Адитивно производство на метални детайли

Производството на метални детайли чрез наслояване (metal additive manufacturing), известно още като 3D принтиране, позволява създаване на сложни детайли без конструктивните ограничения, присъщи на традиционните производствени методи.

Изделия, невъзможни за производство само преди няколко години, с широката гама материали в праховата металургия днес, могат не само да бъдат изработвани, но и да покриват изключително високи стандарти за качество.

Адитивното производство вече не е само технология за създаване на прототипи, а се използва за серийно производство на метални компоненти за най-взискателните приложения във високотехнологичното машиностроене и всичките му подотрасли.

Същност и особености на метода
Адитивното производство (АП) е технология, която прави възможна изработката на триизмерни детайли слой по слой от материал, базиран на полимер или на метал. Дизайнът на детайла под формата на файл с CAD модел се зарежда в машината за адитивно производство (или 3D принтера), която след това произвежда компонента.

3D принтирането осигурява много предимства при производството на метални детайли, като позволява безпрецедентна свобода на дизайна с възможност за изработката на единични или множество изделия от широка гама материали.

Методът е базиран върху процес на добавяне, а не на отнемане на материал, както е при фрезоването например. Другите термини, често използвани в чуждоезичната литература за описание на общия процес, включват: 3D печат, производство чрез наслояване, производство на свободни форми, производство чрез добавяне на слоеве и т. н.

Непрекъснатото развитие на технологиите за АП дава възможност днес да се произвеждат готови детайли (включително почти на 100% плътни функционални конструкции) чрез едностъпков процес. Системите за адитивно производство стават все по-надеждни и ефективни, а диапазонът от подходящи материали е нараснал значително в сравнение с първите реално приложими производствени практики в областта.

Процеси при адитивното производство на метални изделия
Съществуват редица различни технологии, използвани за производство на детайли чрез наслояване. Системите за АП на метални изделия могат да бъдат класифицирани според енергийния източник или начина, по който материалът се свързва, например с помощта на свързващо вещество, лазер, загряваща дюза и т.н.

Възможна е класификация и по групата материали, които се обработват – пластмаси, метали или керамика. Състоянието на изходната суровина, като най-често срещаните варианти са твърда (прах, тел или лист) или течна, също се използва за дефиниране на процеса.

Системи с прахово легло - почти всяка система за АП, базирана на прахово легло, използва метод за отлагане на метален прах, състоящ се от покриващ механизъм за разстилане на прахообразен слой върху субстрат и резервоар за прах. Обикновено слоевете имат дебелина от 20 до 100 mm. Щом слоят прах бъде нанесен, 2D отрязъците или се слепват заедно (при процеса, известен като 3D принтиране), или се разтопяват с помощта на енергиен лъч, насочен към прахообразния слой.

Във втория случай източникът на енергия обикновено е един високоенергиен лазер, но най-съвременните системи могат да използват два или повече лазера с различна мощност, работещи в атмосфера от инертен газ. Процесът на топене се повтаря отрязък по отрязък, слой по слой, докато последният слой се стопи и детайлът е завършен. След това той се отстранява от праховото легло и се дообработва съгласно изискванията.

Технологиите с прахово легло и директно обработване на прахообразните слоеве са известни като системи за лазерно топене и са търговски достъпни под различни търговски наименования като: системи за селективно лазерно топене (SLM), лазерно смесване и директно метално лазерно синтероване (DMLS). Единственото изключение от този принцип е процесът на електронно-лъчево разтапяне (EBM), при който се използва електронен лъч под пълен вакуум.

Системи, захранвани с метален прах - въпреки че системите, захранвани с метален прах, използват една и съща суровина, начинът, по който материалът се добавя слой по слой, се различава значително. Прахът излиза през дюза и се стопява от лъч директно върху повърхността на третирания детайл. Системите, захранвани с прах, са известни и като: системи за лазерно покриване, насочено енергийно отлагане, лазерно метално отлагане и др.

Процесът е много прецизен и се основава на автоматизирано отлагане на слой от материал с дебелина, варираща между 0,1 мм и няколко сантиметра. Металургичното свързване на материала на покритието с основния материал и отсъствието на подрязване са някои от характеристиките на този процес. Процесът се различава от други заваръчни техники по това, че в субстрата навлиза ниска топлинна мощност.

Суровини и свойства на металните прахове
Разнообразието от налични материали за адитивно производство на метали непрекъснато се разширява. Най-често се използват неръждаеми стомани, алуминий, никел, кобалт-хром и титанови сплави, а редица производители на машини за АП предлагат и свои собствени патентовани материали.

Изследователските институти, университетите и производителите на системи за АП вече разработват и предлагат и специални материали, персонализирани според потребностите на клиентските приложения. Не всички съществуващи метални материали могат да се използват за адитивното производство на детайли, но в повечето случаи, и при наличието на подходящо оборудване, за всяко приложение може да бъде създаден метален прах – суровина за производство на необходимите изделия.

В бранша се правят опити за стандартизиране на процесите и материалите за АП, което е важна стъпка към установяване на по-ясни критерии за сравнение на продуктите и по-бързо внедряване на технологията в съществуващите производствени вериги. Широкото разнообразие от материали предлага на потребителите големи възможности за избор на подходящ материал с цел постигане на желаните спецификации на продукта.

Общи свойства на металните прахове, подходящи за АП, са сферичната геометрия на частиците, получени от газовата атомизация и разпределението на размера на частиците в зависимост от дебелината на слоя, обикновено между 10-50 mm.

Свойствата на материалите като якост на опън, твърдост и коефициентът на удължение са важни особености на суровините и често се използват като референтни точки при вземането на решение за пригодност на материала.

Вторични/довършителни процеси при АП
За да се постигнат необходимите спецификации или да се подобрят свойствата на произведените детайли, например качеството на повърхността, геометричната точност и механичните свойства, след процеса на адитивно производство често е необходимо да се извършва допълнителна обработка. Повечето физически характеристики могат да бъдат подобрени чрез довършителни и финишни операции в края на веригата на процесите на АП.

Обичайните стойности на грапавостта на повърхнините на създадени посредством селективно лазерно топене (SLM) метални детайли варират между 15 mm и 40 mm (радиус по Z в посока X/Y). Високото качество на металните продукти, произведени чрез адитивно производство, позволява прилагането на различни технологии за финишна обработка на метални повърхности, за да покрият изискванията за качество и геометрия на повърхността.

След отстраняването на опорните структури и отделяне на получените детайли от платформата за изграждане, те могат да бъдат фрезовани, пробивани, полирани и т. н. Вътрешни повърхности, като темперовани канали например, могат да бъдат полирани посредством обработка с абразивен поток.

Топлинната обработка често се включва във веригата на процесите, както и т. нар. “shot peening” технология (високотехнологичен процес на наклепване, осъществен посредством поток от твърди частици). Тези техники се използват за подобряване на механичните и тактилни свойства на повърхностите на адитивно произведените детайли.

Друг често прилаган финишен процес е електрошлайфането. Това електрохимично обработване значително подобрява качеството на повърхността на произведени чрез AП детайли при финишна обработка. Главната му цел е да се сведат до минимум микрограпавините, като по този начин се намалява рискът от задържане на замърсявания и остатъци от материала по повърхността на детайла и се подобрява почистваемостта й.

Електрополирането може да се използва и за обезмасляване, оцветяване и пасивиране, особено за повърхности, изложени на абразивно влияние. Тъй като електрополирането не включва механично, термично или химическо въздействие, могат да се обработват малки и механично крехки части.

Приложения на технологията за адитивно производство на метали
Първоначално разглеждано като процес за моделиране на концепции и бързо създаване на прототипи, адитивното производство значително еволюира през последните години до реална производствена технология, която намира приложение в редица области на индустрията, включително във високотехнологичното машиностроене.

От изработването на прототипи и инструментална екипировка до директно производство в индустриални сектори като архитектура, медицина, стоматология, аерокосмическа и автомобилна индустрия, производство на мебели и бижутерия, адитивното производство на детайли непрекъснато се развива и покрива нови и нови приложения. От потребителски стоки, произведени в малки партиди, до мащабно серийно производство на метални детайли, приложенията на AП са огромни.

Те включват: създаване на модели и прототипи по време на фазата на разработване на продукта; създаване на детайли за производство на пилотни серии в медицинската, автомобилната и аерокосмическата индустрия; дребно серийно производство, при което разходите за инструментална екипировка за леене или шприцване биха били твърде високи; производство на части с висока геометрична сложност, които не могат да бъдат изработени чрез конвенционални методи (пресоване, шлайфане, фрезоване, леене и т.н.) и др.

Адитивното производство на метали като процес все още не е подходящо за масово производство на милиони идентични прости детайли. Въпреки това, с развитието на технологиите и намаляването на времето за производство, използването на AП за изработване на големи количества машинни части става все по-предпочитано решение от високотехнологичните машиностроителни предприятия.

Предимствата на AП произтичат от неговата висока гъвкавост – продуктът се произвежда директно на базата на CAD модел, без необходимост от инструментална екипировка. Това също позволява чрез този процес да се произведе почти всяка геометрия, която може да бъде проектирана.

Съществуват приложения, например възстановяването на зъбни колела, при които се използва пълния потенциал на АП. В такива силно индивидуализирани производствени процеси е икономически изгодно да се прилагат технологии за адитивно производство, които ускоряват производствения процес, без да увеличават излишно разходите за възстановяване на единичен детайл.

Предимства на конструкциите, изработени с АП
Доскоро външната геометрия и якостта бяха сред водещите за потребителя особености на един метален детайл. Адитивното производство позволи интегрирането на допълнителни функции в изделията и създаде нови области на приложение на техническите детайли.

Един пример за способността на технологията за AП да интегрира функционалност директно в детайлите е при производството на матрици или инструменти с конформално управление на температурата (conformal temperature control) или вакуумни канали, които минават директно под повърхността на матрицата. С тази технология може да бъде произведен например екструзионен инструмент с охлаждащи канали, които не могат да бъдат изработени с друг метод.

Друг добър пример за използване на AП с цел интегриране на функционалност в изделията е производството на детайли с повтарящи се вътрешни форми, които увеличават вътрешните повърхности за по-добър енергиен или топлообмен в устройства за възстановяване или филтриране на топлина. Тези структури правят възможно плътното запълване на пространството, ако е необходимо, което позволява свободното проектиране на плътността на детайла.

За да се използва пълният потенциал на техниките за АП на метали, сложните вътрешни структури могат да бъдат комбинирани с други геометрични характеристики като външни обвивки. Разделянето на детайлите на две части – корпус и обем на сърцевината, позволява нови решения не само за производство на олекотени детайли, които се нуждаят от плътна обвивка и пореста сърцевина, но и за детайли с вътрешна функционалност.

И двете части могат да бъдат произвеждани в една единствена производствена стъпка, което води до значителни икономии при теглото на изделието, както и на енергия по време на обработката.

Процесът на проектиране на метални детайли, произвеждани посредством АП, обикновено включва използването на софтуер за топологична оптимизация, за да се определи логичното място на депозиране на материала и зоните, от които може да се отнеме такъв. От областите с нисък стрес се отстранява материал, докато се получи финализирана конструкция, оптимизирана за товароносимост.

Полученият компонент е лек и здрав. Оптимизирането на дизайна и използването на специални олекотени сплави при производството на метални изделия може да доведе до намаляване на теглото с до над 30%.

Поради ограничените размери на съвременните системи за АП, производството на едрогабаритни структурни елементи с тях също до известна степен е ограничено. Размерите на камерите на типичните индустриални машини за AП на метали са приблизително 630 х 400 х 500 мм.

С развитието на технологиите и еволюцията на оборудването в областта обаче скоро се очаква на пазара да се появяват все по-големи системи, предназначени за изработката и на по-едрогабаритни изделия.

Пазарен потенциал на технологията
Повечето от индустриалните приложения на адитивното производство са разработени през последните пет години. Индустрии, като аерокосмическата, автомобилната и медицинската, се възползват пълноценно от предимствата на АП и успешно внедряват технологията.

Пазарните анализатори в областта, цитирани от авторитетното британско издание Metal Additive Manufacturing magazine, предвиждат, че ръстът на приложенията на технологията през следващите години ще бъде бърз и значителен.

Като причина за това експертите изтъкват факта, че все повече компании предлагат производствено оборудване за АП, все повече материали се разработват и налагат на пазара на суровини, както и все повече индустрии внедряват технологията в производствените си практики. Очаква се глобалната стойност на АП да достигне над 10 милиарда щатски долара до 2021 г., сочи още проучването на Metal Additive Manufacturing magazine.

Адитивното производство на метали предлага нови възможности не само по отношение на дизайна, но и при избора на материали. Технологията е особено привлекателна при обработката на съвременни материали като титан, където конвенционалните процеси могат да се окажат твърде скъпи. Такъв е случаят и с редица сплави, които могат да се обработват само с интензивно охлаждане, което усложнява и оскъпява конвенционалните техники.

Списъкът с потенциалните приложения на АП е обширен. Производството на компоненти за приложения в транспортното машиностроене, в които фокусът е върху олекотената транспортна техника, е сред най-обещаващите сфери на развитие на адитивното производство.

Възможността да се произвеждат персонализирани изделия за даден индивид вече е стандарт в медицинския и ортодонтския сектори, но гъвкавостта на адитивното производство може да предложи подобен огромен потенциал и в други сегменти.

С цел по-адекватното приемане и внедряване на АП в масовото производство на метални детайли, особено във високотехнологичното машиностроене, е необходимо преодоляването на някои бариери по отношение необходимите познания за прилагането на технологията, стандартите и нормите за качество на материалите и т. н.

Независимо от огромния потенциал, предлаган от АП, все още не е реалистично да се мисли, че сегашните производствени методи могат да бъдат напълно заменени от него. Визията за универсална машина, която може да произведе всяка възможна форма от неограничено разнообразие от материали, звучи твърде футуристично.

При адитивното производство на метални изделия обаче предстои да се наблюдават изключителни иновации по отношение на технологиите и материалите за създаването на компоненти, които доскоро изобщо не е било възможно да бъдат произведени.