วัสดุผงโลหะสําหรับการพิมพ์ 3 มิติ

การพิมพ์ 3 มิติโลหะเป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่ใช้ผงโลหะในการพิมพ์ชิ้นส่วนโลหะโดยตรงหรือที่เรียกว่าการเผาผงโลหะ (SLM) นอกเหนือจากความเป็นพลาสติกที่ดีแล้วผงโลหะการพิมพ์ 3 มิติยังต้องตอบสนองความต้องการของขนาดอนุภาคละเอียดและการกระจายขนาดอนุภาคสูง แคบ, ความกลมกลืนสูง, ความลื่นไหลที่ดีและความต้องการความหนาแน่นสูงของ ปัจจุบันผงโลหะที่ใช้ในเครื่องพิมพ์ 3 มิติส่วนใหญ่ ได้แก่ สแตนเลสอลูมิเนียมอัลลอยด์โลหะผสมโคบอลต์โครเมียมโลหะผสมทองแดงโลหะผสมไทเทเนียมและโลหะผสมนิกเกิล โลหะผสมเหล็กเป็นวิศวกรรมวัสดุโลหะที่สําคัญที่สุดและใช้มากที่สุดในเทคโนโลยีส่วนใหญ่จะใช้สําหรับการขึ้นรูปโครงสร้างที่ซับซ้อนและใช้กันอย่างแพร่หลายในการบินและอวกาศรถยนต์การต่อเรือการผลิตเครื่องจักรและอุตสาหกรรมอื่น ๆ

ประเภทของผงโลหะและกระบวนการพิมพ์ 3 มิติที่ใช้ในการกําหนดคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

●ผงสแตนเลส

วัสดุการพิมพ์โลหะราคาถูกคุ้มค่าทนต่อการกัดกร่อนได้ดีมีความแข็งแรงสูงสามารถผลิตชิ้นส่วนอุตสาหกรรมที่ซับซ้อนชุดเล็ก ๆ ได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ

●ผงอลูมิเนียมอัลลอยด์

ในปัจจุบันอลูมิเนียมอัลลอยด์ที่ใช้ในการพิมพ์ 3 มิติโลหะส่วนใหญ่รวมถึงอลูมิเนียมซิลิคอน AlSi12 และ AlSi10Mg อลูมิเนียมซิลิคอน 12 เป็นสารเติมแต่งที่มีน้ําหนักเบาที่ใช้ในการผลิตผงโลหะที่มีคุณสมบัติทางความร้อนที่ดี การรวมกันของซิลิคอนและแมกนีเซียมช่วยให้โลหะผสมอลูมิเนียมมีความแข็งแรงสูงขึ้น และความแข็งทําให้เหมาะสําหรับรูปทรงเรขาคณิตที่มีผนังบางและซับซ้อนโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่มีคุณสมบัติทางความร้อนที่ดีและมีน้ําหนักเบา โลหะผสมอลูมิเนียมเป็นวัสดุโครงสร้างที่ไม่ใช่เหล็กที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในความแข็งแรงสูงใกล้เคียงหรือเหนือกว่าเหล็กคุณภาพสูงและความเป็นพลาสติกที่ดี การวิจัยแสดงให้เห็นว่าโลหะผสมอลูมิเนียมสําหรับการพิมพ์ 3 มิติสามารถบรรลุชิ้นส่วนที่หนาแน่นโครงสร้างขนาดเล็กและคุณสมบัติทางกลเทียบเท่าหรือดีกว่าการหล่อชิ้นส่วนและเมื่อเทียบกับกระบวนการแบบดั้งเดิมคุณภาพของชิ้นส่วนสามารถลดลงได้ 22% แต่ต้นทุนสามารถลดลงได้ 30%

●ผงโลหะผสมโคบอลต์โครเมียม

เนื่องจากความต้านทานการสึกหรอและความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยมผงโลหะผสมโคบอลต์โครเมียมสําหรับการพิมพ์โลหะ 3 มิติจึงมักใช้ในการพิมพ์ข้อต่อเทียมและการปลูกถ่ายกระดูกต่างๆและยังใช้ในด้านทันตกรรม

●ผงโลหะผสมทองแดง

ด้วยการนําความร้อนและไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมทองแดงที่มีการนําความร้อนที่ดีเยี่ยมในการใช้งานการจัดการความร้อนสามารถรวมกับอิสระในการออกแบบเพื่อผลิตโครงสร้างภายในที่ซับซ้อนและช่องทางการระบายความร้อนที่สอดคล้อง

●ผงโลหะผสมไทเทเนียม

มันถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการบินและอวกาศโดยใช้ข้อดีของการพิมพ์ 3 มิติเพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบผลิตภัณฑ์เช่นการเปลี่ยนตัวเครื่องที่เป็นของแข็งดั้งเดิมด้วยโครงสร้างที่ซับซ้อนและสมเหตุสมผลเพื่อให้ผลิตภัณฑ์สําเร็จรูปมีน้ําหนักลดลงและคุณสมบัติเชิงกลที่ดีขึ้น สิ่งนี้ไม่เพียง แต่สามารถลดต้นทุน แต่ยังสามารถสร้างการผลิตที่มีน้ําหนักเบาของแต่ละส่วนประกอบได้

●ผงโลหะผสมนิกเกิล

ความต้านทานการเกิดออกซิเดชันและความต้านทานการกัดกร่อนของโลหะผสมนิกเกิลทําให้เหมาะสําหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงของอุณหภูมิสูงและความดันสูง เมื่อโลหะผสมนิกเกิลถูกทําให้ร้อนชั้นออกไซด์ที่หนาและมีเสถียรภาพจะถูกส่งผ่านบนพื้นผิวของโลหะผสมเพื่อป้องกันด้านในของโลหะผสมจากการกัดกร่อน คุณสมบัติเชิงกลที่ดีได้รับการบํารุงรักษาในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง

วิธีการใช้วัสดุผงสําหรับการพิมพ์ 3 มิติ

ลําแสงเลเซอร์พลังงานสูงซึ่งควบคุมโดยข้อมูลแบบจําลอง 3 มิติใช้ในการละลายเมทริกซ์โลหะในท้องถิ่นในขณะที่การเผาจะทําให้วัสดุโลหะผงแข็งตัวและซ้อนกันทีละชั้นโดยอัตโนมัติเพื่อสร้างชิ้นส่วนของแข็งเรขาคณิตหนาแน่น

วิธีการผลิตผงโลหะพิมพ์ 3 มิติ

การผลิตผงโลหะเป็นลักษณะพื้นฐานของโลหะผง วิธีการต่าง ๆ ที่ใช้ในการเตรียมผงโลหะรวมถึงการลดอิเล็กโทรไลซิสการสลายตัวของคาร์บอนิลการบดและการทําให้เป็นละออง

สี่วิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตผงโลหะคือการลดโซลิดสเตตอิเล็กโทรไลซิสเคมีและการทําให้เป็นละออง

ผู้ผลิตส่วนใหญ่ใช้อิเล็กโทรไลซิสและวิธีการลดการผลิตผงโลหะธาตุ แต่พวกเขาไม่เหมาะสําหรับการผลิตผงโลหะผสม อย่างไรก็ตามวิธีการทําให้เป็นละอองมีแนวโน้มที่จะเอาชนะข้อ จํากัด นี้ดังนั้นผู้ผลิตจึงใช้สําหรับการผลิตผงโลหะผสม

อิเล็กโทรไลซิสเป็นอีกวิธีหนึ่งที่ใช้ในการผลิตโลหะผง โดยการเลือกองค์ประกอบอิเล็กโทรไลต์อุณหภูมิความเข้มข้นและความหนาแน่นในปัจจุบันที่เหมาะสมโลหะที่แตกต่างกันสามารถฝากเป็นฟองน้ําหรือผง สิ่งนี้สามารถตามมาด้วยการซักผ้าการอบแห้งการลดการอบอ่อนและบด วิธีนี้ผลิตผงโลหะที่มีความบริสุทธิ์สูงมาก โดยทั่วไปจะใช้สําหรับผงทองแดงนําไฟฟ้าสูงเนื่องจากความต้องการพลังงานสูง

วิธีการทําให้เป็นละอองหมายถึงวิธีการบดโลหะหลอมเหลวเป็นอนุภาคที่มีขนาดน้อยกว่า 150 μm โดยวิธีการทางกล ตามวิธีการบดโลหะหลอมเหลววิธีการทําให้เป็นละอองรวมถึงการทําให้เป็นละอองสองกระแสละอองแบบแรงเหวี่ยงละอองละอองอัลตราโซนิกละอองสุญญากาศ วิธีการทําให้เป็นละอองเหล่านี้มีลักษณะเฉพาะของตนเองและประสบความสําเร็จในการผลิตทางอุตสาหกรรม ในหมู่พวกเขาวิธีการละอองไอน้ํามีข้อดีของอุปกรณ์การผลิตและกระบวนการที่เรียบง่ายการใช้พลังงานต่ําและขนาดชุดขนาดใหญ่และได้กลายเป็นผงโลหะหลัก วิธีการผลิตทางอุตสาหกรรม

ข้อกําหนดด้านประสิทธิภาพการพิมพ์ 3 มิติสําหรับผงโลหะ

1. ความบริสุทธิ์

การรวมเซรามิกจะช่วยลดประสิทธิภาพของส่วนสุดท้ายลงอย่างมากและโดยทั่วไปการรวมเหล่านี้จะมีจุดหลอมเหลวสูงและยากที่จะเผาดังนั้นจึงต้องไม่มีการรวมเซรามิกไว้ในผง นอกจากนี้ปริมาณออกซิเจนและไนโตรเจนยังต้องได้รับการควบคุมอย่างเคร่งครัด ในปัจจุบันเทคโนโลยีการเตรียมผงสําหรับการพิมพ์ 3 มิติโลหะส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับวิธีการทําให้เป็นละออง ผงมีพื้นที่ผิวเฉพาะขนาดใหญ่และง่ายต่อการออกซิไดซ์ ในด้านการใช้งานพิเศษเช่นการบินและอวกาศลูกค้ามีข้อกําหนดที่เข้มงวดมากขึ้นสําหรับดัชนีนี้เช่น superalloys ปริมาณออกซิเจนของผงคือ 0.006% -0.018% ปริมาณออกซิเจนของผงโลหะผสมไทเทเนียมคือ 0.007% -0.013% และปริมาณออกซิเจนของผงสแตนเลสคือ 0.010% -0.025%

2.ผงของเหลวและความหนาแน่นจํานวนมาก

ความลื่นไหลของผงส่งผลโดยตรงต่อความสม่ําเสมอของการแพร่กระจายของผงในระหว่างกระบวนการพิมพ์และความเสถียรของกระบวนการให้อาหารผง ความลื่นไหลเกี่ยวข้องกับสัณฐานวิทยาของผงการกระจายขนาดอนุภาคและความหนาแน่นจํานวนมาก ยิ่งสัดส่วนของผงละเอียดเล็กลงเท่าไหร่ความลื่นไหลก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น ความหนาแน่นของอนุภาคยังคงไม่เปลี่ยนแปลงความหนาแน่นสัมพัทธ์เพิ่มขึ้นและความลื่นไหลของผงเพิ่มขึ้น นอกจากนี้การดูดซับน้ําก๊าซ ฯลฯ บนพื้นผิวของอนุภาคจะช่วยลดความลื่นไหลของผง

3.ผงกระจายขนาดอนุภาค

อุปกรณ์การพิมพ์ 3 มิติและกระบวนการขึ้นรูปที่แตกต่างกันมีข้อกําหนดที่แตกต่างกันสําหรับการกระจายขนาดอนุภาคผง ในปัจจุบันช่วงขนาดอนุภาคผงที่ใช้กันทั่วไปในการพิมพ์ 3 มิติโลหะคือ 15-53μm (ผงละเอียด) และ 53-105μm (ผงหยาบ) การเลือกขนาดอนุภาคผงโลหะสําหรับการพิมพ์ 3 มิติส่วนใหญ่เป็นไปตามเครื่องพิมพ์โลหะที่มีแหล่งพลังงานที่แตกต่างกันเครื่องพิมพ์ที่ใช้เลเซอร์เป็นแหล่งพลังงานเหมาะสําหรับการใช้ผง 15-53μm เป็นวัสดุสิ้นเปลืองเนื่องจากจุดโฟกัสที่ดีและการละลายของผงละเอียดได้ง่าย วิธีการจ่ายผงคือการเคลือบผงทีละชั้น เครื่องพิมพ์แบบกระจายผงที่มีลําแสงอิเล็กตรอนเนื่องจากแหล่งพลังงานมีจุดโฟกัสที่หนากว่าเล็กน้อยซึ่งเหมาะสําหรับการละลายผงหยาบและเหมาะสําหรับการใช้ผงหยาบ 53-105 μm สําหรับเครื่องพิมพ์ประเภทการให้อาหารผงโคแอกเซียลขนาดอนุภาค 105-150 μm สามารถใช้ผงเป็นวัสดุสิ้นเปลือง

4. สัณฐานวิทยาของผง

สัณฐานวิทยาของผงมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับวิธีการเตรียมผง โดยทั่วไปเมื่อก๊าซโลหะหรือของเหลวหลอมเหลวถูกเปลี่ยนเป็นผงรูปร่างของอนุภาคผงมีแนวโน้มที่จะเป็นทรงกลม ผงส่วนใหญ่ที่เตรียมโดยวิธีการนั้น dendritic โดยทั่วไปแล้วยิ่งมีความกลมกลืนสูงเท่าไหร่ความลื่นไหลของอนุภาคผงก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น ผงโลหะพิมพ์ 3 มิติต้องการความกลมกลืนมากกว่า 98% เพื่อให้การแพร่กระจายของผงและการให้อาหารผงง่ายขึ้นในระหว่างการพิมพ์

ความสําคัญของการพิมพ์ผงโลหะ 3 มิติ

ผงโลหะทําให้การพิมพ์ 3 มิติเร็วขึ้นและช่วยให้สามารถสร้างต้นแบบได้อย่างรวดเร็ว ผู้ผลิตยังสามารถปรับเปลี่ยนการออกแบบได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น วิธีนี้ยังคุ้มค่าเนื่องจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติโลหะใช้เฉพาะปริมาณวัสดุที่จําเป็นในการทําชิ้นส่วนที่ต้องการ ทําให้การออกแบบชิ้นส่วนเครื่องจักรที่ซับซ้อนเป็นเรื่องง่ายและช่วยให้การผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักร "เป็นไปไม่ได้"