Guide till 3D-utskriftsmaterial: metaller

Källa: 3dnatives.com

3D-utskrift i metall är en av de snabbast växande avancerade tillverkningsteknikerna inom industrin. Enligt en rapport publicerad av Grand View Research värderades den globala marknaden för denna process till 6,36 miljarder dollar år 2022. Dessutom förväntas sektorn uppvisa en årlig tillväxttakt (CAGR) på 24,2 % fram till 2030. Denna ökning beror delvis på det breda utbudet av material som är kompatibla med tekniken. Oavsett om det gäller 3D-skrivare som använder system för pulverbäddfusion, DED, EBM eller till och med metallextrudering, är möjligheterna med dessa material praktiskt taget obegränsade. I denna omfattande guide presenterar vi de vanligaste metallerna inom 3D-utskrift och deras respektive egenskaper.

Aluminium

Detta material erbjuder en utmärkt balans mellan lätthet och styrka. Utöver att vara korrosionsbeständigt kan det även svetsas. Jämfört med stål är det mindre hållfast och känsligare för höga temperaturer. Det används främst inom områden där vikt är kritiskt, såsom mekaniska delar i racerbilar, flygteknik, flyg- och rymdindustrin, cyklar med mera. Det förekommer sällan i rent tillstånd och återfinns oftare som legering med metaller som förbättrar dess fysikaliska och mekaniska egenskaper, såsom kisel och magnesium. Ett typiskt exempel är aluminiumet AISi10Mg, som säljs i pulverform av den tyska tillverkaren EOS. Detta gör det möjligt att producera solida och komplexa delar.

Aluminiumlegeringar

Som nämnts ovan är aluminiumlegeringar vanligare än den rena formen och används traditionellt i många industriella tillämpningar. Dessutom har de ett högt förhållande mellan styrka och vikt; de uppvisar god motståndskraft mot metallspänningar och korrosion.

Stål

Då stål är en av de vanligaste metallerna inom industrin för produktion av reservdelar, är det inte förvånande att det var den första metallen som användes vid 3D-utskrift. Inom denna grupp kan vi hitta två typer: rostfritt stål och maråldrat verktygsstål. Rostfritt stål används flitigt i vardagen, inom maskinteknik och medicin. Det har goda metalliska egenskaper och ger en polerad och blank yta. Flera tillverkare inom 3D-industrin erbjuder detta material, däribland EOS, ProMetal och Desktop Metal. Några av dess egenskaper inkluderar hårdhet, draghållfasthet, formbarhet och slagtålighet. Det är även möjligt att skriva ut delar i brons eller guld genom att använda rostfritt stål som basmaterial. Detta uppnås till exempel genom att belägga lager av rostfritt stålpulver med lim för bronsinjektion under utskriften. Å andra sidan har EOS utvecklat det maråldrade stålet MS1, som används vid tillverkning av verktyg och formar tack vare sin styrka och brottseghet.

Kopparlegeringar

Koppar är en annan metall som används inom additiv tillverkning. Dess egenskaper inkluderar hög elektrisk och termisk ledningsförmåga, duktilitet (plastisk deformation utan brott) och formbarhet (deformation genom kompression). Koppar finns tillgängligt i både filament- och pulverform för 3D-utskrift. Dess egenskaper gör denna metall idealisk för tillämpningar inom termisk hantering och elektroteknik (induktorer, elektroder, värmeväxlare, etc.), samt för konstruktion av verktyg och utrustning. Några av de vanligaste legeringarna är: CuNi2SiCr, CuCrZr, CuCP, Cu.

Gallium

Gallium används som legering med 25 % indium. Det som gör denna legering speciell är att den inte bara kan smälta vid en låg temperatur på 29,7°C (85,46°F), utan de två metallerna stelnar vid kontakt med luft medan insidan förblir flytande, vilket främjar utskriften. Priset är fortfarande det största hindret för att använda detta material.

Titan

Titan är kronjuvelen inom medicin- och flygindustrin tack vare sin utmärkta kombination av styrka och vikt, biokompatibilitet och höga korrosionsbeständighet. Alla titankvaliteter uppvisar extrem korrosionsbeständighet, duktilitet och svetsbarhet, även om kvalitet ett är något mindre bearbetningsbar än kvalitet två, tre och fyra. Kvalitet fyra är den starkaste. 3D-utskrift underlättar produktionen av titandelar och undviker föroreningar som uppstår vid traditionella tekniker under svetsfasen. En stor nackdel med detta material är dock dess höga kostnad, som är cirka 50 gånger högre än stål.

Titanlegeringar

Precis som med aluminiumlegeringar uppvisar titanlegeringar bättre mekaniska och kemiska egenskaper. Legeringen Ti6Al4V är den mest använda och upptar 56 % av den totala titanmarknaden tack vare sin goda balans mellan mekanisk styrka, duktilitet, utmattningshållfasthet och brottseghet. Dessa metaller används inom additiv tillverkning för att producera ett brett utbud av industriella komponenter, inklusive plåtar, fästelement, ringar, skivor och behållare. Titanlegeringar används även för att producera motordelar för högpresterande bilar, såsom växellådor och vevstakar.

Koboltkrom

Koboltlegeringar, som skrivs ut med EBM- och DMLS-teknik, uppvisar bättre kvalitet än de som erhålls med traditionella produktionsmetoder som precisionsgjutning (lost-wax casting). Liksom titanlegeringar används koboltkromlegeringar såsom CoCrMo flitigt inom medicin för produktion av proteser, både inom ortopedi och tandvård (tack vare styvhet, slitstyrka och korrosionsbeständighet). Dessutom använder fordons- och flygindustrin vissa värmebeständiga kobolt-krom-molybdenlegeringar. EOS erbjuder koboltkromlegeringarna MP1 och SP2, som är motståndskraftiga mot höga temperaturer upp till 600°C (1 112°F). Arcam marknadsför å andra sidan ASTM F75, som används flitigt för tillverkning av verktyg och formar.

Nickelbaserade legeringar

Nickel är ett otroligt mångsidigt material som finns tillgängligt i pulver- eller filamentform och som kan legeras med andra metaller. Nickel-krom-superlegeringar, såsom Inconel 718 och Inconel 625, gör det möjligt att producera starka och korrosionsbeständiga metalldelar. Dessa legeringar används främst inom flyg-, fordons- och petrokemisk industri, där de utsätts för höga påfrestningar och temperaturer. De mekaniska egenskaperna hos nickelbaserade legeringar vid additiv tillverkning, som Inconel 625, förbättras avsevärt genom användningen av betydande mängder nickel, krom och molybden i metallen.

Ädelmetaller

Vi har tidigare sett att det är möjligt att tillsätta lim för att injicera brons och guld i ett utskrivet stålobjekt. Ett annat sätt att skriva ut med dessa metaller är metallgjutning. Det rör sig om en form med förlorat vax, som finbearbetas för hand. Denna metod används i stor utsträckning inom smyckestillverkning och produktion av små föremål. Ett av problemen och begränsningarna med denna gjutmetod är att man måste ta hänsyn till fina former som bör undvikas, samt garantera en minsta tjocklek på 0,8 mm – 1 mm för att säkerställa väggarnas hållfasthet. Efterbearbetningen är nyckeln till att uppnå en bra ytfinish, särskilt för silverdelar. Slutligen, med guld är det möjligt att uppnå olika färgnyanser (rosa, vitt och gult).

Slutligen är det viktigt att notera att det idag är möjligt att ändra metallens atomstruktur under 3D-utskriften. På så sätt uppnås en snabbare och mer enhetlig stelning, vilket kan leda till en styvare och starkare metall.