3D печат на метали

Адитивното производство (АП) на метални детайли вече достига етап на индустриализация. Въпреки че създадените технологии започват да се сблъскват с технологично присъщите ограничения на разходите, новите концепции за адитивно производство вече променят пазара. Компаниите трябва да бъдат в крак с последните разработки и да ги включват активно в създаването и поддържането на технологичните си пътни карти. Следователно е необходимо предприемането на структуриран подход, който обхваща всички технологични решения за адитивно производство.

Пазарът на 3D печата на метали или адитивното производство е в постоянно развитие и производствените компании трябва да реагират на всяко изменение. АП, доскоро смятано за скъпа нишова технология за създаване на прототипи, сега е на ръба да стане достъпно за някои приложения при масовото производство.
Този пробив е в резултат не само от напредъка в областта на стопяването в прахово легло чрез лазер (PBF-L) – технология, която вече е добре утвърдена за метални приложения, но и от развитието на алтернативните технологии за АП.

Примерите за такива технологии включват насочено енергийно отлагане (directed energy deposition, DED), струйно изграждане със свързващо вещество (binder jetting, BJ), струйно изграждане без свързващо вещество (material jetting, MJ) и екструдиране на материали (material extrusion, ME). Тези по-нови технологии стимулират пазара и се очаква да понижат цената на AП.

Те също така засилват разпространението на АП, тъй като индустриалните приложения вече не се ограничават до производството на високотехнологични части като горелки за газови турбини, сателитни двигатели и персонализирани за потребителя протези. Обхватът от области, които могат да се възползват от уникалните възможности на AП, се разширява непрекъснато, като това се дължи преди всичко на свободата на проектиране и икономичното производство на малки партиди.
Основен проблем обаче е, че много компании се затрудняват при оползотворяването на новия потенциал, предлаган от AП.

Компаниите, които са по-активни, обикновено се фокусират единствено върху PBF-L, стопяване в прахово легло чрез електронен лъч (PBF-EB) и понякога насочено енергийно отлагане. Дори те обаче пренебрегват необходимостта от добре изработена стратегия за интегрирана технология за производство с времеви хоризонт от три до пет години и даже повече. Иновативните технологии предлагат нови възможности, но същевременно правят нещата още по-сложни за бизнеса. С навлизането на нови фирми на пазара, предлагащи най-актуалните технологии, става все по-трудно за производителите да останат в крак с времето и да разграничат понякога твърде ентусиазираните маркетингови претенции от истинските възможности на новите технологии.

Стопяване в прахово легло чрез лазер

Когато стане дума за AП на метални детайли, първата технология, за която се сещат специалистите, е стопяването в прахово легло чрез лазер (PBF-L). Тя винаги е била ядрото на AП за метални детайли и е широко разпространена в индустрията. PBF-L е често срещана в промишленото производство на партиди с много сложни геометрии и с малък обем, при които се изисква висока производителност.

Типичните примери включват производството на прототипи, олекотени детайли в космическата индустрия и състезателните автомобили или персонализирани продукти като зъбни импланти, всеки от които би могъл да бъде причислен към така наречените нишови приложения. PBF-L се използва предимно за производство на сравнително малки детайли, за които е достатъчен по-малък производствен обем.

Размерът на партидата зависи в голяма степен от конкретното приложение, но обикновено варира например от единичен продукт – функционален прототип или изработен по поръчка протезен имплант, до няколкостотин артикула. Поради нуждата от сложно технологично оборудване PBF-L е скъп процес. Съществува значителна разлика по отношение на разходите, особено при приложения с голям обем.

Производителността на PBF-L е тясно свързана с броя на лазерите, които са активни в един и същи времеви период. Един от производителите на PBF-L оборудване в момента се готви да пусне нова машина, която ще има три пъти повече лазери, отколкото наличните днес, и ще се предлага на цена, която няма да надвишава удвоената стойност на съществуваща машина.

Това би трябвало да позволи 20 до 30% намаление на разходите за произведените метални детайли. Проучвания показват обаче, че за истински търговски пробив е необходимо радикално редуциране на разходите – поне десетократно. Само това би направило PBF-L по-конкурентоспособна например в сравнение с леенето под високо налягане и леенето по топими модели и би позволило използването му в приложения с големи партиди.

От технологична гледна точка е възможно значително намаляване на разходите за PBF-L. Един иновативен подход например е техниката на многоточковите масиви, върху която понастоящем работи Институтът Fraunhofer за лазерни технологии в Аахен в сътрудничество с партньори от индустрията. Тази система обаче все още е в етап на проучване и качеството на детайлите, което може да се постигне при малки структури, все още не е оценено.

Цената на PBF-L намалява и без съмнение ще продължи да пада. Но значителни понижения на разходите от необходимия порядък не изглеждат реалистични през следващите три до пет години.

Разбира се, съществуват и други процеси на AП, освен PBF-L и близката до нея технология на стопяване в прахово легло чрез електронен лъч (PBF-EB). В момента се разработват нови концепции за машини, които предлагат по-добра разходна ефективност за AП на метални детайли, включително на партиди с по-големи размери. Някои от тези технологии вече са достигнали до готовност за производство в нишови приложения като например насоченото енергийно отлагане.

До края на годината или малко по-късно се очаква и други технологии да навлязат на пазара, например струйното изграждане със и без свързващо вещество и екструдирането (EXT). В момента тези технологии допълват PBF-L и са насочени към ниши, които не са обхванати от нея. В дългосрочен план обаче те биха могли да разширят приложението си и частично да заменят PBF-L.

Насочено енергийно отлагане

DED представлява серия от няколко подобни технологии за 3D печат на метали, която създава детайли чрез топене и сливане на материала, докато той се отлага. Въпреки че може да се използва за производство на нови детайли, DED обикновено се прилага за ремонт и възстановяване на повредени компоненти. Като една от основните технологии за 3D печат на метали DED вече е разпространена в ключови индустриални сектори като аерокосмическата и отбранителната, нефтената и газовата, както и в морската промишленост.

В рамките на DED процеса изходната суровина, която е под формата на метален прах или тел, се изпуска през захранваща дюза, след което се разтопява от фокусиран източник на топлина (най-често лазер, но може да бъде и електронен лъч или дъга) и последователно се добавя към платформата за изграждане.

Както източникът на топлина, така и захранващата дюза са монтирани на портална система или роботизирана ръка. Процесът обикновено се провежда в херметически затворена камера, пълна с инертен газ за по-добър контрол на свойствата на материала и защита от нежелано окисление. DED поддържа широка гама от метали, включително титанови сплави, неръждаема стомана, мартензитни стомани, инструментални стомани, алуминиеви сплави, огнеупорни метали (тантал, волфрам, ниобий), суперсплави (Inconel, Hastelloy), медно-никелови сплави и други специални материали, композити и функционално градиентни материали. Трябва да се отбележи, че използваните материали за DED са значително по-евтини от металните прахове при адитивно производство чрез стопяване в прахово легло.

Както беше споменато, DED се прилага успешно в различни индустрии, включително в космическата, нефтената и газовата промишленост, отбранителната, морската индустрия и архитектурата. Производителите на космическа и авиационна техника все повече използват технологията за изработка на конструктивни детайли за спътници и военни и пътнически самолети.

Освен за производството на метални детайли DED технологията е много подходяща за ремонт и на повредени такива. Благодарение на силната металургична връзка и фините, еднородни микроструктури посредством DED могат да се произведат компоненти като турбинни лопатки и да се възстановят вложки за матрични инструменти. Ремонтирането на износени детайли, матрици или щанци чрез DED позволява значително намаляване на времето на престой и разходите, свързани с подмяната на дадена част чрез удължаване на нейния експлоатационен живот.

Струйно изграждане със свързващо вещество

Това е метод за АП, който създава детайли добавъчно с помощта на свързващ агент. Процесът използва течен свързващ агент, който се нанася върху металния прахообразен материал, слой по слой, съгласно 3D модел. Между всеки слой прахът леко се обработва термично с цел втвърдяване. Когато процесът на отпечатване приключи, производствената камера се изважда от принтера и се поставя в пещ за втвърдяване. След това операторът внимателно изважда детайлите от камерата и премахва остатъчния прах с помощта на четки и вентилатори. Когато процесът приключи, частите се отделят от леяците, почистват се и се обработват с пясък, за да се отстрани остатъчният прах.

Като универсална технология за AП с редица промишлени приложения, струйното изграждане на метални детайли със слепващо вещество осигурява многобройни предимства. То позволява производството на метални части със сложна геометрия благодарение на големия размер на машините и факта, че не се изискват поддържащи конструкции.

Струйното изграждане със свързващо вещество е значително по-евтино в сравнение с неговите аналози. Затова е идеално при ниски и средни обеми на производство, когато не се изисква висока производителност. Технологията генерира минимални количества отпадъци, тъй като металният прах се свързва селективно и всеки излишък може да бъде използван впоследствие. Обемът на работната камера на машините за струйно изграждане прави технологията идеална за отпечатване на няколко детайла в едно и също прахово легло наведнъж.

Струйно изграждане без свързващо вещество

Това е сравнително нова технология, аналогична на описаната по-горе, с една ключова разлика – през печатащата глава вместо свързващо вещество се подава метален материал. Този материал се нанася директно в производствената камера, като се използва процес с непрекъсната струя или процес с “капка по заявка” (Drop on Demand, DOD). Металът от струята се отлага върху подложката за изграждане в напречното сечение на детайла за този слой. Този процес продължава с последователното нанасяне на слой след слой.

Полученият детайл трябва да се синтерова в пещ, за да се постигне окончателната му плътност. Доскоро този процес беше ограничен до пластмаси и полимери, но благодарение на последните постижения нови компании се опитват да го комерсиализират, като го прилагат и за метали.

Металните частици, които се използват, са с наноразмери и получената дебелина на слоя е изключително малка в сравнение с другите адитивни технологии. Чрез тези ултратънки слоеве се произвеждат детайли с много висока резолюция, чиито слоеве са почти невидими за човешкото око. Подобно на АП на базата на екструзия на метали, за струйното изграждане без свързващо вещество не се използва насипен метален прах. Това теоретично увеличава броя на материалите, които могат да бъдат използвани безопасно, тъй като много от широко разпространените метали като алуминий и титан са изключително запалими в прахообразна форма и изискват значителни предпазни мерки при работа с тях.

Недостатъкът на използването на много тънки слоеве е, че много повече от тях са нужни за постигане на даден размер на детайла в сравнение с други добавъчни технологии с по-дебели слоеве. Добавянето на голям брой слоеве отнема повече време и затова примерните детайли са предимно малки. Тъй като машините едва сега навлизат на пазара, те все още са скъпи и с ограничена производителност.

Първите приложения на тази технология са за създаването на малки сложни детайли, изискващи високо ниво на резолюция, предлагана от процеса на наслояване на тънки пластове. Малки клапани и устройства за контрол на потока са подходящи за изработка по тази технология, както и други метални детайли, изискващи сложна вътрешна геометрия и ограничени допуски.

Екструдиране

Екструдирането на метали при АП е сравнително нов процес. Подобно на популярния процес на лазерно синтероване (FDM) с пластмаса, специална нишка се нагрява и подава през дюза, след което се наслагва слой по слой. Нишката представлява комбинация от термопластичен материал и метални частици. Дюзата се движи по осите X и Y на детайла за даден слой.

След това платформата за изграждане се спуска надолу, за да се осигури място за нови слоеве. След като детайлът е завършен, той се поставя в пещ за синтероване, за да се изгори остатъчната пластмаса и металните частици да се свържат. АП на базата на екструзия е широко използвано за пластмаси и полимери, но едва наскоро е пригодено за създаване на метални детайли.

Процесът на екструдиране на метални нишки се облагодетелства от значителните инвестиции в сходния процес за екструдиране на пластмаса по отношение на постигнатия напредък в прецизността и ниските разходи за компоненти.

Надграждането на тази популярна технология е позволило по-бързо развитие в използването на метални нишки вместо пластмаси. Този подобен на FDM процес се откроява, когато се прилага като технология за създаване на прототипи, защото дава възможност за отпечатване на много фини слоеве и постигане на точност, подобна на тази при работата с пластмасови модели, като същевременно е с относително ниски разходи.

Разработване на технологична пътна карта

Описаните по-горе технологични разработки ще окажат сериозно въздействие върху бъдещето на производството на метални детайли. АП е на ръба на индустриализацията, остава да се види дали PBF-L, като основна технология за високопроизводителни приложения, ще бъде частично или напълно заменена от новите претенденти. Вярно е, че новите концепции имат предимството, че от гледна точка на разходите те са по-малко обременени от скъпо оборудване и технологична сложност и по този начин могат да изпреварят PBF-L.

Новите технологии биха могли да бъдат 100 или повече пъти по-бързи от PBF-L и да произвеждат детайли на стойност една малка част от разходите, характерни за него. В същото време обаче засилената конкуренция може да стимулира разработването на иновации от страна на утвърдени производители на PBF-L машини, които да внесат подобрения в традиционната технология и да допринесат за запазването на сегашната й водеща позиция. Най-вероятният сценарий не включва една-единствена технология, която отхвърля всички останали.

По-вероятно е едновременно да се използват редица технологии, които да отговарят на различните нужди на клиентите. Поради бързото изменение на картината в областта на AП и отварянето на нови възможности производствените компании трябва да оценят въздействието, което AП ще има върху техния бизнес. За да се улесни разработването на технологична пътна карта, отразяваща разнообразието на методите за АП, се предлага описаният по-долу четиристепенен подход.
Първата стъпка е да се проследи пълната гама от технологии, които вече са налични или са близо до утвърждаване.

От жизненоважно значение е да се добие детайлна представа за всичко, което могат да предложат технологиите, и за това дали са подходящи за конкретния бизнес. Втората стъпка е систематично да се разгледа продуктовото портфолио на компанията, за да се идентифицират потенциалните възможности за приложение на АП по цялата верига на стойността. След това изискванията на тези приложения по отношение на производителността на детайлите, размера на партидите и разходите трябва да бъдат сравнени с това, което предлагат технологиите.

Препоръчително е да се погледне отвъд производството на конкретни детайли и да се включат етапите от разработката и прототипирането до следпродажбеното обслужване. Софтуерни алгоритми могат да помогнат да се идентифицират подходящи детайли за АП чрез търсене на определени критерии в чертежи на детайли и сглобени единици, но също така трябва да се вземе предвид стратегическото въздействие на АП върху бизнеса.

Третата стъпка е да се групират приложенията от стъпка 2 спрямо подходящите технологии. Всеки клъстер трябва да се оцени въз основа на потенциалното му въздействие върху продуктите и организацията на компанията. След това трябва да се изготви технологична пътна карта, която да посочва в кой момент и при какви условия компанията ще бъде готова да инвестира в АП за всеки отделен клъстер.

Накрая следва да се установи редовен процес на скрининг като основа за актуализиране на технологичната пътна карта. Това прави целия процес от четири стъпки затворен, което позволява на компаниите да останат на върха на технологичния напредък и да отчетат свързаните с него по-широки последствия.