В прошлом создание металлических изделий осуществлялось методом литья и обработки металлорежущим оборудованием. Сегодня же классическую методику производства металлоизделий начинает активно теснить 3D-печать металлом.
Эффективность практического применения объемной металлической печати доказала аэрокосмическая компания SpaceX, изготовив на 3D-принтере некоторые детали двигателя ракеты многоразового использования Falcon 9.
3D-печать металлом – один из самых перспективных на сегодняшний день методов адаптивного производства. Формирование объемных металлических изделий происходит по технологии быстрого прототипирования. Постройка металлоизделий осуществляется по следующей схеме:
- Нанесение тонкого слоя металлического порошка
- Спекание металлического порошка в соответствии с 3D-моделью
- Нанесение связующего слоя
- Цикл повторяется до формирования готового металлоизделия
- Дальнейшая термообработка модели
3D-принтеры для печати металлом используют полностью герметичную рабочую камеру. Создание объемных металлических моделей часто происходит в условиях инертного газа. При этом в зоне печати создается достаточно высокая температура, немного не достигающая температуры плавления используемого металла.
Описанный выше принцип изготовления металлических изделий заложен в основе большинства технологий объемной печати металлом. Различаться может сам принцип спекания металлического порошка. В одних принтерах металл плавится лазером, в других электронной пушкой.
В обзоре будут описаны технологии печати металлом.
Особенности 3D-печати металлом
Следует начать с того, что металлическая печать существенно уступает по производительности прототипированию с использованием полимеров. Средняя скорость печати металлом составляет 50 (см3) за 1 час, это без учета времени на последующую термообработку. Процесс изготовления металлоизделия на всю рабочую камеру объемом 200×250х330 (мм) занимает в среднем чуть менее 1 суток.
Ключевым преимуществом объемной печати металлом является возможность изготовления мельчайших деталей. Среднестатистический 3D-принтер по металлу обеспечивает минимальную толщину слоя, на уровне всего 100 (мкм). Такому оборудованию под силу изготовить металлическую заготовку практически любой степени сложности.
При использовании объемной печати чаще всего используются специальные смеси с добавлением металлических частиц.
В основе многих порошков для объемной металлической печати находится металлоглина.
Встречаются смеси металла и полимеров, которые выгорают при высокой температуре. После обжига остается пористый металл. Если такой материал подвергнуть специальной термообработке, металл станет более цельным, практически однородным, но при этоом произойдет усадка примерно на 30%.
Разумеется, существуют 3D-принтеры, которые используют в своей работе чистый металлический порошок. В этом случае металлоизделие не будет уступать по качеству аналогам, выполненным по традиционной технологии металлического литья.
Для объемной печати может использоваться широчайший спектр металлов. Наиболее широко применяются порошки на основе:
- Алюминия
- Кобальта
- Хрома
- Титана
- Стали
Проще всего, конечно же, работать с металлами, которые имеют низкую температуру плавления: олово и свинец. Но из-за невысоких прочностных характеристик данных металлов сфера их применения весьма ограничена.
Технологии объемной печати металлом
На сегодняшний день наибольшее распространение получили 3 основные технологии металлической 3D-печати:
- Выборочное лазерное спекание (SLS)
- Прямое лазерное спекание (DMLS)
- Выборочная электронно-лучевая плавка (EBM)
Разумеется, это далеко не единственные методы адаптивного производства металлоизделий. Дополнительно еще можно выделить метод прямого лазерного адаптивного построения (CLAD), а также произвольной электро-лучевой плавки (EBF). Но данные методы 3D-печати имеют весьма узкую специализацию и не находят сегодня широкого распространения.
Какие технологии печати металлом еще существуют.
Выборочное лазерное спекание (SLS)
Метод выборочного лазерного спекания позволяет получать комбинированные заготовки из металла и керамики или металла и полимеров. Сама металлическая структура изделия будет пористой.
Объемная печать металлов SLS отлично подходит для изготовления:
- Макетов
- Наглядных моделей
- Прототипов
В данном случае заказчик металлоизделия сможет сэкономить уйму времени, которое обычно уходит на создание пресс-форм и матриц. Уже через сутки после заказа можно подержать в руках и обсудить преимущества и недостатки изделия, на которое могут возлагаться большие надежды.
3D-принтеры с технологией выборочного лазерного спекания используют лазерный излучатель минимальной мощности. Основной нагрев осуществляется вспомогательным источником, который доводит температуру рабочей камеры практически до температуры плавки металлического порошка.
Если не говорить за промышленные нужды, технология выборочного лазерного спекания нашла широчайшее применение в ювелирном деле и производстве сувенирной продукции.
Прямое лазерное спекание (DMLS)
Объемная металлическая печать методом прямого лазерного спекания рассчитана на применение чистого металлического порошка, без глины и полимеров. 3D-принтеры DMLS отличаются от SLS использованием более мощной лазерной головки. В данном случае основной нагрев металла создается при помощи лазерного излучения.
Да, металлоизделия, полученные методом DMLS являются более прочными, чем при SLS-производстве. Но все же это тот же пористый металл, правда с более плотной структурой.
Прямое лазерное спекание слабо подходит для создания производственных деталей. Но что касается изготовления прототипов и концептов, технология DMLS является одной из лучших.
Дополнительно 3D-печать металлом по методу прямого лазерного спекания рекомендуется в тех случаях, когда на металлоизделие не будет воздействовать высокая механическая нагрузка. Это значит, что металлические детали, созданные методом DMLS, нельзя использовать в двигателях и аналогичных устройствах. Но никто не запрещает применять такие металлоизделия в ювелирном деле, при изготовлении спортивного инвентаря и туристической экипировки, а также во многих других сферах.
Принтеры для 3D-печати металлом с технологией DMLS стоят дороже аналогичных по производительности SLS-моделей. Конечно, при использовании такой печати нужно будет больше тратиться на заказ расходных материалов.
Выборочная электронно-лучевая плавка (EBM)
Профессиональная 3D-печать металлом начинается с использования выборочной электронно-лучевой плавки. Технология EBM предполагает работу с чистым металлическим порошком. В результате печати получается цельное хорошо структурированное изделие, которое мало чем уступает полностью литым деталям.
На сегодняшний день 3D-принтеры по металлу с технологией EBM выпускает лишь шведская компания Arcam. В принтерах этого типа лазерная головка заменена электронно-лучевой трубкой.
Электронно-лучевая трубка имеет немало преимуществ по сравнению с излучателями лазерного типа:
- Отсутствует хрупкая система зеркал
- Повышенная мощность
- Увеличенная скорость
В принтерах EBM практически весь нагрев металла берет на себя электронно-лучевая трубка. Главным преимуществом данной технологии является отсутствие хрупкой системы зеркал.
Работа принтера с лазером строится с учетом бережного перемещения электромеханической головки.
У электронно-лучевой трубки нет каких-то ограничений на скорость перемещения. Такой излучатель в разы быстрее любого из лазерных аналогов.
Объемная металлическая печать методом EBM нашла необычайно широкое применение в производстве методом быстрого прототипирования. На подобном принтере можно печатать не только прототипы и концепты. EBM позволяет изготавливать практически полностью готовые к использованию детали для нужд производства.
Таким металлоизделиям хватает прочностных характеристик, чтобы использоваться в составе двигателей, редукторов и прочих механизмов, которые подвергаются высоким нагрузкам.
Дополнительно выборочная электронно-лучевая плавка часто используется при изготовлении металлических имплантов и других изделий медицинского назначения. Данный тип принтеров является на сегодняшний день одним из немногих, кто способен печатать титановым сплавом.
На сегодняшний день принтеры с выборочной электронно-лучевой плавкой чаще всего используются в сфере массового производства. Благодаря принтерам по металлу можно существенно упростить производственный процесс, отказавшись от литьевого процесса, а также черновой и получистовой металлообработки. Это не говоря уже про услуги инженерной и конструкторской служб, а также отдела контроля качества.
