Аддитивное производство металлов: Исчерпывающее руководство

Обзор аддитивного производства металлов

Металл аддитивное производство3D-печать, также известная как металлическая 3D-печать, - это революционная технология быстрого изготовления металлических деталей непосредственно по данным 3D-модели. В отличие от субтрактивных методов производства, таких как обработка с ЧПУ, при которых материал удаляется, аддитивное производство создает детали послойно, используя такие металлы, как нержавеющая сталь, алюминий, титан, никелевые сплавы и другие.

По сравнению с традиционным производством, металлический AM обеспечивает большую свободу проектирования, персонализацию и оптимизацию, что позволяет снизить вес, расход материалов и сроки изготовления. Детали можно объединять в единое целое, встраивать в них конформные каналы охлаждения или создавать органические формы, недоступные при литье или механической обработке. Металлическая 3D-печать открывает новые возможности для инноваций в таких отраслях, как аэрокосмическая, медицинская, автомобильная и энергетическая.

В этом исчерпывающем руководстве содержатся технические сведения о различных процессах металлической AM-печати, материалах, областях применения, преимуществах и ограничениях. Ключевая информация представлена в удобных для сопоставления таблицах, чтобы подчеркнуть возможности и компромиссы различных технологий 3D-печати металлов. Читайте далее, чтобы получить подробное представление о том, как аддитивное производство революционизирует производство металлов.

Основные моменты аддитивного производства металлов:

• Производство полностью плотных металлических деталей конечного использования по цифровым 3D-моделям CAD
• Добавляет материал слой за слоем, в отличие от субтрактивных методов, таких как механическая обработка
• Позволяет создавать сложные, оптимизированные геометрии, недоступные при литье или механической обработке
• Сокращение отходов, энергопотребления и времени выполнения работ по сравнению с традиционными методами.
• Обеспечивает быстрое создание прототипов, а также прямое производство деталей
• Расширение областей применения в аэрокосмической, медицинской, автомобильной и других отраслях

Типы процессов аддитивного производства металлов

Существует несколько подходов к печати металлических деталей аддитивным способом. Основные категории процессов AM-печати металлов включают в себя порошковое напыление, направленное энергетическое осаждение, струйное нанесение связующего и ламинирование листов. Каждый из них обладает уникальными возможностями с точки зрения материалов, точности, стоимости и многого другого.

Таблица 1: Обзор основных процессов аддитивного производства металлов

Сплавление порошкового слоя Такие методы, как селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое плавление (EBM), в настоящее время являются наиболее широко используемыми процессами металлического AM. Они обеспечивают высокое разрешение наравне с механической обработкой, хорошие свойства материалов и широкий диапазон металлов - от нержавеющих сталей до сплавов на основе никеля. Исходным материалом является тонкий металлический порошок, который распределяется слоями и выборочно расплавляется сфокусированным источником тепла в камере с контролируемой атмосферой.

Направленное осаждение энергии Такие методы, как лазерное формование сетки (LENS), фокусируют расплав на подложке, непрерывно добавляя материал. Это позволяет создавать детали больших размеров путем нанесения расплавленного порошка или проволочного сырья. Разрешение ниже, но размер сборки не ограничен, как в методах с порошковым слоем. Требуется меньше постобработки, но качество поверхности хуже.

Струйная обработка вяжущего Для соединения слоев металлического порошка между собой используется жидкий связующий агент. Затем полученные "зеленые" детали необходимо спечь и пропитать медью или бронзой для достижения полной плотности. Хотя выбор материалов в настоящее время ограничен, струйное нанесение связующего вещества позволяет изготавливать большое количество мелких сложных металлических деталей по более доступной цене.

Ламинирование листов Скрепляет тонкие слои листового металла между собой с помощью клея или сварки. Затем лазеры или ЧПУ вырезают стопку в 3D-форме. Этот метод обеспечивает хорошую точность, но имеет ограничения по геометрии в зависимости от толщины листа.

Каждый процесс имеет свои преимущества и наиболее подходящие области применения. Выбор подходящей технологии металлического AM зависит от таких факторов, как требования к материалу, точность, качество обработки поверхности, размер партии и стоимость.

Материалы для аддитивного производства металлов

Широкий спектр металлов, от нержавеющей стали до сверхпрочных сплавов, может быть напечатан с использованием методов порошкового наплавления, направленного энергетического осаждения, струйного нанесения связующего и ламинирования листов. Наиболее часто используемые металлические AM-материалы включают:

Таблица 2: Распространенные материалы для аддитивного производства металлов

Нержавеющие стали Такие марки, как 316L и 17-4PH, широко используются в различных отраслях промышленности благодаря своей прочности, коррозионной стойкости, а также относительной простоте печати и последующей обработки.

Алюминиевые сплавы например, AlSi10Mg Позволяют создавать легкие детали для аэрокосмической и автомобильной промышленности, которые трудно поддаются механической обработке или литью.

Титановые сплавы Такие материалы, как Ti64, обладают высоким соотношением прочности и веса, идеальным для изготовления структурных компонентов, а также биосовместимостью.

Никелевый суперсплав порошок Такие материалы, как Inconel 718 и 625, обладают превосходными механическими свойствами при высоких температурах для применения в сложных условиях.

Порошок из кобальто-хромового сплава Обладают высокой жесткостью, биосовместимостью и износостойкостью, подходят для медицинских имплантатов и инструментов.

Инструментальные стали В том числе H13, D2 и Maraging Steel обеспечивают очень высокую твердость, прочность и термическую стабильность для оснастки, такой как пресс-формы для литья под давлением или штампы для ковки.

Научно-исследовательские работы расширяют список металлов, совместимых с процессами AM. Более экзотические сплавы, такие как драгоценное золото или платина, также используются для специализированных применений, таких как ювелирные изделия или электроника.

Технические характеристики аддитивного производства металлов

Ключевыми факторами, определяющими возможности любой металлической AM-машины, являются объем сборки, разрешение слоя, точность и поддерживаемые материалы. Такие требования, как точность, обработка поверхности и термообработка, зависят от конкретного применения.

Таблица 3: Технические характеристики и возможности оборудования Metal AM

Объем сборки для большинства систем порошкового слоя и направленной энергии составляет от нескольких кубических дюймов до примерно одного кубического фута. Для процессов нанесения связующего или ламинирования листов предлагается более крупное оборудование.

Толщина слоя в процессе сборки может варьироваться в диапазоне 20-100 микрон, что позволяет получить тонкое разрешение на уровне финишной обработки машиниста. Более тонкие слои улучшают качество обработки поверхности, но при этом увеличивают время сборки.

Точность достигается ±0,1-0,2 мм при сплавлении в порошковом слое и ±0,5 мм при направленном энергетическом осаждении в зависимости от конкретной используемой АМ-машины.

Достижимо обработка поверхности в построенном состоянии составляет 10-25 микрон (Ra) и 20-100 микрон (Rz), но для улучшения потребуется последующая обработка, например, абразивная обработка.

Практически любой металлический сплав из нержавеющие стали на титан и никелевые сплавы можно печатать, причем выбор материалов за последние годы удвоился.

Поставщики оборудования для аддитивного производства металлов

Ряд компаний предоставляют промышленные системы AM для обработки металлов, а также услуги печати. Среди ведущих поставщиков оборудования для порошкового наплавления, направленного энергетического осаждения, струйной печати на связующем и ламинирования листов можно назвать:

Таблица 4: Основные поставщики систем аддитивного производства металлов

Немецкая компания EOS Компания стала пионером технологии прямого лазерного спекания металлов (DMLS) и предлагает широкий спектр промышленных принтеров для таких металлов, как титан, алюминий и никелевые сплавы.

Решения SLM также предлагает оборудование для порошковой плавки, которое может обрабатывать сталь, титан, алюминий и другие металлы с объемом сборки до 500 кубических дюймов.

HP, Настольный металл, и ExOne струйное нанесение связующего с помощью рычага, ориентированное на крупносерийное производство небольших сложных деталей из нержавеющей или легированной стали.

Sciaky и Optomec Системы направленного осаждения энергии для крупномасштабной печати на металлах с использованием сверхпрочных сплавов титана, алюминия и никеля.

Фабричная Запатентованное ультразвуковое аддитивное производство позволяет встраивать проводку, датчики и многое другое в металлические детали.

Первоначальные капитальные вложения в оборудование для AM из металла обычно составляют от $100 000 до $1 миллиона с лишним в зависимости от производственной мощности, хотя цены быстро падают. Стоимость материалов сильно варьируется в зависимости от конкретного используемого сплава.

Применение аддитивного производства металлов

Аддитивное производство металлов предоставляет новую свободу проектирования и возможности, которые хорошо подходят для аэрокосмической, медицинской, автомобильной и общепромышленной отраслей, таких как:

Аэрокосмическая промышленность: Облегченные кронштейны и сложные конструкции, компоненты двигателя с конформным охлаждением и консолидация деталей для снижения веса, расхода материалов и сроков изготовления.

Медицина: Индивидуальные ортопедические имплантаты, хирургические инструменты с тонкими стенками и решетчатыми структурами для улучшения остеоинтеграции с костью, зубные реставрации

Автомобильная промышленность: Легкие решетчатые конструкции, массовая кастомизация компонентов, инструментальные средства, такие как оснастка и приспособления, для улучшения рабочих процессов на заводе

Промышленные/потребительские: Освещение, мебель, спортивные товары и музыкальные инструменты, использующие органические формы, массовую кастомизацию и легкие решетчатые конструкции

Инструментальная оснастка: Конформные каналы охлаждения могут быть встроены в литьевые формы, штампы и инструментальные вставки для сокращения времени цикла. Быстрое изготовление запасных деталей оснастки.

Нефть и газ: Нестандартная трубопроводная арматура, структурные компоненты, такие как буровые установки и блоки клапанов для высокого давления/агрессивных сред.

Технология также используется для быстрого изготовления инструментов, приспособлений и прототипов при разработке продукции во многих отраслях промышленности. Ниже приведены некоторые примеры применения металлического AM и его преимуществ по сравнению с традиционным производством:

Таблица 5: Области применения и преимущества аддитивного производства металлов

Аддитивное производство дает инженерам беспрецедентную свободу проектирования, позволяя изготавливать металлические компоненты, которые невозможно или нерентабельно изготавливать с помощью литья, механической обработки или других традиционных технологий.

Преимущества и недостатки металлического AM

По сравнению с субтрактивным изготовлением и другими традиционными методами производства металлов, AM имеет ряд ключевых преимуществ, но также и ограничения, которые необходимо учитывать:

Таблица 6: Аддитивное производство металлов - плюсы и минусы

Основными преимуществами металлического AM являются свобода дизайна, объединение частей, персонализация, и ускоренная разработка продуктов циклы. Облегчение и экономия материалов также возможны для таких отраслей промышленности, как аэрокосмическая и автомобильная.

Однако, чем меньше объемы строительства, выше затратыи отсутствие материал Доступность в коммерческих масштабах остается барьером по сравнению с традиционным производством. Большинство металлических AM-приложений лучше всего подходят для низких и средних объемов производства, где преимущества персонализации и сокращения времени выполнения заказа перевешивают более высокую стоимость печатных деталей на сегодняшний день.

По мере снижения цен на оборудование и материалы для металлического AM, объемы производства и области применения будут расширяться во всех отраслях промышленности. С повышением качества и увеличением размеров сборки ускорится внедрение в крупносерийное производство.

Будущее аддитивного производства металлов

Несмотря на то, что аддитивное производство металлов все еще является развивающейся технологией, в ближайшие годы его ожидает значительный рост. Расширение областей применения, появление новых игроков и более широкое внедрение в цепочки поставок будут стимулировать рост рынка.

• По прогнозам, к 2028 году объем мирового рынка металлического AM превысит $15 миллиардов, увеличившись более чем в два раза с 2021 года. Ожидается, что на аэрокосмическую и медицинскую отрасли придется более 50% спроса.
• Производители систем разрабатывают станки с большим объемом сборки, многолазерное и более производительное оборудование, ориентированное на серийное производство.
• Помимо никелевых суперсплавов, становятся доступными и другие материалы, включая алюминий и стали повышенной прочности, драгоценные металлы, магний, инструментальную сталь и многое другое.
• Качество и повторяемость продолжают улучшаться благодаря современным средствам управления станками, программному обеспечению и оптимизированным рабочим процессам, позволяющим свести к минимуму количество проб и ошибок.
• Оптимизация цепочки поставок с помощью AM набирает обороты во всех отраслях промышленности, поскольку сроки выполнения заказа сокращаются, а технология становится более экономически эффективной для конечных компонентов, а не только для создания прототипов.
• Индивидуальное децентрализованное производство может снизить риски цепочки поставок и затраты на логистику. Будет развиваться локализованное производство по требованию.
• Правительства инвестируют значительные средства в исследования в области промышленной обработки металлов AM, программы развития рабочей силы и развитие региональных производственных экосистем на основе этой технологии.

Несмотря на то, что технология аддитивного производства металлов еще только формируется, она демонстрирует очевидные преимущества по сравнению с традиционным производством в различных областях применения - от аэрокосмических двигателей до имплантатов, подходящих для пациентов. По мере того как все больше заинтересованных сторон в цепочках поставок будут внедрять АМ, он будет способен изменить производство и обеспечить новую эру инноваций в дизайне.

Металл AM Часто задаваемые вопросы

В: Какие материалы совместимы с металлической 3D-печатью?

О: Печатать можно на большинстве промышленных металлов, включая нержавеющие стали, алюминиевые сплавы, титан, инструментальные стали, никелевые суперсплавы и другие. Некоторые процессы также поддерживают драгоценные металлы, такие как золото, серебро и платина.

В: Насколько точным является аддитивное производство металла?

О: Точность размеров для большинства процессов порошкового наплавления составляет около ±0,1-0,2 мм, что аналогично обработке на станках с ЧПУ. При направленном осаждении энергии - ±0,5 мм и более.

В: Требует ли металл AM какой-либо постобработки?

О: Как правило, требуется некоторая последующая обработка, например, обработка поверхности и термообработка. Опорные конструкции удаляются, а поверхность подвергается механической обработке, шлифовке или химической обработке для выравнивания и отделки деталей.

Вопрос: Каковы некоторые преимущества AM-технологии по сравнению с литьем или механической обработкой?

О: Преимущества включают свободу проектирования, облегченные конструкции, консолидацию деталей, уменьшение количества инструментов, ускорение сроков изготовления, массовую кастомизацию и многое другое. AM позволяет создавать оптимизированные формы, которые невозможны при использовании субтрактивных технологий.

В: Какие отрасли промышленности стимулируют внедрение 3D-печати металлов?

О: На сегодняшний день наибольшее число потребителей приходится на аэрокосмическую, медицинскую и стоматологическую отрасли, автомобильную и промышленную промышленность. Технология идеально подходит для сложного малосерийного производства, где преимуществами являются индивидуальный подход и снижение веса.

В: Насколько дороже металлический AM по сравнению с обычным производством?

О: Печатные металлические детали остаются более дорогими для массового производства. Для небольших партий, не превышающих 1000 единиц, AM может быть конкурентоспособным по стоимости и компенсироваться преимуществами гибкости конструкции, ускорения вывода на рынок, консолидации деталей и персонализации.