3D-принтеры с порошковым слоем

Обзор

порошковый 3d-принтер это технология аддитивного производства, хорошо подходящая для обработки высокоэффективных инженерных термопластов и металлов, которые не могут быть легко напечатаны методами экструзии. Лазерный или электронный луч избирательно послойно сплавляет участки порошкового слоя на основе данных САПР для создания сложных 3D-объектов.

Основными подкатегориями являются:

Сплав полимерных порошков (PBF) использование CO2 или ИК-лазера, и Металлический порошковый сплав (MPBF) с использованием волоконных лазеров или электронных пучков. Оба метода обеспечивают конкурентоспособную функциональность деталей, невозможную при использовании традиционных технологий производства, в плане облегчения конструкции, консолидации сборки, массовой персонализации и повышения производительности.

В этом руководстве представлен технический обзор различных технологий и материалов для 3D-печати с порошковым слоем, а также области применения, системные аспекты и будущие тенденции.

Виды 3D-принтеры с порошковым слоем

Существует несколько типов оборудования для аддитивного производства, использующих метод порошкового наплавления:

Полимерные принтеры с порошковым покрытием

Селективное лазерное спекание (SLS) Системы распределяют тонкий слой мелкодисперсного полимерного порошка по камере сборки и прикладывают тепловую энергию луча CO2-лазера в соответствии с каждым поперечным сечением 3D-модели CAD. Порошок плавится или спекается при нагревании и застывает при охлаждении, превращаясь в объект.

Популярные материалы для SLS включают в себя:

• Нейлон (PA12, PA11, PA6)
• Термопластичные эластомеры (TPE)
• ТПУ и другие современные гибкие смолы

Среди ведущих компаний, производящих SLS-принтеры, - EOS, 3D Systems, Farsoon и Ricoh.

Многоструйный синтез (MJF) также использует слои полимерного порошка, но плавкий агент и детализирующий агент выборочно наносятся струйными печатающими головками на слои вместе с инфракрасным нагревом для получения отпечатков высокого разрешения. Это позволяет создавать многоматериальные и многоцветные объекты. Распространенные смолы MJF:

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

Компания HP является ведущим поставщиком технологии MJF на сегодняшний день благодаря своей серии Jet Fusion. Компания Desktop Metal также выпустила систему Fiber AM на основе MJF.

Металлические порошковые принтеры

Селективное лазерное плавление (SLM) Оборудование фокусирует чрезвычайно точную энергию волоконного лазера в среде инертного газа на тонких слоях металлического порошка, чтобы полностью расплавить и сплавить частицы в плотные структуры слой за слоем, основанные непосредственно на геометрии CAD.

Электронно-лучевое плавление (ЭЛП) В принтерах используется мощный электронный луч в качестве источника тепла для полного расплавления частиц металлического порошка в каждом слое в вакуумной атмосфере. Быстрая обработка позволяет получать компоненты со свойствами, приближающимися к свойствам литых материалов.

Распространенные сплавы для MPBF включают:

• Нержавеющая сталь (316L, 17-4PH, 15-5)
• Инструментальная сталь (H13, S7)
• Титановые сплавы (Ti-6Al-4V)
• Алюминиевые сплавы (AlSi10Mg)
• Никелевые суперсплавы (Inconel 718)
• Кобальт-хром (CoCr)

Все ведущие поставщики оборудования для АМ-металлообработки, такие как EOS, Renishaw, 3D Systems, GE и SLM Solutions, предлагают машины для порошковой сварки.

Процесс печати для порошковый 3d-принтер

Общие этапы рабочего процесса аддитивного производства, характерные для всех вариантов порошкового наплавления:

1. Импорт модели CAD и оптимальная ориентация детали
2. Виртуальная нарезка и генерация траекторий лазерного сканирования
3. Равномерно распределите отмеренное количество пудры по всей поверхности
4. Выборочное расплавление материала в соответствии с контуром секции с помощью лазера или электронно-лучевого излучения
5. Опустите плиту и нанесите новый слой порошка.
6. Повторяйте цикл наслоения, пока не будет создан полный объект и опоры
7. Извлеките объект из порошкового пирога и восстановите нерасплавленные области
8. Постобработка деталей - очистка, термообработка, обработка и т.д.

Все процессы с использованием порошкового слоя требуют тщательной последующей обработки, такой как удаление облоя, обработка поверхности и обработка перед функциональным использованием.

Материалы для порошкового 3d-принтера

Свойства полимерных порошков

Виды металлических порошков

Применение порошкового 3d-принтера

Полимерные детали

• Функциональные прототипы со свойствами, напоминающими реальные пластмассы
• Индивидуальные потребительские товары, такие как чехлы для мобильных телефонов или обувь
• Автомобильные интерьеры и компоненты освещения
• Индукционные пресс-формы, оснастка и приспособления
• Высокотемпературные формы и воздуховоды для химикатов

Металлические компоненты

• Прототипы лопаток турбины и топливных форсунок для аэрокосмической промышленности
• Биосовместимые титановые имплантаты для коленей, бедер, черепа и позвоночника
• Легкие шасси, тормоза и детали трансмиссии для гоночных автомобилей и самолетов
• Конформные каналы охлаждения, интегрированные в литьевые формы
• Индивидуальные зубные коронки, субструктуры и мосты
• Термостойкие выхлопные коллекторы и инструментальные вставки

Руководство покупателя для 3D-принтеры с порошковым слоем

Выбор идеальной системы плавления в порошковом слое зависит от:

Некоторые ведущие модели охватывают:

Стартер - Система EOS Formiga P110 SLS, $100K

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

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

Перспективы на будущее

Системы порошкового наплавления будут развиваться и дальше:

• Большие корпуса длиной более 500 мм
• Дополнительные полимерные материалы, такие как PEKK и PPSF
• Сплавы с более высокими механическими характеристиками
• Улучшенная перерабатываемость порошка и замкнутый цикл переработки
• Ультрасовременная обработка поверхности без механической обработки
• Встроенный контроль и регулировка бассейна расплава в режиме реального времени
• Дополнительные гибридные системы с контролем качества на линии
• Значительное повышение производительности за счет более высокой мощности лазера и скорости сканирования

По мере преодоления технических барьеров и оптимизации производственных затрат AM будет трансформировать производство во всех отраслях - от аэрокосмической, медицинской и автомобильной до потребительских товаров, - позволяя распределенно и децентрализованно изготавливать компоненты конечного использования в коммерческих объемах.

Вопросы и ответы

Вопрос: Насколько дороже металлические 3D-печатные машины с порошковым напылением по сравнению с пластиковыми системами?

О: Промышленные принтеры для печати на металлических порошках стоят от $300 000 до более $1 миллиона, в то время как оборудование на основе полимеров начинается от $100 000. Эксплуатационные расходы также в 5-10 раз выше для металлических материалов и инертной обработки.

В: Детали какого размера можно напечатать 3D с помощью технологии порошкового напыления?

О: Металлические машины позволяют собирать кубы размером до 500 x 500 x 500 мм, а полимерные - до 800 x 500 x 375 мм. Возможны и более крупные конверты длиной более метра.

В: Какие материалы можно обрабатывать с помощью порошковой 3D-печати?

О: Можно печатать на всех высокоэффективных термопластах инженерного класса, таких как PEEK, ULTEM, PPSF, которые трудно поддаются экструзии FDM. На металлах можно печатать нержавеющие стали, титановые и никелевые сплавы, инструментальные стали, кобальт-хром и многое другое.

В: Насколько высока точность и качество поверхности, получаемой на принтере с порошковым покрытием, до какой-либо последующей обработки?

О: Точность размеров после постобработки составляет около ±0,1-0,3%, при этом возможны допуски менее 50 микрон. Шероховатость поверхности после печати значительно варьируется в пределах 15-150 микрон до финишной обработки.

Вопрос: Какой процесс порошкового наплавления обеспечивает самую высокую скорость сборки - SLS, DMLS или EBM?

О: Электронно-лучевое плавление (EBM) обеспечивает чрезвычайно высокую скорость производства - до 40 см3/час, что позволяет добиться очень высокой производительности. DMLS предлагает умеренные скорости, в то время как SLS сравнительно медленный.

В: Насколько экологична технология AM с порошковым напылением по сравнению с обработкой металлов и пластмасс?

О: Все технологии порошкового слоя позволяют повторно использовать более 90% нерасплавленного порошка после сборки для повторного использования. Облегченные оптимизированные геометрии также позволяют экономить материалы. Энергопотребление остается в центре внимания.

Вопрос: Какие факторы определяют цены на услуги печати методом порошкового напыления?

О: Стоимость материалов, время сборки, трудозатраты, финишная обработка, модель 3D-принтера, объем производства и сфера применения покупателя в основном определяют уровень цен на промышленные AM-детали сегодня.

Вопрос: В каких отраслях сегодня применяется аддитивное производство с использованием порошкового напыления?

О: Авиакосмические, медицинские, автомобильные, машиностроительные компании, специализирующиеся на производстве оснастки, приспособлений и инструмента, составляют более 60% коммерческих клиентов, изучающих возможности применения AM в производстве полимеров и металлов.

В: Какое специализированное программное обеспечение необходимо для оптимальной подготовки и печати 3D CAD-моделей?

О: Программное обеспечение для нарезки, например Materialise Magics и SLM Build Processor, автоматически ориентирует детали для получения наилучшей геометрии и свойств и адаптирует параметры сканирования. Некоторые производители принтеров поставляют собственные программные инструменты.

узнать больше о процессах 3D-печати