Принципи металевих 3D-принтерів

Металеві 3D-принтери працюють шляхом спікання, плавлення або зварювання металевих матеріалів (таких як порошок або дріт) шар за шаром для перетворення три-вимірної цифрової моделі на суцільну металеву деталь. Основний процес можна розділити на чотири етапи: підготовка даних, постачання матеріалів, виготовлення шарів-за-шарами та пост-обробка. Ця технологія повністю долає обмеження геометричної складності традиційного субтрактивного виробництва та стала важливим методом виробництва в -галузях високого рівня, таких як аерокосмічна промисловість, біомедична інженерія та енергетичне обладнання. У наступних розділах пояснюються принципи та технічні деталі кожного ключового етапу.

Обробка 3D-моделі: користувачі створюють модель за допомогою програмного забезпечення САПР (наприклад, SolidWorks, UG або CATIA) або отримують її за допомогою 3D-сканування чи реконструкції КТ. Програмне забезпечення перетворює модель у -читаємий для принтера формат (найчастіше STL, але також 3MF або OBJ) і виправляє геометричні помилки (такі як отвори, не-краї колектора, грані, що накладаються, або неправильні нормалі). Цей крок є критичним, оскільки будь-який дефект моделі може безпосередньо спричинити збій друку або відмову від частини. Розширена попередня-обробка також включає оптимізацію топології та генеративний дизайн для значного зменшення ваги при дотриманні вимог до міцності.

Нарізка шарів: спеціалізоване програмне забезпечення для принтера (таке як Materialize Magics, EOSPRINT або SLM Build Processor) розрізає 3D-модель уздовж вертикальної (Z) осі на сотні чи тисячі тонких шарів. Товщина шару зазвичай становить 20–100 мікрометрів (20–40 мкм для точних деталей; 60–100 мкм для великих структурних компонентів). У процесі нарізки створюється файл, що містить інформацію про контури, контури заливки, стратегії сканування та допоміжні структури для кожного шару, точно керуючи принтером. Стратегії сканування (смуга, шах, спіраль тощо) і параметри щільності енергії сильно впливають на залишкову напругу, щільність і якість поверхні, і їх необхідно оптимізувати відповідно до матеріалу та геометрії деталей.

Технології 3D-друку з металу відрізняються за формою матеріалу та джерелом енергії. Основні категорії:

Powder Bed Fusion (PBF) Наразі це найдосконаліша та найточніша-основна технологія.

Вибіркове лазерне плавлення (SLM): високо{0}}потужний волоконний лазер (зазвичай 200–1000 Вт; багато-лазерні системи можуть досягати кількох кіловат) вибірково та повністю розплавляє шар металевого порошку відповідно до нарізаної траєкторії. Розплавлена ​​ділянка твердне при охолодженні, утворюючи єдиний шар, тоді як нерозплавлений порошок служить і опорою, і захистом. Весь процес відбувається під інертним газом (аргоном або азотом), щоб запобігти окисленню. Підходить для титанових сплавів, алюмінієвих сплавів, нержавіючих сталей, суперсплавів на основі-нікелю тощо з щільністю понад 99%.

Електронно-променеве плавлення (EBM): використовує промінь електронів високої-енергії як джерело тепла для попереднього нагрівання та плавлення металевого порошку в умовах високого-вакууму. Попереднє нагрівання значно зменшує залишкову напругу та забезпечує більш швидкі темпи виготовлення, що робить його особливо придатним для титанових ортопедичних імплантатів. Вартість обладнання висока, а шорсткість поверхні відносно більша.

Пряме лазерне спікання металу (DMLS): за принципом схоже на SLM. Історично це стосувалося процесів, у яких порошок лише частково розплавлявся (спікався), але сьогодні терміни DMLS і SLM часто використовуються в промисловості як синоніми. Підходить для застосування з кількох-матеріалів або випадків із дещо нижчими вимогами до повного-плавлення.

Спрямоване осадження енергії (DED)

Лазерне осадження металу (LMD): Одночасна подача металевого порошку або дроту, у той час як лазер створює купу розплаву на підкладці або попередньому шарі та осаджує матеріал. Дозволяє ремонт-великих деталей, функціонально сортовані матеріали та гібридне адитивне-субтрактивне виробництво. Швидкість осадження набагато вище, ніж PBF.

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM): використовує електричну дугу як джерело тепла для плавлення металевого дроту та його нанесення шар за шаром. Низька вартість обладнання, високий рівень використання матеріалів і підходить для над-великих аерокосмічних конструкцій, але нижча точність і якість поверхні зазвичай вимагають подальшої обробки.

Струменевий струмінь сполучного матеріалу Друкувальна головка вибірково наганяє зв’язувальний матеріал на шар металевого порошку, з’єднуючи порошок у єдиний «зелений» шар, тоді як незв’язаний порошок діє як опора. Після друку деталь проходить розв’язування (видалення сполучного) і високо{1}}спекання для досягнення остаточної щільності. Процес не має теплового стресу під час друку, забезпечує високу швидкість і підходить для середнього-обсягу виробництва, хоча усадку під час спікання потрібно точно компенсувати.

Розсипання порошку/подача матеріалу: у технологіях порошкового-слою високоточне лезо або валик для повторного нанесення-порошку наносить рівномірний шар металевого порошку на платформу для нарощування відповідно до товщини зрізу. Сипучість порошку та розподіл частинок за розміром безпосередньо впливають на якість шару. При спрямованому осадженні енергії пристрій подачі дроту або коаксіальна/бокова порошкова насадка подає матеріал точно в ванну розплаву.

Вхід енергії та плавлення: лазер, електронний промінь або дуга сканують матеріал уздовж запрограмованого шляху на високій швидкості, локально розплавляючи або спікаючи його для формування тонкого шару, який точно відповідає контуру зрізу. Температура- басейну розплаву, розмір і швидкість охолодження точно контролюються потужністю, швидкістю сканування та діаметром плями, які визначають мікроструктуру та рівні дефектів.

Між{0}}шарове з’єднання: після завершення кожного шару будівельна платформа опускається на один шар (або шар порошку піднімається), наноситься новий шар порошку, і процес плавлення повторюється. Шари з’єднуються металургійним з’єднанням, щоб утворити суцільне тривимірне тіло. Сучасні системи часто включають-моніторинг-басейну танення в реальному часі за допомогою високошвидкісних-камер, інфрачервоної пірометрії чи оптичної томографії.

Опорні конструкції: для звисів, отворів і великих похилих елементів знімні опорні конструкції повинні бути розроблені таким чином, щоб запобігти деформації або руйнуванню під дією сили тяжіння під час плавлення. Конструкція опори та видалення значно впливають на кінцеву вартість і якість поверхні.

Пост{0}}обробка є обов’язковою стадією 3D-друку металу, на яку часто припадає 30–50% загальних витрат.

Видалення опори та очищення: опори видаляються механічним різанням, електроерозійним методом, хімічним розчиненням або ручними методами. Нерозплавлений порошок (процеси з-порошкового шару) або надлишки бризок (DED) ретельно очищаються. Системи відновлення порошку дозволяють переробити більшість невикористаного порошку.

Термічна обробка: відпал-для зняття напруги, обробка розчином, старіння або гаряче ізостатичне пресування (HIP) усуває залишкові напруги, закриває пори та гомогенізує мікроструктуру, значно покращуючи твердість, міцність, в’язкість і показники втоми. HIP став стандартним процесом для критичних аерокосмічних деталей.

Обробка поверхні: піскоструминна обробка, дробеструйна обробка, полірування, електрохімічне полірування, покриття або покриття покращують якість поверхні, зменшують шорсткість і відповідають вимогам до складання та зовнішнього вигляду.

Механічна обробка: критичні відповідні розміри, різьбові отвори та ущільнювальні поверхні обробляються за допомогою обробки з ЧПУ, щоб остаточні допуски відповідали специфікаціям конструкції. У багатьох-додатках високого класу використовується гібридний підхід до виробництва «аддитивний + субтрактивний».

Переваги: ​​Виготовлення складних конструкцій у довільній-формі без форм, ідеально підходить для індивідуального налаштування та виробництва малих-–-середніх обсягів,-міксів. Високий рівень використання матеріалу (порошкові-процеси можуть перевищувати 90%, що значно перевершує високі-відношення-покупки-при традиційній обробці титану), зменшуючи відходи дорогих металів. Забезпечує полегшену конструкцію (решітчасті структури, оптимізацію топології), яка відповідає подвійним вимогам зменшення ваги та високої продуктивності в аерокосмічній та подібних галузях. Забезпечує високу консолідацію деталей, скорочує кількість етапів складання та підвищує надійність.

Обмеження. Високі капітальні витрати на промислове обладнання (від сотень тисяч до кількох мільйонів юанів) і відносно низька швидкість виготовлення наразі роблять технологію менш придатною для дуже-масштабного виробництва простих деталей. Шорсткість-виготовленої поверхні та точність розмірів зазвичай нижчі, ніж традиційна обробка з ЧПК, і покладаються на-після обробки. Металеві порошки створюють ризики вибуху, окислення та здоров’я, вимагаючи суворого захисту від інертних-газів і пилу. Бази даних різноманітних матеріалів і-процесів параметрів все ще розширюються, а цикли сертифікації залишаються відносно довгими.

Завдяки пошаровому цифровому виробництву металеві 3D-принтери подолали бар’єри складності традиційної обробки та запропонували революційні рішення для аерокосмічної промисловості (компоненти двигуна, супутникові конструкції), медицини (імплантати-спеціального пацієнта, хірургічні направляючі), інструментів (конформні канали охолодження), енергетики та автомобільної промисловості. Зі швидким розвитком мульти-лазерних систем,-інтелектуального моніторингу на місці,-оптимізації процесів на основі ШІ та гібридних виробничих технологій ефективність, вартість і надійність продовжують покращуватися. Ця технологія прискорює перехід від швидкого створення прототипів до прямого цифрового та серійного виробництва та має стати незамінною основою високо-виробництва обладнання.