3D baskıda hangi metal malzemeler kullanılır?

Metaller, iyi elektrik iletkenliği, ısı iletkenliği ve plastisiteye sahip malzemelerdir. Genellikle metal elementlerden veya alaşımlardan oluşurlar ve yüksek mukavemet, sertlik ve korozyon direnci sunarlar. Metaller, endüstriyel üretim, inşaat, elektronik ve havacılık sektörlerinde yaygın olarak kullanılır. Fiziksel, kimyasal ve işleme özellikleri, metalleri sadece geleneksel üretimde değil, aynı zamanda metal 3D baskıda da önemli hale getirir.

3D baskıda halihazırda kullanılan metaller arasında paslanmaz çelik, titanyum alaşımları, alüminyum alaşımları, nikel alaşımları, bakır alaşımları ve demir alaşımları yer almaktadır. Bu malzemeler genellikle yüksek mukavemet ve sertliğe sahiptir ve geleneksel yöntemlerle işlenmesi çoğu zaman zor olduğundan, katmanlı üretim bu malzemeler için cazip bir seçenek haline gelmektedir. 3D baskı için kullanılan metal tozları normalde yüksek saflık, iyi küresellik, dar bir parçacık boyutu dağılımı ve düşük oksijen içeriği gerektirir. Seçici lazer eritme ve elektron ışını eritme gibi işlemler, karmaşık şekillere sahip özelleştirilmiş metal parçaları hızlı bir şekilde üretebilir.

Paslanmaz Çelik

Paslanmaz çelik, demir, krom, nikel ve diğer alaşım elementlerinden oluşur; krom, bu alaşımın ana bileşenidir. İyi kaynaklanabilirlik, kimyasal korozyon direnci, yüksek sıcaklık direnci, mekanik performans ve gıda ile ilaç sektöründe temasa uygun hijyenik özellikler sunar. Paslanmaz çelik tozu kolayca oluşur, hazırlanması kolaydır ve nispeten ucuzdur; bu özellikleri sayesinde 3D baskıda kullanılan en eski metallerden biridir.

Uygulama alanları arasında yapısal ve yük taşıyıcı parçalar, borular, kaplar, kapılar, pencereler, korkuluklar, dekoratif ürünler, gıda işleme ekipmanları, tıbbi cihazlar ve kimyasal ekipmanlar yer almaktadır. Metal 3D baskıda yaygın olarak kullanılan paslanmaz çelik kaliteleri arasında östenitik 316L ve 304L ile martensitik çökelme sertleşmeli 15-5PH ve 17-4PH kaliteleri yer almaktadır.

Alüminyum Alaşımları

Alüminyum alaşımları, alüminyumu bakır, çinko ve magnezyum gibi elementlerle birleştirir. Bu alaşımların kendine özgü özellikleri, alaşım katkılarının türlerine ve miktarlarına bağlıdır. Alüminyum alaşımları düşük yoğunluğa, yüksek özgül mukavemet ve sertliğe, iyi dökülebilirlik ve plastisiteye, iyi korozyon direncine ve nispeten yüksek yorulma direncine sahiptir. Havacılık ve uzay, ulaşım, inşaat, elektromekanik ürünler, hafif sanayi ve tüketim malları sektörlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Metal 3D baskıda kullanılan alüminyum alaşımları arasında AlSi12, AlSi10Mg, AlSi7Mg, Al-Si9Cu3, 6060 ve 6061 yer almaktadır. AlSi12, iyi termal özelliklere sahip hafif bir tozdur ve ısı eşanjörleri gibi ince cidarlı havacılık ve otomotiv parçaları için uygundur. AlSi10Mg, özellikle iyi termal performans ve düşük kütle gerektiren ince cidarlı parçalar ve karmaşık geometriler için yüksek mukavemet ve sertlik sunar.

Titanyum Alaşımları

Titanyum alaşımları, yüksek mukavemeti düşük yoğunluk, iyi tokluk, korozyon direnci ve biyouyumluluk ile birleştirir. Tıp, havacılık ve otomotiv uygulamalarında önemli bir yere sahiptirler. Titanyum, işlenmesi zor tipik bir malzemedir: kesilmesi zordur ve sıcak işleme sırasında hidrojen, oksijen, azot ve karbonu kolayca emer. Metal 3D baskı, yararlı mekanik özellikleri korurken karmaşık yapılar oluşturabildiği için özellikle uygundur. Koruyucu atmosferi, oksijen ve azotla reaksiyonları sınırlarken, yerel hızlı ısıtma ve soğutma, alaşım elementlerinin buharlaşmasını sınırlar.

3D baskı için kullanılan mevcut titanyum malzemeleri arasında ticari saf titanyum, Ti6Al4V (TC4) ve Ti6Al17Nb yer almaktadır. Başlıca uygulama alanları arasında havacılık ve uzay bileşenleri ile kemik ve diş gibi insan implantları bulunmaktadır.

Nikel Bazlı Alaşımlar

Nikel bazlı alaşımlar, 650 ila 1000 °C arasında yüksek mukavemet ve oksidasyon-korozyon direncini korur. Mekanik özellikleri ile oksidasyon ve sıcak korozyona karşı dirençleri, yüksek sıcaklık ve yüksek gerilimli çalışma koşullarına uygundur. Katmanlı imalatla üretilen nikel alaşımları, türbin diskleri ve kanatları gibi sıcak bölüm uçak motoru bileşenlerinde kullanılabilir ve motorun kararlılığını ve termal verimliliğini artırır. Kütlece % titanyum içeren nikel bazlı bir alaşım, güçlü bir şekil hafızası etkisine sahiptir ve uzay aracı yapıları ile yapay kalp motorlarında kullanılır. 3D baskı için olgunlaşmış nikel süper alaşımları arasında Inconel 625 (IN625), Inconel 718 (IN718) ve Inconel 939 (IN939) bulunur.

Kobalt Bazlı Alaşımlar

Kobalt bazlı alaşımlar, ana element olarak kobaltın yanı sıra nikel, krom, tungsten ve az miktarda molibden, niyobyum, tantal, titanyum, lantan ve diğer katkı maddelerini içerir. Yüksek mukavemetleri, korozyon direnci ve biyouyumlulukları sayesinde bu alaşımlar, yapay eklemlerde erken dönemlerden itibaren kullanılmaya başlanmıştır. Günümüzde ise kişiye özel diş protezleri ve motor bileşenleri için yaygın olarak kullanılmaktadır. Yaygın olarak kullanılan 3D baskı sınıfları arasında Co212, Co452, Co502 ve CoCr28Mo6 bulunmaktadır.

Bakır Alaşımları

Bakır alaşımları, temel element olarak bakır kullanır. Bakırın antimikrobiyal özelliklere sahip olması nedeniyle, bu alaşımlar tıbbi ekipmanlarda ve kamuya açık kapı kolları gibi sık dokunulan ürünlerde kullanılır. Bakır tozu, yüksek lazer yansıtma özelliğine ve düşük emme özelliğine sahip olduğundan, uzun süre baskı yapılması zor bir malzeme olarak kabul edildi. Ancak son yıllarda birçok şirket, bakır alaşımlı 3D baskı teknolojisini başarıyla uygulamaya koydu. Kullanılabilen hammadde türleri arasında bakır alaşımlı tozlar, bakır matrisli kompozitler ve bakır alaşımlı tel bulunmaktadır.

Sıvı Metaller

3D baskıda kullanılan sıvı metaller, genellikle oda sıcaklığında sıvı halde kalan, toksik olmayan galyum-indiyum alaşımlarıdır; bunlara galyum-indiyum ve galyum-indiyum-kalay alaşımları da dahildir. Bu alaşımların yüzeyi havayla temas ettiğinde sertleşirken, iç kısımları sıvı halde kalır. Elektrik iletkenlikleri sayesinde sıvı metal devre kartlarının basılması mümkün hale gelir.

2017 yılında, Çin Bilimler Akademisi’ne bağlı Fizik ve Kimya Teknik Enstitüsü’nün Kriyojenik ve Tıp Bilimleri Laboratuvarı, askıda sıvı metal 3D baskı yöntemini önerdi. Bu süreçte, baskı malzemesi olarak galyum-indiyum sıvı alaşımı ve destek malzemesi olarak kendiliğinden sertleşen bir hidrojel kullanılıyor. Bir nozul, oda sıcaklığındaki sıvı metali sürekli olarak dışarıya sıkarken, hidrojel ise metali destekleyip şeklini sabitler. Katman katman biriktirme yöntemi sayesinde son derece karmaşık ve esnek üç boyutlu metal yapılar oluşturulur. Potansiyel uygulama alanları arasında esnek 3D elektronikler, yumuşak robot montajı, malzeme kapsülleme ve biyotıp yer almaktadır.

Diğer Metaller

Altın, gümüş, niyobyum, zirkonyum, magnezyum alaşımları ve diğer metaller de 3D baskıyla üretilebilir.