Jak se kovové prášky vyrábějí pro průmyslové 3D tiskování

Kovový prášek je jednou z nejdůležitějších součástí v aditivní výroby průmyslu aditivní výroby (AM), která tvoří základ pro kovové díly vyráběné technologií 3D tisku. Na 13. ročníku světové konference průmyslu technologií 3D tisku definovali odborníci 3D tisk kovový prášek jako soubor kovových částic s průměrem menším než 1 mm, včetně čistých kovů, kovových slitin a žáruvzdorných sloučenin s kovovými vlastnostmi.

V současnosti dostupné kovové prášky pro 3D tisk zahrnují slitiny kobaltu a chromu, nerezovou ocel, nástrojové oceli, bronzové slitiny, titanové slitiny a slitiny niklu a hliníku. Aby byly splněny přísné požadavky procesů aditivní výroby, musí kovové prášky vykazovat:

• Jemnou zrnnost

• Úzké rozdělení velikosti částic

• Vysokou kulovitost

• Vynikající sypnou schopnost

• Vysoká sypná a objemová hmotnost

Metody výroby prášků

V závislosti na zamýšleném použití a následném tvářecím procesu se používají různé techniky výroby prášků. Tyto se rozdělují do dvou hlavních kategorií:

• Fyzikálně-chemické metody

• Mechanické metody

Ve výrobě práškové metalurgie elektrolyza , snížení , a atomizace jsou běžné, i když ne všechny jsou vhodné pro výrobu prášků slitin. V aditivní výrobě je hlavní pozornost zaměřena na titanové slitiny , superslitiny , kobalt-chrom , výrobky z oceli , a nástrojové oceli . Aby byly splněny požadované výkonové parametry, musí prášky zachovávat:

• Nízký obsah kyslíku a dusíku

• Vysokou kulovitost

• Úzké rozmezí velikosti částic

• Vysoká objemová hmotnost

V současné době jsou čtyři nejvýraznější metody výroby sférických kovových prášků pro aditivní výrobu:

1. Plasma Rotating Electrode Process (PREP)

2. Plasma Atomization (PA)

3. Gas Atomization (GA)

4. Plasma Spheroidization (PS)

1. Plasma Rotating Electrode Process (PREP)

Princip:
Kovové tyče (elektrody) jsou rotovány vysokou rychlostí, zatímco jejich špička je tavena plazmovým obloukem. Tavenina je odstředivou silou odlévána a vytváří jemné kapičky, které tuhnou za inertní atmosféry na téměř sférický prášek.

Hlavní vlastnosti:

• Vyrábí čistý, vysoce sférický prášek

• Vynikající sypanost a povrchová kvalita

• Úzké rozdělení částic podle velikosti

Omezení:

• Nižší výtěžek jemných prášků (<45 μm)

• Vysoké nároky na zařízení (otáčky, uzavření)

• Vyšší náklady na jemné prášky

Aplikace:
Nejlépe vhodný pro výrobu sférických prášků slitin, jako je titan a slitiny pro vysoké teploty. Větší velikosti částic se často používají v procesech Laser Engineered Net Shaping (LENS) nebo Directed Energy Deposition (DED).

2. Plazmatická atomizace (PA)

Princip:
Kovový drát je veden do zóny vysoké teploty plazmatu, kde je roztaven nebo odpařen a rozdrcen na mikroskopické kapičky kinetickou energií plazmatu. Tyto kapičky se ochlazují a tuhnou na jemné prášky během jejich pádu inertním plynovým prostředím.

Hlavní vlastnosti:

• Vysoký výtěžek ultrajemného prášku (<45 μm)

• Minimální množství dutých částic nebo uzavřeného plynu

• Vhodné pro slitiny s vysokou teplotou tavení

Omezení:

• Vyžaduje drátovou surovinu, což omezuje flexibilitu slitin

• Vyšší náklady na výrobu kvůli zpracování drátu

• Přítomnost některého satelitního prášku

Aplikace:
Ideální pro aditivní výrobní aplikace vyžadující vysokolegované jemnozrnné prášky. Velmi vhodné pro titanové slitiny používané v selektivním laserovém tavení (SLM) a tavení elektronovým svazkem (EBM).

3. Plynová atomizace (GA)

Typy:

• VIGA (Vakuová indukční plynová atomizace)
  K tavbě kovu ve vakuu se používá kelímku. Proud roztaveného kovu je rozdrcen na kapičky pomocí vysokotlakých proudů inertního plynu.

• EIGA (Indukční tavení elektrody v inertním plynu)
  Roztaví se rotující kovová elektroda pomocí indukčních cívek, čímž se eliminuje potřeba kelímku a sníží se riziko kontaminace.

Hlavní vlastnosti:

• Vysoká efektivita a nákladová účinnost

• Široká kompatibilita slitin (ocel, nikl, kobalt, hliník, měď)

• Řiditelná velikost částic

Omezení:

• Mírnější kulovitost ve srovnání s plazmovými metodami

• Vyšší obsah satelitních a dutých prášků

• Vzduchové bubliny zhoršují vhodnost pro EBM nebo izostatické lisování za horka (HIP)

Aplikace:
Běžně používán pro výrobu prášků pro procesy SLM a DED. Neustálá zlepování, jako např. ultrazvuková a laminární plynová atomizace, výrazně zlepšila kvalitu prášků pro aditivní výrobu.

4. Plazmová sféroidizace (PS)

Princip:
Nepravidelné kovové prášky jsou vedeny do plazmového hořáku s radiofrekvenčním (RF) výbojem. Částice jsou ohřáté těsně pod nebo nad svou teplotu tání a následně rychle ochlazeny, čímž vznikají kulovité částice působením povrchového napětí.

Hlavní vlastnosti:

• Vysoká kulovitost a hladké povrchy

• Dobrá sypná vlastnost

• vhodná pro tavitelné kovy (tantal, wolfram, niob, molybden)

Omezení:

• Dlouhé ohřevové cykly

• Zvýšený obsah kyslíku v důsledku zvětšené povrchové plochy

• Ztráta těkavých slitinových prvků při tavení

Aplikace:
Primárně se používá k přepracování nesférických prášků na sférické. Je také cenná pro získávání použitých nebo recyklovaných prášků

Porovnání metod

Závěr

Globálně se technologie aditivní výroby rychle vyvíjejí v oblasti materiálů, zařízení a aplikací. Zatímco současná pozornost často směřuje na samotný proces tisku, vývoj kovových prášků včetně návrhu slitin, výrobních zařízení a technologií kulovitosti za nízkých nákladů zůstává kritickou, ale nedostatečně rozvinutou oblastí.

Pro podporu silného a nezávislého ekosystému aditivní výroby je třeba věnovat větší pozornost infrastruktuře výroby prášků, inovacím procesů a výzkumu materiálů. Budování kapacit v těchto oblastech je nezbytné pro rozvoj vysokovýkonných, nákladově efektivních a škálovatelných řešení pro 3D tisk kovů.