Quale metallo può essere utilizzato nella stampa 3D?

Stampa 3D in metallo sta rivoluzionando il mondo della produzione a una velocità mai sperimentata prima, liberando progettisti e ingegneri dai vincoli tradizionali. Dalle alte prestazioni componenti aerospaziali all'individuo dispositivi medici alle apparecchiature industriali complesse e leggere, un'accurata selezione dei materiali metallici è la chiave per sbloccare questi usi. Questo articolo affronta completamente la parte superiore Metalli stampabili in 3D come leghe di titanio, leghe di alluminio, acciaio inossidabile, leghe ad alta temperatura, acciai per utensili e metalli preziosi , le loro proprietà caratteristiche, i processi appropriati e le principali aree di utilizzo, liberando il potenziale illimitato della produzione additiva con i metalli.

Guida rapida: scegli il tuo rubinetto a colpo d'occhio

Tipo di metallo	Caratteristiche principali e usi tipici
Titanio Lega (Ti6Al4V)	Elevato rapporto resistenza/peso, buona biocompatibilità; componenti strutturali aerospaziali, componenti di veicoli ad alte prestazioni e ort
Alluminio Lega (AlSi10Mg, Scalmalloy)	Elevata conduttività elettrica e termica, leggera; parti di veicoli, leggeri, telai di droni, pannelli di astronavi.
Acciaio inossidabile （316L, 17-4PH, 15-5PH）	Elevata resistenza alla corrosione, eccellenti proprietà meccaniche; apparecchiature per la lavorazione degli alimenti, componenti hardware marini, portautensili, dispositivi medici e tubi e valvole industriali.
Superlega (Inconel 718/625, Hastelloy X)	Elevata resistenza a temperature elevate, resistenza all'ossidazione e resistenza al creep; componenti di motori aeronautici (giranti di pale di turbine), turbine a gas, motori a razzo e forni ad alta temperatura.
Acciaio per utensili (H13, acciaio Maraging 300/350)	Elevata durezza, elevata resistenza all'usura ed elevata resistenza al trattamento termico; inserto per stampaggio a iniezione, stampi pressofusi, utensili da taglio e funzionalità ad alte prestazioni
Metalli preziosi (oro, argento, platino)	Alto valore, qualità uniche (conduttività, bioinerzia, attività catalitica); applicazioni in gioielleria, contatti elettronici speciali e dispositivi medici/di ricerca speciali.
Rame leghe (rame puro, CuCrZr)	Eccellente conducibilità elettrica e termica; applicato in dissipatori di calore, scambiatori di calore, bobine di induzione, avvolgimenti di motori e connettori conduttivi.
Lega cobalto-cromo (CoCr)	Resistenza all'usura superiore con elevata resistenza e buona biocompatibilità; applicazione per restauri dentali (corone/ponti)

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Lega di titanio: il re della leggerezza e dell'alta resistenza

Introduzione dettagliata al Ti6Al4V (grado 5 e 23) e ad altre leghe di titanio

Ti6Al4V

Noto anche come Lega di titanio TC4 , è una tipica lega di titanio α+β. La sua composizione chimica è costituita principalmente da: titanio (Ti) come matrice; alluminio (Al) (6%) per migliorare la resistenza e la stabilità termica della lega; e vanadio (V) (4%) per migliorare la plasticità e la resistenza alla corrosione. Ti6Al4V combina numerosi vantaggi, tra cui robustezza, tenacità, resistenza al calore e alla corrosione e bassa densità. È la lega di titanio più utilizzata al mondo e rappresenta oltre il 50% dell'utilizzo globale di leghe di titanio. In poche parole, è più duro dell’alluminio, più leggero dell’acciaio e più resistente alla corrosione dell’acciaio inossidabile.

Grado 5 (Ti-6Al-4V)

Il grado 5 (Ti-6Al-4V), il grado più utilizzato, è il più utilizzato lega di titanio da lavoro perché offre la migliore combinazione di resistenza alla trazione (≥895 MPa), resistenza allo snervamento (≥830 MPa) e duttilità progressivamente elevata (allungamento ≥10%) . Il grado 23 a basso contenuto interstiziale (Ti-6Al-4V ELI, Extra Low Interstitial) migliora notevolmente, senza ridurre l'elevata resistenza (resistenza alla trazione ≥828 MPa), la tenacità alla frattura e la tolleranza al danno. È particolarmente adatto a componenti strutturali portanti critici per la sicurezza che richiedono la massima affidabilità, elevata resistenza alle sollecitazioni multiassiali o servizio a bassa temperatura, ad esempio colonne montanti per l'esplorazione di pozzi petroliferi in acque profonde, parti aeronautiche e protesi articolari.

Oltre alle serie Grado 5 e Grado 23, la famiglia delle leghe di titanio contiene inoltre TC21 ad alta resistenza e durata (con resistenza alla trazione ≥1100 MPa), resistenza alle alte temperature TC11 (in grado di essere utilizzato entro 500°C) e titanio puro commerciale TA1/Ti Grado 2 (buona resistenza alla corrosione e formabilità, comunemente riscontrati nell'ingegneria chimica e in generale). applicazioni mediche ). Tutte le leghe controllano effettivamente il contenuto degli elementi costitutivi come Al, V, Ru ed elementi interstellari (O, N, C e Fe) nel tentativo di soddisfare le diverse e rigorose esigenze degli ambienti di servizio in termini di elevata resistenza, elevata tenacità, elevata resistenza alla corrosione, buona saldabilità ed elevata biocompatibilità.

Caratteristiche

Elevato rapporto resistenza/peso, elevata resistenza alla corrosione e buona biocompatibilità. Le leghe di titanio Ti-6Al-4V forniscono l'equilibrio ideale tra proprietà meccaniche, di corrosione e fisiche.

Elevato rapporto resistenza/peso: sebbene la sua densità sia di soli 4,43 g/cm³, appena il 60% di quella dell'acciaio, la resistenza specifica della lega di titanio è uguale, se non superiore, a quella degli acciai legati ad alta resistenza. Di conseguenza, i componenti in lega di titanio, sottoposti a un carico simile, mostrano una schiacciante riduzione del peso di oltre il 40%. Il suo carico di snervamento, solitamente 800-880 MPa, è tale che mostre materiali , anche a sollecitazioni elevate, deformazione duttile ed è molto meno probabile che si rompa per fragilità.

Buona resistenza alla corrosione: in mezzi aggressivi come acido fluoridrico, acido acetico e acido formico, uno strato sottile di ossido di titanio passivo estremamente rapido aderisce alla sua superficie, conferendogli una buona resistenza alla corrosione, consentendone così l'utilizzo in un uso chimico e in un'atmosfera acquatica.

Maggiore biocompatibilità: le leghe di titanio, in particolare il grado 23 ELI, non sono sensibilizzanti, non tossiche e non magnetiche per i tessuti umani. Il modulo elastico delle leghe di titanio è molto vicino a quello dell'osso umano, riducendo notevolmente la protezione dallo stress e determinando una migliore osteointegrazione. La resistenza all'usura e la bioattività possono essere ulteriormente migliorate attraverso trattamenti superficiali (ad es. rivestimenti in nitruro di titanio ), e quindi è favorevole per articolazioni artificiali (articolazione dell'anca e del ginocchio), placche ossee, viti ossee, impianti dentali e impianti craniomaxillofacciali avanzati. L'impianto protesico personalizzato in lega di titanio utilizzato durante la prima "sostituzione totale del corpo vertebrale cervicale stampata in 3D" al mondo è stato utilizzabile per otto anni in quel paziente ed è tornato a uno standard di vita elevato, dimostrando il suo alto livello di biocompatibilità e lunga manutenibilità.

Processi rilevanti: le leghe di titanio sono più precise ed efficienti nel caso della stampa 3D per consentire potenzialità di progettazione di componenti personalizzati, ad esempio, SLM , EBM e DED.

Applicazioni: grazie alle loro eccezionali proprietà, le leghe di titanio sono emerse come prodotto di punta in una gamma di applicazioni ad alte prestazioni, che vanno dagli stent aerospaziali, parti di motori, protesi articolari di dispositivi medici, impianti craniomaxillofacciali, auto da corsa ad alte prestazioni, fino ai dispositivi sportivi.

Acciaio inossidabile: la spina dorsale della resistenza alla corrosione e delle applicazioni industriali

Descrizione dettagliata di 316L (resistente alla corrosione), 17-4PH / 15-5PH (indurente per precipitazione), 304L, 420, ecc.

Acciaio inossidabile 316L

ConAcciaio inossidabile 316L essendo un acciaio inossidabile contenente molibdeno, è più resistente alla corrosione rispetto all'acciaio inossidabile 304 , e quindi è un materiale adatto per attrezzature in pasta di legno e produzione di carta . L'acciaio inossidabile 316 resiste anche alle dure atmosfere industriali e marine. L'acciaio inossidabile 316L resiste anche alla precipitazione del carburo più a lungo dell'acciaio inossidabile 316 ed è quindi qualificato per applicazioni ad alta temperatura. Essendo una lega a basso contenuto di carbonio dell'acciaio 316, l'acciaio 316L presenta gli stessi attributi dell'acciaio 316 ma con una maggiore resistenza alla corrosione intergranulare. Questo è un requisito specifico nell'applicazione dell'acciaio 316 dove la resistenza alla corrosione intergranulare è un parametro importante. Tra tutte le forme di acciaio inossidabile, 316L e 17-4PH sono comunemente considerati la coppia d’oro della stampa 3D. Tra tutte queste forme di acciaio inossidabile, il 316L, con la sua migliore resistenza alla corrosione e una maggiore biocompatibilità, funziona bene nelle applicazioni mediche.

17-4PH / 15-5PH (Indurimento per precipitazione)

Acciaio inossidabile 15-5 è un acciaio inossidabile martensitico che viene utilizzato per una varietà di usi. È perfetto per l'uso in progetti in cui è necessario un grado di resistenza alla corrosione e prestazioni trasversali migliorati rispetto ad altri martensitici. La temperatura del trattamento termico può quindi essere variata per modificare il grado di resistenza e durezza necessari per un singolo progetto.

17-4PH è una lega della famiglia dei materiali indurenti per precipitazione acciaio inossidabile martensitico leghe che presentano elevata durezza e resistenza e moderata resistenza alla corrosione fino a 600 ° F. Gode ​​di utili qualità di fabbricazione e può essere induribile con l'invecchiamento tramite una singola ricottura a 900-1150 ° F. Questa lega ha visto un ampio servizio in giacimenti petroliferi e apparecchiature, raccordi e hardware per il trattamento petrolchimico.

Acciaio inossidabile 304L

È acciaio legato 304 a basso contenuto di carbonio . Il 304L ha un basso contenuto di carbonio, il che riduce la dannosa precipitazione di carburo durante la saldatura. Per questo motivo, 304L "può essere saldato " in ambienti corrosivi ostili senza ricottura. Le proprietà meccaniche del grado sono leggermente inferiori rispetto al grado 304 standard, ma viene comunemente utilizzato per la sua versatilità. Come con Acciaio inossidabile 304 , viene comunemente utilizzato nell'industria della birra e della vinificazione, ma può essere utilizzato per creare applicazioni di prodotti dell'industria non alimentare, che includono contenitori per lo stoccaggio di prodotti chimici, attività mineraria ed edilizia. È ideale per essere utilizzato in componenti metallici come dadi e bulloni esposti all'acqua di mare.

Il 304L gode di una domanda stabile che esiste in usi non applicativi come realizzazione di prototipi grazie alla sua competitività in termini di costi. L'acciaio di grado 420 è un acciaio inossidabile martensitico ad alto tenore di carbonio con un livello minimo di cromo del 12%. L'acciaio di grado 420 e l'acciaio inossidabile in generale possono essere induriti dal suo stato iniziale mediante trattamento termico. L'acciaio di grado 420, dopo essere stato ricotto, è relativamente duttile e ha un'eccellente resistenza alla corrosione dopo la lucidatura, dopo la rettifica superficiale o dopo la tempra. L'acciaio di grado 420 è ideale per qualsiasi tipo di macchine di precisione, usi di tipo cuscinetto, dispositivi elettrici, strumenti, contatori, trasporto di veicoli, elettrodomestici da cucina, servizi di ristorazione e dispositivi medici in acciaio inossidabile.

Proprietà: resistenza alla corrosione molto elevata, proprietà meccaniche superiori o può essere trattato termicamente per ottenere un'elevata resistenza e un costo relativamente basso.

Processi applicativi: grazie alla loro elevata resistenza, resistenza alla corrosione, trattabilità termica ad alta resistenza e compatibilità con la massa popolare lavorazioni 3D dei metalli come SLM, DED e Binder Jetting, l'acciaio inossidabile è ben noto Metalli stampati in 3D .

Applicazione: valvole per tubi dell'industria chimica, alimentare, navale, dispositivi medici, pezzi di utensili o stampi, hardware architettonico e pezzi funzionali generali.

Leghe ad alta temperatura: guardiani di ambienti estremi

Panoramica approfondita delle leghe a base di nichel e cobalto come Inconel 718, Inconel 625, Hastelloy X e Haynes 282.

Inconel 718

È una lega di nichel ad alte prestazioni, che viene utilizzata fondamentalmente in ambienti corrosivi e anche ad alta temperatura. Fornisce elevata resistenza, resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione e ordine più elevato saldabilità e lavorabilità. Ha un elevato contenuto di nichel, cromo, ferro e altre leghe nella sua composizione chimica, che fornisce una forte resistenza al calore e all'ossidazione.

Inconel 625

È una lega a base di nichel contenente nichel, cromo e molibdeno e tracce di titanio e alluminio . Dimostra una buona resistenza alla corrosione e caratteristiche alle alte temperature. Le sue proprietà sono adeguate per l'uso in una vasta gamma di ambienti ostili poiché è fortemente resistente alla corrosione e all'ossidazione.
Hastelloy X è una lega ad alta temperatura di molibdeno e cromo con un elevato contenuto di ferro che è una lega solida rinforzata con una soluzione.

Hastelloy X

È resistente all'ossidazione e alla corrosione e presenta un'elevata resistenza allo scorrimento viscoso e tenacità anche a temperature elevate (ad esempio, inferiori a 900°C) e anche in atmosfere cementanti e nitrurative e in atmosfere neutre e riducenti.

Lega Haynes 282

Si tratta di una superlega avanzata di rinforzo di grado Y sviluppata appositamente per il servizio strutturale ad alta temperatura, in particolare per l'utilizzo su motori a terra e a turbina nel settore aerospaziale. Offre un eccellente equilibrio tra saldabilità, stabilità termica, resistenza al creep e lavorabilità rispetto a leghe commerciali .

Proprietà: eccezionale resistenza alle alte temperature, elevata resistenza all'ossidazione, allo scorrimento viscoso e alla corrosione.

Processo applicabile: SLM, EBM, con particolare esperienza in DED

Applicazioni: Applicazioni dei motori aeronautici , componenti di turbine a gas a sezione calda (pale di turbine, combustori), componenti di motori a razzo, componenti di energia nucleare, forni ad alta temperatura.

Acciaio per utensili e acciaio per stampi: resistente all'usura e durevole

Introduzione dettagliata: H13 (lavorazione a caldo), Maraging Steel 300/350 (indurimento per invecchiamento), 18Ni300, M2 (acciaio ad alta velocità), Toolox 33/44, ecc.

H13

È un acciaio per utensili legato e un acciaio per la lavorazione ad alta velocità e viene applicato principalmente a matrici ad alta pressione e ad alta temperatura, come forgiate a caldo, fusioni in lega di alluminio e matrici per estrusione a caldo. H13 possiede elevata resistenza a caldo, durezza al rosso, tenacità e resistenza alla fatica termica superiore ed è quindi un ottimo rendimento in servizio ad alta temperatura.

Proprietà: elevata durezza, elevata resistenza all'usura e elevata resistenza alle alte temperature (acciaio per lavorazioni a caldo); resistenza estremamente elevata dopo il trattamento termico ( acciaio Maraging ).

Maraging Steel 300/350 (indurimento per invecchiamento)

L'indurimento per invecchiamento, o Maraging Steel 300/350, è un acciaio ad alta resistenza costituito da una matrice di martensite a basso contenuto di carbonio o priva di carbonio che raggiunge la durezza dalla precipitazione di composti intermetallici durante l'invecchiamento. Come l'acciaio convenzionale ad alta resistenza, non ottiene la durezza dal carbonio ma dalla precipitazione e dispersione dei composti intermetallici e, quindi, differisce da acciaio convenzionale sotto diversi aspetti. Le caratteristiche includono elevata resistenza, elevata tenacità, bassa temprabilità, buona formabilità, facile da trattare termicamente, nessuna distorsione durante l'invecchiamento e buona saldabilità.

18Ni300

È una lega della serie Maraging 300 e ne presenta la composizione e le sue qualità. I suoi principali vantaggi sono la distorsione minima quando invecchiato a basse temperature nel tentativo di ottenere la stabilità dimensionale di componenti accurati; la sua temprabilità a freddo è bassa , il che garantisce che sia ideale per complessi stampaggio e formatura . Le sue applicazioni riguardano proiettili di missili, bielle per auto da corsa ad alto rendimento e precisione stampi per colata .

M2 (acciaio rapido)

È acciaio per utensili ad alta velocità su base di molibdeno, una lega composta principalmente da carbonio, molibdeno, tungsteno, cromo e vanadio . In questo acciaio esiste un'elevata resistenza all'usura, agli urti e alle alte temperature (mantiene le qualità fino a 600°C), che può essere utilizzato in strumento di taglio , produzione di stampi e componenti ad alta resistenza. Elevata uniformità di distribuzione del carburo ed elevata tenacità caratterizzano questo acciaio, che però è incline al surriscaldamento e necessita di un rigoroso controllo dei parametri di trattamento termico. L'aggiunta di cerio, una terra rara per eccellenza, a grana fine, affina la dimensione del carburo, riduce la segregazione della lega e migliora la capacità e la lavorabilità alle alte temperature.

Toolox 33/444

Toolox 33/44, un acciaio rivoluzionario trattabile termicamente , è pre-indurito a HRC 33 (Toolox 33) e HRC 44 (Toolox 44) nello stabilimento, eliminando costi e tempi di ciclo per il trattamento termico. In questo acciaio, che ha un'elevata efficacia di lavorazione, sono presenti un'elevata efficacia di lavorazione, elevate velocità di taglio diretto, che sono più veloci, e buone prestazioni di elettroerosione e lucidatura, che riducono il tempo di lucidatura di un terzo. I trattamenti superficiali compatibili ottimizzano ulteriormente la resistenza all'usura. Di grandi dimensioni, è comunemente utile in stampi ad iniezione , stampi per stampaggio di automobili e attrezzature per robot, riducendo i tempi di consegna.

Processi applicabili: SLM, EBM, con particolare forza nel DED.

Applicazioni: inserti per stampi a iniezione/pressofusione, in particolare quelli con canali di raffreddamento conformati, stampi per stampaggio/formatura, utensili da taglio e parti resistenti all'usura.

Metalli preziosi e leghe speciali: soddisfare esigenze uniche

Oro, argento e platino

Sono i metalli preziosi per soddisfare esigenze uniche nella stampa 3D.
Gioielli: i gioielli devono essere chimicamente inerti a temperatura e pressione ambiente standard e resistenti alla corrosione rispetto ai principali costituenti dell'acqua e dell'aria. La stabilità chimica dell'oro è eccellente. L'argento è un argento biancastro dall'aspetto metallico, è facilmente ottenibile, è economico ed è emerso come la scelta preferita per i gioielli. Il platino , che è l'oro bianco, è di colore bianco-argento aspetto metallico , è altamente duttile, resistente alla corrosione contro acidi forti corrosivi e alcali forti e ha un punto di fusione estremamente elevato.

Contatti elettronici speciali: In microcontatti elettronici , l'oro resiste all'erosione dell'arco ; l'argento resiste all'inibizione dell'elettromigrazione ; e il platino resiste all'ossidazione dovuta alle alte temperature . Tali metalli nobili, allo stesso modo, vengono utilizzati nei contatti dei relè aerospaziali e nei connettori superconduttori in platino nelle macchine per la creazione di immagini a risonanza magnetica nucleare.

Dispositivi biomedici per la ricerca: sensori impiantati (oro), dispositivi per il rilascio di farmaci antitumorali in platino e superfici antibatteriche in argento.

Leghe di rame (rame puro, CuCrZr)

Altamente conduttori di elettricità e calore e vengono utilizzati in parti di motori, dissipatori di calore, scambiatori di calore e bobine di induzione. La lega cobalto-cromo (CoCrMo) è estremamente resistente all'usura ed estremamente biocompatibile e viene utilizzata nei restauri dentali e in alcuni impianti ortopedici.

Processi appropriati: SLM (parametri speciali richiesti), BJ (metalli preziosi) e DED (rame).

FQA

1. La resistenza dei componenti metallici stampati in 3D sarà simile a quella dei componenti forgiati?

SÌ. Il risultato può essere ottenuto mediante un'adeguata ottimizzazione dei processi post-trattamento, ad esempio mediante trattamento termico parti metalliche prodotti da processi come SLM o EBM, ad esempio, la resistenza e la fatica raggiungono e addirittura superano quella dei tradizionali analoghi delle parti forgiate.

2. È possibile sostituire la produzione convenzionale (ad es. fusione e CNC ) completamente con stampa 3D metallica?

Non ancora, non può. È preferibile per forme complesse, personalizzazione per produzioni brevi e leghe difficili da lavorare . La produzione in serie di parti comuni, tuttavia, è meno costosa e più rapida rispetto ai metodi convenzionali ed entrambi i processi sono complementari.

3. Il metallo stampato in 3D necessita di post-elaborazione?

Sì, salvo eccezioni estremamente rare, tutti i componenti metallici stampati in 3D richiedono la post-elaborazione. I processi comuni associati alla stampa 3D dei metalli sono la rimozione della struttura di supporto, l'allentamento delle sollecitazioni, il trattamento termico, la finitura superficiale (lavorazione meccanica, lucidatura, sabbiatura ) e HIP (con l'intento di migliorare la densità ed eliminare i pori).

4. La stampa 3D in metallo è più costosa a causa del costo del materiale?

Il suo costo è solitamente significativamente più alto di quello della barra o del blocco di metallo con cui verrebbe prodotto. Aggiunge una cifra non trascurabile al costo di a stampa 3D in metallo , anche se il suo rapporto qualità-prezzo complessivo deve essere valutato come un pacchetto insieme alla sua libertà di progettazione e al suo ruolo di risparmio di materiali.

Riepilogo

Stampa 3D in metallo la biblioteca dei materiali continua a crescere in modo esponenziale, dalle tradizionali leghe di titanio, leghe di alluminio, acciaio inossidabile e leghe ad alta temperatura, attraverso acciai per utensili rari, metalli nobili, fino alle leghe di rame. Ciascuno di essi fornisce, in una combinazione individuale, una selezione di proprietà come resistenza, leggerezza, capacità alle alte temperature, resistenza alla corrosione, conduttività elettrica, capacità termica e biocompatibilità per specifiche applicazioni high-tech. Tecnologie rivoluzionarie consentono di trasformare tali materiali, in modo efficiente, in geometrie altamente complesse impossibili attraverso processi convenzionali, modificando il design, prototipo e realizzare componenti ad alte prestazioni.

Quando il tuo problema è rappresentato da vincoli di progettazione innovativi, la tua sfida è la leggerezza, la riduzione dei tempi di consegna o la lavorazione di materiali difficili da tagliare. stampa 3D in metallo e la selezione dei materiali sono potenti soluzioni. La profonda comprensione delle proprietà e delle applicazioni dei tuoi materiali è la chiave per sbloccare questa tecnologia rivoluzionaria per la creazione e la differenziazione. La selezione del metallo giusto ci apre a infinite capacità di produzione additiva!

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