Top metaal 3D-printpoeders voor 2020: De ultieme gids

Voor elk bedrijf dat wil indoken in metaal 3D-printen, is het cruciaal te weten welke metalen vandaag met deze technologie gebruikt kunnen worden. Van ontwerp tot manufacturing, het kiezen van de juiste materialen zorgt voor de hoogst mogelijke standaard voor het eindproduct.
 
Om u up to speed te helpen met het huidige metalen ecosysteem voor AM, verkennen we commercieel beschikbare legeringen voor Powder Bed Fusion, sleutelmateriaaleisen voor succesvol printen en hoe het gebruik van metalen in de toekomst zal evolueren. Maar laten we eerst verkennen wat Powder Bed Fusion is.
 

Een kort overzicht van metaal Powder Bed Fusion technologieën

 
Metaal Powder Bed Fusion (PBF) is de meest gevestigde metaal additieve manufacturing (AM) technologie vandaag.
 
Bij PBF worden lagen poedermetaal gelijkmatig verdeeld op een machine's bouwplatform en selectief gesmolten door een energiebron - ofwel een laser of een elektronenbundel.
 
Twee sleutel metaal 3D-printprocessen vallen onder de Powder Bed Fusion categorie:
 

• Selective Laser Melting (SLM) / Direct Metal Laser Sintering (DMLS)

 

• Electron Beam Melting (EBM)

 
Bij SLM wordt een krachtige, fijn-afgestelde laser selectief toegepast op een laag metaalpoeder. Op deze manier worden metaaldeeltjes gesmolten om een onderdeel te creëren.
 
Een belangrijke vereiste voor SLM is een gesloten bouwkamer gevuld met inert gas, zoals argon. Dit voorkomt zuurstofcontaminatie van het metaalpoeder en helpt de juiste temperatuur tijdens het printproces te handhaven.
 
EBM werkt vergelijkbaar met SLM in het sens dat de metaalpoeders ook gesmolten worden om een volledig dicht metaalonderdeel te creëren. Om contaminatie en oxidatie van het poeder te voorkomen, vindt het EBM-proces plaats in een vacuümomgeving.
 
Het verschil tussen SLM/DMLS en EBM technologieën is de energiebron: in plaats van een laser, gebruiken EBM-systemen een krachtige elektronenbundel als warmtebron om lagen metaalpoeder te smelten.
 
Omdat een elektronenbundel meestal krachtiger is dan een laser, wordt EBM vaak gebruikt met hoge-temperatuur metaal superlegeringen om onderdelen te creëren voor zeer veeleisende toepassingen, zoals straalmotoren en gasturbines. Bovendien, aangezien de technologie op elektrische ladingen berust, kan EBM alleen gebruikt worden met geleidende metalen, zoals titanium en chroom-kobalt legeringen.
 

Metaal 3D-printpoeder vereisten

 
Om accurate en herhaalbare metaal AM-productie te garanderen, moeten metaalpoeders consistente karakteristieken vertonen.
 
Vanwege de verschillende poederproductiemethoden, verschillen poederkarakteristieken per proces en legering. Enkele van de belangrijkste karakteristieken zijn:
 

• Deeltjesgrootteverdeling (PSD): Kleinere deeltjes laten fijner resolutie van onderdeeldimensies en oppervlakteafwerking toe. Binnen PBF gebruiken EBM-systemen traditioneel een 45-105 µm PSD, terwijl de meeste laser-gebaseerde systemen 15-45 µm PSD wensen.

• Morfologie: Gladde, regelmatig gevormde metaalpoederdeeltjes zijn te prefereren. Dit stelt hen in staat om goed te pakken, wat resulteert in een dicht product met goede en gewenste mechanische eigenschappen.

• Vloeibaarheid: Poedervloeibaarheid speelt een grote rol in het vormen van een homogene poederlaag, aangezien het poeder wordt gespreid door de recoater.

• Dichtheid: Optimale pakkingsdichtheid van poeder tijdens vloeien en verwerken beïnvloedt positief de integriteit en oppervlakteafwerking van 3D-geprinte onderdelen. Ellipsoïde deeltjes zouden betere en consistentere natuurlijke of willekeurige pakking hebben.

• Chemische/fase samenstelling: Dit verklaart waarom niet alle legeringen beschikbaar zijn als poeders. PBF favoureert overal lasbare metalen.

Welke metalen kunnen 3D-geprint worden in Powder Bed Fusion?

Staal

 
Legeringen beschikbaar voor AM: 316L, H13 Tool Steel, Maraging Steel, Case Hardening Steel, Stainless Steel 15-5 PH, Stainless Steel 17-4 PH, Stainless Steel 300 series, Stainless Steel 400 series, Low Alloy Steels

 
Staal is zowel het meest gebruikte als het meest gerecyclede metaalmateriaal op aarde. Van roestvrij en hoge-temperatuur stalen, biedt staal in zijn verschillende vormen en legeringen verschillende eigenschappen om een breed scala aan toepassingen te ontmoeten.
 
In metaal PBF zijn er alleen ongeveer tien primaire staallegeringen die vandaag breed geprint worden. Hoewel een set geprint stalen vrij klein is vandaag, vergeleken met traditionele metaalbewerkingstechnologieën, zijn bedrijven als Carpenter, Sandvik, Hoganas, GKN en Oerlikon allemaal actief nieuwe stalen voor AM ontwikkelend om nieuwe markten te betreden.
 
Bijvoorbeeld, GKN Additive Materials heeft onlangs nieuwe laag-legierde staalpoeders voor AM gepioneerd. Vanwege hun zwaartekracht en corrosieweerstand, creëren laag-legierde staalpoeders nieuwe kansen voor AM in sectoren als de automotive-industrie, waar schaalbaarheid en kosten sleuteldrivers zijn.
 
Vandaag groeit het gebruik van staal voor eind-onderdeel AM-productie, met name in nieuwere markten voor 3D-printen, zoals maritiem en automotive. Dit maakt staal een van de sleutels om de adoptie van metaal AM-technologie verder te drijven buiten de traditionele medische en luchtvaartindustriën.
 
Deze vooruitgang wijst erop dat stalen zeer waarschijnlijk de meest gebruikte metaal AM-materialen zullen worden over de komende jaren.
 

Aluminium

 
Legeringen beschikbaar voor AM: Al-Si10Mg, AlSi12, AlSi7Mg, AlSi9Cu3, Al4047, Al-Si-Mg (F357), Scalmalloy (Al-Mg-Sc), Al-Cu-Ti-B2 (A205/A20X)
 
Aluminium is een sterk, lichtgewicht metaal dat uitstekende mechanische en thermische eigenschappen combineert. Om die redenen worden aluminiumlegeringen breed gebruikt in de luchtvaart, automotive en biomedische industrieën.
 

 
AM-onderzoeksfirma, SmarTech, schat dat aluminium 3D-printen voor ongeveer 10 procent van alle metaalprinten in 2018 goed was. Sindsdien is er een significante toename geweest in de ontwikkeling en commercialisering van aluminiumlegeringen voor AM, aangedreven door de vraag in de luchtvaart- en automotive-industrieën.
 
Bijvoorbeeld, APWORKS, in samenwerking met Airbus, heeft Scalmalloy ontwikkeld voor luchtvaarttoepassingen. Het materiaal biedt de laagste buy-to-fly ratio, een bijzondere zegen voor de luchtvaartindustrie.
 
Hoewel het materiaal met luchtvaart in gedachten ontwikkeld is, zijn de eigenschappen ook aantrekkelijk voor de motorsportsector - daarom werd Scalmalloy recent toegevoegd aan de lijst van goedgekeurde AM-materialen voor Formule 1.
 
Echter, veel aluminiumlegeringen voor AM blijven erg duur en voldoen niet aan de eisen van de doelindustriën. Bijvoorbeeld, de automotive-industrie vereist aluminium 3D-geprinte onderdelen om crashtests te doorstaan om voor hun gebruik in massaproductievoertuigen in aanmerking te komen.
 
Engineeringgroep, EDAG, heeft een nieuwe aluminiumlegering ontwikkeld, bekend als CustAlloy, als onderdeel van het 'CustoMat_3D' onderzoeksproject, gericht op het aanpassen van AM voor automotive serieproductie.
 
Het nieuw ontwikkelde materiaal is ontworpen om deze uitdagingen te overwinnen door zowel hogere sterkte als hogere rek bij breuk te bieden - essentiële eigenschappen die zullen toestaan dat automotive 3D-geprinte onderdelen de nieuwe legering gebruiken om goed te presteren in crashtests.
 

Titanium

 
Graden: Ti-6Al-4V (Graad 5), Ti-6Al-4V (Graad 23), Cp-Ti (Graad 1), Cp-Ti (Graad 2), Ti-Al, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti5553, Ti6242
 
Titanium heeft uitstekende materiaaleigenschappen, maar de hoge kosten hebben het gebruik historisch beperkt tot hoogwaardige toepassingen in luchtvaart.
 
Nu metaal 3D-printen steeds meer erkend wordt als een haalbare productiemethode, maakt de technologie titanium beschikbaarder voor industrieën als medisch, automotive en motorsport.
 
Er is groot potentieel voor titanium 3D-printen, met name in het gebied van orthopedische implantaten, dankzij titanium's non-toxiciteit, hoge sterkte en weerstand tegen corrosie.
 
Wanneer gebruikt met 3D-printen, kunnen medische apparaatfabrikanten titanium implantaten creëren met complexe, poreuze structuren. Opmerkelijk genoeg imiteren deze structuren de structuur van menselijke botten, zodat botcellen het herkennen als een steiger doorheen te groeien.
 

 
De groeiende vraag naar titaniumpoeder heeft sommige metaalpoederfabrikanten gedreven om nieuwe titaniumproductieplanten te bouwen en anderen om hun productie van titaniumpoeders op te schalen.
 
Bijvoorbeeld, Sandvik opende een poederplant, voor zijn titanium en nikkel-gebaseerde superlegeringen onder het Osprey® merk, aan het einde van 2019. Datzelfde jaar verhoogde PyroGenesis, een Canadese fabrikant van plasma-geatomiseerd metaalpoeder, zijn productiesnelheid van titaniumpoeder, wat ook het bedrijf toestond de kosten van een historisch erg dure titaniumpoederproductie te verlagen.
 

Koper en edelmetalen

 
Legeringen beschikbaar voor AM: CuNi3Si, CuNi2SiCr, CuCrZr, CuAl10Fe5Ni5, Cu High Oxygen
 
Niet alle metalen lenen zich goed voor 3D-printen. Bijvoorbeeld, koper is met name uitdagend om te printen, met de overgrote meerderheid van 3D-geprint koper momenteel gebaseerd op legeringen van koper, niet het zuivere metaal.
 
Zuiver koper heeft een laserreflectiesnelheid van meer dan 90 procent, en het is moeilijk voor de laser om continu en regelmatig het zuivere koperpoeder te smelten.
 
Een weg vooruit is het ontwikkelen van nieuwe systemen die in staat zijn dergelijke metalen te 3D-printen.
 
Op Formnext 2018 demonstreerde TRUMPF zijn groene lasertechnologie, die zuiver koper kan printen, evenals andere edelmetalen.
 
Het bedrijf gelooft dat 3D-printen van zuiver koper een alternatieve manier kan worden om geleidende inductoren en warmtewisselaars te creëren, die met name nuttig zijn voor elektronica, automotive en ruimtevaarttoepassingen.
 
Wat edelmetalen betreft, zoals goud, zilver en platina, het voordeel van 3D-printen van deze materialen ligt in de mogelijkheid om ingewikkelde ontwerpen te bereiken, ideaal voor juwelen, accessoires en decoratieve objecten.
 
Echter, 3D-printen van edelmetalen is meestal indirect en betreft de productie van een wasmodel, dat vervolgens gebruikt wordt in een wasgiettechniek.
 
Direct 3D-printen met edelmetalen, met PBF, is ook mogelijk, hoewel het aantal 3D-printmachines compatibel met edelmetalen beperkt is.
 

Superlegeringen

 
Superlegeringen, een familie van metaalmengsels gebaseerd op nikkel, kobalt of ijzer, zijn bestand tegen hoge-temperatuur vervorming, corrosie en oxidatie, met name bij een verhoogde temperatuur dicht bij hun smeltpunt.
 
Eerst ontwikkeld voor gasturbine-componenten in turbojet-motoren, worden superlegeringen nu breed gebruikt voor hoge-temperatuur toepassingen in de luchtvaart- en energieopwekking-industrieën.
 

Nikkel

 
Legeringen beschikbaar voor AM: Inconel 625, Inconel 718, Inconel 738, Inconel 939, Ni-Ti, Waspaloy, Hastelloy, ABD900AM, Haynes 282
 
Nikkellegeringen werden vroeg commercieel beschikbaar voor gebruik in metaal PBF-processen, al 2007.
 
De huidige vraag naar nikkellegeringen wordt gedomineerd door superlegeringen in de Inconel-familie - met name IN625 en IN718 legeringen - dankzij hun significante mogelijkheden in toepassingen die grote hardheid, treksterkte en misschien het meest belangrijk, chemische en temperatuurbestendigheid vereisen.
 
Naast deze twee legeringen zijn er veel meer nikkel-chroom superlegeringen aangeboden door toonaangevende metalenbedrijven. Verschillende Haynes superlegeringen, Hastelloy superlegeringen en diverse vormen van Inconel worden nu meer gevestigd.
 
Terwijl de luchtvaartindustrie momenteel de meerderheid van de vraag naar nikkel-gebaseerde additieve manufacturing aandrijft, is er enorm potentieel voor 3D-printen van nikkelsuperlegeringen in de olie en gas, energie en algemene industriesegmenten, zoals chemische verwerking.
 

Kobalt

 
Legeringen beschikbaar voor AM: MP1, CP2, Co-Cr, Co-Cr-MoC, 188 Cobalt Alloy, 509 Cobalt Alloy, CoCr-0404, CO502, CO90, CO212, Co49Fe2V
 

 
De lancering van de eerste commercieel beschikbare kobalt-superlegeringen voor 3D-printen dateert uit 2006. Sindsdien is het gebruik van het materiaal gegroeid, gedreven door de vraag in de medische en luchtvaartindustrieën.
 
Kobalt-superlegeringen bezitten grote mechanische eigenschappen, naast weerstand tegen corrosie en hoge temperaturen. Kobalt-chroom legering is met name geschikt voor medische (orthopedische implantaten) en tandheelkundige toepassingen, omdat het uitstekende biocompatibiliteit heeft.
 

IJzer

 
Legeringen beschikbaar voor AM: Invar 36, Fe-Si, Fe-Ni
 
Een paar metaal PBF-systeemfabrikanten bieden de mogelijkheid om Invar 36 te printen, een nikkel-ijzer legering, opmerkelijk voor zijn extremelt lage thermische uitbuiting. Invar 36 wordt gebruikt in componenten die hoge dimensionale stabiliteit vereisen over een breed temperatuurbereik, zoals in radio- en elektronische apparaten, vliegtuigbesturingen, optische en lasersystemen.
 
Höganäs, een van de toonaangevende fabrikanten van metaalpoeders, biedt ook een reeks ijzer-gebaseerde poeders, bestendig tegen slijtage, uzing en corrosie, onder het AMPERPRINT merk.
 

Refractaire metalen

 
Refractaire metalen hebben buitengewone eigenschappen, maar tegelijkertijd zijn ze extremelijk moeilijk om mee te werken.
 
Het meest voorkomende gebruik van refractaire metalen in AM vandaag is in legeren met stalen, nikkel en kobalt materialen om veel populaire superlegeringen te creëren.
 
Momenteel bieden slechts een paar bedrijven refractaire metaalpoeders voor AM aan.
 
H.C. Starck Tantalum and Niobium GmbH, wat recent gerebrandeerd is als TANIOBIS GmbH, is een dergelijk bedrijf, dat een reeks geatomiseerd tantalum en niobium (Ta/Nb) poeders en hun legeringen aanbiedt, ontworpen voor AM onder de AMtrinsic merknaam.
 
Tantalum en niobium, TANIOBIS gelooft, zullen nieuwe kansen in AM openen, citerend hun hoge smeltpunten, hoge corrosieweerstand en hoge thermische en elektrische geleidbaarheid.
 
Eigenschappen als deze zouden bedrijven in staat stellen AM toe te passen in chemische verwerking, het energiesector en een reeks hoge-temperatuur omgevingen.
 

Het ooit-groeiende bereik van metaal 3D-printpoeders

 
In metaal PBF is materialenontwikkeling een werk in uitvoering. Het aantal beschikbare metalen voor 3D-printen blijft beperkt vergeleken met traditionele manufacturing, zoals gieten of bewerken.
 
Een reden hiervoor is de tijd en middelen die het kost om nieuwe metaalpoeders voor AM te ontwikkelen - in sommige gevallen kan het ontwikkelproces een paar jaar duren.
 
Een andere reden ligt in de hardwarebeperkingen, zoals het was in het geval met het koperpoeder, wat een andere lasergolfengte vereist, vergeleken met andere metalen, om succesvol geprint te worden. Gelukkig worden hardware-uitdagingen overwonnen om de reikwijdte van printbare metalen verder uit te breiden.
 
Ondanks de uitdagingen, ziet de toekomst van metaal PBF er helder uit, naarmate de adoptie in productie groeit en meer industrieën de technologie gaan omarmen. Dit betekent een verhoogde focus op nieuwe materialenchemieën die zullen helpen nieuwe toepassingen te ontgrendelen en metaal 3D-printen naar het volgende niveau te tillen.