Да, 3D-печать из металла возможна. Существует несколько производственных процессов, подпадающих под понятие аддитивного производства металлов, но эта статья посвящена тем, которые используют слои металлического порошка для наращивания и формирования сложных структур, которые трудно создать с помощью других методов.
Процесс металлической 3D-печати включает в себя спекание или плавление металлических порошков напрямую, или их соединение со вторым материалом для подачи через сопло. Он используется как для быстрого создания прототипов, так и для производства готовых деталей для аэрокосмической промышленности, машиностроения, оснастки и т.д.
Содержание
Нажмите на ссылки ниже, чтобы перейти к соответствующему разделу руководства:
Какие металлы можно использовать в 3d-печати?
Какие металлы нельзя использовать для 3d-печати?
Какие процессы можно использовать для 3D-печати металлов?
Другие методы
Преимущества и недостатки
Какова цель 3D-печати металлов?
Дорого ли это?
Заключение
Какие металлы можно использовать в 3D-печати?
Для изготовления деталей методом 3D-печати можно использовать широкий спектр различных металлов в виде порошка. Титан, сталь, нержавеющая сталь, алюминий, медь, кобальт-хром, титан, вольфрам и сплавы на основе никеля, а также драгоценные металлы, такие как золото, платина, палладий и серебро, доступны в виде порошка для 3D-печати.
Эти различные металлы обладают различными свойствами, что делает их пригодными для различных применений. Например, нержавеющая сталь обладает отличной коррозионной стойкостью, что делает ее идеальной для печати труб, клапанов и деталей паровых турбин.
Какие металлы нельзя печатать в 3D?
Теоретически, любой металл может быть использован для 3D-печати, если он доступен в виде подходящего порошка. Однако материалы, которые горят, а не плавятся при высоких температурах, не могут быть безопасно обработаны спеканием или плавлением, но могут быть использованы при экструзии через сопло для 3D-печати. Дерево, ткань и бумага не могут быть напечатаны 3D с помощью этих процессов.
Для создания твердых изделий из металлических порошков также можно использовать спекание (формование в форме при высокой температуре и чрезвычайно высоком давлении), а в случае металлов с очень высокой температурой плавления спекание является единственным надежным методом производства изделий из этих материалов.
Какой процесс 3D-печати можно использовать для 3D-печати металлов?
Как уже говорилось выше, существует несколько технологий 3D-печати металлов. Методы сплавления порошкового слоя, к которым относятся прямое лазерное спекание металлов (DMLS), селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое плавление (EBM), являются наиболее широко используемыми методами аддитивного производства металлов:
Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)
В этом широко используемом методе лазер спекает металлический порошок слой за слоем, формируя объект. При этом металл фактически не плавится и используется для создания прототипов и производства готовых деталей, включая медицинские приборы и инструменты.
Селективное лазерное плавление (SLM)
Этот процесс предполагает использование лазера для расплавления материала в требуемых местах в слое порошка в среде инертного газа. Таким образом, слой за слоем создаются объекты с параметрами, аналогичными тем, которые получаются при литье. SLM часто используется для производства деталей из алюминия и титана, в том числе для медицинской, автомобильной и аэрокосмической промышленности.
Электронно-лучевое плавление (EBM)
Этот процесс похож на SLM, только для плавления материала используется электронный луч, а не лазер. EBM считается более быстрым и точным, чем SLM, и часто используется для производства изделий из кобальта и титана. EBM широко используется в аэрокосмической промышленности для изготовления деталей, включая компоненты двигателей.
Другие методы:
Существуют и другие технологии, которые могут использоваться или уже используются для 3D-печати металлов, хотя они не так широко применяются, как DMLS, SLM или EBM:
Лазерное осаждение металла (LMD)
LMD используется в аэрокосмической, автомобильной и медицинской промышленности, создавая объекты путем послойного нанесения нагретого металла на металлическую подложку. LMD позволяет использовать различные материалы для создания объекта и является более быстрым, чем другие методы.
Селективное лазерное спекание (SLS)
Подобно DMLS, этот процесс также использует лазер для спекания порошкообразных материалов. Он используется для изготовления изделий из широкого спектра материалов, включая металл. Однако в наши дни он в основном используется для спекания пластмасс, таких как полиамид и нейлон.
Струйное нанесение связующего
Этот процесс использует специальную жидкость для связывания порошкового материала и является менее дорогостоящим, чем DMLS, SLM или EBM. Точность и прочность, обеспечиваемые этим процессом, не идеальны, поэтому часто требуется последующая обработка. Для повышения прочности и твердости готового объекта можно использовать горячее изостатическое прессование, но это увеличивает затраты. Литье под давлением обычно используется для изготовления крупномасштабных и сложных прототипов.
Литье под давлением
Эта комбинация литья под давлением и 3D-печати широко используется для изготовления небольших компонентов в таких отраслях, как медицина и оборона. Процесс происходит путем смешивания металлического порошка с термопластичными и восковыми связующими. Эта смесь нагревается до тех пор, пока связующее не расплавится и не покроет порошок, который затем гранулируется в гранулы. Эти гранулы нагреваются и вводятся в полость для формирования объекта, после чего связующий материал удаляется, обычно с помощью экстракции растворителем. Затем деталь спекается, испаряя оставшееся связующее вещество и сжимая объект в плотный твердый материал. Затем объект может быть обработан в соответствии с требованиями.
Каковы преимущества и недостатки 3D-печати металла?
Существует ряд преимуществ и недостатков, связанных с 3D-печатью металлов:
Преимущества
Простота изготовления изделий сложной формы быстрее, чем традиционные методы производства
Дешевле, чем многие традиционные методы производства некоторых деталей
Возможность изготовления точных и высокодетализированных объектов
Поскольку детали могут быть включены во время сборки, это позволяет сэкономить время и деньги по сравнению с более традиционными методами производства
Сложные формы могут быть созданы для создания более легких объектов без снижения прочности, что делает 3D-печать металла идеальным решением для автомобильной, аэрокосмической и космической промышленности.
Очень мало отходов материала
Несколько деталей сложной сборки могут быть объединены в один компонент, что сокращает количество деталей и стоимость сборки.
Недостатки
Медленно изготавливаются детали, предназначенные для традиционного производства, что делает крупносерийное производство неконкурентоспособным только по стоимости
Порошкообразные металлические материалы дороже, чем не порошкообразные (например, заготовка или пруток)
Металлические 3D-принтеры могут быть дорогими
Может потребоваться обработка поверхности и постобработка 3D-печатных деталей
Более низкая точность и допуски по сравнению со специализированной механической обработкой с ЧПУ
Для снижения внутренних напряжений в 3D-печатной детали или достижения максимальной прочности металла может потребоваться термическая обработка.
Проектирование металлических 3D-деталей может быть сложным и требует услуг профессиональных инженеров САПР
Размер деталей ограничен объемом 3D-принтера.
Какова цель 3D-печати металла?
Преимущества и недостатки процесса дают представление о назначении 3D-печати в металле, показывая, что она хорошо подходит для изготовления относительно небольших сложных деталей, включая прототипы. Она также может облегчить оснастку для традиционных производственных технологий, снижая затраты и сокращая время выполнения заказа.
Сочетая гибкость 3D-печати с механическими свойствами металла, эта технология нашла применение в различных отраслях промышленности, от вставок с каналами охлаждения через легкие конструкции для аэрокосмической промышленности до сложных деталей, используемых в сложных условиях. Типичные области применения включают создание полнофункциональных прототипов, создание производственных инструментов, оснастки для пресс-форм или вставок, корпусов, воздуховодов, теплообменников и радиаторов.
Конечно, разные металлы позволяют печатать различные объекты, например:
Нержавеющая сталь: Идеально подходит для объектов, которые будут контактировать с агрессивными жидкостями, водой или паром, благодаря превосходной коррозионной стойкости.
Бронза: крыльчатки насосов и морские пропеллеры, светильники и более декоративные предметы, такие как вазы
Золото: Может использоваться для печати ювелирных изделий
Никель: Может использоваться для печати деталей турбинных двигателей или даже монет
Алюминий: Идеально подходит для металлических предметов, особенно там, где требуется облегчение, например, для деталей планера самолета.
Титан: Способен производить очень прочные, точные детали, такие как медицинские имплантаты (например, тазобедренные суставы) и другие твердые приспособления и объекты.
Дорого ли стоит 3D-печать металла?
Различные технологии 3D-печати используют разные решения для промышленности с разными материалами и разной сложности, а это значит, что стоимость 3D-печати по металлу может существенно отличаться. Однако большая часть затрат приходится на 3D-печатные машины, которые могут составлять значительную часть общих затрат на производство, наряду с рабочей силой, материалами, подготовкой и последующей обработкой. Потребность в высококачественных порошкообразных материалах также увеличивает стоимость 3D-печати металлов, поскольку они дороже, чем не порошкообразные металлы в тех же количествах.
Как уже упоминалось, цены на принтеры могут быть высокими, с затратами в несколько или даже сотни тысяч фунтов, хотя эти цены сопоставимы с высококачественным станком с ЧПУ аналогичного размера. Ожидается, что по мере совершенствования технологии и увеличения объема рынка цена на 3D-печатные машины будет снижаться.
Помимо стоимости материалов и принтера, существуют затраты на проектирование создаваемых объектов. Для этого может потребоваться приобрести специализированное программное обеспечение или нанять инженеров САПР, обладающих специальными знаниями в области 3D-печати. Конечно, существуют и другие трудовые затраты на эксплуатацию и обслуживание машин.
Наконец, существуют затраты, связанные с последующей обработкой напечатанных деталей. Это может включать очистку, термообработку, удаление несущих конструкций и нанесение покрытий на поверхность.
Заключение
3D-печать металлом, или аддитивное производство, позволяет изготавливать детали почти такой же прочности, как и обычные металлические предметы.
Хотя этот метод может быть дорогим и не очень подходит для замены традиционного производства при больших объемах выпуска стандартных изделий, он идеально подходит для изготовления небольших сложных изделий. 3D-печать металлами также помогает облегчить детали, используемые в таких отраслях, как аэрокосмическая и автомобильная.
