3D-принтеры Powder Bed Fusion:типы, преимущества, ограничения и принцип работы

Когда производители хотят изготовить детали сложной геометрии с помощью 3D-печати, они часто прибегают к машинам для плавки в порошковом слое (PBF). Эти детали, как известно, трудно изготовить (иногда невозможно) традиционными методами производства. Давайте узнаем об этом больше.

Что такое машины для сварки в порошковом слое (PBF)?

Машины PBF — это 3D-принтеры, которые могут создавать высококачественные, сложные и сложные детали для различных применений в самых разных отраслях. Они работают путем плавления и сплавления слоев металлических или пластиковых порошков с использованием лазера или электронного луча, чтобы слой за слоем построить деталь из слоя порошка. Он может изготавливать детали по индивидуальному заказу с особыми свойствами, такими как прочность или термостойкость, которые отвечают конкретным потребностям клиентов. Вы можете увидеть, как выглядит одна из этих машин, на рисунке ниже.

Самое замечательное в PBF то, что он обычно сводит отходы к минимуму, поскольку любой лишний порошок собирается и перерабатывается после того, как деталь будет завершена. Также предусмотрена быстрая итерация проектов, позволяющая инженерам обновлять проекты САПР и перепечатывать дефектные детали. Когда дело доходит до сложных деталей со сложной внутренней геометрией, PBF является предпочтительным методом 3D-печати. Целую деталь можно спроектировать, изготовить, протестировать, перепроектировать и снова напечатать гораздо быстрее, чем с помощью других методов, таких как литье металла или MIM. Станки PBF могут производить несколько деталей одновременно, что повышает производительность и сокращает время, необходимое для изготовления деталей.

PBF может работать с широким спектром пластиков и металлов, а изготовленные детали требуют минимальных опорных конструкций во время печати; неиспользованный порошок действует как поддержка. Например, при создании каналов охлаждения внутри лопаток турбины излишки порошка можно просто высыпать. При этом PBF — это относительно медленный процесс с длительным временем печати из-за необходимости предварительного нагрева порошка, создания вакуума и периодов охлаждения. Кроме того, поскольку детали из PBF изготавливаются по одному слою, структурные свойства деталей из PBF обычно не такие сильные, как у деталей, изготовленных с использованием других процессов. Качество поверхности также будет зависеть от размера зерен порошка и может напоминать такие производственные процессы, как литье в песчаные формы и литье под давлением.

Вам также придется следить за термическими деформациями, которые могут вызвать усадку и деформацию изготовленных деталей, особенно если они изготовлены из полимера. Еще одним недостатком для некоторых может стать высокая стоимость; и оборудование и материалы дорогие. Хотя можно найти комплексные системы стоимостью менее 100 000 долларов, цены обычно начинаются в диапазоне от 150 000 до 200 000 долларов, а модели высокого класса иногда стоят более 1 000 000 долларов. Это также энергозатратный процесс. Неиспользованный порошок, который остается после печати и удаляется при последующей обработке, должен быть эффективно переработан, хотя предварительный нагрев все же может повлиять на часть неиспользованного материала.

Как работают машины для сварки в порошковом слое (PBF)?

Этапы процесса 3D-печати PBF следующие:

Необходимо создать CAD-модель и разбить ее на слои. Перед началом печати в 3D-принтере запрограммирована последовательность сборки.
Тонкий равномерный слой порошка (обычно 0,1 мм) распределяется по рабочей платформе.
Порошковый слой нагревается до температуры, немного ниже точки плавления материала, чтобы уменьшить термическое напряжение.
Мощный лазер или электронный луч выборочно расплавляет слой порошка на основе цифровой модели. Материал затвердевает по мере охлаждения.
Платформа сборки опускается на один слой, и процесс повторяется до тех пор, пока деталь не будет полностью сформирована.
После завершения печати деталь извлекается из слоя порошка и можно приступить к любым этапам последующей обработки.

Какие типы машин для сварки в порошковом слое (PBF)?

Существуют различные типы машин PBF, которые можно использовать для печати деталей. Существует два основных типа аддитивных технологий плавления в порошковом слое (PBF):лазерный луч (PBF-LB) и электронный луч (PBF-EB). С каждым из этих типов связаны технологии, защищенные торговой маркой. Это прямое лазерное спекание металлов (DMLS), селективное лазерное спекание (SLS), селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое плавление (EBM). Процессы различаются используемыми материалами для 3D-печати и источником тепла, используемым для плавления порошков. В методах PBF для плавления порошкообразных частиц используются либо лазеры, либо электронные лучи. Каждый из этих методов обсуждается отдельно в следующих разделах:

1. Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)

DMLS — это технология аддитивного производства PBF, в которой используется мощный лазер для избирательного плавления металлических порошков. Этот процесс аналогичен SLS, но вместо пластика используются металлические порошки. Лазерный луч плавит и сплавляет металлические частицы, слой за слоем образуя твердую деталь. DMLS обычно используется в аэрокосмической и медицинской промышленности для производства сложных металлических деталей с высокой точностью и желаемыми механическими свойствами.

2. Селективное лазерное спекание (SLS)

SLS — это метод 3D-печати, в котором мощный лазер используется для выборочного плавления порошкообразных полимерных материалов, обычно пластика или нейлона, в твердые объекты. Он строит детали слой за слоем, при этом каждый слой сплавляется лазером. Нерасплавленный порошковый материал поддерживает деталь в процессе сборки, устраняя необходимость в опорных конструкциях. SLS широко используется при прототипировании, проектировании изделий и мелкосерийном производстве.

3. Селективное лазерное плавление (SLM)

SLM и SLS имеют сходство в том, что в обоих процессах для обеспечения тепла используется мощный лазер, подпадающий под категорию PBF-LB. Однако SLM отличается тем, что лазер полностью плавит порошок, а не просто спекает его. Это приводит к более плотной и прочной конечной части. Этот процесс обычно используется с металлическими порошками, такими как титан и его сплавы, алюминиевые сплавы и нержавеющая сталь. Можно обрабатывать и более редкие металлы, такие как вольфрам, но их применение имеет тенденцию быть более специализированным. В камере сборки используется инертная атмосфера, обычно аргон, для предотвращения окисления или азотирования консолидированного материала. SLM обычно используется в аэрокосмической, медицинской и автомобильной промышленности для производства деталей с высококачественными механическими свойствами и сложной геометрией.

4. Электронно-лучевая плавка (ЭЛП)

EBM — это еще один процесс плавления в порошковом слое, который используется для создания металлических деталей. Он использует луч вместо лазера для плавления и плавления металлических порошков. В отличие от лазерных технологий, принтер EBM работает как небольшой ускоритель частиц, запуская электроны в слой порошка под вакуумом, чтобы расплавить металлический материал. Заряженные электроны могут привести к диспергированию частиц порошка, поэтому каждый слой материала обычно предварительно спекается перед началом процесса 3D-печати. Кроме того, вся печатная платформа остается горячей на протяжении всей сборки. В процессе 3D-печати детали создаются внутри полуспеченного порошка, что обеспечивает поддержку и часто устраняет необходимость в дополнительных опорных конструкциях. Стоит отметить, что существует вариант EBM, который позволяет спекать детали в рыхлом порошке.

EBM обычно используется для производства крупных и сложных металлических деталей для аэрокосмической и медицинской промышленности. EBM обеспечивает более высокую скорость сборки и меньшее остаточное напряжение в деталях, чем другие методы PBF, но оборудование обычно дороже, чем другие машины.

Каковы преимущества использования машин для порошковой сварки (PBF) для 3D-печати?

Гибкость
Сокращение времени изготовления деталей сложной конструкции.
Сокращение отходов и, как следствие, снижение затрат и воздействия на окружающую среду.
Работает с различными материалами.
Требуются минимальные опорные конструкции во время печати.

Каковы ограничения использования машин порошковой сварки (PBF) для 3D-печати?

Долгое время печати и медленный процесс.
Слабые структурные свойства
Текстура поверхности зависит от размера зерен порошка.
Дорогое оборудование и порошок.
Термическое искажение
Потребляет много энергии.

Каков процесс производства порошковой сварки (PBF)?

Процесс производства ПБФ включает в себя следующие этапы:

Создайте файл САПР и свяжите его с 3D-принтером. Дизайн численно нарезается на слои, и последовательность печати заранее определяется до начала фактической печати.
Распределите порошок по рабочей платформе. Тонкий слой порошка равномерно распределяется по площади сборки.
Нагрейте всю область сборки до температуры немного ниже точки плавления частиц порошка.
Используйте мощный лазер или электронный луч для избирательного плавления порошка в определенных областях в соответствии с заранее запрограммированным шаблоном. Расплавленный порошок затвердевает по мере охлаждения и образует твердый слой.
Платформа сборки опускается на один слой, и процесс повторяется до тех пор, пока деталь не будет завершена.
После завершения печати детали извлекаются из порошкового слоя. Они проходят различные этапы последующей обработки, такие как удаление опорных конструкций, термообработка, механическая обработка или полировка.

Как проходит процесс постпроизводства PBF?

Постобработка деталей, напечатанных PBF, будет различаться в зависимости от используемых материалов и методов печати детали.

Металлические детали из ПБФ требуют термической обработки из-за внутренних напряжений, вызванных этим процессом. После термообработки опорные конструкции удаляются и можно приступить к дополнительной постобработке. В зависимости от требований заказчика доступно несколько вариантов постобработки, включая обработку на станке с ЧПУ и полировку.

Металлические детали EBM свободно отрываются от подложки и поддерживаются полуспеченным порошком во время сборки. Жертвенные опоры могут быть добавлены для контроля тепла или последующей обработки. Детали EBM требуют отделения порошковой корки, но не обязательно требуют стадии термообработки из-за повышенных температур внутри принтера.

Пластиковые детали, с другой стороны, удаляются из слоя нерасплавленного порошка, а излишки материала удаляются дробеструйной обработкой, что приводит к получению однородной поверхности. Детали SLS остаются в исходном состоянии после завершения дробеструйной обработки, но они являются хорошими кандидатами на дополнительное окрашивание, если требуется цвет.

Чем машины PBF отличаются от других типов 3D-принтеров?

Машины PBF отличаются от других типов 3D-принтеров по нескольким причинам. Самое существенное отличие заключается в том, как они строят детали слой за слоем, используя порошковые материалы. Машины PBF используют мощный лазер или электронный луч для выборочного плавления металлических или пластиковых порошков, в то время как другие 3D-принтеры могут использовать методы экструзии или фотополимеризации. Станки PBF также способны производить очень сложные и сложные детали с высокой степенью точности и аккуратности. Кроме того, машины PBF способны производить функциональные пластиковые детали с исключительными механическими свойствами, превосходящими те, которые достижимы с помощью любой другой технологии 3D-печати. Однако они часто требуют последующей обработки для достижения желаемого качества поверхности и могут иметь ограничения с точки зрения размера и геометрии деталей, которые они могут производить. Более того, машины PBF, как правило, дороже и требуют более специализированных знаний и обучения для работы.

Какие материалы можно использовать с машинами PBF?

3D-принтеры PBF поддерживают широкий спектр материалов, перечисленных ниже:

Пластик

Нейлон (включая стекло и минеральный наполнитель).
Полипропилен
Полиэфирэфиркетон (PEEK)
Полиэфиркетонкетон (ПЕКК)
ТПУ

Металлы

Алюминий и легкие сплавы.
Хромкобальтовые сплавы
Драгоценные металлы (золото, серебро).
Медь и сплавы (бронза, латунь)
Инконель®
Сталь (мягкая, легированная и нержавеющая сталь 316 L и 17-4PH)
Титан и сплавы
Никель и сплавы

Каковы общие применения машин PBF в различных отраслях?

Аэрокосмическая промышленность (лопасти турбин, топливные форсунки, направляющие аппараты)
Медицинские (ортопедические детали по индивидуальному заказу, краниальные/вертлужные имплантаты из титанового сплава, искусственные тазобедренные суставы).
Автомобильная промышленность (прототипирование, тормозные колодки с охлаждающими каналами для автоспорта)
Компоненты военных самолетов

Как разработка машин PBF повлияла на обрабатывающую промышленность?

Разработка машин для сварки в порошковом слое (PBF) произвела революцию в обрабатывающей промышленности во многих отношениях. Одним из наиболее значительных преимуществ является предоставляемая им повышенная свобода проектирования. Машины PBF позволяют создавать изделия сложной и замысловатой геометрии, которые было бы трудно или невозможно изготовить с использованием традиционных методов производства.

Еще одним ключевым преимуществом машин PBF является более быстрое создание прототипов, что значительно сокращает время и затраты, необходимые для разработки новых продуктов. Благодаря быстрому прототипированию производители могут быстро протестировать свои концепции дизайна и внести улучшения, прежде чем завершить производственный проект.

Машины PBF также способствовали сокращению отходов на производстве. Используя только материал, необходимый для изготовления детали, машины PBF сокращают количество отходов и снижают стоимость материалов. Это приносит пользу не только окружающей среде, но и прибыли производителей. С точки зрения эффективности, машины PBF могут производить несколько деталей одновременно, что повышает производительность и сокращает время, необходимое для изготовления деталей. Наконец, машины PBF позволяют производить детали по индивидуальному заказу с особыми свойствами, такими как прочность, долговечность и термостойкость. Это привело к разработке новых продуктов с уникальными характеристиками, отвечающими конкретным потребностям клиентов.

Сколько стоят машины PBF по сравнению с DED?

Стоимость машин PBF и машин DED (направленного энерговыделения) может варьироваться в зависимости от нескольких факторов, таких как производитель, модель, размер и характеристики. Однако в целом машины PBF, как правило, дороже, чем машины DED. В станках PBF используются более передовые технологии и они способны производить детали с более высокой точностью и лучшим качеством поверхности.

Какие меры безопасности следует соблюдать при эксплуатации машин PBF?

Обеспечение безопасности при изготовлении деталей из PBF, как и в большинстве производственных процессов, должно быть приоритетом. Вот некоторые вещи, которые следует учитывать в отношении безопасности.

Машины PBF выделяют пары и мелкую пыль. Убедитесь, что вы работаете в хорошо проветриваемом помещении, чтобы свести к минимуму риск вдыхания.
При работе с порошками и машиной используйте средства индивидуальной защиты, включая перчатки, защитные очки и респираторы.
Не прикасайтесь к нагретым компонентам или печатным деталям, пока они не остынут, и будьте осторожны с острыми краями, особенно с металлическими отпечатками.
Высокие температуры и искры создают опасность пожара, поэтому держите поблизости огнетушитель и убирайте с места легковоспламеняющиеся материалы.
Металлические порошки могут быть опасными:обращайтесь с ними осторожно и используйте защитное оборудование, чтобы избежать вдыхания или контакта с кожей.
Регулярные проверки и техническое обслуживание помогут предотвратить неисправности и обеспечить безопасную эксплуатацию.

Постобработка для PBF

Методы постобработки деталей, напечатанных PBF, различаются в зависимости от используемого материала и производственного процесса. Металлические детали из PBF, изготовленные с помощью DMLS или SLM, обычно требуют термической обработки для снятия внутренних напряжений, вызванных процессом печати. После термообработки опорные конструкции удаляются, после чего следует дополнительная постобработка, такая как обработка на станке с ЧПУ, полировка или обработка поверхности.

Металлические детали, изготовленные с помощью EBM, в отличие от лазерных методов PBF металла, поддерживаются полуспеченным порошковым слоем, а не твердой подложкой. Их необходимо извлечь из слоя порошка, но, как правило, они не нуждаются в термической обработке, поскольку высокие температуры сборки сводят остаточное напряжение к минимуму. Жертвенные опоры могут быть добавлены для контроля тепла или последующей обработки. Детали из пластика SLS извлекаются из слоя порошка и очищаются от лишнего материала, часто с использованием дробеструйной обработки для получения однородной отделки. Их можно оставить как есть или покрасить для индивидуального цвета.

Как PBF способствует аддитивному производству?

PBF вносит свой вклад в аддитивное производство несколькими способами. Во-первых, это позволяет производить изделия сложной геометрии, которые было бы трудно или невозможно создать с использованием традиционных методов производства. Во-вторых, это позволяет создавать индивидуальные детали с особыми свойствами, такими как прочность или термостойкость. В-третьих, он может производить детали быстрее и с меньшими отходами, чем традиционные методы производства. Наконец, у него есть потенциал для снижения себестоимости производства, особенно для мелкосерийной и дорогостоящей продукции.

Дорогие ли машины PBF?

Да, машины PBF довольно дорогие. Хотя можно найти комплексные системы стоимостью менее 100 000 долларов США, цены обычно начинаются в диапазоне 150 000–200 000 долларов США. Высококачественные машины PBF могут стоить более 1 000 000 долларов. Стоимость этих систем зависит от размера, возможностей и характеристик машины. Однако стоимость машин PBF со временем снижается по мере того, как технология становится более распространенной и на рынок выходят новые производители. Кроме того, потенциальная экономия средств и эффективность, получаемая от использования машин PBF для определенных применений, могут оправдать инвестиции для некоторых предприятий.

Производят ли машины PBF более качественные решения, чем машины DED (направленное осаждение энергии)?

Машины PBF и DED (направленное энерговыделение) имеют разные сильные и слабые стороны, поэтому трудно сделать общее утверждение о том, какие из них производят более качественные решения. Станки PBF, как правило, лучше подходят для производства высокоточных деталей с мелкими деталями, лучшей отделкой поверхности и отличными механическими свойствами. Процесс плавления в порошковом слое позволяет создавать сложные геометрические формы и точно контролировать распределение материала, в результате чего получаются детали с превосходной точностью размеров и чистотой поверхности, хотя иногда требуется последующая обработка. Станки PBF также могут производить детали из широкого спектра материалов, включая металлы, керамику и пластмассы.

Часто задаваемые вопросы об машинах для наплавки в порошковом слое

В чем разница между машинами PBF и DED?

С другой стороны, станки DED лучше подходят для производства крупных деталей сложной геометрии, таких как компоненты аэрокосмической отрасли или промышленные формы. Станки DED обычно быстрее станков PBF и могут обрабатывать детали большего размера, но они могут не иметь такого же уровня точности или качества поверхности. Стоимость машин PBF и DED может варьироваться в зависимости от нескольких факторов, таких как производитель, модель, размер и функции. Однако в целом машины PBF, как правило, дороже, чем машины DED. В станках PBF используются более передовые технологии и они способны производить детали с более высокой точностью и лучшим качеством поверхности.

Чем машины PBF отличаются от других типов 3D-принтеров?

Машины PBF отличаются от других типов 3D-принтеров по нескольким параметрам, основным из которых является то, как они строят детали слой за слоем, используя порошковые материалы, а не нить или смолу. В то время как машины PBF используют мощный лазер или электронный луч для выборочного плавления материала, другие 3D-принтеры могут использовать методы экструзии или фотополимеризации. Машины PBF более точны и могут производить функциональные пластиковые детали с превосходными механическими свойствами — лучше, чем любая другая технология 3D-печати. Однако они часто требуют последующей обработки для достижения желаемого качества поверхности и могут иметь ограничения по размеру и геометрии. Машины PBF также, как правило, дороже и требуют более специализированных знаний и обучения для работы.

Какой материал лучше всего использовать в машинах PBF?

Это будет зависеть от того, что вам нужно сделать, и других факторов, таких как ваш бюджет. Каждый материал имеет свои уникальные свойства, сильные и слабые стороны, которые могут повлиять на процесс печати. Металлам необходимы высокие температуры и энергия для плавления и затвердевания материала, что может увеличить время и стоимость печати. Полимеры требуют более низких температур и меньше энергии, чем металлы, что может означать более быстрое время печати и более низкие затраты. Но стоит отметить, что полимеры могут иметь более низкие механические свойства, чем металлы, и могут быть более подвержены короблению и деформации. Опять же, лучший материал для вашего проекта будет зависеть от того, какие свойства вам нужны и сколько вы готовы потратить.

Почему PBF хорош для прототипирования?

Машины PBF позволяют быстрее создавать прототипы, значительно сокращая время и затраты, необходимые для разработки новых продуктов. Благодаря быстрому прототипированию производители могут быстро протестировать свои концепции дизайна и внести улучшения перед завершением серийного производства.

Кэт де Наум

Кэт де Наум — писатель, автор, редактор и специалист по контенту из Великобритании с более чем 20-летним писательским опытом. Кэт имеет опыт написания статей для различных производственных и технических организаций и любит мир техники. Помимо писательской деятельности, Кэт почти 10 лет работала помощником юриста, семь из которых занималась финансированием судов. Она писала для многих изданий, как печатных, так и онлайн. Кэт имеет степень бакалавра английской литературы и философии, а также степень магистра писательского мастерства в Кингстонском университете.

Прочтите другие статьи Кэт де Наум

Пошаговое руководство по созданию форм для литья под давлением, напечатанных на 3D-принтере 3D-печать смолой или нитью:какой метод подойдет вашему проекту?

3D печать

Производственный процесс

3D печать

Система управления автоматикой

Промышленные технологии