В этом подробном гиде мы рассмотрим основные принципы технологий 3D-печати металлами, расскажем о разнице между ними и приведем примеры применения. Прочитав эту статью, вы узнаете об их преимуществах и ограничениях. Читайте статью и смотрите видео о 3D-печати металлами.
Содержание
SLM & DMLS: в чем разница
Выборочное лазерное плавление (SLM) и прямое лазерное спекание металлов (DMLS) являются двумя процессами аддитивного производства, которые относятся к семейству трехмерной печати порошковым слоем. Эти две технологии имеют много общих черт: обе используют лазер для спекания или выборочного плавления частиц металлического порошка, связывая их вместе и создавая слои изделия, один за другим.
Различия между SLM и DMLS сводятся к основам процесса склеивания частиц (а также к патентам): в SLM лазер расплавляет металлический порошок, а в DMLS частицы порошка нагреваются меньше и спекаются между собой, не переходя в жидкую фазу.
Основное отличие DMLS от традиционных технологий производства металлических деталей в том, что DMLS-принтер создает объекты без остаточных внутренних напряжений, которые могут снижать качество металлических компонентов изготовленных литьем и штамповкой. Это важно для деталей производимых для автомобильной и аэрокосмической отрасли, так как они должны выдерживать высокие нагрузки.
В SLM лазер расплавляет каждый слой металлического порошка, и перепады температур могут приводить к возникновению внутренних напряжений в детали, что потенциально может сказаться на ее качестве, хоть и в меньшей степени чем, например, при литье. В этом вопросе преимущество SLM перед традиционными технологиями меньше, чем преимущество DMLS. С другой стороны, спеченные по технологии DMLS детали уступают в монолитности и запасе прочности деталям напечатанным по методу SLM.
Технологии похожи до степени смешения, как по принципу действия, так и по используемым техническим решениям, потому некоторые 3D-принтеры способны печатать по обеим методикам.
Обе технологии, SLM и DMLS, используются в промышленности для создания деталей для различных областей машиностроения. В этой статье мы используем термин «3D-печать металлами» для обозначения обоих процессов в целом, и описываем их основные механизмы, что поможет инженерам и дизайнерам в понимании преимуществ и ограничений технологии.
- Расскажем и о других технологиях 3D-печати металлами, менее распространенных, таких как электронно-лучевое плавление (EBM) и ультразвуковое аддитивное производство (UAM).
- Процесс печати SLM / DMLS:
- Более подробно о методе SLM Вы можете прочитать в нашей статье.
- Процессы изготовления деталей по технологиям SLM и DMLS очень схожи. Основные этапы:
- Камеру построения сначала заполняют инертным газом (например, аргоном) для минимизации окисления металлического порошка, а затем нагревают до оптимальной температуры производства.
- Тонкий слой металлического порошка распределяется по платформе построения, а высокомощный лазер сканирует поперечное сечение компонента, плавя или спекая вместе металлические частицы и создавая следующий слой. Вся область модели подвергается обработке, поэтому деталь сразу твердая.
- После завершения формирования слоя, платформа построения опускается на толщину слоя и рекоутер наносит следующий слой порошка. Процесс повторяется до завершения всей детали.
Когда процесс печати завершается, детали полностью находятся в металлическом порошке.
В отличие от процесса спекания полимерного порошкового слоя (такого как SLS), детали прикрепляются к платформе построения с помощью области поддержки.
Области поддержки строятся с использованием того же материала, что и деталь, их необходимо использовать для избегания деформации и искажений, которые могут возникнуть из-за высоких температур обработки.
Когда камера построения остывает до комнатной температуры, неизрасходованный порошок вручную удаляется, а детали обычно подвергаются дополнительной термической обработке для снятия остаточных напряжений, затем удаляют поддержки. Детали отделяются от платформы построения и готовы к использованию или последующей обработке.
Схема принтера SLM / DMLS:
Характеристики SLM & DMLS
Параметры принтера
В SLM и DMLS почти все параметры процесса устанавливаются производителем принтера. Высота слоя, используемого в 3D-печати металлами, колеблется обычно от 20 до 50 микрон и зависит от свойств материала.
Стандартная область 3D-печати металлами варьируется около 250 x 150 x 150 мм, доступны принтеры и с большей областью печати, около 500 x 280 x 360 мм. Точность размеров, которую может достичь 3D-принтер для печати металлами, составляет приблизительно ± 0,1 мм.
Металлический порошок в SLM и DMLS используются повторно: обычно менее 5% уходит в отходы. После каждой печати неиспользованный порошок собирают, просеивают и затем смешивают с новым материалом, до состава необходимого для следующей печати. В отходы идут, в основном, поддержки.
Небольшое серийное производство рамы велосипеда с использованием SLM. Предоставлено: Renishaw и Empire Cycles.
Адгезия между слоями
Металлические детали, изготовленные методами SLM и DMLS, имеют почти изотропные механические и термические свойства. Они твердые, с очень небольшой внутренней пористостью (менее 0,2-0,5%).
Металлические 3D-печатные детали имеют более высокую прочность и твердость и часто более гибкие, чем детали, изготовленные традиционным способом. Однако они более склонны к усталости.
Например, посмотрите в таблице ниже на механические свойства 3D-печатного сплава AlSi10Mg EOS и литого сплава A360. Эти два материала имеют очень похожий химический состав, с высоким содержанием кремния и магния. 3D-печатные детали имеют превосходные механические свойства и более высокую твердость по сравнению с литым материалом.
Из-за гранулированной формы порошка, шероховатость поверхности (Ra) металлической 3D-печатной детали составляет примерно 6-10 мкм. Эта относительно высокая шероховатость поверхности может частично объяснить более низкую усталостную прочность сплава.
Сравнение механических свойств отдельных разновидностей 3D-печатных и литых деталей:
| Основные характеристики | AlSi10Mg (3D-печатный сплав) | A360 (Литой сплав) |
| Предел текучести (деформация на 0,2%) | XY: 230 MPa Z : 230 MPa | 165 MPa |
| Прочность на растяжение | XY: 345 MPa Z : 350 MPa | 317 MPa |
| Модуль | XY: 70 GPa Z : 60 GPa | 71 GPa |
| Удлинение при разрыве | XY: 12% Z : 11% | 3.5% |
| Твердость | 119 HBW | 75 HBW |
| Усталостная прочность | 97 MPa | 124 MPa |
Область поддержки и ориентация деталей
Области поддержки при 3D-печати металлами требуются всегда, из-за очень высокой температуры обработки, и они обычно строятся с использованием решетчатой структуры.
Область поддержки в 3D-печати металлами выполняет три функции:
- Обеспечивает подходящую платформу для следующего слоя;
- Прикрепляет деталь к платформе построения и предотвращает ее деформацию;
- Отводит тепло от детали и позволяет ей остывать с контролируемой скоростью.
Детали часто ориентированы под углом, чтобы минимизировать вероятность деформации и максимизировать прочность в критических направлениях. Однако это увеличивает объем необходимой области поддержки, время печати, количество материала и общую стоимость.
Деформация также может быть сведена к минимуму с использованием бессистемных/случайных шаблонов сканирования, т.е. последовательности прохода лазером участков слоя. Эта стратегия сканирования предотвращает накопление остаточных напряжений в каком-либо конкретном направлении.
Поскольку стоимость 3D-печати металлами очень высока, часто используются симуляции, для прогнозирования поведения детали во время печати. Алгоритмы непрерывной оптимизации также используются не только для максимизации механических характеристик и создания легких деталей, но и для минимизации необходимой области поддержки и вероятности деформации.
Кронштейн перед снятием с области поддержки, ориентированной под углом 45 °. Предоставлено: Concept Laser.
Полые секции и облегченные конструкции
В отличие от процессов спекания полимерных порошковых слоев, таких как в SLS, большие полые секции обычно не используются в 3D-печати металлами, так как области поддержки нельзя легко удалить.
В качестве альтернативы полым сечениям, детали могут быть спроектированы с оболочкой и ядром. Оболочка и ядро обрабатываются с использованием различной мощности лазера и скорости сканирования, что приводит к различным свойствам областей детали.
Использование оболочки и ядра очень полезно при изготовлении деталей с большим сплошным сечением, поскольку оно значительно сокращает время печати и вероятность деформации, а также гарантирует производство деталей с высокой стабильностью и отличным качеством поверхности.
Использование решетчатой структуры также является общей стратегией в 3D-печати металлами, для уменьшения массы детали. Алгоритмы оптимизации топологии также могут помочь в разработке органически легкой формы.
Удаление порошка вокруг деталей, изготовленных методом 3D-печати SLM:
Расходные материалы для SLM и DMLS
SLM и DMLS могут производить детали из большого количества металлов и металлических сплавов, включая алюминий, нержавеющую сталь, титан, кобальтовый хром и инконель.
Эти материалы охватывают потребности большинства промышленных применений, от аэрокосмической до медицинской.
Драгоценные металлы, такие как золото, платина, палладий и серебро также могут быть использованы, но их применение ограничено, в основном, изготовлением ювелирных изделий.
Стоимость металлического порошка очень высока. Например, килограмм порошка из нержавеющей стали 316L стоит примерно 350 — 450 долларов. По этой причине минимизация объема детали и области поддержки являются ключом к тому, чтобы максимально снизить затраты.
Основным преимуществом 3D-печати металлами является ее способность печатать высокопрочными материалами, такими как никелевые или кобальт-хромовые суперсплавы, которые очень трудно обрабатывать традиционными методами производства. Значительную экономию средств и времени можно получить, используя 3D-печать металлами для создания деталей с почти чистой поверхностью, которая впоследствии может быть финально обработана традиционными способами.
Особенности разных материалов для 3D-печати металлом:
| Материалы | |
| Алюминиевые сплавы |
|
| Нержавеющая сталь и инструментальная сталь |
|
| Титановые сплавы |
|
| Суперсплавы из кобальта-хрома |
|
| Никелевые суперсплавы (Инконель) |
|
| Драгоценные металлы | ● Используются в ювелирной промышленности ● Не имеют широкого распространения |
Другие технологии
Осаждение материала путем направленного энергетического воздействия (Directed Energy Deposition)
Можно подумать, что среди технологий печатью металлом отсутствует похожая на обычную FDM, однако, это не совсем так. Вы не сможете плавить металлическую нить в своем настольном 3D-принтере, а вот крупные производители владеют такой технологией и пользуются ею. Есть два основных способа печатать цельнометаллическим материалом.
Один из них называется Directed Energy Deposition (DED) или лазерное наплавление (LMD). Он использует лазерный луч для сплавления металлического порошка, который медленно высвобождается и осаждается из экструдера, формируя слои объекта с помощью промышленного манипулятора.
- Обычно это делается внутри закрытой камеры, однако, на примере компании MX3D, мы видим возможность реализации подобной технологии в сооружении настоящего полноразмерного моста, который был изготовлен в октябре 2018 года в Амстердаме.
- Изображение моста из металла, напечатанного MX3D в Амстредаме.
- Еще одна технология наплавления называется Electron Beam Additive Manufacturing (EBАM), это процесс формирования слоев очень мощным электронным лучом, с его помощью расплавляют титановую проволоку толщиной 3 мм и создают крупные конструкции.
Послойное нанесение связующего материала (Binder Jetting)
Изображение работы принтера ExOne:
Технология 3DP от ExOne — еще один профессиональный метод с послойным соединением. Слои образуются путем склеивания металлических частиц и их последующего спекания (или плавления) в высокотемпературной печи, как и при производстве керамических изделий.
Еще один метод, похожий на технологию производства керамики, замешивание металлического порошка в металлическую пасту. 3D-принтер выдавливает ее с помощью пневматической экструзии, подобно тому, как строительный 3D-принтер делает это с бетоном, чтобы сформировать 3D-объекты. После того, как нужная форма напечатана, объекты также спекают в печи.
Постобработка
Различные методы последующей обработки используются для улучшения механических свойств, точности и внешнего вида 3D-печатных деталей.
Обязательные этапы последующей обработки включают удаление остатков порошка и области поддержки, в то время как термообработка (термический отжиг) обычно используется для снятия остаточных напряжений и улучшения механических свойств детали.
Обработка на станках с ЧПУ может быть использована для получения сложных геометрических форм (например, отверстий или резьбы). Обработка давлением, металлизация, полировка и микро-обработка могут улучшить качество поверхности и усталостную прочность металлической 3D-печатной детали.
Спутниковая антенна, изготовленная с помощью технологии DMLS. Предоставлено: Concept Laser and Optisys LLC.
Shining 3D
EP-M100T
EP-M100T — компактный SLM 3D-принтер c областью печати 120х120х80 мм. В силу своих небольших размеров и продуманного удобства использования, лучше всего подойдет для работы в стоматологии и других областях медицины, а также для ювелирного дела.
- Органы управления с сенсорным экраном расположены на передней панели, но возможно и удаленное управление.
- Видео:
- Характеристики Shining 3D EP-M100T:
| Технология печати: | SLM |
| Электропитание: | 380 В, 2000 Вт |
| Размеры, мм: | 940х1300х1980 |
| Рабочая температура, ℃: | 15-30 |
| Мощность лазера, Вт: | 100-200 |
| Рабочая камера, мм: | 120х120х80 |
| ПО: | Eplus 3D |
| Системные требования: | Windows 7 |
Точная 3D печать металлом на заказ в Sprint 3D
3D печать металлом – аддитивное производство металлических изделий, которое по праву является одним из наиболее перспективных и стремительно развивающихся направлений в трехмерной печати как таковой. Сама технология берет свое начало еще с обычного спекания материалов, применяемого в порошковой металлургии. Но сейчас она стала более совершенной, точной и быстрой. И сегодня компания SPRINT3D предлагает вам печать металлом на 3D принтере на действительно выгодных условиях. Но для начала – немного информации о самом производственном процессе и его возможностях.
Технология селективного лазерного сплавления
SLM или технология селективного сплавления – это тип прямой печати металлом, при котором достигается плотность 99,5%. Разница особенно ощутима, если сравнивать с моделями, полученными обычным литьем. Достигается такой показатель благодаря внедрению новейших технологий именно в аппаратной части:
- Применение специальных роликов для утрамбовки порошков и, как следствие, возможность использования порошков с размером частиц от 5 мкм.
- Повышение насыпной плотности, способствующее уплотнению конечных изделий.
- Создание разреженной атмосферы инертных газов, при которой достигается максимальная чистота материала, отсутствует окисление и исключаются риски попадания сторонних химических соединений в состав.
Но самое главное – современный 3D принтер для печати металлом позволяет легко подобрать индивидуальную конфигурацию для печати конкретным металлическим порошком. Таким образом даже с недорогим материалом можно получить первоклассный результат. Но только при условии использовании качественного современного оборудования. И здесь мы тоже готовы вас удивить!
3D-печать металлом В SPRINT 3D
3D-печать на собственных 3D-принтерах
Самая большая рабочая область — 280х280х350 мм
Толщина слоя до 15 микрон
3D различными видами металлов
Доставка по всей России и странам СНГ
Установки для 3D печати металлом, которые мы используем
Качество производства – ключевое требование, которое мы ставим перед собой. Поэтому в работе используем только профессиональное оборудование, обладающие широкими возможностями для печати металлом. Рассмотрим подробнее каждую из производственных установок.
Производственная установка SLM 280HL
SLM 280HL – разработка германской компании SLM Solutions GmbH, использующая технологию послойного лазерного плавления порошковых металлических материалов. Установка оснащена большой рабочей камерой и позволяет создавать 3D объекты размерами 280х280х350 мм. Среди главных преимуществ печати данной установкой можно выделить:
- Малую минимальную толщину наносимого слоя – 20 мкм.
- Заполнение рабочей камеры инертным газом, что позволяет работать с различными реактивными металлами.
- Скорость печати составляет до 35 см/час.
- Толщина слоя построения – 30 и 50 мкм.
- Мощность – 400 Вт.
- Отдельно отметим запатентованную систему подачи порошкового материала, благодаря которой скорость печати значительно выше, чем на большинстве производственных установок в той же ценовой категории. В производстве мы используем следующие материалы:
- Нержавеющая сталь (отечественная 07Х18Н12М2 (Полема), 12Х18Н10Т и импортная 316L).
- Инструментальная сталь (импортная 1.2709).
- Жаропрочные сплавы 08ХН53БМТЮ (аналог Inconel 718, про-во Полема) и ЭП 741 (производства ВИЛС).
- Кобальт-Хром (COCR)
3D-принтер SLM 280HL может использоваться для создания разного рода металлических компонентов, прототипов и конечных изделий. При необходимости мы можем обеспечить мелкосерийное производство.
Производственная установка ProX 100
ProX 100 – компактная установка для 3D печати металлом, разработанная американской компанией 3D Systems. Она работает по технологии прямого лазерного спекания, благодаря чему обеспечивает высокую скорость и точность производства. Среди основных характеристик стоит выделить:
- Размер рабочей камеры – 100х100х80 мм.
- Толщина слоя построения – 20 и 30 мкм.
- Мощность – 50 Вт.
ProX 100 позволяет создавать прототипы, которые невозможно разработать стандартными методами, обеспечивает короткие сроки изготовления, гарантирует отсутствие пористости материала и высокую плотность деталей.
Кроме того, отметим стандартизированное качество всех изделий вне зависимости от их структуры.
На данный момент модель активно используется в стоматологии при создании высокоточных протезов, но нашла широкое применение и в других отраслях:
- Производство двигателей и отдельных их деталей.
- Разработка медтехники.
- Печать ювелирных изделий и даже предметов современного искусства.
В печати мы используем сплав кобальт-хром КХ28М6 (производство Полема), изначально разработанный для аддитивных технологий при создании эндопротезов.
3D печать металлом – применение в настоящее время
Многие специалисты утверждают, что 3D печать как таковая еще полностью не раскрыла свой потенциал. К примеру, Илон Маск планирует использовать технологию в колонизации Марса для строительства административных и жилых зданий, оборудования и техники прямо на месте. И это вполне реально, ведь уже сейчас технология трехмерной печати металлом активно применяется в различных отраслях:
- В медицине: изготовление медицинских имплантов, протезов, коронок, постов и т.д. Высокая точность производства и относительно доступная цена сделали 3D печать очень актуальной в данной отрасли.
- В ювелирном деле: многие из ювелирных компаний используют технологию 3D печати для изготовления форм и восковок, а также непосредственно создания ювелирной продукции. К примеру, печать титаном позволяет создавать изделия, которые ранее представлялись невозможными.
- В машинной и даже аэрокосмической отраслях: BMW, Audi, FCA и другие компании не первый год используют 3D печать металлом в прототипировании и всерьез рассматривают ее использование в серийном производстве. А итальянская компания Ge-AvioAero уже сейчас печатает компоненты для реактивных двигателей LEAP на 3D принтерах.
И это лишь малая часть того, что можно создавать на современном оборудовании. Практически все металлические изделия, которые вам необходимы, можно создать при помощи технологии 3D печати металлом. И если данная услуга актуальна для вас, обратитесь в SPRINT3D. Мы возьмемся за работу любой сложности и объемов. А главное – предоставим первоклассный результат!
Будущее уже здесь!
Вас может заинтересовать
Промышленные 3D принтеры по металлу — 3D печать металлами
Сферы применения и решаемые задачи | Преимущества и ограничения | Возможности в цифрах | Материалы для 3D-печати | Механические свойства изделий
3D печать относится к быстро развивающейся технологии – неизменно растет. Она уже зарекомендовала себя как эффективный метод создания передовых продуктов и будет играть все большую роль в производстве с развитием цифровизации и переходом к модели Индустрии 4.0.
Отвечаем на самые популярные вопросы о 3D-печати, которые задают наши клиенты и читатели – технические специалисты, ищущие новые пути оптимизации производства и внедрения инноваций.
Мы снабдили статью ссылками на другие материалы блога, где конкретные вопросы рассматриваются в деталях.
Если у вас есть вопросы по внедрению 3D-технологий, задайте их эксперту iQB Technologies онлайн!
В каких отраслях рекомендуется применение 3D-принтеров?
Самые перспективные отрасли для внедрения аддитивных технологий, в том числе 3D-печати металлом, – высокотехнологичные, наукоемкие производства, где в приоритете оптимизация или создание сложных инновационных продуктов: авиакосмическая индустрия, оборонная промышленность, машиностроение, автомобилестроение, энергетика, судостроение, нефтегазовый сектор. Нельзя не упомянуть медицину и ювелирное дело, потому что 3D-печать не имеет себе равных в создании индивидуализированных изделий.
Какие задачи выполняются с помощью этой технологии?
Печать металлами в основном решает задачи опытного и мелкосерийного производства, прототипирования, НИОКР. Поэтому сегодня основными пользователями 3D-оборудования становятся крупные исследовательские центры, а также учебные заведения, готовые инвестировать в проекты внедрения новой технологии.
Изготовление конечных серийных изделий из металлов уже активно применяется такими крупными компаниями, как General Electric, Airbus, Boeing, BMW, Michelin, а с появлением супермощных машин типа SLM NXG XII 600 массовое аддитивное производство становится реалией не столь отдаленного будущего.
Подробнее в статье: За 45 часов Bugatti сделала невозможное благодаря 3D-принтеру
В чем разница между различными процессами 3D-печати металлом?
Принцип работы подавляющего большинства современных 3D-принтеров по металлу основан на расплавлении порошков в заранее сформированном слое (Powder Bed Fusion), обычно с помощью мощного лазера.
Вы можете часто встретить такие торговые наименования, как SLM (Selective Laser Melting), DMLS (Direct Metal Laser Sintering), DMLM (Direct Metal Laser Melting) и Laser Cusing.
На самом деле в современных системах всем этим названиям соответствует один и тот же процесс. Серьезные различия заключаются в том, как спроектированы и работают те или иные принтеры.
В нашем блоге мы используем термин «селективное лазерное плавление» (или SLM-технология).
Принцип работы SLM-машины описан в статье Технология селективного лазерного плавления
Зачем моему предприятию 3D-принтер? Разве отливать не проще и дешевле?
Ошибочно думать, что 3D-печать призвана заменить литье или иные классические процессы. Она помогает решить специфические задачи, которые невыполнимы либо слишком трудоемки при использовании традиционных технологий, например:
- изготовление уникальных деталей сложной геометрии, в том числе мельчайших деталей, изделий с внутренними полостями и каналами, тонкими стенками и т.п.;
- снижение веса изделий;
- сокращение числа единиц в сборке;
- создание ячеистых структур.
Такие возможности обеспечивает топологическая оптимизация: проектировщики могут создавать практически любую геометрию.
S-образный кронштейн – элемент исполнительного механизма системы увеличения подъемной силы самолета, напечатанный на установке SLM 280 © ASCO Industries Результаты применения селективного лазерного плавления: • cнижение массы на 31% и сокращение общего времени сборки; • объединение трех деталей в одну; • уменьшение коэффициента использования материала с 17 до 1,5; • значительное сокращение времени механической обработки.
Субтрактивные методы будут и дальше применяться в тех случаях, когда это эффективно с точки зрения стоимости, типа изделий и других требований. Вопрос не в выборе между двумя технологиями, а в том, когда лучше применить аддитивную, а когда субтрактивную.
Иногда при производстве одной детали уместно задействовать оба метода. К примеру, если вы понимаете, что для пресс-формы стоит изготовить вставку с конформным охлаждением, потому что это сократит цикл литья и улучшит качество изделия, используйте 3D-принтер.
При этом другие компоненты вы будете производить по классической технологии.
3D-печать следует воспринимать как еще один вариант технологии получения изделий наряду с механической и пластической обработкой, литьем и др. При выборе вариантов производственного процесса взвешивайте тщательно все «за» и «против».
Рекомендуем материал Инновации vs традиции: металлическое литье или 3D-печать металлами?
Какова экономическая эффективность аддитивного производства?
Технология SLM позволяет значительно сократить цикл производства изделия. С одной стороны, когда мы считаем стоимость материалов, аддитивное производство выходит дороже. Но если учитывать все экономические факторы, начиная с сокращения потребления электроэнергии и кончая уменьшением налоговой нагрузки, 3D-печать помогает сэкономить достаточно серьезные средства.
Кроме того, технология дает возможность резко снизить коэффициент Buy-to-Fly, то есть соотношение между количеством закупленного материала и количеством материала в готовой детали.
Приведите пример топологической оптимизации, показывающий выгоду SLM-технологии.
Возьмем две детали (см. рисунок ниже), выполняющие одну и ту же функцию с определенными нагрузками и имеющие определенный ресурс. По сути, это одна и та же деталь, но с разной геометрией.
Геометрия первой детали оптимизирована для изготовления стандартными методами производства: на фрезерном, токарном станке и средствами других технологий металлообработки.
Это простая и плоская геометрия, ее легко добиться при обработке на станке.
У второй детали геометрия более сложная, и сделать ее на станке представляет серьезные трудности. Согласно данным, у второй детали меньше напряжение, меньше перемещение под нагрузкой и, самое главное, вес уменьшился на 1 кг. Для одного изделия это немного, но если их выпускают сто тысяч в год, то суммарно можно сэкономить сто тонн металла только на одной детали.
Какие есть ограничения?
У предприятий, решивших внедрить аддитивную технологию печати металлом в свой производственный цикл, могут возникнуть следующие трудности:
- необходимость в последовательных научных исследованиях (в том числе для изучения свойств металлов);
- ограничения в размерах объектов;
- большие первоначальные вложения из-за высокой стоимости оборудования и расходных материалов;
- особые требования к помещению и условиям эксплуатации;
- аттестация оборудования и сертификация изделий;
- сложность в адаптации 3D-решений к существующим технологическим циклам на производстве.
Каковы максимальные габариты напечатанного изделия?
Исторически сложившимся отраслевым стандартом оборудования на базе селективного лазерного плавления является платформа размером 250 x 250 мм с высотой построения 250-300 мм.
На сегодня самые большие камеры построения у аддитивных установок SLM Solutions. У системы SLM 800 камера 500 х 280 х 850 мм, у новейшей машины SLM NXG XII 600 – 600 х 600 х 600 мм.
Одно из первых изделий, созданных с помощью 3D-принтера по металлу SLM NXG XII 600: корпус силового агрегата E-Drive для спорткара Porsche © SLM Solutions Размер: 590 х 560 x 367 мм Вес: 15,5 кг Материал: AlSi10Mg
Время изготовления: 21 час
А минимальная толщина стенки?
Диаметр пучка лазера в аддитивной установке печати металлами – 70-80 микрон. Можно напечатать стенку детали толщиной в два прохода лазера, т.е. минимальная толщина будет всего лишь 140-150 микрон.
Сколько по времени выращивается модель? От чего зависит скорость печати?
Металлический предмет производит принтер по металлу от нескольких часов до нескольких суток. К примеру, модель высотой 3-4 см будет печататься от 2 до 8 часов, в зависимости от ее площади и высоты. Тестовая печать на промышленном 3D принтере с камерой построения 280 х 280 х 360 мм занимает около суток.
Производительность аддитивных установок зависит от разных факторов:
-
Чем больше лазеров, тем выше скорость и больше количество производимых деталей (мощность лазера – 400, 700 или 1000 Вт).
-
В зависимости от конструкции системы порошок может распределяться в двух или только в одном направлении. Подача порошка в двух направлениях обеспечит значительную экономию времени производства.
-
Непрерывная или периодическая подача порошка. Системы с периодической подачей могут требовать остановку оборудования для дозаправки во время выполнения построения, что замедляет процесс.
-
Возможность настроить рабочие параметры системы для увеличения скорости.
Sharebot MetalONE – компактный DMLS-принтер нового поколения для НИОКР, образования, а также малого и среднего бизнеса. Идеально подходит для изучения новых материалов, а благодаря небольшой камере построения (65 x 65 x 100 мм) вы сможете создавать объекты из малого количества металлического порошка – всего 800 г.
Какие виды металлов применяются в аддитивном производстве?
Металлические порошки представляют собой мелкодисперсные сферические гранулы. Свойства получаемой продукции в значительной степени зависят от свойств используемого в принтерах порошка – степени чистоты, текучести и объемной плотности.
Современные аддитивные технологии предполагают использование около двадцати протестированных и готовых к эксплуатации материалов, в их числе – инструментальные, нержавеющие, жаропрочные сплавы, алюминиевые и титановые сплавы, медицинские кобальт-хром и титан.
Поскольку металлов очень много, и каждый из них обладает определенными свойствами, один металл можно заменить другим исходя из технологических задач. К примеру, если в технологической цепочке необходимо задействовать титановый сплав, то технолог сможет выбрать один из множества титановых сплавов с теми свойствами, которые нужны для производства конкретного изделия.
Подробнее в статье: 5 особенностей металлических порошков для 3D-печати 
Благодаря индивидуальному протезу тазобедренного сустава, созданного с помощью 3D-печати титаном, пациент смог вернуться к нормальной жизни © Materialise
Интересуют способы производства металлических порошков.
Есть несколько технологий изготовления сферического порошка. Основным способом является атомизация, а именно: ультразвуковой ударнокинетический метод макрокапельной атомизации и микрокапельной диспергации металлов и ультразвуковой капельноволновой метод ультразвуковой атомизации металлов. Процесс происходит в атомайзере, где металл распыляется в специальной камере.
Какая дисперсность у металлов для 3D-печати?
У каждого металла своя дисперсность. При 3D-печати используются порошки дисперсностью от 4 до 80 микрон. Например, в Европе порошки меньше 8 микрон запрещены, так как они слишком взрывоопасные.
Хотелось бы сравнить прочность изделий при использовании SLM и классических технологий.
Прочностные характеристики изделий зависят от самих изделий, точнее от их геометрии, от поставленных задач, нагрузки, условий применения (морская среда, космос и т.д.).
SLM-печать дает возможность добиться прочностных показателей, сопоставимых с традиционными технологиями. Но примерно в 50% случаев отлитое или отфрезерованное изделие из идеального блока материала прочнее в сравнении с результатом 3D-печати.
Причина – в пористости, которая получается по аддитивной технологии. Но при этом напечатанные объекты становятся более упругими и выдерживают более высокие нагрузки, особенно если мы говорим о таких материалах, как титан, сталь и даже различные сплавы алюминия.
Алюминий – достаточно мягкий материал, пористость добавляет ему упругости.
Необходимо сделать 3D-модель, прочитать все синтетически, провести анализ и получить предварительные данные по изделию, а затем задуматься о возможности его изготовления и тестирования в лаборатории. Такой подход поможет оптимизировать производство и не будет слишком затратным.
Проект Самарского университета: сопловый аппарат 2 ступени газотурбинного двигателя © iQB Technologies
Изготовление соплового аппарата 1 и 2 ступеней ГТД из порошка сплава Inconel 738
| Образец | Предел прочности, МПа | Предел текучести, МПа | Отн. удлинение, % |
| Исходный | 1030 | 600 | 3,7 |
| После термообработки | 1430 | 820 | 8,5 |
Но есть такие технологии, как горячее изостатическое прессование (ГИП), которые позволяют вывести эти изделия на тот же уровень механических свойств.
На титановых сплавах фактически можно получить 80-90% от прочности даже не литых, а кованых изделий.
За счет ГИП удается устранить внутренние дефекты, возникающие из-за неоднородности гранулометрического состава порошка, и достичь практически стопроцентной плотности.
Часто задают вопрос, может ли 3D-печать обеспечить более высокую прочность по сравнению с классическими способами.
Скажем, за счет поверхностного легирования порошков можно получить структуры, действительно обладающие повышенными механическими свойствами.
Это могут быть суперинварные сплавы, например, – то есть те технологии, которые могут обеспечить уникальные свойства, в том числе механические и теплофизические.
Физико-механические свойства основных сплавов приведены в брошюре: Металлы для 3D-печати
Можно ли предсказать механические свойства получаемых материалов – предел текучести, размер зерна, пористость?
Печать металлами обеспечивает очень высокую повторяемость. «Опыт работы показывает, что преемственность механических свойств есть, – рассказывает Антон Агаповичев, старший преподаватель кафедры технологий производства двигателей Самарского университета.
– Определив оптимальный режим, мы печатаем стандартные цилиндрические образцы для подтверждения этих свойств. В дальнейшем, когда начинаем изготавливать детали, вместе с одной из деталей мы специально изготавливаем образцы-свидетели, на которых эти механические свойства постоянно подтверждаем.
Сейчас ведутся научные работы по предсказанию механических свойств, но они касаются больше проектирования самих металлов».
Но в программном обеспечении пока что невозможно предсказать предел текучести, пористость и другие механические характеристики. Наоборот, заранее устанавливаются определенные свойства для каждого материала, которые используются в дальнейшем для моделирования процесса. Это обратный процесс, нам необходимо знать свойства материалов для того, чтобы спрогнозировать различные дефекты.
Во второй части статьи рассказываем о подготовке моделей к 3D-печати, нюансах эксплуатации принтеров по металлу и о постобработке.
Загрузка...
