Selectief lasersmelten (SLM) is een additieve productie of 3D-printtechniek waarbij een laser wordt gebruikt om metaalpoeder laag voor laag tot een vast onderdeel te smelten. De eigenschappen van het uiteindelijke onderdeel worden bepaald door de eigenschappen van het gebruikte metaalpoeder. Dit artikel geeft een uitgebreid overzicht van SLM-poeders over de samenstelling, eigenschappen, toepassingen, specificaties, prijzen, voor- en nadelen en meer.
Overzicht van selectief lasersmeltpoeder
Selectief lasersmeltpoeder, ook bekend als SLM-poeder, is de grondstof die wordt gebruikt in het additieve productieproces van SLM. SLM maakt gebruik van een krachtige laser om metaallegeringen in poedervorm te smelten en samen te smelten tot volledig dichte 3D-onderdelen.
SLM-poeders zijn fijne metaalpoeders die gewoonlijk een grootte hebben van 15 tot 45 micron. De meest voorkomende SLM-poeders zijn legeringen op basis van aluminium, titanium, nikkel, kobalt en roestvrij staal. De samenstelling en deeltjesgrootteverdeling van het poeder bepalen de kenmerken van onderdelen die zijn geprint door selectief lasersmelten.
Het kiezen van het juiste SLM-poeder is van cruciaal belang voor het produceren van onderdelen van hoge kwaliteit met de gewenste mechanische eigenschappen, precisie, oppervlakteafwerking en microstructuur. Deze gids biedt gedetailleerde informatie over verschillende soorten SLM-poeders, hun toepassingen, specificaties, prijzen, voor- en nadelen, en toonaangevende wereldwijde leveranciers.
Belangrijkste kenmerken van SLM-poeders
- Ultrafijne poedergrootte variërend van 15 tot 45 micron voor nauwkeurig lasersmelten
- Sferische morfologie voor de vloeibaarheid van poeder
- Chemisch zuivere samenstelling om gebreken te minimaliseren
- Gecontroleerde deeltjesgrootteverdeling voorkomt segregatie
- Productiemethode met inert gas
- Legeringstoevoegingen om de eigenschappen te verbeteren
- Kan gepatenteerde coatings bevatten om de vloei en het smelten te verbeteren
Tabel 1: Soorten selectief lasersmeltpoeder
| Poeder soort | Gemeenschappelijke legeringen | Kenmerken |
|---|---|---|
| Aluminium | AlSi10Mg, AlSi12, AlSi7Mg0,6 | Lage dichtheid, goede thermische geleidbaarheid |
| Titanium | Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, TiAl | Hoge sterkte, biocompatibel |
| Nikkel | Inconel 718, Inconel 625 | Hitte- en corrosiebestendigheid |
| Kobalt Chroom | CoCr, CoCrMo | Biocompatibel, hoge hardheid |
| Gereedschapstaal | H13, Maragingstaal | Hoge hardheid, slijtvastheid |
| Roestvrij staal | 316L, 17-4PH, 420 | Corrosiebestendigheid, hoge sterkte |
Samenstelling van SLM-poeders
SLM-poeders zijn bolvormige metaalpoeders gemaakt van verschillende legeringen met behulp van gasverneveling. De samenstelling bepaalt de materiaaleigenschappen van geprinte onderdelen.
Tabel 2: Samenstelling van gebruikelijke SLM-poederlegeringen
| Legering | Typische compositie |
|---|---|
| AlSi10Mg | 90% Al, 10% Si, 0,5% Mg |
| Ti6Al4V | 90% Ti, 6% Al, 4% V |
| Inconel 718 | 50% Ni, 19% Cr, 18% Fe, 5% Nb |
| CoCrMo | 60% Co, 30% Cr, 7% Mo |
| 316L roestvrij staal | 70% Fe, 17% Cr, 12% Ni, 2% Mo |
De belangrijkste legeringselementen in SLM-poeders zijn onder meer:
- Aluminium – Verlaagt het smeltpunt, verhoogt de thermische geleidbaarheid
- Silicium – Verbetert de vloeibaarheid en lasbaarheid
- Magnesium – Versterkingsmiddel
- Titanium – Biocompatibel, hoge sterkte
- Aluminium – Alfa- en bètastabilisator in titaniumlegeringen
- Vanadium – Bètastabilisator in titaniumlegeringen
- Nikkel – Corrosiebestendigheid, ductiliteit
- Chroom – Oxidatie- en corrosiebestendigheid
- IJzer – Draagt bij aan de sterkte van superlegeringen
- Niobium – Versterkend element in superlegeringen
- Molybdeen – Versterking van solide oplossingen in superlegeringen
- Kobalt – Verbetert de sterkte bij hoge temperaturen
Spooronzuiverheden worden geminimaliseerd om defecten in SLM-geprinte componenten te verminderen.
Eigenschappen van SLM-poeders
De eigenschappen van SLM-poeders hebben rechtstreeks invloed op de eigenschappen van 3D-geprinte onderdelen. Gewenste eigenschappen omvatten goede vloeibaarheid, hoge zuiverheid en geoptimaliseerde deeltjesgrootteverdeling.
Tabel 3: Belangrijkste eigenschappen van SLM-poeders
| Eigendom | Typisch bereik | Betekenis |
|---|---|---|
| Deeltjesgrootte | 15 – 45 micron | Precisie van detail, resolutie |
| Deeltjesvorm | Bolvormig | Verbetert de vloeibaarheid |
| Vloeibaarheid | Uitstekend | Voorkomt poederagglomeratie |
| Schijnbare dichtheid | Boven 50% theoretische dichtheid | Verbetert de laserabsorptie en verdichting |
| Tik op dichtheid | Tot 65% theoretische dichtheid | Indicatie van vloeibaarheid, pakkingsdichtheid |
| Resterende zuurstof | <0,1 wt% | Voorkomt oxidatiedefecten |
| Resterende stikstof | <0,04 wt% | Voorkomt nitride-insluitsels |
| Resterende koolstof | <0,03 wt% | Voorkomt carbide-neerslag |
Bovendien beschikken SLM-poeders over een geoptimaliseerde deeltjesgrootteverdeling met een klein bereik om segregatieproblemen te voorkomen. De meeste poeders voor SLM hebben D10- en D90-waarden binnen 10 tot 20 micron.
SLM-poedereigenschappen zoals poederbeddichtheid, vloeibaarheid, spreiding en recycleerbaarheid bepalen de kwaliteit van geprinte onderdelen. Poeders zijn ontwikkeld om deze factoren in evenwicht te brengen.
Toepassingen van SLM-poeders
SLM-poeders worden gebruikt voor het printen van functionele metalen onderdelen in verschillende industrieën:
Tabel 4: Toepassingen van selectieve lasersmeltpoeders
| Industrie | Veel voorkomende toepassingen | Typische gebruikte materialen |
|---|---|---|
| Lucht- en ruimtevaart | Turbinebladen, raketmondstukken | Inconel, titanium |
| Automobiel | Lichtgewicht onderdelen, aangepaste geometrieën | Aluminium, gereedschapsstaal |
| Medisch | Tandheelkundige copings, implantaten, chirurgische instrumenten | Titanium, kobaltchroom |
| Algemene techniek | Snelle prototypes, gereedschappen, onderdelen voor eindgebruik | Roestvrij staal, gereedschapsstaal |
De belangrijkste voordelen van SLM voor de productie van onderdelen zijn onder meer:
- Mogelijkheid om complexe geometrieën te creëren die niet mogelijk zijn met gieten of machinaal bewerken
- Op maat gemaakte onderdelen op aanvraag zonder hard gereedschap
- Minder gewicht door ontwerpen te optimaliseren voor functionaliteit
- Consolidatie van assemblages in afzonderlijke onderdelen
- Snelle doorlooptijd van ontwerp tot onderdeel
SLM is geschikt voor de productie van kleine tot middelgrote volumes van metalen eindcomponenten in verschillende sectoren.
Specificaties van SLM Poeders
SLM-poeders moeten voldoen aan strikte specificaties op het gebied van samenstelling, deeltjesgrootteverdeling, morfologie, vloei-eigenschappen, schijnbare dichtheid, verontreinigingsniveaus en microstructuur.
Tabel 5: Typische specificaties voor selectieve lasersmeltpoeders
| Parameter | Typische specificatie | Test methode |
|---|---|---|
| Poeder samenstelling | Binnen de specificatielimieten van de legering | ICP-OES chemische analyse |
| Deeltjesgrootte | D10: 10-25 µm <br> D50: 20-35 µm <br> D90: 30-45 µm | Laserdiffractie |
| Deeltjesvorm | >80% bolvormige, minimale satellieten | SEM-beeldvorming |
| Schijnbare dichtheid | >50% van de theoretische dichtheid van de legering | Hall-debietmeter |
| Tik op dichtheid | Tot 65% theoretische dichtheid | Tikdichtheidstester |
| Vloeibaarheid | Rusthoek <30° | Hall-debietmeter |
| Resterende zuurstof | <0,1 wt% | Analyse van inertgasfusie |
| Resterende stikstof | <0,04 wt% | Analyse van inertgasfusie |
| Resterende koolstof | <0,03 wt% | Verbrandingsinfrarooddetectie |
Toonaangevende SLM-poederleveranciers beschikken over eigen poederkarakteriseringsfaciliteiten om ervoor te zorgen dat aan deze parameters wordt voldaan voor elke poederbatch voordat deze aan klanten wordt geleverd.
Prijzen van selectieve lasersmeltpoeders
De kosten van SLM-poeders zijn afhankelijk van de legeringssamenstelling, kwaliteit, leverancier, aankoophoeveelheid en geografische regio. Enkele typische poederprijzen worden hieronder weergegeven:
Tabel 6: Indicatieve prijsbereiken voor populaire SLM-poederlegeringen
| Legering | Prijs per kilo |
|---|---|
| AlSi10Mg aluminiumlegering | $50 – $120 |
| Ti6Al4V titaniumlegering | $350 – $600 |
| Inconel 718 | $150 – $250 |
| Roestvrij staal 316L | $50 – $100 |
| Kobaltchroom | $110 – $250 |
De prijzen zijn het hoogst voor reactieve legeringen zoals titanium en het laagst voor basislegeringen zoals aluminium en roestvrij staal. Lucht- en ruimtevaartkwaliteiten kosten meer dan conventionele legeringen. Kortingen voor bulkaankopen zijn verkrijgbaar bij SLM-poederleveranciers.
Globaal vormen de materiaalkosten 15-30% van de totale onderdeelkosten voor metalen AM. Het poeder zelf neemt een groot deel van deze materiaalkosten voor zijn rekening. Door het hergebruik van niet-gefuseerd poeder te optimaliseren, worden de gemiddelde onderdeelkosten verlaagd.
Toonaangevende leveranciers van SLM-poeders
Veel bedrijven bieden gasverstoven metaalpoeders aan die speciaal zijn ontwikkeld voor SLM-additieve productie. Enkele toonaangevende wereldwijde leveranciers zijn onder meer:
Tabel 7: Belangrijkste leveranciers van selectieve lasersmeltpoeders
| Bedrijf | Hoofdkwartier | Sleutellegeringen |
|---|---|---|
| AP&C | Canada | Ti-, Al-, Co-legeringen |
| Timmerman additief | VS | Ti-, Al-, Co-, Cu-legeringen |
| EOS | Duitsland | Ti-, Al-, Ni-legeringen |
| Sandvik Visarend | Groot-Brittannië | Ti, Al, Ni, roestvrij, gereedschapsstaal |
| SLM-oplossingen | Duitsland | Ti-, Al-, Ni-, Co-legeringen |
| Linde | Duitsland | Ti, Al, roestvrij, gereedschapsstaal |
| Praxair | VS | Ti-, Co-, Ni-legeringen |
| LPW-technologie | Groot-Brittannië | Ti, Al, CoCr, Inconel |
Deze bedrijven hebben geïnvesteerd in vernevelingstechnologie en geavanceerde karakterisering om ervoor te zorgen dat SLM-poeders voldoen aan strenge eisen voor het 3D-printen van hoogwaardige onderdelen. Ze bieden een breed scala aan materiaalopties op maat voor SLM.
Voor- en nadelen van SLM-poeders
Tabel 8: Voordelen en beperkingen van selectieve lasersmeltpoeders
| Pluspunten | Nadelen |
|---|---|
| Zeer fijn formaat voor hoge resolutie | Beperkte legeringsopties vergeleken met gieten/bewerking |
| Goede vloeieigenschappen | Reactieve legeringen zoals Ti zijn gevoelig voor vervuiling |
| Sferische morfologie met weinig satellieten | Vochtgevoeligheid vereist een zorgvuldige omgang |
| Chemisch zuiver om defecten te minimaliseren | Metaalpoeders vormen een gevaar voor de gezondheid |
| Gecontroleerde deeltjesgrootteverdeling | Hogere kosten dan standaardpoeders |
| Aangepaste legeringen ontworpen voor SLM | Beperkte leveranciers en beschikbaarheid van sommige legeringen |
| Verneveling van inert gas vermijdt oxidatie | Ongebruikt poeder moet worden hergebruikt in plaats van weggegooid |
Pluspunten
- Dankzij het fijne formaat van 15-45 micron van SLM-poeders kunnen zeer hoge resoluties en kleine details worden afgedrukt.
- De bolvormige deeltjesvorm en goede vloeibaarheid voorkomen poederaggregatie en voedingsproblemen tijdens het printen.
- Hoge chemische zuiverheid minimaliseert defecten zoals insluitsels en holtes in gedrukte onderdelen.
- De deeltjesgrootteverdeling is geoptimaliseerd om segregatie te voorkomen en homogeen smelten te garanderen.
- Gespecialiseerde leveranciers ontwikkelen legeringen op maat met samenstellingen die zijn afgestemd op SLM-toepassingen.
- Verneveling van inert gas vermijdt poederoxidatie.
Nadelen
- Er zijn minder gevestigde legeringen voor SLM vergeleken met traditionele productiemethoden.
- Reactieve legeringen zoals titanium vereisen een speciale behandeling om verontreiniging te voorkomen, wat de kosten verhoogt.
- Als fijne poeders zijn SLM-materialen gevoelig voor vochtopname tijdens opslag en hantering.
- Metaalpoeders brengen risico's met zich mee, zoals stofexplosies en gezondheidsrisico's, waarvoor veiligheidsmaatregelen nodig zijn.
- SLM-legeringen kosten aanzienlijk meer dan standaard poedersoorten vanwege het gespecialiseerde productieproces.
- Sommige legeringen hebben zeer weinig leveranciers, wat de beschikbaarheid en materiaalkwaliteit beperkt.
- Niet-gefuseerd poeder kan niet zomaar worden weggegooid en moet worden hergebruikt vanwege duurzaamheid en kostenfactoren.
Hoe SLM-poeder te kiezen
Om het optimale SLM-poeder voor een toepassing te selecteren, moet u rekening houden met factoren als:
- Deelfunctie – Mechanische vereisten, spanningen, bedrijfsomstandigheden
- Legering eigenschappen – Sterkte, hardheid, ductiliteit, hittebestendigheid
- Nabewerkingsbehoeften – Warmtebehandelingsreactie, bewerkbaarheid
- Procesfactoren – Poederbeddichtheid, laserabsorptie, vloeibaarheid
- Kostenoverwegingen – Materiaalprijs, implicaties voor apparatuur
De onderdeelfunctie bepaalt in de eerste plaats de selectie van de legering. Kritieke, zwaar belaste onderdelen vereisen poeders die een maximale dichtheid en mechanische eigenschappen kunnen bereiken. Minder kritische prototypetoepassingen zorgen voor meer flexibiliteit.
Procesfactoren zoals printsnelheid, haalbare nauwkeurigheid en oppervlakteafwerking zijn ook afhankelijk van het poeder. Door kandidaatmaterialen op echte printers te benchmarken, wordt de beste match geïdentificeerd.
Kosten spelen een sleutelrol. Legeringen met hogere prestaties voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen zijn veel duurder dan conventionele legeringen. Unieke legeringen zijn mogelijk slechts bij één leverancier verkrijgbaar.
Een grondige evaluatie van de toepassingsvereisten ten opzichte van de materiaalmogelijkheden en kosten leidt tot de optimale SLM-poederkeuze.
Hoe SLM-poeder te bewaren en te hanteren
Zorgvuldige omgang met en opslag van SLM-poeders is essentieel om materiaaldegradatie te voorkomen en gedrukte onderdelen van hoge kwaliteit te garanderen:
- Bewaar ongeopende containers op een koele, droge plaats, uit de buurt van zonlicht en vocht. Vermijd overtollige hitte.
- Open poedercontainers alleen in een inert handschoenenkastje met een zuurstofniveau van minder dan 10 ppm om oxidatie te voorkomen.
- Breng poeders over in een handschoenenkastje en gebruik een goede aarding om opbouw van statische elektriciteit te voorkomen. Draag nitrilhandschoenen.
- Sluit containers goed af tijdens opslag. Gebruik alleen originele containers, geen plastic zakken.
- Voor grote volumes poeder opslaan in machines met geïntegreerde inertgassystemen.
- Voordat u het opnieuw gebruikt, zeef het poeder door de aanbevolen maaswijdten om agglomeraten op te breken en verontreinigingen te verwijderen.
- Gebruik indien nodig poederdroogovens en vacuüm-thermische ontgassers om het vochtniveau te verlagen.
- Wanneer u gebruikt poeder weggooit, bevochtig het dan met water om stofgevaar in de lucht te voorkomen en gooi het weg als gevaarlijk afval.
- Volg alle veiligheidsmaatregelen voor het omgaan met fijne metaalpoeders, inclusief persoonlijke beschermingsmiddelen en explosiepreventie.
Een goed poederbeheer zorgt voor consistentie tussen oplagen en maakt hergebruik van maximaal 80-90% niet-gefuseerd poeder mogelijk. Dit maximaliseert de opbrengst terwijl de grondstofkosten worden geminimaliseerd.
Veelgestelde vragen over selectief lasersmeltpoeder
Vraag: Wat is het typische deeltjesgroottebereik voor SLM-poeders?
A: De meeste SLM-poeders zijn tussen de 15 en 45 micron groot, waarbij de meeste deeltjes tussen de 20 en 35 micron liggen. Fijnere poeders verbeteren de resolutie, terwijl grotere formaten de details en nauwkeurigheid schaden.
Vraag: Hoe worden SLM-poeders geproduceerd?
A: SLM-poeders worden gemaakt door verneveling van inert gas, waarbij de gesmolten legeringsstroom wordt opgesplitst in druppeltjes die stollen tot bolvormige deeltjes. Dit voorkomt oxidatie van het poeder.
Vraag: Wat wordt bedoeld met “schijnbare dichtheid” en “tikdichtheid” van poeder?
A: De schijnbare dichtheid is de bulkdichtheid gemeten onder normale omstandigheden. Tapdichtheid is de verhoogde dichtheid die wordt bereikt na het mechanisch tikken op een poedermonster om het te verdichten. Hogere dichtheden verbeteren de poederbedeigenschappen.
Vraag: Waarom zijn vloeieigenschappen belangrijk voor SLM-poeders?
A: Een goede poederstroom en smeerbaarheid zorgt voor uniforme lagen voor consistent smelten en voorkomt aggregatieproblemen. Bolvormige deeltjes verbeteren de stroming in vergelijking met onregelmatige vormen.
Vraag: Hoe worden SLM-poeders na het printen hergebruikt?
A: Niet-gefuseerd poeder wordt gezeefd om agglomeraten te verbreken, vacuümgedroogd om het vochtgehalte te verlagen en gemengd met vers poeder voordat het opnieuw wordt gebruikt. Hierdoor zijn recyclingpercentages van meer dan 80% mogelijk.
Vraag: Welke veiligheidsmaatregelen zijn vereist bij het hanteren van SLM-poeders?
A: Metaalpoeders brengen explosie-, brand- en gezondheidsrisico's met zich mee. Gebruik geschikte PBM's, voldoende ventilatie, goede aarding en handschoenenkasten met inert gas. Giet poeder nooit in de open lucht.
