Additiv tillverkning av metall: En omfattande guide

Översikt över additiv tillverkning av metall

Metall additiv tillverkning, även kallad 3D-utskrift av metall, är en revolutionerande teknik för att snabbt tillverka metalldelar direkt från 3D-modelldata. Till skillnad från subtraktiva tillverkningsmetoder som CNC-bearbetning som avlägsnar material, bygger additiv tillverkning upp komponenter lager för lager med hjälp av metaller som rostfritt stål, aluminium, titan, nickellegeringar med mera.

Jämfört med traditionell tillverkning möjliggör AM-metall större designfrihet, kundanpassning och optimering som kan minska vikten, materialanvändningen och ledtiderna. Delar kan sammanfogas till ett enda stycke, förses med konforma kylkanaler eller utformas med organiska former som inte är möjliga med gjutning eller maskinbearbetning. 3D-printing i metall ger nya möjligheter till innovation inom branscher som flyg- och rymdindustrin, medicinteknik, bilindustrin och energisektorn.

Denna omfattande guide ger tekniska detaljer om de olika AM-processerna för metall, material, tillämpningar, fördelar och begränsningar. Nyckelinformation presenteras i tabeller som är lätta att jämföra för att belysa möjligheterna och avvägningarna mellan olika 3D-utskriftstekniker för metall. Läs vidare för en djupgående titt på hur additiv tillverkning revolutionerar metalltillverkning.

Huvuddragen i additiv tillverkning av metall:

• Tillverkar helt täta metalldelar för slutanvändning från digitala 3D CAD-modeller
• Lägger till material lager för lager till skillnad från subtraktiva metoder som maskinbearbetning
• Möjliggör komplexa, optimerade geometrier som inte är möjliga med gjutning eller maskinbearbetning
• Minskar avfall, energianvändning och ledtider jämfört med traditionella tekniker
• Möjliggör snabb prototyptillverkning samt direkt tillverkning av detaljer
• Utökade tillämpningar inom flyg-, medicin- och fordonsindustrin samt andra sektorer

Olika typer av additiva tillverkningsprocesser för metall

Det finns flera olika sätt att trycka metalldelar additivt. De viktigaste AM-processkategorierna för metall inkluderar pulverbäddfusion, deponering med riktad energi, bindemedelsstrålning och ark laminering. Varje process har unika egenskaper när det gäller material, noggrannhet, kostnader och mycket mer.

Tabell 1: Översikt över de viktigaste processerna för additiv tillverkning av metall

Fusion av pulverbädd tekniker som selektiv lasersmältning (SLM) och elektronstrålesmältning (EBM) är för närvarande de mest använda AM-processerna för metall. De erbjuder hög upplösning i nivå med maskinbearbetning, goda materialegenskaper och ett brett utbud av metaller från rostfritt stål till nickelbaserade legeringar. Råmaterialet är ett fint metallpulver som sprids ut i lager och smälts selektivt med hjälp av en fokuserad värmekälla i en kammare med kontrollerad atmosfär.

Deposition med riktad energi metoder som LENS (laser engineered net shaping) fokuserar en smältbassäng på ett substrat och tillför material kontinuerligt. Detta gör det möjligt att bygga upp större detaljer genom att deponera smält pulver eller trådmaterial. Upplösningen är lägre men byggstorleken är inte begränsad som vid pulverbäddsmetoder. Mindre efterbearbetning krävs men ytfinishen är sämre.

Sprutning av bindemedel använder flytande bindemedel för att sammanfoga lager av metallpulver. De resulterande "gröna" delarna måste sedan sintras och infiltreras med koppar eller brons för att uppnå full densitet. Även om materialalternativen för närvarande är begränsade kan bindemedelsjetting producera ett stort antal små komplicerade metalldelar till ett lägre pris.

Laminering av ark sammanfogar tunna lager av plåt med hjälp av lim eller svetsning. Lasrar eller CNC-bearbetning skär sedan ut stapeln till en 3D-form. Det ger god noggrannhet men har geometriska begränsningar baserat på plåttjockleken.

Varje process har sina fördelar och tillämpningar som passar bäst. Valet av rätt AM-teknik för metall beror på faktorer som materialkrav, precision, ytfinish, batchstorlek och kostnad.

Material för additiv tillverkning av metall

Ett brett spektrum av metaller, från rostfritt stål till superlegeringar, kan tryckas med hjälp av pulverbäddsfusion, deponering med riktad energi, bindemedelsstrålning och laminering av plåtar. De vanligaste AM-materialen för metall inkluderar:

Tabell 2: Vanliga material för additiv tillverkning av metall

Rostfria stål som 316L och 17-4PH används ofta inom industrin tack vare deras styrka, korrosionsbeständighet och relativt enkla tryckning och efterbearbetning.

Aluminiumlegeringar som AlSi10Mg möjliggör lättviktsdelar för flyg- och bilindustrin som är svåra att bearbeta eller gjuta.

Titanlegeringar som Ti64 har ett högt förhållande mellan styrka och vikt, vilket är idealiskt för strukturella komponenter, samt biokompatibilitet.

Superlegering av nickel pulver såsom Inconel 718 och 625 har utmärkta mekaniska egenskaper vid höga temperaturer för krävande applikationer.

Pulver av koboltkromlegering har hög styvhet, biokompatibilitet och slitstyrka och lämpar sig för medicinska implantat och verktyg.

Verktygsstål inklusive H13, D2 och Maraging Steel erbjuder mycket hög hårdhet, hållfasthet och termisk stabilitet för verktyg som formsprutningsformar eller smidesformar.

FoU-insatserna utökar listan över metaller som är kompatibla med AM-processer. Mer exotiska legeringar som ädelguld eller platina används också för specialiserade applikationer som smycken eller elektronik.

Specifikationer för additiv tillverkning av metall

Viktiga faktorer som definierar kapaciteten hos en AM-maskin för metall är byggvolym, lagerupplösning, precision och material som stöds. Krav som noggrannhet, ytfinish och värmebehandling beror på den specifika tillämpningen.

Tabell 3: Specifikationer och kapacitet för AM-utrustning för metall

Bygg volym för de flesta pulverbädds- och riktade energisystem sträcker sig från några kubikcentimeter upp till cirka en kubikfot. Större utrustning finns tillgänglig för bindemedelsstrålning eller laminering av ark.

Skiktets tjocklek under byggprocessen kan varieras från 20-100 mikrometer för fin upplösning i storleksordningen av en maskinists finish. Tunnare skikt förbättrar ytfinishen men ökar också byggtiden.

Precision som kan uppnås är ±0,1-0,2 mm för pulverbäddfusion och ±0,5 mm för deponering med riktad energi beroende på den specifika AM-maskin som används.

Uppnåelig ytfinish i byggt skick varierar från 10-25 mikron (Ra) och 20-100 mikron (Rz) men kommer att kräva efterbearbetning som slipning för att förbättras.

Praktiskt taget alla metallegeringar från rostfritt stål till titan och nickellegeringar kan skrivas ut, och utbudet av material har fördubblats under de senaste åren.

Leverantörer av utrustning för additiv tillverkning av metall

En rad företag tillhandahåller industriella AM-system för metall samt tryckeritjänster. De ledande leverantörerna som erbjuder utrustning för pulverbäddsfusion, deponering med riktad energi, bindemedelsstrålning och laminering av ark inkluderar:

Tabell 4: Större leverantörer av system för additiv tillverkning av metall

Tyskt företag EOS var pionjärer inom DMLS-tekniken (Direct Metal Laser Sintering) och erbjuder ett brett utbud av industriella skrivare för metaller som titan, aluminium och nickellegeringar.

SLM-lösningar tillhandahåller också utrustning för pulverbäddsfusion som kan bearbeta stål, titan, aluminium och andra metaller med byggvolymer på upp till 500 kubikcentimeter.

HP, stationär metall, och ExOne pressning av bindemedel med fokus på högvolymsproduktion av små, komplexa komponenter i rostfritt stål eller legerat stål.

Sciaky och Optomec levererar system för deponering av riktad energi för storskalig metalltryckning med superlegeringar av titan, aluminium och nickel.

Fabrisonic använder patenterad additiv tillverkning med ultraljud för att bädda in ledningar, sensorer och annat i metalldelar.

AM-utrustning för metall varierar vanligtvis från $100.000 till $1 miljon+ i initial kapitalinvestering beroende på produktionskapacitet, även om priserna faller snabbt. Materialkostnaderna varierar kraftigt beroende på vilken specifik legering som används.

Tillämpningar för additiv tillverkning av metall

Additiv tillverkning av metall ger ny designfrihet och kapacitet som är väl lämpad för flyg-, medicin-, fordons- och allmänna industriella applikationer som t.ex:

Flyg- och rymdindustrin: Lättviktsfästen och komplexa strukturer, motorkomponenter med konform kylning och konsolidering av delar för att minska vikt, materialanvändning och ledtider

Medicinsk: Anpassade ortopediska implantat, kirurgiska instrument med tunna väggar och gitterstrukturer för att förbättra osseointegration med ben, tandfyllningar

Fordon: Lätta gitterstrukturer, massanpassning av komponenter, verktyg som jiggar och fixturer för att förbättra arbetsflödena i fabrikerna

Industri/konsument: Belysning, möbler, sportartiklar och musikinstrument som utnyttjar organiska former, massanpassning och lätta gitterstrukturer

Verktyg: Konforma kylkanaler kan bäddas in i formsprutningsformar, matriser och verktygsinsatser för att minska cykeltiderna. Snabb leverans av reservdelar till verktyg.

Olja & Gas: Specialanpassade rörledningsarmaturer, strukturella komponenter som riggar och ventilblock för högt tryck/korrosiva miljöer.

Tekniken används också för snabbframtagning av verktyg, fixturer och prototyper inom produktutveckling i många branscher. Nedan följer några exempel på AM-tillämpningar i metall och fördelar jämfört med konventionell tillverkning:

Tabell 5: Tillämpningar och fördelar med additiv tillverkning av metall

Additiv tillverkning ger ingenjörer oöverträffad designfrihet att tillverka metallkomponenter som inte är möjliga eller ekonomiska med gjutning, maskinbearbetning eller andra konventionella tillverkningstekniker.

Fördelar och nackdelar med Metal AM

Jämfört med subtraktiv tillverkning och andra traditionella metalltillverkningsmetoder erbjuder AM flera viktiga fördelar men också begränsningar att ta hänsyn till:

Tabell 6: Additiv tillverkning av metall - fördelar och nackdelar

De främsta fördelarna med AM i metall är designfrihet, delkonsolidering, Anpassning, och snabbare produktutveckling cykler. Lättvikts- och materialbesparingar är också möjliga för branscher som flyg- och fordonsindustrin.

Men den mindre bygga volymer, högre kostnaderoch brist på material Tillgänglighet i kommersiell skala är fortfarande ett hinder jämfört med traditionell tillverkning. De flesta AM-tillämpningar för metall lämpar sig bäst för låga till medelstora produktionsvolymer där fördelarna med kundanpassning och kortare ledtider uppväger de högre kostnaderna för tryckta detaljer idag.

I takt med att priserna på utrustning och material för metall-AM sjunker kommer produktionsvolymerna och tillämpningarna att fortsätta öka inom allt fler branscher. Med förbättrad kvalitet och större byggstorlekar kommer införandet att påskyndas för tillverkning av stora volymer.

Framtiden för additiv tillverkning av metall

Additiv tillverkning av metall är fortfarande en ny teknik som kommer att växa betydligt under de närmaste åren. Utökade tillämpningar, nya aktörer och ökad användning i hela leveranskedjan kommer att driva på marknadsexpansionen.

• Den globala AM-marknaden för metall förväntas överstiga $15 miljarder år 2028, vilket är mer än en fördubbling sedan 2021. Flyg- och medicinsektorn väntas stå för över 50% av efterfrågan.
• Systemtillverkarna utvecklar maskiner med större byggvolymer, multilaser och utrustning med högre produktivitet som är inriktad på serieproduktionstillämpningar.
• Allt fler material blir tillgängliga utöver nickel-superlegeringar, inklusive aluminium och stål med högre hållfasthet, ädelmetaller, magnesium, verktygsstål med mera.
• Kvalitet och repeterbarhet fortsätter att förbättras med avancerade maskinstyrningar, mjukvara och strömlinjeformade arbetsflöden för att minimera försök och misstag.
• Optimering av leveranskedjan med hjälp av AM blir allt vanligare i olika branscher i takt med att ledtiderna krymper och tekniken blir mer kostnadseffektiv för slutanvändarkomponenter jämfört med prototyper.
• Kundanpassad, decentraliserad tillverkning kan minska riskerna i leveranskedjan och logistikkostnaderna. Lokaliserad produktion på begäran kommer att växa.
• Regeringar gör betydande investeringar i industriell metall-AM-forskning, program för utveckling av arbetskraften och utveckling av regionala ekosystem för tillverkning kring tekniken.

Metalltillverkning är fortfarande under mognad, men har visat tydliga fördelar jämfört med konventionell tillverkning i olika tillämpningar, från flygmotorer till patientanpassade implantat. I takt med att fler intressenter i hela leveranskedjan börjar använda AM kommer det att förändra tillverkningen och möjliggöra en ny era av designinnovation.

Vanliga frågor om Metal AM

F: Vilka material är kompatibla med 3D-utskrifter i metall?

S: De flesta industrimetaller kan tryckas, inklusive rostfritt stål, aluminiumlegeringar, titan, verktygsstål, nickel-superlegeringar med mera. Vissa processer stöder också ädelmetaller som guld, silver och platina.

F: Hur exakt är additiv tillverkning av metall?

A: Måttnoggrannheten för de flesta fusionsprocesser med pulverbädd är cirka ± 0,1-0,2 mm, liknande CNC-bearbetning. Deposition med riktad energi är ±0,5 mm eller mer.

Q: Kräver metall AM någon efterbearbetning?

S: Viss efterbearbetning som ytbehandling och värmebehandling behövs vanligtvis. Stödstrukturer tas bort och ytan bearbetas, slipas eller behandlas kemiskt för att jämna ut och färdigställa delarna.

F: Vilka är fördelarna med AM-metall jämfört med gjutning eller maskinbearbetning?

S: Fördelarna inkluderar designfrihet, lättviktsstrukturer, konsolidering av delar, mindre verktyg, kortare ledtider, massanpassning med mera. AM möjliggör optimerade former som inte är möjliga med subtraktiva tekniker.

F: Vilka branscher driver på införandet av 3D-printing i metall?

S: Flyg-, medicin-/dental-, fordons- och industrisektorerna är de största användarna idag. Tekniken är idealisk för komplex lågvolymproduktion där kundanpassning och viktminskning är fördelar.

Q: Hur dyrt är AM i metall jämfört med konventionell tillverkning?

S: Tryckta metalldelar är fortfarande dyrare för massproduktion. För små partistorlekar under 1000 enheter kan AM vara kostnadsmässigt konkurrenskraftigt och kompenseras av fördelarna med designflexibilitet, snabbare time-to-market, delkonsolidering och kundanpassning.