Аддитивное производство металлов:что нужно знать

Аддитивное производство изменило обрабатывающую промышленность с момента ее коммерческого появления в конце 20 века. По мере того, как аддитивные процессы продолжают штурмовать отрасль, Metal AM и многочисленные применения этого процесса выходят на передний план производства для производства.

Благодаря выпуску новых машин Metal AM с открытыми платформами для материалов и более высокой скоростью печати, продажи систем Metal AM стремительно растут, и ожидается, что к 2024 году этот сегмент принесет почти 4 миллиарда выручки. Поскольку прогресс в аддитивном производстве металлов продолжается, это важно чтобы знать о преимуществах Metal AM и о том, как многочисленные применения этого процесса меняют облик производства.

Быстрые ссылки:

• История аддитивного производства металлов
• Процессы аддитивного производства металлов / 3D-печати
• Методы аддитивного производства металлов
• Преимущества технологии Metal AM
• Воспользуйтесь преимуществами аддитивного производства на своем предприятии в Калифорнии с CMTC

История аддитивного производства металлов

Процесс аддитивного производства уходит своими корнями в середину 1980-х годов, когда были внедрены методы более быстрой разработки продукта. Первоначально называвшийся быстрым прототипированием, этот процесс позволял создавать размерные модели для создания более быстрых прототипов, чтобы проверить соответствие и функцию модели.

К 1987 году коммерциализирована новая технология обработки пластика, известная как стереолитография (SLA), став первым патентом в аддитивном производстве. С SLA производители могут отверждать жидкие полимеры, чувствительные к ультрафиолетовому излучению, с помощью лазера, создавая трехмерные модели быстрее, чем когда-либо прежде. Эта веха в аддитивных процессах открыла производителям, инженерам и дизайнерам новые возможности для создания продуктов более эффективно, чем раньше.

К началу 1990-х годов стали коммерчески доступными другие процессы аддитивного производства на основе полимеров. В 1992 году стало доступно селективное лазерное спекание (SLS), при котором порошковые материалы плавятся в твердое тело с помощью лазера. Вскоре после этого аддитивное производство металлов было запатентовано и доступно на рынке. Как и другие процессы аддитивного производства, эта технология позволила быстро производить металлические прототипы, продукты и инструменты. Хотя внедрение процессов аддитивного производства металлов позволило изготавливать металлические детали путем спекания выбранного металлического порошка, конечным результатом были материалы, более сопоставимые с композитами, а не со сплавами, поскольку материалы с низкими температурами плавления теперь можно было комбинировать с металлами с высоким сопротивлением, такими как как нержавеющая сталь.

Аддитивное производство металлов и процессы 3D-печати

В процессе аддитивного производства объекты создаются путем добавления материала слой за слоем, будь то металл, пластик или керамика. Аддитивное производство может дополнять, а в некоторых случаях заменять традиционные методы создания объектов посредством механической обработки, резки, токарной обработки, формовки, фрезерования и других «субтрактивных» производственных процессов.

Чтобы создать объект с использованием аддитивного производства, дизайн создается с помощью программного обеспечения CAD (Computer-Aided Design) или путем сканирования объекта, который будет напечатан. Программное обеспечение может преобразовать сканирование в точную основу для трехмерной печатной машины, которая будет следовать слой за слоем.

Аддитивное производство металлов, также известное как 3D-печать металлов, использует процесс аддитивного производства и применяет его исключительно к металлам. С помощью наслоения металлических порошков с использованием источника энергии или связующего вещества можно спроектировать и сконструировать точные объекты. Благодаря достижениям в области машин для аддитивного производства, объекты, которые никогда не могли быть созданы даже несколько лет назад, теперь могут быть изготовлены с новой прочностью и стандартами с использованием различных материалов.

Широкий ассортимент металлических порошков, доступных для аддитивных технологий производства, постоянно расширяется. Некоторые из наиболее распространенных металлических материалов включают нержавеющую сталь, никель, кобальт-хром, титановые сплавы и алюминий. Этот постоянно расширяющийся ассортимент строительных материалов позволяет производителю выбрать подходящий материал в соответствии с точными характеристиками и ожиданиями объекта.

Методы аддитивного производства металлов

Методы аддитивного производства металла можно разделить на то, какой процесс используется для соединения металла, в том числе связующее, сопло с подогревом или лазеры. Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных технологий аддитивного производства металлов. В зависимости от используемой техники получаемая печатная часть может иметь сетчатую или почти сетчатую форму.

Добавка для порошкового слоя на лазерной основе

В методах плавления в порошковом слое (PBF) используется лазер или электронный луч для плавления и сплавления металлического порошка в твердое тело. Этот метод включает в себя следующие методы аддитивного производства металлов:электронно-лучевое плавление (EBM), прямое лазерное спекание металла (DMLS), селективное тепловое спекание (SHS) и селективное лазерное плавление (SLM). Селективное лазерное спекание (SLS) - это дополнительный метод, использующий лазер в качестве источника энергии для спекания порошковых материалов, хотя в SLS обычно используются полимеры, а не металлы.

Независимо от метода, все методы нанесения порошкового покрытия на основе лазера требуют нанесения металлического порошка на предыдущие слои с помощью валика или лезвия. Наиболее часто используемые металлы в этом аддитивном процессе - нержавеющая сталь, титан, алюминий, сталь и кобальт, хром и медь.

Обработка металлических переплетов

Этот метод аддитивного производства металла аналогичен двухмерному струйному принтеру. Металлический порошок распыляется на платформу сборки для печати объектов с использованием либо непрерывного подхода, либо метода капли по требованию (DOD). Наносится жидкое связующее, чтобы послойно соединить порошок, создавая желаемый объект. Только что напечатанные детали изначально хрупкие и требуют последующего спекания и пропитки. Конечный результат может пройти дополнительный процесс отделки, когда деталь полируется или покрывается никелем или золотом.

Одно из уникальных преимуществ распыления связующего - исключение плавления металлических порошков, которое может привести к накоплению остаточных напряжений. Это также одна из наименее дорогих технологий аддитивного производства металлов.

Ламинирование листов

Этот метод соединяет листы материала вместе слой за слоем посредством склеивания, ультразвуковой сварки или пайки для создания объекта. Методы ламинирования листов - это низкотемпературные процессы, с помощью которых можно склеивать различные материалы. Обычно методы ламинирования листов предназначены для визуальных и эстетических моделей, а не для структурного использования.

Направленное распределение энергии

Более сложный процесс 3D-печати, этот метод работает, как следует из его названия:сфокусированный источник энергии, такой как лазер или электронный луч, направляется на строительный материал, чтобы расплавить его, в то время как он одновременно осаждается слой за слоем. Этот метод обычно используется для ремонта или добавления дополнительного материала к существующим конструкциям. Направленное осаждение энергии (DED) использует нагретое сопло для осаждения расплавленного материала - обычно титана или хрома кобальта - на заданную поверхность, где он затвердевает.

Преимущества технологии Metal AM

За последние несколько десятилетий своего существования технологии аддитивного производства оказали революционное влияние на производственный сектор в целом. Эта способность объединять сборки - печатать деталь как единое целое, а не несколько частей, которые необходимо соединить или закрепить, - сокращает отходы материала и, как правило, улучшает общее качество и производительность продукта. Помимо этого преимущества экономии отходов, методы AM с использованием металла предлагают уникальные преимущества, которые включают:

Сложность «бесплатна»

При использовании традиционных процессов субтрактивного производства повышенная сложность конструкции детали приводит к увеличению затрат, поскольку необходимо все больше и больше операций субтрактивного фрезерования, контурной обработки и чистовой обработки. При использовании Additive сложность конструкции незначительно увеличивает стоимость и часто снижает стоимость детали. Например, если деталь представляет собой призматическую деталь - сплошной прямоугольный блок - фрезерование заготовки почти чистой формы является простым и требует нескольких проходов на стане и, следовательно, низкой стоимости. Для печати блока с использованием добавки потребуется много проходов на машине, чтобы нанести необходимое количество материала для создания формы, что приведет к гораздо более высокой стоимости. Однако, если деталь имеет органическую форму - подумайте о скобе, которая выглядит как структура корня дерева - фрезерование, вероятно, потребует настраиваемых удерживающих приспособлений и множества проходов станка, часто со сменой нескольких инструментов и обширного кодирования траектории инструмента, что приводит к высокой стоимости . Чтобы напечатать органическую форму с помощью Additive, траектория инструмента создается автоматически с помощью программного обеспечения, а количество проходов и количество нанесенного материала значительно сокращаются, что приводит к более низкой стоимости этой детали.

Устранение лишних затрат

Процессы с добавкой металлов сокращают отходы материалов по сравнению с традиционными методами. Поскольку сырье формируется точно слой за слоем, нет необходимости в удалении или срезании кусков твердого объекта. Используется только тот материал, который нужен, и размещается именно там, где это необходимо, что делает технологии AM металла ресурсоэффективными.

Кроме того, аддитивное производство металлов сокращает отходы, устраняя необходимость в дорогостоящих инструментах, экономя деньги и время вашего бизнеса. Выбрав правильный процесс аддитивного производства металла, вы можете получить доступ к широкому спектру материалов для удовлетворения ваших конкретных производственных потребностей.

Широкий выбор материалов

Свойства материала и общие характеристики определяются его химическим составом, кристаллическим состоянием и основной микроархитектурой. Эти характеристики заставляют инженеров идти на определенные компромиссы при выборе материала для конкретного применения. Однако вскоре эта уступка может уйти в прошлое из-за достижений в технологии 3D-печати.

Если раньше производители были ограничены материалами, используемыми в металлическом AM, то теперь можно использовать все большее разнообразие металлических порошков. Некоторые из наиболее распространенных доступных металлических материалов включают:

• Нержавеющая сталь
• Сталь
• Титан
• Алюминий
• медь
• Кобальтовый хром
• Титановые сплавы
• Никелевые сплавы
• Золото
• Серебро
• Платина
• Палладий

По мере достижения прогресса в аддитивном производстве список металлических порошков, которые можно использовать, будет продолжать расширяться.

Улучшенные возможности проектирования и оптимизация топологии

С помощью аддитивного производства металла можно создавать уникальные и сложные конструкции, которые в противном случае потребовали бы дополнительного времени и дополнительных деталей. Объединяя сборки, теперь можно производить объекты как единое целое для большей прочности и эффективности, а не как несколько частей, которые необходимо соединять или скреплять после обработки.

Кроме того, последние достижения в области автоматизированного проектирования позволили производить продукты для множества приложений. Программное обеспечение для оптимизации топологии позволяет разработчикам определять параметры детали и позволяет программному обеспечению определять свою архитектуру на основе желаемых структурных, функциональных, тепловых или других свойств. Конечным результатом являются конструкции, которые можно сделать прочнее, легче, жестче и устойчивее к естественным силам и внешним условиям.

Сокращение времени производства

Одним из хорошо известных преимуществ аддитивного производства металлов является сокращение времени, необходимого для перехода изделий от стадии проектирования к конечному производству, по сравнению с традиционной механической обработкой. Поскольку после 3D-печати не требуется специальной обработки и инструментов для обработки объекта, металлический AM может создавать детали в течение нескольких дней, а не недель.

Воспользуйтесь преимуществами аддитивного производства на вашем предприятии в Калифорнии с CMTC

Звучит ли аддитивное производство металлов как технология, которую может использовать ваш производственный бизнес? Как и с любой новой технологией, всегда есть некоторая кривая обучения. Вот почему в нашем руководстве "Типы процессов аддитивного производства металлов" мы углубляемся во внутреннее устройство всех вышеупомянутых процессов, используемые материалы, а также плюсы и минусы каждого из них.

Будьте в курсе и не отставайте от других представителей отрасли, загрузив бесплатное руководство сегодня. А пока, если у вас есть дополнительные вопросы по аддитивному производству, обращайтесь к экспертам CMTC. Мы здесь и рады помочь!