3D-skrivare för metallpulver

Översikt

3D-skrivare för metallpulver använder en laser- eller elektronstråle för att selektivt smälta och smälta samman metallpulver till ett fast 3D-objekt. Denna additiva tillverkningsteknik gör det möjligt att skapa komplexa geometrier och lättviktsdelar direkt från 3D CAD-data.

Jämfört med traditionella subtraktiva metoder som CNC-bearbetning kan 3D-printing i metall konstruera komplicerade konstruktioner utan de typiska begränsningarna med tillgång till verktyg eller höga detaljantal från montering. Det ger designfrihet och kortare tid till marknaden för lättviktskomponenter inom flyg- och rymdindustrin, fordonsindustrin, den medicinska sektorn och allmänna industriella tillämpningar.

Processen kan dock vara långsammare och dyrare per detalj beroende på volymkraven. För att uppnå täta, hålrumsfria komponenter med önskade mekaniska egenskaper krävs optimering av flera tryckparametrar och efterbehandlingssteg.

Typer av 3D-skrivare för metallpulver

Det finns två huvudtekniker som används vid smältning av metallpulver i metallbäddar - DMLS (Direct Metal Laser Sintering) och EBM (Electron Beam Melting). De viktigaste skillnaderna ligger i värmekälla, atmosfäriska förhållanden, pulveralternativ och tillämpningar:

DMLS-skrivare använder en högeffektsfiberlaser som styrs exakt av galvoskannrar eller speglar för att selektivt smälta mikroskopiska lager av metallpulver i en inert argonatmosfär. Komplexa och känsliga strukturer med fina detaljer kan tillverkas med hög noggrannhet och slät ytfinish.

Populära DMLS-system inkluderar EOS M-serien, GE Additive Concept Laser-maskiner, Renishaw RenAM 500 quad laserskrivare och open source Lulzbot TAZ Pro.

EBM Skrivare utnyttjar en elektronstråle som högintensiv värmekälla för att helt smälta metallpulverlager i vakuum. Den snabbt skannande strålen möjliggör mycket höga bygghastigheter, men med en grövre upplösning på cirka 100 mikrometer.

EBM kan effektivt skriva ut porösa strukturer som används som benimplantat. Ledande EBM-system tillverkas av ARCAM, nu ett varumärke inom GE Additive, som bygger Arcam EBM Spectra H-, Q10plus- och Q20plus-skrivarna.

Metallpulvermaterial

De flesta kommersiella metallpulver för 3D-utskrift i pulverbädd uppfyller följande specifikationer:

Vanliga legeringar används är titan, aluminium, rostfritt stål, nickel-superlegeringar och kobolt-krom. Många är anpassade för AM-processer och optimerade efter upprepad återvinning.

Titan grad 5 Ti6Al4V är populärt för sitt förhållande mellan styrka och vikt och för sin biokompatibilitet. Komponenter av aluminiumlegeringen AlSi10Mg och maråldrat stål har hög hållfasthet. Koboltkrom används i stor utsträckning för dentala och medicinska implantat.

Nickel-superlegeringar som Inconel 718 och 625 ger utmärkt värme- och korrosionsbeständighet vid höga temperaturer. Verktygsstål kan efter tryckning härdas till 60 HRC för extrem slitstyrka.

Exotiska metallpulver kvalificeras i takt med att tekniken utvecklas - aluminium-magnesium-scandium, koppar-nickel-tenn, ädelmetaller som guld, platina och silver har skrivits ut.

Tryckprocessen

Även om DMLS och EBM varierar i hårdvara, är de generiska stegen för fusion av metallpulverbäddar:

1. 3D CAD-modell utformad med hänsyn till AM-designprinciper
2. STL-fil bearbetad genom programvara för skivning
3. Pulverdeponeringsmekanism sprider uppmätt skikt
4. Laser eller ebeam skannar snittmönster enligt fil
5. Processen upprepas tills hela objektet är byggt på en basplatta
6. Överskottspulver stöder detaljen och absorberar spänningar
7. Skrivaren återvinner osmält pulver för återanvändning efter filtrering
8. Färdig 3D-printad konstruktion tas bort från maskinen

För metaller gäller följande efterbearbetning är avgörande innan en del tas i bruk:

• Avlägsnande av stöd genom skärning, blästring eller kemisk upplösning
• Varm isostatisk pressning för att eliminera inre hålrum
• Värmebehandling för att förändra mikrostrukturen
• Ytbehandling - blästring, slipning, polering
• Precisionsbearbetning för att uppfylla toleranskraven
• Kvalitetskontroller per applikation - måttnoggrannhet, densitet, mekaniska egenskaper, mikrostruktur, ytdefekter

3D-printning av metaller öppnar upp för viktiga tillämpningar tack vare:

Designens komplexitet - intrikata kylkanaler, gitter, bioniska former

Anpassning - patientspecifika implantat, skräddarsydda legeringar

Viktminskning - lättare flyg- och bilkomponenter

Konsolidering av delar - integrerade enheter som trycks som en enda del

Snabb prototyptillverkning - snabbare iteration av konstruktioner

För- och nackdelar med 3D-utskrift av metall

Guide för köpare - 3D-skrivare med metallpulverbädd

Att välja det bästa 3D-utskriftssystemet för fusion av metallpulverbäddar för industriell tillverkning beror på:

1) Bygg kuvertet: Maximala detaljmått - populära storlekar från 100-500 mm kuber

2) Laser / elektronstråle: Effektklassning från 50W-5kW; högre effekt möjliggör snabbare byggnation

3) Material: Kostnad, mekaniska krav, enkel efterbearbetning, certifieringsnivåer

4) Noggrannhet/ytfinish: Dimensionell precision och toleranser som kan uppnås; önskad grovhet

5) Automatisering: Pulverhanteringssystem, siktning, återvinning och programvara för styrning

6) Pris: Utrustningskostnad från $100k till över $1M; beakta driftskostnader

7) Ledtid + service: Installationsscheman från leverantörer; tillgång till applikationsexpertis

Tillämpningar av 3D-utskrift av metall

Flyg- och rymdindustrin

• Lättviktsstrukturer och komponenter för flygplan - titan- och aluminiumlegeringar
• Integrerade enheter som konsolideras till en tryckt del
• Komplexa motorsektioner med konforma kylkanaler
• Snabba prototyper för validering av design

Medicintekniska produkter

• Specialanpassade kraniala, spinala och ortopediska implantat - titan och koboltkrom
• Biomodeller för kirurgisk planering och vägledning
• Patientanpassade implantat och instrument

Fordon

• Lättviktschassi och strukturella delar i aluminium och stål
• Personligt anpassade komponenter till fordonsindustrin
• Konsolidering av komplexa delar - motorblock med kylning

Industriell tillverkning

• Lättviktskomponenter och strukturell optimering
• Konsolidering av delar för att förbättra funktionaliteten
• Reservdelar på begäran med kortare ledtider
• Verktygsinsatser för formsprutning av metall med konform kylning

Leverantörer av 3D-skrivare med metallpulverbädd

Metallpulver för 3D-utskrift - Leverantörer

Kostnadsanalys

Liksom de flesta additiva tekniker är bäddfusion av metallpulver för närvarande dyrare för enskilda delar som tillverkas jämfört med konventionell masstillverkning.

Den erbjuder dock Kostnadsbesparingar genom konsolidering av delar, lättvikt, och snabbare tid till marknad under produktutvecklingen.

Med den pågående utvecklingen inom automation, snabbare bygghastigheter och serieproduktion har metall-AM förväntas bli kostnadsmässigt konkurrenskraftiga med maskinbearbetade komponenter i högvärdiga industrier.

Framtidsutsikter

Metallpulverbäddfusion kommer att fortsätta att bli allt vanligare för små till medelstora detaljer som tänjer på gränserna för konventionell tillverkning.

Pågående trender inom 3D-printing med metallpulver inkluderar:

• Större byggytor över 500 mm kuber
• Ytterligare validerade legeringar som koppar, guld, aluminium
• Förbättrade materialegenskaper och ytfinish
• Snabbare laserskanning upp till 10 m/s för högre volymer
• Mer repeterbar mekanisk prestanda mellan olika maskiner
• Utökat utbud av materialkvaliteter i ett enda system
• Förbättrad pulverhantering och bearbetning i slutna kretsar
• Ytterligare hybridsystem med integrerad maskinbearbetning
• Högkvalitativ inline-övervakning och metrologi
• Branschspecifika skrivarvarianter och processparametrar
• Ytterligare högproduktiva system för serieproduktion

I takt med att tekniken sprids och blir mer kostnadseffektiv trots sin komplexitet kommer AM att förändra tillverkningen inom olika sektorer och möjliggöra massanpassning av metalldelar för slutanvändning på begäran.

VANLIGA FRÅGOR

Fråga: Hur dyra är 3D-skrivare för metallpulver och tillhörande driftskostnader?

S: Industriella metalltryckssystem ligger i intervallet $100.000 till $1M+. Driftskostnaderna är de högsta bland AM-processerna - pulvermaterial, inerta atmosfärer och efterbehandling står för huvuddelen av utgifterna.

F: Hur stora metalldelar kan 3D-printas idag?

S: Mått på upp till 500 x 500 x 500 mm är möjliga, men ~300 mm per sida är genomsnittet. Många industrikomponenter ligger inom detta intervall. Större system som är över en meter långa finns också.

Q: Vilka avancerade metaller utvecklas för AM utöver konventionella stål och titan?

S: AM-utvecklingen för metall expanderar till eldfasta metaller som volfram, molybden och tantal samt ädelmetaller som används i smycken, inklusive guld-, silver- och platina-legeringar.

Q: Hur bra är noggrannheten och ytfinishen som kommer från en 3D-skrivare med metallpulverbädd?

A: Måttnoggrannheten efter efterbearbetning är cirka ±0,1-0,3% medan toleranser på ±0,05 mm är möjliga. Vertikala ytor uppvisar initialt en ytjämnhet på 5-15 mikrometer. Högre ytkvalitet innebär ytterligare fräsning/polering.

F: Vilka temperaturer och tryck används vid sintring av metallpulver till full densitet?

A: Beror på legering, men vanliga HIP- och sintringsparametrar är 1100-1300°C temperatur vid 100-200 MPa under 2-4 timmar för att uppnå >99% solid metalldensitet. SLM-delar har nått 99,9% soliditet.

F: Vilken 3D-utskriftsprocess för metall är snabbast för serieproduktion?

S: När det gäller bygghastigheten producerar EBM-system (elektronstrålesmältning) detaljer mer än fyra gånger snabbare än laserbaserade processer, vilket gör dem attraktiva för tillverkning av metalldetaljer. Lasersystemen arbetar för att komma ikapp.

F: Producerar 3D-utskrift med metallpulverbädd isotropa eller anisotropa materialdelar?

A: På grund av extrema termiska gradienter mellan smält pulver och omgivande områden uppvisar metaller tillverkade med pulverbädd anisotropiska egenskaper där horisontella dragtal skiljer sig från vertikala med ~ 30% typiskt.

F: Krävs värmebehandling för metalldelar som trycks med DMLS och EBM?

S: Ja, värmebehandling är nödvändig för att minska inre spänningar från lager-på-lager-konstruktionen och för att legeringar ska uppnå önskade mekaniska specifikationer avseende hårdhet, duktilitet etc.

F: Hur hållbar är 3D-printning av metall i pulverbädd jämfört med traditionell metalltillverkning?

S: AM-system återanvänder över 90% av överflödigt metallpulver under tillverkningen. Och tryckta komponenter kräver 25-50% mindre basmaterialvikt tack vare lätta, optimerade konstruktioner - betydande hållbarhetsfördelar.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser