Аддитивное производство совершает революцию в мире производства, позволяя создавать сложные, высокодетализированные детали непосредственно по цифровым проектам. Среди различных технологий аддитивного производства, Лазерная плавка порошка (LPBF) стал одним из самых популярных методов, особенно при производстве металлических деталей. Но что именно такое LPBF и как она работает? В этом подробном руководстве мы погрузимся в мир LPBF, изучим его процесс, материалы, области применения, преимущества и ограничения. Мы также подробно рассмотрим конкретные металлические порошки, используемые в LPBF, и сравним их по различным параметрам.
Обзор лазерного наплавления порошка (LPBF)
Laser Powder Bed Fusion - это передовой процесс аддитивного производства, в котором используется мощный лазер для выборочного сплавления мелких частиц металлического порошка, слой за слоем, для создания твердого трехмерного объекта. Эта технология является частью более широкой категории процессов аддитивного производства, известных как сплавление порошкового слоя (PBF), которая также включает электронно-лучевое плавление (EBM) и селективное лазерное спекание (SLS). Однако LPBF уникальна своей способностью производить металлические детали высокого разрешения со сложной геометрией и превосходными механическими свойствами.
LPBF широко используется в различных отраслях промышленности, включая аэрокосмическую, автомобильную, медицинскую и промышленную, где точность, прочность и эффективность материалов имеют первостепенное значение. Эта технология позволяет изготавливать сложные металлические детали, которые невозможно или непомерно дорого изготовить с помощью традиционных методов, таких как механическая обработка или литье.
Как работает лазерное порошковое напыление
LPBF включает в себя несколько ключевых этапов, от разработки дизайна до конечного продукта. Вот обзор этого процесса:
- Создание цифрового дизайна: Процесс начинается с создания цифровой 3D-модели с помощью программного обеспечения для автоматизированного проектирования (CAD). Эта модель служит чертежом для объекта, который будет изготовлен.
- Нанесение порошка: Тонкий слой металлического порошка, обычно толщиной от 20 до 100 микрон, равномерно распределяется по платформе. Порошок хранится в резервуаре и распределяется с помощью лопатки или валика.
- Лазерное сканирование: Мощный лазерный луч избирательно сплавляет частицы порошка в соответствии с цифровым дизайном. Лазер направляется набором зеркал, известных как гальво, которые точно контролируют движение лазера по слою порошка.
- Послойное строительство: После наплавления одного слоя платформа для сборки опускается на толщину одного слоя, и наносится новый слой порошка. Затем лазер сплавляет новый слой, приклеивая его к предыдущему. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет создан весь объект.
- Постобработка: После завершения сборки излишки порошка удаляются, и деталь подвергается различным этапам последующей обработки, таким как термообработка, механическая обработка или финишная обработка поверхности, для достижения желаемых свойств и качества поверхности.
- Окончательная проверка: Готовая деталь проходит тщательную проверку и тестирование, чтобы убедиться, что она соответствует требуемым спецификациям и стандартам качества.
Ключевые преимущества Лазерная плавка порошка
LPBF обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами производства и другими технологиями аддитивного производства:
- Гибкость конструкции: LPBF позволяет создавать очень сложные геометрии, которые невозможно получить обычными методами. Сюда входят внутренние структуры, решетки и сложные детали, которые могут быть оптимизированы по весу, прочности и функциональности.
- Эффективность использования материалов: Поскольку LPBF - это аддитивный процесс, он использует только тот материал, который необходим для изготовления детали, что приводит к минимальным отходам. Это отличается от субтрактивных методов, таких как механическая обработка, где материал удаляется из более крупного блока, что часто приводит к значительным отходам.
- Высокая точность: LPBF может производить детали с очень жесткими допусками и мелкими деталями, что делает его идеальным для применения в тех случаях, когда точность имеет решающее значение.
- Быстрое прототипирование: LPBF позволяет быстро изготавливать прототипы, что ускоряет итерации дизайна и сокращает время вывода новых продуктов на рынок.
- Прочные, функциональные детали: LPBF позволяет получать детали с механическими свойствами, сравнимыми с теми, которые изготавливаются традиционными методами. Это делает ее пригодной для производства функциональных компонентов конечного использования, а не только прототипов.
Состав металлических порошков, используемых в лазерной порошковой плавке
Качество и состав металлического порошка, используемого в LPBF, имеют решающее значение для успеха процесса и свойств конечной детали. Ниже мы рассмотрим некоторые из наиболее часто используемых в LPBF металлических порошков, а также их конкретные составы и свойства.
| Металлический порошок | Состав | Свойства | ПРИМЕНЕНИЯ |
|---|---|---|---|
| Нержавеющая сталь 316L | Fe, Cr (16-18%), Ni (10-14%), Mo (2-3%) | Высокая коррозионная стойкость, хорошие механические свойства, свариваемость | Медицинские имплантаты, оборудование для пищевой промышленности, запчасти для морских судов |
| AlSi10Mg | Al (баланс), Si (9-11%), Mg (0.2-0.5%) | Высокое соотношение прочности и веса, хорошая теплопроводность | Аэрокосмические компоненты, автомобильные детали, теплообменники |
| Инконель 718 | Ni (50-55%), Cr (17-21%), Fe (баланс) | Высокая термостойкость, отличная прочность и коррозионная стойкость | Газовые турбины, аэрокосмические детали, ядерные реакторы |
| Ti6Al4V | Ti (90%), Al (6%), V (4%) | Высокое соотношение прочности и веса, отличная биосовместимость | Медицинские имплантаты, аэрокосмические компоненты, высокопроизводительные автомобильные детали |
| Мартенситностареющая сталь (1.2709) | Fe, Ni (18-19%), Co (8,5-9,5%), Mo (4,5-5,2%), Ti (0,6-0,8%) | Высокая прочность, вязкость, легкость обработки | Инструментальная оснастка, аэрокосмические компоненты, высокопрочные детали |
| Кобальт-хром (CoCr) | Co (баланс), Cr (27-30%), Mo (5-7%) | Высокая износостойкость и коррозионная стойкость, биосовместимость | Зубные имплантаты, медицинские приборы, лопатки турбин |
| Хастеллой® X | Ni (47%), Cr (22%), Mo (9%), Fe (18%) | Отличная высокотемпературная прочность, устойчивость к коррозии | Аэрокосмическая промышленность, химическая обработка, газовые турбины |
| Медь (Cu) | Cu (99.9%) | Высокая теплопроводность и проводимость электричества | Электрические компоненты, теплообменники, индукторы |
| Алюминий 6061 | Al (97,9-99%), Mg (0,8-1,2%), Si (0,4-0,8%) | Высокое соотношение прочности и веса, хорошая коррозионная стойкость | Конструкционные элементы, автомобильные детали, аэрокосмическая промышленность |
| Инструментальная сталь (H13) | Fe, Cr (4,75-5,5%), Mo (1,1-1,75%), V (0,8-1,2%) | Высокая твердость, износостойкость, прочность | Инструментальная оснастка, пресс-формы, штампы, высокопрочные компоненты |
Характеристики материалов для лазерного порошкового наплавления
При выборе металлического порошка для LPBF необходимо учитывать характеристики материала и то, насколько они соответствуют требованиям приложения. Вот некоторые из важнейших характеристик, которые необходимо учитывать:
- Распределение размера частиц: Размер и распределение частиц порошка существенно влияют на его текучесть и плотность упаковки, что, в свою очередь, сказывается на качестве конечной детали. Узкий гранулометрический состав обычно предпочтителен для равномерного нанесения слоев и оптимальной плотности деталей.
- Морфология: Форма частиц порошка (например, сферическая, неправильная) влияет на текучесть и плотность упаковки порошка. Сферические частицы обычно предпочтительнее в LPBF, поскольку они лучше текут и плотнее упаковываются, что приводит к получению более качественных деталей.
- Химический состав: Химический состав порошка напрямую влияет на механические свойства, коррозионную стойкость и другие эксплуатационные характеристики конечной детали. Очень важно использовать порошки с постоянным и контролируемым составом для достижения желаемых свойств материала.
- Чистота: Порошки высокой чистоты необходимы для производства деталей с постоянными механическими свойствами и минимизации риска возникновения дефектов. Примеси могут привести к таким проблемам, как пористость, плохие механические характеристики и пониженная коррозионная стойкость.
- Текучесть: Способность порошка плавно и равномерно растекаться в процессе повторного нанесения покрытия имеет решающее значение для достижения равномерной толщины слоя и высокого качества деталей. Плохая текучесть может привести к образованию неравномерных слоев, дефектов и снижению качества деталей.
- Реактивность: Некоторые металлические порошки, особенно содержащие алюминий, титан или магний, являются высокореакционными и требуют осторожного обращения и хранения для предотвращения окисления или загрязнения. Для снижения этих рисков в процессе LPBF часто используется среда инертного газа.
Области применения лазерного наплавления порошка
LPBF - это универсальная технология, которая находит применение в самых разных отраслях промышленности. Вот некоторые из основных областей применения, в которых LPBF оказывает значительное влияние:
| Промышленность | Заявление | подробности |
|---|---|---|
| Аэрокосмическая отрасль | Лопатки турбин, конструктивные элементы | Высокотемпературные сплавы, такие как Inconel 718 и Hastelloy X, используются благодаря своей прочности и жаростойкости. |
| Автомобильный | Компоненты двигателей, легкие конструкции | Алюминиевые сплавы и титан используются для снижения веса при сохранении прочности |
| Медицинский | Имплантаты, хирургические инструменты | Биосовместимые материалы, такие как Ti6Al4V и кобальт-хром, используются благодаря своей прочности и совместимости |
| Стоматология | Коронки, мосты, зубные имплантаты | Кобальт-хром и титан широко используются благодаря своей биосовместимости и прочности |
| Инструменты | Пресс-формы, штампы, режущие инструменты | Инструментальные стали, такие как H13 и Maraging Steel, используются благодаря своей твердости и износостойкости. |
| Энергия | Теплообменники, компоненты турбин | Суперсплавы на основе меди и никеля используются благодаря своей теплопроводности и высокотемпературным характеристикам |
| Ювелирные изделия | Индивидуальный дизайн, замысловатые детали | Драгоценные металлы, такие как золото и серебро, могут быть использованы для создания уникальных, детализированных изделий |
| Электроника | Теплоотводы, разъемы, индукторы | Медные и алюминиевые сплавы используются благодаря их превосходной тепло- и электропроводности |
| Защита | Легкая броня, специализированные компоненты | Высокопрочные материалы, такие как титан и инконель, используются для обеспечения долговечности и снижения веса. |
| Исследования и разработки | Создание прототипов, испытание материалов | Различные материалы используются для изучения новых областей применения и расширения границ возможностей ЛПБК |
Преимущества и ограничения Лазерная плавка порошка
Хотя технология LPBF обладает многочисленными преимуществами, у нее есть и свои недостатки. Понимание этих плюсов и минусов необходимо при принятии решения о том, подходит ли технология LPBF для конкретного применения.
| Преимущества | Ограничения |
|---|---|
| Свобода дизайна: Возможность создавать сложные, замысловатые геометрии, невозможные при использовании традиционных методов | Цена: Высокие первоначальные инвестиции в оборудование и материалы |
| Эффективность использования материалов: Минимальное количество отходов благодаря аддитивному характеру процесса | Ограничения по размеру сборки: Ограничен размером камеры сборки |
| Высокая точность: Возможность изготовления деталей с жесткими допусками и тонкими деталями | Требования к постобработке: Детали часто требуют дополнительной постобработки |
| Прочные функциональные детали: Механические свойства, сопоставимые с традиционно производимыми деталями | Ограниченный выбор материалов: Не все материалы подходят для LPBF |
| Быстрое прототипирование: Быстрый переход от проекта к готовой детали | Отделка поверхности: Для достижения желаемого качества детали могут потребовать обработки поверхности |
| Настройка: Возможность экономичного производства индивидуальных деталей | Обработка порошка: Требует осторожного обращения и хранения металлических порошков из-за реакционной способности и соображений безопасности |
Спецификации, размеры, марки и стандарты для материалов LPBF
При работе с LPBF важно понимать спецификации, размеры, марки и стандарты, которые применяются к материалам, используемым в процессе. Здесь представлен обзор некоторых ключевых моментов:
| Материал | Диапазон размеров (микроны) | Общие оценки | Стандарты |
|---|---|---|---|
| Нержавеющая сталь 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 |
| Инконель 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 |
| Мартенситностареющая сталь (1.2709) | 15-45, 45-105 | DIN 1.2709, AMS 6514 | ASTM A579, ISO 4957 |
| Кобальт-хром (CoCr) | 15-45, 45-105 | ASTM F75, F1537 | ASTM F2924, ISO 5832-4 |
| Хастеллой® X | 15-45, 45-105 | AMS 5754, AMS 5536 | ASTM B435, ASTM B572 |
| Медь (Cu) | 15-45, 45-105 | C11000, C10100 | ASTM B170, ASTM B152 |
| Алюминий 6061 | 15-45, 45-105 | ASTM B221, ASTM B308 | ASTM F3318, ISO 3522 |
| Инструментальная сталь (H13) | 15-45, 45-105 | ASTM A681, JIS SKD61 | ASTM A681, ISO 4957 |
Подробная информация о поставщиках и ценах на Металлические порошки LPBF
Поиск надежных поставщиков и понимание структуры цен на металлические порошки LPBF имеет решающее значение для планирования и составления бюджета. Ниже представлен обзор некоторых известных поставщиков и диапазон цен на различные типы металлических порошков:
| Поставщик | Металлический порошок | Диапазон цен (за кг) | подробности |
|---|---|---|---|
| Хёганяс | Нержавеющая сталь, инструментальная сталь, титан | $80 – $200 | Предлагает широкий ассортимент металлических порошков для LPBF |
| Carpenter Additive | Никелевые сплавы, нержавеющая сталь, титан | $100 – $250 | Известны высококачественные порошки аэрокосмического класса |
| Аддитивное производство Sandvik | Нержавеющая сталь, титан, кобальт-хром | $90 – $230 | Обеспечивает металлические порошки, оптимизированные для аддитивного производства |
| GKN Additive | Нержавеющая сталь, алюминий, инструментальная сталь | $70 – $180 | Предлагает металлические порошки, предназначенные для применения в LPBF |
| LPW Technology (Carpenter) | Инконель, мартенситностареющая сталь, алюминий | $110 – $300 | Специализируется на высокопроизводительных порошках для критических применений |
| AP&C (GE Additive) | Титан, алюминий, никелевые сплавы | $120 – $350 | Высококачественные порошки, ориентированные на применение в аэрокосмической и медицинской промышленности |
| Текна | Титан, алюминий, никелевые сплавы | $100 – $320 | Усовершенствованные порошки с контролируемым размером частиц |
| EOS | Различные (никель, алюминий, нержавеющая сталь) | $90 – $250 | Предлагает различные металлические порошки, разработанные специально для станков EOS |
| Renishaw | Нержавеющая сталь, титан, инконель | $100 – $270 | Известен своими высококачественными порошками |
| Aubert & Duval | Титан, алюминий, инструментальная сталь | $110 – $300 | Специализируется на металлических порошках для высоконагруженных применений |
Сравнение преимуществ и недостатков различных металлических порошков для LPBF
При выборе металлического порошка для LPBF необходимо взвесить все плюсы и минусы каждого варианта. Ниже приведена сравнительная таблица, в которой указаны преимущества и ограничения некоторых наиболее часто используемых металлических порошков:
| Металлический порошок | Преимущества | Ограничения |
|---|---|---|
| Нержавеющая сталь 316L | Отличная коррозионная стойкость, хорошие механические свойства, легко сваривается | Относительно меньшая прочность по сравнению с другими сплавами |
| AlSi10Mg | Высокое соотношение прочности и веса, хорошая теплопроводность, легкий вес | Более низкая коррозионная стойкость по сравнению с нержавеющей сталью |
| Инконель 718 | Высокая термостойкость, отличная прочность и коррозионная стойкость | Дорогие, сложные в обработке |
| Ti6Al4V | Высокое соотношение прочности и веса, отличная биосовместимость, хорошая коррозионная стойкость | Дорогостоящий, высокореактивный, требует инертной газовой среды |
| Мартенситностареющая сталь (1.2709) | Высокая прочность, вязкость, легкость обработки | Подвержен коррозии, требует термообработки |
| Кобальт-хром (CoCr) | Высокая износостойкость и коррозионная стойкость, биосовместимость | Дорого, трудно обрабатывать, ограниченная доступность |
| Хастеллой® X | Отличная высокотемпературная прочность, устойчивость к коррозии | Дорого, сложно обрабатывать, ограниченная доступность |
| Медь (Cu) | Высокая тепло- и электропроводность, легкость в работе | Высокая реакционная способность, риск окисления, сложность обработки с помощью LPBF |
| Алюминий 6061 | Высокое соотношение прочности и веса, хорошая коррозионная стойкость, легкий вес | Более низкая прочность по сравнению с другими алюминиевыми сплавами, не такая жаропрочная, как инконель или титан |
| Инструментальная сталь (H13) | Высокая твердость, износостойкость, прочность, хорошо подходит для изготовления инструментов | Склонна к растрескиванию при обработке, требует термообработки |
Часто задаваемые вопросы
Чтобы вы могли лучше понять, что такое лазерное порошковое напыление, мы составили список часто задаваемых вопросов с подробными ответами.
| Вопрос | Ответить |
|---|---|
| Что такое лазерное порошковое напыление (LPBF)? | LPBF - это процесс аддитивного производства, в котором используется лазер для послойного сплавления металлического порошка с целью создания твердого объекта. |
| Какие материалы обычно используются в LPBF? | К распространенным материалам относятся нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы, титановые сплавы, инконель, мартенситно-стареющая сталь и кобальт-хром. |
| Чем LPBF отличается от других методов аддитивного производства? | LPBF уникальна своей способностью производить металлические детали высокого разрешения с замысловатой геометрией, используя лазер для сплавления порошка. |
| Каковы преимущества использования LPBF для производства? | К преимуществам относятся гибкость конструкции, эффективность использования материалов, высокая точность, быстрое создание прототипов и возможность производства прочных, функциональных деталей. |
| Каковы ограничения LPBF? | К недостаткам относятся высокая стоимость, ограничения по размеру сборки, требования к постобработке и необходимость использования специализированных материалов. |
| Как выбрать подходящий металлический порошок для LPBF? | Учитывайте такие факторы, как гранулометрический состав, морфология, химический состав, чистота, текучесть и реакционная способность. |
| Какие отрасли получают наибольшую выгоду от LPBF? | Такие отрасли, как аэрокосмическая, автомобильная, медицинская, стоматологическая, инструментальная, энергетическая и электронная, получают огромную выгоду от применения LPBF. |
| Подходит ли LPBF для массового производства? | Хотя ЛПБП отлично подходит для изготовления прототипов и малых и средних партий продукции, она может оказаться не самым экономичным вариантом для крупносерийного производства. |
| Как качество металлического порошка влияет на конечную деталь? | Качество металлического порошка влияет на механические свойства, качество обработки поверхности и общие эксплуатационные характеристики конечной детали. |
| Может ли LPBF производить детали из нескольких материалов? | LPBF в основном используется для изготовления деталей из одного материала, но в настоящее время ведутся разработки технологий печати на нескольких материалах. |
Заключение
Лазерная плавка порошка это мощная технология аддитивного производства, обеспечивающая беспрецедентную свободу проектирования, эффективность использования материалов и возможность изготовления высококачественных металлических деталей со сложной геометрией. Несмотря на то что технология LPBF имеет свои сложности и ограничения, она продолжает развиваться, что делает ее все более жизнеспособным вариантом для широкого спектра применений в различных отраслях. Если вы хотите создать прототип новой конструкции, изготовить детали на заказ или изучить возможности аддитивного производства металлов, то технология LPBF заслуживает внимания.
Поскольку область аддитивного производства продолжает развиваться, можно ожидать дальнейшего совершенствования технологии LPBF, включая новые материалы, увеличение размеров сборки и улучшение управления процессом. Информированность об этих разработках будет ключевым фактором для использования всего потенциала технологии LPBF в ваших производственных начинаниях.
О компании 3DP mETAL
Категория продукта
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ
Есть вопросы? Отправьте нам сообщение прямо сейчас! После получения вашего сообщения мы обработаем ваш запрос всей командой.