3D-печать драгоценных металлов - новый подход?

Недавнее исследование SmarTech оценило рынок материалов из драгоценных металлов в аддитивном производстве в 250 миллионов долларов к 2028 году. Это показывает, что, хотя 3D-печать все еще находится на относительно ранней стадии развития, это область, которая неуклонно растет. 3D-печать драгоценных металлов, таких как золото, серебро или платина, идеально подходит для небольших партий, высокопроизводительных приложений с высоким уровнем настройки и свободы дизайна. Имея это в виду, такие отрасли, как производство ювелирных изделий, часов, стоматология и электроника, могут получить огромную выгоду от 3D-печати из этих материалов.

Мы рассмотрим, как работает 3D-печать драгоценными металлами, ограничения этой технологии и как приложения могут развиваться в будущем.

Прямое и косвенное производство

Существует два основных подхода к 3D-печати драгоценных металлов: прямое и непрямое производство . При косвенном производстве 3D-печать используется для производства таких инструментов, как штампы и пресс-формы для традиционных процессов. С другой стороны, прямая 3D-печать относится к созданию деталей прямо из дизайна.

Непрямое производство с драгоценным металлом включает в себя 3D-печать воскового шаблона, который будет использоваться при литье по выплавляемым моделям. Стереолитография (SLA) обычно используется для создания таких узоров из литых воскоподобных смол. Во время этого процесса ультрафиолетовый лазер проходит через слой жидкого фотополимера (смолы), избирательно затвердая материал. Когда восковой узор готов, его покрывают термостойким материалом, например гипсом, и помещают в печь, где воск плавится, оставляя только затвердевшую гипсовую форму. Этот процесс также называют «выплавляемым воском». Затем расплавленный драгоценный металл заливается в форму, заполняя пространство, оставленное воском.

Этот процесс особенно полезен для ювелирной промышленности, поскольку он помогает сэкономить время и усилия, связанные с ручной резьбой по моделям, и в то же время позволяет ювелирам создавать очень сложные индивидуальные ювелирные изделия. В настоящее время рынок 3D-принтеров предлагает широкий спектр машин SLA, хорошо подходящих для производства восковых моделей.

В отличие от прямой 3D-печати производители могут создавать детали из драгоценных металлов прямо из файлов САПР. Две наиболее часто используемые технологии 3D-печати для прямой 3D-печати драгоценными металлами - это прямое лазерное спекание металлов (DMLS) и струйная печать материалов.

Более пристальный взгляд на прямое производство

Прямое производство все еще находится в зачаточном состоянии по сравнению с косвенной 3D-печатью. Хотя прямое лазерное спекание металла (DMLS) является одним из наиболее распространенных методов аддитивного производства металлических деталей, лазерное спекание порошков драгоценных металлов стало возможно только недавно, отчасти из-за внутренних трудностей работы с этими материалами.

Исследование и разработка порошков драгоценных металлов также требует больших затрат. Кроме того, многие драгоценные металлы, такие как золото и серебро, обладают высокой отражающей способностью и теплопроводностью. Это означает, что обычные AM-лазеры не могут полностью расплавить материал и создать однородную деталь. Однако, несмотря на проблемы, несколько производителей AM разработали машины, способные обрабатывать материалы из драгоценных металлов с использованием DMLS.

Машины на рынке

Например, немецкий производитель EOS в партнерстве с британской компанией по производству драгоценных металлов Cooksongold запустил в 2014 году 3D-принтер EOS PRECIOUS M 080. С помощью этой системы можно использовать широкий спектр сплавов порошков драгоценных металлов, от золота и серебра до платины. и палладиевые сплавы.

Точно так же ювелирная компания Boltenstern использовала PRECIOUS M 080 для создания своей коллекции украшений «Embrace», напечатанных на 3D-принтере из золота и платины. Эта технология позволила достичь недостижимых ранее уровней индивидуальной настройки при создании изделий со сложным дизайном. В коллекцию вошли ювелирные изделия, такие как браслеты, серьги, кольца, ожерелья и запонки.

Итальянский производитель оборудования Sisma представил систему mysint100 для 3D-печати драгоценными (бронза, золото и несколько сплавов драгоценных металлов) и порошки недрагоценных металлов в 2014 году. А в 2016 году компания расширила свой портфель 3D-принтеров, добавив более крупную машину mysint300, подходящую для производства небольших серий и средних размеров.

3D-печать платины

Платина для 3D-печати - особенно интересный вариант использования. Известно, что этот материал трудно отливать из-за его высокой температуры плавления и высокой реакционной способности с материалами тиглей и формовочных форм. Это приводит к высоким производственным затратам, необходимости в специальном оборудовании и частым дефектам конечных продуктов, что делает лазерное спекание лучшей альтернативой литью. Компания по производству драгоценных металлов Cooksongold даже подсчитала, что плотность платины, напечатанной на 3D-принтере, может достигать 99,9%, тогда как плотность литой платины составляет 99,2%.

Стоматология

В стоматологической промышленности 3D-печать драгоценных металлов может использоваться для реставрации зубов, создания небольших партий коронок, вкладок и накладок. Например, компания Argen, специализирующаяся на цифровых стоматологических технологиях, использует станки Concept Laser для 3D-печати на металле из благородных (сплав золота и палладия), благородных (палладий) и неблагородных сплавов, производя полностью плотные индивидуальные зубные протезы по запросу.

Электроника

Распыление материалов методом струйной печати - это совершенно другой процесс аддитивного производства, нежели DMLS, с использованием печатающих головок, которые наносят капли материала слой за слоем. Затем эти капли затвердевают под воздействием УФ-излучения.

Что касается драгоценных металлов, Material Jetting обычно используется с высокопроводящими серебряными или золотыми чернилами для 3D-печати электронных устройств, таких как антенны, прототипы печатных плат, схемы и датчики. Израильская компания Nano Dimensions является пионером в этой области со своим 3D-принтером DragonFly 2020 Pro. Благодаря запатентованной системе струйного напыления DragonFly 2020 Pro может печатать проводящими (серебряными) и диэлектрическими чернилами одновременно, создавая электрически функциональные детали.

Другой крупный игрок в области 3D-печати электроники с использованием драгоценных металлов - Optomec. Американская компания разработала широкий спектр чернил для драгоценных (золото, платина, серебро, медь) и недрагоценных металлов специально для линейки своих принтеров Aerosol Jet. Новейший 3D-принтер в линейке - Aerosol Jet HD - вышел на рынок в начале этого года. В основе технологии лежит распылитель красок, который создает аэрозольный туман, который затем осаждается на подложке с помощью аэродинамической фокусировки.

Электронные компоненты, от резисторов до антенн и датчиков, могут быть изготовлены с использованием технологии Aerosol Jet. Например, исследователи из Университета Карнеги-Меллона смогли с помощью этой технологии напечатать высокотемпературные тензодатчики на 3D-принтере. Тензодатчики - это датчики, используемые для измерения деформации материала или конструкции, помогающие обнаружить любые структурные проблемы в компоненте. Тензодатчики были изготовлены из наночастиц серебра и продемонстрировали более высокие характеристики по сравнению с коммерчески доступными аналогами и могут быть особенно полезны для аэрокосмической и других высокопроизводительных отраслей, таких как атомная энергетика и системы производства электроэнергии.

Взгляд в будущее

Хотя косвенная 3D-печать остается более популярным вариантом при работе с драгоценными металлами, отрасли, от ювелирных изделий до электроники, неуклонно признают преимущества прямой 3D-печати драгоценных металлов. Однако существуют препятствия для более широкого внедрения - от дорогостоящего оборудования до трудностей с разработкой подходящих порошков и красок из драгоценных металлов.

Тем не менее, если заглянуть в будущее, мы увидим более прямую 3D-печать ювелирных изделий и стоматологической продукции, поскольку тенденция к большей индивидуализации и более быстрому выводу на рынок сохраняется. Кроме того, проводятся дополнительные исследования в области чернил из драгоценных металлов. Мы предполагаем, что трехмерная печатная электроника может произвести революцию во многих высокопроизводительных отраслях промышленности с помощью трехмерных печатных датчиков и антенн, что станет следующим шагом в эволюции Интернета вещей.