Przewodnik po materiałach do druku 3D: metale

Źródło: 3dnatives.com

Druk 3D z metali jest jedną z najszybciej rozwijających się technologii produkcji zaawansowanej w skali przemysłowej. Według raportu opublikowanego przez Grand View Research, globalny rynek tego procesu wyceniono na 6,36 mld dolarów w 2022 roku. Ponadto sektor ten ma odnotować roczną stopę wzrostu (CAGR) na poziomie 24,2% do 2030 roku. Wzrost ten wynika częściowo z dużej różnorodności materiałów kompatybilnych z tą technologią. Niezależnie od tego, czy chodzi o drukarki 3D wykorzystujące systemy przetapiania warstw proszku (powder bed fusion), DED, EBM czy nawet ekstruzję metali, możliwości tych materiałów są praktycznie nieograniczone. W niniejszym kompleksowym przewodniku przedstawiamy najczęściej stosowane w druku 3D metale oraz właściwości każdego z nich.

Aluminium

Materiał ten oferuje doskonały kompromis między lekkością a wytrzymałością. Oprócz tego, że jest odporny na korozję, można go również spawać. W porównaniu do stali jest mniej wytrzymały i bardziej wrażliwy na wysokie temperatury. Stosuje się go głównie w obszarach, w których masa ma kluczowe znaczenie, takich jak części mechaniczne samochodów wyścigowych, lotnictwo, sektor kosmiczny, rowery itp. Rzadko występuje w stanie czystym i częściej spotyka się go w postaci stopu z metalami poprawiającymi jego właściwości fizyczne i mechaniczne, takimi jak krzem i magnez. Typowym przykładem jest aluminium AISi10Mg, sprzedawane w proszku przez niemieckiego producenta EOS. Umożliwia to wytwarzanie solidnych i złożonych części.

Stopy aluminium

Jak wskazano wcześniej, stopy aluminium są częściej spotykane niż forma czysta i są tradycyjnie stosowane w wielu zastosowaniach przemysłowych. Ponadto posiadają wysoki stosunek wytrzymałości do masy, a w rzeczywistości wykazują dobrą odporność na naprężenia i korozję metalu.

Stal

Jako jeden z najpopularniejszych metali w sektorze produkcji części zamiennych, nie dziwi fakt, że stal była pierwszym metalem wykorzystywanym w druku 3D. W tej grupie możemy wyróżnić dwa rodzaje: stal nierdzewną i stal maraging narzędziową. Stal nierdzewna jest powszechnie stosowana w życiu codziennym, inżynierii mechanicznej i medycynie. Posiada dobre właściwości metaliczne i zapewnia błyszczącą, wypolerowaną powierzchnię. Kilku producentów z branży 3D oferuje ten materiał, w tym EOS, ProMetal i Desktop Metal. Niektóre z jej właściwości to: twardość, wytrzymałość na rozciąganie, odkształcalność i odporność na uderzenia. Możliwe jest również drukowanie części z brązu lub złota przy użyciu stali nierdzewnej jako materiału bazowego. Osiąga się to na przykład poprzez pokrywanie warstw proszku ze stali nierdzewnej klejem do wtryskiwania brązu podczas drukowania. Z drugiej strony firma EOS opracowała stal maraging MS1, która jest wykorzystywana w produkcji narzędzi i form dzięki swojej wytrzymałości i odporności na pękanie.

Stopy miedzi

Miedź jest kolejnym metalem stosowanym w produkcji addytywnej. Jej właściwości obejmują wysoką przewodność elektryczną i cieplną, ciągliwość (odkształcenie plastyczne bez zerwania) oraz kowalność (odkształcenie pod wpływem nacisku). Miedź w druku 3D jest dostępna zarówno w formie filamentu, jak i proszku. Jej cechy sprawiają, że metal ten idealnie nadaje się do zastosowań związanych z zarządzaniem termicznym i inżynierią elektryczną (cewki indukcyjne, elektrody, wymienniki ciepła itp.), a także do budowy narzędzi i przyrządów. Niektóre z jej najpopularniejszych stopów to: CuNi2SiCr, CuCrZr, CuCP, Cu.

Gal

Gal stosuje się jako stop z 25% dodatkiem indu. Tym, co czyni ten stop wyjątkowym, jest fakt, że nie tylko może topić się w niskiej temperaturze 29,7°C (85,46°F), ale oba metale zestalają się w kontakcie z powietrzem, podczas gdy wnętrze pozostaje płynne, co sprzyja drukowaniu. Główną barierą w wykorzystaniu tego materiału pozostaje cena.

Tytan

Tytan jest wizytówką sektorów medycznego i lotniczego dzięki doskonałemu połączeniu wytrzymałości i masy, biokompatybilności oraz wysokiej odporności na korozję. Wszystkie gatunki tytanu wykazują ekstremalną odporność na korozję, ciągliwość i spawalność, chociaż gatunek pierwszy jest nieco mniej obrabialny niż gatunki drugi, trzeci i czwarty. Gatunek czwarty jest najbardziej wytrzymały. Druk 3D ułatwia produkcję części tytanowych i pozwala uniknąć zanieczyszczeń występujących w technikach tradycyjnych podczas fazy spawania. Istotną wadą tego materiału jest jednak jego wysoki koszt, który jest około 50-krotnie wyższy niż stali.

Stopy tytanu

Podobnie jak w przypadku stopów aluminium, stopy tytanu wykazują lepsze właściwości mechaniczne i chemiczne. Stop Ti6Al4V jest najczęściej stosowany i zajmuje 56% całkowitego rynku tytanu dzięki dobrej równowadze między wytrzymałością mechaniczną, ciągliwością, odpornością na zmęczenie i udarnością. Metale te są stosowane w produkcji addytywnej do wytwarzania szerokiej gamy komponentów przemysłowych, w tym blach, elementów złącznych, pierścieni, tarcz i pojemników. Stopy tytanu są również wykorzystywane do produkcji części wysokowydajnych silników samochodowych, takich jak skrzynie biegów i korbowody.

Chromokobalt

Stopy kobaltu, drukowane za pomocą technologii EBM i DMLS, wykazują lepszą jakość niż te otrzymywane tradycyjnymi metodami produkcji, takimi jak odlewanie metodą traconego wosku. Podobnie jak stopy tytanu, stopy chromowo-kobaltowe, takie jak CoCrMo, są szeroko stosowane w medycynie do produkcji implantów, zarówno ortopedycznych, jak i stomatologicznych (dzięki sztywności, odporności na zużycie i braku korozji). Ponadto sektor motoryzacyjny i lotniczy wykorzystuje niektóre wysoce żaroodporne stopy kobaltowo-chromowo-molibdenowe. EOS oferuje stopy kobaltowo-chromowe MP1 i SP2 odporne na wysokie temperatury, aż do 600°C (1112°F). Arcam z kolei wprowadza na rynek ASTM F75, powszechnie stosowany w produkcji narzędzi i form.

Stopy na bazie niklu

Nikiel to niezwykle wszechstronny materiał, dostępny w proszku lub filamentach, który można łączyć z innymi metalami. Superstopy niklowo-chromowe, takie jak Inconel 718 i Inconel 625, pozwalają na wytwarzanie mocnych i odpornych na korozję części metalowych. Stopy te stosuje się głównie w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i petrochemicznym, gdzie są narażone na wysokie obciążenia i temperatury. Właściwości mechaniczne stopów na bazie niklu w produkcji addytywnej, takich jak Inconel 625, są znacząco poprawione przez zastosowanie znacznych ilości niklu, chromu i molibdenu w metalu.

Metale szlachetne

Wcześniej widzieliśmy, że możliwe jest dodanie kleju w celu wtryśnięcia brązu i złota w wydrukowany obiekt stalowy. Innym sposobem drukowania tymi metalami jest odlewanie metalu. Jest to metoda traconego wosku, wykańczana ręcznie. Metoda ta jest szeroko stosowana w jubilerstwie i przy produkcji małych przedmiotów. Jednym z problemów i ograniczeń tej metody odlewania jest to, że należy w niej unikać drobnych kształtów oraz zapewnić minimalną grubość 0,8 mm – 1 mm, aby zagwarantować integralność ścianek. Faza wykończeniowa jest kluczem do uzyskania dobrej jakości powierzchni, szczególnie w przypadku elementów srebrnych. W przypadku złota możliwe jest uzyskanie różnych odcieni koloru (różowe, białe i żółte).

Na koniec warto zauważyć, że obecnie możliwe jest modyfikowanie struktury atomowej metalu podczas druku 3D. W ten sposób uzyskuje się szybsze i bardziej równomierne krzepnięcie, co może prowadzić do powstania sztywniejszego i bardziej wytrzymałego metalu.