3D-печать металлом быстро развивается:как безопасно использовать новые технологии

Что такое 3D-печать металлом?

Во-первых, основы:существует множество методов аддитивного производства металлов, включая более распространенный DMLS (прямое лазерное спекание металла), а также популярный в последнее время метод струйной обработки металлического связующего. В DMLS металлический порошок плавится (или спекается) лазером слой за слоем для создания деталей. Тем не менее, слои металлического связующего струйным способом приклеиваются к лотку с металлическим порошком, что позволяет отделять напечатанные детали от исходного материала после завершения обработки без необходимости удаления опорных конструкций. Отсюда детали можно запекать, спекать или пропитывать металлом (например, бронзой), чтобы достичь окончательной формы. Это позволит увеличить массовое производство металлических деталей после завершения первоначальной оптимизации конструкции.

Как развивается аддитивное производство металлов

Перебои в цепочке поставок за последние пару лет резко увеличили популярность и без того быстрорастущей области, особенно для медицинских и аэрокосмических компаний. Прогнозы Deloitte и PwC на 2018 и 2019 годы предсказывали, что популярность 3D-печати будет продолжать расти, отчасти потому, что металл и другие непластмассовые материалы становятся доступными для использования в 3D-печати. PwC конкретно предсказала рост всей цепочки поставок аддитивного производства металлов, включая компании, которые сами производят принтеры и программное обеспечение, поставщиков материалов для печати и сервисные компании. Это принесло свои плоды на нишевых рынках, поскольку предлагается больше технологий, дополняющих 3D-печать металлом, что является признаком зрелости сектора.

Хотя 3D-печать металлом сначала была ограничена массивными промышленными принтерами DMLS, она превратилась в более сложные и меньшие по размеру машины, которые позволяют производить более широкий спектр продукции. На рынок выходит все больше небольших металлических 3D-принтеров, в том числе модели для струйной печати с металлическим переплетом. Они занимают меньше места в заводских цехах и стоят гораздо дешевле, устраняя барьер для входа компаний, которые хотят начать аддитивное производство металлов. В то же время производители более крупных промышленных принтеров создают более крупные печатные платформы, чтобы можно было создавать больше деталей за один отпечаток. Они также постоянно добавляют все больше и больше лазеров к большим принтерам DMLS, что увеличивает скорость и стабильность печати, что упрощает прогнозирование.

Прогнозировать результаты аддитивного производства металлов становится все проще. Первоначально пользователь мог увидеть, как будет выглядеть деталь, только распечатав ее, но новые принтеры имеют лучшее программное обеспечение для прогнозирования результатов проектирования. Такие концепции, как цифровые двойники, которые моделируют, как будет выглядеть 3D-напечатанная деталь еще до начала печати, также помогут предотвратить появление ошибок по мере их дальнейшего развития. Когда-нибудь эти близнецы смогут работать с несколькими программами и машинами, поскольку деталь проходит многочисленные производственные процессы.

Металлический материал сам по себе становится все более доступным для аддитивного производства. Прогнозируется, что стоимость металлической нити и порошка снизится. Кроме того, на рынке появились некоторые принтеры, в которых используется металлический материал для литья под давлением с полимерной капсулой, который дешевле, чем традиционные металлы для 3D-печати. В то же время компании уже проявляют растущий интерес к металлам с высокими эксплуатационными характеристиками, таким как тугоплавкие металлы, такие как вольфрам. В будущем для промышленного применения будет доступно больше металлов с высокими эксплуатационными характеристиками, включая сплавы с высокой энтропией. Однако аддитивное производство пластмасс продолжает развиваться и в конечном итоге может заменить металлы по некоторым свойствам в качестве более дешевой альтернативы дорогим и редким сплавам.

Преимущества 3D-печати металлом

Почему аддитивное производство металлов приобретает такое большое распространение? Как вы увидите в следующем разделе, разные отрасли находят ценными разные аспекты этого процесса. Однако в целом этот новый метод производства позволяет:

• эффективное использование энергии и материалов.
• создание детали по требованию в месте использования
• сокращение цепочек поставок.
• больше свободы в дизайне.
• меньше настроек, чем при любом другом типе производства (это включает повышенную гибкость и меньшие затраты, чем использование нескольких комплектов инструментов).

Применение аддитивного производства металлов

3D-печать металлом стала наиболее популярной на рынках, где важны короткие сроки, а также там, где для изготовления мелких деталей используется много дорогих металлов. Аэрокосмические и оборонные компании были одними из первых, кто внедрил 3D-печать металлами, за ними последовали медицинская и стоматологическая отрасли. Эти отрасли первыми начали использовать 3D-печать металлами, поскольку она учитывает факторы, из-за которых стандартные детали для этих секторов стоят дороже, чем в других секторах.

Детали для аэрокосмической отрасли исторически были дорогими по нескольким причинам, включая используемые редкие материалы, необходимость коротких сроков поставки и дополнительную точность, необходимую для обеспечения их соответствия спецификациям. Они также должны быть максимально легкими. Аддитивное производство металлов решает все эти факторы менее затратным способом, чем более традиционные производственные процессы. Металлическая деталь, напечатанная на 3D-принтере, может весить на 70 % меньше, чем идентичная деталь, изготовленная другими методами. Поскольку принтер использует только тот материал, который ему нужен, отходы дорогих материалов, таких как титан и никелевый сплав, сводятся к минимуму по сравнению с субтрактивными производственными процессами. В то же время и без того сжатые сроки поставки такой продукции, как турбины реактивных двигателей, сокращаются, а дополнительная точность становится возможной с меньшими усилиями (и, следовательно, затратами). Кроме того, сложные системы в аэрокосмической отрасли можно легче перепроектировать, упростить и протестировать с помощью 3D-печати, поскольку печать позволяет сократить количество необходимых компонентов и сократить время создания сложного прототипа системы.

Производители медицинской и стоматологической продукции также используют 3D-печать из-за ее способности создавать точные и легкие детали в короткие сроки. Однако в этих областях также необходимо достичь высокой степени индивидуализации при более низких затратах, что необходимо для таких продуктов, как искусственные тазобедренные суставы и зубные имплантаты.

Кроме того, автомобильные компании в ограниченной степени используют аддитивное производство металлов для производства высококачественных деталей. Как и в аэрокосмической и оборонной промышленности, печать на металле позволяет автомобильным предприятиям упростить перепроектирование систем для повышения производительности. Это также позволяет снизить вес металлических компонентов для повышения топливной эффективности и создания специализированных запасных частей. Однако большинство автомобильных деталей дешевле, чем детали для аэрокосмической или медицинской промышленности, а аддитивное производство еще не догнало скорость других процессов, поэтому 3D-печать подходит этим производителям только в определенных ситуациях.

В будущем такие отрасли, как горнодобывающая и нефтегазовая, также могут использовать 3D-печать металлами, поскольку этот процесс может помочь в скорости доставки, что является важным фактором для этих месторождений. Согласно одному отчету, 83% нефтегазовых компаний задумываются о внедрении 3D-печати или производстве запасных частей по требованию.

Примеры аддитивного производства металлов

Как это выглядит в конкретном плане? В аэрокосмической отрасли НАСА и SpaceX использовали аддитивное производство металлов для изготовления деталей космических кораблей. НАСА использовало эту технологию для создания турбонасоса ракетного двигателя, который содержал на 45% меньше деталей. В случае SpaceX детали, напечатанные на 3D-принтере, попали в камеру сгорания двигателя корабля SuperDraco.

В медицинской сфере также есть примеры аддитивного производства металлов. К 2016 году FDA одобрило металлические 3D-печатные имплантаты для медицинских процедур, и с тех пор они используются не только в имплантатах тазобедренного сустава, но и в изготовлении индивидуальной искусственной грудной клетки и имплантата черепа. Xometry помогла создать новые прототипы хирургических роботов с помощью 3D-печати и других производственных услуг, создавая детали, одобренные с медицинской точки зрения.

Есть несколько ярких примеров того, как другие компании внедряют эту технологию; Компания Ford недавно установила автономного робота для управления принтерами, производящими детали для конечного использования, чтобы можно было масштабировать полиграфическое производство. Тем временем Volkswagen внедрил струйную печать на переплетном материале на своем заводе в Германии. Многие поставщики нефти и газа также экспериментируют или внедряют 3D-печать металлами, в том числе PGV, которая печатает детали, такие как накладки инструментов и поршни, по требованию, что позволяет сократить время выполнения заказов на 50–80 % и физические запасы на 50 %.

Недостатки аддитивного производства металлов

Чтобы завоевать популярность в большем количестве отраслей, 3D-печати металлами все равно придется преодолеть некоторые препятствия. Оба типа печати ограничены в количестве деталей, которые можно напечатать одновременно, в зависимости от размера рабочей пластины. В случае DMLS постобработка, необходимая для удаления опорных структур, требует много времени и дополнительных затрат. Струйная технология связующего не имеет опорных конструкций, что позволяет ускорить производство большими партиями. Однако ни один из методов еще не достиг скорости и производительности более традиционных производственных процессов, таких как штамповка или ковка. По этой причине важно тщательно выбирать, какие детали производить с помощью этого метода, чтобы обеспечить экономическую выгоду.

Хотя 3D-печать металлом предлагает различные преимущества, применять ее имеет смысл только при определенных обстоятельствах. Важно выяснить, выиграет ли ваша компания от использования этого производственного процесса, и, во-вторых, следует ли вам передать этот процесс на аутсорсинг или внедрить его самостоятельно.

Любая компания может начать использовать детали, напечатанные на 3D-принтере, но те, кто не может сделать первоначальные инвестиции в оборудование и вспомогательные процессы, часто используют сторонние производители добавок для изготовления деталей. Компаниям, которые хотят создать собственные мощности по аддитивному производству, необходимо будет учитывать дополнительное оборудование и обучение работе с принтерами DMLS (например, удаление опорной конструкции и процедуры безопасности DMLA) и струйными принтерами со связующим (например, спекание, спекание или пропитка напечатанных деталей).

Чтобы определить, стоит ли 3D-печать, спросите себя:

• Какие детали, которые вы сейчас производите, выиграют от 3D-печати?
• Какова будет экономия затрат?
• Какое влияние 3D-печать окажет на вашу бизнес-стратегию?
• Какое влияние этот процесс окажет на ваши цепочки поставок?
• Какие нормативные требования вам необходимо учитывать?

Любая компания, которая хочет начать использовать аддитивное производство, должна сначала создать команду, которая пообщается с людьми из различных отделов, чтобы вы знали, кто является заинтересованными сторонами и какие детали следует напечатать на 3D-принтере в первую очередь. Если вы решили, что ваша компания может продолжить внедрение 3D-печати, вам необходимо принять дополнительные решения о том, использовать ли производителя 3D-печати или внедрить этот процесс в вашей собственной компании.

Компании, которые вкладывают первоначальные затраты на 3D-печать, в долгосрочной перспективе сэкономят деньги и получат больше контроля над процессом. Хотя хороший производитель добавок обеспечивает защиту интеллектуальной собственности и кибербезопасность, этот дополнительный контроль может понравиться компаниям, которые хотят избежать разглашения информации. Компаниям, желающим заниматься собственным производством, следует подумать о том, будет ли их производство централизовано в одном месте или распределено из нескольких мест. Многие компании, которые решают использовать 3D-печать собственными силами, также начинают обращаться к сторонним производителям добавок, чтобы получить советы о том, что возможно, и передать знания своим сотрудникам, прежде чем настраивать свои собственные принтеры. 

Компании, которые могут получить больше выгоды от постоянного аутсорсинга, будут включать в себя те, у кого нет бюджета на первоначальные затраты на покупку и установку всего необходимого оборудования и обучение. Кроме того, выгоду получат компании, которые хотят производить небольшие объемы или просто хотят поэкспериментировать с небольшими партиями продукции. Наконец, если детали необходимо протестировать или проанализировать, возможно, будет проще работать с производителем присадок, который может сделать это за вас. Любая компания, которая хочет передать 3D-печать на аутсорсинг, должна решить, поступают ли 3D-печатные детали от OEM-производителей, поставщиков первого уровня или других компаний.

Как проектировать 3D-печать из металла

Независимо от того, разрабатываете ли вы новые детали для 3D-печати или создаете детали, которые уже производите в рамках производственного процесса, крайне важно проектировать детали специально для процесса печати, а не переносить конструкции из других процессов. В противном случае напечатанные детали в лучшем случае будут стоить дороже, а в худшем — не будут работать так же хорошо, как те же детали, изготовленные с использованием других процессов.

Более подробную информацию о проектировании для 3D-печати мы рассказываем в наших подробных руководствах по проектированию струйной обработки металлических связующих, проектированию DMLS и общему дизайну 3D-печати. Однако вкратце важно помнить несколько моментов:

• Толщина стены должна составлять не менее 0,7 мм (0,024 дюйма) для самонесущих элементов и не менее 1,2 мм (0,048 дюйма) для неподдерживаемых или несущих элементов. Толщина стенок также должна оставаться одинаковой.
• Оставляйте зазор между элементами детали не менее 0,5 мм (0,020 дюйма).
• Избавьтесь от замкнутых полостей в конструкции детали, поскольку именно там может оставаться застрявший материал или опорные конструкции, а также блокировать материал, который необходимо удалить во время постобработки.
• Закругленные углы для уменьшения точек напряжения и повышения производительности детали на протяжении всего срока службы.
• Будьте осторожны с кантилеверами, так как они небезопасны для деталей, напечатанных на 3D-принтере, особенно больших и тяжелых.

Служба 3D-печати металлом Xometry

Благодаря разработкам в области печати металлом, от новых принтеров до материалов и программного обеспечения, эта область открывает захватывающие возможности для производства и цепочек поставок, независимо от размера компании. Однако важно обеспечить, чтобы этот процесс применялся к болевым точкам, которые другие методы производства не могут устранить. Если вы рассматриваете аддитивное производство металлов как решение для вашей компании, мы можем помочь. Посетите нашу страницу возможностей 3D-печати металлом, чтобы узнать, как мы можем вам помочь, или сразу перейдите на нашу страницу мгновенного предложения, чтобы получить предложения с помощью искусственного интеллекта о наилучшем способе создания вашей продукции. После того как вы отправите файл и требования, вы получите ценовое предложение и время выполнения в течение одной минуты. 

Отказ от ответственности

Содержимое этой веб-страницы предназначено только для информационных целей. Xometry не делает никаких заявлений и не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, относительно точности, полноты или достоверности информации. Любые параметры производительности, геометрические допуски, конкретные конструктивные особенности, качество и типы материалов или процессов не должны рассматриваться как представляющие то, что будет доставлено сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, желающие получить расценки на детали, несут ответственность за определение конкретных требований к этим деталям. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашими положениями и условиями.

Дин МакКлементс

Дин МакКлементс — дипломированный инженер с отличием в области машиностроения с более чем двадцатилетним опытом работы в обрабатывающей промышленности. Его профессиональный путь включает в себя важные должности в ведущих компаниях, таких как Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace и Hyster-Yale, где он развил глубокое понимание инженерных процессов и инноваций.

Прочтите другие статьи Дина МакКлементса