 is een lichtgewicht additief dat metaalpoeder produceert met goede thermische prestaties. Het kan worden toegepast op dunne wandonderdelen, zoals warmtewisselaars of andere auto-onderdelen. Het kan ook worden toegepast op het prototype en de productiedelen van de lucht- en ruimtevaart- en luchtvaartindustrie. De toevoeging van silicium en magnesium geeft de aluminiumlegering meer sterkte en hardheid, waardoor het geschikt is voor dunne wanden en complexe geometrische onderdelen, vooral in het geval van goede thermische prestaties en een laag gewicht.
MAGNESIUM LEGERING
Als de lichtste structurele legering heeft magnesiumlegering de mogelijkheid om staal en aluminiumlegeringen in veel toepassingsgebieden te vervangen vanwege zijn speciale hoge sterkte en dempende eigenschappen. Zo kunnen lichtgewicht toepassingen van magnesiumlegeringen in auto- en vliegtuigonderdelen het brandstofverbruik en de uitlaatemissies verminderen. Mg-legering heeft een uitstekende in-situ afbraak en biocompatibiliteit, met een lage Young-modulus en dicht bij de menselijke botsterkte. Het heeft meer toepassingsmogelijkheden bij chirurgische implantatie dan traditionele legeringen.
HOGE TEMPERATUUR LEGERING
Legering op hoge temperatuur verwijst naar de superstaallegering die met ijzer, nikkel en kobalt als basis werkt en nog steeds langdurig kan werken bij de hoge temperatuur van 600 ℃ of hoger en stressomgeving. Het heeft een hoge temperatuursterkte, goede weerstand tegen corrosiebestendigheid en oxidatiebestendigheid en goede plasticiteit en taaiheid. Momenteel zijn de legeringen grofweg in drie categorieën onder te verdelen: legering op basis van Fe, legering op nikkelbasis en kobaltlegering.
Superalloy wordt voornamelijk gebruikt in krachtige motoren. In moderne geavanceerde vliegtuigmotoren is het gebruik van superlegeringsmateriaal goed voor 40% ~ 60% van de totale motormassa. De ontwikkeling van moderne krachtige aërodynamische motoren vereist steeds meer hoge temperaturen en prestaties van superlegering. Het traditionele metallurgische proces van blokken is traag in afkoeling, sommige elementen en scheiding in de tweede fase zijn ernstig in gietblokken. 3D-afdrukken is een nieuwe methode om het technische knelpunt bij de vorming van nikkellegeringen op te lossen.
Hierdoor Inconel 625 wordt vaak gebruikt in metalen onderdelen die worden gebruikt in maritieme toepassingen en olie- en gasproductie. Inconel 718 is een geharde versie van 625. 718 is een op nikkel gebaseerde legering met een goede weerstand tegen corrosie en hittebestendigheid, rekking, vermoeidheid en kruipen, en is geschikt voor diverse hoogwaardige toepassingen, zoals turbinemotoren voor vliegtuigen en landgebonden turbines. Inconel 718-legering is de vroegst gebruikte superlegering op basis van nikkel en is momenteel ook de meest gebruikte legering van de vliegtuigmotor.
Kobalt-chroomlegering heeft een hoge sterkte, sterke corrosieweerstand, goede biocompatibiliteit en niet-magnetische eigenschappen. Het wordt voornamelijk gebruikt in chirurgische implantaten, waaronder aluminium gewrichten, kniegewrichten en heupgewrichten, en kan ook worden gebruikt in motoronderdelen, mode- en sieradenindustrieën.
Sinds de opkomst van 3D-afdruktechnologie in de 1990s, van de oorspronkelijke polymeermaterialen tot metaalpoeder, zijn er veel nieuwe technologieën, nieuwe apparatuur en nieuwe materialen ontwikkeld en toegepast. Er is een breed scala aan metalen materialen geschikt voor industrieel 3D-afdrukken, maar slechts enkele gespecificeerde poedermaterialen kunnen aan de eisen van de industriële productie voldoen. Hoewel de 3D-afdruktechnologie van metaalpoeder op dit moment een aantal prestaties heeft bereikt, is het materiaal nog steeds de grootste factor en zijn er hogere eisen aan 3D-afdrukmaterialen. Daarom heeft de ontwikkeling van de 3D-afdruktechnologie van metaalpoeder nog een lange weg te gaan.