Jakie materiały metalowe stosuje się w druku 3D?

Metale to materiały charakteryzujące się dobrą przewodnością elektryczną, przewodnością cieplną oraz plastycznością. Zazwyczaj składają się one z pierwiastków metalicznych lub stopów i wyróżniają się wysoką wytrzymałością, twardością oraz odpornością na korozję. Metale znajdują zastosowanie w produkcji przemysłowej, budownictwie, elektronice oraz przemyśle lotniczym i kosmicznym. Ich właściwości fizyczne, chemiczne i technologiczne sprawiają, że odgrywają one ważną rolę nie tylko w tradycyjnej produkcji, ale także w druku 3D z metali.

Metale stosowane obecnie w druku 3D to między innymi stal nierdzewna, stopy tytanu, stopy aluminium, stopy niklu, stopy miedzi oraz stopy żelaza. Materiały te charakteryzują się zazwyczaj wysoką wytrzymałością i twardością, a ich obróbka konwencjonalna bywa trudna, co sprawia, że produkcja addytywna staje się atrakcyjną opcją. Proszki metalowe do druku 3D zazwyczaj muszą charakteryzować się wysoką czystością, dobrą sferycznością, wąskim rozkładem wielkości cząstek oraz niską zawartością tlenu. Procesy takie jak selektywne topienie laserowe i topienie wiązką elektronową pozwalają na szybką produkcję niestandardowych elementów metalowych o złożonych kształtach.

Stal nierdzewna

Stal nierdzewna składa się z żelaza, chromu, niklu i innych pierwiastków stopowych, przy czym chrom stanowi główny składnik dodatkowy. Charakteryzuje się dobrą spawalnością, odpornością na korozję chemiczną, odpornością na wysokie temperatury, właściwościami mechanicznymi oraz właściwościami higienicznymi, dzięki czemu nadaje się do kontaktu z żywnością i produktami farmaceutycznymi. Proszek ze stali nierdzewnej łatwo się formuje, jest prosty w przygotowaniu i stosunkowo niedrogi, co sprawia, że jest to jeden z najwcześniej stosowanych metali w druku 3D.

Zastosowania obejmują elementy konstrukcyjne i nośne, rury, zbiorniki, drzwi, okna, balustrady, wyroby dekoracyjne, urządzenia do przetwórstwa spożywczego, urządzenia medyczne oraz urządzenia chemiczne. Gatunki stali nierdzewnej powszechnie stosowane w druku 3D z metalu obejmują austenityczne 316L i 304L oraz martenzytyczne gatunki utwardzane wydzieleniowo 15-5PH i 17-4PH.

Stopy aluminium

Stopy aluminium stanowią połączenie aluminium z pierwiastkami takimi jak miedź, cynk i magnez. Ich właściwości zależą od rodzaju i ilości dodatków stopowych. Stopy aluminium charakteryzują się niską gęstością, wysoką wytrzymałością właściwą i sztywnością, dobrą odlewalnością i plastycznością, dobrą odpornością na korozję oraz stosunkowo wysoką odpornością na zmęczenie materiałowe. Znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle lotniczym i kosmicznym, transporcie, budownictwie, produktach elektromechanicznych, przemyśle lekkim oraz w produkcji dóbr konsumpcyjnych.

Stopy aluminium stosowane w druku 3D z metalu to między innymi AlSi12, AlSi10Mg, AlSi7Mg, Al-Si9Cu3, 6060 oraz 6061. AlSi12 to lekki proszek o dobrych właściwościach termicznych, nadający się do produkcji cienkościennych elementów dla przemysłu lotniczego i motoryzacyjnego, takich jak wymienniki ciepła. AlSi10Mg zapewnia wysoką wytrzymałość i twardość w przypadku elementów cienkościennych o złożonej geometrii, zwłaszcza tam, gdzie wymagane są dobre właściwości termiczne i niska masa.

Stopy tytanu

Stopy tytanu łączą w sobie wysoką wytrzymałość z niską gęstością, dobrą odpornością na pękanie, odpornością na korozję oraz biokompatybilnością. Odgrywają one ważną rolę w zastosowaniach medycznych, lotniczych i motoryzacyjnych. Tytan jest typowym materiałem trudnym w obróbce: słabo poddaje się skrawaniu i łatwo wchłania wodór, tlen, azot oraz węgiel podczas obróbki na gorąco. Druk 3D w metalu jest szczególnie odpowiedni, ponieważ pozwala tworzyć złożone struktury przy zachowaniu pożądanych właściwości mechanicznych. Atmosfera ochronna ogranicza reakcje z tlenem i azotem, a miejscowe, szybkie ogrzewanie i chłodzenie ogranicza odparowywanie pierwiastków stopowych.

Obecnie stosowane materiały tytanowe do druku 3D to między innymi tytan czysty handlowo, Ti6Al4V (TC4) oraz Ti6Al17Nb. Główne zastosowania obejmują elementy lotnicze oraz implanty medyczne, takie jak protezy kości i zębów.

Stopy na bazie niklu

Stopy na bazie niklu zachowują wysoką wytrzymałość oraz odporność na korozję utleniającą w temperaturach od 650 do 1000°C. Ich właściwości mechaniczne oraz odporność na utlenianie i korozję termiczną sprawiają, że nadają się do zastosowań w warunkach wysokich temperatur i dużych obciążeń. Stosowane w technologii druku 3D stopy niklu mogą być wykorzystywane do produkcji elementów gorącej sekcji silników lotniczych, takich jak tarcze i łopatki turbin, poprawiając stabilność silnika i jego sprawność cieplną. Stop na bazie niklu zawierający 50% tytanu w masie wykazuje silny efekt pamięci kształtu i jest stosowany w konstrukcjach statków kosmicznych oraz silnikach sztucznego serca. Do sprawdzonych superstopów niklowych przeznaczonych do druku 3D należą Inconel 625 (IN625), Inconel 718 (IN718) oraz Inconel 939 (IN939).

Stopy na bazie kobaltu

Stopy na bazie kobaltu zawierają kobalt jako główny pierwiastek, a także nikiel, chrom, wolfram oraz niewielkie ilości molibdenu, niobu, tantalu, tytanu, lantanów i innych dodatków. Ich wysoka wytrzymałość, odporność na korozję oraz biokompatybilność sprawiły, że już wcześnie zaczęto je stosować w sztucznych stawach. Obecnie są one szeroko wykorzystywane do produkcji indywidualnie dostosowanych protez dentystycznych oraz elementów silników. Typowe gatunki stosowane w druku 3D to Co212, Co452, Co502 oraz CoCr28Mo6.

Stopy miedzi

Stopy miedzi zawierają miedź jako pierwiastek podstawowy. Ponieważ miedź ma właściwości antybakteryjne, stopy te znajdują zastosowanie w sprzęcie medycznym oraz w produktach często dotykanych, takich jak klamki drzwi w miejscach publicznych. Proszek miedziany charakteryzuje się wysokim współczynnikiem odbicia promieniowania laserowego i niskim współczynnikiem pochłaniania, dlatego przez długi czas uważano, że trudno jest go wykorzystać w druku 3D. Jednak w ostatnich latach wiele firm opanowało technologię druku 3D ze stopów miedzi. Dostępne materiały wyjściowe obejmują proszki stopów miedzi, kompozyty z matrycą miedzianą oraz drut ze stopów miedzi.

Metale płynne

Metale płynne stosowane w druku 3D to zazwyczaj nietoksyczne stopy galu i indu, które pozostają w stanie ciekłym w temperaturze pokojowej, w tym stopy galu i indu oraz stopy galu, indu i cyny. Ich powierzchnia twardnieje pod wpływem kontaktu z powietrzem, podczas gdy wnętrze pozostaje w stanie ciekłym. Ich przewodność elektryczna umożliwia drukowanie płytek drukowanych z ciekłego metalu.

W 2017 roku Laboratorium Kriogeniki i Nauk Medycznych przy Instytucie Technicznym Fizyki i Chemii Chińskiej Akademii Nauk zaproponowało metodę druku 3D z wykorzystaniem zawieszonego ciekłego metalu. Proces ten wykorzystuje ciekły stop galu i indu jako materiał drukarski oraz samoutwardzalny hydrożel jako podłoże. Dysza w sposób ciągły wytłacza ciekły metal o temperaturze pokojowej, podczas gdy hydrożel podtrzymuje i utrwala jego kształt. Nakładanie warstwa po warstwie pozwala tworzyć wysoce złożone, elastyczne trójwymiarowe struktury metalowe. Potencjalne zastosowania obejmują elastyczną elektronikę 3D, montaż miękkich robotów, enkapsulację materiałów oraz biomedycynę.

Inne metale

Złoto, srebro, niob, cyrkon, stopy magnezu i inne metale również nadają się do druku 3D.