Що таке металевий 3D-друк?

1. Вступ

3D друк на металі, також відоме як металодобавкове виробництво, революціонізує спосіб розробки продуктів, прототипований, і виготовлено.

Ця технологія дозволяє створювати складні, високопродуктивні деталі безпосередньо з цифрових моделей, пропонуючи безпрецедентну свободу дизайну та ефективність використання матеріалів.

Ось чому металевий 3D-друк набирає популярності:

• Налаштування: Це дає змогу виготовляти деталі, що відповідають індивідуальним вимогам для нішевих застосувань.
• Швидке прототипування: Значно прискорює процес ітерації дизайну.
• Зменшення відходів: Виготовляє деталі з мінімальними відходами порівняно з традиційним виробництвом.
• Складні геометрії: Дозволяє створювати складні форми, які неможливо або дуже дорого виготовити звичайними методами.

У цьому блозі, ми заглибимося в процес, вигоди, виклики, і застосування металевого 3D-друку, досліджуючи, як ця технологія змінює виробничий ландшафт.

2. Що таке металевий 3D-друк?

Металевий 3D-друк — це форма адитивного виробництва, де шари матеріалу, зазвичай у формі порошку або дроту, зливаються для створення тривимірного об’єкта.

На відміну від традиційного субтрактивного виробництва, який передбачає відрізання матеріалу від суцільного блоку, адитивне виробництво створює об’єкт шар за шаром.

Цей процес пропонує значні переваги з точки зору гнучкості дизайну, матеріаловіддача, і швидкість виробництва.

Історія 3D-друку з металу бере початок у 1980-х роках, з розвитком селективного лазерного спікання (SLS) і пряме лазерне спікання металу (DMLS).

З роками, досягнення в лазерній техніці, матеріали, і програмне забезпечення призвели до еволюції різних технологій 3D-друку з металу, кожен із власним набором можливостей і програм.

3. Технології 3D-друку металу

3D друк на металі, також відомий як Виробництво добавок, використовує різні техніки для виготовлення складних і функціональних металевих деталей шар за шаром, безпосередньо з цифрового файлу.

Кожна технологія 3D-друку з металу має свій унікальний процес і переваги, що робить його придатним для різних застосувань у таких галузях, як авіакосмічна, автомобільний, охорона здоров'я, і енергії.

Внизу, ми розглянемо найпоширеніші технології 3D-друку з металу, їх особливості, і ідеальні програми.

Пряме металеве лазерне спікання (DMLS) & Вибіркове лазерне плавлення (SLM)

Огляд:

І DMLS, і SLM — це технології термоядерного синтезу в порошковому шарі, які використовують потужні лазери для плавлення та сплавлення металевого порошку в тверді частини..

Різниця полягає насамперед у підході до металевого порошку та властивостей матеріалу.

• DMLS зазвичай використовує сплави металів (як нержавіюча сталь, титан, або алюміній) і працює з різними металевими порошками, включаючи такі сплави, як Юнель і кобальт-хром.
• SLM використовує подібний процес, але більше зосереджується на чисті метали як нержавіюча сталь, титан, і алюміній. Лазер повністю розплавляє металевий порошок, сплавляючи його, щоб утворити суцільну частину.

плюси:

• Висока роздільна здатність: Здатний виготовляти деталі з дрібними деталями та складною геометрією.
• Відмінна обробка поверхні: Можна отримати якісну поверхню безпосередньо з принтера, хоча для найвищої якості може знадобитися додаткова обробка.
• Широкий асортимент матеріалів: Працює з різними металами, включаючи нержавіючу сталь, титан, алюміній, і багато.

мінуси:

• Повільно для великих частин: Пошаровий процес може зайняти багато часу для більших деталей.
• Опорні конструкції: Потрібні опорні конструкції для нависаючих елементів, які необхідно видалити після друку.
• Високі термічні напруги: Градієнти високих температур можуть викликати термічні напруги в деталях.

Ідеальні програми: Аерокосмічні компоненти, Медичні імплантати, складна оснастка, і високопродуктивні автомобільні деталі.

Електронно-променеве плавлення (Ebm)

Огляд:

EBM — це процес сплавлення порошкового шару, який використовує електронний промінь замість лазера для плавлення та плавлення металевих порошків. Виконується у вакуумному середовищі для забезпечення оптимальних умов плавлення.

EBM зазвичай використовується для високоефективних матеріалів, таких як титан сплави, кобальт-хром, і Юнель.

• Процес діє при високі температури, пропонуючи переваги в Високотемпературні показники і точність для конкретних сплавів.

плюси:

• Немає потреби в опорних конструкціях: EBM може виготовляти деталі без опори завдяки попередньому нагріванню шару порошку, що знижує температурні напруги.
• Здатність витримувати високі температури: Підходить для матеріалів, для плавлення яких потрібна висока температура, як титан.

мінуси:

• Матеріальні обмеження: Обмежується матеріалами, сумісними з вакуумним середовищем, що виключає деякі сплави.
• Поверхнева обробка: Поверхня може бути не такою гладкою, як у SLM/DMLS, через більший розмір плями променя.

Ідеальні програми: Медичні імпланти (особливо титан), аерокосмічні компоненти, та частини, де відсутність опорних конструкцій вигідна.

Струйне сполучне

Огляд:

Струменеве сполучне передбачає розпилення рідкого сполучного на шари металевого порошку, які потім сплавляються, утворюючи суцільну частину.

Порошок, який використовується для струменевого очищення сполучного матеріалу, зазвичай металевий порошок, наприклад нержавіюча сталь, алюміній, або бронза.

Після того, як частина надрукована, він піддається спіканню, де сполучна речовина видалена, і частина сплавляється до остаточної щільності.

плюси:

• Швидкий друк: Може швидко друкувати деталі завдяки нижчим потребам енергії для палітурки.
• Повнокольоровий друк: Дозволяє повнокольоровий друк, що є унікальним серед технологій 3D-друку з металу.
• Ніяких термічних стресів: Оскільки процес не передбачає плавлення, менше теплових навантажень.

мінуси:

• Щільність нижньої частини: Початкові частини мають меншу щільність за рахунок сполучного; для збільшення щільності потрібне спікання або інфільтрація.
• Вимагає постобробки: Необхідна ретельна постобробка, включаючи спікання, інфільтрація, і часто механічна обробка.

Ідеальні програми: Інструментарія, форми, керни для піску, і застосування, де швидкість і колір важливіші, ніж щільність кінцевої частини.

Спрямоване енергоукладення (ДЕД)

Огляд:

DED — це процес 3D-друку, коли матеріал розплавляється та наноситься на поверхню за допомогою лазера, електронний промінь, або плазмова дуга.

DED дозволяє наносити матеріал, а також додавати або ремонтувати деталі.

На відміну від інших методів, DED використовує безперервну подачу матеріалу (порошок або дріт), і матеріал сплавляється джерелом енергії, коли він відкладається.

плюси:

• Великі частини: Підходить для виготовлення або ремонту великих деталей.
• Ремонт і покриття: Це можна використовувати для додавання матеріалу до існуючих деталей або для облицювання поверхні.
• Гнучкість: Може працювати з широким діапазоном матеріалів і перемикатися між різними матеріалами під час друку.

мінуси:

• Нижча роздільна здатність: Порівняно з методами сплавлення порошкового шару, DED зазвичай має нижчу роздільну здатність.
• Поверхнева обробка: Деталі часто вимагають ретельної постобробки для гладкого покриття.

Ідеальні програми: Аерокосмічні компоненти, великі структурні частини, ремонт існуючих компонентів, і додавання функцій до існуючих частин.

Моделювання наплавлення металу (Метал ФДМ)

Огляд:

FDM металу є різновидом традиційного моделювання наплавлення (FDM) обробка, де металеві нитки шар за шаром нагріваються та екструдуються для створення 3D-деталей.

Використовувані нитки, як правило, є комбінацією металевий порошок і полімерне сполучне, який пізніше видаляється на етапі постобробки.

Потім деталі спікаються в печі для сплавлення частинок металу в суцільну структуру.

плюси:

• Нижча вартість: Часто дешевше, ніж інші методи 3D-друку з металу, особливо для систем початкового рівня.
• Простота використання: Використовує простоту технології FDM, роблячи його доступним для тих, хто знайомий із пластиковим друком.

мінуси:

• Вимагає спікання: Для досягнення повної щільності деталь повинна бути спечена після друку, що додає час і кошти.
• Нижня точність: Менш точні, ніж методи плавлення в шарі порошку, вимагає додаткової обробки для жорстких допусків.

Ідеальні програми: Дрібні деталі, прототипування, навчальні цілі, і додатки, де вартість і простота використання важливіші, ніж висока точність.

4. Матеріали, які використовуються для 3D-друку з металу

Одна з ключових переваг металевий 3D -друк це широкий спектр матеріалів, які він підтримує, пропонуючи унікальні властивості, що підходять для різних застосувань.

Матеріали, що використовуються у виробництві металевих добавок, типові металеві порошки які вибірково розплавляються шар за шаром,

причому кожен матеріал має певні переваги залежно від конкретних потреб проекту.

Нержавіюча сталь

• Характеристики:
  Нержавіюча сталь є одним із найпоширеніших матеріалів, що використовуються в металевому 3D-друкі завдяки своїй висока сила, Корозійна стійкість, і універсальність. Нержавіючі сплави, особливо 316Л і 17-4 РН, широко використовуються в різних галузях промисловості.

• • Міцність: Висока міцність на розрив і текучість.
  • Корозійна стійкість: Відмінний захист від іржі та плям.
  • Обробка: Легко піддається механічній обробці після друку, що робить його придатним для різноманітних методів постобробки.

Титанові сплави (Напр., TI-6AL-4V)

• Характеристики:
  Титанові сплави, особливо TI-6AL-4V, відомі своїми виняткове співвідношення міцності та ваги, Корозійна стійкість, і здатність витримувати високі температури.

• • Співвідношення міцності до ваги: Відмінні механічні властивості з низькою щільністю.
  • Стійкість до високих температур: Витримує вищі температури, ніж більшість інших металів.
  • Біосумісність: Безпечний для використання в медичних імплантатах завдяки нетоксичності.

Алюмінієві сплави (Напр., AlSi10Mg)

• Характеристики:
  Алюміній легкий і чудовий Теплопровідність і Корозійна стійкість. Сплави як AlSi10Mg зазвичай використовуються в 3D-друкі через їх високе співвідношення міцності до ваги і Хороша обробка.

• • Низька щільність: Ідеально підходить для додатків, де потрібні легкі компоненти.
  • Теплопровідність: Висока теплопровідність робить його придатним для розсіювання тепла.
  • Поверхнева обробка: Алюмінієві деталі можна легко анодувати для підвищення твердості поверхні та стійкості до корозії.

Кобальт-хромові сплави

• Характеристики:
  Кобальт-хромові сплави відомі своїми висока сила, Опір зносу, і біосумісність, що робить їх популярним вибором для медичні програми.

• • Корозійна стійкість: Відмінна стійкість до корозії та зносу.
  • Висока міцність: Особливо корисний для важких промислових застосувань.
  • Біосумісність: Кобальт-хром не реагує в організмі людини, що робить його ідеальним для імплантатів.

Нікельні сплави (Напр., Юнель 625, Юнель 718)

• Характеристики:
  Сплави на основі нікелю, наприклад Юнель 625 і Юнель 718, мають високу стійкість до окислення і високотемпературна корозія.
  Ці сплави пропонують чудові характеристики в екстремальних середовищах, де температура, тиск, і корозійна стійкість є критичною.

• • Високотемпературна міцність: Може витримувати сильну спеку, не втрачаючи міцності.
  • Корозійна стійкість: Особливо проти агресивних середовищ, таких як морська вода або кислі середовища.
  • Втома: Висока втомна міцність і стійкість до термоциклування.

дорогоцінні метали (Напр., золото, Срібло, Платина)

• Характеристики:
  Дорогоцінні метали, наприклад золото, срібло, і платина, використовуються для додатків, де висока естетична цінність і Корозійна стійкість потрібні.

• • Естетична якість: Ідеально підходить для ювелірних прикрас і предметів розкоші.
  • Провідність: Висока електропровідність робить їх придатними для високоточних електричних компонентів.
  • Корозійна стійкість: Чудова стійкість до потемніння та корозії.

5. Процес 3D-друку металу

Процес металевого 3D-друку зазвичай включає кілька ключових етапів:

• Крок 1: Проектування за допомогою програмного забезпечення CAD і підготовки файлів:

• • Інженери та дизайнери використовують системи автоматизованого проектування (Кот) програмне забезпечення для створення 3D моделі деталі.
    Потім файл готується для 3D-друку, включаючи орієнтування, опорні конструкції, і нарізати на шари.
    Розширене програмне забезпечення САПР, наприклад Autodesk Fusion 360, дозволяє дизайнерам створювати складні геометрії та оптимізувати дизайн для 3D-друку.

• Крок 2: Нарізка та налаштування параметрів:

• • 3D модель нарізана тонкими шарами, і такі параметри, як товщина шару, потужність лазера, і швидкість сканування.
    Ці налаштування є вирішальними для досягнення бажаної якості та властивостей кінцевої деталі.
    Програмне забезпечення для нарізки, як Materialize Magics, допомагає оптимізувати ці параметри для найкращих результатів.

• Крок 3: Процес друку:

• • 3D-принтер наносить або сплавляє метал шар за шаром, за вказаними параметрами. Цей крок може зайняти години або навіть дні, залежно від складності та розміру деталі.
    Під час процесу друку, принтер постійно контролює та налаштовує параметри для забезпечення стабільної якості.

• Крок 4: Післяобробка:

• • Після друку, деталь може вимагати наступних етапів обробки, наприклад термічної обробки, поверхнева обробка, та демонтаж опорних конструкцій.
    Термічна обробка, наприклад, може покращити механічні властивості деталі, тоді як методи обробки поверхні, такі як піскоструминна обробка та полірування, можуть покращити якість поверхні.
    Контроль якості важливий на кожному етапі, щоб забезпечити відповідність деталі необхідним специфікаціям.

6. Переваги 3D-друку з металу

Металевий 3D-друк пропонує кілька переваг перед традиційними методами виробництва:

Свобода дизайну:

• Складні геометрії, внутрішні канали, і можуть бути створені гратчасті структури, створення інноваційних дизайнів, які раніше були неможливими.
  Наприклад, здатність створювати пустот, легкі конструкції з внутрішніми охолоджуючими каналами змінюють правила в аерокосмічній та автомобільній техніці.

Швидке прототипування:

• Швидка ітерація та тестування дизайнів, скорочення часу та витрат на розробку.
  З металевим 3D-друком, прототипи можуть бути виготовлені за лічені дні, можливість швидкого зворотного зв'язку та вдосконалення дизайну.

Ефективність матеріалу:

• Мінімум відходів, оскільки використовується лише матеріал, необхідний для деталі, на відміну від субтрактивного виробництва, що може призвести до значних матеріальних збитків.
  Це особливо вигідно для дорогих матеріалів, таких як титан і дорогоцінні метали.

Полегшення:

• Гратчасті конструкції та оптимізовані конструкції можуть зменшити вагу деталей, що особливо корисно в аерокосмічній та автомобільній промисловості.
  Наприклад, Компанія Boeing використала 3D-друк на металі, щоб зменшити вагу компонентів літака, що призводить до значної економії палива.

Налаштування:

• Індивідуальні рішення для малосерійних або одноразових серій виробництва, дозволяє створювати персоналізовані та унікальні продукти.
  Індивідуальні медичні імплантати, наприклад, можуть бути розроблені відповідно до конкретної анатомії пацієнта, покращення результатів і часу відновлення.

7. Виклики та обмеження

Тоді як металевий 3D-друк пропонує багато переваг, це також пов’язано зі своїми проблемами:

Високі початкові інвестиції:

• Вартість металевих 3D принтерів, матеріали, і обладнання для постобробки може бути значним.
  Наприклад, висококласний металевий 3D-принтер може коштувати більше $1 мільйон, а матеріали можуть бути в кілька разів дорожчими за ті, що використовуються в традиційному виробництві.

Обмежений розмір збірки:

• Багато металевих 3D-принтерів мають менші обсяги збірки, обмеження розміру деталей, які можна виготовити.
  Однак, з’являються нові технології, які дозволяють створювати більші розміри, розширення діапазону можливого застосування.

Поверхнева обробка:

• Деталі можуть вимагати додаткової обробки для досягнення бажаної якості поверхні, збільшення загальної вартості та часу.
  Такі методи, як хімічне травлення та електрополірування, можуть допомогти покращити якість поверхні, але вони додають додаткові кроки до процесу виробництва.

Наявність матеріалу:

• Не всі метали та сплави підходять для 3D-друку, і деякі можуть бути важкодоступними або дорогими.
  Наявність спеціалізованих матеріалів, наприклад жароміцні сплави, можна обмежити, що впливає на здійсненність певних проектів.

Навички та навчання:

• Операторам і дизайнерам потрібна спеціальна підготовка для ефективного використання технології 3D-друку з металу.
  Крива навчання може бути крутою, і потреба в кваліфікованому персоналі може бути перешкодою для усиновлення, особливо для малих і середніх підприємств.

8. Застосування металевого 3D-друку

Тривимірний друк на металі знаходить застосування в багатьох галузях промисловості:

Аерокосмічний:

• Легкий, компоненти комплексу для літаків і супутників, зниження ваги і підвищення продуктивності.
  Наприклад, Airbus використовував металевий 3D-друк для виробництва легких кронштейнів і паливних форсунок, що призвело до значної економії ваги та покращеної ефективності палива.

Автомобільний:

• Спеціальні та продуктивні запчастини для автоспорту, прототипування, і виробництва, підвищення продуктивності та ефективності автомобіля.
  BMW, наприклад, використовує металевий 3D-друк для виготовлення нестандартних деталей для своїх високопродуктивних транспортних засобів, наприклад i8 Roadster.

Медичний:

• Імплантати, протезування, і стоматологічні програми пропонують точну геометрію та біосумісність.
  Страйкер, провідна компанія медичних технологій, використовує металевий 3D-друк для виготовлення індивідуальних спінальних імплантатів, покращення результатів лікування пацієнтів і скорочення часу відновлення.

Енергія:

• Теплообмінники, турбіни, і компоненти для виробництва електроенергії підвищують ефективність і довговічність.
  Siemens, наприклад, використовувала металевий 3D-друк для виготовлення лопатей газових турбін, які можуть витримувати більш високі температури і тиск, що призводить до підвищення ефективності та зменшення викидів.

Інструменти та прес-форми:

• Швидке виготовлення інструментів із конформними каналами охолодження, скорочення часу циклу та покращення якості деталей.
  Конформні канали охолодження, які повторюють форму форми, дозволяє значно скоротити час охолодження та покращити якість кінцевого продукту.

Споживчі товари:

• Елітні ювелірні вироби, годинники на замовлення, і електронні корпуси створюють унікальні та персоналізовані продукти.
  Такі компанії, як HP і 3DEO, використовують металевий 3D-друк для виробництва високоякісних матеріалів, індивідуальні споживчі товари, наприклад розкішні годинники та електронні корпуси.

9. Металевий 3D-друк проти. Традиційне виробництво

Порівнюючи металевий 3D-друк із традиційними методами виробництва, діють кілька факторів:

Швидкість і ефективність:

• 3D-друк відмінно підходить для швидкого створення прототипів і малосерійного виробництва, в той час як традиційні методи більш ефективні для великого виробництва.
  Наприклад, 3D-друк може створити прототип за кілька днів, тоді як традиційні методи можуть зайняти тижні.

Порівняння витрат:

• Для невеликих обсягів або індивідуальних деталей, 3D-друк може бути економічно ефективнішим завдяки зменшенню витрат на налаштування та інструменти.
  Однак, для великосерійного виробництва, традиційні методи все ще можуть бути більш економними. Точка беззбитковості змінюється залежно від конкретного застосування та складності деталі.

Складність:

• 3D-друк дає змогу створювати складні геометрії та внутрішні елементи, які неможливі звичайними методами, відкриваючи нові можливості дизайну.
  Це особливо цінно в галузях, де зниження ваги та оптимізація продуктивності є критично важливими, таких як аерокосмічна та автомобільна промисловість.

Ось порівняльна таблиця, у якій узагальнено ключові відмінності між 3D друк на металі і Традиційне виробництво:

Означати	3D друк на металі	Традиційне виробництво
Час	Швидше для створення прототипів, Виробництво низького обсягу.	Довший час налаштування завдяки інструментам і формам.
Швидкість виробництва	Повільніше для великого виробництва. Ідеально підходить для невеликих обсягів, на замовлення деталі.	Швидше для масового виробництва, особливо для простих деталей.
Складність дизайну	Може з легкістю створювати складні геометрії.	Обмежений обмеженнями інструментів; складні конструкції потребують додаткових кроків.
Налаштування	Ідеально підходить для одноразових або індивідуальних деталей.	Налаштування коштує дорожче через зміни інструментів.
Наявність матеріалу	Обмежується звичайними металами (нержавіюча сталь, титан, тощо).	Широкий асортимент металів і сплавів для різних застосувань.
Продуктивність матеріалу	Дещо нижча міцність і однорідність матеріалу.	Чудова міцність і стабільніші властивості матеріалу.
Початкові інвестиції	Висока початкова вартість через дорогі 3D-принтери та металеві порошки.	Менші початкові інвестиції для базових налаштувань.
Вартість одиниці	Високий для великого виробництва; економічно вигідний для невеликих тиражів.	Нижня для масового виробництва, особливо з простими конструкціями.
Міцність & Міцність	Підходить для багатьох застосувань; може вимагати додаткової обробки для підвищення міцності.	Як правило, більш висока міцність, особливо для високоефективних сплавів.
Поверхнева обробка	Потрібна додаткова обробка для гладкості.	Зазвичай краща обробка поверхні для простих конструкцій.
Післяобробка	Необхідний для покращення механічних властивостей, і поверхнева обробка.	Зазвичай мінімальна додаткова обробка, за винятком складних або високоточних вимог.
Матеріальні відходи	Мінімальні матеріальні відходи завдяки адитивній природі.	Вищі матеріальні відходи в деяких методах (Напр., обробка).
Ідеальний для	Низький об'єм, на замовлення деталі, Складні геометрії, прототипування.	Високий об'єм, прості частини, стійкі властивості матеріалу.
Заявки	Аерокосмічний, Медичні імплантати, автомобільний (низький об'єм, Складні частини).	Автомобільний, важка техніка, промислові частини (великого обсягу, великомасштабне виробництво).

10. Висновок

Металевий 3D-друк стоїть на передньому краї виробничих інновацій, пропонуючи такі унікальні переваги, як свобода дизайну, Швидке прототипування, та ефективність матеріалу.

Хоча він стикається з такими проблемами, як висока вартість і матеріальні обмеження, його трансформаційний потенціал у різних галузях незаперечний.

Незалежно від того, чи ви в аерокосмічній сфері, автомобільний, чи споживчі товари,

Вивчення того, як металевий 3D-друк може задовольнити ваші потреби, може стати ключем до відкриття нових можливостей у розробці та виробництві продуктів.

THIS надає послуги 3D-друку. Якщо у вас є потреби в 3D-друкі, Будь ласка, не соромтеся Зв’яжіться з нами.