Aditivní výroba přináší revoluci do světa výroby tím, že umožňuje vytvářet složité, vysoce detailní díly přímo z digitálních návrhů. Mezi různé techniky aditivní výroby patří, Fúze laserového práškového lože (LPBF) se stala jednou z nejoblíbenějších metod, zejména při výrobě kovových součástí. Co přesně ale LPBF je a jak funguje? V tomto obsáhlém průvodci se ponoříme hluboko do světa LPBF a prozkoumáme jeho proces, materiály, aplikace, výhody a omezení. Podíváme se také blíže na konkrétní kovové prášky používané v LPBF a porovnáme je v různých parametrech.
Přehled laserové fúze v práškovém loži (LPBF)
Laser Powder Bed Fusion je pokročilý aditivní výrobní proces, který využívá vysoce výkonný laser k selektivnímu spojování jemných částic kovového prášku vrstvu po vrstvě a vytváří tak pevný trojrozměrný objekt. Tato technologie je součástí širší kategorie aditivních výrobních procesů známých jako fúze v práškovém loži (PBF), která zahrnuje také tavení elektronovým svazkem (EBM) a selektivní laserové spékání (SLS). LPBF je však jedinečná svou schopností vyrábět kovové díly s vysokým rozlišením, složitou geometrií a vynikajícími mechanickými vlastnostmi.
LPBF se široce používá v různých průmyslových odvětvích, včetně leteckého, automobilového, zdravotnického a průmyslového průmyslu, kde je nejdůležitější přesnost, pevnost a efektivita materiálu. Tato technika umožňuje výrobu složitých kovových dílů, jejichž výroba tradičními metodami, jako je obrábění nebo odlévání, by byla nemožná nebo příliš nákladná.
Jak funguje laserová fúze v práškovém loži
LPBF zahrnuje několik klíčových kroků od návrhu až po finální produkt. Zde je přehled celého procesu:
- Tvorba digitálního designu: Proces začíná vytvořením digitálního 3D modelu pomocí softwaru pro počítačem podporované navrhování (CAD). Tento model slouží jako předloha předmětu, který má být vyroben.
- Nanášení prášku: Tenká vrstva kovového prášku o tloušťce obvykle od 20 do 100 mikronů je rovnoměrně rozprostřena po konstrukční plošině. Prášek se uchovává v zásobníku a roztírá se pomocí natíracího nože nebo válečku.
- Laserové skenování: Vysoce výkonný laserový paprsek selektivně spojuje částice prášku podle digitálního návrhu. Laser je naváděn soustavou zrcadel, známých jako galvos, která přesně řídí pohyb laseru po vrstvě prášku.
- Stavba po vrstvách: Po zatavení jedné vrstvy se stavební plošina sníží o tloušťku jedné vrstvy a nanese se nová vrstva prášku. Laser pak novou vrstvu nataví a spojí ji s předchozí vrstvou. Tento proces se opakuje, dokud není sestaven celý objekt.
- Následné zpracování: Po dokončení výroby se přebytečný prášek odstraní a díl se podrobí různým následným krokům, jako je tepelné zpracování, obrábění nebo povrchová úprava, aby se dosáhlo požadovaných vlastností a kvality povrchu.
- Závěrečná kontrola: Hotový díl prochází důkladnou kontrolou a testováním, aby se zajistilo, že splňuje požadované specifikace a normy kvality.
Klíčové výhody Fúze laserového práškového lože
LPBF nabízí několik výhod oproti tradičním výrobním metodám a jiným aditivním výrobním technikám:
- Flexibilita designu: LPBF umožňuje vytvářet velmi složité geometrie, které by nebylo možné vyrobit běžnými metodami. To zahrnuje vnitřní struktury, mřížky a složité detaily, které lze optimalizovat z hlediska hmotnosti, pevnosti a funkčnosti.
- Efektivita materiálu: Protože LPBF je aditivní proces, používá pouze materiál nezbytný k výrobě dílu, což vede k minimalizaci odpadu. To je v kontrastu se subtraktivními metodami, jako je obrábění, kdy se materiál odebírá z většího bloku, což často vede ke značnému odpadu.
- Vysoká přesnost: LPBF může vyrábět díly s extrémně malými tolerancemi a jemnými detaily, takže je ideální pro aplikace, kde je přesnost kritická.
- Rychlé prototypování: LPBF umožňuje rychlou výrobu prototypů, což umožňuje rychlejší iterace návrhu a zkracuje dobu uvedení nových výrobků na trh.
- Silné a funkční díly: LPBF vyrábí díly s mechanickými vlastnostmi srovnatelnými s díly vyrobenými tradičními výrobními metodami. Díky tomu je vhodná pro výrobu funkčních součástí pro konečné použití, nikoli pouze prototypů.
Složení kovových prášků používaných při laserové fúzi v práškovém loži
Kvalita a složení kovového prášku používaného při LPBF jsou rozhodující pro úspěch procesu a vlastnosti konečného dílu. Níže se budeme zabývat některými nejčastěji používanými kovovými prášky v LPBF, spolu s jejich specifickým složením a vlastnostmi.
| Kovový prášek | Kompozice | Vlastnosti | APLIKACE |
|---|---|---|---|
| Nerezová ocel 316L | Fe, Cr (16-18%), Ni (10-14%), Mo (2-3%). | Vysoká odolnost proti korozi, dobré mechanické vlastnosti, svařitelnost | Lékařské implantáty, zařízení pro zpracování potravin, lodní díly |
| AlSi10Mg | Al (rovnováha), Si (9-11%), Mg (0,2-0,5%) | Vysoký poměr pevnosti k hmotnosti, dobrá tepelná vodivost | Letecké a kosmické komponenty, automobilové díly, výměníky tepla |
| Inconel 718 | Ni (50-55%), Cr (17-21%), Fe (rovnováha) | Vysoká teplotní odolnost, vynikající pevnost a odolnost proti korozi | Plynové turbíny, letecké díly, jaderné reaktory |
| Ti6Al4V | Ti (90%), Al (6%), V (4%) | Vysoký poměr pevnosti a hmotnosti, vynikající biokompatibilita | Lékařské implantáty, letecké a kosmické komponenty, vysoce výkonné automobilové díly. |
| Maraging Steel (1.2709) | Fe, Ni (18-19%), Co (8,5-9,5%), Mo (4,5-5,2%), Ti (0,6-0,8%). | Vysoká pevnost, houževnatost, snadné obrábění | Nástroje, letecké komponenty, vysoce odolné díly |
| Kobalt-chrom (CoCr) | Co (rovnováha), Cr (27-30%), Mo (5-7%) | Vysoká odolnost proti opotřebení a korozi, biokompatibilní | Zubní implantáty, lékařské přístroje, lopatky turbín |
| Hastelloy X | Ni (47%), Cr (22%), Mo (9%), Fe (18%). | Vynikající pevnost při vysokých teplotách, odolnost proti korozi | Letectví, chemický průmysl, plynové turbíny |
| Měď (Cu) | Cu (99.9%) | Vysoká tepelná a elektrická vodivost | Elektrické komponenty, výměníky tepla, induktory |
| Hliník 6061 | Al (97,9-99%), Mg (0,8-1,2%), Si (0,4-0,8%). | Vysoký poměr pevnosti a hmotnosti, dobrá odolnost proti korozi | Konstrukční součásti, automobilové díly, letecký průmysl |
| Nástrojová ocel (H13) | Fe, Cr (4,75-5,5%), Mo (1,1-1,75%), V (0,8-1,2%). | Vysoká tvrdost, odolnost proti opotřebení, houževnatost | Nástroje, formy, zápustky, vysokopevnostní součásti |
Charakteristiky materiálů pro laserovou fúzi v práškovém loži
Při výběru kovového prášku pro LPBF je nutné zvážit vlastnosti materiálu a jejich soulad s požadavky aplikace. Zde jsou některé z kritických vlastností, které je třeba zvážit:
- Distribuce velikosti částic: Velikost a rozložení částic prášku významně ovlivňují jeho sypnost a hustotu balení, což má následně vliv na kvalitu výsledného dílu. Pro konzistentní nanášení vrstev a optimální hustotu dílu se obecně upřednostňuje úzká distribuce velikosti částic.
- Morphologie: Tvar částic prášku (např. sférický, nepravidelný) ovlivňuje sypnost a hustotu balení prášku. U LPBF se obecně dává přednost sférickým částicím, protože lépe tečou a jsou hustěji zabaleny, což vede k vyšší kvalitě dílů.
- Chemické složení: Chemické složení prášku přímo ovlivňuje mechanické vlastnosti, odolnost proti korozi a další provozní vlastnosti konečného dílu. Pro dosažení požadovaných vlastností materiálu je zásadní používat prášky s konzistentním a kontrolovaným složením.
- Čistota: Prášky s vysokou čistotou jsou nezbytné pro výrobu dílů s konzistentními mechanickými vlastnostmi a pro minimalizaci rizika vzniku vad. Nečistoty mohou vést k problémům, jako je pórovitost, špatné mechanické vlastnosti a snížená odolnost proti korozi.
- Tečení: Pro dosažení rovnoměrné tloušťky vrstvy a vysoce kvalitních dílů je rozhodující schopnost prášku hladce a rovnoměrně proudit během procesu přelakování. Špatná tekutost může mít za následek nestejnoměrné vrstvy, vady a sníženou kvalitu dílů.
- Reaktivita: Některé kovové prášky, zejména ty, které obsahují hliník, titan nebo hořčík, jsou vysoce reaktivní a vyžadují opatrné zacházení a skladování, aby se zabránilo oxidaci nebo kontaminaci. Při procesu LPBF se často používá prostředí inertního plynu, aby se tato rizika zmírnila.
Aplikace laserové fúze v práškovém loži
LPBF je univerzální technologie, která nachází uplatnění v široké škále průmyslových odvětví. Zde jsou některé z klíčových aplikací, kde LPBF významně ovlivňuje:
| Průmysl | Aplikace | Podrobnosti |
|---|---|---|
| Letectví a kosmonautika | Lopatky turbíny, konstrukční součásti | Vysokoteplotní slitiny jako Inconel 718 a Hastelloy X se používají pro svou pevnost a tepelnou odolnost. |
| Automotivní | Součásti motoru, lehké konstrukce | Pro snížení hmotnosti při zachování pevnosti se používají slitiny hliníku a titanu. |
| Medical | Implantáty, chirurgické nástroje | Biokompatibilní materiály jako Ti6Al4V a kobalt-chrom se používají pro svou pevnost a kompatibilitu. |
| Zubní lékařství | Korunky, můstky, zubní implantáty | Kobalt-chrom a titan se běžně používají pro svou biokompatibilitu a pevnost. |
| Nástroje | Formy, zápustky, řezné nástroje | Nástrojové oceli jako H13 a maraging steel se používají pro svou tvrdost a odolnost proti opotřebení. |
| Energie | Výměníky tepla, součásti turbín | Superslitiny na bázi mědi a niklu se používají pro jejich tepelnou vodivost a vysokoteplotní vlastnosti. |
| Šperky | Vlastní návrhy, složité detaily | Z drahých kovů, jako je zlato a stříbro, lze vytvořit jedinečné, detailně propracované kousky. |
| Elektronika | Chladiče, konektory, cívky | Slitiny mědi a hliníku se používají pro jejich vynikající tepelnou a elektrickou vodivost. |
| Obrana | Lehké brnění, specializované komponenty | Vysokopevnostní materiály, jako je titan a Inconel, se používají pro svou odolnost a úsporu hmotnosti. |
| Výzkum a vývoj | Výroba prototypů, testování materiálů | Různé materiály jsou používány ke zkoumání nových aplikací a posouvání hranic možností LPBF. |
Výhody a omezení Fúze laserového práškového lože
Přestože LPBF nabízí řadu výhod, má také svá omezení. Pochopení těchto výhod a nevýhod je nezbytné při rozhodování, zda je LPBF tou správnou technologií pro konkrétní aplikaci.
| Výhody | Omezení |
|---|---|
| Svoboda designu: Možnost vytvářet složité a komplikované geometrie, které jsou tradičními metodami nemožné. | Cena: Vysoké počáteční investice do vybavení a materiálů |
| Efektivita materiálu: Minimální množství odpadu díky aditivní povaze procesu | Omezení velikosti sestavy: Omezeno velikostí stavební komory |
| Vysoká přesnost: Schopnost vyrábět díly s úzkými tolerancemi a jemnými detaily. | Požadavky na následné zpracování: Díly často vyžadují další dodatečné zpracování |
| Silné funkční části: Mechanické vlastnosti srovnatelné s tradičně vyráběnými díly | Omezené možnosti materiálu: Ne všechny materiály jsou vhodné pro LPBF |
| Rychlé prototypování: Rychlá realizace od návrhu po hotový díl | Povrchová úprava: Pro dosažení požadované kvality mohou díly vyžadovat povrchovou úpravu. |
| Přizpůsobení: Možnost hospodárné výroby individuálních dílů na míru | Manipulace s práškem: Vyžaduje opatrnou manipulaci a skladování kovových prášků z důvodu reaktivity a bezpečnostních obav. |
Specifikace, velikosti, třídy a normy pro materiály LPBF
Při práci s LPBF je nezbytné znát specifikace, rozměry, třídy a normy, které se vztahují na materiály používané v procesu. Zde je přehled některých klíčových aspektů:
| Materiál | Rozsah velikostí (mikrony) | Společné známky | Normy |
|---|---|---|---|
| Nerezová ocel 316L | 15-45, 45-105 | ASTM A240, A276, A312 | ASTM F3184, ISO 5832-1 |
| AlSi10Mg | 20-63, 45-105 | EN AW-6082, EN AW-5083 | DIN EN 1706, ISO 3522 |
| Inconel 718 | 15-45, 45-105 | AMS 5662, AMS 5663 | ASTM F3055, ISO 15156 |
| Ti6Al4V | 15-45, 45-105 | ASTM B348, ASTM F136 | ASTM F2924, ISO 5832-3 |
| Maraging Steel (1.2709) | 15-45, 45-105 | DIN 1.2709, AMS 6514 | ASTM A579, ISO 4957 |
| Kobalt-chrom (CoCr) | 15-45, 45-105 | ASTM F75, F1537 | ASTM F2924, ISO 5832-4 |
| Hastelloy X | 15-45, 45-105 | AMS 5754, AMS 5536 | ASTM B435, ASTM B572 |
| Měď (Cu) | 15-45, 45-105 | C11000, C10100 | ASTM B170, ASTM B152 |
| Hliník 6061 | 15-45, 45-105 | ASTM B221, ASTM B308 | ASTM F3318, ISO 3522 |
| Nástrojová ocel (H13) | 15-45, 45-105 | ASTM A681, JIS SKD61 | ASTM A681, ISO 4957 |
Dodavatelé a podrobnosti o cenách kovových prášků LPBF
Nalezení spolehlivých dodavatelů a pochopení struktury cen kovových prášků LPBF je zásadní pro plánování a sestavování rozpočtu. Zde je přehled některých známých dodavatelů a cenového rozpětí pro různé typy kovových prášků:
| Dodavatel | Kovový prášek | Cenové rozpětí (za kg) | Podrobnosti |
|---|---|---|---|
| Höganäs | Nerezová ocel, nástrojová ocel, titan | $80 – $200 | Nabízí širokou škálu kovových prášků pro LPBF |
| Carpenter Additive | Slitiny niklu, nerezová ocel, titan | $100 – $250 | Známé pro vysoce kvalitní prášky pro letectví a kosmonautiku |
| Aditivní výroba Sandvik | Nerezová ocel, titan, kobalt-chrom | $90 – $230 | Poskytuje kovové prášky optimalizované pro aditivní výrobu |
| Přísady GKN | Nerezová ocel, hliník, nástrojová ocel | $70 – $180 | Nabízí kovové prášky přizpůsobené pro aplikace LPBF |
| Technologie LPW (Carpenter) | Inconel, maraging ocel, hliník | $110 – $300 | Specializuje se na vysoce výkonné prášky pro kritické aplikace. |
| AP&C (GE Additive) | Slitiny titanu, hliníku a niklu | $120 – $350 | Vysoce kvalitní prášky se zaměřením na letecké a lékařské aplikace |
| Tekna | Slitiny titanu, hliníku a niklu | $100 – $320 | Pokročilé prášky s řízenou velikostí částic |
| EOS | Různé (nikl, hliník, nerez) | $90 – $250 | Nabízí řadu kovových prášků určených speciálně pro stroje EOS. |
| Renishaw | Nerezová ocel, titan, Inconel | $100 – $270 | Známé pro konzistentní, vysoce kvalitní prášky |
| Aubert & Duval | Titan, hliník, nástrojová ocel | $110 – $300 | Specializuje se na kovové prášky pro vysoce namáhané aplikace. |
Porovnání výhod a nevýhod různých kovových prášků pro LPBF
Při výběru kovového prášku pro LPBF je nutné zvážit výhody a nevýhody jednotlivých možností. Níže je uvedena srovnávací tabulka zdůrazňující výhody a omezení některých nejčastěji používaných kovových prášků:
| Kovový prášek | Výhody | Omezení |
|---|---|---|
| Nerezová ocel 316L | Vynikající odolnost proti korozi, dobré mechanické vlastnosti, snadné svařování | Relativně nižší pevnost ve srovnání s jinými slitinami |
| AlSi10Mg | Vysoký poměr pevnosti k hmotnosti, dobrá tepelná vodivost, nízká hmotnost | Nižší odolnost proti korozi ve srovnání s nerezovou ocelí |
| Inconel 718 | Vysoká teplotní odolnost, vynikající pevnost a odolnost proti korozi | Drahé, náročné na zpracování |
| Ti6Al4V | Vysoký poměr pevnosti k hmotnosti, vynikající biokompatibilita, dobrá odolnost proti korozi. | Drahé, vysoce reaktivní, vyžaduje prostředí inertního plynu |
| Maraging Steel (1.2709) | Vysoká pevnost, houževnatost, snadné obrábění | Náchylné ke korozi, vyžadují tepelné zpracování |
| Kobalt-chrom (CoCr) | Vysoká odolnost proti opotřebení a korozi, biokompatibilní | Drahé, obtížně se obrábí, omezená dostupnost |
| Hastelloy X | Vynikající pevnost při vysokých teplotách, odolnost proti korozi | Drahé, obtížně zpracovatelné, omezená dostupnost |
| Měď (Cu) | Vysoká tepelná a elektrická vodivost, snadná práce | Vysoká reaktivita, riziko oxidace, náročné zpracování pomocí LPBF |
| Hliník 6061 | Vysoký poměr pevnosti a hmotnosti, dobrá odolnost proti korozi, nízká hmotnost | Nižší pevnost ve srovnání s jinými hliníkovými slitinami, není tak tepelně odolný jako Inconel nebo Titan |
| Nástrojová ocel (H13) | Vysoká tvrdost, odolnost proti opotřebení, houževnatost, vhodné pro nástrojové aplikace | náchylné k praskání při zpracování, vyžaduje tepelné zpracování |
Časté dotazy
Pro lepší pochopení technologie Laser Powder Bed Fusion jsme sestavili seznam často kladených otázek a podrobných odpovědí.
| Otázka | Odpověď |
|---|---|
| Co je laserová fúze v práškovém loži (LPBF)? | LPBF je aditivní výrobní proces, který využívá laser k tavení kovového prášku vrstvu po vrstvě a vytváří tak pevný objekt. |
| Jaké jsou běžné materiály používané v LPBF? | Mezi běžné materiály patří nerezová ocel, slitiny hliníku, slitiny titanu, Inconel, maraging steel a kobalt-chrom. |
| Jak se LPBF liší od jiných metod aditivní výroby? | Technologie LPBF je jedinečná svou schopností vyrábět kovové díly s vysokým rozlišením a složitou geometrií pomocí laseru, který prášek taví. |
| Jaké jsou výhody použití LPBF pro výrobu? | Mezi výhody patří flexibilita konstrukce, efektivita využití materiálu, vysoká přesnost, rychlá výroba prototypů a schopnost vyrábět pevné a funkční díly. |
| Jaká jsou omezení LPBF? | Mezi omezení patří vysoké náklady, omezení velikosti konstrukce, požadavky na následné zpracování a potřeba specializovaných materiálů. |
| Jak vybrat správný kovový prášek pro LPBF? | Zvažte faktory, jako je distribuce velikosti částic, morfologie, chemické složení, čistota, tekutost a reaktivita. |
| Která odvětví mají z LPBF největší prospěch? | Odvětví jako letecký, automobilový, lékařský, zubní, nástrojářský, energetický a elektronický průmysl mají z LPBF velký prospěch. |
| Je LPBF vhodný pro sériovou výrobu? | Ačkoli je LPBF vynikající pro výrobu prototypů a malých až středních sérií, nemusí to být nákladově nejefektivnější varianta pro velkosériovou výrobu. |
| Jak ovlivňuje kvalita kovového prášku výsledný díl? | Kvalita kovového prášku ovlivňuje mechanické vlastnosti, povrchovou úpravu a celkový výkon konečného dílu. |
| Umí LPBF vyrábět vícemateriálové díly? | LPBF se používá především pro díly z jednoho materiálu, ale probíhá vývoj technologií tisku z více materiálů. |
Závěr
Fúze laserového práškového lože je výkonná technologie aditivní výroby, která nabízí bezkonkurenční volnost při navrhování, efektivitu využití materiálu a schopnost vyrábět vysoce kvalitní kovové díly se složitou geometrií. Přestože s sebou přináší své výzvy a omezení, LPBF se neustále vyvíjí a stává se stále životaschopnější možností pro širokou škálu aplikací v různých průmyslových odvětvích. Ať už chcete vytvořit prototyp nového designu, vyrábět zakázkové díly nebo zkoumat možnosti aditivní výroby kovů, LPBF je technologie, která stojí za zvážení.
S dalším vývojem v oblasti aditivní výroby lze očekávat další vylepšení technologie LPBF, včetně nových materiálů, větších konstrukčních velikostí a lepšího řízení procesu. Zůstat informován o tomto vývoji bude klíčem k využití plného potenciálu LPBF ve vašich výrobních aktivitách.
O společnosti 3DP mETAL
Kategorie produktu
KONTAKTUJTE NÁS
Máte otázky? Pošlete nám zprávu ještě dnes! Po přijetí vaší zprávy zpracujeme vaši žádost s celým týmem.