Jak powstają proszki metalowe do przemysłowego druku 3D

Metaliczny proszek to jeden z najważniejszych elementów w przemyśle związanym z technologią wytwarzania addytywnego wytwarzania przyrostowego (AM), stanowiąc podstawę do wytwarzania metalowych części metodą druku 3D. Na Światowej Konferencji Przemysłu Technologii Druku 3D w 2013 roku eksperci zdefiniowali drukowanie 3D proszek metaliczny jako zbiór cząstek metalicznych o średnicy poniżej 1 mm, w tym metali czystych, stopów metalowych oraz związków ogniotrwałych o właściwościach metalicznych.

Obecnie dostępne proszki metaliczne dla drukowanie 3D obejmują stopy kobaltowo-chromowe, stal nierdzewna, stali narzędziowe, stopy brązu, stopy tytanu oraz stopy niklu z aluminium. Aby spełnić surowe wymagania procesów AM, proszki metaliczne muszą charakteryzować się:

• Drobny rozmiar cząstek

• Wąskim rozkładem wielkości

• Wysoką kulistością

• Doskonałą przesięklanością

• Wysoką gęstością nasypową i ubitym

Metody Produkcji Proszku

W zależności od planowanego zastosowania i procesu formowania w kolejnych etapach, stosuje się różne techniki produkcji proszku. Dzielą się one na dwie główne kategorie:

• Metody fizykochemiczne

• Metody mechaniczne

W przemyśle metalurgii proszków elektroliza , zmniejszenie , oraz atomizacja są powszechnie stosowane, choć nie wszystkie nadają się do wytwarzania proszków stopowych. W przypadku wytwarzania addytywnego główny nacisk kładzie się na stopy tytanu , superstopu , stop niklowo-chromowy , stalo o wysokiej wytrzymałości , oraz stale narzędziowe . Aby spełnić normy jakości, proszki muszą zachować:

• Niską zawartość tlenu i azotu

• Wysoką kulistością

• Wąski zakres wielkości cząstek

• Wysoka gęstość nasypowa

Obecnie cztery najważniejsze metody wytwarzania sferycznych proszków metalicznych do AM to:

1. Proces Plazmowego Elektrody Obrotowej (PREP)

2. Atomizacja plazmowa (PA)

3. Atomizacja gazowa (GA)

4. Sferydyzacja plazmowa (PS)

1. Proces Plazmowego Elektrody Obrotowej (PREP)

Zasada:
Pręty metalowe (elektrody) są obracane z dużą prędkością, podczas gdy ich końcówki są topione przez łuk plazmowy. Roztopiony materiał jest wyrzucany siłą odśrodkową, tworząc drobne krople, które krzepną w niemal sferyczny proszek w warunkach gazu obojętnego.

Najważniejsze funkcje:

• Wytwarza czysty, wysoce sferyczny proszek

• Doskonała przesiadność i jakość powierzchni

• Wąski rozkład wielkości cząstek

Ograniczenia:

• Niższy udział drobnych proszków (<45 μm)

• Wysokie wymagania dla sprzętu (prędkość obrotowa, szczelność)

• Wyższy koszt drobnych proszków

Zastosowanie:
Najlepiej nadaje się do wytwarzania sferycznych proszków stopowych, takich jak tytan i stopy o wysokiej temperaturze topnienia. Większe rozmiary cząstek są często stosowane w procesach Laser Engineered Net Shaping (LENS) lub Directed Energy Deposition (DED).

2. Atomizacja plazmowa (PA)

Zasada:
Drut metalowy jest wprowadzany do strefy wysokiej temperatury plazmy, gdzie jest topiony lub parowany, a następnie rozdrabniany na mikro-krople dzięki energii kinetycznej plazmy. Krople te stygną i krzepną, tworząc drobne proszki podczas opadania przez komorę z gazem obojętnym.

Najważniejsze funkcje:

• Wysoki udział proszków ultra-drobnych (<45 μm)

• Minimalna liczba pustych cząstek lub uwięzionego gazu

• Doskonały do stopów o wysokiej temperaturze topnienia

Ograniczenia:

• Wymaga drutu jako surowca, co ogranicza elastyczność w zakresie stopów

• Wyższe koszty produkcji wynikające z przetwarzania drutu

• Obecność pewnej ilości proszku satelitarnego

Zastosowanie:
Idealny do zastosowań w wytwarzaniu addytywnym wymagającym wysokiej czystości i drobnoziarnistych proszków. Dobrze nadaje się do stopów tytanu stosowanych w topieniu selektywnym laserem (SLM) i topieniu wiązką elektronową (EBM).

3. Atomizacja gazowa (GA)

Rodzaje:

• VIGA (Atomizacja gazowa w próżni indukcyjnej)
  Do stopienia metalu w próżni wykorzystywany jest tygiel. Strumień ciekłego metalu jest rozdrabniany na krople przez strumień wysokociśnieniowego gazu obojętnego.

• EIGA (Topienie elektrody indukcyjne w gazie obojętnym)
  Stopienie obracającej się metalowej elektrody odbywa się przy użyciu cewek indukcyjnych, eliminując konieczność stosowania tygla i zmniejszając ryzyko zanieczyszczenia.

Najważniejsze funkcje:

• Wysoka Efektywność i Kosztowność

• Szeroka kompatybilność ze stopami (stal, nikiel, kobalt, aluminium, miedź)

• Kontrolowana wielkość cząstek

Ograniczenia:

• Kształtność gorsza niż w przypadku metod opartych na plazmie

• Wyższa zawartość cząstek satelitarnych i porowatego proszku

• Wchwytywanie powietrza czyni go mniej odpowiednim do zastosowań w EBM lub gorącego izostatycznego prasowania (HIP)

Zastosowanie:
Szeroko stosowany do wytwarzania proszków do procesów SLM i DED. Ciągłe ulepszenia, takie jak atomizacja ultradźwiękowa czy laminarna struga gazowa, poprawiły jakość proszków do AM.

4. Plazmowa sferoidalizacja (PS)

Zasada:
Nieregularne proszki metalowe są wprowadzane do palnika plazmowego o częstotliwości radiowej (RF). Cząstki są ogrzewane do temperatury bliskiej lub powyżej ich temperatury topnienia, a następnie szybko chłodzone, tworząc sferyczne cząstki pod wpływem napięcia powierzchniowego.

Najważniejsze funkcje:

• Wysoka kulistość i gładkie powierzchnie

• Dobra przesięklność

• Odpowiedni do metali trudno topnych (tantal, wolfram, niob, molibden)

Ograniczenia:

• Długie cykle ogrzewania

• Zwiększona zawartość tlenu dzięki zwiększonej powierzchni

• Utrata lotnych składników stopowych podczas topnienia

Zastosowanie:
Głównie stosowany do ponownego przetwarzania proszków niesferycznych na sferyczne. Wartościowy również do odzyskiwania używanych lub recyklingowych proszków

Porównanie metod

Wnioski

Na całym świecie technologie wytwarzania addytywnego szybko się rozwijają w zakresie materiałów, urządzeń i zastosowań. Choć obecnie główny nacisk kładzie się na sam proces drukowania, rozwój materiałów metalicznych w fazie proszku – w szczególności projektowanie stopów, urządzenia produkcyjne oraz technologie sferoidalne o niskich kosztach – pozostaje kluczową, a zarazem niedostatecznie rozwiniętą dziedziną.

Aby wspierać solidny i niezależny ekosystem AM, należy zwrócić większą uwagę na infrastrukturę produkcji proszków, innowacje procesowe i badania materiałowe. Budowanie kompetencji w tych obszarach jest niezbędne do rozwoju wydajnych, ekonomicznych i skalowalnych rozwiązań druku 3D metali.