Металлическая печать на 3D-принтерах — это трендовое направление для многих современных компаний, занимающихся научными, медицинскими, военными разработками, аэрокосмическим производством, автомобилестроением, электротехникой.
Печать металлом применяется во многих отраслях промышленности
Основные типы технологий
В аддитивном производстве металлических изделий выделяют две группы технологий металлической 3D-печати:
- синтез на подложке (Powder Bed Fusion) – выборочное плавление и отверждение нанесенного слоя порошкового материала под воздействием лазера. К ним относятся SLM, DMLS, DPM, LPBF, LaserCusing и EBM.
- прямой подвод энергии и материала (Directed Energy Deposition) – расплавление и отверждение порошка за счет его точечной подачи в зону расплава.
Классификация основных групп технологий трехмерной печати металлами, исходя из типологии процесса
Сходство и различие SLM и DMLS
По сути все технологии синтеза на подложке, за исключением технологии EBM, абсолютно идентичны между собой и не имеют принципиальных отличий. Это разные названия одной и той же технологии, которая лежит в основе работы большинства представленных на рынке 3D-принтеров по металлу. А именно SLM – метод выборочного или селективного лазерного плавления.
Разработка самарского студента в девять раз удешевит 3D-печать металлом
На мировом рынке существует четыре ведущих производителя 3D-принтеров по металлу , работающих по этой технологии. Все они используют различные ее наименования, чтобы выделить свое оборудование среди аналогов и сделать его более привлекательным для покупателя.
Названия технологии SLM, которые используют разные производители 3D-принтеров
Принцип действия SLM-печати
При 3D-печати металлами в качестве источника энергии используются мощные лазеры. Построение деталей происходит в вакуумной или инертной среде. Сырьем являются металлические порошки разной дисперсности.
Лазерный луч нагревает и расплавляет частицы порошка, способствуя их переходу в жидкое состояние. Расплавление частиц обеспечивает их соединение. Как правило, при печати с помощью SLM-технологии в кристаллической решетке металла возникают внутренние напряжения, объяснимые небольшим перепадом температур внутри рабочей камеры. Поэтому после снятия изделия с платформы требуется последующая обработка.
Алгоритм печати
3D-печать металлами, как и любым другим материалом, начинается с создания компьютерной 3D-модели в специальной программе для дизайна. С помощью USB-носителя готовый STL-файл передается на принтер со встроенным программным обеспечением. И там анализируется на предмет соответствия техническим возможностям устройства.
Файл обрабатывается программой-слайсером, которая режет объемную модель на плоские слои и корректирует шероховатости для достижения точности построения модели. После этого запускается цикл печати, который состоит из множества последовательно повторяющихся этапов построения отдельных слоев.
Давайте посмотрим, как выглядит этот процесс после предварительной подготовки на примере SLM-технологии.
3D принтер по металлу. Как это работает
- В закрытую камеру печати подают защитный инертный газ, обычно азот или аргон, до полного удаления кислорода. Данный этап необходим лишь для тех металлов, которые относятся к пирофорным: самовоспламеняющимся при контакте с воздухом. Это, например, металлические порошки титана и алюминия.
- Производится нагрев камеры и начинается построение модели. Порошок равномерно распределяется по платформе с помощью специального ролика, формируя слой толщиной 20-50 мкм. И сканируется лучом мощного лазера, который в зависимости от технологии либо расплавляет, либо спекает его частицы.
- После окончания работы над одним слоем процедура повторяется снова. Платформа опускается вглубь, на толщину нанесенного слоя, и поверх него наносится следующий. Так происходит до того момента, пока модель не будет построена полностью.
По завершению печати изделие извлекается из камеры, очищается от оставшегося после печати порошка и отделяется от плиты с применением механических способов: например спиливания или резки.
Как и при 3D-печати полимерными пластиками, для построения металлических деталей требуются вспомогательные поддержки. Они строятся из того же материала, что и модель, и закрепляют ее на платформе, предотвращая возможную деформацию конструкции из-за высоких температур. Поэтому после охлаждения изделие проходит еще один важный этап обработки – удаление поддерживающих структур. Это не всегда просто и требует немалых физических усилий.
Ниже расскажем еще об одном методе, который входит в группу технологий синтеза на подложке.
Технология EBM
Технология электронно-лучевого плавления отличается от предыдущей источником тепловой энергии: вместо лазера здесь используется электронный пучок. Он извлекает электроны из вольфрамовой нити в вакууме и ускоряет их проецирование на металлический порошок.
Алгоритм печати выглядит также, повторяя все описанные ранее этапы. Слой металлического порошка наносится на рабочую поверхность и расплавляется электронным лучом. После этого платформа для сборки опускается, и сверху наносится новый слой. Этот процесс продолжается до тех пор, пока модель не будет завершена полностью. Печать производится в вакуумной среде.
Несмотря на то, что данный метод также требует построения вспомогательных конструкций, которые крепят элементы изделия к платформе, у него есть свои плюсы:
- при печати не накапливаются внутренние напряжения, а значит не требуется постобработка в виде термического отжига для их снятия,
- полностью отсутствует пористость и плотность: изделия получается даже лучше, чем при изготовлении методом литья.
Данная технология используется, в основном, в авиакосмической и военной отрасли, а также в медицине – для создания имплантатов и протезов. Она принадлежит шведской компании Arcam.
Характеристики технологий синтеза на подложке
Исходные данные принтера
В оборудовании, работающем по данным технологиям, практически все параметры заложены производителем. 3D-принтеры применяются для производства небольших партий и ограничены по количеству печатных изделий, так как они крепятся к платформе с определенной площадью.
В стандартном 3D-принтере по металлу размер камеры для печати составляет 250х150х150 мм, в крупногабаритных устройствах с расширенным объемом печати площадь камеры достигает 600х600х600 мм. Обычно высота распределяемого слоя варьируется от 20 до 100 мкм и, как правило, зависит от композиции порошка и его свойств.
Выращивание металлических деталей требует построения поддержек. Поэтому при печати изделий учитываются издержки, связанные с затратой материала на вспомогательные конструкции.
Оставшийся металлический порошок после завершенного цикла печати может служить для повторного применения. Его просеивают, собирают в контейнер и при необходимости добавляют в устройство для печати.
Так поступают с нереактивными никелевыми сплавами, поскольку их частицы практически не меняют своей формы и свойств. Но не рекомендуется использовать повторно титановые и другие сплавы, которые являются пирформными и накапливают кислород. Данные порошки могут повести себя непредсказуемо даже в условиях повторной очистки инертными газами. Стоит помнить, что изделие высочайшего качества получают только из металлического порошка первичного использования.
Межслойная адгезия
Напечатанные металлом детали отличаются хорошими механическими свойствами благодаря высокой степени адгезии между слоями. Пористость изделий сводится к нулю (0,2 – 0,5%), особенно после конечной обработки термическим отжигом.
Напечатанные металлом детали более прочные и характеризуются большей гибкостью, чем изготовленные методом литья.
Источник: dzen.ru
3D-печать маталлами на домашнем 3D-принтере. Технологии сегодня и ближайшие перспективы
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
В то время как бытовая трехмерная печать стала достаточно простой и недорогой для домашнего применения, а ассортимент расходных материалов увеличивается не по дням, а по часам, остается одно направление, так и не достигнувшее своего полного потенциала. Речь пойдет о 3D-печати металлом.
Собственно, металлическими печатными изделиями уже никого не удивить. Энтузиасты и профессионалы осведомлены о возможностях таких технологий, как выборочное лазерное спекание или электронно-лучевая плавка. Эти методы позволяют создавать трехмерные металлические модели, практически неотличимые от литых или штампованных деталей, но зачастую превосходящие свои традиционные аналоги по легкости и ценовой доступности, хотя несколько уступающие по прочности.
К сожалению, вышеназванные технологии требуют создания сложных, дорогостоящих устройств с немалыми габаритами. Хуже того, расходные материалы дефицитны и зачастую весьма дороги, ведь методы спекания и плавки требуют использования порошкообразных материалов, производимых в достаточно небольших объемах.
Каковы же перспективы 3D-печати металлом с помощью ставших привычными экструзионных принтеров?
Начнем с того, что именно экструзионные принтеры, то есть устройства печатающие методом послойного наплавления (FDM), и стали первыми 3D-принтерами по металлу. Существующая технология позволяет использовать смешанный материал из металлических частиц и связующего вещества. Готовая модель может иметь вид металлического изделия, но не будет обладать соответствующими механическими характеристиками. Как вариант, возможен обжиг готовой модели для спекания металлических частиц или, что более характерно, для выплавки связующего материала с одновременной пропиткой относительно легкоплавким металлом или сплавом – например, бронзой. Естественно, готовое изделие не будет отличаться прочностью литых аналогов, да и сам процесс требует использования специальных гончарных печей, что ведет к удорожанию технологии.
Пример металлической модели,
созданной методом экструзионной печати с последующим обжигом
В целом, данный метод хорошо подходит для создания моделей, не предназначенных для высоких механических нагрузок и не требующих высокой износоустойчивости – например, ювелирных изделий. Спрос на подобные 3D-принтеры для печати металлом достаточно велик: в настоящее время разрабатываются несколько перспективных устройств для печати металлической глиной, включая Mini Metal и Newton 3D. Настоящим прорывом стала бы возможность 3D-печати готовых металлических изделий с использованием исключительно технологии FDM. Однако возможности существующих экструзионных устройств достаточно ограничены.
Проблемы носят конструктивный характер. Начнем с того, что температура экструдера редко превышает 300°С, а сами экструдеры зачастую изготовляются из алюминия с температурой плавления около 650°С. Само собой, это исключает возможность печати сталью, титаном или любыми другими тугоплавкими металлами и сплавами. С другой стороны, экструдеры в свою очередь могут быть выполнены из тугоплавких материалов с целью повышения рабочего температурного диапазона. Среди энтузиастов рассматривается даже возможность керамических печатных головок.
Второй проблемой является фоновая температура. Хотя, в целом, повышенная температура в рабочей камере приветствуется, тепловое излучение вблизи экструдера при попытке печати тугоплавкими металлами может быть достаточно высоким для повреждения пластиковых деталей и проводки в конструкции самого принтера.
Третьей проблемой является обеспечение достаточно быстрого нагревания расходного материала для своевременной экструзии.
И наконец, использование металла в качестве расходного материала может привести к плотному засорению экструдера. Если очистка печатающей головки от застывшего пластика является головной болью, то очистка от застывшего алюминия или стали может стать делом неподъемным.
До сих пор попытки печати однородным металлом или сплавами ограничивались легкоплавкими материалами, такими как припой или чистое олово. Результаты сложно назвать удачными. Даже такие легкоплавкие материалы быстро засоряли сопло, а также вызывали повышенный износ: по словам испытателей, диаметр алюминиевого сопла увеличивался с 1мм до 2мм после прохождения 500 грамм припоя, использовавшегося в ходе эксперимента. Тем не менее, определенный прогресс при минимальных затратах налицо.
Иллюстрация любительского эксперимента по экструзионной печати оловом
Не так давно на выставке Maker Faire в Нью-Йорке была представлена разработка под названием Vader. Как уверяют разработчики, Скотт и Зак Вэйдеры, их устройство способно осуществлять экструзивную печать алюминием. Настораживает лишь один простой факт – разработчики не предоставили ни единого образца напечатанных моделей, а впоследствии признали, что устройство еще не имеет подходящего экструдера. При этом конструкторы делают смелые заявления: максимальное разрешение будет составлять 50 микрон, а купить 3D-принтер по металлу можно будет «всего лишь» за $10000. Что же, поживем-увидим.
Принтер «для печати металлом» есть. Экструдера нет.
Как оказывается, все не так просто
Тем не менее, разработка методов печати металлами продолжается в промышленных масштабах. Разработчики из Университета Техаса в Эль-Пасо получили необходимое финансирование, более $2млн, для постройки первой в мире производственной 3D-печатной линии замкнутого цикла. Целью проекта является создание устройства, способного создавать высокотехнологичные устройства, включая беспилотные летательные аппараты. Одной из особенностей системы будет возможность автоматической механизированной установки готовых электронных компонентов и изготовления электрической проводки.
Hybrid Fab – прототип 3D-печатной производственной линии
Само собой, печать проводки подразумевает 3D-печать металлом, да еще и в комбинации с пластиком и керамикой. Даже самые совершенные промышленные системы лазерного спекания не способны к производству разнородных объектов ввиду особенностей технологии. Можно печатать металлом, можно печатать пластиком, но не одновременно. В настоящее время НАСА ведет работу над технологией EBFȝ, сочетающей элементы электронно-лучевой плавки и экструзионной печати, что может позволить практичную печать композитных конструкций, но эта технология обещает остаться недоступной для обывателя за счет высокой сложности и стоимости. С другой стороны, если разработчики из Университета Техаса в Эль-Пасо добьются положительных результатов, то в мире трехмерной печати может произойти настоящая революция: комбинированная печать пластиком и металлом может привести к появлению доступных принтеров, способных печатать электронные компоненты.
В основе разрабатываемой технологии лежит новая система подачи расходного материала, оптимизированная для использования металлов. Экструдер оснащен специальным нагревающим элементом большой длины, позволяющим расплавлять металл до подачи на сопло, а термоизоляция позволяет избежать урона конструкции устройства. И хотя печать сталью или титаном, скорее всего, останется вне возможностей данной технологии, стабильная печать медью или алюминием уже можно будет считать прорывом. В принципе, даже если новая методика печати металлом не оправдает себя, то проект все равно имеет шансы на успех, ведь основной целью является создание производственного комплекса, заведомо использующего некоторые готовые компоненты. Тем не менее, хотелось бы надеяться на полный успех разработки, включая печать по металлу.
Надежды высоки, так как разработчики уже предоставили конкретные образцы своих трудов. Продемонстрированные результаты еще очень далеки от разрешения, необходимого для печати микросхем, но начало положено.
В случае успеха технологии будет, по крайней мере, возможно производство электромеханических компонентов – таких, как пошаговые электромоторы, используемые для привода экструдеров, рабочих платформ и вентиляторов. В этом случае станет возможным создание полноценных RepRap устройств – самовоспроизводящихся 3D-принтеров. Что примечательно, основным партнером ученых в разработке экспериментальной производственной линии является компания Stratasys – один из пионеров и текущих лидеров рынка трехмерной печати. Интересным моментом стал тот факт, что Stratasys не стала вкладываться в развитие или приобретение технологий лазерного или электронно-лучевого спекания. Вполне возможно, что Stratasys считает разработку 3D-принтеров для печати металлом на основе FDM более перспективными.
Параллельно разработкам по 3D-печати методом FDM развивается открытый проект по адаптированию технологии электронно-лучевой плавки для бытового использования, получивший название MetalicaRap. Пока же, бытовая и полупрофессиональная 3D-печать металлом останется ограниченной созданием композитных материалов на основе металлической крошки с возможностью дополнительной термической обработки для создания цельнометаллических моделей. И хотя по своей прочности такие изделия уступают литым, в арсенале энтузиастов остается приятная возможность, недоступная для дорогостоящих промышленных устройств – возможность печати разноцветных моделей на основе металлов, ведь цвет полимерных наполнителей легко изменить.
Источник: 3dtoday.ru
Новая жизнь металла в аддитивных условиях производства
Знакомство человека с металлом произошло в глубокой древности. За четыре тысячелетия до нашей эры люди уже использовали металлические предметы в качестве оружия, предметов быта и украшений. И лишь в конце восемнадцатого – начале девятнадцатого столетий металлы в значительной мере стали использоваться для производственных целей.
С тех пор начался непрерывный процесс усовершенствований, как свойств самих металлов, так и способов их обработки. Сферы применения этого уникального элемента сегодня ограничить уже нельзя. Металл используется человеком повсеместно и во многом, именно благодаря ему, производственные процессы достигли невероятного прогресса, совершив несколько скачков, известных как «промышленная революция».
Современное человечество находится на пороге очередной промышленной революции, основу которой составляют технологии. И, конечно, без металлов здесь тоже не обошлось. Ведь практически каждая инновационная технологическая разработка в той или иной степени связана с металлами.
Ценность 3D печати металлом
Печать металлом на 3D принтере одна из новейших технологий, которой пророчат перспективное развитие и весомую роль в современном серийном производстве. О таком блестящем будущем технологии свидетельствуют нынешние первые успехи внедрения в промышленные циклы. В частности, 3D печать металлом значительно сокращает энергозатраты и отходы производства.
Сегодня, изготовление изделий из металла на 3d принтере доступно как на производственном уровне, так и на бытовом, непрофессиональном оборудовании. Ключевыми различиями здесь выступает цена самого оборудования и расходного материала к нему. Принтеры, печатающие металлом, недешевы, а те, что используются в производстве, стартуют от стоимости, соразмерной покупке маленького самолета.
Почему затраты оправданы
Однако, несмотря на дороговизну, затраты являются вполне оправданными. Только представьте, традиционное металлургическое производство более половины металла отправляет в отходы, в некоторых отраслях промышленности отходность составляет девяносто процентов. Аддитивные технологии производства металлических изделий практически на сто процентов безотходны.
Один этот факт стоит затрат на инновационное оборудование. Но правда в том, что это лишь верхушка айсберга преимуществ! 3D печать металлом позволяет кардинально улучшать качественные показатели и механические свойства готовой продукции. Детали, напечатанные на трехмерном принтере прочнее и легче своих оригиналов. А значит, прослужат дольше и позволят экономить на их эксплуатации.
В аэрокосмической, авиационной промышленности, машиностроении и робототехнике подобная экономия эквивалентна миллиардными сокращениями энергозатрат и расходов на топливо. Именно эти отрасли среди первых оснастили свои производства оборудованием, обеспечивающим 3D печать.
Использование аддитивного производства из металлов и его перспективы
В промышленных масштабах 3Д печать металлом пока используют в:
● прототипировании;
● мелкосерийном производстве функциональных деталей;
● изготовлении сувенирной продукции;
● ювелирном деле.
Однако уже совсем скоро крупные автомобилестроительные концерны, авиационные предприятия и аэрокосмические корпорации заявили о намерениях полного перехода на аддитивное производство.
Технологии печати металлом на 3D принтере на сегодняшний день представлены несколькими методами. Каждый из них целесообразен области своего применения и отличается сложностью, материалом, оборудованием, программным обеспечением и постобработкой. Изделия, созданные таким образом могут иметь вид металла, быть металлическими или являться сплавом. Разнятся также свойства готовых изделий.
Особенности использования металла в технологии FDM
Самым доступным непроизводственным методом является 3D печать на пластике с частицами металла по технологии FDM. Филамент для такого трёхмерного принтера может содержать значительные вкрапления металлического порошка, за счёт которого готовое изделие выглядит и даже весит, сходно с оригинальным металлическим прототипом.
Эта технология проста и удобна для изготовления сувенирной продукции, воплощения дизайнерских идей интерьерного декора, для создания бижутерии, оригинальных макетов и презентационного реквизита. Всевозможные изделия под бронзу, медь, серебро, золото, смотрятся эффектно и даже могут покрываться вполне настоящей патиной, но только по поверхностному слою.
Fused Deposition Modeling или FDM представляет собой технологию, с помощью которой можно слой за слоем строить изделия, функциональные прототипы и детали из металлических термопластиков инженерного уровня. Построенные модели будут обладать массой уникальных свойств. В частности, сложной геометрией, устойчивостью к химическим, термическим, механическим нагрузкам.
Другими словами, готовые изделия будут во многом не уступать металлическим моделям изготовленным традиционными способами, а по некоторым параметрам, превосходить их. И это при том, что технология освобождает от каких-либо производственных или конструкторских ограничений, снижает временные и материальные затраты.
Промышленные технологии трехмерной печати металлом
Объемная печать металлом и металлическими сплавами в чистом виде, относится к сфере профессионального аддитивного синтеза. В качестве расходного материала обычно выступает металлический порошок, а его превращение в металлическое изделие происходит под воздействием лазера или электронного луча.
Методы SLM (селективное лазерное сплавление) и DMLS (прямое лазерное спекание) характеризуются послойным сплавлением металлического порошка. Похожей технологией является метод SLS, при котором порошок нагревается до высоких температур, а затем, частицы порошка и слои спекаются между собой лазером.
Binder Jetting – частицы металлического порошка связываются специальным составом, а затем, изделие обжигается в печи, где материал сплавляется в единую конструкцию. Методы лазерной наплавки, сплавки и спекания имеют общий принцип с технологией воздействия на частицы металла электронным лучом (EBM).
Для печати металлическими порошками часто необходимы специальные условия, в частности камеры, заполненные инертным газом. Металлы в порошкообразном состоянии, обладают высокой реактивностью. Инертная среда позволяет обезопасить процесс печати и избежать нежелательных и взрывоопасных реакций.
Металлы, использующиеся в объемной печати
Наиболее распространенными металлами, использующимися в 3Д печати являются:
● Титан – универсальный, легковесный и прочный металл.
● Алюминий – является основой множества высокотехнологичных сплавов, один из самых популярных металлов для объемной печати.
● Медь – не используется для непосредственной трехмерной печати, однако очень удобен для создания металлических пластиковых филаментов.
● Железо – также используется в качестве металлической примеси к PLA филаментам.
● Драгоценные металлы – безальтернативные материалы в ювелирной и электронной промышленности. Недостаток – дороговизна золота, платины, серебра, как расходных материалов.
● Нержавеющая сталь – прочный, упругий металл с отличными характеристиками взаимодействия в сплавах.
● Кобальт-хром – прочный материал, пользующийся большим спросом в стоматологии и протезировании.
● Запатентованные суперсплавы.
Стоит отметить, что будущее печати металлом на 3D принтере за суперсплавами, они уже сейчас широко применяются в таких отраслях как медицинская трансплантология, стоматология, робототехника, станкостроение.
Источник: 3dlbl.ru