3D metaalprinten | 5 min Leestijd

De materiaaleigenschappen van binderjet-onderdelen

Dennie Rijk
26-09-22

De binderjet-technologie die aan de basis ligt van de Shop- en Production-systemen van Desktop Metal biedt velerlei voordelen voor fabrikanten. Zo kan men snel zonder gereedschap complexe onderdelen produceren om fijne details te creëren, of honderden of zelfs duizenden onderdelen in één enkele printgang printen zonder dat er gereedschap voor nodig is. De bevindingen die we graag delen zijn overduidelijk: binderjet-onderdelen bieden veel voordelen voor de metaalverwerkende industrie. In deze blog vertellen wij je hier meer over.

Materiaaleigenschappen van binderjet-onderdelen

De materiaaleigenschappen van de onderdelen zelf zijn misschien wel het belangrijkst. Beide systemen printen onderdelen die voldoen aan de ASTM-normen (American Society for Testing and Materials) en de MPIF-normen (Metal Powder Industries Federation), of deze zelfs overtreffen. Zeker voor wat betreft de voornaamste kenmerken zoals sterkte, vervormbaarheid en hardheid. Dit maakt ze ideaal voor allerlei toepassingen: van juwelenfabricage tot de zware industrie.

Het bereiken van deze onovertroffen eigenschappen is mogelijk omdat de verdichtingstechnologie die door zowel het Shop- als het Production-systeem wordt gebruikt, is gebaseerd op de gevestigde en goed begrepen processen die in de conventionele poedermetallurgie en vooral bij het spuitgieten van metaal (MIM) worden gebruikt.

De MIM-basis van binderjetting is essentieel, omdat het de vorm van de onderdelen loskoppelt van hun metallurgie. Onderdelen worden gevormd op de printer met poeders die gemakkelijk verkrijgbaar zijn door hun overeenkomsten met gas-geatomiseerde MIM-poeders. De onderdelen worden vervolgens gebonden en verdicht tijdens het sinteren, net als MIM-onderdelen. Zo kunnen fabrikanten vrijwel elke geometrie creëren, met uitstekende eigenschappen voor de resulterende onderdelen.

Production_System_XYZ_microstructures-Desktop-min[Isotropische microstructuur]
17-4PH geprint op het Production System

De scheiding tussen de wijze waarop de onderdelen worden gevormd en hun metallurgie is een belangrijk onderscheid ten opzichte van andere 3D-printbenaderingen, met name op laser gebaseerde metaalsystemen.

Deze systemen gebruiken lasers met een hoog vermogen om metaalpoeder te smelten, waarbij sporen van de vormingsmethode worden achtergelaten. De korrelstructuur van poedersmeltdelen heeft vaak een korreltextuur als gevolg van de directionele stolling van het onderdeel. Verder kunnen de herhaalde opwarmings- en afkoelingscycli en de temperatuurgradiënt over een onderdeel ook een enorme invloed hebben op de mechanische eigenschappen van het onderdeel. Ook kunnen ze aanleiding geven tot restspanningen die zowel de dimensionale als de mechanische eigenschappen kunnen beïnvloeden. Legeringen die faseovergangen ondergaan (zoals de overgang van austeniet naar ferriet in koolstof- en gereedschapsstaal) kunnen bijzonder hoge restspanningen en vervormingen vertonen als een deel van het onderdeel zich onder de overgangstemperatuur bevindt terwijl een ander deel zich boven de overgangstemperatuur bevindt. Om dit tegen te gaan, zijn voor poederbedfusie-onderdelen vaak spanning-reducerende processen nodig om de opgebouwde spanningen in het onderdeel als gevolg van dit niet-uniforme temperatuurproces te reduceren.

In vergelijking worden binderjet-onderdelen tijdens het sinteren gelijkmatig verhit en afgekoeld, waardoor een veel homogenere structuur ontstaat die vrij is van restspanningen. Een dwarsdoorsnede van een onderdeel toont een uniforme korrelgrootte en vorm, ongeacht de richting. De mechanische eigenschappen in X-Y-Z kunnen zeer uniform zijn, zoals blijkt uit onderstaand figuur. Deze staven zijn getest met bewerkte oppervlakken.

Mechanical-Properties-of-17-4PH-from-the-DM-Production-System_wh-01-min[Mechanische eigenschappen]
17-4PH van het Production System

Sterkte en vervormbaarheid van binderjetting-onderdelen

Twee belangrijke kenmerken voor eindgebruiksonderdelen, sterkte en vervormbaarheid, zorgen ervoor dat de onderdelen niet alleen bestand zijn tegen de krachten waaraan ze worden blootgesteld, maar - indien gewenst - ook elastisch kunnen vervormen (trek en buiging) alvorens te bezwijken.
Shop-17-4-Material-Properties-no-background-min[Materiaaleigenschappen]
In tests overtreffen zowel gesinterd als warmtebehandeld binderjet-gespoten 17-4PH roestvast staal de MPIF-normen.

Shop-17-4-Stress-Strain-no-background-min[Elasticiteit]
Desktop Metal binder-jetted 17-4PH vertoonde met name aanzienlijk meer elasticiteit dan metalen spuitgietonderdelen. Die vervormbaarheid kan uiterst voordelig zijn voor diverse toepassingen.

De metalen ringen in een parachute zijn een goed voorbeeld van waarom beide kenmerken essentieel zijn voor metalen onderdelen. Uiteraard moeten ze sterk genoeg zijn om de krachten van het openen van de parachute en het gewicht van de drager te kunnen weerstaan. De vervormbaarheid geeft de ringen bij grotere spanningen echter meer rek. Zo kunnen de ringen onder extremere omstandigheden worden gebruikt.

Ductility-example-Parachute-harness-rings-min[Voorbeeld van vervormbaarheid]
Harnasringen van een parachute

Meer weten over 3D metaalprinten?

Lees nu ons nieuwste Ebook!

Download nu

Verschillende tests

Wetenschappers van Desktop Metal hebben een grote verscheidenheid aan onderdelen geprint om de eigenschappen van onderdelen uit het Shop- en Production-systeem te testen.

Deze onderdelen werden vervolgens gesinterd met behulp van een aantal verschillende soorten sinterovens. Enkele geteste sinterovens waren:

  • Metalen hotzone sinteroven - Vaak de duurste ovenarchitectuur per onderdeel, maar kan soms hogere dichtheden en corrosiebestendigheid opleveren. De resultaten van 2 ovenfabrikanten worden getoond.
  • Grafiet hotzone sinteroven - Minder duur dan metalen hotzones. Deze sinterovens bieden de flexibiliteit van batch-processen en geven vaak gunstige eigenschappen in MIM 17-4PH, koolstofstaal en gereedschapsstaal.
  • DM Studio sinteroven - Het DM Shop System maakt gebruik van de betaalbare DM Studio System-sinteroven

De tests toonden aan dat zowel voor wat de vloeigrens, de treksterkte als de rek betreft, het met binderjet-gespoten 17-4PH roestvrij staal goed presteerde vergeleken met de norm voor MIM-onderdelen.
Yield-Strength-and-UTS-of-DM-17-4PH-in-the-H900-condition_wh-01-min[Rekgrens en treksterkte]
17-4PH geprint op het Shop System en Production-systeem en warmtebehandeld (H900).

Hardness-and-Elongation-of-DM-17-4PH-in-the-H900-condition_wh-01-min[Hardheid en rek]
17-4PH geprint op het Production System en warmtebehandeld (H900).

De warmtebehandeling en hardheid van binderjetting-onderdellen

Vele toepassingen, vooral productiegereedschap zoals matrijsinzetten, plaatmetaalgereedschap en extrusiematrijzen, vereisen onderdelen met een hoge hardheid om te waarborgen dat de onderdelen bestand zijn tegen herhaald gebruik.

Voor een hoge hardheid ondergaan veel materialen een warmtebehandeling - een proces waarbij onderdelen worden verhit tot een hoge temperatuur (opgelost of austenitisch), afgekoeld tot kamertemperatuur (afschrikken), en vervolgens opnieuw worden verhit tot een tussentemperatuur (verouderen of temperen). Voor sommige materialen, waaronder 17-4PH, produceert deze cyclus een microstructuur van zeer fijne precipitaten in de metaalmatrix, die het materiaal na het verouderingsproces versterkt en verhardt. Voor koolstofstaal, waaronder 4140, produceert de cyclus na de schrikhandeling een zeer harde en brosse microstructuur. Dit noemt men martensiet. De ontlatingsstap wordt gebruikt om de hardheid ietwat te verminderen en verhoogt de taaiheid door vorming van microscopische carbide deeltjes.

Bij 17-4PH wordt het H900-proces gebruikt wanneer een hoge hardheid gewenst is. In deze cyclus krijgt het materiaal gedurende ten minste één uur een oplossingsbehandeling bij 1.038ºC, waardoor alle koperatomen in de matrix oplossen. Daarna worden de onderdelen uit de sinteroven gehaald en door de lucht afgekoeld tot kamertemperatuur. De afkoeling moet snel genoeg gebeuren zodat er tijdens het afkoelen geen koperneerslag ontstaat. Daarna worden de onderdelen gedurende 1 uur opnieuw verhit of verouderd bij 482ºC. Vanaf de verouderingstemperatuur is luchtkoeling voldoende. Tijdens het verouderen vormen zich fijn verspreide, microscopisch koperrijke precipitaten die het onderdeel verharden. Voor dikke onderdelen kan, indien nodig, een intensievere koeling worden gebruikt, zoals afschrikken met olie, om de onderdelen vanaf de oplossingstemperatuur af te koelen.

Bij koolstofstaal, zoals 4140, wordt het materiaal bij ongeveer 855ºC lang genoeg geaustenitiseerd om alle koolstof in het austeniet op te lossen. Voor dunne onderdelen (van 6 mm dik of dunner) duurt dit slechts 20 minuten. De delen worden dan rechtstreeks in een geschikt koelmedium afgekoeld middels een water-, olie- of polymeer-afschrikmiddel. Koeling door de lucht gaat niet snel genoeg.

Waterkoeling wordt meestal alleen gebruikt voor eenvoudige vormen, omdat de koelsnelheid zo hoog is dat het onderdeel kan vervormen. Tijdens het afschrikken ondergaat het materiaal een martensitische fasetransformatie, die het materiaal verhardt door de opbouw van zeer hoge plaatselijke spanningen binnen de microstructuur. Na afkoeling zijn de onderdelen het hardst, maar ook bros. Bij het temperen worden de onderdelen opnieuw verhit tot een temperatuur boven kamertemperatuur. Tijdens het temperen slaan de koolstofatomen neer om zeer kleine metaal-carbidedeeltjes te vormen en worden de hoge lokale spanningen gedeeltelijk ontspannen. De keuze van de ontlaattemperatuur en -tijd beïnvloedt de grootte van de precipitaten en de mate van spanningsrelaxatie.

Onderdelen die met binderjet zijn gespoten, kunnen net als conventioneel vervaardigde onderdelen een warmtebehandeling ondergaan en reageren op normale warmtebehandelingsprocessen. Het effect in 17-4PH en 4140 warmtebehandelingen wordt hieronder getoond. Voor 17-4PH wordt de gesinterde hardheid (HRC) getoond voor sinteren in 2 verschillende sinterovens, een grafieten hotzone sinteroven met een 2 bar quench, en een metalen hotzone H2-capabele sinteroven. Er is een klein verschil in de sinterhardheid tussen beide ovens. Beide materiaalreeksen vertonen echter een sterke verhardingsreactie en resulteren na het H900 proces in een zeer vergelijkbare hardheid. Voor 4140 is de gesinterde hardheid sterk afhankelijk van de afkoelsnelheid. Beide ovens kunnen niet snel genoeg afkoelen om een metallurgische quench uit te voeren, dus tonen wij de hardheid in drie condities na volledig uitgloeien, na afschrikken in een polymeer-gebaseerd afschrikmiddel en na ontlaten bij 200ºC gedurende 1 uur. De niet afgeschrikte hardheid is vrij goed en het temperen reduceert de hardheid tot iets boven de MPIF 35 typische specificatie van 46 HRC.

Net als bij de sterkte- en vervormbaarheidstests hebben de materiaalwetenschappers van Desktop Metal binderjet-onderdelen getest in een groot aantal typen sinterovens. De resultaten lieten in elke testconditie sterke reacties zien.

DM-Binder-Jetting-Hardness-Values-wh-01-min[Hardheid]
17-4PH geprint op het Production System

Corrosie-eigenschappen en scheikunde

Veel metalen onderdelen moeten in zware en corrosieve omstandigheden functioneren. Corrosiebestendigheid is dus van belang.

Eén van de belangrijkste manieren waarop fabrikanten corrosiebestendigheid verhogen is door het koolstofgehalte te verminderen. Het Shop-systeem bewerkstelligt dit door vacuümsinteren.

In tests toonden de binderjetted 17-4PH-onderdelen lagere koolstofniveaus - en dus een hogere corrosieweerstand - dan de 17-4PH-norm, en doorstonden ook de standaard kokend water- en de kopersulfaatcorrosie-test.

Corrosion-Properties-Binder-Jetting-Take3-resize-01-min

[Binder jetted 17-4PH | Corrosie-eigenschappen en scheikunde]

Dichtheid van de binderjet-onderdelen

Binderjet-onderdelen bereiken doorgaans ook een hoge dichtheid, vergelijkbaar met die van typische MIM-onderdelen. Hoge dichtheden zijn essentieel voor eindproducten met een lange levensduur.

Bij tests met verschillende soorten sinterovens blijkt dat de microstructuur van onderdelen die geprint zijn met het Shop- en Production-systeem visueel isotroop is en vergelijkbare poriënverdelingen, korrelgroottes en fasefracties vertoont.

Binder-Jetted-17-4PH_Density-Properties_wh-01-min[Dichtheidseigenschappen]
17-4PH geprint op het Production System

Samenvatting

Over het algemeen zijn de bevindingen duidelijk. Binderjet-onderdelen vertonen mechanische en materiaaleigenschappen die voldoen aan de ASTM/MPIF-normen of overtreffen deze normen zelfs, in lijn met - en soms beter dan - MIM onderdelen.

In combinatie met de voordelen van binderjet printen, waaronder de hoge snelheid van printen, lagere kosten per onderdeel en productie zonder gereedschap, is het duidelijk dat binderjet-technologie het potentieel heeft om een blijvende stempel te drukken op de metaalverwerkende industrie. Deze technologie kan de manier waarop miljoenen metalen onderdelen elk jaar worden gemaakt hervormen.

Vond je dit artikel interessant?

Krijg de nieuwste blogs direct in je mailbox door je hieronder in te schrijven.
Je geeft toestemming aan Layertec om je ingediende persoonlijke informatie op te slaan en te verwerken om je van de gevraagde informatie te voorzien.

Dennie Rijk

Wellicht ook interessant