Overzicht van metalen materialen voor 3D-printen
3D-printen, ook wel bekend als additieve productie, maakt de creatie van complexe metalen onderdelen rechtstreeks uit 3D CAD-gegevens mogelijk. In tegenstelling tot traditionele subtractieve methoden zoals CNC-bewerkingen, bouwt 3D-printen onderdelen laag voor laag op zonder de noodzaak van speciaal gereedschap of armaturen.
Metaal 3D-printen opent nieuwe mogelijkheden voor het produceren van op maat gemaakte, lichtgewicht en hoogwaardige metalen componenten met complexe geometrieën. De luchtvaart-, automobiel-, medische en defensie-industrie maakt steeds meer gebruik van 3D-printen met metaal voor productietoepassingen voor eindgebruik.
Niet alle metalen kunnen echter eenvoudig in 3D worden geprint. De meest gebruikte metalen materialen zijn aluminium, titanium, nikkel, roestvrij staal en kobalt-chroomlegeringen. De materiaalkeuze hangt af van de specifieke toepassingsvereisten – sterkte, corrosieweerstand, prestaties bij hoge temperaturen, biocompatibiliteit, enz.
Deze uitgebreide gids biedt een gedetailleerd overzicht van verschillende metalen en legeringen die worden gebruikt bij 3D-printen. We bespreken de samenstelling, eigenschappen, toepassingen en voor- en nadelen van populaire metalen materialen om u te helpen het juiste materiaal voor uw behoeften te selecteren.
Belangrijkste inzichten over metalen 3D-printmaterialen:
- Aluminiumlegeringen bieden een goede sterkte-gewichtsverhouding en corrosieweerstand tegen lagere kosten.
- Titaniumlegeringen bieden uitstekende sterkte met een lage dichtheid en biocompatibiliteit voor medisch gebruik.
- Roestvast staal heeft een hoge sterkte en corrosieweerstand voor gereedschappen en functionele onderdelen.
- Nikkel-superlegeringen zijn bestand tegen hoge temperaturen, waardoor ze geschikt zijn voor de lucht- en ruimtevaart.
- Kobalt-chroomlegeringen zorgen voor hardheid, slijtvastheid en biocompatibiliteit voor tandheelkundige en medische implantaten.
- De materiaalkeuze hangt af van de mechanische vereisten, de nabewerkingsbehoeften, de kosten en de geschiktheid van de 3D-printmethode.
- De onderdeeloriëntatie, ondersteuningsstructuren, laagdikte en bouwparameters moeten voor elk metaalmateriaal worden geoptimaliseerd.
- Nabewerking zoals heet isostatisch persen kan de eigenschappen van het uiteindelijke onderdeel verbeteren.
Samenstelling van metalen materialen voor 3D-printen
De samenstelling van legeringselementen in metalen en de microstructuur zorgen voor specifieke eigenschappen en bepalen de geschiktheid van het materiaal voor 3D-printen.
Aluminium legeringen
Aluminium staat bekend om zijn lage dichtheid en goede corrosieweerstand. Gesmeed en gegoten aluminiumlegeringen worden het meest gebruikt:
| Legeringstype | Composities |
|---|---|
| 6061 | Mg, Si, Cu, Cr |
| 7075 | Zn, Mg, Cu, Cr |
| A356 | Si, Mg, Cu |
6061 biedt betere corrosieweerstand, terwijl 7075 een hogere sterkte heeft. A356 is een gietbare legering.
Titanium legeringen
Titanium heeft een hoge sterkte-gewichtsverhouding en biocompatibiliteit, maar kan moeilijk te bewerken zijn. Veel voorkomende legeringen:
| Legeringstype | Composities |
|---|---|
| Ti-6Al-4V | Al, V |
| Ti 6242 | Al, sn |
Ti-6Al-4V biedt de beste balans tussen eigenschappen en is de meest gebruikte titaniumlegering.
Roestvrij staal
Roestvast staal bevat Cr en Ni voor een goede corrosieweerstand. Sommige gebruikte legeringen:
| Legeringstype | Composities |
|---|---|
| 316L | Ni, Mo, Cr |
| 17-16 uur | Ni, Cr, Cu |
| 303 | S, Cr, Ni |
316L biedt uitstekende corrosieweerstand. 17-4PH is precipitatiehardend martensitisch roestvrij staal.
Nikkel-superlegeringen
Nikkel-superlegeringen hebben een hoge sterkte en zijn bestand tegen extreme temperaturen. Veel voorkomende legeringen:
| Legeringstype | Composities |
|---|---|
| Inconel 718 | Ni, Cr, Fe, Nb, Mo |
| Inconel 625 | Ni, Cr, Mo, Nb |
Inconel 718 wordt veelvuldig gebruikt in lucht- en ruimtevaarttoepassingen. Inconel 625 heeft een uitstekende corrosieweerstand.
Kobalt-chroomlegeringen
Kobalt-chroomlegeringen zorgen voor hardheid, slijtvastheid en biocompatibiliteit. Er worden twee hoofdkwaliteiten gebruikt:
| Legeringstype | Composities |
|---|---|
| CoCrMo | Co, Cr, Mo |
| CoNiCrMo | Co, Ni, Cr, Mo |
Beide bieden vergelijkbare eigenschappen. CoCrMo wordt op grotere schaal gebruikt.
Mechanische eigenschappen van metalen materialen
De mechanische eigenschappen van het metaal bepalen de prestaties van het 3D-geprinte onderdeel. Hieronder staan typische eigenschappen van veelgebruikte legeringen:
| Metaal materiaal | Opbrengststerkte (MPa) | Treksterkte (MPa) | Verlenging (%) | Dichtheid (g/cm3) |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | 230 | 450 | 8 | 2.68 |
| Ti-6Al-4V | 880 | 930 | 10 | 4.43 |
| 316L roestvrij staal | 290 | 515 | 40 | 8 |
| Inconel 718 | 1138 | 1275 | 12 | 8.19 |
| Inconel 625 | 550 | 860 | 35 | 8.44 |
| CoCrMo | 655 | 860 | 8 | 8.3 |
- Aluminiumlegeringen bieden gemiddelde sterkte met uitstekende rek.
- Titaniumlegeringen bieden een zeer hoge sterkte gezien hun lage dichtheid.
- Roestvrij staal 316L biedt een goede ductiliteit en uitstekende corrosieweerstand.
- Inconel-superlegeringen zijn extreem sterk maar minder taai.
- Kobaltchroom heeft een hoge hardheid, waardoor het na het printen moeilijk te bewerken is.
Toepassingen van 3D-printen met metaal
De materiaalkeuze hangt af van de eindgebruikstoepassing en de specifieke ontwerpvereisten:
| Industrie | Toepassingen | Gebruikte materialen |
|---|---|---|
| Lucht- en ruimtevaart | Turbinebladen, structurele beugels | Titaniumlegeringen, Inconel, Roestvrij staal |
| Automobiel | Aangepaste onderdelen, gereedschap | Aluminium, laaggelegeerd staal |
| Medisch | Implantaten, chirurgische instrumenten | Titanium, kobalt-chroom |
| Olie gas | Kleppen, pompen, gereedschap | Roestvrij staal, Inconel |
| Verdediging | Complexe onderdelen, lichtgewicht pantser | Aluminium, titanium |
Enkele typische toepassingen die profiteren van 3D-geprinte metalen onderdelen:
- Lucht- en ruimtevaart: complexe en lichtgewicht beugels en structurele componenten
- Automotive: op maat gemaakte onderdelen voor motorsporttoepassingen
- Medisch: Patiëntspecifieke implantaten en chirurgische instrumenten
- Olie en gas: krachtige kleppen en pompen voor pijpleidingen
- Defensie: gedetailleerde en lichtgewicht componenten voor voertuigen en uitrusting
Voor- en nadelen van belangrijke metalen materialen
Hier is een vergelijking van de voordelen en beperkingen van populaire metaallegeringen die worden gebruikt bij 3D-printen:
| Materiaal | Pluspunten | Nadelen |
|---|---|---|
| Aluminium 6061 | Lage kosten, goede corrosieweerstand | Lagere sterkte |
| Aluminium 7075 | Hoge sterkte-gewichtsverhouding | Moeilijk te lassen |
| Titaan Ti-6Al-4V | Hoge sterkte, lage dichtheid | Duur materiaal |
| Roestvrij staal 316L | Uitstekende corrosieweerstand | Lagere sterkte dan legeringen |
| Inconel 718 | Bestand tegen extreme temperaturen | Uitdagend voor de machine |
| Kobalt Chroom | Uitstekende slijtage en biocompatibiliteit | Beperkte ductiliteit |
Leveranciers van metalen 3D-printmaterialen
Veel bedrijven leveren metaalpoeders en draad specifiek voor 3D-printprocessen:
| Materiaal | Belangrijkste leveranciers |
|---|---|
| Aluminium legeringen | AP&C, Sandvik, HC Starck |
| Titanium legeringen | AP&C, TLS Technik, Tekna |
| Roestvrij staal | Sandvik, timmermansadditief |
| Nikkel-superlegeringen | AP&C, Sandvik, Praxair |
| Kobaltchroomlegeringen | AP&C, Sandvik, SLM Solutions |
Factoren zoals poederkwaliteit, consistentie, deeltjesvorm en grootteverdeling beïnvloeden de eigenschappen van het uiteindelijke onderdeel en de stabiliteit van het printproces. Gerenommeerde leveranciers leveren goed gekarakteriseerde en op maat gemaakte legeringen die op maat zijn gemaakt voor AM.
Kostenanalyse van metalen 3D-printmaterialen
Materiaalkosten vormen een aanzienlijk deel van de uiteindelijke onderdeelkosten bij 3D-printen van metaal. Hieronder vindt u een geschatte prijsklasse:
| Materiaal | Kosten per kg | Kosten per cm3 |
|---|---|---|
| Aluminium legeringen | $50-$150 | $0.15-$0.45 |
| Titanium legeringen | $350-$1000 | $1.00-$3.00 |
| Roestvrij staal | $90-$250 | $0.25-$0.75 |
| Inconel 718 | $350-$600 | $2.50-$4.50 |
| Kobalt Chroom | $500-$1200 | $3.50-$8.50 |
- Titanium- en kobaltchroomlegeringen zijn het duurst, terwijl aluminium redelijk geprijsd is.
- De materiaalkosten stijgen met het bouwvolume – grotere onderdelen in dure legeringen vereisen hogere materiaalbudgetten.
- Optimalisatie om ondersteuningsafval en nabewerking te verminderen, kan helpen de effectieve materiaalkosten te verlagen.
Normen voor metaalpoeders
Om herhaalbare prints van hoge kwaliteit te garanderen, moeten metaalpoeders die bij 3D-printen worden gebruikt aan bepaalde minimumnormen voldoen:
| Eigendom | Belangrijke normen |
|---|---|
| Deeltjesgrootteverdeling | ASTM B822, ISO 4490 |
| Vloeibaarheid | ASTM B213, ISO 4490 |
| Schijnbare dichtheid | ASTM B212, ISO 3923 |
| Tik op dichtheid | ASTM B527, ISO 3953 |
| Chemische samenstelling | ASTM E1479, OES-analyse |
- De poederkwaliteit beïnvloedt de eigenschappen van het uiteindelijke onderdeel, zoals dichtheid, oppervlakteafwerking en mechanica.
- Bolvormige poeders met gecontroleerde deeltjesgrootteverdeling hebben een uitstekende vloeibaarheid.
- Consistente chemie en dichtheid zorgen voor processtabiliteit en herhaalbaarheid.
3D-printmethoden voor metalen
Verschillende 3D-printtechnologieën kunnen metalen en legeringen verwerken:
| Methode | Materialen | Belangrijkste voordelen | Beperkingen |
|---|---|---|---|
| Poederbedfusie | De meeste legeringen | Uitstekende nauwkeurigheid en oppervlakteafwerking | Trage bouwcijfers |
| Gerichte energiedepositie | De meeste legeringen | Opbouwfuncties op bestaande onderdelen | Lagere resolutie |
| Binder jetting | Roestvrij staal | Afdrukken op hoge snelheid | Lagere sterkte |
| Metaal extrusie | Beperkte legeringen | Lage apparatuurkosten | Lagere dichtheid |
- Poederbedtechnologieën zoals DMLS bieden de hoogste resolutie en nauwkeurigheid.
- Binderjetting werkt met een breder scala aan legeringen, maar heeft een lagere eindsterkte van het onderdeel.
- Gerichte energiedepositie maakt het printen van grote bijna-netvormdelen mogelijk.
Vereisten voor naverwerking
Als-geprinte metalen onderdelen vereisen doorgaans nabewerking om de gewenste eigenschappen te bereiken:
| Naproces | Doel | Gebruikte materialen |
|---|---|---|
| Ondersteuning verwijderen | Draagconstructies verwijderen | Legeringen met dunne, kwetsbare steunen |
| Stress verlichtend | Verminder restspanningen | Alle legeringen |
| Heet isostatisch persen | Verhoog de dichtheid, verbeter eigenschappen | Alle legeringen |
| Oppervlakteafwerking | Verbeter de oppervlakteruwheid | Alle legeringen |
| Hittebehandeling | Wijzig de microstructuur | Door veroudering hardbare legeringen zoals aluminium |
| Bewerking | Nauwkeurige afmetingen en oppervlakteafwerking | De meeste legeringen |
- Voor alle legeringen wordt een spanningsverlichtende warmtebehandeling aanbevolen om vervorming te voorkomen.
- Een HIP-behandeling kan de uiteindelijke materiaaleigenschappen aanzienlijk verbeteren.
- CNC-bewerking zorgt voor maatnauwkeurigheid en oppervlakteafwerking.
Hoe u een metaalmateriaal kiest voor 3D-printen
Volg deze richtlijnen voor het selecteren van een optimaal metaalmateriaal:
- Stem de legeringseigenschappen af op ontwerpvereisten zoals sterkte, hardheid, thermische weerstand enz.
- Houd rekening met de nabewerkingsbehoeften; sommige legeringen zoals Inconel zijn lastig te bewerken.
- Evalueer de grootte en geometrie van de onderdelen – sommige metalen zoals aluminium zijn beter voor grotere onderdelen.
- Beoordeel de productievolumes – maak een prototype van goedkoper materiaal en schakel vervolgens over op legeringen met hogere prestaties.
- Houd al in de ontwerpfase rekening met de beschikbaarheid van materialen en de kosten.
- Werk nauw samen met uw 3D-printserviceprovider om het beste materiaal te selecteren.
- Optimaliseer printparameters zoals oriëntatie en laagdikte op basis van de specifieke gekozen legering.
- Voer testconstructies en materiaalkarakteriseringstests uit voordat u met de productie begint.
Veelgestelde vragen
Vraag: Welke metaallegering heeft de hoogste sterkte voor 3D-printen?
A: Inconel-superlegeringen zoals Inconel 718 hebben de hoogste treksterkte, maar zijn minder taai. Titanium Ti-6Al-4V heeft de hoogste sterkte-gewichtsverhouding.
Vraag: Zijn onderdelen 3D-geprint in roestvrij staal corrosiebestendig?
A: Ja, 316L en andere roestvrijstalen legeringen behouden hun uitstekende corrosieweerstand na 3D-printen.
Vraag: Wat is de meest gebruikte titaniumlegering bij 3D-printen?
A: Ti-6Al-4V is de meest populaire titaniumlegering en omvat 90% van alle titanium 3D-printen. Het biedt de beste allround eigenschappen.
Vraag: Welke aluminiumlegering is het beste voor 3D-printen?
A: 6061 en 7075 worden het meest gebruikt, waarbij 6061 een goede corrosieweerstand biedt tegen lagere kosten, en 7075 wordt gekozen voor structurele toepassingen met hoge sterkte.
Vraag: Zijn nabewerkingsstappen verplicht voor 3D-geprinte metalen onderdelen?
A: Nabewerking zoals het verwijderen van ondersteuningen, spanningsverlichting en oppervlakteafwerking worden ten zeerste aanbevolen voor optimale materiaaleigenschappen en prestaties.
Vraag: Welk 3D-printproces werkt met het breedste scala aan metaallegeringen?
A: Binderjetting en gerichte energieafzetting kunnen met de meeste legeringen werken, maar poederbedfusie produceert onderdelen met een hogere resolutie.
Vraag: Hoe verhoudt de nauwkeurigheid van onderdelen zich tussen het bewerken en 3D-printen van metalen?
A: CNC-gefreesde onderdelen maken nauwere toleranties en een betere oppervlakteafwerking mogelijk dan 3D-geprinte metalen. 3D-printen maakt echter complexere geometrieën mogelijk.
Vraag: Welk 3D-printproces van metaal heeft de hoogste bouwsnelheden?
A: Met Binder jetting kunnen de hoogste printsnelheden worden bereikt, waarbij onderdelen tot 10 keer sneller worden opgebouwd dan bij poederbedfusieprocessen.
