Что такое 3D-принтер для металла? Подробное руководство по различиям и особенностям каждого метода

По сравнению с традиционными методами металлообработки, металлические 3D-принтеры могут изготавливать сложные формы и имеют ряд других преимуществ, таких как снижение потерь материала и сокращение сроков строительства, а их практическое применение расширяется. В этой колонке мы подробно объясним фундаментальный механизм металлических 3D-принтеров и их основные методы производства.

• Содержание больше

  ---

  1. Что такое 3D-принтер по металлу (машина для аддитивного производства)?
     1. История металлических 3D-принтеров
     2. Сравнение традиционных методов металлообработки и 3D-принтеров по металлу
  2. Типы 3D-принтеров по металлу (метод изготовления)
     1. 1.PBF (сплавление в порошковой камере)
     2. 1-1.Сравнение лазерного и электронного пучка при плавлении в порошковом слое
     3. 2.DED (направленное энергетическое депонирование)
     4. 3.FDM (Моделирование методом послойного наплавления)
     5. 4. Струйная подача связующего вещества
  3. Металлические детали для 3D-принтера
     1. 3D-печать меди
     2. 3D-печать из титанового сплава
  4. Характеристики и характеристики JEOL JAM-5200EBM

Что такое 3D-принтер по металлу (машина для аддитивного производства)?

Металлический 3D-принтер — это устройство для формования 3D-формы путем плавления металлических порошков или металлической проволоки в качестве материала с помощью лазерного или электронного луча и наложения их по одному слою за раз в соответствии с данными 3D CAD. Методы обработки металла включают резку, литье, ковку, листовую обработку, прессование, порошковую металлургию и склеивание. Металлический 3D-принтер можно назвать новым станком.

История 3D-принтеров по металлу

Развитие металлического 3D-принтера восходит к 1980-м годам. В 1987 году Чак Халл в США разработал первый коммерческий 3D-принтер «SLA-1» с использованием стереолитографии. Этот метод использует смолу в качестве материала. Затем была разработана технология плавления металлических порошков с помощью лазера, и в 1990-х годах появился коммерческий металлический 3D-принтер. После обращения президента Обамы к Конгрессу о положении страны в 2013 году металлические 3D-принтеры начали привлекать внимание во всем мире. Проекты по разработке были запущены в США, Европе, Китае и других странах. Также в Японии в 2014 году была создана Ассоциация технологических исследований будущего аддитивного производства; TRAFAM, и были реализованы различные проекты по 3D-принтерам, включая металлические 3D-принтеры.

Сравнение традиционных методов металлообработки и 3D-принтеров по металлу

Процесс наращивания слоями для создания объекта 3D-моделирования называется «Аддитивное производство» (AM). AM имеет следующие особенности по сравнению с традиционными методами металлообработки.

Поскольку каждый из традиционных методов металлообработки имеет свои преимущества и недостатки, 3D-принтер по металлу имеет следующие проблемы:

Типы 3D-принтеров по металлу (способ изготовления)

Металлические 3D-принтеры можно разделить на несколько типов в зависимости от методов их изготовления. Сначала давайте рассмотрим, какие типы методов доступны и их характеристики.

1.PBF (сплавление в порошковой камере)

Powder Bed Fusion — самый распространенный метод среди металлических 3D-принтеров, широко используемый во всем мире. Порошковый слой с равномерно распределенными металлическими порошками выборочно сканируется лазерным или электронным лучом источника тепла. Повторяя плавление и затвердевание, желаемая форма формируется путем добавления слоя за раз. После завершения производства окружающие порошки удаляются, а готовая конструкция вынимается. Удаленные порошки собираются и повторно используются для другого производства после просеивания.

Поскольку метод Powder Bed Fusion позволяет осуществлять производство с более высокой точностью и воспроизводимостью, чем другие методы, и позволяет изготавливать детали с высокой плотностью и прочностью, он отлично зарекомендовал себя как в аэрокосмической, так и в медицинской сфере.

Сплавление порошкового слоя имеет два типа источников нагрева: лазер и электронный луч. Каждый из них имеет свои собственные характеристики, которые подробно описаны в следующем разделе.

【Основные производители】
・Лазер: EOS, 3D-системы, Nikon SLM Solutions, Colibrium Additive (ранее Concept Laser), Matsuura Machinery Corporation, Sodick Co., Ltd.
・Электронный луч: добавка Colibrium (бывший Aram), Mitsubishi Electric Corporation, JEOL Ltd.

Сравнение лазерного и электронного пучка в технологии Powder Bed Fusion

Описанный ранее метод Powder Bed Fusion использует металлические порошки для производства путем плавления порошков. В качестве источника нагрева используются лазеры и электронные лучи. Основные отличия следующие:

• Выше приведены общие сравнения. Характеристики лазерных систем сильно различаются в зависимости от выходной мощности и количества установленных лазеров, а также модели производителя оборудования.

Теперь давайте конкретно рассмотрим преимущества и недостатки лазерного и электронно-лучевого методов.

Преимущества лазерной порошковой плавки

Сначала обсудим преимущества лазерного метода.

Высокая способность лазерного луча собирать свет позволяет производить с высокой точностью тонкие формы и детали со сложной внутренней структурой. Поверхность после изготовления относительно гладкая, что снижает необходимость в постобработке, что является положительной чертой этого метода. Инструменты могут быть относительно компактными и экономящими место по сравнению с электронно-лучевыми металлическими 3D-принтерами, что является преимуществом. Кроме того, поскольку это широко используется во всем мире, существует множество материалов с производственными записями и примерами практического применения, что является положительной чертой этого метода.

Недостатки лазерной порошковой плавки

Одним из недостатков является то, что трудно обеспечить равномерный предварительный нагрев, поэтому остаточное напряжение имеет тенденцию накапливаться. В зависимости от материала металла и формы может возникнуть деформация или растрескивание. Поэтому обработка нагревом часто выполняется после изготовления, чтобы снять внутреннее напряжение.

Кроме того, поскольку выходная мощность немного ниже, чем у источника электронного луча, а эффективность ввода тепла ниже, скорость производства относительно низкая. Производство крупных деталей или большого количества деталей неизбежно занимает больше времени. Многолазерные типы с несколькими лазерами могут производить крупные детали, но для завершения процесса требуется несколько дней.

Преимущества электронно-лучевой плавки порошкового слоя

Далее давайте рассмотрим электронно-лучевые 3D-принтеры по металлу.

Электронно-лучевые 3D-принтеры могут сканировать всю поверхность порошкового слоя с помощью электронного луча на высокой скорости перед плавлением и предварительно нагревать её до нескольких сотен-тысяч градусов Цельсия за короткое время. Поскольку горячий процесс (предварительный нагрев электронным лучом) подавляет остаточные напряжения, уменьшается деформация и растрескивание конструкции. Ещё одним преимуществом является то, что он требует меньше вспомогательных материалов, чем лазерный метод. Электронные лучи обладают более высокой выходной мощностью и эффективностью преобразования тепловой энергии, чем лазеры, что обеспечивает более высокую скорость производства, что является преимуществом при изготовлении крупногабаритных деталей или массовом производстве больших партий. Кроме того, при электронно-лучевом методе производство осуществляется в вакууме, что позволяет подавить воздействие кислорода и влаги, поэтому он подходит для производства активных металлов, таких как титановый сплав. Он также подходит для материалов с низким коэффициентом поглощения для волоконных лазеров, включая тугоплавкие металлы, такие как вольфрам и молибден, а также чистую медь.

Недостатки электронно-лучевой плавки порошкового слоя

С другой стороны, электронно-лучевые принтеры по металлу также имеют свои проблемы.

Прежде всего, метод электронного луча требует струйной обработки для удаления временно спеченных порошков после изготовления, поскольку порошки вокруг сборки слегка объединяются вместе во время предварительного нагрева. Если производственный объект имеет внутренние каналы или сложную внутреннюю часть, трудно удалить временно спеченные порошки струйной обработкой. Поэтому этот метод не подходит для изготовления формы со сложными водопроводными трубами.

Поскольку диаметр используемых металлических порошков больше, чем при лазерном методе, точность и шероховатость поверхности тонкой формы немного выше при лазерном методе.

Кроме того, по сравнению с лазерными системами, производителей оборудования не так много, а количество формованных материалов все еще ограничено. Ожидается дальнейшее расширение материала, который может быть использован.

2.DED (направленное энергетическое депонирование)

DED (направленное энергетическое осаждение) — это производственный метод, при котором металлические порошки и проволока непрерывно расплавляются с помощью энергии лазера, электронного луча или дугового разряда, а затем наносятся на них.

Скорость производства выше, чем при использовании других методов, и можно формовать более крупные детали, что является положительным моментом.

С другой стороны, метод порошковой плавки, как правило, превосходит другие методы с точки зрения точности размеров и шероховатости поверхности. Поскольку форма, которую нужно отлить, ограничена, этот метод не подходит для изготовления мелких деталей и деталей сложной формы.

Поскольку этот метод заключается в нанесении материалов из сопла в виде наложения, он может добавлять форму на различные типы металлов или деталей. Он широко используется для ремонта деталей. В зависимости от инструмента, также возможно формовать различные типы металлов во время производства, переключая поставляемые металлы.

【Основные производители】
・Лазер (порошковый): DMG MORI CO., Ltd., NIDEC MACHINETOOL CORPORATION, Nikon Corporation, Shibaura Machine Co., Ltd.
・Лазер (провод): Mitsubishi Electric Corporation, Meltio
・Дуга (Проволока): WAAM3D Ltd.
・Электронный луч (провод): Sciaky Inc., pro-beam

3.FDM (Моделирование методом послойного наплавления)

Этот принцип такой же, как и у обычного 3D-принтера на основе смолы. Производство заключается в экструзии материалов, поэтому его также называют методом экструзии материалов (MEX). Нити металлических порошков, смешанные с термопластичным полимерным материалом в качестве связующего (связующего агента), расплавляются под действием тепла и экструдируются через сопло для формирования слоев. После формирования нити проходят процесс обезжиривания для удаления связующего, а затем спекаются в печи. Поскольку объем уменьшается примерно на 20% во время спекания, производство должно осуществляться в размере, который допускает эту усадку. Потери материала низкие, а металлические порошки просты в обращении. По сравнению с другими методами он недорог и прост в эксплуатации, что делает его пригодным для создания прототипов и мелкосерийного производства, но у него есть некоторые проблемы с плотностью.

【Крупный производитель】
Stratasys, Nano Dimension Ltd. (бывшая Desktop Metal Inc.)

4. Струйная подача связующего вещества

Распределенные металлические порошки затвердевают слой за слоем, в то время как жидкое связующее селективно распыляется через сопло. Подобно FDM, связующее удаляется во время процесса обезжиривания, а сборка спекается в печи. Во время спекания объем уменьшается примерно на 20%. Этот метод не требует источника тепла высокой температуры во время производства или материала подложки. Подобно сплавлению порошкового слоя, неиспользованные металлические порошки можно использовать повторно. Благодаря высокой производительности он, вероятно, подойдет для массового производства. Однако его плотность и прочность ниже, чем у сплавления порошкового слоя. Это проблемы при применении к практическим деталям. Этот метод в основном хорош для изготовления небольших деталей с тонкими формами.

【Крупный производитель】
Nano Dimension (бывшая Desktop Metal Inc.), Markforged (бывшая Digital Metal), Hewlett Packard

Помимо этих методов, существуют такие методы, как метод сверхзвукового осаждения (металлические порошки распыляются на высокой скорости через сопло для связывания металлических частиц) и метод осаждения жидких металлов (металлическая версия струйного метода. Суспензия металлических частиц распыляется и связывается при высоких температурах для осаждения).

Металлические детали для 3D-принтера

Существует несколько типов металлов, которые можно обрабатывать с помощью 3D-принтера по металлу. В зависимости от отрасли (например, аэрокосмическая промышленность, энергетика, электроника или медицинское оборудование) материалы выбираются на основе конкретных свойств, необходимых для каждого применения. В этом разделе мы представляем основные характеристики и примеры применения типичных материалов для 3D-печати по металлу.

3D-печать меди

3D-печать из титанового сплава

Характеристики и характеристики JEOL JAM-5200EBM

Наконец, мы представим JAM-5200EBM от JEOL — 3D-принтер для металлизации методом электронно-лучевой порошковой печати.

JAM-5200EBM оснащен мощным источником электронного луча 6 кВт для достижения высокой эффективности производства. Используя долговечный катод, функцию автоматической коррекции электронного луча и систему предотвращения рассеивания порошка, JAM-5200EBM обеспечивает воспроизводимое производство со стабильным облучением электронным лучом в течение длительного периода времени.

Тем, кто планирует внедрить 3D-принтер по металлу или желает найти наиболее подходящий для своих нужд подход к его внедрению, мы предлагаем связаться с нами для консультации.

Сопутствующие продукты

Секреты разработки