3D-skrivare med pulverbädd

Översikt

3d-skrivare med pulverbädd är en additiv tillverkningsteknik som lämpar sig väl för bearbetning av högpresterande tekniska termoplaster och metaller som inte enkelt kan tryckas med extruderingsbaserade metoder. En laser- eller elektronstråle smälter selektivt samman regioner i en pulverbädd lager för lager baserat på CAD-data för att konstruera komplexa 3D-objekt.

De viktigaste underkategorierna är:

Polymer pulverbäddsfusion (PBF) använder en CO2- eller IR-laser, och Fusion av metallpulverbäddar (MPBF) med hjälp av fiberlasrar eller elektronstrålar. Båda erbjuder konkurrenskraftiga funktioner som är omöjliga att uppnå med traditionella tillverkningstekniker när det gäller lättviktsdesign, konsolidering av montering, massanpassning och prestandaförbättring.

Den här guiden ger en teknisk översikt över olika 3D-printingtekniker och material med pulverbädd samt tillämpningar, systemöverväganden och framtida trender.

Typer av 3D-skrivare med pulverbädd

Det finns flera olika typer av utrustning för additiv tillverkning som utnyttjar pulverbäddsfusion:

Kategori	Beskrivning
Selektiv lasersintring (SLS)	Sintrar polymerpulver med hjälp av en CO2-laser
Multi Jet Fusion (MJF)	Binder plastpulver med bläckstråleskrivna fixerings- och detaljmedel
Selektiv lasersmältning (SLM)	Fullständig sammansvetsning av metallpulver med fiberlaser
Direkt metallsintring med laser (DMLS)	Smälter samman metallpulver genom lasersmältning
Smältning med elektronstråle (EBM)	Använder elektronstråle i vakuum för att smälta metallpulverbäddar

Fusionsskrivare med polymerpulverbädd

Selektiv lasersintring (SLS) systemen fördelar ett tunt lager fint polymerpulver över en byggkammare och tillför värmeenergi från en CO2-laserstråle i enlighet med varje tvärsnitt från 3D CAD-modellen. Pulvret smälter eller sintrar ihop vid uppvärmning och stelnar under kylning för att bli objektet.

Populära material för SLS är bland annat

• Nylon (PA12, PA11, PA6)
• Termoplastiska elastomerer (TPE)
• TPU och andra avancerade flexibla hartser

Bland de ledande SLS-skrivarföretagen finns EOS, 3D Systems, Farsoon och Ricoh.

Multi Jet Fusion (MJF) använder sig också av polymerpulverbäddar, men ett smältmedel och ett detaljmedel deponeras selektivt av bläckstråleskrivhuvuden över lagren tillsammans med infraröd uppvärmning för att uppnå högupplösta utskrifter. Det möjliggör objekt av flera material och i flera färger. Vanliga MJF-hartser:

• HP 3D Hög återanvändbarhet PA12
• HP 3D Hög återanvändbarhet PA11
• HP 3D Hög återanvändbarhet TPA

HP är den främsta leverantören av MJF-teknik idag genom sin Jet Fusion-serie. Desktop Metal har också lanserat ett Fiber AM-system baserat på MJF.

Fusionskrivare med metallpulverbädd

Selektiv lasersmältning (SLM) utrustningen fokuserar extremt exakt fiberlaserenergi i en miljö med inert gas över tunna lager av metallpulver för att helt smälta och smälta samman partiklar till täta strukturer lager för lager baserat direkt på CAD-geometrier.

Smältning med elektronstråle (EBM) använder en kraftfull elektronstråle som värmekälla för konsolidering för att smälta metallpulverpartiklar över varje lager i en vakuumatmosfär. Den snabba bearbetningen leder till komponenter med egenskaper som närmar sig gjutna material.

Vanliga legeringar för MPBF inkluderar:

• Rostfritt stål (316L, 17-4PH, 15-5)
• Verktygsstål (H13, S7)
• Titanlegeringar (Ti-6Al-4V)
• Aluminiumlegeringar (AlSi10Mg)
• Superlegeringar av nickel (Inconel 718)
• Koboltkrom (CoCr)

Alla ledande leverantörer av utrustning för metall-AM som EOS, Renishaw, 3D Systems, GE och SLM Solutions erbjuder maskiner för pulverbäddsfusion.

Utskriftsprocess för 3d-skrivare med pulverbädd

Det generiska arbetsflödet för additiv tillverkning som är gemensamt för alla varianter av pulverbäddfusion:

1. Importera CAD-modell och orientera detaljen optimalt
2. Virtuellt skära och generera laserskanningsbanor
3. Fördela den uppmätta mängden pulver jämnt över byggytan
4. Selektiv smältning av material enligt sektionsritning med laser eller ebeam
5. Sänk byggplattan och lägg på nytt pulverskikt
6. Upprepa skiktningscykeln tills hela objektet och stöden är byggda
7. Ta bort objektet från pulverkakan och återställ osmälta regioner
8. Efterbearbetning av delar – rengöring, värmebehandling, maskinbearbetning etc.

Alla pulverbäddsprocesser kräver omfattande efterbearbetning som borttagning av stöd, ytbearbetning och behandlingar före funktionell användning.

Material för 3d-skrivare med pulverbädd

Egenskaper för polymerpulver

Material	Täthet	Draghållfasthet	Förlängning %	Användningsområden
PA12	0.9-1,1 g/cm3	45-65 MPa	15-50%	Polymer för SLS-prototyptillverkning för allmänt bruk
TPU 92A	1.1-1,3 g/cm3	6 MPa	220-240%	Flexibla, gummiliknande delar via SLS
PEEK	1.3-1,4 g/cm3	100 MPa	30-60%	Delar av höghållfast konstruktionsplast

Typer av metallpulver

Legering	Täthet	Smältpunkt	Användningsområden
Aluminium AlSi10Mg	2,7 g/cm3	600°C	Lättviktskomponenter för flyg- och bilindustrin
Titan Ti-6Al-4V	4,4 g/cm3	1655°C	Implantat och höghållfasta strukturer
Verktygsstål H13	7.7 g/cm3	1320°C	Hållbara verktyg för gjutning och extrudering
Rostfritt stål 316L	8,0 g/cm3	1375°C	Korrosionsbeständiga kärl, ventiler, hårdvara
Inconel 718	8,2 g/cm3	1260-1336°C	Värme- och krypresistenta flygmotordelar vid höga temperaturer

Tillämpningar av 3d-skrivare med pulverbädd

Polymera delar

• Funktionella prototyper med egenskaper som liknar verkliga plastmaterial
• Kundanpassade konsumentvaror som mobilskal eller skor
• Fordonsinteriörer och belysningskomponenter
• Induktionsformar och jiggar & fixturer
• Formar för höga temperaturer och kanaler för kemikalier

Metallkomponenter

• Prototyper av turbinblad och bränsleinsprutare för flyg- och rymdindustrin
• Biokompatibla titanimplantat för knä, höft, kranie- och ryggkirurgi
• Lättviktsdelar till chassi, bromsar och drivlina för racerbilar och flygplan
• Konforma kylkanaler integrerade i formsprutningsverktyg
• Specialanpassade tandproteser, substruktioner och broar
• Värmebeständiga avgasgrenrör och verktygsinsatser

Köparens’guide för 3D-skrivare med pulverbädd

Valet av ett idealiskt fusionssystem för pulverbäddar beror på:

Kriterier	Viktiga överväganden
Bygg kuvertet	Maximalt möjliga dimensioner på detaljerna. Från 5 tum till 500 mm+
Material	Tillgängliga hartser från polymerer till reaktiva metaller som uppfyller applikationsbehoven
Precision	X-Y-upplösning från ~100 mikrometer ner till 5 mikrometer för fina detaljer
Ytfinish	Sidoväggarnas kvalitet varierar från 15 mikrometer till 150+. Kan kräva efterbearbetning.
Automatisering	Manuell eller automatiserad pulverhantering. Bearbetning i slutna kretsar föredras.
Programvara	Generativ designintegration för topologioptimering. Snabb skivning.
Prisintervall	Systemkostnader i förskott från 100 000 dollar till över 1 miljon dollar. Tänk också på driftskostnaderna.
Ledande tidningar	Installations- och leveransscheman. Utbildningslängd för operatörer.

Några ledande modeller span:

Start – EOS Formiga P110 SLS-system, $100K

Professionell – 3D Systems DMP Factory 500, 400 000 dollar

Industriell – GE Additive X Line 2000R, >$1M

Framtidsutsikter

Pulverbäddsfusionssystem kommer att fortsätta att utvecklas med:

• Större byggkuvert över 500 mm långa
• Ytterligare polymermaterial som PEKK och PPSF
• Legeringar med högre mekanisk prestanda
• Förbättrad återvinningsbarhet för pulver och slutna kretslopp
• Banbrytande ytfinhet utan maskinbearbetning
• Integrerad övervakning och justering av smältbadet i realtid
• Ytterligare hybridsystem med inbyggd kvalitetssäkring
• Dramatiskt ökad produktivitet genom högre lasereffekt och snabbare skanningshastigheter

I takt med att tekniska hinder övervinns och produktionskostnaderna optimeras kommer AM att förändra tillverkningen inom allt från flyg, medicinteknik och fordon till konsumentprodukter genom att möjliggöra distribuerad och decentraliserad tillverkning av slutanvändarkomponenter i kommersiella volymer.

Vanliga frågor

F: Hur dyra är 3D-utskriftsmaskiner för metall med pulverbäddfusion jämfört med plastsystem?

S: Industriella metallpulverbäddsskrivare sträcker sig från $ 300.000 till över $ 1 miljon medan polymerbaserad utrustning börjar på $ 100.000. Driftskostnaderna är också 5-10X högre för metallmaterial och inert bearbetning.

F: Hur stora delar kan 3D-printas med pulverbäddsfusionsteknik?

A: Metallmaskinerna klarar byggvolymer på upp till 500 x 500 x 500 mm kuber, medan polymererna klarar dimensioner på upp till 800 x 500 x 375 mm. Större kuvert som är över en meter långa är också tillgängliga.

F: Vilka material kan bearbetas med 3D-utskrift med pulverbädd?

A: Alla högpresterande och tekniska termoplaster som PEEK, ULTEM, PPSF kan tryckas som är svåra för FDM-extrudering. På metaller kan rostfritt stål, titan- och nickellegeringar, verktygsstål, koboltkrom och mer kvalificeras.

F: Hur bra är noggrannheten och ytfinishen hos en pulverbäddsskrivare innan någon efterbearbetning?

A: Måttnoggrannheten efter efterbearbetning är cirka ±0,1-0,3% medan toleranser under 50 mikrometer är möjliga. Den tryckfärdiga ytjämnheten varierar avsevärt mellan 15-150 mikrometer före eventuell efterbehandling.

F: Vilken pulverbäddsfusionsprocess ger de snabbaste bygghastigheterna: SLS, DMLS eller EBM?

S: Elektronstrålesmältning (EBM) ger extremt höga bygghastigheter på upp till 40 cm3/timme, vilket möjliggör mycket hög produktivitet. DMLS erbjuder måttliga hastigheter medan SLS är jämförelsevis ganska långsam.

Q: Hur hållbar är pulverbädds-AM jämfört med bearbetning av metaller och plaster?

S: Alla pulverbäddstekniker återanvänder över 90% av det osmälta pulvret efter byggnation för återvinning. Lättviktsoptimerade geometrier sparar också material. Energianvändningen är ett fortsatt fokusområde.

F: Vilka faktorer leder till prissättning av utskriftstjänster för pulverbäddsfusion?

A: Materialkostnader, byggtid, arbetskraft, efterbehandling, 3D-skrivarmodell, produktionsvolym och köparens applikationssektor styr i hög grad prisnivåerna för industriella AM-delar idag.

Q: Vilka branscher är ledande inom additiv tillverkning med pulverbäddfusion idag?

A: Företag inom flyg-, medicin-, fordons- och maskinkonstruktion med fokus på jiggar, fixturer och verktyg utgör över 60% av de kommersiella kunder som utforskar AM-produktionsapplikationer med polymerer och metaller.

Q: Vilken specialprogramvara krävs för att förbereda och skriva ut 3D CAD-modeller på bästa sätt?

S: Skivningsprogram som Materialise Magics och SLM Build Processor orienterar automatiskt delarna för bästa geometri och egenskaper och anpassar skanningsparametrarna. Vissa skrivarleverantörer levererar egenutvecklade programvaruverktyg.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser