Металлическая аддитивная манufактура: ключевые инсайты для современного производства

Аддитивное производство трансформировало индустрию с коммерческого зарождения в конце XX века. По мере набирания оборотов аддитивных процессов, металлическая аддитивная манufактура (Metal AM) и многочисленные применения выходят на передний план производства.

Поддерживаемое выходом новых станков Metal AM с открытыми материальными платформами и более высокими скоростями печати, продажи систем Metal AM растут — сегмент ожидает почти 4 млрд долларов выручки к 2024 году. По мере развития технологий важно знать преимущества Metal AM и то, как многочисленные применения меняют лицо производства.

Быстрые ссылки:

• История металлической аддитивной манufактуры
• Процессы Metal AM / 3D-печати
• Техники металлической аддитивной манufактуры
• Преимущества технологии Metal AM
• Используйте аддитивное производство в калифорнийском объекте с CMTC

История металлической аддитивной манufактуры

Корни аддитивного производства уходят в середину 1980-х, когда внедрялись методы ускоренной разработки продуктов. Изначально называлось быстрым прототипированием — процесс мог создавать размерные модели для быстрых прототипов проверки монтажа и функции.

К 1987 году новая пластиковая технология — стереолитография (SLA) — стала коммерческой, став первым патентом в аддитивном производстве. С SLA производители могли твердеть фоточувствительные жидкие полимеры лазером, создавая 3D-модели быстрее. Эта веха открыла инженерам и дизайнерам новые возможности для более эффективного создания продуктов.

К началу 1990-х другие полимерные аддитивные процессы стали коммерчески доступны. В 1992 году селективная лазерная синеризация (SLS) — сплавление порошковых материалов лазером в твердое тело — стала доступна. Незадолго до этого был запатентован и выведен на рынок металлический аддитивный процесс. Как и другие аддитивные технологии, он позволял быстро производить металлические прототипы, продукты и инструменты. Введение металлических процессов дало возможность изготовления металлических деталей путем синеризации выбранного металлического порошка, но результат был ближе к композитам, чем к сплавам, так как материалы с низкой температурой плавления можно было комбинировать с высокостойкими металлами, такими как нержавеющая сталь.

Процессы металлической аддитивной манufактуры и 3D-печати

Аддитивный процесс создает объекты путем добавления материала слой за слоем — металл, пластик или керамика. Аддитивное производство может дополнять, а в некоторых случаях заменять традиционные методы создания объектов через механическую обработку, резку, токарную, фрезерную и другие «вычитающие» процессы.

Для создания объекта аддитивным способом дизайн разрабатывается в CAD (Компьютерное проектирование) или путем сканирования объекта для печати. Софт переводит скан в точную структуру для 3D-принтера для следования слой за слоем.

Металлическая аддитивная манufактура, также металлическая 3D-печать, применяет аддитивный процесс исключительно к металлам. Путем наслаивания металлических порошков с источником энергии или связующим веществом создаются точные объекты. Благодаря прогрессу станков, объекты, невозможные несколько лет назад, теперь производятся с новой прочностью и стандартами из различных материалов.

Широкая гамма металлических порошков для аддитивных техник постоянно расширяется. Наиболее распространенные материалы: нержавеющие стали, никель, кобальт-хром, титановые сплавы, алюминий. Растущий выбор материалов позволяет производителю подбирать идеальный материал для точных спецификаций объекта.

Техники металлической аддитивной манufактуры

Методы можно классифицировать по процессу соединения металла: связующее вещество, нагретая сопла или лазеры. Ниже — наиболее распространенные техники. В зависимости от техники, получаемая деталь может быть нетто-формой (net-shape) или близкой к нетто-форме (near-net shape).

Лазерная порошковая печь (Powder Bed Fusion)

Методы порошковой плавки (PBF) используют лазер или электронный луч для плавления и сплавления металлического порошка в твердое тело. Включает: электронно-лучевую плавку (EBM), прямую металлическую лазерную синеризацию (DMLS), селективную тепловую синеризацию (SHS), селективную лазерную плавку (SLM). Селективная лазерная синеризация (SLS) — дополнительная техника с лазером для синеризации порошков, хотя в SLS чаще используются полимеры, а не металлы.

Все лазерные порошковые техники требуют распределения металлического порошка над предыдущими слоями — через ролик или лезвие. Наиболее частые металлы: нержавеющая сталь, титан, алюминий, сталь, кобальт-хром, медь.

Металлический биндер-джетинг

Метод похож на двумерный струйный принтер. Металлические порошки наносятся на строительную платформу непрерывным или капельным (DOD) способом. Жидкий связующий компонент комбинирует порошок слой за слоем, строя объект. Только что напечатанные детали хрупки и требуют пост-обработки — синеризации и инфильтрации для укрепления. Опционально — финишная обработка: полировка или наплыв никеля/золота.

Уникальное преимущество — отсутствие плавления порошков, исключающее накопление остаточных напряжений. Также одна из наименее дорогих металлических аддитивных техник.

Листовая ламинация

Метод соединяет листы материала слой за слоем через склеивание, ультразвуковую сварку или пайку. Низкотемпературные процессы, могут соединять разные материалы. Обычно для визуальных и эстетических моделей, а не структурных.

Направленное энергетическое наложение (DED)

Сложный процесс 3D-печати: сфокусированный источник энергии (лазер или электронный луч) направляется на строительный материал для плавления при одновременном послойном наложении. Используется для ремонта или добавления материала к существующим структурам. DED использует нагретую соплу для отложения расплавленного материала — обычно титана или кобальт-хрома — на заданную поверхность, где он твердеет.

Преимущества технологии Metal AM

За последние десятилетия аддитивные технологии оказали революционное влияние на сектор. Способность объединять сборки — печатать деталь как единое целое вместо множества частей, требующих соединения — снижает материальные отходы и обычно улучшает общее качество и производительность. Помимо экономии материалов, Metal AM предлагает уникальные преимущества:

Сложность — «бесплатно»

В традиционных вычитающих процессах увеличение сложности дизайна детали ведет к растущим затратам — больше фрезеровки, контурирования, финишных операций. В аддитивном производстве сложность дизайна добавляет мало затрат и часто снижает стоимость детали. Пример: призматическая деталь (прямоугольный блок) — фрезеровка с ближнего к нетто-форме заготовки проста и дешева. Печать блока аддитивным способом требует много проходов для наращивания формы — выше стоимость. Но если деталь органическая форма — например, опора как корневая система дерева — фрезеровка потребует специальные приспособления, много проходов, смену инструментов, сложное программирование — высокая стоимость. Печать органической формы аддитивно: траектория создается софтом автоматически, число проходов и количество материала сильно снижены — ниже стоимость.

Исключение лишних затрат

Металлические аддитивные процессы снижают материальные отходы vs традиционные методы. Сырье точно настраивается слой за слоем — мало нужды в вычитании или соскобе лишнего. Используется только нужный материал именно там, где нужен — ресурсоэффективно.

Кроме того, металлическая аддитивная манufактура снижает отходы за счет устранения дорогой оснастки, экономя деньги и время. Выбирая правильный процесс, получаете доступ к широкой гамме материалов для специфических производственных нужд.

Широкий спектр материалов

Свойства и производительность материала определяются химическим составом, кристаллическим состоянием и микроархитектурой. Эти характеристики заставляли инженеров идти на компромиссы при выборе материала. Но это может стать прошлым благодаря прогрессу 3D-печати.

Раньше производители были ограничены материалами Metal AM, теперь — все большее разнообразие металлических порошков. Распространенные материалы:

• Нержавеющая сталь
• Сталь
• Титан
• Алюминий
• Медь
• Кобальт-хром
• Титановые сплавы
• Никелевые сплавы
• Золото
• Серебро
• Платина
• Палладий

По мере прогресса аддитивного производства список пригодных металлических порошков будет расширяться.

Улучшенные проектные возможности и топологическая оптимизация

С металлической аддитивной манufактурой создаются уникальные сложные структуры, иначе требовавшие бы больше времени и деталей. Объединение сборок позволяет производить объекты как единое целое для большей прочности и эффективности вместо множества частей, требующих пост-производственного соединения.

Кроме того, недавние достижения в автоматизированном дизайне позволяют производить продукты для множества применений. Софт топологической оптимизации позволяет дизайнерам задать параметры детали и дать софту определить архитектуру на основе желаемых структурных, функциональных, термических или других свойств. Результаты — дизайны, которые можно сделать прочнее, легче, тверже, устойчивее к природным силам и внешним условиям.

Сокращение производственного времени

Одно из известных преимуществ металлической аддитивной манufактуры — сокращение времени перехода от дизайна к финальному производству по сравнению с традиционной механической обработкой. Поскольку мало нужды в специальной механической обработке и инструментах после 3D-печати, Metal AM может создавать детали за дни вместо недель.

Используйте аддитивное производство в вашем калифорнийском объекте с CMTC

Звучит как технология для вашего бизнеса? Как и любая новая технология, есть кривая обучения. Поэтому в нашем руководстве «Типы процессов металлической аддитивной манufактуры» мы углубляемся во внутреннюю работу всех упомянутых процессов, материалы, плюсы и минусы каждого.

Оставайтесь в курсе и следите за индустрией, скачав бесплатное руководство сегодня. Если есть вопросы об аддитивном производстве — обращайтесь к экспертам CMTC. Мы здесь и рады помочь!