3D принтиране на метални детайли

Благодарение на напредъка при машините адитивно вече могат да се произвеждат детайли, чиято изработка не бе възможна преди няколко години, и то с високи нива на якост и съответствие с конкретните приложими стандарти, използвайки разнообразие от материали

Методите за адитивно производство с метал могат да бъдат класифицирани спрямо вида на процеса, използван за съединяване на метала, който може да включва свързващ агент, нагрята дюза или лазери

Процесите на адитивно производство с метал редуцират загубата на материал в сравнение с традиционните методи

През последните години 3D принтирането с метал се счита за един от производствените методи на бъдещето. Технологията показва обещаващи резултати и предизвиква вълнение в сферата на металообработката. Доскоро обаче тя не се обмисляше за внедряване от страна на повечето предприятия, тъй като не осигуряваше достатъчно стойност. Днес обаче 3D принтирането с метал е много по-достъпно, мащабируемо и устойчиво.

Движени от появата на нови машини за адитивно производство с метал, отличаващи се с по-високи скорости на принтиране и по-голяма гъвкавост по отношение на материалите, продажбите на системи за 3D печат с метал непрекъснато нарастват, като се очаква до 2024 г. сегментът да генерира приходи на стойност от почти 4 млрд. щатски долара. Отчитайки постоянния прогрес в областта, е важно да се познават ползите от адитивното производство с метал и по какъв начин многобройните приложения на процеса променят индустриалния свят.

Началото

Корените на процеса на адитивно производство могат да бъдат проследени до средата на 1980-те години, когато се появяват методи за ускорена разработка на продукти. Първоначално наричан бързо прототипиране, процесът позволява получаването на модели, даващи възможност за създаване на прототипи с по-висока скорост, за да се проверят размерите и функциите на продуктите.

До 1987 г. се комерсиализира нова технология за преработка на пластмаса, известна като стереолитография (SLA), превръщайки се в първия патент в областта на адитивното производство. Благодарение на SLA производителите могат да втвърдяват чувствителни към UV светлина течни полимери с помощта на лазер, създавайки 3D модели по-бързо от всякога. Този ключов момент при адитивните процеси предлага на производители, инженери и проектанти нови възможности за по-ефективното създаване на продукти в сравнение с миналото.

До ранните 1990-те години се разпространяват и други процеси за адитивно производство с различни полимери. През 1992 г. се появява селективното лазерно синтероване (SLS), при което прахообразни материали се спояват в твърд продукт с помощта на лазер. Скоро след това е патентовано и достъпно на пазара и адитивното производство с метал. Аналогично на останалите процеси за адитивно производство, 3D принтирането с метал дава възможност за бързо производство на метални прототипи, продукти и инструменти. Въпреки че появата на процесите за адитивно производство с метал позволява изработката на метални детайли чрез синтероване на избрания метален прах, крайният резултат са материали, съпоставими в по-голяма степен с композити, отколкото със сплави, тъй като материалите с ниски точки на топене вече могат да се комбинират с високо устойчиви метали, например неръждаема стомана.

Процеси

Както е известно, адитивното производство е процес, при който се създават обекти чрез добавянето на материал слой по слой – независимо дали става въпрос за метал, пластмаса или керамика. Адитивните технологии могат да подпомогнат и в някои случаи да заменят традиционните производствени методи, включващи механична обработка, рязане, струговане, формоване, фрезоване и други процеси, свързани с отнемане на материал.

Производството на предмет чрез адитивен метод изисква проектирането му с помощта на CAD софтуер или сканирането на обекта, който ще бъде принтиран. Софтуерът може да преобразува сканираното изображение в прецизна рамка, която слой по слой да бъде следвана от машината за 3D печат.
При адитивното производство с метал, посредством наслояване на метални прахове с помощта или на енергиен източник, или на свързващ агент, могат да се проектират и конструират обекти с високо ниво на прецизност. Благодарение на напредъка при машините адитивно вече могат да се произвеждат детайли, чиято изработка не беше възможна дори преди няколко години, и то с високи нива на якост и съответствие с конкретните приложими стандарти, използвайки разнообразие от материали.

Предлаганата на пазара широка гама от метални прахове за адитивно производство непрекъснато нараства. Сред най-често използваните метални материали са различни класове неръждаема стомана, никел, кобалт-хром, титанови сплави и алуминий. Този постоянно разширяващ се диапазон от материали позволява на производителя да избере най-подходящия материал за конкретните спецификации и очаквания за детайлите.
Методите за адитивно производство с метал могат да бъдат класифицирани спрямо вида на процеса, използван за съединяване на метала, който може да включва свързващ агент, нагрята дюза или лазери. В зависимост от прилаганата техника принтираният детайл може да се нуждае от допълнителна обработка или не.

При PBF (powder bed fusion) методите се използва или лазер, или електронен лъч, който разтопява и споява металния прах до получаването на твърд детайл. Тази техника включва следните методи на адитивно производство с метал: електронно-лъчево топене (EBM), директно метално лазерно синтероване (DMLS), селективно топлинно синтероване (SHS) и селективно лазерно топене (SLM). Селективното лазерно синтероване (SLS) е допълнителна техника, при която за синтероването на прахообразните материали като енергиен източник се използва лазер. Методът обаче по-често се прилага за полимери, а не за метали. Независимо от технологията, всички лазерни техники от тази група изискват полагането на металния прах върху предходните слоеве – чрез ролка или острие. Най-често използваните метали в този адитивен процес са неръждаема стомана, титан, алуминий, стомана, кобалт-хром и мед.

Струйното изграждане със свързващ агент е метод за адитивно производство с метал, чийто работен принцип е аналогичен на този на мастилено-струйните принтери за двуизмерен печат. Металните прахове се подават струйно върху платформата за изграждане, като детайлите се принтират посредством непрекъснат процес или т.нар. drop on demand (DOD) подход. За съединяването на прахообразния материал слой по слой и изграждането на желания детайл се нанася течен свързващ агент. Първоначално принтираните детайли са крехки, което налага последващото им синтероване, благодарение на което якостта им нараства. Крайният резултат може да бъде опционално подложен на допълнителен процес на финишна обработка, включващ или полиране, или полагане на никелово или златно покритие. Една от уникалните ползи на струйния метод е елиминирането на процеса на топене на металните прахове, който може да доведе до натрупване на остатъчни напрежения. Той е и сред най-достъпните техники за адитивно производство с метал от финансова гледна точка.

При ламинирането листове материал се съединяват слой по слой посредством зацепване, ултразвуково заваряване или спояване с твърд припой. Методите от тази група са нискотемпературни процеси, които могат да се използват за съединяване на различни материали. Обикновено ламинирането се използва за изграждането на модели с цел изследване на визуалните и естетическите характеристики на продуктите, а не за структурни приложения.
Насоченото енергийно отлагане (DED) представлява по-сложен процес на 3D принтиране, при който енергиен източник като лазер или електронен лъч се фокусира върху материала за изграждане на детайла, за да го разтопи, като същевременно се отлага слой след слой. Техниката често се прилага за ремонтиране или за добавяне на допълнителен материал към съществуващи структури. При насоченото енергийно отлагане се използва нагорещена дюза за отлагането на стопения материал – обикновено титан или кобалт-хром, върху определената повърхност, където се втвърдява.

Предимства

В рамките на последните няколко десетилетия от съществуването им адитивните технологии оказаха революционно въздействие върху производствения сектор като цяло. Възможността да се принтира детайл като едно цяло, вместо да се изработят множество компоненти, които трябва да бъдат съединени или прикрепени един към друг, намалява загубата на материал и обикновено подобрява качеството и експлоатационните характеристики на продуктите.

При използването на традиционните производствени методи с отнемане на материал повишената сложност на даден детайл води до увеличени разходи, тъй като са необходими повече операции по фрезоване, оформяне на контури и финишна обработка. Когато се използват адитивни технологии, сложността на детайла не води до съществено нарастване на разходите и затова цената на крайния продукт често е по-ниска, отколкото ако е произведен чрез конвенционални методи. Ако се разгледа например един призматичен детайл – фрезоването до крайния му вид е просто и изисква няколко хода на фрезата, поради което и разходите са ниски. Принтирането на подобен детайл налага множество ходове на машината за отлагането на необходимото количество материал, в резултат на което детайлът би бил с много по-висока цена. Ако обаче детайлът има по-специфична форма, фрезоването би изисквало използването на специални захващащи механизми, осъществяването на множество ходове на машината, съпроводени от честа смяна на инструментите и времеемко програмиране, като всички тези фактори водят до високи разходи. За да се принтира същият детайл, ходовете на машината се програмират автоматично, в резултат на което те са много по-малко на брой и количеството използван материал също намалява, поради което разходите биха били по-ниски.

Процесите на адитивно производство с метал редуцират загубата на материал в сравнение с традиционните методи. Тъй като суровината се полага с високо ниво на прецизност слой по слой, необходимостта от допълнителна обработка е малка. Използва се само нужното количество материал, който се отлага на точно определените места, което прави технологиите за адитивно производство с метал изключително ресурсно ефективни. В допълнение 3D принтирането с метал намалява загубите и чрез елиминиране на нуждата от скъпа инструментална екипировка, спестявайки на компаниите време и финансови средства. Изборът на подходящ процес на адитивно производство с метал гарантира възможност за използване на широка гама от материали за задоволяване на специфичните производствени потребности.

Свойствата и експлоатационните характеристики на един материал се определят от химичния му състав, кристалното състояние и микроструктурата им. Тези параметри често обуславят необходимостта от правене на компромиси при избора на материал за дадено приложение. Тази практика обаче може скоро да остане в миналото благодарение на напредъка при технологиите за 3D принтиране. Докато преди производителите бяха ограничени по отношение на използваните материали за адитивно производство с метал, сега списъкът с наличните метални прахове се разраства с бързи темпове. Сред по-разпространените метални материали, използвани за 3D печат са неръждаема стомана, стомана, титан, алуминий, мед, кобалт-хром, титанови сплави, никелови сплави, злато, сребро, платина, паладий и др.

Адитивното производство с метал позволява създаването на уникални и комплексни структури, които при прилагане на традиционни методи биха изисквали отделянето на допълнително време и повече детайли.

Приложения

Типичните приложения на 3D принтирането с метал включват производството на модели и прототипи във фазата на разработка на продуктите, детайли за пилотни серии в областта на медицинската техника, автомобилостроенето и авиационната и космическата индустрия, производството на малки партиди, за които разходите за механична обработка или отливане биха били прекалено високи, и изработката на детайли със сложни геометрични форми. Понастоящем адитивното производство с метал не е подходящ процес за масово производство на милиони идентични прости детайли. С напредването на технологиите, развитието на системите и съкращаване на времето за обработка обаче, приложимостта на 3D принтирането с метал за производството на големи партиди ще се превърне в целесъобразна възможност.

Предимствата на адитивното производство са свързано с високата гъвкавост, дължаща се на факта, че продуктът се изработва директно от CAD модел. Това дава възможност за производството на продукти с всякаква геометрия.
Има приложения, например денталната медицина, които наистина се възползват от пълния потенциал на 3D печата. Прилагането на адитивно производство в тази силно индивидуализирана област е икономически целесъобразно, като се постига ускоряване на процесите без повишаване на разходите.

Приложения в аерокосмическата индустрия поставят акцент върху възможностите на адитивното производство с мета. С помощта на технологията например се проектират горивни дюзи, които са с 25% по-леки и 5 пъти по-издръжливи от предшестващите ги модели, изработени само с конвенционални производствени методи.
Адитивното производство допълва обширната гама от производствени процеси, позволявайки на проектанти и инженери да подобряват функциониращите технологични вериги и предлагайки много повече възможност. Трудно е да се каже кога 3D принтирането с метал ще стане предпочитаният вариант за дадено предприятие, но за малки производствени серии (в зависимост от детайла, например няколко хиляди детайла годишно), функционални прототипи и единични части, технологията е подходяща и към настоящия момент.