Объяснение 3D-печати металлом: используемые материалы, процесс, преимущества и области применения

К: HDCMFG
12 октября 2024 г.

Что такое 3D-печать металлом?

3D-печать металлом, также известная как аддитивное производство, меняет подход отраслей к производству.

Вместо традиционных субтрактивных методов, когда для формирования детали материал отрезается, 3D-принтер по металлу создает объекты слой за слоем из металлических порошков.

Такой подход не только минимизирует отходы, но и позволяет создавать сложные конструкции, которые было бы невозможно или дорого реализовать с помощью традиционных методов.

Представьте себе создание индивидуальных аэрокосмических компонентов или медицинских имплантатов, адаптированных под индивидуальные потребности, без необходимости в дорогостоящем оборудовании. Это не просто более быстрый процесс; это более эффективный и гибкий способ производства высокопроизводительных деталей.

Материалы и их формы, используемые в 3D-печати металлом

Основным материалом, используемым в 3D-печати металлом, является мелкий металлический порошок, включающий такие металлы, как титан, нержавеющая сталь, алюминий, инконель и различные сплавы. Эти порошки производятся с помощью таких процессов, как газовое распыление, плазменный вращающийся электрод или механическое легирование.

При газовом распылении расплавленный металл разбивается на мелкие частицы с помощью высокоскоростного газа, что обеспечивает однородность и высокую чистоту порошка. Мелкий и постоянный размер частиц имеет решающее значение для точного нанесения слоев и высококачественной печати.

Например, титан широко используется в аэрокосмической и медицинской промышленности из-за его превосходного соотношения прочности к весу и коррозионной стойкости. Нержавеющая сталь ценится за свою прочность и коррозионную стойкость, в то время как алюминий предпочитают за его легкость. Инконель, суперсплав на основе никеля, исключительно хорошо работает в условиях высоких температур и экстремальных условий.

Цифровой дизайн в 3D-печати по металлу

В 3D-печати по металлу цифровое проектирование имеет решающее значение для послойного строительства. Процесс включает следующие этапы:

Создание 3D-модели: Инженеры начинают с проектирования детали с использованием Программное обеспечение САПР например AutoCAD, SolidWorks или Fusion 360. Эта модель содержит все необходимые детали и спецификации.
Разбиение модели: После завершения модели она обрабатывается с помощью программное обеспечение для нарезки который разбивает 3D-модель на тонкие 2D-сечения или слои, которые необходимы для 3D-печати.
Создание печатных файлов: Разрезанная модель сохраняется в таких форматах, как СТЛ или же ОБЖ, которые считывает принтер. Эти файлы содержат все геометрические данные, необходимые для печати.

Как работает 3D-печать металлом (процесс)

Если взять в качестве примеров селективное лазерное плавление (SLM) и прямое лазерное спекание металла (DMLS), то 3D-печать металла включает в себя сплавление металлического порошка слой за слоем с помощью лазера. Процесс включает в себя следующие основные этапы:

Меры по борьбе с окислением: Процесс печати происходит в герметичной камере, заполненной инертными газами, такими как аргон или азот, для предотвращения окисления. Уровень кислорода поддерживается ниже 1000 ppm, а непрерывный поток газа удаляет остаточный кислород и пары. Металлический порошок хранится и обрабатывается осторожно, чтобы избежать воздействия воздуха и влаги.
Порошковое нанесение слоев: Тонкий слой мелкодисперсного металлического порошка (толщиной 20–100 микрон) равномерно распределяется по рабочей платформе.
Селективный лазерный синтез: Мощный лазер выборочно сплавляет металлический порошок в соответствии с цифровой моделью, образуя сплошные слои.
Послойное строительство: Платформа для сборки опускается после нанесения каждого слоя, и наносится новый порошок, при этом лазер сплавляет каждый слой с предыдущим.

После завершения печати готовая деталь остается прикрепленной к платформе сборки, окруженная рыхлым, нерасплавленным металлическим порошком в камере сборки, который необходимо аккуратно удалить.

Основные методы 3D-печати по металлу

3D-печать по металлу предлагает ряд сложных технологий, таких как:

Селективное лазерное плавление (SLM) использует мощный лазер для полного расплавления металлического порошка слой за слоем, производя детали с исключительной плотностью и прочностью. Этот метод обеспечивает высококачественные, долговечные результаты.
Прямое лазерное спекание металлов (DMLS), хотя и похож на SLM, отличается тем, что спекает металлический порошок без его полного расплавления. Такой подход позволяет создавать сложные, детальные конструкции, что делает его высокоточным и универсальным.
Электронно-лучевая плавка (ЭЛП) использует электронный луч в вакууме для плавления металлического порошка. Его вакуумная среда минимизирует загрязнение, что делает его особенно подходящим для работы с передовыми материалами, такими как титановые или никелевые сплавы.
Струйное нанесение связующего использует другой подход, используя жидкое связующее для склеивания частиц металлического порошка. Хотя детали требуют последующей обработки, этот метод быстрее и более экономичен, особенно для крупномасштабных производственных циклов.

Точность, достижимая при 3D-печати металла

3D-печать по металлу обеспечивает высокий уровень точности, что делает ее идеальной для производства сложных, детализированных деталей. Типичная точность размеров составляет ±0,1 мм в зависимости от метода и используемого материала.

Толщина слоя, которая может составлять от 20 до 100 микрон, играет важную роль в определении качества поверхности и детализации.

На конечную точность также влияют такие факторы, как качество металлического порошка, настройки лазера и методы последующей обработки.

Преимущества 3D-печати по металлу

Гибкость дизайна: 3D-печать по металлу позволяет создавать сложные геометрические формы, изготовление которых традиционными методами невозможно или требует больших затрат.
Эффективность использования материалов: В отличие от субтрактивных методов, при 3D-печати по металлу используется только тот материал, который необходим для каждой детали, что сводит к минимуму отходы и снижает производственные затраты.
Более быстрое прототипирование: 3D-печать обеспечивает быстрый переход от цифровых проектов к физическим прототипам, сокращая время разработки и позволяя быстрее выполнять итерации проектирования.
Настройка: Эта технология отлично подходит для производства индивидуальных, единичных деталей без необходимости использования сложной оснастки, что делает ее идеальной для мелкосерийного производства и изготовления индивидуальных компонентов.
Прочность и металлические свойства: Такие методы, как SLM и DMLS, полностью расплавляют или спекают металлические порошки, что приводит к получению плотных, высокопрочных деталей. Эти детали часто работают так же хорошо, или даже лучше, чем детали, произведенные ковкой или литьем.

Ограничения 3D-печати по металлу

Одной из основных проблем является высокая стоимость оборудования и материалов, что делает его менее доступным для небольших стартапов или индивидуальных любителей. Хотя многие компании предлагают индивидуальные услуги по 3D-печати металлом, цены все еще могут быть для них непомерно высокими.

Кроме того, размер печати ограничен камерой принтера, что не позволяет производить детали большего размера.

Для достижения желаемой точности и эстетики поверхность часто требует последующей обработки.

Кроме того, ассортимент доступных материалов уже по сравнению с традиционным производством, а процесс может быть медленнее при крупносерийном производстве по сравнению с такими методами, как литье или механическая обработка.

Новые разработки в области 3D-печати по металлу

Последние достижения в области 3D-печати по металлу выходят за рамки привычного.

Гибридное производство сочетает 3D-печать с обработкой на станках с ЧПУ, повышая точность и эффективность.

Многокомпонентная печать теперь позволяет использовать различные металлы в одной детали, открывая новые возможности дизайна.

Более высокая скорость печати и улучшенное программное обеспечение делают крупномасштабное производство более осуществимым. Кроме того, расширенные размеры сборки позволяют нам создавать более крупные и сложные компоненты, чем когда-либо прежде.

Применение 3D-печати по металлу

Аэрокосмическая промышленность

3D-печать металлом идеально подходит для создания легких, сложных деталей, таких как лопатки турбин и компоненты двигателей, которые должны выдерживать высокие нагрузки и температуры.

Автомобильный

Он используется для быстрого прототипирования, что позволяет ускорить итерации дизайна. Также производятся индивидуальные высокопроизводительные детали, такие как компоненты двигателя и выхлопные системы.

Медицинский

3D-печать по металлу позволяет изготавливать индивидуальные имплантаты и хирургические инструменты, точно соответствующие анатомии пациента, что обеспечивает улучшенные результаты.

Инструменты и формы

Он оптимизирует производство прочной и точной оснастки, сокращая сроки выполнения производственных процессов.

Промышленное оборудование

Прецизионные металлические детали повышают производительность и долговечность оборудования, что делает 3D-печать по металлу бесценной в сложных промышленных условиях.

Ведущие бренды и цены на 3D-принтеры по металлу

Два ведущих бренда в отрасли 3D-печати по металлу: ЭОС а также Ренишоу, обе известные своей передовой технологией и надежностью. Давайте подробнее рассмотрим две их типичные модели, включая технические характеристики и цены.

ЭОС М 290
EOS M 290 — это промышленный металлический 3D-принтер высшего класса, известный своей точностью и надежной производительностью. Он имеет объем печати 250 x 250 x 325 мм и использует лазер мощностью 400 Вт для производства высокоточных деталей. Эта модель поддерживает широкий спектр металлов, включая титан, нержавеющую сталь и алюминий.
Цена: Примерно $700,000.
Renishaw RenAM 500Q
RenAM 500Q от Renishaw разработан для высокоскоростной многолазерной печати по металлу, что делает его одним из самых эффективных принтеров на рынке. Он обеспечивает объем печати 250 x 250 x 350 мм, а его система Quad-Laser значительно сокращает время печати, сохраняя при этом первоклассное качество. Этот принтер поддерживает такие материалы, как титан и Inconel, которые идеально подходят для таких требовательных отраслей, как аэрокосмическая и медицинская.
Цена: Примерно $750,000.

Вывод

3D-печать по металлу обеспечивает непревзойденную гибкость дизайна, эффективность материалов и настройку, что делает ее переломным моментом для таких отраслей, как аэрокосмическая и медицинская. Несмотря на такие проблемы, как высокие затраты и ограничения по размеру, достижения в области технологий быстро улучшают ее возможности. По мере развития 3D-печати по металлу она будет продолжать играть важную роль в современном производстве, обеспечивая точность и инновации для широкого спектра приложений.