3D принтиране на метали

3D принтирането на метали е идеална алтернатива за изпълнение на сложни проекти, където механичната обработка или леенето не биха били ефективни. Технологията съчетава механичните свойства на стандартизираните авиационни материали и свободата на проектиране, която предоставя 3D печатът.

Въздействието на 3D принтирането на метали върху производството става все по-значимо през последното десетилетие. Разработването на нови материали и съсредоточената изследователска дейност, насочена към създаването на плътни метални части, са основна причина за отскоро много популярното внедряване на 3D технологии за производство на крайни продукти.

В тази статия ви представяме ограниченията и възможностите на 3D принтирането на метали, наличните метални материали, стратегиите за контрол на качеството и процесите, методите за термична обработка, както и редица други елементи на технологията, чрез които могат да се преодолеят предизвикателствата пред традиционното производство и да се създадат иначе невъзможни за изработка детайли.

Начин на работа
Директното метално лазерно синтероване (DMLS - Direct Metal Laser Sintering) започва със създаването на модел в 3D CAD файл. Технологията включва работата на мощен лазер, който разтапя и слива прахообразен метал слой по слой, за да създаде желаната конструкция.

Процесът е сходен със заваряването с много прецизен лазер. Частите се отпечатват в затворена камера с атмосфера с високо съдържание на аргон. Използва се фибро лазер с итербий, който се насочва посредством динамично движещи се огледала.

Лазерът постепенно изгражда модела чрез наслояване посредством синтероване на итербия, следвайки предварително зададена от компютър траектория. Прецизно настроеният лазер, металният прах и адитивният процес на производство в комбинация позволяват голяма свобода при проектирането.

Ключово предимство на технологията обаче е, че може лесно да се използва за принтиране на сложни затворени модели с вътрешни детайли, които иначе не са достъпни.

Материали за адитивно производство на метали
Както и при подготовката на материали за леене под налягане, праховете, използвани за директно метално лазерно синтероване, се създават чрез пулверизиране. Неотдавна праховете за адитивно производство представляваха много малка част от целия пазар на прахообразните метали.

С течение на времето, все по-голямата популярност на 3D принтирането обаче значително повиши нуждата от специални прахообразни метални смеси.

В днешно време съвместните усилия за следване на мерките за качество, които полагат доставчиците на прахообразни метали и услуги за адитивно производство, допълнително ускоряват развойната дейност за производство на метални сплави.

Най-често използвани за 3D печат метали и сплави са стомана, неръждаема стомана, чист титан, титанови сплави, алуминиеви сплави, никелови сплави, кобалт-хромови сплави и медни сплави.

Все пак е важно да се отбележи, че както отливки се различават от обработени части като свойства, така и характеристиките на 3D принтираните части са различни. Разбирането на тези различия е ключово за успешното реализиране на 3D проектите.

Непосредствено след изработването им, принтираните метални части и отливките имат сходна плътност и здравина. Всеки детайл, произведен чрез директно метално лазерно синтероване, има плътност от приблизително 99,5% преди допълнителна обработка.

След термичната обработка 3D принтираните по тази технология метални части сериозно надминават шприцованите части по отношение на порьозност. В индустрията стандартът за степен на порьозност на шприцована част е от 2% до 5%, докато 3D принтираните с DMLS технология части проявяват по-малко от 0,5% порьозност.

Функционалността зависи от самия дизайн
Когато се изграждат чрез DMLS технология, металните части са прикачени към платформата, върху която са разположени, чрез опори от приблизително 6 мм. След като са готови те преминават към междинна зона, където чрез механична обработка се отделят от платформата.

Тъй като за директното метално лазерно синтероване се използва много мощен лазер, способен да разтопи прахообразните метали, той може да разтопи и деликатните детайли от принтирания модел, които не са прикрепени с опори.

Това най-често се случва, когато даден елемент е наклонен надолу. Съществуват няколко начина за оптимизиране на моделите за DMLS производство и намаляване на нуждата от опорни структури, като точно размерът на ъглите на детайлите е най-лесен за контролиране.

Спомагателните опори се генерират автоматично от стандартна софтуерна библиотека от шаблони (Standard Template Library – STL) и се дооформят на ръка в 3D CAD файл преди да се изградят. Те са изградени от същия материал като останалата конструкция, затова може да е трудно да се отстранят.

При директно метално лазерно синтероване, всички детайли, наклонени на по-малко от 45 градуса, биват изгаряни от лазера ако нямат опори. Най-подходящи са моделите с ъгли от 60 градуса – те няма да пострадат от аблация.

Предотвратяване на счупвания и подобряване на плътността
Счупванията и пукнатините в принтираните чрез DMLS части се дължат на три основни фактора: вътрешно напрежение, превишаващо границата на провлачване на материала; точки на концентрация на напрежението в модела; дългосрочна употреба на компонента.

В последващата обработка след производство тези пукнатини могат лесно да бъдат заличени, но създаването им може и да се предотврати с помощта на термична обработка.

Снемане на напрежение - за да се избегне деформацията им, всички DMLS части преминават през процес на снемане на напрежението преди да се извадят от платформата за принтиране.

Тези процеси могат да се различават от производител до производител и в голяма степен зависят от използваната сплав, но обикновено се провеждат при около 1065°C за 1 до 2 часа. Охлаждането става на стайна температура. В зависимост от конкретния модел и сплав, процесът може да се проведе и при 940 – 1010°C. Снемането на напрежението връща метала към закалено състояние.

HIP, SHT и PHT - вторичните термични обработки като гореща изостатична преса (hot isostatic pressing – HIP), закаляване на твърд разтвор (solution heat treatment – SHT, solution annealing) и дисперсно закаляване (precipitation hardening treatment – PHT) могат да направят принтираните части по-здрави и с характеристики, близки до кованите метали. Тези процедури многократно са доказали, че повишават плътността на материала от около 95,5% непосредствено след производството му до 100% след обработката.

Крайна обработка - освен изброените досега закаляващи процедури, принтираните чрез директно метално лазерно синтероване части могат допълнително да се полират ръчно. Така се постига идеално гладка повърхност, която да отговори на всички важни инженерни изисквания.

Повърхността на принтираните чрез DMLS части имат средна грапавост от приблизително 8,89 mm. Чрез различни методи на полиране средната грапавост може да се снижи до едва 0,8- 3,15 mm. Ръчното полиране е много по-подходящо за единично производство на части, които изискват специфично качество на повърхността.

Индустрии, които използват 3D принтиране на метали
Директното метално лазерно синтероване е известно с достиженията си в авиационно-космическата промишленост, особено в създаването на части и компоненти за газотурбинни двигатели, които да издържат на високите температури и налягане.

DMLS частите са много подходящи и в енергетиката, медицината и за различни потребителски стоки и услуги, и все повече проникват на тези пазари.

В авиационно-космическата промишленост DMLS се използва за създаването на инжектори, колектори на двигатели, функциониращи прототипи и др.

В енергетиката технологията може да създава ротори, статори, прототипи на турбини и др., в медицината – зъболекарски устройства, хирургични инструменти, ортопедични импланти, образователни модели и прототипи и др. В промишлеността DMLS се използва за изработване на прототипи, арматура и производство в малки обеми.