До коммерциализации аддитивного производства металлов существовало ограниченное количество возможностей для технологий производства металлических компонентов. Сегодня существует несколько различных методов изготовления металлических компонентов, напечатанных на 3D-принтере, со своими сильными сторонами и ограничениями.
Прежде чем мы обсудим различные процессы аддитивного металла, мы рассмотрим сырье, используемое в системах аддитивных металлов, и способы их создания. В настоящее время сырье доступно в двух формах: проволока и металлический порошок.
Порошковый металл
Металлический порошок — это наиболее коммерчески доступный процесс 3D-печати металлом на сегодняшний день. Метод распыления металла создает тонкий однородный металлический порошок за три основных этапа: плавление, распыление и затвердевание.
Другими словами, элементарный металл объединяется в тигле и расплавляется, затем расплавленный металл выливается в струю инертного газа, которая разбивает жидкий металл на распыленные капли. Когда капли падают, они остывают и затвердевают, образуя крошечные металлические сферы. Размер сфер или частиц может составлять от 5 до 150 микрон. Аддитивные процессы требуют определенных размеров частиц, поскольку металлический порошок проходит через серию сетчатых сит или сит, чтобы сузить гранулометрический состав.
Спулированный металл
Наиболее распространенным методом изготовления металлической намотанной проволоки является экструзия через фильеру. Существует большое разнообразие исходного материала для проволоки, поскольку в настоящее время он используется в производстве, например, в мастерских по техническому обслуживанию и ремонту, где используется ручная сварка MIG и TIG. Рулонный металл использовался в течение многих лет в традиционных методах производства, но адаптация к процессам аддитивного производства вывела его на новый рынок.
В зависимости от варианта процесса и свариваемого основного материала диаметр намотанной металлической проволоки, используемой в аддитивном производстве металла, обычно составляет от 0,7 до 2,4 мм, но может достигать 4 мм. Проволока большего диаметра увеличивает скорость производства, но проволока меньшего диаметра обеспечивает лучшую точность. Важно отметить, что намотанная проволока, используемая в аддитивных процессах, используется только в процессе осаждения металла.
Аддитивные процессы обработки металлов
Многие поставщики систем аддитивного металла используют свои собственные аббревиатуры и названия для сегментации своего места на рынке аддитивного производства, но каждую систему можно разделить на общие категории, дающие аналогичные конечные результаты. В этом руководстве мы разделили их на три основных процесса — осаждение металла, связанный металл и плавление в порошковом слое — и обсудим их сильные стороны, ограничения и сходства.
Осаждение металла
Осаждение металла создает геометрию либо методом подачи проволоки, либо путем напыления металлического порошка на подложку на пути источника тепла, такого как сфокусированный электронный луч, лазер или плазменная дуга, которые плавят их вместе. Этот процесс также называется формованием сетки с помощью лазера, изготовлением направленного света, 3D-лазерной наплавкой и / или прямым осаждением металла.
В аддитивном производстве с подачей проволоки в качестве исходного материала вместо металлического порошка используется металлическая проволока. Детали, изготовленные из металла с подачей проволоки, требуют механической обработки для достижения общепринятых допусков, поскольку диаметр проволоки и распыление порошка ограничивают ее разрешение.
Основное применение наплавки металла на рынке — добавление материала к существующим объектам, а не создание новой геометрии. Например, технология осаждения металла используется в аэрокосмической отрасли для ремонта существующих металлических компонентов, создание которых изначально было дорогостоящим, таких как лопатки турбины двигателя, или нанесения дорогостоящего материала на имеющуюся заготовку для уменьшения количества материала, который будет обрабатываться в отходы. Головкой для наплавки можно точно управлять с помощью многоосевой головки станка с ЧПУ или с помощью современной робототехнической системы.
Плюсы:
-
- Возможность ремонта или изготовления крупногабаритных деталей
- Плотность выше 99%
- Быстрое осаждение материала
Минусы:
-
- В зависимости от конкретного процесса обработка поверхности может быть проблемой.
- Свисающие поверхности иногда требуют поддержки
- Высокие остаточные напряжения и деформации
- Ограниченные допуски и процесс подачи проволоки еще менее точен
Связанный металл
Системы печати на связанном металле создают геометрию с помощью связующего или связующего вместе с металлическим порошком. Связующие агенты обычно обрабатываются струей или экструзией нитей и удерживают порошкообразный металлический порошок вместе, создавая «зеленую» часть. «Зеленый» — это промышленный термин, означающий деталь, которая удерживается вместе связующим и требует дополнительных производственных операций для удаления связующего вещества и спекания вместе или пропитывания оставшегося металла.
Эта технология также называется струйной печатью, xjet, HPMJ, Digital Metal и Binder Jetting. Связанный металл часто используется в промышленных вертикалях для субсидирования литых деталей, таких как корпуса насосов.
Связанный металл ограничен вторичными процессами, необходимыми для того, чтобы конечная часть стала пригодной для использования. Как минимум, металлические детали имеют высокую пористость непосредственно после процесса, а процессы спекания и инфильтрации значительно снижают пористость.
Обычно процессы удаления связующего и спекания происходят в печи с контролируемой атмосферой, где детали подвергаются термообработке в течение от 24 до 36 часов, а связующее сжигается. Спекание сплавляет металлические частицы вместе, в результате чего получается функциональная металлическая деталь. Однако этот процесс приведет к усадке детали, и окончательную геометрию будет трудно предсказать. На этапе проектирования следует учитывать искажения, поскольку они связаны с точностью и однородностью детали.
Третий необязательный процесс — это пропитка детали наполнителем, таким как бронза, для заполнения пустот, оставшихся связующим агентом на этапе спекания. Две стадии постобработки улучшают механические свойства металлической детали, а инфильтрация бронзы помогает достичь полной плотности детали до 95%.
Плюсы:
-
- Недорогая металлическая деталь
- Инструменты не требуются
- Могут изготавливаться сложные детали
- Достойная отделка поверхности
Минусы:
-
- Необходимо решить проблему усадки, и может потребоваться несколько итераций дизайна.
- Равномерной толщины стенки добиться непросто.
- Низкие механические свойства
- Ограниченная точность размеров
- Ограниченные материалы
Плавление в порошковом слое
Для сплавления порошкового слоя используется лазер или электронный луч, который осуществляет плавление и сплавление слоя металлического порошка. Этот метод часто называют DMLS (прямое лазерное спекание металла), SLM (селективное лазерное плавление), DMLM (прямое лазерное плавление металла), LaserCusing и EBM (электронно-лучевая плавка). Эти методы сгруппированы как методы плавления в порошковом слое, поскольку они начинаются с очень тонкого слоя металлического порошка, равномерно распределенного по платформе построения, который сплавлен в заданное поперечное сечение с помощью источника энергии (лазера или электронного луча). По мере продолжения процесса эти слои сливаются друг с другом, создавая трехмерный объект.
Плавление в порошковом слое в настоящее время является наиболее распространенной формой аддитивного производства металлов, и ее часто неправильно понимают. Расплавление в порошковой среде позволяет создавать точные детали с помощью современных высокоточных лазеров и электронных лучей, и в настоящее время он предлагает самый широкий спектр материалов. Еще одним преимуществом является то, что детали достигают плотности выше 99% и достигают прочности, близкой к свойствам деформируемого материала, непосредственно на станке.
Будущее термоядерного синтеза в порошковом слое светлое просто из-за огромного количества компаний, производящих системы с использованием этой технологии. Доступность способствует внедрению и создает устойчивое и надежное решение для конечных производственных деталей, таких как сопла ракет с конформным охлаждением для аэрокосмической промышленности и усовершенствованные роторы и статоры для выработки электроэнергии.
Плюсы:
-
- Высокая точность и прекрасное разрешение
- Жесткие допуски
- Плотность выше 99%
- Широкий выбор металлических материалов
- Отличные свойства материала
- Идеально подходит для мелких и крупных сложных деталей
- Свобода дизайна
Минусы:
-
- Дорого в масштабе
- Игнорирование управления процессом затрудняет воспроизводимость
- Во многих системах требуется поддержка
- Ограниченный размер продукции (15 x 15 x 15 дюймов или меньше)
Сравнение
Присущие связующему металлу проблемы с усадкой могут ограничивать области применения, в которых может использоваться эта технология, но она отлично подходит для создания прототипов или замены деталей литого или прессового и спеченного типа. Осаждение металла идеально подходит для ремонта существующих деталей или изготовления крупных компонентов почти чистой формы. Наплавление в порошковом слое обеспечивает более широкий спектр применений из-за большей свободы дизайна и более жестких допусков по сравнению с любым из этих процессов. Как детали, наплавленные в порошковом слое, так и наплавленные металлические детали, требуют меньшей последующей обработки, чем детали из связанного металла.
Достижение повторяемости с помощью плавления в порошковом слое требует невероятных усилий, однако этот процесс предлагает широчайший диапазон известных материалов с лучшими свойствами. Более того, когда достигается повторяемость процесса, наплавка в порошковом слое является жизнеспособным средством мелкосерийного серийного производства, которое может обеспечить быстрое и недорогое изменение конструкции во время производственной программы.
Какой процесс подходит вам?
При таком большом количестве вариантов изготовления металлических деталей легко потеряться в общей сложности. Но, изучив требования вашего проекта, вы можете легко определить лучший процесс для производства ваших компонентов. Все технологии имеют свои сильные стороны и ограничения, но в конечном итоге необходимая функциональность и эстетика ваших деталей приведут вас к наиболее подходящему решению.
Источник: www.newequipment.com
Tags:
3D печать