Что такое 3D-печать металлом?

1. Введение

Металлическая 3D-печать, также известное как аддитивное производство металлов, производит революцию в способах проектирования продуктов, прототипированный, и изготовлено.

Эта технология позволяет создавать сложные, высокопроизводительные детали непосредственно с цифровых моделей, предлагая беспрецедентную свободу дизайна и экономию материалов.

Вот почему 3D-печать металлом набирает обороты:

• Кастомизация: Это позволяет производить детали по индивидуальному заказу для нишевых применений..
• Быстрое прототипирование: Значительно ускоряет процесс итерации проектирования..
• Сокращение отходов: Производит детали с минимальными отходами материала по сравнению с традиционным производством..
• Сложная геометрия: Позволяет создавать сложные формы, которые невозможно или очень дорого изготовить традиционными методами..

В этом блоге, мы углубимся в процесс, преимущества, вызовы, и применение металлической 3D-печати, изучение того, как эта технология меняет производственную среду.

2. Что такое 3D-печать металлом?

3D-печать металлом — это форма аддитивного производства, при которой слои материала, обычно в виде порошка или проволоки, соединяются для создания трехмерного объекта.

В отличие от традиционного субтрактивного производства, который включает в себя вырезание материала из цельного блока, Аддитивное производство создает объект слой за слоем..

Этот процесс дает значительные преимущества с точки зрения гибкости конструкции., эффективность материала, и скорость производства.

История 3D-печати металлом берет свое начало в 1980-х годах., с разработкой селективного лазерного спекания (СЛС) и прямое лазерное спекание металлов (ДМЛС).

На протяжении многих лет, достижения в области лазерных технологий, материалы, и программное обеспечение привели к развитию различных технологий 3D-печати металлами., каждый со своим набором возможностей и приложений.

3. Технологии 3D-печати металла

Металлическая 3D-печать, также известный как аддитивное производство, использует различные методы для изготовления сложных и функциональных металлических деталей слой за слоем., прямо из цифрового файла.

Каждая технология 3D-печати металлом имеет свой уникальный процесс и преимущества., что делает его пригодным для различных применений в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность., автомобильный, здравоохранение, и энергия.

Ниже, мы рассмотрим наиболее распространенные технологии 3D-печати металлом., их особенности, и идеальные приложения.

Прямое лазерное спекание металлов (ДМЛС) & Селективное лазерное плавление (УУЗР)

Обзор:

И DMLS, и SLM представляют собой технологии плавления в порошковом слое, в которых используются мощные лазеры для плавления и плавления металлического порошка в твердые детали..

Разница заключается, прежде всего, в подходе к металлическому порошку и свойствам материала..

• ДМЛС обычно использует металлические сплавы (как нержавеющая сталь, титан, или алюминий) и работает с различными металлическими порошками, включая сплавы типа Инконель и кобальт-хром.
• УУЗР использует аналогичный процесс, но больше фокусируется на чистые металлы как нержавеющая сталь, титан, и алюминий. Лазер полностью расплавляет металлический порошок, сплавление его в твердую деталь.

Плюсы:

• Высокое разрешение: Возможность изготовления деталей с мелкими деталями и сложной геометрией..
• Превосходное качество поверхности: Можно добиться хорошей отделки поверхности непосредственно на принтере., хотя для достижения высочайшего качества все равно может потребоваться постобработка.
• Широкий диапазон материалов: Работает с различными металлами, включая нержавеющую сталь., титан, алюминий, и многое другое.

Минусы:

• Медленно для больших деталей: Послойный процесс может занять много времени для более крупных деталей..
• Структуры поддержки: Требуются опорные конструкции для нависающих элементов., которые необходимо удалить после печати.
• Высокие термические напряжения: Высокие температурные градиенты могут вызвать термические напряжения в деталях..

Идеальные приложения: Аэрокосмические компоненты, медицинские имплантаты, сложная оснастка, и высокопроизводительные автомобильные детали.

Электронно-лучевая плавка (ДМ)

Обзор:

EBM – это процесс сварки в порошковом слое, в котором используется электронный луч вместо лазера плавить и сплавлять металлические порошки. Выполняется в вакуумной среде для обеспечения оптимальных условий плавления..

EBM обычно используется для высокопроизводительных материалов, таких как титан сплавы, кобальт-хром, и Инконель.

• Процесс протекает при высокие температуры, предлагая преимущества в Высокотемпературная производительность и точность для конкретных сплавов.

Плюсы:

• Нет необходимости в вспомогательных структурах: EBM может производить детали без поддержки благодаря предварительному нагреву порошкового слоя., что снижает термические напряжения.
• Возможность работы при высоких температурах: Подходит для материалов, плавление которых требует высоких температур., как титан.

Минусы:

• Материальные ограничения: Ограничено материалами, совместимыми с вакуумной средой., что исключает некоторые сплавы.
• Поверхностная обработка: Поверхность может быть не такой гладкой, как при SLM/DMLS, из-за большего размера пятна луча..

Идеальные приложения: Медицинские имплантаты (особенно титан), аэрокосмические компоненты, и части, где отсутствие опорных конструкций выгодно.

Связующее струйное

Обзор:

Струйная обработка связующего предполагает распыление жидкого связующего на слои металлического порошка., которые затем сплавляются, образуя твердую часть.

Порошок, используемый при струйной очистке связующего, обычно металлический порошок, такой как нержавеющая сталь, алюминий, или бронза.

После печати детали, он подвергается спеканию, где связующее удаляется, и деталь сплавляется до окончательной плотности.

Плюсы:

• Быстрая печать: Возможность быстрой печати деталей благодаря более низкой потребности в энергии для переплета..
• Полноцветная печать: Позволяет осуществлять полноцветную печать., что является уникальным среди технологий 3D-печати металлом.
• Никаких термических напряжений: Поскольку процесс не предполагает плавления, меньше термических напряжений.

Минусы:

• Меньшая плотность деталей: Исходные детали имеют меньшую плотность из-за связующего.; для увеличения плотности требуется спекание или пропитка.
• Требуется постобработка: Необходима обширная постобработка, включая спекание, проникновение, и часто механическая обработка.

Идеальные приложения: Оснастка, формы, стержни для литья в песок, и приложения, где скорость и цвет важнее плотности конечной детали..

Направленное энерговыделение (ДЭД)

Обзор:

DED — это процесс 3D-печати, при котором материал плавится и наносится на поверхность с помощью лазера., электронный луч, или плазменная дуга.

DED позволяет наносить материал, а также добавлять или ремонтировать детали..

В отличие от других методов, DED использует непрерывную подачу материала (порошок или проволока), и материал плавится источником энергии по мере его осаждения.

Плюсы:

• Крупные детали: Подходит для производства или ремонта крупных деталей..
• Ремонт и покрытие: Может использоваться для добавления материала к существующим деталям или для облицовки поверхности..
• Гибкость: Может работать с широким спектром материалов и переключаться между разными материалами во время печати..

Минусы:

• Более низкое разрешение: По сравнению с методами сварки в порошковом слое, DED обычно имеет более низкое разрешение..
• Поверхностная обработка: Детали часто требуют обширной постобработки для получения гладкой поверхности..

Идеальные приложения: Аэрокосмические компоненты, крупные детали конструкции, ремонт существующих комплектующих, и добавление функций к существующим деталям.

Моделирование наплавления металлов (Металл ФДМ)

Обзор:

Metal FDM — это разновидность традиционного моделирования наплавлением. (ФДМ) процесс, где металлические нити нагреваются и экструдируются слой за слоем для создания 3D-деталей..

Используемые нити обычно представляют собой комбинацию металлический порошок и полимерное связующее, который позже удаляется на этапе постобработки..

Затем детали спекаются в печи, чтобы сплавить металлические частицы в твердую структуру..

Плюсы:

• Более низкая стоимость: Часто дешевле, чем другие методы 3D-печати металлом., особенно для систем начального уровня.
• Простота использования: Использует простоту технологии FDM., сделать его доступным для тех, кто знаком с пластиковой печатью.

Минусы:

• Требуется спекание: Деталь должна быть спечена после печати для достижения полной плотности., что увеличивает время и затраты.
• Более низкая точность: Менее точны, чем методы сварки в порошковом слое., требуется дополнительная постобработка для жестких допусков.

Идеальные приложения: Мелкие детали, прототипирование, образовательные цели, и приложения, где стоимость и простота использования более важны, чем высокая точность..

4. Материалы, используемые в 3D-печати металлом

Одно из ключевых преимуществ 3D печать металлом широкий спектр материалов, которые он поддерживает, предлагая уникальные свойства, подходящие для различных применений.

Материалы, используемые в аддитивном производстве металлов, обычно металлические порошки которые избирательно расплавляются слой за слоем,

каждый материал имеет определенные преимущества в зависимости от конкретных потребностей проекта.

Нержавеющая сталь

• Характеристики:
  Нержавеющая сталь является одним из наиболее распространенных материалов, используемых в 3D-печати металлом, благодаря своим высокая прочность, коррозионная стойкость, и универсальность. Сплавы нержавеющей стали, особенно 316л и 17-4 PH, широко используются в различных отраслях.

• • Сила: Высокий предел прочности и текучести.
  • Коррозионная стойкость: Отличная защита от ржавчины и пятен.
  • Обрабатываемость: Легко обрабатывается после печати, что делает его пригодным для различных методов постобработки..

Титановые сплавы (например, Ти-6Ал-4В)

• Характеристики:
  Титановые сплавы, особенно Ти-6Ал-4В, известны своими исключительное соотношение прочности и веса, коррозионная стойкость, и способность выдерживать высокие температуры.

• • Соотношение прочности и веса: Отличные механические свойства при более низкой плотности.
  • Высокотемпературная производительность: Выдерживает более высокие температуры, чем большинство других металлов..
  • Биосовместимость: Безопасен для использования в медицинских имплантатах благодаря нетоксичности..

Алюминиевые сплавы (например, АлСи10Мг)

• Характеристики:
  Алюминий легкий и предлагает превосходные теплопроводность и коррозионная стойкость. Сплавы типа АлСи10Мг обычно используются в 3D-печати из-за их высокое соотношение прочности и веса и хорошая обрабатываемость.

• • Низкая плотность: Идеально подходит для приложений, требующих легких компонентов.
  • Теплопроводность: Высокая теплопроводность делает его пригодным для отвода тепла..
  • Поверхностная обработка: Алюминиевые детали можно легко анодировать для повышения твердости поверхности и устойчивости к коррозии..

Кобальт-хромовые сплавы

• Характеристики:
  Сплавы кобальта и хрома известны своими высокая прочность, износостойкость, и биосовместимость, что делает их популярным выбором для медицинские приложения.

• • Коррозионная стойкость: Отличная устойчивость как к коррозии, так и к износу.
  • Высокая прочность: Особенно полезен для тяжелых промышленных условий..
  • Биосовместимость: Кобальт-хром не реагирует в организме человека., что делает его идеальным для имплантатов.

Сплавы на основе никеля (например, Инконель 625, Инконель 718)

• Характеристики:
  Сплавы на основе никеля, такой как Инконель 625 и Инконель 718, обладают высокой устойчивостью к окисление и высокотемпературная коррозия.
  Эти сплавы обеспечивают превосходные характеристики в экстремальных условиях, где температура, давление, и коррозионная стойкость имеют решающее значение.

• • Высокотемпературная прочность: Выдерживает экстремальную жару, не теряя прочности..
  • Коррозионная стойкость: Особенно в условиях сильно агрессивных сред, таких как морская вода или кислые среды..
  • Усталостная устойчивость: Высокая усталостная прочность и устойчивость к термоциклированию..

Драгоценные металлы (например, Золото, Серебро, Платина)

• Характеристики:
  Драгоценные металлы, такой как золото, серебро, и платина, используются для приложений, где высокая эстетическая ценность и коррозионная стойкость необходимы.

• • Эстетическое качество: Идеально подходит для ювелирных изделий и предметов роскоши..
  • Проводимость: Высокая электропроводность делает их пригодными для изготовления высокоточных электрических компонентов..
  • Коррозионная стойкость: Отличная устойчивость к потускнению и коррозии.

5. Процесс 3D-печати металла

Процесс 3D-печати металлом обычно включает в себя несколько ключевых этапов.:

• Шаг 1: Проектирование с помощью программного обеспечения САПР и подготовка файлов:

• • Инженеры и дизайнеры используют компьютерное проектирование. (САПР) программное обеспечение для создания 3D-модели детали.
    Затем файл готовится к 3D-печати., включая ориентацию, опорные структуры, и нарезаем на пласты.
    Передовое программное обеспечение САПР, например Autodesk Fusion 360, позволяет дизайнерам создавать сложную геометрию и оптимизировать дизайн для 3D-печати..

• Шаг 2: Нарезка и настройка параметров:

• • 3D-модель нарезана на тонкие слои., и такие параметры, как толщина слоя, мощность лазера, и скорость сканирования установлены.
    Эти настройки имеют решающее значение для достижения желаемого качества и свойств конечной детали..
    Программное обеспечение для нарезки, как материализация магии, помогает оптимизировать эти параметры для достижения наилучших результатов.

• Шаг 3: Процесс печати:

• • 3D-принтер слой за слоем наносит или сплавляет металл., по заданным параметрам. Этот шаг может занять часы или даже дни., в зависимости от сложности и размера детали.
    В процессе печати, принтер постоянно контролирует и корректирует параметры для обеспечения стабильного качества.

• Шаг 4: Постобработка:

• • После печати, деталь может потребовать таких этапов постобработки, как термообработка., отделка поверхности, и удаление опорных конструкций.
    Термическая обработка, например, может улучшить механические свойства детали, в то время как методы отделки поверхности, такие как пескоструйная обработка и полировка, могут улучшить качество поверхности..
    Контроль качества необходим на каждом этапе, чтобы гарантировать, что деталь соответствует требуемым спецификациям..

6. Преимущества 3D-печати металлом

3D-печать металлом имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами производства.:

Свобода дизайна:

• Сложная геометрия, внутренние каналы, и решетчатые структуры могут быть созданы, создание инновационных проектов, которые ранее были невозможны.
  Например, способность создавать пустоты, легкие конструкции с внутренними каналами охлаждения меняют правила игры в аэрокосмической и автомобильной технике..

Быстрое прототипирование:

• Быстрая итерация и тестирование проектов, сокращение времени и затрат на разработку.
  С металлической 3D-печатью, прототипы могут быть изготовлены в течение нескольких дней, позволяющая быстро получать обратную связь и улучшать дизайн.

Эффективность материала:

• Минимальные отходы, поскольку используется только материал, необходимый для детали, в отличие от субтрактивного производства, что может привести к значительным материальным потерям.
  Это особенно выгодно для дорогих материалов, таких как титан и драгоценные металлы..

Облегчение:

• Решетчатые конструкции и оптимизированная конструкция позволяют снизить вес деталей., что особенно полезно в аэрокосмической и автомобильной промышленности..
  Например, Boeing использовал 3D-печать металлом, чтобы уменьшить вес компонентов самолета, что приводит к значительной экономии топлива.

Кастомизация:

• Индивидуальные решения для мелкосерийного или разового производства., что позволяет создавать персонализированные и уникальные продукты.
  Медицинские имплантаты по индивидуальному заказу, например, может быть разработан в соответствии с конкретной анатомией пациента, улучшение результатов и времени восстановления.

7. Проблемы и ограничения

Хотя 3D-печать металлом имеет множество преимуществ, у этого также есть свой набор проблем:

Высокие первоначальные инвестиции:

• Стоимость металлических 3D принтеров, материалы, и оборудование для постобработки может быть значительным.
  Например, Высококачественный металлический 3D-принтер может стоить более $1 миллион, а материалы могут быть в несколько раз дороже, чем те, которые используются в традиционном производстве..

Ограниченный размер сборки:

• Многие металлические 3D-принтеры имеют меньшие объемы печати., ограничение размера деталей, которые можно изготовить.
  Однако, появляются новые технологии, которые позволяют создавать конструкции большего размера., расширение спектра возможных применений.

Поверхностная обработка:

• Детали могут потребовать дополнительной постобработки для достижения желаемого качества поверхности., увеличение общей стоимости и времени.
  Такие методы, как химическое травление и электрополировка, могут помочь улучшить качество поверхности., но они добавляют дополнительные этапы в производственный процесс.

Доступность материалов:

• Не все металлы и сплавы подходят для 3D-печати., некоторые из них могут быть труднодоступными или дорогими..
  Наличие специализированных материалов., например, жаропрочные сплавы, может быть ограничено, влияющие на осуществимость определенных проектов.

Навыки и обучение:

• Операторам и дизайнерам необходима специальная подготовка для эффективного использования технологии 3D-печати металлом..
  Кривая обучения может быть крутой, и потребность в квалифицированном персонале может стать препятствием для внедрения, особенно для малого и среднего бизнеса.

8. Применение металлической 3D-печати

3D-печать металлом находит применение во многих отраслях промышленности.:

Аэрокосмическая промышленность:

• Легкий, сложные компоненты для самолетов и спутников, снижение веса и улучшение производительности.
  Например, Airbus использовал 3D-печать металла для изготовления легких кронштейнов и топливных форсунок., что приводит к значительной экономии веса и повышению топливной эффективности..

Автомобильная промышленность:

• Нестандартные и функциональные детали для автоспорта, прототипирование, и производство, повышение производительности и эффективности автомобиля.
  BMW, например, использует металлическую 3D-печать для производства нестандартных деталей для своих высокопроизводительных автомобилей., например родстер i8.

Медицинский:

• Имплантаты, протезирование, и стоматологические применения обеспечивают точную геометрию и биосовместимость..
  Страйкер, ведущая компания в области медицинских технологий, использует металлическую 3D-печать для изготовления индивидуальных спинальных имплантатов, улучшение результатов лечения пациентов и сокращение времени восстановления.

Энергия:

• Теплообменники, турбины, и компоненты электрогенерации повышают эффективность и долговечность.
  Сименс, например, использовал 3D-печать металлом для изготовления лопаток газовых турбин, которые могут выдерживать более высокие температуры и давления, что приводит к повышению эффективности и сокращению выбросов.

Инструменты и формы:

• Быстрая оснастка с конформными каналами охлаждения, сокращение времени цикла и улучшение качества деталей.
  Конформные каналы охлаждения, которые повторяют форму формы, позволяет значительно сократить время охлаждения и улучшить качество конечного продукта.

Потребительские товары:

• Высококачественные ювелирные изделия, пользовательские часы, и корпуса для электроники позволяют создавать уникальные и персонализированные продукты.
  Такие компании, как HP и 3DEO, используют 3D-печать металлом для производства высококачественных изделий., индивидуальные потребительские товары, например, роскошные часы и электронные чехлы.

9. Металлическая 3D-печать против. Традиционное производство

Сравнение 3D-печати металлом с традиционными методами производства, играют роль несколько факторов:

Скорость и эффективность:

• 3D-печать отличается быстрым прототипированием и мелкосерийным производством., в то время как традиционные методы более эффективны для крупносерийного производства..
  Например, 3D-печать может изготовить прототип за несколько дней, тогда как традиционные методы могут занять недели.

Сравнение затрат:

• Для мелкосерийных или заказных деталей, 3D-печать может быть более рентабельной благодаря снижению затрат на настройку и оснастку..
  Однако, для крупносерийного производства, традиционные методы все еще могут быть более экономичными. Точка безубыточности варьируется в зависимости от конкретного применения и сложности детали..

Сложность:

• 3D-печать позволяет изготавливать детали сложной геометрии и внутренние элементы, которые невозможно выполнить обычными методами., открывая новые возможности дизайна.
  Это особенно ценно в отраслях, где снижение веса и оптимизация производительности имеют решающее значение., например, аэрокосмическая и автомобильная.

Вот сравнительная таблица, суммирующая ключевые различия между Металлическая 3D-печать и Традиционное производство:

Особенность	Металлическая 3D-печать	Традиционное производство
Время выполнения	Быстрее для прототипирования, мелкосерийное производство.	Увеличение времени наладки благодаря инструментам и формам.
Скорость производства	Медленнее для крупносерийного производства. Идеально подходит для небольших объемов, нестандартные детали.	Быстрее для массового производства, особенно для простых деталей.
Сложность дизайна	Можно легко создавать сложную геометрию..	Ограничено инструментальными ограничениями; сложные конструкции требуют дополнительных шагов.
Кастомизация	Идеально подходит для изготовления единичных или индивидуальных деталей..	Настройка обходится дороже из-за изменений в инструментах..
Доступность материалов	Ограничено обычными металлами (нержавеющая сталь, титан, и т. д.).	Широкий спектр металлов и сплавов для различных применений..
Материальные характеристики	Несколько более низкая прочность и однородность материала..	Превосходная прочность и более стабильные свойства материала.
Первоначальные инвестиции	Высокая первоначальная стоимость из-за дорогих 3D-принтеров и металлических порошков..	Меньшие первоначальные инвестиции в базовые настройки.
Стоимость за единицу	Высокий для крупносерийного производства; экономически выгоден для небольших тиражей.	Ниже для массового производства, особенно с простыми конструкциями.
Сила & Долговечность	Подходит для многих приложений; может потребоваться постобработка для повышения прочности.	Обычно более высокая прочность, особенно для высокопроизводительных сплавов.
Поверхностная обработка	Требуется постобработка для гладкой поверхности..	Обычно лучшая обработка поверхности для простых конструкций..
Постобработка	Требуется для улучшения механических свойств., и качество поверхности.	Обычно минимальная постобработка, если не предъявляются сложные требования или требования высокой точности..
Материальные отходы	Минимальные отходы материала благодаря аддитивному характеру.	Более высокие отходы материала в некоторых методах (например, механическая обработка).
Идеально подходит для	Малый объем, нестандартные детали, сложная геометрия, прототипирование.	Большой объем, простые детали, постоянные свойства материала.
Приложения	Аэрокосмическая промышленность, медицинские имплантаты, автомобильный (малообъемный, сложные детали).	Автомобильная промышленность, тяжелая техника, промышленные детали (большой объем, крупномасштабное производство).

10. Заключение

3D-печать металлом находится на переднем крае производственных инноваций, предлагая уникальные преимущества, такие как свобода дизайна, быстрое прототипирование, и материальная эффективность.

Несмотря на то, что он сталкивается с такими проблемами, как высокие затраты и материальные ограничения,, его преобразовательный потенциал во всех отраслях неоспорим.

Независимо от того, работаете ли вы в аэрокосмической отрасли, автомобильный, или потребительские товары,

Изучение того, как 3D-печать металлом может удовлетворить ваши конкретные потребности, может стать ключом к открытию новых возможностей в разработке и производстве продукции..

ЭТО предоставляет услуги 3D-печати. Если у вас есть какие-либо потребности в 3D-печати, пожалуйста, не стесняйтесь связаться с нами.