Как самостоятельно производить металлические порошки для 3D-печати? Установка ультразвукового распыления порошка способствует разработке порошков с высокой сферичностью

В области аддитивного производства металлов качество металлического порошка напрямую влияет на процесс печати и качество готового изделия. По мере того как 3D-печать переходит от применения освоенных материалов к разработке новых сплавов и индивидуализированному производству, на этапе исследований и разработок повышаются требования к гибкости получения металлических порошков, возможностям мелкосерийного производства и эффективности НИОКР.

Традиционные методы производства порошков больше подходят для крупносерийного производства уже освоенных материалов. Однако в таких задачах, как исследование новых материалов и мелкосерийная валидация, важным фактором эффективности НИОКР становится возможность быстро связать разработку состава материала с получением порошка.

Технология ультразвукового распыления порошка была разработана именно в ответ на эти потребности как новый способ производства порошков. Оборудование, представленное установкой ультразвукового распыления порошка с плавлением металла в тигле от Sunway New Materials, объединяет процессы плавления и распыления, обеспечивая быстрый переход от получения сплава к формированию порошка и предоставляя более гибкий и эффективный способ производства металлических порошков для исследований и разработок в области 3D-печати.

I. Ограничения традиционных технологий производства порошков: противоречие между преимуществами крупносерийного производства и гибкостью НИОКР

За годы развития технологии производства металлических порошков сформировали несколько зрелых технологических маршрутов. Среди них водяное распыление, газовое распыление и плазменный процесс с вращающимся электродом (PREP) играют важную роль в контроле затрат, крупносерийном производстве и получении высококачественных порошков.

Технология водяного распыления использует высокоскоростной поток воды для воздействия на расплавленный металл, в результате чего металл разрушается и формируется в виде порошка. Она отличается зрелостью оборудования и низкой себестоимостью производства и широко применяется в промышленном производстве порошков. Однако из-за влияния охлаждающей среды и контроля окисления сферичность получаемого порошка относительно ограничена, что в определенной степени ограничивает его применение в высокопроизводительном аддитивном производстве.

Газовое распыление использует высокоскоростной поток инертного газа для разрушения струи расплавленного металла и в настоящее время является одним из основных методов крупносерийного производства металлических порошков для 3D-печати. Оно обеспечивает высокую сферичность порошка и широкую совместимость с различными материалами. Однако оборудование требует более высоких капитальных вложений и более строгих условий эксплуатации, поэтому данный метод больше подходит для стабильного крупносерийного производства.

Плазменный процесс с вращающимся электродом (PREP) использует центробежную силу, создаваемую высокоскоростным вращением электрода, для получения порошка. Он отличается высокой чистотой и хорошей сферичностью порошка и подходит для производства некоторых высококачественных порошков.

В целом традиционные технологии производства порошков имеют очевидные преимущества при крупносерийном производстве. Однако при разработке новых сплавов, проведении мелкосерийной валидации и быстрой итерации процессов на первый план выходят гибкость и эффективность получения порошка. Именно поэтому гибкие технологии производства порошков, такие как ультразвуковое распыление, привлекают все больше внимания.

II. Технический анализ: как установка ультразвукового распыления производит металлический порошок для 3D-печати?

В основе технологии ультразвукового распыления порошка лежит воздействие высокочастотной вибрационной энергии на расплавленный металл. Это вызывает нестабильность металлической пленки и ее распад на микронные капли. Затем капли быстро затвердевают в среде инертного газа, образуя сферический металлический порошок.

На примере установки ультразвукового распыления порошка с плавлением в тигле от Sunway New Materials процесс производства порошка включает три основных этапа: плавление, распыление и затвердевание.

Сначала металлическое сырье загружается в тигель и расплавляется с помощью индукционного нагрева. В отличие от методов производства порошков, зависящих от определенной формы исходного сырья, тигельный способ плавления позволяет непосредственно использовать готовые сплавы, лигатуры и чистые элементы, обеспечивая большую гибкость при разработке новых сплавов и корректировке их состава.

Затем расплавленный металл поступает на этап ультразвукового распыления. Оборудование воздействует на расплав высокочастотными ультразвуковыми колебаниями с частотой 20–60 кГц, под действием которых металлическая пленка разрушается и образуется большое количество мелких капель. Путем регулирования ультразвуковой частоты и расхода расплавленного металла можно контролировать распределение частиц порошка по размерам.

На последнем этапе металлические капли, образовавшиеся в процессе распыления, быстро охлаждаются и затвердевают в среде инертного газа, например аргона или азота. Благодаря поверхностному натяжению жидкого металла капли стремятся принять сферическую форму в процессе формирования и сохраняют стабильную структуру после затвердевания.

Ценность ультразвукового распыления заключается не только в совершенствовании способа производства порошка, но и в объединении процессов плавления сплава, корректировки состава и получения порошка. Это позволяет специалистам по НИОКР эффективнее проходить весь путь от разработки состава сплава до испытания порошка.

III. Практическая ценность: почему установка ультразвукового распыления подходит для разработки металлических порошков для 3D-печати?

При разработке материалов для металлической 3D-печати необходимо учитывать не только свойства порошка, но и гибкость, необходимую на всех этапах разработки материала. По сравнению с традиционными технологиями производства порошков, ориентированными преимущественно на крупносерийное производство, ультразвуковое распыление больше подходит для таких задач НИОКР, как исследование новых сплавов и разработка порошков по индивидуальным требованиям.

1. Мелкосерийное производство для ускорения валидации новых материалов

Установка ультразвукового распыления порошка с плавлением в тигле от Sunway New Materials объединяет индукционное плавление и ультразвуковое распыление, обеспечивая непрерывный переход от плавления сплава к производству порошка. Оборудование оснащается тиглями объемом 0,4 и 0,8 л, что позволяет удовлетворить потребности в мелкосерийном производстве порошков на этапах лабораторных исследований и опытно-промышленной разработки.

Специалисты по НИОКР могут непосредственно использовать в качестве сырья чистые элементы, лигатуры или готовые сплавы и корректировать состав материалов в соответствии с задачами разработки, сокращая цикл от проектирования сплава до производства порошка и проведения печатных испытаний.

2. Высококачественный порошок для аддитивного производства

В процессе ультразвукового распыления металлические капли быстро охлаждаются и затвердевают в среде, защищенной инертным газом, что способствует формированию металлического порошка с высокой сферичностью и хорошей текучестью. Оборудование позволяет достигать сферичности порошка ≥95 %, выхода порошка ≥95 % и прироста содержания кислорода примерно на 50–150 ppm. Оно подходит для производства порошков из таких материалов, как алюминиевые, магниевые и медные сплавы.

3. Компактная конструкция для снижения требований к размещению оборудования

Оборудование имеет компактную конструкцию и занимает всего несколько квадратных метров. По сравнению с крупными промышленными установками для производства порошков оно предъявляет более низкие требования к площади и вспомогательной инфраструктуре, что делает его более подходящим для научно-исследовательских организаций, производителей материалов и компаний в сфере аддитивного производства, занимающихся самостоятельной разработкой порошков.

IV. Практическое применение: установка ультразвукового распыления способствует самостоятельной разработке металлических порошков для 3D-печати

При разработке легких материалов новые материалы, такие как алюминиевые и магниевые сплавы, часто требуют нескольких циклов итераций, включающих корректировку состава, производство порошка и испытания методом 3D-печати. Традиционное снабжение порошками обычно основано на коммерческих порошках с уже заданным составом и характеристиками, что затрудняет удовлетворение потребностей разработки новых материалов, где состав необходимо часто корректировать, а опытные партии производить быстро.

С помощью технологии ультразвукового распыления специалисты по НИОКР могут в соответствии с требованиями к проектируемому материалу непосредственно преобразовывать чистые элементы, лигатуры или готовые сплавы в соответствующие порошки, обеспечивая быстрый переход от корректировки состава сплава к производству порошка. Самостоятельно производя порошки с различным составом, специалисты могут своевременно проводить испытания печати и анализ эксплуатационных характеристик, ускоряя процесс валидации новых материалов.

V. Техническое значение: от оборудования для производства порошков к инструменту для разработки материалов

Развитие аддитивного производства требует не только высокоэффективных металлических порошков, но и более гибких подходов к разработке материалов. Технология ультразвукового распыления объединяет проектирование сплава, производство порошка и испытания методом 3D-печати, позволяя специалистам по НИОКР эффективнее исследовать новые материалы.

Для разработки материалов значение самостоятельного производства порошка заключается в снижении зависимости от поставщиков порошков, благодаря чему корректировка состава, разработка порошка и проверка его характеристик могут быть более тесно связаны между собой, повышая эффективность разработки новых материалов.

Современное оборудование, представленное установкой ультразвукового распыления порошка с плавлением в тигле от Sunway New Materials, предоставляет более гибкое техническое решение для самостоятельной разработки металлических порошков. В будущем, по мере дальнейшего развития технологии, ультразвуковое распыление будет играть все более значимую роль в исследовании новых материалов и передовом производстве, способствуя переходу разработки порошков от традиционной модели поставок к более гибкой инновационной модели.