Zasady metalowych drukarek 3D

Drukarki 3D do metalu działają na zasadzie spiekania, topienia lub spawania materiałów metalowych (takich jak proszek lub drut) warstwa po warstwie w celu przekształcenia-trójwymiarowego modelu cyfrowego w solidną część metalową. Podstawowy proces można podzielić na cztery etapy: przygotowanie danych, dostawa materiałów, produkcja-warstwa po-warstwie i-przetwarzanie końcowe. Technologia ta całkowicie pokonuje ograniczenia związane ze złożonością geometryczną tradycyjnej produkcji subtraktywnej i stała się ważną metodą produkcji w-najnowocześniejszych dziedzinach, takich jak lotnictwo, inżynieria biomedyczna i sprzęt energetyczny. W poniższych sekcjach wyjaśniono zasady i szczegóły techniczne każdego kluczowego etapu.

Przetwarzanie modelu 3D: Użytkownicy projektują model za pomocą oprogramowania CAD (takiego jak SolidWorks, UG lub CATIA) lub uzyskują go poprzez skanowanie 3D lub rekonstrukcję CT. Oprogramowanie konwertuje model do formatu-czytelnego dla drukarki (najczęściej STL, ale także 3MF lub OBJ) i naprawia błędy geometryczne (takie jak dziury, krawędzie inne niż-rozdzielcze, nakładające się ściany lub nieprawidłowe normalne). Ten krok jest krytyczny, ponieważ każda wada modelu może bezpośrednio spowodować niepowodzenie wydruku lub odrzucenie części. Zaawansowane-przetwarzanie wstępne obejmuje także optymalizację topologii i projektowanie generatywne w celu znacznego zmniejszenia masy przy jednoczesnym spełnieniu wymagań dotyczących wytrzymałości.

Krojenie warstw: Specjalistyczne oprogramowanie drukarki (takie jak Materialise Magics, EOSPRINT lub SLM Build Processor) dzieli model 3D wzdłuż osi pionowej (Z) na setki lub tysiące cienkich warstw. Grubość warstwy wynosi zazwyczaj 20–100 mikrometrów (20–40 μm w przypadku części precyzyjnych; 60–100 μm w przypadku dużych elementów konstrukcyjnych). W procesie krojenia generowany jest plik zawierający informacje o konturach, ścieżki wypełnienia, strategie skanowania i struktury podporowe dla każdej warstwy, precyzyjnie prowadzące drukarkę. Strategie skanowania (pasek, szachownica, spirala itp.) i parametry gęstości energii silnie wpływają na naprężenia szczątkowe, gęstość i jakość powierzchni i muszą być zoptymalizowane w zależności od materiału i geometrii części.

Technologie druku 3D w metalu różnią się w zależności od formy materiału i źródła energii. Główne kategorie są następujące:

Powder Bed Fusion (PBF) Jest to obecnie najbardziej dojrzała i{0}}najbardziej precyzyjna technologia głównego nurtu.

Selektywne stapianie laserowe (SLM): laser światłowodowy o dużej-mocy (zwykle 200–1000 W; systemy wielo-laserowe mogą osiągać kilka kilowatów) selektywnie i całkowicie topi złoże proszku metalu zgodnie z pociętą ścieżką. Stopiony obszar zestala się po ochłodzeniu, tworząc pojedynczą warstwę, podczas gdy niestopiony proszek służy zarówno jako wsparcie, jak i ochrona. Cały proces odbywa się w atmosferze gazu obojętnego (argonu lub azotu), aby zapobiec utlenianiu. Nadaje się do stopów tytanu, stopów aluminium, stali nierdzewnych, nadstopów-na bazie niklu itp. o gęstości przekraczającej 99%.

Topienie wiązką elektronów (EBM): wykorzystuje wiązkę elektronów o wysokiej-energii jako źródło ciepła do wstępnego podgrzewania i topienia proszku metalicznego w-środowisku o wysokiej próżni. Podgrzewanie wstępne znacznie zmniejsza naprężenia szczątkowe i umożliwia szybsze tempo budowy, dzięki czemu jest szczególnie odpowiednie do tytanowych implantów ortopedycznych. Koszt sprzętu jest wysoki, a chropowatość powierzchni stosunkowo większa.

Bezpośrednie spiekanie laserowe metali (DMLS): W zasadzie podobne do SLM. Historycznie odnosiło się to do procesów, w których proszek był tylko częściowo topiony (spiekany), ale dziś w przemyśle określenia DMLS i SLM są często używane zamiennie. Nadaje się do zastosowań obejmujących wiele-materiałów lub przypadków o nieco niższych wymaganiach dotyczących pełnego-topienia.

Ukierunkowane osadzanie energii (DED)

Laserowe osadzanie metalu (LMD): Jednocześnie podaje proszek metalowy lub drut, podczas gdy laser tworzy jeziorko stopionego materiału na podłożu lub poprzedniej warstwie i osadza materiał. Umożliwia-naprawy dużych części, funkcjonalnie sortowane materiały i hybrydową-wytwarzanie subtraktywne. Szybkość osadzania jest znacznie wyższa niż w przypadku PBF.

Wytwarzanie addytywne łuku drutowego (WAAM): wykorzystuje łuk elektryczny jako źródło ciepła do topienia drutu metalowego i osadzania go warstwa po warstwie. Niski koszt sprzętu, wysokie wykorzystanie materiału i odpowiedni do bardzo-bardzo dużych konstrukcji lotniczych, ale niższa dokładność i jakość powierzchni zwykle wymagają późniejszej obróbki.

Natryskiwanie spoiwa Głowica drukująca selektywnie wyrzuca spoiwo na złoże proszku metalicznego, wiążąc proszek w pojedynczą „zieloną” warstwę, podczas gdy niezwiązany proszek działa jako podpora. Po wydrukowaniu część poddawana jest odwiązywaniu (usuwaniu spoiwa) i spiekaniu w wysokiej-temperaturze w celu uzyskania końcowej gęstości. Proces ten nie powoduje naprężeń termicznych podczas drukowania, zapewnia dużą prędkość i nadaje się do produkcji średnio-nakładowej, chociaż skurcz spiekania musi być dokładnie kompensowany.

Rozprowadzanie proszku/podawanie materiału: w technologiach-złoża proszkowego-precyzyjne ostrze lub wałek do ponownego powlekania rozprowadza na platformie roboczej jednolitą warstwę proszku metalicznego, dopasowując się do grubości warstwy. Płynność proszku i rozkład wielkości cząstek bezpośrednio wpływają na jakość warstwy. W przypadku ukierunkowanego osadzania energetycznego podajnik drutu lub współosiowa/boczna dysza proszkowa dostarcza materiał precyzyjnie do jeziorka.

Pobór energii i topienie: Laser, wiązka elektronów lub łuk skanują materiał wzdłuż zaprogramowanej ścieżki z dużą prędkością, lokalnie topiąc go lub spiekając, tworząc cienką warstwę, która dokładnie pasuje do konturu plastra. Temperatura, rozmiar i szybkość chłodzenia roztopionego-basenu są precyzyjnie kontrolowane na podstawie mocy, szybkości skanowania i średnicy plamki, które określają poziom mikrostruktury i defektów.

Łączenie-międzywarstwowe: po ukończeniu każdej warstwy platforma robocza obniża się o jedną grubość warstwy (lub podnosi się złoże proszku), nakładana jest nowa warstwa proszku i proces topienia jest powtarzany. Warstwy są łączone za pomocą wiązania metalurgicznego, tworząc ciągłą trójwymiarową- bryłę. Nowoczesne systemy często obejmują monitorowanie-roztopienia-w czasie rzeczywistym przy użyciu-szybkich kamer, pirometrii w podczerwieni lub tomografii optycznej.

Konstrukcje wsporcze: W przypadku nawisów, otworów i dużych nachyleń należy zaprojektować zdejmowane konstrukcje wsporcze, aby zapobiec deformacji lub zapadnięciu się pod wpływem grawitacji podczas topienia. Projektowanie i usuwanie podpór znacząco wpływa na ostateczny koszt i jakość powierzchni.

Obróbka końcowa-jest niezbędnym etapem druku 3D metalu i często stanowi 30–50% całkowitego kosztu.

Usuwanie i czyszczenie podpór: Podpory są usuwane za pomocą cięcia mechanicznego, elektrodrążenia drutowego, rozpuszczania chemicznego lub metod ręcznych. Niestopiony proszek (proces-złoża proszkowego) lub nadmiar odprysków (DED) są dokładnie czyszczone. Systemy odzyskiwania proszku umożliwiają recykling większości niewykorzystanego proszku.

Obróbka cieplna:-wyżarzanie odprężające, obróbka przesycająca, starzenie lub prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) eliminują naprężenia szczątkowe, zamykają pory i ujednolicają mikrostrukturę, znacznie poprawiając twardość, wytrzymałość, wytrzymałość i odporność zmęczeniową. HIP stał się standardowym procesem w przypadku krytycznych części lotniczych.

Obróbka powierzchniowa: Piaskowanie, śrutowanie, polerowanie, polerowanie elektrochemiczne, galwanizacja lub powlekanie poprawiają jakość powierzchni, zmniejszają chropowatość oraz spełniają wymagania dotyczące montażu i wyglądu.

Obróbka: Krytyczne wymiary współpracujące, gwintowane otwory i powierzchnie uszczelniające są wykańczane za pomocą obróbki CNC, aby zapewnić, że ostateczne tolerancje odpowiadają specyfikacjom projektowym. Wiele-zaawansowanych aplikacji wykorzystuje hybrydowe podejście do produkcji „addytywne i subtraktywne”.

Zalety:-swobodna produkcja złożonych struktur bez form, idealna do dostosowywania i produkcji o małych-do-średnich wolumenach i dużym-mieszaniu. Wysokie wykorzystanie materiału (procesy-w złożu proszkowym mogą przekraczać 90%, znacznie przewyższające wysoki współczynnik zakupu-do-wylotu w przypadku tradycyjnej obróbki tytanu), zmniejszając straty drogich metali. Umożliwia lekką konstrukcję (konstrukcje kratowe, optymalizacja topologii), która spełnia podwójne wymagania dotyczące redukcji masy i wysokiej wydajności w przemyśle lotniczym i kosmicznym i podobnych dziedzinach. Umożliwia wysoką konsolidację części, redukując etapy montażu i poprawiając niezawodność.

Ograniczenia: Wysokie koszty inwestycyjne sprzętu przemysłowego (setki tysięcy do kilku milionów RMB) i stosunkowo powolne tempo budowy sprawiają obecnie, że technologia ta jest mniej odpowiednia do produkcji prostych części na-na dużą skalę. Chropowatość powierzchni-po wytworzeniu i dokładność wymiarowa są zazwyczaj niższe niż w przypadku tradycyjnej obróbki CNC i wymagają-obróbki końcowej. Proszki metali stwarzają ryzyko wybuchu, utleniania i zdrowia, dlatego wymagają ścisłej ochrony przed gazem obojętnym-i kontroli pyłu. Bazy danych dotyczące różnorodności materiałów i-parametrów procesu są wciąż rozbudowywane, a cykle certyfikacji pozostają stosunkowo długie.

Dzięki cyfrowej-produkcji-warstwowej drukarki 3D do metalu przełamały bariery złożoności tradycyjnej obróbki i zapewniły rewolucyjne rozwiązania dla przemysłu lotniczego (elementy silników, konstrukcje satelitów), medycznego (implanty-dla konkretnego pacjenta, prowadnice chirurgiczne), oprzyrządowania (konforemne kanały chłodzące), energetycznego i motoryzacyjnego. Wraz z szybkim rozwojem systemów wielo-laserowych,-inteligentnego monitorowania in situ,-optymalizacji procesów opartej na sztucznej inteligencji oraz technologii produkcji hybrydowej, wydajność, koszty i niezawodność stale się poprawiają. Technologia ta przyspiesza przejście od szybkiego prototypowania do bezpośredniej produkcji cyfrowej i produkcji seryjnej i ma stać się niezastąpionym filarem-produkcji sprzętu wysokiej klasy.