Od czasu pojawienia się technologii druku 3D jest ona stopniowo stosowana do wytwarzania rzeczywistych produktów. Wśród nich szczególnie szybki jest rozwój technologii druku 3D materiałów metalowych. W dziedzinie obrony narodowej rozwinięte kraje w Europie i Stanach Zjednoczonych przywiązują dużą wagę do rozwoju druku 3D metali i inwestują ogromne sumy pieniędzy w badania. Drukowanie 3D części metalowych zawsze było przedmiotem badań i zastosowań. Może nie tylko drukować formy i rowery, ale także drukować bezprecedensową nową broń, a nawet drukować duży sprzęt, taki jak samochody i samoloty. Jako nowy rodzaj inteligentnej technologii produkcyjnej, druk 3D z metalu ma bardzo szerokie perspektywy zastosowań i wykazuje silny pęd rozwoju w wielu dziedzinach, takich jak projektowanie i produkcja sprzętu, wsparcie sprzętu i lotnictwo.
Funkcje drukowania 3D w metalu
1) Wysoka precyzja. Obecnie dokładność sprzętu do drukowania 3D w metalu można w zasadzie kontrolować poniżej 0,05 mm.
2) Cykl jest krótki. Druk 3D w metalu nie wymaga procesu produkcji form, co znacznie skraca czas produkcji modelu. Generalnie model można wydrukować w kilka godzin, a nawet kilkadziesiąt minut.
3) Można go spersonalizować. Druk 3D w metalu nie ma ograniczeń co do liczby drukowanych modeli, bez względu na to, czy jeden lub więcej można wyprodukować przy tych samych kosztach.
4) Różnorodność materiałów. Metalowy system drukowania 3D często może realizować drukowanie różnych materiałów, a różnorodność tego materiału może zaspokoić potrzeby różnych dziedzin.
5) Koszt jest stosunkowo niski. Chociaż metalowe systemy druku 3D i materiały metalowe do druku 3D są obecnie stosunkowo drogie, to jeśli są wykorzystywane do wytwarzania spersonalizowanych produktów, koszt produkcji jest stosunkowo niski.
Technologia druku 3D w metalu
Jako najnowocześniejsza i najbardziej potencjalna technologia w całym systemie druku 3D, technologia druku 3D części metalowych jest ważnym kierunkiem rozwoju zaawansowanej technologii wytwarzania. Wraz z rozwojem nauki i techniki oraz potrzebami popularyzacji i zastosowań, głównym kierunkiem rozwoju szybkiego prototypowania stało się bezpośrednie wytwarzanie metalowych części funkcjonalnych metodą szybkiego prototypowania. Obecnie metody szybkiego prototypowania, które można wykorzystać do bezpośredniego wytwarzania metalowych części funkcjonalnych, obejmują głównie: selektywne topienie laserowe (SLM), selektywne topienie wiązką elektronów (EBSM), kształtowanie sieci metodą inżynierii laserowej (LENS).
Selektywne topienie laserowe (SLM)
SLM jest ważną częścią dziedziny druku 3D w metalu. Jego proces rozwoju przeszedł przez etapy, takie jak spiekanie proszku niemetalicznego o niskiej temperaturze topnienia, spiekanie powlekanego proszku o wysokiej temperaturze topnienia o niskiej temperaturze topnienia oraz bezpośrednie topienie proszku o wysokiej temperaturze topnienia. Uniwersytet Teksasu w Austin po raz pierwszy złożył wniosek patentowy w 1986 r., aw 1988 r. pomyślnie opracował pierwszy sprzęt SLM. Wykorzystuje on precyzyjnie skupioną plamkę, aby szybko wtapiać się w wstępnie ustawiony materiał proszkowy o wielkości 30-51 μm i może niemal bezpośrednio uzyskać dowolny kształt. Jak również części funkcjonalne z całkowitym spajaniem metalurgicznym. Gęstość może osiągnąć prawie 100 procent, dokładność wymiarowa może osiągnąć 20-50 μm, a chropowatość powierzchni może osiągnąć 20-30 μm. Jest to technologia szybkiego prototypowania z dużymi perspektywami rozwoju.
Materiały do formowania SLM to głównie jednoskładnikowe proszki metali, w tym austenityczna stal nierdzewna, stopy na bazie niklu, stopy na bazie tytanu, stopy kobaltowo-chromowe i metale szlachetne. Wiązka laserowa szybko topi metalowy proszek i uzyskuje ciągły kanał topienia, który może bezpośrednio uzyskać prawie gęste części metalowe o niemal dowolnym kształcie, pełne wiązanie metalurgiczne i wysoką precyzję. Jest to technologia druku 3D części metalowych z dużymi perspektywami rozwoju. Jego zakres zastosowań został rozszerzony na przemysł lotniczy, mikroelektronikę, medycynę, biżuterię i inne gałęzie przemysłu.
Istnieje ponad 50 czynników wpływających na proces SLM, a sześć kategorii ma istotny wpływ na efekt formowania: właściwości materiału, systemy ścieżek laserowych i optycznych, cechy skanowania, atmosfera formowania, cechy geometryczne formowania i czynniki sprzętowe. Obecnie naukowcy w kraju i za granicą prowadzą głównie badania procesowe i badania aplikacyjne nad powyższymi czynnikami, w celu rozwiązania wad w procesie formowania i poprawy jakości formowanych części. Jeśli chodzi o badania procesowe, ważne parametry procesu w procesie formowania SLM obejmują moc lasera, prędkość skanowania, grubość warstwy proszku, odległość skanowania i strategię skanowania itp. Łącząc różne parametry procesu, można zoptymalizować jakość formowania.
Głównymi wadami procesu formowania SLM są sferoidyzacja i deformacja wypaczająca. Sferoidyzacja to niedostateczne stopienie górnej i dolnej warstwy podczas procesu formowania. Ze względu na efekt napięcia powierzchniowego, stopione kropelki szybko zwijają się w kulisty kształt, co powoduje sferoidyzację. Aby uniknąć sferoidyzacji, należy odpowiednio zwiększyć energię wejściową. Odkształcenie wypaczenia jest spowodowane naprężeniami termicznymi w procesie formowania SLM przekraczającymi wytrzymałość materiału, co skutkuje odkształceniem plastycznym. Ze względu na trudność pomiaru naprężeń szczątkowych, obecne badania odkształceń wypaczeniowych procesu SLM prowadzone są głównie metodą elementów skończonych, a następnie weryfikowana jest eksperymentalnie wiarygodność wyników symulacji. Podstawową zasadą technologii SLM jest: najpierw użyj Pro/e, UG, CATIA i innego oprogramowania do modelowania 3D, aby zaprojektować bryłowy model 3D części na komputerze, a następnie pokrój i ułóż model 3D za pomocą oprogramowania do krojenia, aby uzyskać dane konturu każdej sekcji, ścieżka skanowania wypełnienia jest generowana na podstawie danych konturu, a sprzęt będzie sterował wiązką laserową, aby selektywnie topić metalowe materiały proszkowe każdej warstwy zgodnie z tymi liniami skanowania wypełnienia i stopniowo układać je w trójwymiarowe części metalowe.