Металлические порошковые 3D-принтеры

Обзор

3D-принтеры с металлическим порошком с помощью лазера или электронного луча выборочно расплавляют и сплавляют металлический порошок в твердый 3D-объект. Эта технология аддитивного производства позволяет создавать сложные геометрические формы и легкие детали непосредственно на основе данных 3D CAD.

По сравнению с традиционными субтрактивными методами, такими как обработка с ЧПУ, 3D-печать металлов позволяет создавать сложные конструкции без типичных ограничений, связанных с доступом к инструментам или большим количеством деталей при сборке. Она обеспечивает свободу проектирования и сокращает время выхода на рынок легких компонентов для аэрокосмической, автомобильной, медицинской и общепромышленной отраслей.

Однако этот процесс может быть медленнее и дороже в расчете на одну деталь в зависимости от требований к объему. Для получения плотных, безпустотных деталей с требуемыми механическими свойствами необходимо оптимизировать множество параметров печати и этапов последующей обработки.

Виды Металлические порошковые 3D-принтеры

Существует две основные технологии, используемые при плавке металлических порошков - прямое лазерное спекание металлов (DMLS) и электронно-лучевое плавление (EBM). Основные различия заключаются в источнике тепла, атмосферных условиях, выборе порошка и области применения:

Принтеры DMLS используют мощный волоконный лазер, точно управляемый гальвосканерами или зеркалами, для выборочного расплавления микроскопических слоев металлического порошка в инертной аргоновой атмосфере. Сложные и тонкие структуры с мельчайшими деталями могут быть изготовлены с высокой точностью и гладкой поверхностью.

Среди популярных систем DMLS - серия EOS M, лазерные машины GE Additive Concept Laser, квадролазерный принтер Renishaw RenAM 500 и Lulzbot TAZ Pro с открытым исходным кодом.

Принтеры EBM Использует электронный луч в качестве источника тепла высокой интенсивности для полного расплавления слоев металлического порошка в вакууме. Быстрый сканирующий луч обеспечивает очень высокую скорость сборки, но более грубое разрешение - около 100 микрон.

EBM позволяет эффективно печатать пористые структуры, используемые в качестве костных имплантатов. Ведущие системы EBM производятся компанией ARCAM, которая теперь является брендом GE Additive и выпускает принтеры Arcam EBM Spectra H, Q10plus и Q20plus.

Металлические порошковые материалы

Большинство коммерческих металлических порошков для 3D-печати с порошковым слоем отвечают следующим требованиям:

Обычные сплавы Используются титан, алюминий, нержавеющая сталь, никелевые суперсплавы и кобальт-хром. Многие из них адаптированы к процессам AM и оптимизированы после многократного повторного использования.

Титан класса 5 Ti6Al4V популярен благодаря соотношению прочности и веса и биосовместимости. Алюминиевый сплав AlSi10Mg и компоненты из мартенситностареющей стали обладают высокой прочностью. Кобальт-хром широко используется для изготовления стоматологических и медицинских имплантатов.

Никелевые суперсплавы, такие как Inconel 718 и 625, обеспечивают превосходную жаро- и коррозионную стойкость при высоких температурах. Инструментальные стали могут быть закалены после печати до 60 HRC для повышения износостойкости.

По мере развития технологии в производство поступают порошки из экзотических металлов - алюминий-магний-скандий, медь-никель-олово, драгоценные металлы, такие как золото, платина и серебро.

Процесс печати

Хотя DMLS и EBM различаются по оборудованию, общие этапы плавки металла в порошковом слое следующие:

1. 3D CAD-модель, разработанная с учетом принципов AM-проектирования
2. STL-файл, обработанный с помощью программы для нарезки
3. Механизм осаждения порошка распространяет измеряемый слой
4. Лазер или луч сканирует шаблон среза в соответствии с файлом
5. Процесс повторяется до тех пор, пока весь объект не будет построен на опорной плите
6. Избыток порошка поддерживает деталь и поглощает напряжения
7. Принтер восстанавливает нерасплавленный порошок для повторного использования после фильтрации
8. Готовая 3D-печатная сборка извлекается из машины

Для металлов постобработка очень важно до ввода детали в эксплуатацию:

• Удаление опоры с помощью резки, абразивной обработки или химического растворения
• Горячее изостатическое прессование для устранения внутренних пустот.
• Термическая обработка для изменения микроструктуры
• Обработка поверхности - дробеструйная обработка, шлифовка, полировка
• Прецизионная обработка с соблюдением требований к допускам
• Проверка качества в соответствии с применением - точность размеров, плотность, механические свойства, микроструктура, дефекты поверхности

3D-печать металлов открывает новые возможности для применения благодаря:

Сложность конструкции - Замысловатые охлаждающие каналы, решетки, бионические формы

Персонализация - имплантаты, ориентированные на конкретного пациента, индивидуальные сплавы

Снижение веса - Легкие аэро- и автокомпоненты

Консолидация частей - интегрированные узлы, напечатанные как одна деталь

Быстрое прототипирование - ускоренная итерация проектов

Плюсы и минусы 3D-печати металлов

Гид покупателя - 3D-принтеры с металлическим порошком

Выбор лучшей системы 3D-печати с порошковым напылением металла для промышленного производства зависит от:

1) Постройте конверт: Максимальные размеры деталей - популярные размеры от 100-500 мм в кубе

2) Лазер/электронный луч: Мощность от 50 Вт до 5 кВт; более высокая мощность позволяет ускорить сборку

3) Материалы: Стоимость, механические требования, простота постобработки, уровни сертификации

4) Точность/отделка поверхности: Достижимая точность размеров и допуски; заданная шероховатость

5) Автоматизация: Системы обработки порошков, просеивание, переработка и программное обеспечение для управления

6) Цена: Стоимость оборудования от $100k до более $1M; учитывайте эксплуатационные расходы

7) Время ожидания + обслуживание: Графики установки от поставщиков; доступ к экспертным знаниям в области приложений

Области применения 3D-печати металлов

Аэрокосмическая промышленность

• Облегченные аэроструктуры и компоненты - титановые и алюминиевые сплавы
• Интегрированные узлы, объединенные в одну печатную деталь
• Сложные секции двигателя с конформными каналами охлаждения
• Быстрые прототипы для проверки дизайна

Медицинские приборы

• Индивидуальные черепные, спинные и ортопедические имплантаты - титановые и кобальт-хромовые
• Биомодели для хирургического планирования и руководства
• Соответствие имплантатов и инструментов пациенту

Автомобильная промышленность

• Легкое шасси и структурные детали из алюминия и стали
• Персонализированные автомобильные компоненты
• Объединение сложных деталей - блоки двигателей с охлаждением

Промышленное производство

• Облегчение компонентов и оптимизация конструкции
• Объединение деталей для улучшения функциональности
• Запасные части по требованию с сокращенным сроком поставки
• Металлические вставки для литья под давлением с конформным охлаждением

Поставщики 3D-принтеров с металлическим порошковым слоем

Металлический порошок для 3D-печати - поставщики

Анализ затрат

Как и большинство аддитивных технологий, плавление металлического порошка в настоящее время более дорогостоящее производство отдельных деталей по сравнению с традиционным массовым производством.

Однако он предлагает экономия средств за счет консолидации деталей, облегчения конструкции, и ускоренное время выхода на рынок во время разработки продукта.

Благодаря постоянному развитию автоматизации, увеличению скорости сборки и серийного производства, металлический AM По прогнозам, стоимость деталей станет конкурентоспособной по сравнению с механической обработкой в дорогостоящих отраслях.

Перспективы на будущее

Сплавление металла в порошковом слое будет и дальше набирать обороты в производстве деталей малого и среднего размера, которые не поддаются традиционным технологическим ограничениям.

Текущие тенденции в области 3D-печати металлическими порошками включают:

• Большие габаритные размеры, превышающие 500 мм куб.
• Дополнительные проверенные сплавы, такие как медь, золото, алюминий
• Улучшенные свойства материалов и качество обработки поверхности
• Ускоренное лазерное сканирование до 10 м/с для больших объемов
• Более стабильные механические характеристики для всех машин
• Расширенный диапазон марок материалов на одной системе
• Улучшенная обработка порошка и замкнутый цикл обработки
• Дополнительные гибридные системы с интегрированной обработкой
• Высококачественный поточный мониторинг и метрология
• Варианты принтеров и параметры процесса с учетом специфики отрасли
• Дополнительные высокопроизводительные системы для серийного производства

По мере распространения технологии и повышения ее конкурентоспособности по цене, несмотря на сложность, AM будет трансформировать производство во всех отраслях, позволяя массово изготавливать металлические детали по индивидуальному заказу.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Вопрос: Насколько дороги 3D-принтеры с металлическим порошком и связанные с этим эксплуатационные расходы?

О: Промышленные системы печати по металлу варьируются от $100 000 до $1M+. Эксплуатационные расходы самые высокие среди процессов AM - основная часть затрат приходится на порошковые материалы, инертную атмосферу и финишную обработку.

В: Металлические детали какого размера можно напечатать в 3D сегодня?

О: Возможны размеры до 500 x 500 x 500 мм, но в среднем ~300 мм на сторону. Многие промышленные компоненты попадают в этот диапазон. Существуют и более крупные системы длиной более метра.

Вопрос: Какие материалы, помимо обычных сталей и титана, разрабатываются для AM?

О: Металлообработка методом AM распространяется на тугоплавкие металлы, такие как вольфрам, молибден, тантал, а также на драгоценные металлы, используемые в ювелирном деле, включая золото, серебро и платиновые сплавы.

В: Насколько высока точность и качество обработки поверхности, получаемой на 3D-принтере с металлическим порошковым слоем?

О: Точность размеров после постобработки составляет около ±0,1-0,3%, при этом достижимы допуски ±0,05 мм. Шероховатость вертикальных поверхностей изначально составляет 5-15 микрон. Более высокое качество поверхности требует дополнительной фрезеровки/полировки.

Вопрос: Какие температуры и давление используются при спекании металлических порошковых отпечатков до полной плотности?

О: Зависит от сплава, но общие параметры HIP и спекания следующие: 1100-1300°C при давлении 100-200 МПа в течение 2-4 часов для достижения плотности твердого металла >99%. Детали, изготовленные методом SLM, достигли плотности 99,9%.

Вопрос: Какой процесс металлической 3D-печати быстрее всего подходит для серийного производства?

О: С точки зрения скорости сборки, системы электронно-лучевого плавления (EBM) производят детали в четыре раза быстрее, чем лазерные процессы, что делает их привлекательными для производства металлических деталей. Лазерные системы пытаются догнать их.

Вопрос: При 3D-печати с использованием металлического порошка получаются детали из изотропного или анизотропного материала?

A: Из-за экстремальных тепловых градиентов между расплавленным порошком и окружающими областями, металлы, изготовленные методом порошкового напыления, проявляют анизотропные свойства, при которых горизонтальные показатели растяжения отличаются от вертикальных на ~30% обычно.

Вопрос: Требуется ли термообработка для металлических печатных деталей DMLS и EBM?

О: Да, термическая обработка необходима для снятия внутренних напряжений, возникающих при послойном изготовлении, и доведения сплавов до заданных механических характеристик, касающихся твердости, пластичности и т.д.

В: Насколько экологична 3D-печать металлов с порошковым напылением по сравнению с традиционным производством металлов?

О: Системы AM повторно используют более 90% излишков металлического порошка во время сборки. А напечатанные компоненты требуют на 25-50% меньше веса основного материала благодаря легким, оптимизированным конструкциям - значительные преимущества с точки зрения устойчивого развития.

узнать больше о процессах 3D-печати