Получение качественных полностью металлических деталей с FDM-печатью

Изображение 1: Модель из высокоуглеродистой стали Filamet™ после спекания. Источник: The Virtual Foundry

The Virtual Foundry — американская компания из Висконсина, образованная экспертами в области литья металлов, которая с 2014 года постоянно работает над улучшением и расширением ассортимента нитей и аксессуаров для металлической FDM-печати. Сначала им удалось создавать нити с высоким содержанием латуни, меди или бронзы, но структура после спекания не обладала свойствами чистых металлов. Через кампанию на Kickstarter компания получила поддержку для эволюции нитей до свойств чистого металла и расширила линейку (нержавейка 316L, высокоуглеродистое железо, алюминий 6061 и вольфрам). Все материалы Filamet™ состоят из базового металла и биоразлагаемого экологичного полимера (PLA). Они не содержат открытых металлических частиц и летучих растворителей, выделяющихся при печати. Эти материалы экстремально просты в печати, так как их свойства похожи на PLA, что позволяет любому пользователю FDM-принтера создавать металлические детали без покупки дорогих промышленных металлических принтеров. Одним из главных преимуществ Filamet™ — достижение свойств, близких к DMLS, но с ограничениями. Из-за необходимости спекания (удаления PLA) детали имеют пористость, усадку и анизотропию. DMLS-принтеры печатают полностью сплошные детали (как литье), с высокой детализацией, слоями 0.02 мм и без пост-обработки; единственный минус по сравнению с Filamet™ — стоимость материалов, печати и самих принтеров.

Изображение 2: Конусы из неспеканой и спеканой бронзовой Filamet™. Источник: The Virtual Foundry

Чтобы деталь стала полностью металлической, её нужно спекнуть в печи. спекание — процесс получения твердых деталей из компактного металлического порошка путем термической обработки при температуре ниже плавления, но достаточно высокой для прочного сращения частиц металла, образуя сплошной блок. После печати Filamet™ детали нужно спекнуть для удаления PLA.спекание можно проводить в печи с открытой средой, вакуумной или инертной.

Спекание в открытой среде

Для спекания в открытой среде нужны: кокс из кокосовой скорлупы, огнеупорное сосуд (тiegel) и огнеупорный порошок Al₂O₃. Процесс начинается со шлифовки грубых кромок детали для лучшего результата.

Сначала тигель заполняют огнеупорным порошком, оставляя свободное пространство на поверхности. Затем деталь погружают в порошок, обеспечивая зазор минимум 15 мм между поверхностью детали и стенками/дном/крышкой тигеля. Порошок не уплотняют.

В зависимости от материала, свободное пространство заполняют спекным коксом или ставят тигель в печь.

Изображение 3: Процесс спекания. Источник: The Virtual Foundry

Спекание в вакууме или инертной среде

Нужен тигель и огнеупорный порошок. Деталь готовят, помещая в тигель и насыпая порошок, с зазором минимум 10 мм между деталью и тигелем. Затем тигель ставят в печь.

The Virtual Foundry предоставляет таблицу рекомендуемых температур для обоих методов:

Материал	Макс. температура спекания
Бронза	871 °C
Медь	1074 °C
316L	1260 °C
Inconel	1260 °C

Таблица 1: Материалы и максимальные температуры спекания.

Пользователь должен учитывать, что эти время и температуры — ориентировочны и могут варьироваться в зависимости от модели печи и др. Нити Filamet, не в таблице, считаются экспериментальными — у производителя нет данных для спекания.

Если нет печи, соответствующей требованиям, можно связаться с нами — информируем о возможности и условиях спекания на наших объектах.

После спекания (любым методом) любой нити Filamet™ получаются полностью металлические детали с реальными свойствами металла: электропроводностью, возможностью пост-обработки шлифовкой/полировкой или сваркой; но с определенной пористостью и усадкой из-за потери PLA. Механические свойства конечного продукта напрямую связаны с временем удержания детали при температуре спекания. Если продукт крошится и хрупкий — спекание было недостаточным. Если поверхность похожа на сморщенную кожу — переспекано.

Filamet медь Filamet бронза Filamet нержавейка 316L Filamet алюминий 6061

Пост-обработка: шлифовка и полировка

После спекания деталь можно шлифовать и полировать как металл, но с определенными правилами. Водонаждаточной наждачкой можно убрать линии печати и мелкие деформации, так как осыпающиеся частицы припоиваются к порам от трения. При использовании наждачной бумаги или 3M радиальных дисков рекомендуется начинать с зерна 120 (80 для 3M), осторожно не деформируя тонкие зоны (углы). После шлифовки всей поверхности переходят на следующее зерно и так далее — 6–7 шагов (4 для 3M). Перед финальной полировкой рекомендуется зерно 3000 для определенного глянца. После очистки велюровой тканью деталь можно полировать. TVF рекомендует ротационный инструмент с полировальным диском и воском для скорости и эффективности. Наносят немного воска на диск и полируют равномерными движениями по всей детали, не перегревая — это может деформировать изделие. Кроме шлифовки и полировки, детали из Filamet™ можно гравировать, плавить, сваривать и гладковать термическим воздействием.

Изображение 4: Полированное медное ведро. Источник: The Virtual Foundry

Подводя итог: технология FDM-печати с металлическими нитями The Virtual Foundry смогла достичь секторов, которые ей оставалось завоевать, особенно некоторых отраслей промышленности.