Существует много способов превращения металлического порошка в компоненты. Вы, возможно, уже знакомы с традиционным прессованием и спеканием, а также литьем металла под давлением.
В настоящее время аддитивное производство с использованием порошковой металлургии, широко известное как 3D-печать, набирает популярность благодаря возможности быстрого создания прототипов.
Содержание:
Что такое аддитивное производство с использованием порошковой металлургии?
Аддитивное производство — это новая технология, которая использует металлический порошок и связующие в качестве сырья. Она формирует металлические детали путем сплавления металлического порошка слой за слоем.
В целях стандартизации отрасли 3D-печати ASTM официально назвала ее аддитивным производством (AD) в стандарте ASTM F2792.
7 видов аддитивного производства
Fusion с порошковым покрытием (PBF)
PBF — это тип AM, в котором для плавления и соединения металлических порошков используется лазерный или электронный луч.
Обычно размер частиц порошка, получаемого при лазерной порошковой плавке, составляет 15–53 мкм, а при электронной плавке — 40–100 мкм.
Вот несколько популярных методов PBF.
Прямое лазерное спекание металла (DMLS)
Прямое лазерное спекание металлов это процесс, в котором лазер, например, CO2-лазер, используется для выборочного сплавления тонких слоев металла.
Сначала вы распределяете тонкий слой металлического порошка по строительной платформе через 3D-принтер. Затем вы используете лазер, чтобы выборочно расплавить порошок, а не расплавить его полностью. После того, как лазер расплавит первый слой порошка, строительная платформа опускается и наносит еще один слой порошка. Наконец, лазер сплавляет слои металлического порошка вместе, чтобы сформировать готовое изделие.
Селективное лазерное спекание (SLS)
SLS работает аналогично DMLS. При 3D-печати SLS детали поддерживаются окружающим порошком, поэтому нет необходимости в поддерживающей структуре.
SLS — идеальный способ создания геометрических фигур.
Кроме того, прочность деталей SLS близка к прочности деталей, полученных литьем под давлением. Селективное лазерное плавление (SLM)
SLM быстрее селективного лазерного спекания. Более того, SLM снижает риск окисления металла за счет использования инертных газов, таких как азот или аргон. Однако SLM дороже. В процессе SLM 3D толщина слоя металла составляет около 20–60 микрон.
Электронно-лучевая плавка (ЭЛП)
В отличие от вышеупомянутой технологии плавления в порошковом слое, электронно-лучевая плавка использует электронный луч вместо лазерного луча. По сравнению с лазерами, электронные лучи способны проникать глубоко в материал и равномерно расплавлять частицы металлического порошка.
EBM сплавляет слои металлического порошка в вакуумной среде. В отличие от SLS, EBM расплавляет сырье.
Связующее струйное
Нанесение связующего струей — один из самых быстрых процессов аддитивного производства.
Размер частиц связующего струйного металлического порошка составляет около 10-45 мкм.
В этом процессе металлический порошок сначала распределяется по плоской пластине, а головка струйного принтера распыляет жидкие связующие вещества на слой порошка. Этот цикл повторяется, и вы получаете 3D-печатный продукт. Этот процесс немного похож на печать на бумаге, а связующее вещество похоже на чернила, его роль — соединить слои порошка вместе.
Ниже представлено видео, объясняющее принцип работы струйной подачи связующего вещества.
Направленное энергетическое депонирование (DED)
DED — это процесс, при котором расплавленный материал наносится на поверхность изделия, где он затвердевает.
В процессе DED вы используете плазменную дугу, лазер или электронный луч для расплавления металлического материала и одновременного его осаждения через сопло.
Вы можете использовать DED для формирования деталей. Но часто его используют для ремонта или добавления дополнительного материала к компонентам.
Частицы порошка 53-150 мкм
Ламинирование листов
листовое ламинирование — это дешевый и быстрый метод 3D-печати. Сначала лазерный резак вырезает контур печатаемого объекта, а затем слои склеиваются вместе, образуя форму.
Экструзия материалов
Экструзия материала это метод аддитивного производства (AM). Материал наносится слой за слоем через нагретое сопло для создания 3D-объекта.
Экструзия материалов, как правило, быстрая и точная. Однако процесс экструзии материалов совместим с широким спектром сырья и является недорогим. Поэтому экструзия материалов пользуется большой популярностью в домашней 3D-печати.
Струйная обработка материалов
Во время струйная обработка материала В ходе этого процесса расплавленный материал выбрасывается на платформу для сборки, в результате чего слой за слоем формируется изделие.
- Превосходные характеристики детализации
- Высокая точность
- Хорошая обработка поверхности
Фотополимеризация в чане
Фотополимеризация в ванне — это процесс 3D-печати, в котором для выборочного отверждения фотореактивной смолы используется источник света.
Металлический порошок для аддитивного производства
Металлический порошок, используемый в аддитивном производстве, не такой мелкий, как тот, который используется при литье металлов под давлением.
Во-первых, он слишком мелкий и легко разлетается при лазерном спекании. Во-вторых, если порошок слишком мелкий, то между порошками будет больше точек контакта, увеличится трение, и текучесть ухудшится.
Таким образом, медианный размер частиц D50 для аддитивного производства порошковой металлургии составляет 10-45 мкм. Например, частицы порошка AlSi10Mg, производимые Höganäs посредством процесса газового распыления, составляют 20-63 мкм.
Большинство металлических порошков, подходящих для аддитивного производства, являются газоатомизированными порошками. Это связано с тем, что газоатомизированные порошки обладают хорошей текучестью и высокой насыпной плотностью. Кроме того, металлические порошки также должны соответствовать требованиям низкого содержания кислорода и азота.
Если вам нужна характеристика металлического порошка для аддитивного производства, вы можете обратиться к стандарту ASTM F3049 или металлическому порошку Höganäs для аддитивного производства.
Существует множество металлических порошков, пригодных для аддитивного производства методом порошковой металлургии.
- Медь
- алюминий
- Никель
- Титан
- Нержавеющая сталь
- Инструментальная сталь
Применение аддитивного производства
Аддитивное производство в аэрокосмической промышленности
Аддитивное производство с использованием порошковой металлургии позволяет изготавливать сложные и легкие детали для аэрокосмической отрасли.
- Компоненты двигателя
- Кронштейны крыльев самолета
- Форсунки двигателя
- Детали коробки передач
- Вал замка для дверей самолета
Аддитивное производство в автомобильной промышленности
Современные автомобили становятся легче и быстрее. Это, естественно, требует легких и высокопрочных структурных деталей. AM может обеспечить автомобильную промышленность высокоиндивидуализированными и легкими деталями.
Аддитивное производство в медицинской сфере
Аддитивное производство идеально подходит для персонализированных медицинских имплантатов. Для стоматологической отрасли AM может производить шины, ортодонтические приспособления и стоматологические модели.
Режущие инструменты для аддитивного производства
С помощью аддитивного производства можно изготавливать инструменты сложной формы, можно менять расположение режущих кромок.
Преимущества и недостатки аддитивного производства
Преимущества
- Поскольку для аддитивного производства не требуются пресс-формы, затраты на пресс-формы снижаются.
- AM позволяет изготавливать изделия с чрезвычайно сложной формой и внутренними характеристиками.
- Изделия легко настраиваются.
- АМ потребляет меньше энергии и не требует резки, что благоприятно для окружающей среды.
- Высокая степень использования материалов и возможность вторичной переработки материалов
- Благодаря технологии быстрого прототипирования на основе аддитивного производства вы можете быстро создавать прототипы деталей всего за несколько дней.
Недостатки
- Сырье и оборудование аддитивного производства стоят дорого.
- Ограничение по материалам.
- Необходимо улучшить шероховатость поверхности.
- Необходимо улучшить однородность партий между машинами.
- По сравнению обычный процесс порошковой металлургии или литье и ковка, АМ имеет ограниченные возможности массового производства.
Производители 3D-принтеров по металлу
Системы 3D
3D Systems, головной офис которой находится в Южной Каролине, имеет более чем 30-летний опыт работы в индустрии аддитивного производства. Их бизнес включает материалы для аддитивного производства, программное обеспечение, металлические 3D-принтеры и т. д.
Маркфорджед
Штаб-квартира компании Markforged находится в Массачусетсе, где она разрабатывает передовые аппаратные и программные приложения для аддитивного производства.
Их 3D-принтеры могут печатать из различных материалов, таких как углеродное волокно, агат и металлы.
ЭксВан
С 1995 года они были привержены разработке передовых 3D-принтеров и нацелены на массовое производство. ExOne была первой, кто начал производить коммерческие струйные 3D-принтеры.
Аддитивное производство стало многообещающей технологией, поскольку оно позволяет быстро создавать прототипы деталей без необходимости использования форм. Однако на данном этапе AM не может производиться массово, а прочность изделий, произведенных с помощью AM, недостаточно высока. Если вышеуказанные проблемы будут решены, то нет сомнений, что AM принесет большую пользу обрабатывающей промышленности.
FAQ
1. Нужно ли спекать изделия, изготовленные аддитивным способом?
В целом, прочность аддитивно изготовленных изделий невысока. Если вы хотите улучшить механические свойства изделия, то может потребоваться его подвергнуть процесс спекания.