Аддитивное производство металлов – одна из многочисленных отраслей аддитивного производства, ставшая революционной силой в современном производстве. Её часто называют 3D-печатью по металлу, и она находится на переднем крае высокоточной инженерии. В отличие от традиционных субтрактивных методов, 3D-печать по металлу создаёт объекты слой за слоем, сокращая количество отходов и открывая новые горизонты дизайна. От аэрокосмической отрасли до здравоохранения – эта технология широко применяется в различных отраслях промышленности благодаря её скорости и эффективности. Здесь мы рассмотрим, что такое аддитивное производство металлов, как оно работает, какие технологии используются, какие металлы используются, преимущества, сложности и области применения.
Содержание:
Что такое аддитивное производство металлов?
Аддитивное производство металлов — это процесс 3D-печати, при котором металлические детали соединяются путём послойного сплавления материала из файла 3D-модели CAD (системы автоматизированного проектирования). Этот процесс позволяет производителям производить лёгкие, прочные и сложные компоненты с минимальными отходами материала.
История 3D-печати металлами берет свое начало в конце 1980-х годов, когда два исследователя-первопроходца, доктор Карл Декард и доктор Джозеф Биман, подали заявку на патент на селективное лазерное спекание (SLS), что ознаменовало значительный рост аддитивного производства металлов. Другие исследователи продолжили совершенствовать и развивать различные методы 1986D-печати, что привело к экспоненциальному росту рынка.
Обзор рынка аддитивного производства металлов
Согласно последним исследованиям рынка, ожидается, что рынок аддитивного производства металлов вырастет на 18.66 млрд долларов США в период с 2024 по 2029 год. Это означает, что его среднегодовой темп роста (CAGR) составит 29.7%. Это обусловлено растущим спросом на такие технологии, как селективная лазерная плавка (SLM) и электронно-лучевая плавка (EBM). Кроме того, эти технологии широко применяются в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение и здравоохранение, в Северной Америке, Европе, на Ближнем Востоке, в Африке, Южной Америке и т. д.
Технологии аддитивного производства металлов
Существует несколько технологий 3D-печати металлом, каждая из которых подходит для разных сфер применения, уровней точности, материалов и масштабов производства. Понимание принципа работы каждого процесса крайне важно для выбора правильного метода для конкретного применения. Ниже представлены пять основных типов:
Fusion с порошковым покрытием (PBF)
Технология наплавки порошка в слое (Powder Bed Fusion, PBF) — один из наиболее распространённых методов аддитивного производства металлов. Суть метода заключается в нанесении тонкого слоя металлического порошка (обычно 15–45 мкм) валиком или устройством для нанесения покрытия и его выборочном сплавлении с помощью источника тепла (лазера или луча). Затем платформа опускается, и наносится следующий слой порошка, повторяя процесс в соответствии с данными 3D-модели до получения готовой детали.
Процесс происходит в инертной атмосфере, часто азоте или аргоне, что предотвращает окисление и обеспечивает целостность детали. PBF известен своей способностью создавать детали высокой детализации с превосходными механическими свойствами. Согласно международным стандартам (ISO), этот метод называется лазерным наплавлением порошка в слое (PBF-LB). Существует три основных варианта этой категории:
Прямое лазерное спекание металла (DMLS)
Прямое лазерное спекание металлов — это лазерный метод PBF, при котором используется мощный лазер для спекания частиц металлического порошка (обычно размером 15–45 мкм) путём нагревания их до температуры чуть ниже точки плавления с образованием твёрдого слоя. DMLS создаёт деталь слой за слоем непосредственно из цифрового файла в герметичной камере, заполненной инертным газом, например, аргоном или азотом, для предотвращения окисления во время плавления.
Этот процесс идеально подходит для производства деталей со сложной внутренней геометрией, мелкими деталями и жёсткими допусками. Обычно используются нержавеющая сталь, титановые сплавы, алюминий, суперсплавы на основе никеля и кобальт-хром. Он часто применяется в аэрокосмической, медицинской и промышленной оснастке, где точность имеет решающее значение.
Преимущества и недостатки прямого лазерного спекания металлов
Наши преимущества
- Он производит высокодетализированные и точные детали.
- Этот процесс отлично подходит для тонких внутренних деталей и решетчатых структур.
- Он производит детали с плотностью и прочностью
Недостатки бонуса без депозита
- DMSL требует опорных конструкций для свесов
- Для финишной обработки поверхности часто требуется этап постобработки.
- Он ограничен относительно небольшими объемами сборки.
Селективное лазерное плавление (SLM)
Технология SLM аналогична технологии DMLS: металлический порошок полностью расплавляется, образуя сплошную и плотную структуру в соответствии с файлом CAD. Процесс начинается с разрезания набора данных на слои (обычно толщиной 20–60 мкм), каждый из которых формирует поперечное сечение компонента. На конструкцию наносится слой порошка, лазер сканирует поперечные сечения и расплавляет порошок в этих областях.
Производимые детали обладают превосходной механической прочностью, что позволяет использовать их в авиакосмических двигателях, ортопедических имплантатах и конструкционных элементах автомобилей. В качестве основных материалов используются титан, алюминий и нержавеющая сталь.
Преимущества селективной лазерной плавки
- SLM позволяет производить детали с превосходными механическими свойствами
- Считается очень подходящим для несущих компонентов.
- Он обеспечивает большую геометрическую свободу.
- Свойства компонентов можно улучшить с помощью SLM.
Недостатки селективной лазерной плавки
- Он более чувствителен к термическим нагрузкам и деформации.
- Необходимость в большем количестве энергии может увеличить время и стоимость строительства.
- Требуется точный контроль параметров лазера и траекторий сканирования.
Электронно-лучевая плавка (ЭЛП)
В технологии ЭЛП для плавления металлического порошка в вакуумной камере используется электронный луч вместо лазера. Электронно-лучевая плавка Процесс происходит при высоких температурах, поэтому размер частиц больше, а слои толще (50–120 мкм), что повышает скорость печати. В этом процессе поток электронов, направляемый магнитным полем, плавит порошкообразный материал слой за слоем, формируя трёхмерный объект в соответствии с CAD-моделью.
Производимые детали представляют собой прочные и лёгкие компоненты с превосходными свойствами материала, что делает их популярным выбором в аэрокосмической, оборонной и биомедицинской промышленности. В качестве материалов обычно используются титановые сплавы, сплавы на основе никеля, кобальт-хромовые сплавы и т. д.
Преимущества и недостатки электронно-лучевой плавки
Наши преимущества
- Это быстрее, чем SLM
- Уменьшено остаточное напряжение
Минусы:
- Процесс требует высококвалифицированных операторов.
- Шероховатость поверхности обычно выше, чем у лазерных систем.
Струйная подача связующего для металлов
При методе струйной обработки методом Binder Jetting жидкое связующее вещество наносится на слой металлического порошка и склеивается слой за слоем. Процесс осуществляется путем нанесения мелких капель связующего вещества на слой порошка, затем на модель наносится новый слой порошка, а затем связующее вещество. Этот процесс повторяется слой за слоем до формирования нужной геометрии; излишки удаляются, а необработанная часть отправляется на постобработку (сначала удаление связующего вещества, затем спекание или инфильтрация).
Спекание нагревает деталь до температуры чуть ниже точки плавления для связывания частиц, а инфильтрация вводит вторичный металл (например, бронзу) для заполнения пустот в детали и получения плотной твёрдой массы. Струйное нанесение связующего используется при изготовлении ювелирных изделий, аксессуаров для киноиндустрии, запасных частей для армии, крупных литых стержней и форм для литья в песчаные формы. Наиболее распространённые материалы включают сталь, медь, титан, керамику и песок.
Преимущества струйной обработки связующего
- Обеспечивает высокоскоростную печать.
- Масштабируемость для массового производства
- Процесс экономически эффективен при использовании обычных металлических порошков.
Недостатки струйной обработки связующего
- Требует усадки при спекании.
- Механические свойства зависят от качества спекания
- Процесс может потребовать дополнительных этапов отделки.
Направленное депонирование энергии (DED)
В системе DED сфокусированный источник энергии (лазер, электронный луч или плазменная дуга) расплавляет металлический порошок или проволоку по мере их осаждения на поверхность. Некоторые системы DED являются гибридными, сочетая аддитивные и субтрактивные операции в одной машине для обеспечения необходимости последующей обработки.
Этот метод, как правило, отлично подходит для ремонта существующих деталей, добавления новых функций или производства крупногабаритных компонентов с формами, близкими к заданным. В качестве материалов используются титан, нержавеющая сталь и никелевые сплавы.
Плюсы:
- Совместим с широким спектром материалов.
- Гибридные опции поддерживают готовую обработку
Минусы:
- Отделка поверхности часто требует последующей обработки
- Геометрическая сложность ограничена из-за процесса прямой видимости.
- Имеет более низкое разрешение по сравнению с PBF
Экструзия материалов
Термопластичный материал, смешанный с металлическими частицами (нитью или пастой), продавливается через нагретое сопло и наносится в виде двухмерных слоёв, слой за слоем. Материал проходит этапы постобработки, такие как удаление связующего и спекание, для получения плотного твёрдого материала.
Экструзия материала Технология основана на методах экструзии полимеров (например, FDM), экономична и подходит для создания прототипов, производства функциональных деталей и мелкосерийного производства. В качестве материалов обычно используются полимеры и термопластики, такие как PTA, PETG, композиты, пластиковые гранулы, керамическая глина и т. д.
Плюсы:
- Системы компактны и удобны в использовании.
- Оборудование стоит дешевле, следовательно, ниже эксплуатационные расходы.
- Идеально подходит для образовательных, стоматологических и небольших производственных предприятий.
Минусы :.
- Требуется последующая обработка (удаление связующего/спекание).
- Варианты материалов ограничены.
- Механическая прочность может не соответствовать прочности деталей из PBF.
Ламинирование листов
Эта технология позволяет создавать трёхмерные объекты путём послойного склеивания металлических листов с помощью клея или ультразвуковой сварки. Каждый лист точно вырезается по форме перед соединением. Процесс осуществляется путём подачи листов на станок, послойного склеивания и одновременной резки в соответствии с 3D-моделью.
Листовая ламинация Основанный на таких технологиях, как LOM, SDL и UAM, этот процесс является быстрым, но экономичным. В качестве материалов используются листы бумаги, пластиковые плёнки и металлическая фольга; он подходит для создания прототипов, архитектурных моделей, учебных пособий, компонентов для аэрокосмической и автомобильной промышленности.
Преимущества и недостатки ламинирования листов
Преимущества:
- Производит мало отходов
- Он известен высокой скоростью печати.
- Этот процесс подходит для встраивания датчиков или проводки между слоями.
Минусы:
- К сожалению, он имеет более низкую механическую прочность.
- Производство ограничено простыми геометрическими формами.
- Требуется дополнительная обработка мелких деталей.
Металлы, используемые в аддитивном производстве
Выбор металла существенно влияет на механические свойства печатной детали, поэтому используемые металлы выбираются с учётом таких свойств, как коррозионная стойкость, прочность и пластичность. Среди популярных металлов:
Нержавеющая сталь
Он экономически эффективен, устойчив к коррозии и используется для создания функциональных прототипов или инструментов.
Титан
Его легкость и прочность отлично подходят для имплантатов в аэрокосмической и медицинской отрасли.
Алюминий
Он известен своим высоким соотношением прочности и веса, идеально подходящим для деталей автомобильной и аэрокосмической промышленности.
Инконель и никелевые сплавы
Он устойчив к воздействию тепла и коррозии, широко используется в турбинных двигателях и на химических заводах.
кобальт-хром
Его используют для изготовления стоматологических и ортопедических имплантатов, поскольку он очень биосовместим.
Преимущества аддитивного производства металлов
Свобода дизайна
Он позволяет создавать геометрии, которые невозможно создать традиционными методами, такие как внутренние каналы, решетчатые структуры, выточки, выступы и сложные кривые.
Быстрое Прототипирование
Он сокращает циклы разработки продукции, печатая полностью функциональные прототипы всего за несколько часов или дней, в отличие от недель, которые требуются при использовании традиционных методов.
Облегчение
Этот метод удаляет излишки материала и использует оптимизацию топологии для создания легких, конструктивно эффективных, чрезвычайно тонких деталей с прочными стенками.
Производство без инструментов
Он легко устраняет необходимость в пресс-формах и штампах, что особенно полезно при мелкосерийном производстве или изготовлении деталей по индивидуальному заказу.
Производство по требованию
Это сокращает запасы и обеспечивает распределенное производство, позволяя печатать детали там и тогда, где они нужны. Кроме того, можно легко вносить изменения в конструкцию по мере необходимости.
Материальная эффективность
Технология аддитивного производства из металла позволяет получать детали, форма которых близка к заданной, что значительно сокращает отходы материала по сравнению с механической обработкой.
Проблемы и ограничения
Высокие первоначальные затраты
Высокие эксплуатационные расходы обусловлены не только дороговизной 3D-принтеров и порошков для печати по металлу, но и необходимостью больших знаний и навыков.
Ограничения объема сборки
Многие системы имеют ограниченные размеры деталей, и их лучше использовать для производства небольших партий.
Проблемы с отделкой поверхности
Детали часто требуют последующей обработки (например, механической обработки, полировки), однако это во многом зависит от типа используемой технологии. Например, для DMLS потребуется обработка для снятия внутренних напряжений, возникающих при быстром нагреве и охлаждении.
Материальные ограничения
Не все металлы можно обрабатывать методом аддитивного производства.
Сертификационные требования
Такие критически важные отрасли, как аэрокосмическая и медицинская, требуют тщательного тестирования и проверки из-за возможных опасностей, таких как проблемы со здоровьем при контакте с кожей или вдыхании, при неправильном обращении.
Применение в аддитивном производстве металлов
Аэрокосмическая индустрия
- Лопатки турбин, кронштейны, теплообменники и детали ракетных двигателей.
- АМ снижает вес, снижает расход топлива и позволяет печатать детали как единое целое, что снижает количество точек отказа.
Здравоохранение
- Индивидуальные ортопедические имплантаты, зубные коронки и хирургические инструменты.
- Это позволяет разрабатывать индивидуальные решения для каждого пациента, улучшая посадку, комфорт и результаты.
Автомобильная
- Компоненты двигателя, индивидуальные выхлопные системы и теплообменники.
- Он используется в автоспорте и концепт-карах для деталей с высокими эксплуатационными характеристиками или прототипов.
Энергетика и промышленность
- Компоненты для нефтяных вышек, турбин, клапанов и термостойкой арматуры.
- Компания Metal AM может оперативно изготавливать запасные части по запросу в отдаленных районах.
Будущие тенденции в аддитивном производстве металлов
Биопечать
Печать органов и тканей для хирургической трансплантации, которая еще больше сократит нехватку доноров органов и улучшит регенеративную медицину.
ИИ и генеративный дизайн
Алгоритмы ИИ используются для оптимизации параметров, более эффективного проектирования деталей и обеспечения контроля качества.
Переработка порошка
Системы замкнутого цикла, повторно использующие неиспользованный порошок, что позволяет сократить расходы и уменьшить опасность для здоровья, связанную с воздействием на окружающую среду.
Печать на нескольких материалах
Создание сложных и многофункциональных объектов в рамках одной печати, таких как электроника, протезы и т. д.
Децентрализованное производство
Печать вблизи места использования: на заводах, в больницах, школах, на рынках и даже на космических станциях.
FAQ
Какие форматы файлов совместимы с принтерами для аддитивного производства металлов?
Наиболее распространённый формат файлов — STL (стереолитография). Также используются форматы OBJ, STEP и 3MF, особенно когда требуются более сложные данные (например, цвет или несколько материалов). Перед печатью эти файлы обрабатываются с помощью программного обеспечения для нарезки.
Другие совместимые файлы включают:
.gcode – Также известно как .g или .gco; это расширение файла для файлов, содержащих данные G-кода.
.VRML – Vermal; расширение файла WRL.
.X3G – фирменный формат файла, используемый Makerbot; это двоичный файл.
.AMF — Формат файла аддитивного производства
.FBX – фирменный формат файла, принадлежащий Autodesk и может быть преобразован в STL.
.PLY – Формат файла полигона, обычно создаваемый 3D-сканерами.
Какой файл лучше всего подходит для 3D-печати?
Лучший файл для 3D-печати зависит от желаемого результата. STL лучше всего подходит для простых отпечатков, а OBJ — для хранения цветов, текстур и описания геометрии.