Tất tần tật về 5 nhóm vật liệu in 3D kim loại

Công nghệ in 3D phát triển kéo theo vật liệu in 3D cũng ngày càng trở nên đa dạng, phong phú. Nhiều vật liệu kim loại trong số này có thể khó chế tạo hoặc rất đắt đỏ nếu sử dụng các phương pháp sản xuất truyền thống, nhưng lại rất phù hợp để in 3D với các đặc tính vật liệu độc đáo chuyên dùng cho các hoạt động có giá trị vận hành cao. Cùng tham khảo bài viết này để tìm hiểu về 5 nhóm vật liệu phổ biến nhất trong in 3D kim loại: Thép, siêu hợp kim, titan, đồng và nhôm với các thuộc tính, cách sử dụng, ưu nhược điểm của từng loại cụ thể.

Thép

Thép là kim loại phổ biến nhất được sử dụng trong in 3D. Với đặc tính vật liệu tuyệt vời, linh hoạt, được sử dụng rộng rãi trong cơ khí chính xác làm cho thép in 3D trở thành lựa chọn hàng đầu để tạo ra các chi tiết, bộ phận chất lượng cao.

Hầu hết các kim loại thép có thể in được, nhưng có 2 loại sử dụng phổ biến nhất là thép không gỉ và thép công cụ (Thép công cụ đắt hơn và khó chế tạo thông thường).

Thuộc tính tích cực:

• Độ bền và độ cứng cao
• Đặc tính vật liệu phong phú
• Có thể xử lý nhiệt

Thép không gỉ

Thép không gỉ là loại thép cứng, mạnh, có khả năng chống ăn mòn tốt do chứa nhiều hàm lượng Crom (ít nhất 12%, thường lên đến 18%). Hai loại thép không gỉ thường được in là: Austenitic and Martensitic.

• Thép không gỉ Austenitic – loại thép không gỉ phổ biến nhất, có khả năng chống ăn mòn, có thể gia công, hàn nhưng không thể xử lý nhiệt. 316L là thép không gỉ in 3D phổ biến được biết đến với khả năng chống ăn mòn vượt trội.
• Thép không gỉ Martensitic cứng hơn nhiều so với thép Austenitic, nhưng giòn hơn và ít chống ăn mòn. 17-4 PH là thép không gỉ Martensitic có thể được xử lý nhiệt để phù hợp với nhiều đặc tính vật liệu khác nhau và được sử dụng rộng rãi
  trong suốt quá trình sản xuất.

Thép công cụ

Thép công cụ được đặt tên theo ứng dụng chính của chúng – công cụ ứng dụng trong mọi lĩnh vực. Thép công cụ chứa carbide – một hợp chất cực kỳ cứng, rất quan trọng đối với khả năng cắt, mài, dập, tạo khuôn hoặc tạo hình. Bên cạnh đặc tính cứng, thép công cụ còn có khă năng chống mài mòn và nhiều loại có thể sử dụng được ở nhiệt độ cao. Ba loại thép công cụ được in 3D phổ biến nhất là thép công cụ dòng A, dòng D và dòng H.

• Thép công cụ dòng A là loại có thể gia công, cân bằng giữa khả năng chống mài mòn và độ dẻo dai. Có tám loại thép công cụ dòng A, trong đó phổ biến nhất là thép công cụ A2 . Đó là một loại thép công cụ gia công nguội, đa năng, thường được sử dụng để chế tạo đột dập và khuôn dập, cũng như nhiều ứng dụng khác.
• Thép công cụ dòng D được tối ưu hóa để chống mài mòn. Chúng không đặc biệt cứng và chỉ được sử dụng cho các ứng dụng gia công nguội. Loại phổ biến nhất trong dòng D là thép D2 , một loại thép công cụ gia công nguội được sử dụng cho tất cả các loại dụng cụ cắt, từ lưỡi dao đến dụng cụ cắt công nghiệp.
• Thép công cụ dòng H cắt và định hình vật liệu ở nhiệt độ cao. H13 là thép công cụ gia công nóng in 3D phổ biến nhất. Sự kết hợp của độ bền kim loại in 3D, độ dẻo dai, khả năng chống mài mòn và khả năng chịu nhiệt làm cho nó trở thành một loại thép công cụ tốt, được tối ưu hóa để sử dụng ở nhiệt độ cao.

Kẹp thép không gỉ in 3D

Siêu hợp kim

Công nghệ in 3D kim loại tạo sự khác biệt nhờ khả năng chế tạo các hợp kim có giá trị cao với chi phí tương đối thấp. Nếu sản xuất bằng phương pháp gia công truyền thống thường khó khăn và tốn kém thì in 3D cho phép các công ty sản xuất các chi tiết, bộ phận hiệu suất cao với chi phí hợp lý hơn. Siêu hợp kim hoạt động mạnh trong môi trường khắc nghiệt như nơi có nhiệt độ cao, hóa chất ăn mòn hoặc cả hai. Mặc dù có nhiều siêu hợp kim có thể in được, nhưng 2 nhóm siêu hợp kim phổ biến nhất là Inconel và Cobalt Chrome.

Thuộc tính tích cực:

• Tính chất cơ học tuyệt vời
• Chống nóng
• Ổn định bề mặt tốt
• Chống ăn mòn
• Tương thích sinh học (chỉ Chrome Cobalt)

Inconel

Nhóm hợp kim niken độc quyền phổ biến nhất là Inconel . Vật liệu cực kỳ bền, cứng và chống ăn mòn này được sử dụng trong tuabin, động cơ và tên lửa. Hai loại được sử dụng nhiều nhất trong in 3D là Inconel 718 – mạnh hơn, cứng hơn và Inconel 625 – chịu nhiệt tốt hơn . Cả hai đều đắt tiền đối với máy móc thông thường, làm cho in 3D trở thành một giải pháp thay thế hiệu quả về chi phí.

Cobalt Chrome

Siêu hợp kim này được biết đến với khả năng tương thích sinh học, tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao và khả năng chống ăn mòn; về cơ bản nó là một phiên bản Titanium cao cấp hơn, dày đặc hơn, đắt hơn. Giống như Inconel, Cobalt Chrome được sử
dụng trong tuabin và các môi trường khắc nghiệt nhưng cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng y tế mà Inconel không phù hợp, bao gồm cấy ghép chỉnh hình và nha khoa.

Các bộ phận Inconel in 3D được đánh giá cao về khả năng chịu nhiệt độ cao

Titan

Mặc dù không phải là vật liệu phổ biến được sử dụng trong chế tạo thông thường, nhưng tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng và giá thành cao (cả chi phí vật liệu và chi phí gia công) của Titan khiến nó trở thành một lựa chọn tuyệt vời cho in 3D. Titan thường được in dưới hai dạng khác nhau: Hợp kim Titan và Titan tinh khiết (được gọi là CP Ti).

Thuộc tính tích cực:

• Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng
• Chống nóng
• Kháng hóa chất
• Tương thích sinh học (phụ thuộc vào quá trình và hợp kim)

Hợp kim

Titan đạt được chất lượng cơ học tốt nhất khi được hợp kim hóa với các kim loại khác. Hợp kim titan phổ biến nhất là Ti64 (Ti-6Al-4V) – một vật liệu cứng hơn và ít đặc hơn 40% so với thép không gỉ 17-4 PH. Nó thể hiện ưu điểm vượt trội trong môi trường ăn mòn và nhiệt độ cao. Những đặc điểm này khiến nó trở thành lựa chọn hàng đầu trong các ngành công nghiệp hạng nặng như máy bay hàng không và các phương tiện hiệu suất cao.

Titan tinh khiết (CP Ti)

Titan nguyên chất không mạnh bằng hầu hết các hợp kim titan, nhưng nó có tính tương thích sinh học cao. Nó được sử dụng để chỉnh hình và các ứng dụng y tế tương tự.

Các bộ phận titan in 3D thường được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và ô tô, nơi có trọng lượng thấp và độ bền cao được đánh giá cao

Đồng

Đồng thể hiện một giá trị hoàn toàn độc đáo trong số các vật liệu kim loại có thể in 3D – đồng được sử dụng để dẫn nhiệt và dẫn điện thay vì các đặc tính cơ học của nó. In 3D kim loại cho phép các kỹ sư tạo ra các bộ phận bằng đồng được tối ưu hóa về mặt hình học như tản nhiệt, tay hàn, lõi dẫn điện với chi phí thấp hơn nhiều. Ngày nay chỉ có một số hệ thống có khả năng in bất kỳ phiên bản nào của đồng. Đồng có thể được in ở dạng nguyên chất hoặc phổ biến hơn là ở dạng hợp kim.

Thuộc tính tích cực:

• Dẫn điện
• Dẫn nhiệt
• Chống ăn mòn
• Dễ uốn

Đồng nguyên chất

Đồng nguyên chất có khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện tốt nhất so với bất kỳ hợp kim đồng nào. Tuy nhiên, do độ dẫn điện và độ phản xạ laser cao , đồng không tương thích với các hệ thống dựa trên laser tiêu chuẩn. Đồng nguyên chất chỉ có trên máy đùn bột Bound.

Hợp kim đồng

Hợp kim đồng thường chứa 1-2% các nguyên tố hợp kim, điều này làm cho nó có thể in được trên một số máy Powder Bed Fusion. Những hợp kim này có tính dẫn điện tương đối , là những lựa chọn kém hơn so với đồng nguyên chất. Một ví dụ về hợp kim đồng có thể in được là C18150 – một hợp kim với crom và kẽm.

Đồng nguyên chất in 3D được đánh giá cao về khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện, đồng thời được sử dụng cho các bộ phận máy tính như tản nhiệt

Nhôm

Nhôm được sử dụng trong một số máy in 3D kim loại, được nhìn thấy trong in 3D ít hơn nhiều so với các quy trình sản xuất thông thường. Sự khan hiếm của các chi tiết, bộ phận kim loại nhôm in 3D là do 2 yếu tố: Khả năng in thấp và chi phí thấp khi chế tạo truyền thống.

Hầu hết các hợp kim nhôm phổ biến – như 6061 và 7075 – không được in. Thay vào đó, các máy Powder Bed Fusion in nhôm thường in các loại nhựa cao su đúc, mềm hơn. Các hợp kim này chứa tới 12% Silic tính theo trọng lượng và có tính chất cơ học kém hơn.

Thuộc tính tích cực:

• Nhẹ
• Bền chặt
• Dễ uốn
• Các lựa chọn thay thế cho nhôm trong in 3D

Các công ty quan tâm đến các bộ phận bằng nhôm in 3D nên xem xét sản xuất bồi đắp bằng phương pháp in 3D sợi carbon của Markforged – có thể tạo ra các bộ phận có độ bền tương đương với nhôm 6061-T6 , đồng thời cung cấp các đặc tính vật liệu nâng cao như độ cứng, khả năng chống va đập, chịu nhiệt và độ bền. Hơn nữa, so với nhôm 6061,
sản xuất sợi carbon gia cố cung cấp tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng được cải thiện đáng kể, đặc biệt thích hợp đối với một số ứng dụng hiệu suất cao nhất định trong các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ và ô tô.

Trên đây là 5 nhóm vật liệu in 3D kim loại phổ biến. Hy vọng có thể đem lại cho quý khách nhiều kiến thức bổ ích.