Materiale metalice pentru imprimarea 3D

Pe măsură ce tehnologiile de imprimare metalică 3D s-au dezvoltat, gama de materiale disponibile a crescut. Multe dintre aceste metale sunt dificil de produs prin mijloace tradiționale de fabricație, necesitând investiții mari. Când vine vorba, însă, de imprimarea 3D, ele sunt alegerea potrivită, datorită proprietăților unice pe care le dețin. Descoperiți în continuare cinci grupuri de materiale utilizate frecvent în fabricarea aditivă metalică, mai exact oțelul, superaliajele, titanul, cuprul și aluminiul, alături de trăsăturile lor distinctive, utilizarea uzuală, metalele specifice fiecărui grup și argumentele pro sau contra în ceea ce privește folosirea lor. 

Oţel

Oțelul este metalul utilizat cel mai frecvent în imprimarea 3D. Proprietățile sale excelente, versatilitatea și utilizarea pe scară largă în producția de precizie îl transformă într-o opțiune excelentă pentru crearea pieselor de înaltă calitate. Deși majoritatea tipurilor de oțel sunt compatibile cu imprimarea, două categorii sunt folosite mai des: oțelurile inoxidabile și oțelurile pentru scule – ambele fiind costisitoare și dificil de fabricat în mod convențional.

Caracteristici pozitive:

• rezistență și rigiditate excelente
• proprietăți variate ale materialelor
• tratabil termic.

Oțelurile inoxidabile sunt puternice, rigide, având o rezistență excelentă la coroziune, datorită conținutului semnificativ de crom (cel puțin 12%, adesea până la 18%). Două tipuri de oțeluri inoxidabile sunt utilizate, de obicei, în imprimarea 3D: austenitic și martensitic.

• Oțelurile inoxidabile austenitice, cel mai comun tip de oțeluri inoxidabile, sunt rezistente la coroziune și pot fi atât prelucrate, cât și sudate, deși nu pot fi tratate termic. 316L este un oțel inoxidabil folosit uzual în imprimarea 3D, cunoscut pentru rezistența superioară la coroziune.
• Oțelurile inoxidabile martensitice sunt mult mai dure decât oțelurile austenitice, dar mai fragile și mai puțin rezistente la coroziune. 17-4 PH este un tip de oțel inoxidabil martensitic care poate fi tratat termic pentru a se potrivi cu o varietate de proprietăți ale materialelor, fiind utilizat pe scară largă în întreaga producție.

Oțelurile pentru scule, după cum sugerează însăși denumirea, sunt frecvent utilizate pentru elaborarea a diverse scule. Ele conțin carbură, un compus extrem de dur, esențial pentru capacitatea de tăiere, șlefuire, ștanțare, modelare sau formare. În general, aceste oțeluri sunt foarte rezistente, inclusiv la abraziune, multe fiind utilizabile la temperaturi ridicate. Cele mai folosite trei tipuri de oțeluri pentru scule în imprimarea 3D sunt cele din  seria A, seria D și seria H.

• Oțelurile de scule din Seria A sunt oțeluri perfecte pentru scule de uz general, solide și rezistente la uzură. Seria A se împarte, la rându-i, în opt categorii, cea mai comună dintre ele fiind reprezentată de oțelul pentru scule A2 – un oțel de scule versatil, folosit adesea pentru matrițe, dar și pentru alte aplicații.
• Oțelurile pentru scule din seria D sunt optimizate pentru a rezista la uzură, dar nu sunt deosebit de dure, motiv pentru care sunt folosite mai des în aplicații de prelucrare la rece. Cea mai comună varietate din Seria D este oțelul D2, un oțel pentru scule, utilizat pentru toate tipurile de unelte de tăiere, de la lame până la cuțite și dispozitive industriale de tăiere.
• Oțelurile pentru scule din seria H taie și modelează materialul la temperaturi ridicate (sau ciclice). H13 este cel mai uzitat oțel din această categorie. Rezistența sa, inclusiv la uzură sau la căldură, alături de duritate, îl transformă într-un oțel potrivit pentru scule de uz general, optimizate pentru a fi folosite la temperaturi ridicate.

Superaliaje

Tehnologia de imprimare metalică 3D permite fabricarea unor aliaje valoroase la costuri reduse. Ea oferă companiilor posibilitatea de a produce piese de înaltă performanță, la prețuri mai accesibil decât în cazul utilizării metodelor subtractive. Superaliajele fac față în medii nefavorabile, cum ar fi locurile cu căldură ridicată și/sau cele cu substanțe chimice corozive. Deși există multe superaliaje disponibile pentru imprimantele metalice 3D, cele mai comune grupuri sunt Inconel și Cobalt Chrome.

Caracteristici pozitive:

• Proprietăți mecanice excelente
• Termorezistență
• Stabilitate bună a suprafeței
• Rezistență la coroziune
• Biocompatibilitate (doar Cobalt Chrome)

Inconel este cel mai comun grup de aliaje de nichel. Acest material, extrem de puternic, dur și rezistent la coroziune, este utilizat pentru turbine, garnituri de motor și rachete. Cele mai uzitate două tipuri de Inconel pentru imprimarea 3D sunt Inconel 718, mai puternic și mai dur, precum și Inconel 625 – mai rezistent la căldură. Ambele sunt scumpe pentru a fi prelucrate convențional, făcând din imprimarea 3D o alternativă rentabilă.

Crom Cobalt este un superaliaj recunoscut pentru biocompatibilitate, raportul ridicat rezistență-greutate și rezistența la coroziune. Reprezintă o versiune mai densă și mai scumpă a Titanului. La fel ca Inconel, este folosit pentru turbine, sau în alte medii ostile, dar, spre deosebire de acesta, poate fi folosit și în aplicații medicale, inclusiv implanturi ortopedice și dentare.

Titan

Deși nu este un material folosit frecvent în fabricația convențională, raportul rezistență/greutate a titanului și costul ridicat (atât al materialului, cât și al prelucrării) îl fac o alegere excelentă pentru imprimarea 3D. Titanul este tipărit de obicei în două moduri diferite: aliaje de titan și titan pur (cunoscut ca CP Ti).

Caracteristici pozitive:

• Raport putere-greutate
• Termorezistență
• Rezistență chimică
• Biocompatibilitate (în funcție de proces și aliaj)

Aliaje de titan

Titanul are cele mai bune calități mecanice atunci când este aliat cu alte metale. Cel mai comun aliaj de titan este Ti64 (Ti-6Al-4V) – un material mai puternic și cu 40% mai puțin dens decât oțelul inoxidabil 17-4 PH. Un asemenea aliaj excelează în medii corozive, cu temperaturi ridicate. Aceste trăsături îl fac o alegere de top în industriile în care raportul rezistență-greutate este extrem de important, cum ar fi industria aeronautică și cea a vehiculelor de înaltă performanță.

Titan pur comercial (CP Ti)

Titanul pur nu este la fel de puternic ca majoritatea aliajelor de titan. În schimb, este biocompatibil, fiind folosit cu succes pentru inserții ortopedice sau alte aplicații medicale similare.

Cupru

Cuprul este un material unic pentru imprimarea metalică 3D. Spre deosebire de celelalte materiale, alese pentru proprietățile lor mecanice, cuprul e folosit preponderent pentru conductivitatea sa termică și electrică. Imprimantele metalice 3D permit inginerilor să creeze piese din cupru, precum radiatoare, brațe de sudură și bare colectoare, optimizate geometric, la costuri semnificativ reduse. În prezent, există doar câteva dispozitive capabile să imprime orice versiune de cupru. Cuprul poate fi imprimat în formă pură sau, mai des, ca aliaj.

Caracteristici pozitive:

• Conductivitate electrică și termică
• Rezistență la coroziune
• Ductilitate

Cupru pur

Cuprul pur are cea mai bună conductivitate termică și electrică dintre toate aliajele de cupru, fiind opțiunea preferată a multor ingineri. Cu toate acestea, datorită conductivității sale și a reflecției laser, ambele ridicate, cuprul este incompatibil cu sistemele standard bazate pe laser. Cuprul pur este disponibil doar pe mașinile de extrudare cu pulbere legată.

Aliaj de Cupru

Circa 1-2% din compoziția Aliajului de Cupru sunt elemente de aliere, ceea ce face posibilă imprimarea aliajului pe unele dispozitive Powder Bed Fusion. În ciuda conductivității relative, aliajele de cupru sunt opțiuni inferioare cuprului pur. Un exemplu de aliaj de cupru imprimabil este C18150, alcătuit din cupru, crom și zinc.

Aluminiu

Deși folosit în unele imprimante metalice 3D, aluminiul e întâlnit mai rar în imprimarea tridimensională, decât în procesele de producție convenționale. Lipsa lui din compoziția pieselor metalice imprimate 3D e influențată de doi factori: capacitatea aluminiului de a fi imprimat (printability) și costurile relativ scăzute pe care le implică în fabricarea convențională. Drept urmare, potențialul ROI pentru piesele metalice din aluminiu, imprimate 3D, sau prețul imprimantei metalice 3D, nu sunt întotdeauna favorabile tipăririi.

Cele mai comune două aliaje de aluminiu –  6061 și 7075 – nu sunt imprimate. În schimb, aparatele Powder Bed Fusion, care imprimă aluminiu, tipăresc de obicei aluminiu mai moale, maleabil. Asemenea aliaje conțin până la 12% siliciu și au proprietăți mecanice inferioare.

Caracteristici pozitive:

• Greutate mică
• Durabilitate
• Ductilitate

Alternative pentru aluminiu în imprimarea 3D

Titanul și Oțelul oferă un raport rezistență-greutate similar aluminiului, atunci când sunt imprimate cu open cell infill, iar imprimantele 3D compozite continue pot produce piese cu rezistența aluminiului, la o fracțiune din cost.

Organizațiile interesate de imprimarea 3D a pieselor din aluminiu pot lua în calcul fabricarea aditivă cu fibră de carbon, disponibilă prin intermediul imprimantelor 3D Markforged . Astfel pot fi create piese a căror rezistență e similară celei oferite de aluminiul 6061-T6, însă proprietățile cărora, fie că e vorba de rigiditate, duritate, rezistență la impact sau căldură, sunt vizibil îmbunătățite. În plus, în comparație cu aluminiul 6061, fabricarea din fibre de carbon ranforsate îmbunătățește raportul rezistență-greutate al pieselor, detaliu vital pentru anumite aplicații de înaltă performanță, din industrii precum cea aerospațială sau auto.

Fiți mereu la curent cu informațiile din domeniul tehnologiei 3D. Abonați-vă la newsletter.