Metaalpoeders zijn een kritieke grondstof voor additieve productie met poederbedfusietechnologie. Deze gids geeft een overzicht van verschillende metaalpoeders die worden gebruikt bij 3D printprocessen zoals selectieve lasersmelting (SLM) en elektronenstraalsmelting (EBM).
Inleiding tot metaalpoeders voor AM
Metaalpoeders maken het mogelijk om complexe metalen onderdelen met hoge prestaties te printen met additieve productie.
Gebruikte materialen:
- Roestvrij staal
- Gereedschapsstaal
- Kobalt-chroomlegeringen
- Titaan en titaanlegeringen
- Aluminium legeringen
- Nikkel-superlegeringen
- Koperlegeringen
Belangrijkste poedereigenschappen:
- Chemie - Zuiverheid en samenstelling
- Deeltjesvorm en morfologie
- Deeltjesgrootteverdeling
- Schijnbare dichtheid en kraan dichtheid
- Vloeibaarheid
- Hergebruik poeder
Poederproductiemethoden:
- Gasverneveling
- Waterverneveling
- Plasma-verneveling
- Elektrode inductie smelten
- Carbonylproces
- Mechanische legering
Roestvrij staalpoeders
Roestvrijstalen poeders worden vaak gebruikt voor het printen van corrosiebestendige onderdelen:
Typen legering:
- Austenitische staalsoorten zoals 316L, 304L
- Martensitische staalsoorten zoals 17-4PH
- Duplex staalsoorten zoals 2205
- Precipitatieharding zoals 17-4PH, 15-5PH
Kenmerken:
- Hoge corrosie- en oxidatieweerstand
- Goede sterkte en vervormbaarheid
- Minder gevoelig voor scheuren dan hooggelegeerd staal
- Parameters zoals bouwsfeer kritisch
Toepassingen:
- Onderdelen voor de chemische en procesindustrie
- Mariene componenten
- Medische implantaten en hulpmiddelen
- Onderdelen voor de voedingsmiddelen-/farmaceutische industrie die hygiëne vereisen
Leveranciers: Carpenter, Sandvik, Praxair, Höganäs, LPW Technologie
Poeders van gereedschapsstaal
Gereedschapsstalen zoals H13 zijn ideaal voor het bedrukken van slijtdelen en onderdelen met een hoge hardheid:
Typen legering:
- Schokbestendig staal zoals S7
- Koudwerkstaal zoals D2
- Warmwerkstaal zoals H13, H11
- Snelstaal zoals M2
Kenmerken:
- Uitstekende hardheid tot 60 HRC
- Hoge slijtvastheid
- Goede taaiheid en weerstand tegen thermische vermoeidheid
- Oplossinggloeien op hoge temperatuur vereist
Toepassingen:
- Metalen vormmatrijzen en mallen
- Snijgereedschappen en boren
- Slijtageonderdelen en lagers
- Gereedschap voor hoge temperaturen
Leveranciers: Sandvik, Erasteel, LPW Technologie, Tekna Plasmasystemen
Kobalt-chroomlegeringen
Kobalt-chroom poeders printen biocompatibele implantaten en tandheelkundige restauraties:
Typen legering:
- CoCrMo zoals Co-28Cr-6Mo
- CoNiKrM zoals Co-35Ni-20Kr-10M
- CoCr zoals Co-67Cr-28Fe
Kenmerken:
- Uitstekende biocompatibiliteit en corrosieweerstand
- Hoge sterkte en hardheid
- Slijtvastheid voor scharnierende gewrichten
- Uitdagende bedrukbaarheid en scheurneiging
Toepassingen:
- Tandheelkundige copings, bruggen en kronen
- Orthopedische knie- en heupimplantaten
- Fixatieapparaten zoals schedelplaten
- Spinale fusie hardware
Leveranciers: SLM-oplossingen, Carpenter, Arcam EBM
Titaanpoeder
Titaniumpoeders maken sterke, lichtgewicht geprinte onderdelen:
Typen legering:
- Ongelegeerd titanium zoals Ti graad 1-4
- Ti-6Al-4V-legering
- Ti-6Al-7Nb legering
- Andere alfa + bèta legeringen
Kenmerken:
- Hoge sterkte-gewichtsverhouding
- Uitstekende corrosieweerstand
- Goede eigenschappen bij hoge temperaturen
- Lage dichtheid - 4,5 g/cc
- Reactief en vereist inerte atmosfeer
Toepassingen:
- Onderdelen voor lucht- en ruimtevaart en motorsport
- Medische implantaten en protheses
- Onderdelen voor de voedingsmiddelen-/chemische industrie
- Auto-onderdelen
Leveranciers: AP&C, Tekna, Carpenter additief
Aluminium legeringen
Aluminiumpoeders printen lichtgewicht structurele of functionele onderdelen:
Typen legering:
- AlSi10Mg
- AlSi7Mg
- AlSi12
- Scalmalloy® en andere Al-legeringen
Kenmerken:
- Lage dichtheid - 2,7 g/cc
- Goede sterkte en stijfheid
- Uitstekende thermische geleidbaarheid
- Vatbaar voor scheuren en restspanningen
Toepassingen:
- Auto en motorsport onderdelen
- Lucht- en ruimtevaarttoepassingen
- Warmtewisselaars
- Medische apparatuur zoals gipsverband
Leveranciers: AP&C, Sandvik, LPW Technologie, ECKA Korrels
Nikkel-superlegeringen
Nikkel superlegeringen zoals Inconel 718 printen onderdelen voor hoge temperaturen:
Typen legering:
- Inconel 718
- Inconel 625
- Waspaloy
- Hastelloy X
Kenmerken:
- Uitstekende sterkte bij hoge temperaturen
- Goede weerstand tegen corrosie en kruip
- Vermogen om onder stress te werken bij hoge temperaturen
- Lastig te verwerken en gevoelig voor barsten
Toepassingen:
- Turbinebladen
- Onderdelen verbrandingskamer
- Onderdelen ruimtevaartuig
- Onderdelen voor nucleaire/chemische industrie
Leveranciers: Praxair, Carpenter Additief, GE Additief
Koperlegeringen
Koperlegeringen zoals CuCrZr printen zeer geleidende onderdelen:
Typen legering:
- Koper-chroom zoals CuCr1Zr
- Koper-nikkel zoals CuNi2SiCr
- Bronzen zoals CuSn10
Kenmerken:
- Uitstekende thermische en elektrische geleidbaarheid
- Goede corrosiebestendigheid
- Antibacteriële eigenschap
- Lagere sterktes dan staal en nikkellegeringen
Toepassingen:
- Elektrische componenten zoals rails
- Warmtewisselaars en koellichamen
- Golfgeleiders en RF-componenten
- Medische instrumenten en fixaties
Leveranciers: Sandvik, LPW Technologie, Metalysis
Technische specificaties
Typische metaalpoederspecificaties gebruikt in AM:
| Parameter | Typische waarden | Testnormen |
|---|---|---|
| Deeltjesgrootte | 10 – 45 μm | ASTM B214 |
| Deeltjesvorm | Bolvormig | ISO 13322-2 |
| Stroomsnelheid | 25 – 35 s/50g | ASTM B213 |
| Schijnbare dichtheid | 2 – 5 g/cc | ASTM B212 |
| Tik op dichtheid | 4 - 8 g/cc | ASTM B527 |
| Resterende zuurstof | < 300 ppm | Interne methode |
| Resterende stikstof | < 50 ppm | Interne methode |
| Resterende koolstof | < 30 ppm | ASTM E1019 |
Poederproductiemethoden
1. Gasverstuiving
- Zeer bolvormig poeder
- Kleine deeltjesgrootte van 5-100 μm
- Gebruikt voor reactieve legeringen zoals titanium
2. Verstuiving van water
- Onregelmatige poedervorm
- Grotere deeltjes tot 300 μm
- Proces met lagere kosten
3. Plasma-verneveling
- Gecontroleerde deeltjesvormen
- Submicron tot 150 μm afmetingen
- Poeder van hoge zuiverheid
4. Mechanisch legeren
- Elementair mengen en malen
- Kosteneffectief voor aangepaste legeringen
- Grote deeltjesgrootten
Leveranciers en prijzen
| Leverancier | Materialen | Prijsbereik |
|---|---|---|
| LPW-technologie | Gereedschapsstaal, roestvrij staal | $50 - $120/kg |
| AP&C | Titaanlegeringen, Al-legeringen | $70 - $450/kg |
| Sandvik | Roestvrij staal, nikkellegeringen | $45 - $250/kg |
| Praxair | Superlegeringen, titanium | $150 - $600/kg |
| Timmerman additief | Gereedschapsstaal, CoCr, roestvrij | $80 - $300/kg |
- Roestvrij staalpoeder kost $45-$120 per kg
- Titaanlegeringspoeders kosten $150-$450 per kg
- Superlegeringen en gereedschapsstaal kosten $250-$600 per kg
Prijzen zijn afhankelijk van legering, kwaliteit, lotgrootte en aankoopovereenkomsten.
Behandeling en opslag van poeder
Om contaminatie te voorkomen, is een juiste poederbehandeling van cruciaal belang:
- Gebruik speciale poederzeefruimtes
- Zorg voor handschoenkasten en trechters onder inerte atmosfeer
- Gebruik geleidende houders om statische lading af te voeren
- Aard alle apparatuur en transportcontainers
- Vermijd contact met olie, water of zuurstof
- Bewaar poeder in afgesloten containers onder inert gas
- Temperatuur en vochtigheid tijdens opslag controleren
- Volg veiligheidsmaatregelen zoals persoonlijke beschermingsmiddelen (PPE) bij het hanteren
Juiste opslag verlengt de levensduur van poeder voor hergebruik.
Poeder zeven
Zeven zorgt voor consistente deeltjesgrootte:
Voordelen:
- Verwijdert satellietdeeltjes die defecten veroorzaken
- Breekt agglomeraten af
- Verbetert doorstroming en verpakkingsdichtheid
- Vermindert problemen met recyclebaarheid
- Verwijdert vreemde verontreinigingen
Procedure:
- Zeef poeder met maaswijdten rond 20-63 μm
- Zeef met behulp van roterende of vibrerende zeven
- Zeven uitvoeren onder inerte atmosfeer
- Documenteer het resterende poedergewichtspercentage
Zeven verbetert de kwaliteit van de producten door een ideale verspreiding van het poeder te garanderen.
Installatie en inbedrijfstelling
Een metalen AM-printer met poedersysteem installeren:
- Oppervlakken van apparatuur reinigen om verontreiniging te voorkomen
- Lektesten van verbindingen met inert gas
- Vermogen van laser- of elektronenbundel controleren
- Laden en testen van poedercoatingsysteem
- Integratie van koelmachine, uitlaat en serviceaansluitingen
- Bewakings- en veiligheidssensoren installeren
- Verifiëren van poederzeef- en verwerkingssystemen
- Bouwplaatnivellering kalibreren
- Monsterdelen testen en kwaliteit valideren
Leveranciers bieden ondersteuning bij installatie en inbedrijfstelling.
Werking en beste praktijken
Richtlijnen voor printergebruik:
- Regelmatige lekcontroles en zuiverheidstests van inert gas uitvoeren
- Poeder voorbehandelen voor een consistente textuur
- Laagdikte en laserparameters aanpassen voor nieuwe materialen
- Het smeltbad nauwlettend in de gaten houden en de onderdeeltemperatuur regelen
- Kritische afmetingen valideren met behulp van testprints
- Controleer de toestand van het poeder en hergebruik het alleen volgens de aanbevelingen
- Regelmatig onderhoud uitvoeren aan optiek, bundelafgiftesysteem en poedercoatingmechanisme
Veiligheid van het personeel:
- Gebruik de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen (PPE) zoals ademhalingsapparatuur en handschoenen
- Vermijd contact met reactieve fijne metaalpoeders
- Verwerk poederafval op de juiste manier onder inerte atmosfeer
Nabewerking van onderdelen:
- Gebruik de juiste warmtebehandeling en verouderingstemperaturen voor de oplossing, afgestemd op de legering en toepassing.
- Aanloopsnelheden tijdens thermische verwerking regelen om spanningen te verlichten
- Gebruik indien nodig heet isostatisch persen voor complexe onderdelen om de dichtheid te verbeteren
- Afwerkingsstappen toepassen zoals CNC-bewerken en polijsten
Onderhoud en inspectie
Regelmatige onderhoudsactiviteiten:
Dagelijks:
- Inspecteer optiek zoals spiegels, lenzen en ruiten op beschadigingen
- Reinig de bouwkamer en het poederbehandelingssysteem
- Inert gasniveaus controleren en indien nodig bijvullen
- Test het zeefmechanisme en de poedercoater
Wekelijks:
- Sensoren en instrumenten kalibreren
- Controleer bevestigingsmiddelen, elektrische aansluitingen en aarding
- Bewegende onderdelen zoals motoren en aandrijvingen smeren en inspecteren
- Filters controleren op vervanging
Maandelijks:
- Lektest inert gassysteem met helium
- Inspecteer veiligheidsvoorzieningen zoals brandmelders
- Controleer de gezondheid van het WKK-systeem
Jaarlijks:
- Plan preventief onderhoud met leverancier van apparatuur
- Kalibreer de laservermogensmeter
- Filters en verbruiksartikelen vervangen
Onderhoud volgens de richtlijnen van de leverancier is vereist om de kwaliteit van de onderdelen en de gezondheid van de apparatuur te behouden.
Het juiste metaalprintsysteem kiezen
Overwegingsfactoren bij het kiezen van een metaal AM machine:
1. Productievereisten
- Type te produceren onderdelen
- Benodigd materiaal gebaseerd op onderdeeleigenschappen
- Vereisten voor productievolume
- Vereiste nauwkeurigheid en oppervlakteafwerking
2. Printerspecificaties
- Ondersteunde materialen en parameters
- Bouwgrootte en -snelheid
- Precisie en herhaalbaarheid
- Beheer van inerte atmosfeer
- Automatiseringsfuncties en bedieningselementen
3. Poederbehandelingssysteem
- Geïntegreerd of standalone systeem
- Mogelijkheden voor zeven, voeden, opslaan en hergebruiken
- Insluiting voor reactieve materialen zoals titanium
- Bewakingsfuncties om verontreiniging te voorkomen
4. Naleving van normen
- Industriële standaarden zoals ASTM F3301
- Kwaliteitscertificeringen van fabrikanten
- Naleving van veiligheidsnormen
5. Referenties van leveranciers
- Bewezen staat van dienst in de AM-sector
- Lokale verkoop en technische ondersteuning
- Onderhoudscontracten en aangeboden diensten
- Operator opleidingsplannen
- Totale eigendomskosten
Een grondige analyse van de vereisten en een vergelijking van het machineaanbod aan de hand van deze criteria resulteert in de selectie van het ideale 3D metaalprintsysteem op maat van de productiebehoeften.
Voor- en nadelen van Metal AM
Voordelen:
- Hoge geometrische complexiteit gemakkelijk geprint
- Kortere tijd tot functionele onderdelen
- Minder afval vergeleken met subtractieve processen
- Productie met enkele opstelling rechtstreeks vanuit CAD
- Potentieel voor lichtgewicht en consolidatie van onderdelen
- Prestatieverbeteringen met speciale legeringen
- Aanpassings- en massale aanpassingsmogelijkheden
Nadelen:
- Hoge machine- en materiaalkosten
- Extra nabewerkingsstappen vereist
- Beperkte grootte gebaseerd op bouwkamer
- Het beheersen van interne defecten kan een uitdaging zijn
- Materiaaleigenschappen kunnen variëren ten opzichte van smeedwerk
- Beperkingen in de afwerking van het oppervlak kunnen afwerking vereisen
- Vereisten voor training en expertise
Veelvoorkomende problemen met Metal AM oplossen
| Defect | Mogelijke oorzaken | Corrigerende acties |
|---|---|---|
| Porositeit | Onjuiste procesparameters | Optimaliseer laservermogen, snelheid, arceerafstand |
| Poederbesmetting | Gebruik vers gezeefd poeder, verbeter de poederverwerking | |
| Onvoldoende overlap tussen scansporen | Pas de grootte en overlap van de straalfocus aan | |
| Kraken | Overmatige thermische spanningen | Voorverwarming optimaliseren, koelsnelheid regelen met verwarmers |
| Materiaal gevoelig voor barsten | Verander van oriëntatie om spanningen te verminderen | |
| Verontreiniging door gebouwde atmosfeer | Zorgen voor zeer zuivere inerte atmosfeer | |
| Kromtrekken | Ongelijkmatige verwarming of koeling | Scanpatronen optimaliseren en onderdeel op bouwplaat houden |
| Slechte oppervlakteafwerking | Onderdeeltemperatuur te laag | Voorverwarmingstemperatuur verhogen |
| Onjuiste vloeibaarheid van smeltbad | Vermogen en andere parameters aanpassen | |
| Verontreinigd poeder | Gebruik vers poeder en verbeter de handling |
Veelgestelde vragen
V: Welke metaallegeringspoeders kunnen worden gebruikt voor AM?
A: Roestvrij staal, gereedschapsstaal, titaanlegeringen, nikkelsuperlegeringen, aluminiumlegeringen, kobalt-chroom en koperlegeringen komen vaak voor.
V: Wat is de typische grootte van poederdeeltjes die worden gebruikt?
A: Voor PBF-LB/M-processen is 10-45 micron gebruikelijk, met een strakkere verdeling rond 20-45 μm.
V: Hoe lang gaan metaalpoeders mee?
A: Met ideale argonopslag gaan veel legeringen 1-2 jaar mee. De levensduur voor hergebruik is korter - 20-100 afdrukken, afhankelijk van de legering.
V: Welke nabewerkingsstappen zijn nodig voor metalen AM-onderdelen?
A: Ondersteuning verwijderen, warmtebehandeling, oppervlakteafwerking zoals CNC-bewerking, polijsten en coaten zijn vaak vereist.
V: Hoe worden reactieve metaalpoeders zoals titanium en aluminium verwerkt?
A: Er is speciale poederbehandeling onder inerte argonatmosfeer nodig om zuurstofopname te voorkomen.
V: Wat zijn veelvoorkomende risico's op poederbesmetting?
A: Blootstelling aan atmosfeer die leidt tot opname van zuurstof of stikstof. Metaaldeeltjes van machinale bewerking of slijtage. Olie en vocht.
V: Welke normen worden gebruikt om metaalpoeders te kwalificeren?
A: ASTM B214, ASTM B812, ASTM F3049, ASTM F3301 en MPIF-normen.
V: Waarom is het zeven van poeder belangrijk?
A: Het breekt agglomeraten af, verwijdert satellieten en zorgt voor een optimale en consistente poedergrootte voor een hoge dichtheid en oppervlakteafwerking.
Conclusie
Metaalpoeders maken additieve productie mogelijk van geavanceerde, hoogwaardige componenten met eigenschappen die in sommige gevallen beter zijn dan die van gesmeed materiaal. Een breed scala aan legeringen van roestvrij staal tot superlegeringen en titanium is beschikbaar in poedervorm, op maat gemaakt voor veeleisende toepassingen in de ruimtevaart, de medische sector, de auto-industrie en algemene industrieën. Met voortdurende verbeteringen in legeringen, kwaliteitsnormen, productieprocessen, machines en onderdeeleigenschappen groeit AM-metaal wereldwijd uit tot een belangrijke productietechnologie. Proces- en materiaalexpertise en rigoureuze kwaliteitscontrole zijn echter essentieel om de voordelen ten volle te benutten. Naarmate er meer ervaring wordt opgedaan, biedt metaal AM ongekende mogelijkheden om complexe en op maat gemaakte onderdelen te maken met een grotere ontwerpvrijheid en kortere doorlooptijden.
