Обзоры

Современные материалы для аддитивного производства

Технология аддитивного производства в настоящее время получает все большее развитие. Аддитивное производство активно проникает как в высокотехнологичные отрасли, ярким примером которых является газотурбостроение, так и в отдельные сферы нашей повседневной жизни – образование, культуру, сферу услуг. Для каждого направления подходит соответствующая технология и материалы. Для высокотехнологичных отраслей – металлические материалы, для сферы услуг в большей степени подходят доступные по цене полимерные материалы.

Основные типы процессов и технологии

Тип процесса	Тип материала	Технология
Синтез на подложке Powder bed fusion	Металлы	Селективное лазерное спекание/сплавление (SLS, SLM, DLMS) Электронно-лучевое сплавление (EBM)
	Полимеры	Селективное лазерное спекание (SLS) Селективное тепловое спекание (SHS)
	Керамика	Селективное лазерное спекание (SLS)
Прямой подвод энергии и материала Directed energy deposition	Металлы (порошок/проволока)	Лазерная наплавка металла (LMD) Плазменная наплавка металла Электронно-лучевое сплавление проволоки (EBF)
Струйное нанесение связующего Binder jetting	Металлы	Послойное склеивание порошка связующим веществом (PBIH, PP)
	Полимеры
	Керамика
Экструзия материала Material extrusion	Полимеры	Экструзия (FDM, FFF)
	Керамика/композиционные материалы
	Органические материалы
Фотополимеризация в ванне Vat photopolymerization	Фотополимеры	Стереолитография (SLA, DLP)
Струйное нанесение материала Material jetting	Фотополимеры	Струйное моделирование
	Воск
	Органические материалы

В аддитивном производстве задействованы все основные типы материалов: полимерные материалы, металлические материалы, керамические материалы, композиционные материалы.

Полимерные материалы – достаточно широко представленная группа материалов, имеющих существенные отличия по механическим, химическим и эксплуатационным свойствам. Полиамидные термопластичные материалы получают широкое распространение ввиду того, что уже достаточно интенсивно применяются в технологии литьевого прессования. Марки полиамидов, используемых в аддитивном производстве, отличаются от классических материалов физическими свойствами и более широким интервалом обработки. В целом спектр неметаллических материалов, применяемых в аддитивном производстве, включает термопластичные полимерные материалы, термореактивные полимерные материалы, эластомеры, гидрогели, функциональные полимеры, полимерные смеси, композиционные материалы. Основной областью применения полимерных материалов в аддитивном производстве является изготовление неответственных изделий, оснастки и приспособлении, сувенирной продукции и макетов. Наиболее популярными неметаллическими материалами являются термопластичные полимеры (ABS, PLA, PETG, HIPS, Nylon, PPSU), термоэластопласты (FLEX, eLastic, Rubber), термопластичные наполненные полимеры (BFBronze, Carbon).

Перспективные классы полимерных материалов для аддитивного производства

Материал

Характеристика

Типичное применение

Полиамид 12

Многофункциональность

Сбалансированность свойств

Экономичность

Биосовместимость

Функциональные детали*

Полиамид 12

огнестойкий

Огнестойкость

Безгалогенный

Аэрокосмическое применение

Электротехника и электроника

Полиамид 12

стеклонаполненный

Повышенная жесткость

Повышенная износостойкость

Повышенная рабочая температура

Корпусные детали

Детали с повышенной износостойкостью

Детали с повышенной рабочей температурой

Полиамид 12

наполненный (Al)

Повышенная жесткость

Повышенная рабочая температура

Теплопроводность

Хорошая обрабатываемость

Детали с металлическим покрытием

Теплонагруженные детали

Полиамид 12

наполненный (C)

Повышенная прочность и жесткость

Высокая удельная прочность

Теплопроводность

Электропроводность

Функциональные детали с высокой удельной прочностью

Замена металлических деталей

Полиамид 11

Высокая вязкость и сопротивление удару

Сбалансированность свойств

Функциональные детали с повышенным сопротивлением удару

Полистирен

Высокая размерная точность

Низкая зольность

Модели для литья по выжигаемым моделям и вакуумного литья

Полиарилэфиркетон

PAEK

Значительно повышенная прочность, жесткость, рабочая температура

Химическая стойкость

Высокая износостойкость

Огнестойкость

Биосовместимость

Аэрокосмическое применение

Автомобилестроение и спорт

Электротехника и электроника

Медицина

Общепромышленное применение

Замена металлических деталей

Полиэфирамид-блок-сополимер

TPA

Высокая эластичность

Демпфирующие элементы

Уплотнительные элементы

* - под термином функциональные детали следует понимать широкий спектр деталей конструкционного назначения для нужд машиностроения и приборостроения, в том числе сложной конфигурации.

Металлические материалы – все более востребованная группа материалов, применяемых для аддитивного производства ответственных деталей. Для использования в аддитивном производстве предлагаются все основные классы металлических материалов – на основе железа, никеля и кобальта, титана, алюминия.

Основные классы металлических материалов для аддитивного производства

Материал

Характеристика

Типичное применение

Сталь

Мартенситостареющая сталь

18Ni300

07Х18К9М5Т

Высокие механические свойства

Сопротивление хрупкому разрушению

Сопротивление межкристаллитной коррозии под напряжением

Удовлетворительная обрабатываемость и свариваемость

Прессформы

Высоконагруженные детали

Функциональные детали

Дисперсионно-твердеющая сталь

17-4PH

Х16Н4Д4Б

Высокие механические свойства

Повышенная рабочая температура

Стойкость к общей и усталостной коррозии, коррозионному растрескиванию по д напряжением

Прессформы

Инструмент

Функциональные детали

Медицинское применение (инструмент, изделия)

Дисперсионно-твердеющая сталь

15-5PH

Х15Н5Д4Б

Высокие механические свойства

Повышенная рабочая температура

Стойкость к общей и усталостной коррозии, коррозионному растрескиванию по д напряжением

Прессформы

Инструмент

Функциональные детали

Медицинское применение (инструмент, изделия)

Коррозионностойкая сталь

316L

07Х18Н12М2

Высокие механические свойства при отрицательных температурах

Стойкость к общей и межкристаллической коррозии

Стойкость к воздействию кислот

Немагнитность

Функциональные детали

Медицинское применение (ортопедические имплантаты)

Никелевый сплав

Жаропрочный железо-никелевый сплав

Alloy 718

08ХН53БМТЮ

Высокие механические свойства при повышенных температурах

Стойкость к коррозии

Аэрокосмическое применение

Теплообменники

Функциональные детали

Жаропрочный никелевый сплав

Inconel 625

Высокая прочность

Высокая усталостная долговечность

Стойкость к общей и усталостной коррозии, коррозионному растрескиванию по д напряжением

Аэрокосмическое применение (детали газотурбинных двигателей и установок, компоненты ракетной и космической техники)

Детали для химическая, нефтяной и газовой промышленности

Кобальтовый сплав

Кобальт-хромовый сплав

CoCrMo

КХ18М6

Высокие механические свойства

Повышенная рабочая температура

Стойкость к коррозии

Медицинское применение (ортопедические имплантаты, инструмент, зубное протезирование)

Функциональные детали

Титановый сплав

Титановый деформируемый сплав
Ti6Al4V

Высокая удельная прочность

Стойкость к коррозии

Биосовместимость

Медицинское применение (имплантаты)

Аэрокосмическое применение

Функциональные детали

Алюминиевый сплав

Литейный алюминиевый сплав
AlSi10Mg

Высокая теплопроводность

Небольшой вес

Удовлетворительная прочность

Функциональные детали

Металлические порошки ВИАМ для аддитивного производства

Материал

Характеристика

Типичное применение

Сталь

08Х14Н5М2Д (ВНЛ-3)

ТУ l-595-16-1259-2011

Аналог стали 316L

Функциональные детали

Х13Н5К9М4 (ВНЛ-14)

ТУ l-595-16-1692-2017

---

Чугун

чугун Нирезист

ТУ l-595-16-1259-2011

Высоконикелевый антифрикционный чугун аустенитного класса

Коррозионная стойкость

Немагнитность

Хлаостойкость

---

Никелевый сплав

Жаропрочный деформируемый хромо-никелевый сплав

ХН50ВМТЮБ (ЭП648)

ТУ 1-595-16-1260-2011

Высокая жаростойкость

Стойкость в продуктах горения высокосернистого топлива

Коррозионная стойкость

Аэрокосмическое применение

Работа в агрессивных газовых средах

Жаростойкий деформируемый никелевый сплав

ХН58МБЮ (ВЖ159)

ТУ l-595-16-1512-2015

Высокая жаропрочность

Свариваемый

Пониженная плотность

Детали камеры сгорания (жаровые трубы, створки, экраны, сопла)

Жаропрочный литейный никелевый сплав

ЖС6К

ТУ 1-595-16-1514-2015

Высокая длительная прочность

Рабочие и сопловые лопатки газовых турбин

Жаропрочный литейный никелевый сплав

ВЖЛ12У

ТУ l-595-16-1515-2015

Жаропрочный литейный сплав низкой плотности.

Повышенная пластичность

Колесо турбины, рабочие и сопловые лопатки

Интерметаллидный никелевый сплав

Жаропрочный интерметаллидный никелевый сплав

ВКНА-1В

ТУ 1-595-16-1260-2011

Высокая жаростойкость

Высокая кратковременная и длительная прочность при высоких температурах

Коррозионная стойкость

Пониженная масса

Детали соплового аппарата, детали камер сгорания

Жаропрочный интерметаллидный никелевый сплав

ВКНА-1ВР

ТУ 1-595-16-1513-2015

---

Жаропрочный интерметаллидный никелевый сплав

ВКНА-4У

ТУ 1-595-16-1260-2011

Повышенная жаропрочность

Детали соплового аппарата, детали камер сгорания

Жаропрочный интерметаллидный никелевый сплав

ВИН5

ТУ l-595-16-1643-2016

---

Детали соплового аппарата, детали камер сгорания

Кобальтовый сплав

ВЛК1

ТУ l-595-6-1701-2016

Жаропрочный никель-кобальтовый сплав

Высокая прочность

Стойкость к коррозии

Аэрокосмическое применение

Детали МГТД (статор соплового аппарата, прирабатываемые и уплотнительные элементы)

Титановый сплав

ВТ6

ТУ l-595-16-1685-2017

Универсальный жаропрочный титановый сплав

Высокая технологичность

Однородность химического состава

Пониженная чувствительность к концентраторам напряжений

Возможность многоцелевого применения

Функциональные детали

Детали ГТД

ВТ20

ТУ l-595-16-1685-2017

Конструкционный титановый сплав

Стойкость к коррозии

Хорошая свариваемость

Функциональные детали

Детали ГТД

Алюминиевый сплав

АК9ч (АЛ-4)

ТУ l-595-6-1605-2016

Сплав системы AlSi10Mg. Классический силумин с малой добавкой магния

Высокая прочность

Стойкость к коррозии

Функциональные детали

Детали МГТД (корпус компрессора, корпус направляющего аппарата, колесо компрессора)

ВАС1

ТУ l-595-34-1669-2017

Сплав системы AlSi10Mg.

Адаптированный состав для применения в АП.

Высокая прочность

Стойкость к коррозии

Функциональные детали

Существующий спектр материалов позволяет получить детали с требуемым комплексом механических свойств и стойкостью к воздействию окружающей среды. Выбор и разработка конфигурации материал-установка-технология позволит обеспечить достижение оптимального результата.

Современные материалы для аддитивного производства

21.12.2018

Источники информации:

ГОСТ Р 57558-2017/ISO/ASTM 52900:2015 Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 1. Термины и определения

Аддитивные технологии: настоящее и будущее. Материалы IV Международной конференции. ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ. 2018

Аддитивные технологии: настоящее и будущее. Материалы III Международной конференции. ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ. 2017

Аддитивные технологии: настоящее и будущее. Материалы II Международной конференции. ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ. 2016

Аддитивные технологии: настоящее и будущее. Материалы I Международной конференции. ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ. 2015

Структура и свойства сплавов на основе никеля, полученных методом СЛС. Евгенов А.Г., Лукина Е.А., Асланян И.Р. Аддитивные технологии: настоящее и будущее. Материалы II Международной конференции.

Усталостные свойства жаропрочных материалов, полученных методом SLM. Горбовец М.А., Евгенов А.Г., Ходинев И.А., Лукьянова М.И. Аддитивные технологии: настоящее и будущее. Материалы II Международной конференции.

Усталостные характеристики литейных жаропрочных никелевых сплавов, полученных методом селективного лазерного сплавления. Горбовец М.А.; Евгенов А.Г.; Беляев М.С.; Васильев Д.А. Аддитивные технологии: настоящее и будущее. Материалы III Международной конференции.

Перспективы разработки высокопроизводительных режимов селективного лазерного сплавления жаропрочных сплавов на основе никеля для изготовления деталей ГТД. Евгенов А.Г., Королев В.А., Шуртаков С.В.. Аддитивные технологии: настоящее и будущее. Материалы III Международной конференции.

Изменения структуры, фазового состава и механических свойств сплава ВЖ159, полученного методом селективного лазерного сплавления, в процессе баротермической обработки и длительных отжигов. Евгенов А.Г.; Мазалов И.С.; Зайцев Д.В.; Прагер С.М. Аддитивные технологии: настоящее и будущее. Материалы IV Международной конференции.

Особенности структуры и свойств материала жаропрочного интерметаллидного никелевого сплава, полученного методом селективного лазерного сплавления. Сухов Д.И.; Базылева О.А.; Неруш С.В.; Аргинбаева Э.Г.; Зайцев Д.В. Аддитивные технологии: настоящее и будущее. Материалы IV Международной конференции.

Разработка, паспортизация и применение металлопорошковой композиции жаропрочного кобальтового сплава отечественного производства для изготовления элементов камер сгорания ГТД большой мощности. Сасарин А.М.; Федосеев Д.В.; Федоров Н.В.; Редькин И.А. Аддитивные технологии: настоящее и будущее. Материалы IV Международной конференции.

Особенности загрязнения оборотного порошкового материала в процессе селективного лазерного синтеза. Шуртаков С.В.; Евгенов А.Г.; Прагер С.М.; Малинин Р.Ю. Аддитивные технологии: настоящее и будущее. Материалы IV Международной конференции.

Исследование микроструктуры и свойств термопластичных порошковых композиций для селективного лазерного спекания. Кирин Б.С.; Сорокин А.Е.; Лонский С.Л.; Куршев Е.В.; Ходырев Н.А.; Чудосай Ю.В. Аддитивные технологии: настоящее и будущее. Материалы IV Международной конференции.