З моменту появи технології 3D-друку її поступово почали застосовувати для виготовлення реальних виробів. Серед них особливо швидким є розвиток технології 3D-друку металевих матеріалів. У сфері національної оборони розвинені країни Європи та США надають великого значення розвитку 3D-друку з металу та вкладають величезні кошти в дослідження. 3D-друк металевих деталей завжди був у центрі досліджень і застосувань. Він може не лише друкувати прес-форми та велосипеди, він також може друкувати безпрецедентну нову зброю та навіть велике обладнання, таке як автомобілі та літаки. Будучи новим типом технології інтелектуального виробництва, тривимірний друк металу має дуже широкі перспективи застосування та демонструє потужний імпульс розвитку в багатьох галузях, таких як проектування та виробництво обладнання, підтримка обладнання та аерокосмічна промисловість.
Особливості 3D-друку з металу
1) Висока точність. Наразі точність металевого обладнання для 3D-друку в основному можна контролювати нижче 0.05 мм.
2) Цикл короткий. 3D друк на металі не потребує процесу виробництва форм, що значно скорочує час виготовлення моделі. Як правило, модель можна надрукувати за кілька годин або навіть десятків хвилин.
3) Його можна персоналізувати. Металевий 3D-друк не має обмежень щодо кількості друкованих моделей, незалежно від того, одну чи декілька можна виготовити за однакову вартість.
4) Різноманітність матеріалів. Металева система 3D-друку часто може реалізувати друк різних матеріалів, і різноманітність цього матеріалу може задовольнити потреби різних сфер.
5) Вартість відносно низька. Хоча металеві системи 3D-друку та металеві матеріали для 3D-друку зараз є відносно дорогими, якщо вони використовуються для виготовлення персоналізованих продуктів, вартість виробництва є відносно низькою.
Технологія 3D друку з металу
Будучи найсучаснішою та найбільш потенційною технологією у всій системі 3D-друку, технологія 3D-друку металевих деталей є важливим напрямком розвитку передових технологій виробництва. З розвитком науки і техніки та потребами популяризації та застосування пряме виготовлення металевих функціональних частин шляхом швидкого прототипування стало основним напрямком розвитку швидкого прототипування. В даний час методи швидкого прототипування, які можна використовувати для безпосереднього виготовлення металевих функціональних частин, в основному включають: селективне лазерне плавлення (SLM), селективне плавлення електронним променем (EBSM), лазерне інженерне формування сітки (LENS).
Селективне лазерне плавлення (SLM)
SLM є важливою частиною галузі 3D-друку з металу. Процес його розробки пройшов такі етапи, як спікання неметалічного порошку з низькою температурою плавлення, спікання порошку з високою температурою плавлення, покритого низькою температурою плавлення, і пряме плавлення порошку з високою температурою плавлення. Університет Техасу в Остіні вперше подав заявку на отримання патенту в 1986 році та успішно розробив перше обладнання SLM у 1988 році. Воно використовує тонко сфокусовану точку для швидкого розплавлення в заданий порошок 30-51 мкм і може майже безпосередньо отримати будь-яку форму. А також функціональні частини з повним металургійним склеюванням. Щільність може досягати майже 100 відсотків, точність розмірів може досягати 20-50 мкм, а шорсткість поверхні може досягати 20-30 мкм. Це технологія швидкого прототипування з великими перспективами розвитку.
Формувальні матеріали SLM - це переважно однокомпонентні металеві порошки, включаючи аустенітну нержавіючу сталь, сплави на основі нікелю, сплави на основі титану, сплави кобальт-хром і дорогоцінні метали. Лазерний промінь швидко розплавляє металевий порошок і отримує безперервний канал плавлення, який може безпосередньо отримувати майже щільні металеві деталі практично будь-якої форми, повне металургійне з’єднання та високу точність. Це технологія 3D-друку металевих деталей з великими перспективами розвитку. Його застосування було розширено до аерокосмічної, мікроелектронної, медичної, ювелірної та інших галузей.
Існує понад 50 факторів, що впливають на процес SLM, і існує шість категорій, які мають важливий вплив на ефект формування: властивості матеріалу, системи лазерного та оптичного шляху, характеристики сканування, атмосфера формування, геометричні характеристики формування та фактори обладнання. В даний час дослідники в країні та за кордоном в основному проводять дослідження процесів і прикладні дослідження вищезазначених факторів з метою вирішення дефектів у процесі формування та покращення якості формованих деталей. З точки зору дослідження процесу, важливі параметри процесу в процесі формування SLM включають потужність лазера, швидкість сканування, товщину шару порошку, відстань сканування та стратегію сканування тощо. Комбінуючи різні параметри процесу, можна оптимізувати якість формування.
Основними дефектами процесу формування SLM є сфероїдизація та деформація викривлення. Сфероїдизація — недостатнє розплавлення верхнього і нижнього шарів у процесі формування. Завдяки ефекту поверхневого натягу розплавлені краплі швидко скочуються в сферичну форму, що призводить до сфероїдізації. Щоб уникнути сфероїдизації, вхідну енергію слід відповідно збільшити. Деформація викривлення спричинена термічним напруженням у процесі формування SLM, що перевищує міцність матеріалу, що призводить до пластичної деформації. Через складність вимірювання залишкової напруги поточні дослідження деформації викривлення процесу SLM в основному проводяться за допомогою методу кінцевих елементів, а потім Надійність результатів моделювання перевіряється експериментами. Основним принципом технології SLM є: спочатку використовуйте Pro/e, UG, CATIA та інше програмне забезпечення для 3D-моделювання, щоб спроектувати 3D-модель деталі на комп’ютері, а потім розріжте 3D-модель і шаруйте її за допомогою програмного забезпечення для нарізки, щоб отримати дані контуру кожної секції, шлях сканування заповнення генерується з даних контуру, і обладнання керуватиме лазерним променем, щоб вибірково розплавити металеві порошкові матеріали кожного шару відповідно до цих ліній сканування заповнення та поступово складати їх у тривимірний металеві частини.