Пожалуйста, оставьте нам сообщение
Из грубого порошка титанового сплава с помощью 3D-печати получаются «качественные детали»
2026-07-24
Что касается технологий 3D-печати с использованием металлов, одной из основных причин высокой стоимости эксплуатации являются сырьевые материалы. В частности, для технологии лазерной плавки порошкового слоя предъявляются особые требования к размеру частиц и степени сферичности порошка, что приводит к тому, что стоимость материалов для 3D-печати оказывается выше, чем при использовании технологии MIM.
По мере того как всё больше традиционных производственных предприятий начинают использовать технологии 3D-печати, в будущем спектр применяемых материалов, скорее всего, выйдет за рамки требований к высоким эксплуатационным характеристикам.
Было бы весьма привлекательно, если бы с помощью порошка Ti-6Al-4V нестандартного размера частиц также можно было изготавливать детали с высокими эксплуатационными характеристиками.
Автор отмечает, что в исследовании, опубликованном в июле этого года Университетом Ватерлоо (Канада), были сделаны предварительные выводы о том, что при использовании такого «некачественного» порошка и оптимизированной технологии вполне возможно получить детали, плотность и твердость которых близки или даже идентичны показателям деталей, напечатанных с использованием стандартного порошка, при этом стоимость материала значительно ниже.
➡️ Три вида порошков, для каждого из которых оптимизированы технологические процессы, с сравнительным анализом их характеристик
В ходе исследования было проведено сравнение трёх типов порошков титановых сплавов: стандартного порошка с размером частиц 15–53 мкм, порошка с широким распределением размеров частиц 15–106 мкм и крупного порошка с размером частиц 45–106 мкм.
Если порошки с разным гранулометрическим составом печатать с использованием одного и того же набора параметров, то их сравнение теряет всякий смысл. Исследователи провели оптимизацию технологического процесса для вышеупомянутых трёх порошков, используя в качестве сравнительных показателей плотность, твёрдость и шероховатость, и получили оптимальные комбинации параметров для каждого из этих показателей.
Число параметров, влияющих на результаты производства, достигает 23. В ходе исследования были выделены несколько параметров, оказывающих наиболее значительное влияние, в том числе мощность наполнения, шаг сканирования, скорость сканирования и толщина слоя. При этом плотность в основном зависит от параметров наполнения, твердость — от совместного влияния параметров наполнения и поверхности, а шероховатость — в основном от параметров поверхности.
Сравнение плотности, твердости и шероховатости
В результате было установлено, что для крупного порошка размером 45–106 мкм оптимальная плотность составляет 99%; при достижении этой плотности средняя измеренная твердость образца составила 40 HRC, а шероховатость поверхности — 19,4 мкм.
Оптимальная плотность стандартного порошка с размером частиц 15–53 мкм составляет 99,5 %, твердость — 37,9 HRC, а шероховатость поверхности — 12,4 мкм; для порошка с широким распределением размеров частиц 15–106 мкм оптимальная плотность составляет 98,7 %, твердость — 40,6 HRC, а шероховатость поверхности — 14 мкм.
Исследование пористости показало, что пористость деталей, напечатанных с использованием всех трёх видов порошка, чрезвычайно низкая и сопоставима (0,05–0,07 %). При этом пористость деталей, изготовленных с использованием грубого порошка, оказалась несколько выше. Однако пористость, наблюдаемая в состоянии после формования, имеет сферическую форму, что свидетельствует о том, что оптимизированные параметры, обеспечивая переход материала в стабильное состояние плавления, успешно предотвратили возникновение дефектов в виде нерасплавленных участков.
Микрофотографии образцов, полученных при оптимизированных параметрах плотности и ограниченной мощности наполнения
Исследователи пришли к выводу, что все три вида порошка, независимо от распределения частиц по размеру, позволяют получить практически полностью плотную структуру уже в напечатанном виде. Кроме того, в ходе дальнейших исследований было установлено, что большая часть оставшихся пор была заделана после термической изостатической прессования, а плотность деталей превысила 99,9 %.
Наблюдения микроструктуры показали, что детали, напечатанные с использованием всех трёх видов порошка, имеют микроструктуру α'-мартенсита, которая после термической изостатической прессования превращается в стабильную фазу α+β; при этом размеры кристаллитов существенно не различаются.
➡️ Идеи для приложений
Приведенные выше данные свидетельствуют о том, что детали, напечатанные с использованием грубого порошка, не уступают деталям, напечатанным с использованием мелкого порошка, по плотности, пористости, твердости и микроструктуре.
В статье не проводилось дальнейших испытаний на растяжение и усталостные характеристики, и отмечается, что это запланировано на следующий этап. Однако уже полученные данные позволяют обосновать некоторые области применения, такие как зажимные приспособления, коллекторы, корпуса и т. п., подвергающиеся исключительно статическим нагрузкам.
Однако одним из явных недостатков использования крупного порошка является слишком высокая шероховатость поверхности, что также ограничивает его применение в некоторых случаях, таких как изготовление тонкостенных деталей, тонких стержней, узких щелей, мелких отверстий и т. п.
➡️ Анализ сценариев применения электронных устройств 3C
Автор считает, что данное исследование имеет важное значение для применения 3D-печати с использованием титановых сплавов: при условии надлежащей оптимизации технологического процесса и применения соответствующих методов последующей обработки использование грубого порошка в некоторых случаях позволит снизить затраты на материалы.
Возьмём, к примеру, корпус часов: после 3D-печати он всё равно подвергается обширной обработке на станках с ЧПУ. Если оставить достаточный припуск, то недостатки применения грубого порошка в сфере электроники и информационных технологий исчезнут, а преимущества в плане стоимости будут максимально усилены.
В настоящее время производство корпусов часов методом 3D-печати включает в себя следующие этапы: печать заготовки, горячее изостатическое прессование, финишную обработку на станке с ЧПУ, пескоструйную обработку и полировку. Так не достаточно ли просто удалить шероховатый внешний слой, образовавшийся в результате печати с использованием грубого порошка?
Кроме того, автор обратил внимание ещё на одно преимущество печати с использованием крупного порошка — скорость печати. В рамках данного исследования в рамках оптимизации технологии печати с использованием крупного порошка толщина печатного слоя составляла 0,06 мм.
Хотя это и вызвано большим размером частиц самого порошка, что не оставило иного выбора, тем не менее при данной толщине слоя удалось добиться высокой плотности и твердости, а скорость печати осталась высокой, что открывает широкие перспективы для применения в сфере 3C.
