Drukarki 3D ze złożem proszkowym

Przegląd

Drukarka 3D ze złożem proszkowym to technologia produkcji addytywnej dobrze nadająca się do przetwarzania wysokowydajnych tworzyw termoplastycznych i metali, których nie można łatwo wydrukować metodami opartymi na wytłaczaniu. Wiązka laserowa lub elektronowa selektywnie łączy obszary złoża proszku warstwa po warstwie w oparciu o dane CAD w celu skonstruowania złożonych obiektów 3D.

Główne podkategorie to:

Polimerowa fuzja w złożu proszkowym (PBF) z wykorzystaniem lasera CO2 lub IR, oraz Metal Powder Bed Fusion (MPBF) wykorzystujące lasery światłowodowe lub wiązki elektronów. Oba oferują konkurencyjną funkcjonalność części, niemożliwą do osiągnięcia przy użyciu tradycyjnych technik produkcyjnych, w zakresie lekkiej konstrukcji, konsolidacji montażu, masowej personalizacji i poprawy wydajności.

Niniejszy przewodnik zawiera przegląd techniczny różnych technologii i materiałów do druku 3D ze złożem proszkowym wraz z zastosowaniami, rozważaniami systemowymi i przyszłymi trendami.

Rodzaje Drukarki 3D ze złożem proszkowym

Istnieje kilka typów urządzeń do produkcji addytywnej, które wykorzystują metodę syntezy w złożu proszkowym:

Drukarki termotransferowe z polimerowym łożem proszkowym

Selektywne spiekanie laserowe (SLS) Systemy rozprowadzają cienką warstwę drobnego proszku polimerowego w komorze roboczej i stosują energię cieplną z wiązki lasera CO2 zgodnie z każdym przekrojem z modelu 3D CAD. Proszek topi się lub spieka razem po podgrzaniu i zestala się podczas chłodzenia, tworząc obiekt.

Popularne materiały dla SLS obejmują:

• Nylon (PA12, PA11, PA6)
• Elastomery termoplastyczne (TPE)
• TPU i inne zaawansowane elastyczne żywice

Wiodące firmy produkujące drukarki SLS to EOS, 3D Systems, Farsoon i Ricoh.

Multi Jet Fusion (MJF) również wykorzystuje złoża proszku polimerowego, ale środek utrwalający i środek detalizujący są selektywnie osadzane przez głowice drukujące atramentowe na warstwach wraz z ogrzewaniem podczerwienią w celu uzyskania wydruków o wysokiej rozdzielczości. Umożliwia to tworzenie obiektów wielomateriałowych i wielokolorowych. Popularne żywice MJF:

• HP 3D High Reusability PA12
• HP 3D High Reusability PA11
• HP 3D High Reusability TPA

HP jest obecnie głównym dostawcą technologii MJF poprzez swoją serię Jet Fusion. Desktop Metal również wypuścił system Fiber AM oparty na MJF.

Drukarki fuzyjne z metalowym łożem proszkowym

Selektywne topienie laserowe (SLM) Urządzenie skupia niezwykle precyzyjną energię lasera światłowodowego w środowisku gazu obojętnego na cienkich warstwach proszku metalicznego, aby w pełni stopić i stopić cząstki w gęste struktury warstwa po warstwie bezpośrednio na podstawie geometrii CAD.

Topienie wiązką elektronów (EBM) Drukarki wykorzystują potężną wiązkę elektronów jako źródło ciepła do pełnego stopienia cząstek proszku metalowego w każdej warstwie w atmosferze próżni. Szybkie przetwarzanie prowadzi do uzyskania komponentów o właściwościach zbliżonych do materiałów odlewanych.

Do popularnych stopów MPBF należą:

• Stal nierdzewna (316L, 17-4PH, 15-5)
• Stal narzędziowa (H13, S7)
• Stopy tytanu (Ti-6Al-4V)
• Stopy aluminium (AlSi10Mg)
• Nadstopy niklu (Inconel 718)
• Chrom kobaltowy (CoCr)

Wszyscy wiodący dostawcy sprzętu do obróbki plastycznej metali, tacy jak EOS, Renishaw, 3D Systems, GE i SLM Solutions, oferują maszyny do fuzji w łożu proszkowym.

Proces drukowania dla Drukarka 3D ze złożem proszkowym

Ogólne etapy procesu wytwarzania przyrostowego wspólne dla wszystkich wariantów syntezy w złożu proszkowym:

1. Import modelu CAD i optymalna orientacja części
2. Wirtualne wycinanie i generowanie ścieżek skanowania laserowego
3. Rozprowadź odmierzoną ilość proszku równomiernie na obszarze roboczym.
4. Selektywne stapianie materiału zgodnie z zarysem przekroju za pomocą lasera lub wiązki ebeam
5. Opuścić płytę roboczą i ponownie pokryć nową warstwą proszku
6. Powtarzaj cykl nakładania warstw aż do zbudowania pełnego obiektu i podpór.
7. Usunąć obiekt z ciasta proszkowego i odzyskać nieroztopione obszary.
8. Przetwarzanie części - czyszczenie, obróbka cieplna, obróbka itp.

Wszystkie procesy oparte na złożu proszkowym wymagają rozległej obróbki końcowej, takiej jak usuwanie podpór, obróbka powierzchni i obróbka przed użyciem funkcjonalnym.

Materiały do drukarek 3D ze złożem proszkowym

Właściwości proszków polimerowych

Rodzaje proszków metali

Zastosowania drukarki 3D ze złożem proszkowym

Części polimerowe

• Funkcjonalne prototypy o właściwościach przypominających rzeczywiste tworzywa sztuczne
• Spersonalizowane towary konsumpcyjne, takie jak etui na telefony komórkowe lub obuwie
• Wnętrza samochodów i komponenty oświetleniowe
• Formy indukcyjne oraz przyrządy i osprzęt
• Formy wysokotemperaturowe i przewody do chemikaliów

Elementy metalowe

• Łopatki turbin i prototypy wtryskiwaczy paliwa dla przemysłu lotniczego
• Biokompatybilne implanty tytanowe do kolan, bioder, chirurgii czaszki i kręgosłupa
• Lekkie podwozia, hamulce i części układu napędowego do samochodów wyścigowych i samolotów
• Konforemne kanały chłodzące zintegrowane z formami wtryskowymi
• Niestandardowe podbudowy i mosty dentystyczne
• Odporne na wysoką temperaturę kolektory wydechowe i wkładki narzędziowe

Przewodnik dla kupujących Drukarki 3D ze złożem proszkowym

Wybór idealnego systemu stapiania w złożu proszkowym zależy od:

Niektóre wiodące modele obejmują:

Starter - System EOS Formiga P110 SLS, $100K

Profesjonalny - 3D Systems DMP Factory 500, $400K

Przemysłowy - GE Additive X Line 2000R, >$1M

Perspektywy na przyszłość

Systemy fuzji w złożu proszkowym będą nadal ewoluować:

• Większe koperty konstrukcyjne o długości ponad 500 mm
• Dodatkowe materiały polimerowe, takie jak PEKK i PPSF
• Stopy o wyższych parametrach mechanicznych
• Ulepszony recykling proszku i przetwarzanie w obiegu zamkniętym
• Przełomowe wykończenie powierzchni bez obróbki skrawaniem
• Zintegrowane monitorowanie i regulacja puli roztopionego materiału w czasie rzeczywistym
• Dodatkowe systemy hybrydowe z wbudowanym zapewnieniem jakości
• Znacznie zwiększona produktywność dzięki wyższej mocy lasera i większej prędkości skanowania

W miarę pokonywania barier technicznych i optymalizacji kosztów produkcji, AM przekształci produkcję w różnych sektorach, od lotnictwa, urządzeń medycznych i motoryzacji po produkty konsumenckie, umożliwiając rozproszoną, zdecentralizowaną produkcję komponentów końcowych w ilościach komercyjnych.

Najczęściej zadawane pytania

P: Jak drogie są maszyny do druku 3D z metalowym złożem proszkowym w porównaniu do systemów drukujących z tworzyw sztucznych?

O: Przemysłowe drukarki proszkowe do metalu kosztują od $300,000 do ponad $1 miliona, podczas gdy urządzenia na bazie polimerów zaczynają się od $100,000. Koszty operacyjne są również 5-10 razy wyższe w przypadku materiałów metalowych i przetwarzania obojętnego.

P: Jakiego rozmiaru części mogą być drukowane w 3D przy użyciu technologii syntezy termicznej w złożu proszkowym?

O: Maszyny do metalu mogą zazwyczaj produkować koperty o wymiarach do 500 x 500 x 500 mm, podczas gdy maszyny do polimerów mogą produkować koperty o wymiarach do 800 x 500 x 375 mm. Dostępne są również większe koperty o długości ponad metra.

P: Jakie materiały można przetwarzać za pomocą druku 3D ze złożem proszkowym?

O: Wszystkie wysokowydajne i inżynieryjne tworzywa termoplastyczne, takie jak PEEK, ULTEM, PPSF mogą być drukowane, co jest trudne w przypadku wytłaczania FDM. Do metali kwalifikują się stale nierdzewne, stopy tytanu i niklu, stale narzędziowe, chrom kobaltowy i inne.

P: Jak dobra jest dokładność i wykończenie powierzchni wychodzących z drukarki proszkowej przed jakąkolwiek obróbką końcową?

Dokładność wymiarowa po obróbce końcowej wynosi około ±0,1-0,3%, podczas gdy możliwe są tolerancje poniżej 50 mikronów. Chropowatość powierzchni po wydrukowaniu waha się znacznie między 15-150 mikronów przed jakimkolwiek wykończeniem.

P: Który proces syntezy termicznej w złożu proszkowym oferuje najszybsze prędkości tworzenia - SLS, DMLS czy EBM?

O: Stapianie wiązką elektronów (EBM) oferuje niezwykle wysokie szybkości wytwarzania do 40 cm3/h, co pozwala na bardzo wysoką produktywność. DMLS oferuje umiarkowane prędkości, podczas gdy SLS jest stosunkowo powolny.

P: Jak zrównoważony jest proces AM w łożu proszkowym w porównaniu do obróbki metali i tworzyw sztucznych?

O: Wszystkie technologie łoża proszkowego ponownie wykorzystują ponad 90% niestopionego proszku po zbudowaniu w celu recyklingu. Lekkie, zoptymalizowane geometrie również oszczędzają materiały. Zużycie energii pozostaje w centrum uwagi.

P: Jakie czynniki wpływają na ceny usług druku termotransferowego w złożu proszkowym?

O: Koszty materiałów, czas budowy, robocizna, wykończenie, model drukarki 3D, wielkość produkcji i sektor zastosowań nabywcy w dużej mierze kontrolują obecnie poziomy cen przemysłowych części AM.

P: Które branże są obecnie głównymi użytkownikami technologii wytwarzania przyrostowego metodą fuzji w złożu proszkowym?

O: Firmy zajmujące się projektowaniem maszyn dla przemysłu lotniczego, medycznego i motoryzacyjnego, koncentrujące się na przyrządach, osprzęcie i oprzyrządowaniu, tworzą ponad 60% klientów komercyjnych badających zastosowania produkcyjne AM z polimerami i metalami.

P: Jakie specjalistyczne oprogramowanie jest wymagane do optymalnego przygotowania i drukowania modeli 3D CAD?

Oprogramowanie do cięcia, takie jak Materialise Magics i SLM Build Processor, automatycznie orientuje części w celu uzyskania najlepszej geometrii i właściwości oraz dostosowuje parametry skanowania. Niektórzy producenci drukarek dołączają własne narzędzia programowe.

poznaj więcej procesów druku 3D