Wytwarzanie przyrostowe metali: Kompleksowy przewodnik

Przegląd wytwarzania przyrostowego metali

Metal produkcja addytywnaDrukowanie przyrostowe, znane również jako drukowanie 3D w metalu, to technologia umożliwiająca szybkie wytwarzanie części metalowych bezpośrednio z danych modelu 3D. W przeciwieństwie do subtraktywnych metod produkcji, takich jak obróbka CNC, które usuwają materiał, produkcja addytywna buduje komponenty warstwa po warstwie przy użyciu metali takich jak stal nierdzewna, aluminium, tytan, stopy niklu i inne.

W porównaniu do tradycyjnej produkcji, technologia AM umożliwia większą swobodę projektowania, dostosowywania i optymalizacji, co może zmniejszyć wagę, zużycie materiału i czas realizacji. Części mogą być skonsolidowane w jeden element, osadzone w konforemnych kanałach chłodzących lub zaprojektowane z organicznymi kształtami, które nie są możliwe w przypadku odlewania lub obróbki skrawaniem. Druk 3D z metalu zapewnia nowy potencjał innowacji w branżach takich jak lotnictwo, medycyna, motoryzacja i energetyka.

Ten kompleksowy przewodnik zawiera szczegółowe informacje techniczne na temat różnych procesów AM, materiałów, zastosowań, korzyści i ograniczeń. Kluczowe informacje przedstawiono w łatwych do porównania tabelach, aby podkreślić możliwości i kompromisy różnych technologii druku 3D z metalu. Czytaj dalej, aby dowiedzieć się, w jaki sposób produkcja addytywna rewolucjonizuje wytwarzanie metalu.

Główne zalety wytwarzania przyrostowego metali:

• Produkuje w pełni zwarte, końcowe części metalowe z cyfrowych modeli 3D CAD
• Dodaje materiał warstwa po warstwie, w przeciwieństwie do metod subtraktywnych, takich jak obróbka skrawaniem.
• Umożliwia tworzenie złożonych, zoptymalizowanych geometrii, które nie są możliwe w przypadku odlewania lub obróbki skrawaniem.
• Zmniejsza ilość odpadów, zużycie energii i czas realizacji w porównaniu z tradycyjnymi technikami.
• Ułatwia szybkie prototypowanie, a także bezpośrednią produkcję części.
• Rozszerzające się zastosowania w przemyśle lotniczym, medycznym, motoryzacyjnym i innych sektorach

Rodzaje procesów wytwarzania przyrostowego metali

Istnieje kilka podejść do addytywnego drukowania części metalowych. Główne kategorie procesów AM metali obejmują syntezę w złożu proszku, ukierunkowane osadzanie energii, rozpylanie spoiwa i laminowanie arkuszy. Każda z nich ma unikalne możliwości w zakresie materiałów, dokładności, kosztów i nie tylko.

Tabela 1: Przegląd głównych procesów wytwarzania przyrostowego metali

Fuzja złoża proszkowego Techniki takie jak selektywne topienie laserowe (SLM) i topienie wiązką elektronów (EBM) są obecnie najczęściej stosowanymi procesami obróbki plastycznej metali. Oferują one wysoką rozdzielczość na równi z obróbką skrawaniem, dobre właściwości materiału i szeroką gamę metali, od stali nierdzewnej po stopy na bazie niklu. Surowcem jest drobny proszek metalowy, który jest rozprowadzany warstwami i selektywnie topiony przez skoncentrowane źródło ciepła w komorze z kontrolowaną atmosferą.

Ukierunkowane osadzanie energii Metody takie jak laserowe kształtowanie siatki (LENS) skupiają stopiony materiał na podłożu, dodając go w sposób ciągły. Pozwala to na tworzenie części o większych rozmiarach poprzez osadzanie stopionego proszku lub drutu. Rozdzielczość jest niższa, ale rozmiar konstrukcji nie jest ograniczony jak w przypadku metod proszkowych. Wymagana jest mniejsza ilość obróbki końcowej, ale wykończenie powierzchni jest gorsze.

Rozpylanie spoiwa wykorzystuje płynny środek wiążący do łączenia ze sobą warstw proszku metalowego. Powstałe w ten sposób "zielone" części muszą być następnie spiekane i infiltrowane miedzią lub brązem w celu uzyskania pełnej gęstości. Chociaż opcje materiałowe są obecnie ograniczone, technologia binder jetting może produkować dużą liczbę małych, skomplikowanych części metalowych w bardziej przystępnej cenie.

Laminowanie arkuszy łączy ze sobą cienkie warstwy blachy za pomocą kleju lub spawania. Następnie lasery lub obróbka CNC wycinają stos w kształt 3D. Zapewnia to dobrą dokładność, ale ma ograniczenia geometrii wynikające z grubości blachy.

Każdy proces ma swoje zalety i najlepsze zastosowania. Wybór odpowiedniej technologii AM zależy od takich czynników, jak wymagania materiałowe, precyzja, wykończenie powierzchni, wielkość partii i koszt.

Materiały do wytwarzania przyrostowego metali

Szeroka gama metali, od stali nierdzewnej po superstopy, może być drukowana przy użyciu fuzji w złożu proszkowym, ukierunkowanego osadzania energii, rozpylania spoiwa i metod laminowania arkuszy. Do najczęściej stosowanych materiałów metalowych AM należą:

Tabela 2: Typowe materiały do wytwarzania przyrostowego metali

Stale nierdzewne 316L i 17-4PH są szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu ze względu na ich wytrzymałość, odporność na korozję oraz względną łatwość drukowania i obróbki końcowej.

Stopy aluminium jak AlSi10Mg umożliwiają produkcję lekkich części lotniczych i motoryzacyjnych, które są trudne w obróbce lub odlewaniu.

Stopy tytanu takie jak Ti64 charakteryzują się wysokim stosunkiem wytrzymałości do masy, idealnym dla elementów konstrukcyjnych oraz biokompatybilnością.

Nadstop niklu proszek takie jak Inconel 718 i 625 mają doskonałe właściwości mechaniczne w wysokich temperaturach dla wymagających zastosowań.

Proszek ze stopu kobaltowo-chromowego charakteryzują się wysoką sztywnością, biokompatybilnością i odpornością na zużycie, dzięki czemu nadają się do implantów medycznych i oprzyrządowania.

Stale narzędziowe W tym H13, D2 i stal maraging oferują bardzo wysoką twardość, wytrzymałość i stabilność termiczną dla narzędzi, takich jak formy wtryskowe lub matryce do kucia.

Wysiłki badawczo-rozwojowe poszerzają listę metali kompatybilnych z procesami AM. Bardziej egzotyczne stopy, takie jak szlachetne złoto lub platyna, są również wykorzystywane do specjalistycznych zastosowań, takich jak biżuteria lub elektronika.

Specyfikacje wytwarzania przyrostowego metali

Kluczowymi czynnikami definiującymi możliwości każdej maszyny do obróbki plastycznej metali są objętość wydruku, rozdzielczość warstwy, precyzja i obsługiwane materiały. Wymagania takie jak dokładność, wykończenie powierzchni i obróbka cieplna będą zależeć od konkretnego zastosowania.

Tabela 3: Specyfikacje i możliwości urządzeń do obróbki plastycznej metali

Objętość kompilacji Dla większości systemów ze złożem proszkowym i ukierunkowaną energią wynosi od kilku cali sześciennych do około jednej stopy sześciennej. Większe urządzenia są dostępne dla procesów strumieniowania spoiwa lub laminowania arkuszy.

Grubość warstwy podczas procesu budowy można zmieniać w zakresie od 20 do 100 mikronów, aby uzyskać dokładną rozdzielczość rzędu wykończenia maszynowego. Cieńsze warstwy poprawiają wykończenie powierzchni, ale także wydłużają czas budowy.

Precyzja wynosi ±0,1-0,2 mm w przypadku stapiania w złożu proszku i ±0,5 mm w przypadku ukierunkowanego osadzania energii, w zależności od konkretnej używanej maszyny AM.

Osiągalny wykończenie powierzchni w stanie powykonawczym waha się od 10-25 mikronów (Ra) i 20-100 mikronów (Rz), ale będzie wymagać obróbki końcowej, takiej jak wykończenie ścierne, w celu poprawy.

Praktycznie każdy stop metali od stale nierdzewne do tytan oraz stopy niklu można drukować, a wybór materiałów podwoił się w ostatnich latach.

Dostawcy sprzętu do produkcji dodatków metalowych

Szereg firm oferuje przemysłowe systemy AM do metalu, a także usługi drukowania. Do wiodących dostawców oferujących urządzenia do fuzji w złożu proszkowym, ukierunkowanego osadzania energii, rozpylania spoiwa i laminowania arkuszy należą:

Tabela 4: Główni dostawcy systemów wytwarzania przyrostowego metali

Niemiecka firma EOS jest pionierem technologii bezpośredniego spiekania laserowego metali (DMLS) i oferuje szeroką gamę drukarek przemysłowych do metali takich jak tytan, aluminium i stopy niklu.

SLM Solutions dostarcza również sprzęt do stapiania w złożu proszkowym, który może przetwarzać stale, tytan, aluminium i inne metale o objętości do 500 cali sześciennych.

HP, Desktop Metal, oraz ExOne leverage binder jetting koncentruje się na wielkoseryjnej produkcji małych, złożonych elementów ze stali nierdzewnej lub stali stopowej.

Sciaky oraz Optomec dostarczanie systemów ukierunkowanego osadzania energii do drukowania metali na dużą skalę przy użyciu nadstopów tytanu, aluminium i niklu.

Fabrisonic wykorzystuje opatentowaną ultradźwiękową produkcję addytywną, która umożliwia osadzanie okablowania, czujników i innych elementów wewnątrz metalowych części.

Sprzęt do metalowej AM zazwyczaj waha się od $100,000 do $1 miliona + w początkowej inwestycji kapitałowej w zależności od zdolności produkcyjnej, chociaż ceny szybko spadają. Koszty materiałów różnią się znacznie w zależności od zastosowanego stopu.

Zastosowania wytwarzania przyrostowego metali

Produkcja dodatków metalowych zapewnia nową swobodę projektowania i możliwości, które doskonale nadają się do zastosowań lotniczych, medycznych, motoryzacyjnych i ogólnych zastosowań przemysłowych, takich jak

Lotnictwo i kosmonautyka: Lekkie wsporniki i złożone konstrukcje, komponenty silnika z chłodzeniem konforemnym oraz konsolidacja części w celu zmniejszenia masy, zużycia materiałów i czasu realizacji.

Medyczny: Indywidualne implanty ortopedyczne, narzędzia chirurgiczne o cienkich ściankach i strukturach kratowych w celu poprawy osseointegracji z kością, uzupełnienia dentystyczne.

Motoryzacja: Lekkie konstrukcje kratowe, masowa personalizacja komponentów, oprzyrządowanie, takie jak przyrządy i uchwyty usprawniające pracę w fabryce.

Przemysł/konsument: Oświetlenie, meble, sprzęt sportowy i instrumenty muzyczne wykorzystujące organiczne kształty, masową personalizację i lekkie konstrukcje kratowe.

Oprzyrządowanie: Konforemne kanały chłodzące mogą być osadzone w formach wtryskowych, matrycach i wkładkach narzędziowych w celu skrócenia czasu cyklu. Szybka dostawa zapasowych części oprzyrządowania.

Ropa i gaz: Niestandardowe złącza rurociągów, elementy konstrukcyjne, takie jak platformy i bloki zaworów do środowisk wysokociśnieniowych / korozyjnych.

Technologia ta jest również wykorzystywana do szybkiego tworzenia narzędzi, osprzętu i prototypów w rozwoju produktów w wielu branżach. Poniżej znajduje się kilka przykładów zastosowań i korzyści AM w porównaniu z konwencjonalną produkcją:

Tabela 5: Zastosowania i korzyści związane z wytwarzaniem przyrostowym metali

Produkcja addytywna zapewnia inżynierom bezprecedensową swobodę projektowania w zakresie wytwarzania komponentów metalowych, które nie są możliwe lub opłacalne w przypadku odlewania, obróbki skrawaniem lub innych konwencjonalnych technik produkcyjnych.

Zalety i wady technologii Metal AM

W porównaniu z wytwarzaniem subtraktywnym i innymi tradycyjnymi metodami produkcji metali, AM oferuje kilka kluczowych zalet, ale także ograniczenia, które należy wziąć pod uwagę:

Tabela 6: Wytwarzanie przyrostowe metali - wady i zalety

Główne korzyści płynące z AM metalu to swoboda projektowania, konsolidacja części, personalizacjaoraz szybszy rozwój produktu cykli. Lekkość i oszczędność materiałów są również możliwe w branżach takich jak lotnictwo i motoryzacja.

Jednakże, mniejszy budować wolumenywyższy kosztyi brak materiał Dostępność na skalę komercyjną pozostaje barierą w porównaniu z tradycyjną produkcją. Większość zastosowań AM metalu najlepiej nadaje się do niskich i średnich wielkości produkcji, w których korzyści wynikające z dostosowania i skrócenia czasu realizacji przewyższają obecnie wyższe koszty części drukowanych.

Wraz ze spadkiem cen sprzętu do obróbki plastycznej metali i materiałów, wielkość produkcji i zastosowania będą nadal rosły w kolejnych branżach. Wraz z postępem w zakresie jakości i większych rozmiarów kompilacji, adopcja przyspieszy w przypadku produkcji na dużą skalę.

Przyszłość wytwarzania przyrostowego metali

Produkcja addytywna metali, choć wciąż jest technologią wschodzącą, ma szansę na znaczny wzrost w nadchodzących latach. Rozszerzające się zastosowania, nowi gracze i zwiększone przyjęcie w łańcuchach dostaw będą napędzać ekspansję rynku.

• Przewiduje się, że globalny rynek AM metali przekroczy $15 miliardów do 2028 roku, co oznacza ponad dwukrotny wzrost od 2021 roku. Przewiduje się, że sektory lotniczy i medyczny będą odpowiadać za ponad 50% popytu.
• Producenci systemów opracowują maszyny o większej objętości, urządzenia wielolaserowe i urządzenia o wyższej wydajności, skoncentrowane na zastosowaniach w produkcji seryjnej.
• Poza nadstopami niklu dostępne stają się materiały o rozszerzonym zastosowaniu, w tym aluminium i stale o wyższej wytrzymałości, metale szlachetne, magnez, stal narzędziowa i inne.
• Jakość i powtarzalność stale się poprawiają dzięki zaawansowanemu sterowaniu maszynami, oprogramowaniu i usprawnionym przepływom pracy w celu zminimalizowania prób i błędów.
• Optymalizacja łańcucha dostaw za pomocą AM zyskuje na popularności w różnych branżach, ponieważ czas realizacji skraca się, a technologia staje się bardziej opłacalna w przypadku komponentów końcowych niż tylko prototypowania.
• Zindywidualizowana, zdecentralizowana produkcja może zmniejszyć ryzyko związane z łańcuchem dostaw i koszty logistyczne. Zlokalizowana produkcja na żądanie będzie się rozwijać.
• Rządy inwestują znaczne środki w badania nad przemysłową obróbką plastyczną metali, programy rozwoju siły roboczej i rozwój regionalnych ekosystemów produkcyjnych wokół tej technologii.

Choć wciąż dojrzewa, technologia addytywna wykazała wyraźne korzyści w porównaniu z konwencjonalną produkcją w różnych zastosowaniach, od silników lotniczych po implanty dopasowane do potrzeb pacjentów. W miarę jak coraz więcej interesariuszy w łańcuchach dostaw przyjmuje AM, jest ona w stanie przekształcić produkcję i umożliwić nową erę innowacji projektowych.

Często zadawane pytania dotyczące Metal AM

P: Jakie materiały są kompatybilne z drukiem 3D z metalu?

Większość metali przemysłowych może być drukowana, w tym stale nierdzewne, stopy aluminium, tytan, stale narzędziowe, nadstopy niklu i inne. Niektóre procesy obsługują również metale szlachetne, takie jak złoto, srebro i platyna.

P: Jak dokładna jest produkcja addytywna metalu?

O: Dokładność wymiarowa dla większości procesów stapiania w złożu proszkowym wynosi około ±0,1-0,2 mm, podobnie jak w przypadku obróbki CNC. W przypadku osadzania z wykorzystaniem ukierunkowanej energii wynosi ona ±0,5 mm lub więcej.

P: Czy metal AM wymaga jakiejkolwiek obróbki końcowej?

O: Zazwyczaj potrzebne są pewne procesy obróbki końcowej, takie jak wykańczanie powierzchni i obróbka cieplna. Konstrukcje nośne są usuwane, a powierzchnia jest obrabiana maszynowo, szlifowana lub poddawana obróbce chemicznej w celu wygładzenia i wykończenia części.

P: Jakie są zalety technologii AM w porównaniu z odlewaniem lub obróbką skrawaniem?

O: Korzyści obejmują swobodę projektowania, lekkie konstrukcje, konsolidację części, redukcję oprzyrządowania, krótsze czasy realizacji, masową personalizację i wiele innych. Technologia AM umożliwia uzyskanie zoptymalizowanych kształtów, co nie jest możliwe w przypadku technik subtraktywnych.

P: Jakie branże napędzają przyjęcie druku 3D z metalu?

O: Sektory lotniczy, medyczny/dentystyczny, motoryzacyjny i przemysłowy są obecnie największymi odbiorcami. Technologia ta jest idealna do złożonej, niskonakładowej produkcji, w której zaletami są personalizacja i redukcja wagi.

P: Jak droga jest technologia AM w porównaniu do konwencjonalnej produkcji?

O: Drukowane części metalowe pozostają droższe w przypadku produkcji masowej. W przypadku małych partii, poniżej 1000 sztuk, technologia AM może być konkurencyjna cenowo i zrównoważona korzyściami wynikającymi z elastyczności projektowania, szybszego wprowadzania na rynek, konsolidacji części i dostosowywania.