Материалы по рецепту: набор порошков для большей гибкости и разнообразия материалов при 3D-печати.

25 июля 2022 г.

Мартина Оле, Общество Фраунгофера

Лазерная плавка порошка (LPPF), вероятно, является самым известным процессом AM и имеет большой потенциал для промышленного применения. Но как можно обойти ограниченный ассортимент материалов для этого процесса и еще больше расширить потенциал рынка? Этот вопрос был рассмотрен IWM RWTH Ахенского университета и Fraunhofer IFAM в проекте «Набор порошка LPBF», финансируемом AiF. Результатом стала разработка устойчивого решения для индивидуальной и надежной обработки смесей металлических порошков, позволяющего пользователю обеспечить желаемые свойства материала с помощью небольшого набора металлических порошков и гибко регулировать сплавы.

3D-печать обеспечивает максимальную свободу проектирования при проектировании и производстве компонентов. Эти преимущества позволили технологиям 3D-печати хорошо зарекомендовать себя в таких технических областях, как автомобилестроение и аэрокосмическая промышленность. Однако различные области применения требуют не только наилучшей геометрии конструкции, но и оптимизированных свойств материала. Для этого необходим соответствующим образом адаптированный материал. Однако исследования материалов для аддитивного производства все еще находятся в зачаточном состоянии. До сих пор материалы, которые были сертифицированы производителями оборудования для своих процессов, в основном обрабатывались с целью внедрения в отрасли различных процессов аддитивного производства. Этот ассортимент материалов довольно невелик и не может сравниться по разнообразию с традиционными материалами, которые в основном производятся методом плавки металлургии. В традиционных субтрактивных производственных процессах для каждого конкретного применения используются сотни различных сталей, алюминиевых сплавов, износостойких кобальт-хромовых сплавов и т. д. В 3D-печати выбор всех металлических материалов ограничен менее чем 30 материалами, поэтому не все требования могут быть удовлетворены.

Ассортимент материалов можно специально расширить с помощью «набора порошков LPBF», который состоит, например, из порошков на основе железа с углеродом и без него, хрома, никеля, молибдена и карбида титана. Часто требуемые свойства материала включают, например, коррозионную стойкость, прочность, твердость и теплопроводность. Многие стальные сплавы состоят из одних и тех же элементов, таких как углерод, хром и никель, но различаются пропорциями. Разработанный процесс включает в себя подбор состава сплава на основе конкретного профиля требований к материалу, определение состава порошка с использованием методов термодинамического моделирования и приготовление порошка с использованием адаптированных процессов смешивания и гомогенизации. Затем определяются оптимальные параметры процесса, а материал оценивается путем микроструктурной характеристики и тестирования механических свойств. После смешивания порошка в результате последующего процесса плавления лазерным лучом создается сплав. Энергия лазера плавит частицы металлического порошка и создает желаемый сплав. В конце процесса получается готовая деталь с настроенными свойствами материала.

Первым конкретным применением в рамках проекта было производство коррозионностойких нержавеющих сталей по индивидуальному заказу со специально подобранными профилями свойств путем легирования в «наборе порошков LPBF». В ходе опытно-конструкторских работ были выявлены факторы, способствующие образованию хорошего коррозионностойкого сплава, и качество сплава было протестировано с учетом требований конкретного применения. В результате было показано, что коррозионностойкие инструментальные и дуплексные стали, легированные в процессе LPBF, более устойчивы, чем соответствующий базовый порошок, и что они достигли желаемых целевых свойств. Еще одним преимуществом является возможность корректировки микроструктуры с помощью адаптированных параметров лазера. Примером этого являются карбиды разного размера в структуре инструментальных сталей. В зависимости от применения требуются разные размеры. С помощью разработанного комплекта для изготовления порошков их можно эффективно варьировать и перерабатывать в однородные компоненты. Результаты этого подпроекта могут быть предоставлены по запросу.