Какие металлические материалы используются в 3D-печати?

Металлы — это материалы, обладающие хорошей электропроводностью, теплопроводностью и пластичностью. Обычно они состоят из металлических элементов или сплавов и отличаются высокой прочностью, твердостью и коррозионной стойкостью. Металлы широко используются в промышленном производстве, строительстве, электронике и аэрокосмической отрасли. Их физические, химические и технологические свойства делают их важными не только в традиционном производстве, но и в 3D-печати из металла.

К металлам, используемым в настоящее время в 3D-печати, относятся нержавеющая сталь, титановые сплавы, алюминиевые сплавы, никелевые сплавы, медные сплавы и железные сплавы. Эти материалы, как правило, обладают высокой прочностью и твердостью и зачастую трудно поддаются традиционной механической обработке, что делает аддитивное производство привлекательным. Металлические порошки для 3D-печати обычно должны обладать высокой чистотой, хорошей сферичностью, узким распределением частиц по размеру и низким содержанием кислорода. Такие процессы, как селективное лазерное плавление и электронно-лучевое плавление, позволяют быстро изготавливать металлические детали сложной формы по индивидуальному заказу.

Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь состоит из железа, хрома, никеля и других легирующих элементов, причем хром является основным легирующим элементом. Она обладает хорошей свариваемостью, химической коррозионной стойкостью, термостойкостью, механическими характеристиками и гигиеническими свойствами, подходящими для контакта с пищевыми продуктами и фармацевтическими препаратами. Порошок нержавеющей стали легко формируется, прост в подготовке и относительно недорог, что сделало его одним из первых металлов, используемых в 3D-печати.

Области применения включают конструкционные и несущие детали, трубы, емкости, двери, окна, перила, декоративные изделия, оборудование для пищевой промышленности, медицинские приборы и химическое оборудование. К маркам нержавеющей стали, обычно используемым в 3D-печати по металлу, относятся аустенитные марки 316L и 304L, а также мартенситные марки с преципитационным упрочнением 15-5PH и 17-4PH.

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы представляют собой соединение алюминия с такими элементами, как медь, цинк и магний. Их специфические свойства зависят от видов и количества легирующих добавок. Алюминиевые сплавы обладают низкой плотностью, высокой удельной прочностью и жёсткостью, хорошей литейной и пластической обработкой, хорошей коррозионной стойкостью и относительно высокой усталостной прочностью. Они широко используются в аэрокосмической и транспортной отраслях, строительстве, производстве электромеханических изделий, легкой промышленности и производстве товаров народного потребления.

К алюминиевым сплавам, используемым в 3D-печати из металла, относятся AlSi12, AlSi10Mg, AlSi7Mg, Al-Si9Cu3, 6060 и 6061. AlSi12 — это легкий порошок с хорошими тепловыми характеристиками, подходящий для изготовления тонкостенных деталей для аэрокосмической и автомобильной промышленности, таких как теплообменники. AlSi10Mg обеспечивает высокую прочность и твердость тонкостенных деталей и сложных геометрических форм, особенно в тех случаях, когда требуются хорошие тепловые характеристики и низкая масса.

Титановые сплавы

Титановые сплавы сочетают в себе высокую прочность с низкой плотностью, хорошую вязкость, коррозионную стойкость и биосовместимость. Они играют важную роль в медицине, аэрокосмической и автомобильной отраслях. Титан является типичным труднообрабатываемым материалом: он плохо поддается резанию и легко поглощает водород, кислород, азот и углерод в процессе горячей обработки. 3D-печать металлом особенно подходит для этих целей, поскольку позволяет формировать сложные структуры с сохранением полезных механических свойств. Защитная атмосфера ограничивает реакции с кислородом и азотом, а локализованный быстрый нагрев и охлаждение препятствуют испарению легирующих элементов.

К современным титановым материалам для 3D-печати относятся коммерчески чистый титан, Ti6Al4V (TC4) и Ti6Al17Nb. Основные области применения включают изготовление деталей для аэрокосмической отрасли и имплантатов для человека, таких как кости и зубы.

Сплавы на основе никеля

Сплавы на основе никеля сохраняют высокую прочность и стойкость к окислительной коррозии в диапазоне температур от 650 до 1000 °C. Их механические свойства, а также стойкость к окислению и горячей коррозии позволяют использовать их в условиях высокотемпературной эксплуатации с высокими нагрузками. Никелевые сплавы, изготовленные методом аддитивного производства, могут использоваться для изготовления деталей горячего сечения авиационных двигателей, таких как диски и лопатки турбин, что повышает стабильность работы двигателя и его тепловую эффективность. Никелевый сплав, содержащий 50% титана по массе, обладает сильным эффектом «памяти формы» и применяется для изготовления конструкций космических аппаратов и двигателей искусственного сердца. К проверенным никелевым суперсплавам для 3D-печати относятся Inconel 625 (IN625), Inconel 718 (IN718) и Inconel 939 (IN939).

Сплавы на основе кобальта

Сплавы на основе кобальта содержат кобальт в качестве основного элемента, а также никель, хром, вольфрам и небольшие количества молибдена, ниобия, тантала, титана, лантана и других добавок. Благодаря высокой прочности, коррозионной стойкости и биосовместимости эти сплавы уже в ранний период стали применяться в производстве искусственных суставов. В настоящее время они широко используются для изготовления индивидуальных зубных протезов и деталей двигателей. К распространенным маркам, используемым в 3D-печати, относятся Co212, Co452, Co502 и CoCr28Mo6.

Медные сплавы

В качестве основного элемента в медных сплавах используется медь. Поскольку медь обладает антимикробными свойствами, эти сплавы применяются в медицинском оборудовании и изделиях, к которым часто прикасаются, таких как дверные ручки в общественных местах. Медный порошок обладает высокой отражательной способностью в лазерном излучении и низкой поглощающей способностью, поэтому долгое время считалось, что его сложно использовать для 3D-печати. Однако в последние годы многие компании освоили 3D-печать с использованием медных сплавов. В качестве исходного материала могут использоваться порошки медных сплавов, композиты с медной матрицей и проволока из медных сплавов.

Жидкие металлы

Жидкие металлы, используемые в 3D-печати, как правило, представляют собой нетоксичные сплавы галлия и индия, которые остаются в жидком состоянии при комнатной температуре, в том числе сплавы галлия с индием и галлия с индием и оловом. При контакте с воздухом их поверхность затвердевает, в то время как внутренняя часть остаётся жидкой. Благодаря своей электропроводности такие сплавы позволяют печатать печатные платы из жидкого металла.

В 2017 году Лаборатория криогеники и медицинских наук Технического института физики и химии Китайской академии наук предложила метод 3D-печати с использованием жидкого металла в подвешенном состоянии. В этом процессе в качестве печатного материала используется жидкий сплав галлия и индия, а в качестве опоры — самоотвердевающий гидрогель. Сопло непрерывно выдавливает жидкий металл, находящийся при комнатной температуре, а гидрогель поддерживает и фиксирует его форму. Послойное нанесение позволяет создавать чрезвычайно сложные и гибкие трехмерные металлические структуры. Среди потенциальных областей применения — гибкая 3D-электроника, сборка мягких роботов, инкапсуляция материалов и биомедицина.

Другие металлы

Золото, серебро, ниобий, цирконий, магниевые сплавы и другие металлы также можно напечатать на 3D-принтере.