Понимание семи типов аддитивного производства

Аддитивное производство (AM), также известное как 3D-печать, создает детали с помощью 3D-модели, созданной в CAD, добавляя отдельные слои материала и сплавляя слои вместе. AM впервые появился в 1987 году и с тех пор неуклонно растет, особенно в последние годы. По мере того, как компании изобретают и внедряют новые методы AM, они склонны создавать уникальные маркетинговые термины для своего процесса, даже если основные методы схожи. Наличие разных названий для схожих методов может легко привести к путанице на рынке. В посте мы определим основные методы, их преимущества и недостатки.

Согласно стандартам ISO/ASTM, AM делит методы, используемые для создания слоев, на семь категорий, из которых первые четыре в списке подходят для металлов.

1. Распыление связующего
2. Направленное выделение энергии
3. Пудровая кровать Fusion
4. Листовое ламинирование
5. Экструзия материала
6. Распыление материала
7. Фотополимеризация в ваннах

1. Струйное связывание

Уникальность AM в том, что он не использует тепло в процессе сплавления материалов. Выборочно наносится связующая жидкость или связующее вещество, которое соединяет порошковый материал вместе, образуя трехмерную деталь. Выбор типа связующего определяется типом порошка, используемой системой или требованиями заказчика. Процесс начинается с того, что порошковый материал распределяется по рабочей платформе с помощью валика, а печатающая головка наносит связующее поверх порошка в указанном месте. Платформа для сборки опускается, позволяя разместить следующий слой, и процесс повторяется до тех пор, пока элемент не будет завершен. Любой несвязанный порошок удаляется.

Преимущества Binder Jetting

• Возможность создавать детали различных цветов
• Используется ряд материалов:металл, полимеры и керамика.
• Ускоренный процесс AM
• Отсутствие деформации или усадки деталей.
• Меньше отходов за счет повторного использования неиспользованного порошка
• Используется метод двух материалов, который позволяет использовать различные комбинации связующего и порошка.

Недостатки Binder Jetting

• Части требуют последующей обработки, что значительно увеличивает время всего процесса.
• Низкая прочность деталей, не всегда подходящая для конструкционных деталей.
• Менее точный, чем струйная обработка материалов.

2. Направленное выделение энергии (DED)

DED создает Трехмерные объекты путем плавления и осаждения материалов на основе порошка или проволоки из сфокусированного источника тепловой энергии, включая лазер, электронный луч или плазменную дугу. Хотя этот процесс может изготавливать металлические, керамические и полимерные детали, он в основном используется для металлических деталей и в более гибридном производстве, где подложка подвижна для создания сложных форм. DED также называют лазерным осаждением металла (LMD), трехмерной лазерной наплавкой или изготовлением прямого света из-за использования различных источников энергии и конечного использования. Наконец, в зависимости от того, как работает этот процесс, он в основном используется для ремонта или восстановления существующих деталей путем добавления материала там, где это необходимо.

Преимущества DED

• Крепкие и плотные части
• Высокие темпы создания
• Сокращение отходов
• Выбор материалов:металл, керамика и полимер.
• Материалы легко заменяются
• Возможность изготовления деталей из нестандартных сплавов.
• Детали имеют форму, близкую к чистой.
• Возможность сборки более крупных деталей

Недостатки DED

• Капитальные затраты на системы высоки
• Детали имеют более низкое разрешение, что приводит к ухудшению качества поверхности и требует вторичной обработки.
• Вспомогательные конструкции нельзя использовать в процессе сборки.

3. Сварка в порошковом слое (PBF)

PBF имеет четыре категории источников энергии:лазерный синтез, электронно-лучевой синтез, синтез с агентом и энергией и термический синтез. Источник энергии расплавляет пластиковые или металлические частицы порошка, которые затвердевают и сливаются в узор, образуя объект. В процессе плавки в порошковом слое используются две камеры:камера сборки и порошковая камера, а также ролик для нанесения покрытия. Для создания объектов ролик для нанесения покрытия перемещается и распределяет порошковый материал по рабочей камере для нанесения тонкого слоя порошка. В некоторых процессах PDF после валика для нанесения покрытия используется скребок, лезвие или выравнивающий валик, чтобы обеспечить однородность толщины верхнего слоя материала. Далее источник энергии расплавляет нанесенный верхний слой металлической порошковой основы. Когда этот слой будет отсканирован и сплавлен, платформа сборки постепенно опускается вниз, одновременно поднимается порошковая камера, и процесс повторяется до тех пор, пока объект не будет завершен.

Преимущества PBF

• Низкая стоимость машин
• Для сборки не требуются или требуются минимальные вспомогательные конструкции.
• Разнообразие выбора материалов
• Можно использовать несколько материалов
• Возможность переработки порошка.

Недостатки PBF

• Медленная и долгая печать
• Дополнительное время постобработки
• Слабые структурные свойства
• Варианты качества текстуры поверхности.
• Может потребоваться опорная рабочая пластина, чтобы избежать деформации.
• Скорость процесса печати может определить, подлежит ли порошок переработке.
• Термическая деформация, в основном для полимерных деталей.
• Машины потребляют много энергии для создания деталей.

4. Листовое ламинирование

AM, который создает трехмерные объекты путем укладки и ламинирования тонких листов материала посредством склеивания, ультразвуковой сварки или пайки. Для создания окончательной формы объекта используется лазерная резка или обработка на станках с ЧПУ. Из всех аддитивных технологий эта позволяет производить детали с наименьшим добавочным разрешением или количеством деталей, но обеспечивает низкую стоимость и более быстрое время изготовления для быстрого прототипирования с использованием легкодоступных и недорогих материалов.

Листовое ламинирование можно разделить на семь типов:

• Производство ламинированных объектов (LOM)
• Производство композитных объектов с селективным ламинированием (SLCOM)
• Ламинирование пластиковых листов (PSL)
• Компьютерное производство ламинированных технических материалов (CAM-LEM)
• Селективное ламинирование напылением (SDL)
• Аддитивное производство на основе композитов (CBAM)
• Ультразвуковое аддитивное производство (УАМ)

Хотя типы листовой ламинации немного отличаются, общий принцип тот же. Процесс начинается с того, что тонкий лист материала подается с ролика или помещается на строительную платформу. Следующий слой может или не может быть связан с предыдущим листом, в зависимости от процесса. Наслоение продолжается до тех пор, пока не достигнет полной высоты. Удаление блока печати и всех нежелательных внешних краев завершает создание объекта.

Преимущества листового ламинирования

• Относительно низкая стоимость
• Большая рабочая зона
• Полноцветная печать
• Интегрируется в гибридные производственные системы.
• Простота обработки материала
• Возможность наложения нескольких материалов
• Поддерживающие конструкции не требуются
• В некоторых листах ламинирования
• В зависимости от типа используемой техники состояние материала остается неизменным.
• Быстрая печать, но требуется постобработка.

Недостатки листовой ламинации

• Высоту слоя нельзя изменить без изменения толщины листа.
• Отделка может различаться в зависимости от материала и может потребовать последующей обработки.
• Доступны ограниченные варианты материалов
• Удаление лишнего материала после этапа ламинирования может быть трудным и трудоемким.
• Может привести к большему количеству отходов по сравнению с другими методами AM
• В некоторых типах листовой ламинации сложно изготовить полые детали.
• Сила сцепления зависит от используемой техники ламинирования.

5. Экструзия материала

Самый популярный процесс AM с точки зрения доступности для общего потребительского спроса и качества использует непрерывную нить из термопласта или композитного материала для создания трехмерных деталей. Материал в виде пластиковой нити подается через экструзионное сопло, где нагревается, а затем слой за слоем осаждается на строительную платформу.

Преимущества экструзии материалов

• Широкий выбор материалов для печати
• Простая и понятная техника печати.
• Удобный способ смены печатного материала.
• Низкие начальные и текущие расходы
• Ускорение печати мелких и тонких деталей.
• Допуск печати +/- 0,1 (+/- 0,005″)
• Наблюдение не требуется
• Малый размер оборудования
• Низкотемпературный процесс

<сильный> Недостатки экструзии материала

• Видимые линии слоев
• Экструзионная головка находится в непрерывном движении или материал дергается
• Может потребоваться поддержка
• Прочность слабой детали по оси Z
• Увеличение времени печати благодаря более высокому разрешению и более широким областям.
• Подвержен деформации и другим проблемам с колебаниями температуры.
• Токсичные материалы для печати.

6. Распыление материала

Процесс, при котором капли воскоподобных материалов выборочно наносятся на строительную платформу. Материал охлаждается и затвердевает, позволяя накладывать слои материалов друг на друга. После сборки опорные конструкции либо удаляются механически, либо расплавляются.

Преимущества распыления материалов

• Структурная обработка материала позволяет добиться выдающейся точности и чистоты поверхности.
• Детали подходят для использования в выкройках для литья.

Недостатки распыления материала

• Доступно ограниченное количество воскоподобных материалов.
• Детали хрупкие из-за материалов, похожих на воск.
• Медленный процесс сборки

7. Фотополимеризация в ваннах

Процесс, используемый для отверждения фотополимерной жидкой смолы в ванне слой за слоем, превращая ее в твердые пластиковые детали с помощью ультрафиолетового (УФ) лазера. Три наиболее распространенных типа этой технологии включают стереолитографию, цифровую обработку света (DLP) и непрерывную цифровую обработку света (CDLP).

Преимущества фотополимеризации в ванне

• Высокий уровень точности и хорошая отделка.
• Относительно быстрый процесс
• Большие площади застройки

Недостатки фотополимеризации в ванне

• Относительно дорого
• Длительное время постобработки и удаления из смолы.
• Только для фотополимерных материалов.
• После печати все еще может подвергаться воздействию УФ-излучения.
• Могут потребоваться опорные конструкции и пост-отверждение, чтобы детали были достаточно прочными для использования в конструкции.

Заключение

По мере того, как машины для аддитивного производства становятся все более доступными для механических мастерских, гибкость конструкции и свойств материалов обеспечивает широкий спектр практических применений и применений. Аэрокосмическая, автомобильная и медицинская отрасли видят преимущества аддитивного производства. Быстрое создание прототипов, мелкосерийное производство и возможность ремонта деталей — вот некоторые из причин роста этого типа производства.